模拟电路备课教案第一章.docx

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模拟电路备课教案第一章

第一章常用半导体器件

内容提要：

本章主要讲述了半导体基础知识，PN结的特性，二极管、晶体三极管、场效应管的构成及特性曲线和主要参数等，同时介绍了单结管、晶闸管、集成电路中的元件等基础知识。

重点：

二极管和稳压管的伏安特性及主要参数，晶体管的共射输入特性、输出特性和主要参数，以及场效应管的转移特性、输出特性和主要参数；即常用半导体器件的外特性及主要参数。

了解它们内部载流子的运动情况是为了更好地理解它们的工作原理。

难点：

常用半导体器件的内部载流子的运动情况分析及工作原理。

讲授方法：

采用多媒体课件配合，以课件演示半导体器件内部载流子的运动情况，同时采用启发式教学，激发学生学习的积极性。

第一节：

半导体基础知识

1.半导体材料

根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

导体：

ρ<10－4Ω·cm

绝缘体：

ρ>109Ω·cm

半导体：

导电性能介于导体和绝缘体之间。

2.半导体的晶体结构

典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。

半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：

即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。

图1.1.1本征半导体结构示意图图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴

3.本征半导体

本征半导体：

化学成分纯净、结构完整的半导体。

它在物理结构上呈单晶体形态。

本征激发（热激发）：

受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）。

空穴：

共价键中的空位。

电子空穴对：

由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。

所以，在本

征半导体中：

ni=pi（ni－自由电子的浓度；pi－空穴的浓度）。

（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定；

（2）ni与pi的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni或pi增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12oC，ni或pi增加一倍。

载流子：

能够参与导电的带电粒子。

半导体中载流子的移动：

如图1.1.3所示。

从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。

所以，在半导体中具有两种载流子：

自由电子和空穴。

图1.1.3半导体中载流子的运动

4.杂质半导体

杂质半导体：

在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。

根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。

由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。

P型半导体：

在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。

常用的三价元素的杂质有硼、铟等。

图1.1.4P型半导体的共价键结构

受主杂质：

因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。

多子与少子：

P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。

在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。

N型半导体:

在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。

常用的五价元素的杂质有磷、砷和锑等。

图1.1.5N型半导体的共价键结构

施主杂质：

因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。

在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。

综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。

5.PN结

（1）PN结的形成

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。

此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成PN结。

物理过程示意图见课件图1.1.6所示。

PN结的单向导电性

（2）正偏与反偏：

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

PN结加正向电压:

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。

其示意图见课件图1.1.7所示。

PN结加反向电压:

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。

其示意图见课件图1.1.8所示。

PN结的单向导电性

PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。

（3）PN结的特性曲线

PN结的V-I特性表达式：

式中，IS—反向饱和电流；n—发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为1~2；VT—温度的电压当量，且在常温下（T=300K）:

VT=kT/q=0.026V=26mV

PN结的正向特性：

死区电压Vth：

硅材料为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。

导通电压Von：

硅材料为0.6~0.7V左右；锗材料为0.2~0.3V左右。

PN结的反向特性：

反向电流：

在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电压达到一定值后，反向电流IR即为反向饱和电流IS，基本保持不变。

反向电流受温度的影响大。

PN结的反向击穿特性：

反向击穿：

当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。

若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。

电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免

反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型：

雪崩击穿：

当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。

而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，形成载流子的倍增效应。

当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。

齐纳击穿：

齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。

在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了PN结的齐纳击穿。

（4）PN结的电容效应：

势垒电容Cb：

PN结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为势垒电容Cb。

当PN结加反向电压时，Cb明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极管。

扩散电容Cd：

PN结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容Cd。

结电容Cj=Cb+Cd。

反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容Cd为主。

低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电容的作用。

1.2半导体二极管

1.半导体二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。

（b）面接触型

图1.2.1二极管的结构示意图

（1）点接触型二极管:

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

（2）面接触型二极管：

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。

（3）平面型二极管：

往往用于集成电路制造艺中。

PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

（4）二极管的图形符号：

2．半导体二极管的V-I特性：

二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。

其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。

在此不再赘述。

3．半导体二极管的参数

（1）最大整流电流IF

（2）反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VR

（3）反向电流IR

（4）正向压降VF

（5）最高工作频率fM

（6）结电容Cj

4．二极管的等效模型电路

（1）理想模型：

正偏时：

uD=0,RD=0;反偏时：

iD=0,RD=∞。

相当于一理想电子开关。

（2）恒压降模型：

正偏时：

uD=Uon,RD=0;反偏时：

iD=0,RD=∞。

相当于一理想电子开关和恒压源的串联。

（3）折线型模型：

正偏时：

uD=iDrD+UTH;反偏时：

iD=0,RD=∞。

相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。

（4）小信号模型：

二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。

则

根据

得Q点处的微变电导

常温下（T=300K）

5.二极管基本电路及模型分析法

（1）二极管的静态工作情况分析

例1.2.1求图1.2.9（a）所示电路的硅二极管电流ID和电压VD。

解：

理想模型，VD=0，则

恒压降模型，VD=0.7V，则

（2）二极管限幅电路

（3）二极管开关电路

6.稳压二极管

（1）稳压二极管的伏安特性：

利用二极管反向击穿特性实现稳压。

稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。

其伏安特性如图1.2.12所示。

（2）稳压二极管的主要参数：

稳定电压VZ

稳定电流IZ（IZmin、IZmin）

额定功耗PZM

动态电阻rZ

温度系数α

（3）稳压二极管构成的稳压电路

例1.2.4设计如图1.2.13所示稳压管稳压电路，已知VO=6V，输入电压VI波动±10%，RL=1kΩ。

解：

选择DZ：

查手册，选择DZ为

2CW13，VZ=（5~6.5V），

IZmax=38mA,IZmin=5mA

选择限流电阻R：

7.其它类型的二极管

（1）发光二极管：

工作电压一般在1.5~2.5V之间，工作电流在5~30mA之间，电流越大，发光越强。

（2）光电二极管：

外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电流，

光照越强，光电流越大。

（3）变容二极管

（4）激光二极管

（5）隧道二极管和肖特基二极管

1.3双极性晶体管

1.双极性晶体管的结构及类型:

双极性晶体管的结构如图1.3.1所示。

它有两种类型:

NPN型和PNP型。

结构特点：

基区很薄，且掺杂浓度很低；发射区的掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度；集电结的结面积很大。

上述结构特点构成了晶体管具有放大作用的内部条件。

2.晶体管的电流放大作用

（1）晶体管具有放大作用的外部条件:

发射结正偏，集电结反偏。

对于NPN管，VC>VB>VE；对于PNP管，VE>VB>VC。

（2）晶体管内部载流子的运动（如课件图1.3.3所示）

发射区：

发射载流子；集电区：

收集载流子；基区：

传送和控制载流子

以上看出，三极管内有两种载流子（自由电子和空穴）参与导电，故称为双极型三极管。

或BJT（BipolarJunctionTransistor）。

（3）晶体管的电流分配关系

根据传输过程可知:

IE=IB+ICIC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO

通常IC>>ICBO

为共基直流电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。

一般=0.9~0.99

IE=IB+ICIC=InC+ICBO

ICEO=（1+β）ICBO（穿透电流）

是共射直流电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。

一般当输入为变化量（动态量）时，相应的电流放大倍数为交流电流放大倍数：

3.晶体管的共射特性曲线

（1）输入特性曲线

当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。

当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。

（2）输出特性曲线

iC=f（vCE）∣iB=const

输出特性曲线的三个区域:

饱和区：

iC明显受vCE控制，该区域内，vCE=VCES＜0.7V（硅管）。

此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。

放大区：

iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。

此时，发射结正偏，集电结反偏。

截止区：

iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。

此时，vBE小于死区电压，集电结反偏。

4.晶体管的主要参数

（1）直流参数

（a）共射直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB|vCE=const

（b）共基直流电流放大系数=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

（c）极间反向电流

（i）集电极基极间反向饱和电流:

ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

（ii）集电极发射极间的穿透电流ICEO

ICEO=（1+

）ICBO

基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。

（2）交流参数

（a）共射交流电流放大系数

（b）共射交流电流放大系数

当ICBO和ICEO很小时，

≈α、

≈β，可以不加区分。

（3）极限参数

（a）集电极最大允许电流ICM

（b）最大集电极耗散功率PCM

PCM=iCvCE=const

（c）反向击穿电压

∙V（BR）CBO—发射极开路时的集电结反向击穿电压。

∙V（BR）EBO—集电极开路时发射结的反向击穿电压。

∙V（BR）CEO—基极开路时C极和E极间的击穿电

∙V（BR）CEO—基极开路时C极和E极间的击穿电压。

其关系为：

V（BR）CBO＞V（BR）CEO＞V（BR）EBO

由PCM、ICM和V（BR）CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

5.温度对晶体管特性及参数的影响

（1）温度对ICBO的影响

（a）ICBO是集电结外加反向电压平衡少子的漂移运动形成的；

（b）温度升高10oC，ICBO增加约一倍;

（c）硅管的ICBO比锗管小得多，所以受温度的影响也小得多。

（2）温度对输入特性的影响

温度升高1oC，VBE减小约2~2.5mV，具有负的温度系数。

若VBE不变，则当温度升高时，iB将增大，正向特性将左移；反之亦然。

（3）温度对输出特性的影响

温度升高，ρIC增大，β增大。

温度每升高1oC，β要增加0.5%~1.0%

6.光电三极管

光电三极管依照光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能等效于一只光电二极管与一只晶体管相连。

例题

例1.3.1图1.3.19所示各晶体管处于放大工作状态，已知各电极直流电位。

试确定晶体管的类型（NPN/PNP、硅/锗），并说明x、y、z代表的电极。

提示：

（1）晶体管工作于放大状态的条件：

NPN管：

VC>VB>VE，PNP管：

VE>VB>VC；

（2）导通电压：

硅管|VBE|=0.6~0.7V，硅管|VBE|=0.2~0.3V，

例1.3.2已知NPN型硅管T1~T4各电极的直流电位如表1.3.1所示，试确定各晶体管的工作状态。

提示：

NPN管

（1）放大状态：

VBE>Von,VCE>VBE;

（2）饱和状态：

VBE>Von,VCE

VBE

例1.3.3图1.3.20所示电路中，晶体管为硅管，VCES=0.3V。

求：

当VI=0V、VI=1V和VI=2V时VO=?

解：

（1）VI=0V时，VBE

2）VI=1V时：

（3）VI=2V时：

1.4场效应管

1.场效应管的特点和分类

（1）特点

利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高（107~1012Ω），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。

（2）分类

2.结型场效应管

（1）结型场效应管的结构（如图所示）

（2）结型场效应管的工作原理（如图所示）

①vDS=0时，vGS对沟道的控制作用

当vGS＜0时，PN结反偏，|vGS|→↑耗尽层加厚→沟道变窄。

vGS继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS（off））。

对于N沟道的JFET，VP<0。

②vGS=（VGS（off）~0）的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用

当vDS=0时，iD=0；vDS↑→iD↑，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。

当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。

此时vDS↑→夹断区延长→沟道电阻↑→iD基本不变，表现出恒流特性。

③当vGD

当vGD=vGS-vDSvGS-VGS（off）>0，导电沟道夹断，iD不随vDS变化；但vGS越小，即|vGS|越大，沟道电阻越大，对同样的vDS，iD的值越小。

所以，此时可以通过改变vGS控制iD的大小，iD与vDS几乎无关，可以近似看成受vGS控制的电流源。

由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件。

综上分析可知：

（a）JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管；（b）JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；（c）JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；（d）预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和

（3）结型场效应管的特性曲线

①输出特性

②转移特性

3.绝缘栅型场效应管

vGS=0，iD=0，为增强型管；vGS=0，iD≠0，为耗尽型管。

（一）

N沟道增强型MOS管（其结构和符号如图1.4.4所示）

（1）N沟道增强型MOS管的工作原理

当vGS=0时，漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道，无论vDS为多少，iD=0。

①vDS=0时，vGS对沟道的控制作用

当vDS=0且vGS>0时，因SiO2的存在，iG=0。

但g极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正电荷，从而排斥P型衬底靠近g极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。

如图1.4.5所示。

当vGS进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称之为反型层，构成了漏-源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图1.4.6所示。

使沟道刚刚形成的栅-源电压称之为开启电压VGS（th）。

vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。

②vGS>VGS（th）的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用

当vDS=0时，iD=0；vDS↑→iD↑，同时使靠近漏极处的耗尽层变窄。

当vDS增加到使vGD=VGS（th）时，在紧靠漏极处出现预夹断。

此时vDS↑→夹断区延长→沟道电阻↑→iD基本不变，表现出恒流特性。

如图1.4.7所示.

（2）N沟道增强型MOS管的特性曲线与电流方程

N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如图1.4.8所示，与JFET一样，可分为四个区：

可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。

N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如图1.4.8所示，与JFET一样，可分为四个区：

可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。

①输出特性

②转移特性

（二）N沟道耗尽型MOS管（其结构和符号如图1.4.9所示）

与N沟道增强型MOS管不同的是，N沟道耗尽型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，即使在vGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏-源之间加正向电压，就会产生iD。

若vDS为定值，而vGS>0，vGS↑→iD↑；若vGS<0，vGS↓→iD↓，当vGS减小到一定值时，反型层消失，导电沟道被夹断，iD=0。

此时的vGS称为夹断电压VGS（off）。

若vGS>VGS（off），且为定值，则iD随vDS的变化与N沟道增强型MOS管的相同。

但因VGS（off）<0，所以vGS在正、负方向一定范围内都可以实现对iD的控制。

其转移特性曲线与输出特性曲线见教材P44。

（三）P沟道MOS管

P沟道MOS管与N沟道MOS管的结构相同，只是掺杂的类型刚好相反，所以其电压和电流的极性与N沟道MOS管的相反。

其转移特性曲线与输出特性曲线见教材P44。

（四）VMOS管

VMOS管与普通MOS管只是制造工艺上的差别，原理上并没什么不同。

但其性能与普通MOS管相比，VMOS管的漏区散热面积大，耗散功率可达kW以上；其漏-源击穿电压高，上限工作频率高，线性好。

4.场效应管的主要参数

（一）直流参数

①开启电压VGS（th）：

对增强型MOS管，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。

②夹断电压VGS（off）（或VP）：

对耗尽型MOS管或JFET，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。

③饱和漏极电流IDSS：

对耗尽型MOS管或JFET，VGS=0时对应的漏极电流。

④直流输入电阻RGS：

对于结型场效应三极管，RGS大于107Ω，MOS管的RGS大于109Ω，。

（二）交流参数

①低频跨导gm：

低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。

gm可以在转移特性曲线上求得。

≡极间电容：

Cgs和Cgd约为1~3pF，和Cds约为0.1~1pF。

高频应用时，应考虑极间电容的影响。

③输出电阻rd：

（三）极限参数

①最大漏极电流IDM：

管子正常工作时漏极电流的上限值。

≡击穿电压V（BR）DS、V（BR）GS：

管子漏-源、栅-源击穿电压。

③最大耗散功率PDM：

决定于管子允许的温升。

5.场效应管与晶体管的比较

①场效应管的漏极d、栅极g和源极s分别对应晶体管的集电极c、基极b和发射极e，其作用类似。

②场效应管以栅-源电压控制漏极电流，是电压控制型器件，且只有多子参与导电，是单极性晶体管；三极管以基极电流控制集电极电流，是电流控制型器件，晶体管内既有多子又有少子参与导电，是双极性晶体管。

≈场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻，其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。

⋯场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大，只有在特殊情况下才互换使用。

但要注意的是，场效应管的某些产品在出厂时，已将衬底和源极连接在一起，此时，漏极和源极不可以互换使用。

例题例1.4.1已知各场效应管的输出特性曲线如图1.4.10所示。

试分析各管子的类型。

提示：

场效应管工作于恒流区