模拟电路备课教案第一章.docx

1、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

2、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：109cm 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。

3、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12 oC，ni 或pi 增加一倍

4、。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

5、质有硼、铟等。图1.1.4 P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1.1.5 N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

6、。 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

7、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12；VT 温度的电压当量，且在常温下（T=300K）:VT = kT/q = 0.026V =26mVPN结的正向特性：死区电压Vth：硅材料

8、为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。导通电压Von：硅材料为0.60.7V左右；锗材料为0.20.3V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

9、，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

10、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

11、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

12、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Cj4二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

13、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（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1

14、0%， RL=1k。解：选择DZ ： 查手册，选择DZ 为2CW13，VZ =(56.5V) ， 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1.52.5V之间，工作电流在530mA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

15、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 (Bipolar Junction Transistor)。 （3）晶体管的电流分配关系根据传输过程可知: IE=I

16、B+ IC IC= InC+ ICBO IB= 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 = 0.90.99 IE=IB+ IC IC= InC+ ICBO ICEO= (1+ ) 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vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入

17、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=VCES0.7V (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=（ICICEO）/IBIC / IB | vCE=const(b)共基直流电流放大系

18、数=（ICICBO）/IEIC/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，、 ，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PCMPCM= 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

19、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)CBOV(BR)CEOV(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22.5mV，具有负的温度系数。若VBE 不变，则

20、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，IC增大， 增大。温度每升高1oC ， 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 VBVE，PNP管：VEVBVC；（2）导通电压：硅管|VBE|= 0.60.7V，硅管|VBE|= 0.20.3V

21、，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; （3）截止状态： VBE Von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 Von，晶体管截止，IC=IB=0， VO= VCC=12V。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

22、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（1071012），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） vDS=0时， vGS 对沟道的控制作用当vGS0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。 vGS=(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；vD

23、S 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。 当vGD VGS(off)时，vGS对iD的控制作用当vGD = vGS - vDS vGS - 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

24、-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 输出特性 转移特性 3. 绝缘栅型场效应管vGS=0，iD=0，为增强型管；vGS=0，iD0，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

25、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 。 vDS=0时， vGS 对沟道的控制作用当vDS=0且vGS0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

26、小。 vGSVGS(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

27、区。 输出特性 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 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

28、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。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。 饱和漏极电流IDSS：

29、对耗尽型MOS管或JFET ，VGS=0时对应的漏极电流。 直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，RGS大于107， MOS管的RGS大于109， 。（二）交流参数 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13pF，和 Cds约为0.11pF。高频应用时，应考虑极间电容的影响。 输出电阻rd：（三）极限参数 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。 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 场效应

30、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。 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