模拟电子技术基础简明教程 第三版 第1章.docx
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模拟电子技术基础简明教程第三版第1章
第一章半导体器件
1.1半导体的特性
1.2半导体二极管
1.3
1.4双极型三极管(BJT)场效应三极管
1.1半导体的特性
1.导体:
电阻率ρ<10-4Ω·cm的物质。
如铜、银、铝等金属材料。
2.绝缘体:
电阻率ρ>109Ω·cm物质。
如橡胶、塑料等。
3.半导体:
导电性能介于导体和半导体之间的物质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。
硅原子结构
最外层电子称价电子锗原子也是4价元素
(a)硅的原子结构图
4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。
(b)简化模型
图1.1.1硅原子结构
1.半导体中两种载流子带负电的自由电子
带正电的空穴
2.本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,称为电子-空穴对。
3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示,显然ni=pi。
4.由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。
在一定的温度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。
5.载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升高,基本按指数规律增加。
1.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体
P型半导体
一、N型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素,如磷、锑、砷等,即构成N型半导体(或称电子型半导体)。
常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。
本征半导体掺入5价元素后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。
杂质原子最外层有5个价电子,其中4个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度,即n>>p。
电子称为多数载流子(简称多子),空穴称为少数载流子(简称少子)。
3价杂质元素,如3价杂质原子称为空穴浓度多于电子
p>>n。
空穴
,电子为
说明:
1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流子的浓度。
2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。
3.杂质半导体总体上保持电中性。
4.杂质半导体的表示方法如下图所示。
(a)N型半导体(b)P型半导体图1.1.6杂质半导体的的简化表示法
1.2半导体二极管
1.2.1PN结及其单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体,另一侧掺杂成为N型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,称为PN结。
图1.2.1PN结的形成
一、PN结中载流子的运动1.扩散运动PN电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。
2.扩散运动
形成空间电荷区——PN结,耗
尽层。
图1.2.1
3.空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间电位差UD——电位壁垒;——内电场;内电场阻止多子的扩散——阻挡层。
4.漂移运动
内电场有利
于少子运动—漂
移。
5.扩散与漂移的动态平衡
扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;
当扩散电流与漂移电流相等时,PN结总的电流等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。
空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米;电压壁垒UD,硅材料约为(0.6~0.8)V,
锗材料约为(0.2~0.3)V。
在PN结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻R。
2.PN结外加反向电压(反偏)
反向接法时,外电场与内电场的方向一致,增强了内电场的作用;
外电场使空间电荷区变宽;
不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,电路中产生反向电流I;
由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。
IS
图1.2.3反相偏置的PN结
反向电流又称反向饱和电流。
对温度十分敏感,随着温度升高,IS将急剧增大。
综上所述:
当PN结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流,PN结处于导通状态;当PN结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零,PN结处于截止状态。
可见,PN结具有单向导电性。
1.2.2二极管的伏安特性
半导体二极管又称晶体二极管。
二极管的结构:
将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里,再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。
(a)外形图(b)
符号
图1.2.4二极管的外形和符号
半导体二极管的类型:
按半导体材料分:
有硅二极管、锗二极管等。
按PN结结构分:
有点接触型和面接触型二极管。
点接触型管子中不允许通过较大的电流,因结电容小,可在高频下工作。
面接触型二极管PN结的面积大,允许流过的电流大,但只能在较低频率下工作。
按用途划分:
有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。
二极管的伏安特性
在二极管的两端加上电压,测量流过管子的电流,I=f(U)之间的关系曲线。
/V
反向特性锗管的伏安特性
图1.2.4二极管的伏安特性
1.正向特性
当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零。
相应的电压叫死区电压。
范
围称死区。
死区电压与材料和温
度有关,硅管约0.5V左右,锗
管约0.1V左右。
当正向电压超过死区电压后,
随着电压的升高,正向电流迅速
增大。
正向特性
2.反向特性二极管加反向电压,反
向电流很小;
当电压超过零点几伏后,
反向电流不随电压增加而增
大,即饱和;反向特性
如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向电流会突然增大;
这种现象称击穿,对应电压叫反向击穿电压。
3.伏安特性表达式(二极管方程)
I=IS(eUUT-1)IS:
反向饱和电流
UT:
温度的电压当量
在常温(300K)下,
UT≈26mV
二极管加反向电压,即U<0,且|U|>>UT,则I≈-IS。
二极管加正向电压,即U>0,且U>>UT,则Ue>>1,可得I≈ISe
基本上成指数关系。
UTUUT,说明电流I与电压U
结论:
二极管具有单向导电性。
加正向电压时导通,呈现很小的正向电阻,如同开关闭合;加反向电压时截止,呈现很大的反向电阻,如同开关断开。
从二极管伏安特性曲线可以看出,二极管的电压与电流变化不呈线性关系,其内阻不是常数,所以二极管属于非线性器件。
1.2.3二极管的主要参数
1.最大整流电流IF
二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。
2.最高反向工作电压UR
工作时允许加在二极管两端的反向电压值。
通常将击穿电压UBR的一半定义为UR。
3.反向电流IR
通常希望IR值愈小愈好。
4.最高工作频率fM
fM值主要决定于PN结结电容的大小。
结电容愈大,二极管允许的最高工作频率愈低。
*1.2.4二极管的电容效应
当二极管上的电压发生变化时,PN结中储存的电荷量将随之发生变化,使二极管具有电容效应。
势垒电容电容效应包括两部分扩散电容
1.势垒电容
是由PN结的空间电荷区变化形成的。
空间
空间(a)PN结加正向电压(b)PN结加反向电压
空间电荷区的正负离子数目发生变化,如同电容的放电和充电过程。
势垒电容的大小可用下式表示:
dQSCb==εdUlε:
半导体材料的介电比系数;S:
结面积;
l:
耗尽层宽度。
由于PN结宽度l随外加
电压U而变化,因此势垒电容
Cb不是一个常数。
其Cb=f(U)
曲线如图示。
图1.2.8U
2.扩散电容Cd是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。
在某个正向电压下,P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。
当电压加大,np(或pn)会升高,如曲线2所示(反之浓度会降低)。
正向电压时,变化载流子积累电荷量发生变化,相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。
当加反向电压时,扩散运动被削弱,扩散电容的作用可忽略。
xx=0处为P与N区的交界处
图1.2.9
综上所述:
PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。
一般来说,当二极管正向偏置时,扩散电容起主要作用,即可以认为Cj≈Cd;当反向偏置时,势垒电容起主要作用,可以认为Cj≈Cb。
Cb和Cd值都很小,通常为几个皮法~几十皮法,有些结面积大的二极管可达几百皮法。
1.2.5稳压管一种特殊的面接触型半
导体硅二极管。
稳压管工作于反向击穿区。
+
(b)稳压管符号
(a)稳压管伏安特性图1.2.10稳压管的伏安特性和符号
稳压管的参数主要有以下几项:
1.稳定电压UZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。
2.稳定电流IZ
正常工作的参考电流。
I
3.动态电阻rZIZ=5mA∆UZrZ=rZ≈16Ω∆IZIZ=20mArZ愈小愈好。
对于rZ≈3Ω同一个稳压管,工作电
流愈大,rZ值愈小。
IZ/mA
稳压管的参数主要有以下几项:
4.电压温度系数αU
稳压管电流不变时,环境温度每变化1℃引起稳定电压变化的百分比。
(1)UZ>7V,αU>0;UZ<4V,αU<0;
(2)UZ在4~7V之间,αU值比较小,性能比较稳定。
2CW17:
UZ=9~10.5V,αU=0.09%/℃2CW11:
UZ=3.2~4.5V,αU=-(0.05~0.03)%/℃
(3)2DW7系列为温度补偿稳压管,用于电子设备的精密稳压源中。
2DW7系列稳压管结构管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。
温度变化时,一个二极管被反向偏置,温度系数为正值;而另一个二极管被正向偏置,温度系数为负值,二者互相补偿,使1、2两端之间的电压随温度的变化很小。
例:
2DW7C,U=0.005%/℃(a)2DW7稳压管外形图(b)内部结构示意图
图1.2.122DW7稳压管
5.额定功耗PZ
额定功率决定于稳压管允许的温升。
PZ=UZIZ
PZ会转化为热能,使稳压管发热。
电工手册中给出IZM,IZM=PZ/UZIZV=1.6kΩVDUZ=12VZM=18mA例题电路图
[例]求通过稳压管的电流IZ等于多少?
R是限流电阻,其值是否合适?
20-12-3[解]IZ=A=5⨯10A=5mA31.6⨯10IZ 使用稳压管需要注意的几个问题: 1.外加电源的正极接管子的N区,电源的负极接P区,保证管子工作在反向击穿区; 2.稳压管应与负载电阻RL并联;I+O 3.必须限制流过稳压管的电流IZ,不能超过规定值,以免因过热而烧毁管子。 图1.2.13稳压管电路 1.3双极型三极管(BJT) 又称半导体三极管、晶体管,或简称为三极管。 (BipolarJunctionTransistor) 三极管的外形如下图所示。 图1.3.1三极管的外形 三极管有两种类型: NPN和PNP型。 主要以NPN 型为例进行讨论。 1.3.1三极管的结构 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。 (a)平面型(NPN)图1.3.2三极管的结构(b)合金型(PNP) 平面型(NPN)三极管制作工艺在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口,将硼杂质进行扩散形成P型(基区),再在P型区上刻窗口,将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。 引出 三个电极即可。 合金型三极管制作工艺: 在N型锗片(基区)两边各置一个铟球,加温铟被熔化并与N型锗接触,冷却后形成两个P型区,集电区接触面大,发射区掺杂浓度高。 基区 c符号图1.3.3三极管结构示意图和符号e(a)NPN型 集电区 集电结c基区发射结发射区e符号 (b)PNP型图1.3.3三极管结构示意图和符号 1.3.2三极管的放大作用 和载流子的运动 以NPN型三极管为例讨论三极管若实 现放大,必须从 三极管内部结构 和外部所加电源 的极性来保证。 b三极管中的两个PN结图1.3.4 b三极管内部结构要求: 1.发射区高掺杂。 2.基区做得很薄。 通常只有几微米到几十微米,而且掺杂较少。 3.集电结面积大。 三极管放大的外部条件: 外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。 三极管中载流子运动过程 c Rc IB b1.发射发射区的电子越过发射结扩散到基区,基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少,空穴电流可忽略)。 2.复合和扩散电子Rb到达基区,少数与空穴复 合形成基极电流Ibn,复合掉的空穴由VBB补充。 多数电子在基区继续扩 图1.3.5三极管中载流子的运动散,到达集电结的一侧。 三极管中载流子运动过程 c ICRb3.收集集电结反偏,有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。 其能量来自外接电源VCC。 另外,集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流,用ICBO表示。 图1.3.5三极管中载流子的运动 三极管的电流分配关系 IC=ICn+ICBOIE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp 一般要求ICn在IE中占的比例尽量大。 而二者之比称直流电流放大系数,即 ICn=IEICcRcIBbRb一般可达0.95~0.99 IC=ICn+ICBO=E+ICBO (1)当ICBO< I≈IE 三个极的电流之间满足节点电流定律,即 IE=IC+IB 代入 (1)式,得IC=(IC+IB)+ICBO1=IB+ICBO1-1-=IB+(1+)ICBO IC=IB+(1+)ICBO 上式中的后一项常用ICEO表示,ICEO称穿透电流。 ICEO=(1+)ICBO则IC=B+ICEO当ICEO< 共射直流电流放大系数近似等于IC与IB之比。 一般值约为几十~几百。 三极管的电流分配关系IE=I+IBIC=βIB IE=(1+β)IB 一组三极管电流关系典型数据 I-II/mA1.任何一列电流关系符合IE=IC+IB,IB 2.当IB有微小变化时,∆IC较大。 说明三极管具有电流放大作用。 ΔIβ=3.共射电流放大系数C 共基电流放大系数α=ΔIBΔIC ΔIE 4.在表的第一列数据中,IE=0时,IC=0.001mA=ICBO,ICBO称为反向饱和电流。 IC=E+ICBO在表的第二列数据中,IB=0,IC=0.01mA=ICEO,称为穿透电流。 ICEO=(1+)ICBO I-II 根据α和β的定义,以及三极管中三个电流的关系,可得 ΔICΔICΔIC/ΔIBβα====ΔIEΔIB+ΔICΔIB+ΔIC1+β ΔIB 故α与β两个参数之间满足以下关系: α=β 1+β或β=α 1-α 1.3.3三极管的特性曲线 特性曲线是选用三极管的主要依据,可从半导体器件手册查得。 输入特性: RIB=f(UBE)UCE=常输出特性: CCIC=f(UCE)IB=常数 VBB图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路 一、输入特性 IB=f(UBE)U 性曲线当UCE=0时,基极和发射极之间相当于两个PN结CE=常数V (1)UCE=0时的输入特VBB并联。 所以,当b、e之间加正向电压时,应为两个二极管并联后的正向伏安特性。 图1.3.7(上中图)图1.3.8(下图)IB/μ0UBE/V (2)UCE>0时的输入特性曲线当UCE>0时,这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。 UCE>UBE,三极管处于放大状态。 *特性右移(结开始吸引电子)VBBR*UCE≥1V性曲线重合。 IB/μ=2V CC≥1时的输入特性具有实用意义。 UBE/VU图图1.3.81.3.6三极管的输入特性三极管共射特性曲线测试电路CE 二、输出特性 划分三个区: 截止区、放大区和饱和区。 1.截止区 区域。 IB≤0的IB=0时,IC=ICEO。 硅管约等于1μA,锗管约为几十~几百微安。 两个结都处于反向偏置。 图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线 二、输出特性IC/4 3 22.放大区: 条件: 发射结正偏集电结反偏对NPN管UBE>0,UBC<01特点: 各条输出特性曲线比较平坦,近似为水平线,且等间隔。 集电极电流和基极电流体现放大作用,即/VUCEΔIC=βΔIB图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线 3.饱和区: 条件: 两个结均正偏对NPN型管,UBE>0UBC>0。 特点: IC基本上不随IB而变化,在饱和区三极管失去放大作用。 IC≠βIB。 当UCE=UBE,即UCB=0时,称临界饱和,UCE UCE/V 饱和管压降UCES<0.4V(硅管),UCES<0.2V(锗管) 1.3.4三极管的主要参数三极管的连接方式(b)共基极接法(a)共发射极接法 图1.3.10NPN三极管的电流放大关系 一、电流放大系数 是表征管子放大作用的参数。 有以下几个: α=β 1+β或β=α 1-α 二、反向饱和电流 1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO小功率锗管ICBO约为几微 安;硅管的ICBO小,有的为纳安数量级。 (a)ICBO 测量电路2.当b开路时,c和eICEO=(1+)ICBO值愈大,则该管的ICEO图1.3.11(b)ICEO测量电路 三、极限参数 1.集电极最大允许电流ICM 当IC过大时,三极管的β值要减小。 在IC=ICM时,β值下降到额定值的三分之二。 2.集电极最大允许耗散功率PCM将IC与UCE乘积等于 规定的PCM值各点连接起 来,可得一条双曲线。 ICUCE ICUCE>PCM为过损耗区 图1.3.11三极管的安全工作区ICUCE 3.极间反向击穿电压 外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。 U(BR)CEO: 基极开路 时,集电极和发射极之间 的反向击穿电压。 U(BR)CBO: 发射极开 路时,集电极和基极之间 的反向击穿电压。 安全工作区同时要受 PCM、ICM和U(BR)CEO限制。 ICICM图1.3.11UCE(BR)CEO三极管的安全工作区 1.3.5PNP型三极管 放大原理与NPN型基本相同,但为了保证发射结正偏,集电结反偏,外加电源的极性与NPN正好相反。 uiVuiV(b)PNP型(a)NPN型图1.3.13三极管外加电源的极性 PNP三极管电流和电压实际方向。 PNP三极管各极电流和电压的规定正方向。 b b PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。 电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。 计算中UBE、UCE为负值;输入与输出特性曲线横轴为(-UBE)、(-UCE)。 1.4场效应三极管 只有一种载流子参与导电,且利用电场效应来控制电流的三极管,称为场效应管,也称单极型三极管。 结型场效应管 场效应管分类绝缘栅场效应管单极型器件(一种载流子导电); 特点输入电阻高; 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。 1.4.1结型场效应管 一、结构 P结)符号 G在漏极和源极之间加上一个正向电压,N型半导体中多数载流子电子可以导电。 导电沟道是N型的,称N沟道结型场效应管。 图1.4.1N沟道结型场效应管结构图 P沟道场效应管 P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+),导电沟道为P型,多数载流子为空穴。 D 图1.4.2P沟道结型场效应管结构图S 符号 二、工作原理 N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。 G*在栅极和源极之间加反向电压,耗尽层会变宽,导电沟道宽度减小,使沟道本身的电阻值增大,漏极电流ID减小,反之,漏极ID电流将增加。 *耗尽层的宽度改变主要在沟道区。 1.设UDS=0,在栅源之间加负电源VGG,改变VGG大小。 观察耗尽层的变化。 UGS=0时,耗 尽层比较窄, 导电沟比较宽UGS由零逐渐增大,耗尽层逐渐加宽,导电沟相应变窄。 当UGS=UP,耗尽层夹断电压UP为负值。 (a)UGS=0(c)UGS=UP(b)UGS<0 2.在漏源极间加正向VDD,使UDS>0,在栅源间加负电源VGG,观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。 注意: 当UDS>0时,耗尽层呈现楔形。 UGS<0,UDG=|UP|,ID更小,预夹断UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夹断 (1)改变UGS,改变了PN结中电场,控制了ID,故称场效应管; (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压,使PN反偏,栅极基本不取电流,因此,场效应管输入电阻很高。 三、特性曲线 1.转移特性(N沟道结型场效应管为例) ID=f(UGS)UDS=常数V图1.4.5特性曲线测试电路UPGS 图1.4.6转移特性 两个重要参数夹断电压UP(ID=0时的UGS)饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID) 1.转移特性结型场效应管转移特性曲线的近似公式: UGS2ID=IDSS(1-)UP(当UP≤UGS≤0时) 2.漏极特性UPGS/V转移特性图1.4.6当栅源之间的电压UGS不变时,漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系,即 ID=f(UDS)UGS=常数 2.漏极特性 IIDSS/V DD VV 图1.4.5特性曲线测试电路 图1.4.6(b)漏极特性 漏极特性也有三个区: 可变电阻区、恒流区和击穿区。 场效应管的两组特性曲线之间互相联系,可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。 I/mA I/mA 510152025UDS/V-1.5-1GS图1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性 结型场效应管栅极基本不取电流,其输入电阻很高,可达107Ω以上。 如希望得到更高的输入电阻,可采用绝缘栅场效应管。 1.4.2绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。 称为金属-氧化物-半导体场效应管,或简称MOS场效应管。 特点: 输入电阻可达109以上。 N沟道 类型增强型耗尽型 增强型 耗尽型P沟道 UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管;UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。 一、N沟道增强型MOS场效应管 1.结构源极S栅极G图1.4.8N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图 2.工作原理 绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少,改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,以控制漏极电流ID。 工作原理分析 (1)UGS=0 漏源之间相当于两个背靠背的PN结,无论漏源之间加何 种极性电压,总是不导电。 图1.4.9 (2)UDS=0,0 增大UGS耗尽层变宽。 (3)UDS=0,UGS≥UT 由于吸引了足够多的电子,会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。 UGS升高,N沟道变宽。 因为UDS=0,所以ID=0。 UT为开始形成反型层所需的UGS,称开启电压。 (4)UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)a.UDS 漏极形成电流ID。 b.UDS=UGS–UT,UGD=UT 靠近漏极沟道达到临界开 启程度,出现预夹断。 c.UDS>UGS–UT,UGD (a)UGD>UT(b)UGD=UT(c)UGD 图1.4.11UDS对导电沟道的影响 3.特性曲线(
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- 模拟电子技术基础简明教程 第三版 第1章 模拟 电子技术 基础 简明 教程 第三