電子線路講義-精品課件

1、電子線路講義_第1頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)單晶：純凈、沒有雜質(zhì)，排列有序。一 半導(dǎo)體基本知識(shí)導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。第2頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五2 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ü矁r(jià)鍵中的空位。自由電子掙脫共價(jià)鍵束縛而產(chǎn)生的電子?？昭ǖ囊苿?dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。本征激發(fā)由熱激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象。第3頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五3 雜質(zhì)

2、半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。第4頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 （1）N型半導(dǎo)體 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五

3、價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 （2）P型半導(dǎo)體 因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。 在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。第6頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31以上兩個(gè)濃度基本上相差106/cm3

4、。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3（3）雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響第7頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 （1） PN結(jié)的形成4 PN結(jié)的基本原理 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。P區(qū) N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)的方向第8頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面

5、，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 不對(duì)稱結(jié)P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度相等，交界面兩邊電荷區(qū)的寬度相等。P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度不相等，交界面兩邊電荷區(qū)的寬度也就不相等。實(shí)際使用的PN結(jié)，較多為兩邊摻雜濃度相差懸殊的，故空間電荷區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。第9頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 （2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 低電阻 大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的伏安特性內(nèi)電場(chǎng)減弱，擴(kuò)散電流增強(qiáng)。第10

6、頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 PN結(jié)加反向電壓時(shí)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 高電阻 很小的反向漂移電流外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)一致，耗盡層加寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。只存在少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。 第12頁，共58頁，2022

7、年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 PN結(jié)伏安 特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）第13頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 （3） PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆第14頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 （4） PN結(jié)的電容效應(yīng) a 勢(shì)壘電容CBb 擴(kuò)散電容CD即結(jié)電容。由耗盡層引起，耗盡層正負(fù)離子，相當(dāng)于存儲(chǔ)的電荷。外加電壓改變時(shí)，耗盡層的電荷量隨之改變，與電容的作用相似。

8、變?nèi)荻O管的原理。由載流子擴(kuò)散過程中的積累引起，與擴(kuò)散電流的大小成比例。第15頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五二 半導(dǎo)體二極管1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2 二極管的伏安特性3 二極管的參數(shù)4 穩(wěn)壓二極管第16頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3) 平面型二極管(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(4) 二極管的代表符號(hào) 往往用于集成電路

9、制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第17頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性第18頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五3 二極管的參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3) 反向電流IR(4) 正向壓降VF(6) 極間電容CB(5)二極管的正向電阻第19頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五4 穩(wěn)壓二極管（1） 符號(hào)及穩(wěn)壓特性(b

10、) 伏安特性 利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。第20頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五(a) 穩(wěn)定電壓VZ(b) 動(dòng)態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ =VZ /IZ(c)最大耗散功率 PZM(d)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin（2） 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)第21頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五3. 穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí) VO =VZ# 穩(wěn)壓條件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以嗎？第22頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30

11、分，星期五1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)三 半導(dǎo)體三極管2 三極管的工作原理3 三極管的特性曲線4 三極管的主要參數(shù)第23頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管發(fā)射結(jié)(Je) 集電結(jié)(Jc) 基極，用B或b表示（Base） 發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。 發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)三極管符號(hào)1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)第24頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高； 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大； 基區(qū)很

12、薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（1） 內(nèi)部載流子的傳輸過程 三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。 外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子 （以NPN為例） 載流子的傳輸過程2 三極管的工作原理第26頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE ; 電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合，電源EB拉走電子，提供空穴，形成基極電流IB; 電子被集電區(qū)收集，形成集電極電流IC。電子從發(fā)射區(qū)出發(fā)，大部分越

13、過基區(qū)，到達(dá)集電區(qū)。實(shí)際上還存在少數(shù)載流子空穴的運(yùn)動(dòng)，即存在ICB0 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO由于ICBO、ICEO均較小，常被忽略。IE=IC+IB 以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管。 載流子的傳輸過程第27頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（2） 電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知IE=IB+ IC設(shè)三極管的電流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO均較小，常被忽略。從這些關(guān)系式中，可以看出：IB改變,可以改變IC，即IB控制了IC。三極管使用過程中 ，經(jīng)常改變IB，來控制IC的大小。由于IB由EB決定，EB稱

14、為控制電壓。EB加在be結(jié)上，控制IB、IC的，所以be結(jié)又稱為三極管的控制結(jié)。三極管的電流關(guān)系，我們只須記住上述三個(gè)關(guān)系。當(dāng)然還存在少數(shù)載流子空穴形成的電流成分ICBO和ICEO且 ICEO=(1+)ICBO第28頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（3） 三極管的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極。共基極接法， 基極作為公共電極；共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極；第29頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五+-bceRL1k共射極放大電路 共射極放大電路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvI = 20mV 設(shè)

15、若則電壓放大倍數(shù)iB = 20 uAvO = -iC RL = -0.98 V， = 49使（4） 放大作用第30頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第31頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五輸入特性曲線的三個(gè)部分死區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)（1） 輸入特性曲線（以共射極放大電路為例） iB=f(vBE) vCE=const3 三極

16、管的特性曲線+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE第32頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五iC=f(vCE) iB=const（2）輸出特性曲線輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)， vBE小于死區(qū)電壓。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（1） 電流放大系數(shù) 4 三極管的主要參數(shù)(a

17、) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const (b) 共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)，可以不加區(qū)分。 第34頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 (b) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO （2） 極間反向電流ICEO (a) 集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。 即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。 ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。第35頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期

18、五(a) 集電極最大允許電流ICM(b) 集電極最大允許功率損耗PCM PCM= ICVCE （3） 極限參數(shù)第36頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五(c) 反向擊穿電壓 V(BR)CBO發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)反 向擊穿電壓。 V(BR) EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。 V(BR)CEO基極開路時(shí)集電極和發(fā)射 極間的擊穿電壓。幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO （3） 極限參數(shù)第37頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型M

19、OSFET絕緣柵型(IGFET)分類：利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件。特點(diǎn)：控制端基本上不需要電流，受溫度等外界條件影響小，便于集成。四 場(chǎng)效應(yīng)管第38頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 源極，用S或s表示N型導(dǎo)電溝道漏極，用D或d表示 P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號(hào)符號(hào)（a） 結(jié)構(gòu) # 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？（1） JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管第39頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（b）工作原理 UGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)UGS0時(shí)，UDS=0（以N溝道JFET為例） 當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱為

20、夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。對(duì)于N溝道的JFET，VP 0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。 UGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄第40頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五 UDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)UGS=0時(shí)，UDSID G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。 當(dāng)UDS增加到使UGD=VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)UDS 夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變（b）工作原理（以N溝道JFET為例）第41頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（以N溝道JFET為例） UGS和UDS同時(shí)作用時(shí) 導(dǎo)電溝道更容

21、易夾斷，當(dāng)VP UGS UGS(th) ，UDS變化導(dǎo)電溝道形成后，D、S之間加正向電壓。UGD=UGS-UDS, UGSUGD，柵源電位差最大，柵漏電位差最小，溝道從源極到漏極逐漸變窄。 UGD=UGS(th)，即UDS=UGS- UGS(th)，溝道在漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。預(yù)夾斷點(diǎn)UDS增大，ID隨之增大。溝道寬度的不均勻越明顯第50頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五. 繼續(xù)加大UDS，夾斷區(qū)向源極方向加長(zhǎng)，溝道電流基本上保持與夾斷時(shí)的數(shù)值。如果改變不同的UGS，就可得到一組IDUDS的曲線。就是它的輸出特性曲線。第51頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星

22、期五（3） 特性曲線和電流方程下圖是N 溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極特性和轉(zhuǎn)移特性曲線。與的近似關(guān)系為：恒流區(qū)，即三極管的放大區(qū)。模擬電路放大就在該區(qū)域?？勺冸娮鑵^(qū)，相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。夾斷區(qū)，相當(dāng)于三極管的截止區(qū)。數(shù)字電路，工作在可變電阻區(qū)和夾斷區(qū)之間。第52頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)30分，星期五（4） N溝道耗盡型和P溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子。UGS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，P型襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，漏源之間存在導(dǎo)電溝道。UGS為正，溝道加寬，ID增加；UGS為負(fù)，溝道變窄，ID減?。籙GS減小到一定值時(shí)，反型層消失，漏源之間失去導(dǎo)電溝道。該UGS值，稱為夾斷電壓UGS(off)。特性曲線形狀，與增強(qiáng)型相同。該類場(chǎng)效應(yīng)管，特性與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相仿。但它的UGS在一定范圍內(nèi)正負(fù)值均可控制ID的大小。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，則必須保證UGS是負(fù)的。第53頁，共58頁，2022年，5月