華工模電的資料

華工模電的資料第1頁/共55頁第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)第2頁/共55頁一、本征半導(dǎo)體

導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。

絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。第3頁/共55頁1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。第4頁/共55頁載流子

外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。第5頁/共55頁二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子

空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？第6頁/共55頁2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？第7頁/共55頁三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。

擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴散運動的繼續(xù)進行。第8頁/共55頁PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動

由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。第9頁/共55頁PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?0頁/共55頁四、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！?1頁/共55頁第二節(jié)半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管第12頁/共55頁

一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小故結(jié)允許的電流小最高工作頻率高面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大故結(jié)允許的電流大最高工作頻率低平面型：結(jié)面積可小、可大小的工作頻率高大的結(jié)允許的電流大第13頁/共55頁

二、二極管的伏安特性及電流方程

二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當量第14頁/共55頁從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線第15頁/共55頁三、二極管的等效電路

1.將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0導(dǎo)通時i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！第16頁/共55頁三、二極管的等效電路Q越高，rd越小。

當二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流2.

微變等效電路第17頁/共55頁四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)電容為擴散電容（Cd）與勢壘電容（Cb）之和。擴散路程中電荷的積累與釋放空間電荷區(qū)寬窄的變化有電荷的積累與釋放第18頁/共55頁五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ第19頁/共55頁討論一

判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。判斷二極管工作狀態(tài)的方法？第20頁/共55頁討論二1.V＝2V、5V、10V時二極管中的直流電流各為多少？2.若輸入電壓的有效值為5mV，則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少？

V較小時應(yīng)實測伏安特性，用圖解法求ID。QIDV＝5V時，V=10V時，uD=V-iR第21頁/共55頁討論二V＝2V，ID≈2.6mAV＝5V，ID≈21.5mAV＝10V，ID≈50mA在伏安特性上，Q點越高，二極管的動態(tài)電阻越??！第22頁/共55頁第三節(jié)晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)第23頁/共55頁

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第24頁/共55頁二、晶體管的放大原理

擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴散第25頁/共55頁電流分配：IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復(fù)合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？第26頁/共55頁三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性第27頁/共55頁2.

輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。

為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第28頁/共55頁晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB

控制的電流源iC

。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE第29頁/共55頁四、溫度對晶體管特性的影響第30頁/共55頁五、主要參數(shù)

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)

交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO第31頁/共55頁討論一1.分別分析uI=0V、5V時T是工作在截止狀態(tài)還是導(dǎo)通狀態(tài)；2.已知T導(dǎo)通時的UBE＝0.7V，若uI=5V，則β在什么范圍內(nèi)T處于放大狀態(tài)?在什么范圍內(nèi)T處于飽和狀態(tài)？

通過uBE是否大于Uon判斷管子是否導(dǎo)通。臨界飽和時的第32頁/共55頁討論二由圖示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO

、β。2.7ΔiCuCE=1V時的iC就是ICMU（BR）CEO第33頁/共55頁1.4場效應(yīng)管BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。第34頁/共55頁一.結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道。三個電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號：N溝道P溝道兩個高摻雜P區(qū)接在一起第35頁/共55頁

2.結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓對溝道的控制作用③當│uGS│↑到一定值時，溝道會完全合攏。定義：夾斷電壓UP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。

在柵源間加負電壓uGS

，令uDS=0①當uGS=0時，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當│uGS│↑時，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。第36頁/共55頁

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當uDS=0時，iD=0。②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當uDS↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點下移。

（3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用輸兩組特性曲線來描繪。

（2）漏源電壓對溝道的控制作用第37頁/共55頁（1）輸出特性曲線：iD=f（uDS）│uGS=常數(shù)

3、結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線uGS=0VuGS=-1V設(shè)：UT=

-3ViD受uGS控制第38頁/共55頁四個區(qū)：恒流區(qū)的特點：△iD/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△uGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)第39頁/共55頁（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：第40頁/共55頁二.絕緣柵場效應(yīng)三極管

絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)

4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號：二氧化硅絕緣層通常將襯底與源極接在一起第41頁/共55頁

當uGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用第42頁/共55頁

定義：開啟電壓（UT）——剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS,也記為UGS(th)。

N溝道增強型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。第43頁/共55頁

②漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用

當uGS＞UT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0時，id=0。

（截止區(qū)）（b）uds↑→id↑；同時溝道靠漏區(qū)變窄。

（可變電阻區(qū)）（c）當uds增加到使ugd=UT時，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。（恒流區(qū)）第44頁/共55頁（3）特性曲線

四個區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

①輸出特性曲線：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)iD受uGS控制第45頁/共55頁

②轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UT第46頁/共55頁一個重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。第47頁/共55頁2.N溝道耗盡型MOSFET特點：

當uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。當uGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。

當uGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS，也記為uGS(off)。第48頁/共55頁N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUP第49頁/共