模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版） 課件 第1、2章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管應(yīng)用電路、晶體三極管基礎(chǔ)

第一章模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管應(yīng)用電路“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材01半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體之所以受到人們的高度重視，并獲得廣泛的應(yīng)用，不是因為它的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是因為它具有不同于導(dǎo)體和絕緣體的獨特性質(zhì)。這些獨特的性質(zhì)集中體現(xiàn)在它的電阻率可以因某些外界因素的改變而明顯地變化，具體表現(xiàn)在以下3個方面。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(1)摻雜性：半導(dǎo)體的電阻率受摻入“雜質(zhì)”的影響極大，在半導(dǎo)體中即使摻入的雜質(zhì)十分微量，也能使其電阻率大大地下降，利用這種獨特的性質(zhì)可以制成各種各樣的晶體管器件。(2)熱敏性：一些半導(dǎo)體對溫度的反應(yīng)很靈敏，其電阻率隨著溫度的上升而明顯地下降，利用這種特性很容易制成各種熱敏元件，如熱敏電阻、溫度傳感器等。(3)光敏性：有些半導(dǎo)體的電阻率隨著光照的增強(qiáng)而明顯下降，利用這種特性可以做成各種光敏元件，如光敏電阻和光電管等。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)是指純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體。在近代電子學(xué)中，最常用的半導(dǎo)體是硅(Si)和鍺(Ge),它們的原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1(a)和(b)所示。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體1共價鍵結(jié)構(gòu)根據(jù)原子的理論：原子外層電子數(shù)達(dá)到8個才能處于穩(wěn)定狀態(tài)。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體量子力學(xué)證明：原子中電子具有的能量狀態(tài)是離散的、量子化的，每一個能量狀態(tài)對應(yīng)于一個能級，一系列能級形成能帶。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體2本征激發(fā)和兩種載流子一般把物體內(nèi)運載電荷的粒子稱做載流子，載流子決定著物體的導(dǎo)電能力。在常溫下本征半導(dǎo)體內(nèi)具有兩種載流子：自由電子載流子和空穴載流子。自由電子帶單位負(fù)電荷；半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體3本征載流子(intrinsiccarrier)濃度在一定的溫度下，本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴成對產(chǎn)生和復(fù)合的運動都在不停地進(jìn)行，最終要達(dá)到一種熱平衡狀態(tài)，使本征半導(dǎo)體中的載流子濃度處于某一熱平衡的統(tǒng)計值。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入不同種類的雜質(zhì)可以改變半導(dǎo)體中兩種載流子的濃度。根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類的不同，半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體(摻入五價元素雜質(zhì))和P型半導(dǎo)體(摻入三價元素雜質(zhì))。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識雜質(zhì)半導(dǎo)體1N型半導(dǎo)體(NTypesemiconductor)因此，摻入五價元素后的雜質(zhì)半導(dǎo)體是以自由電子作為主要載流子的半導(dǎo)體，故稱為電子型或N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中的自由電子稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；空穴稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識雜質(zhì)半導(dǎo)體2P型半導(dǎo)體(Ptypesemiconductor)P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識雜質(zhì)半導(dǎo)體3雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度不論N型還是P型半導(dǎo)體，摻雜越多，多子就越多，本征激發(fā)的少子與多子復(fù)合的機(jī)會就越多，少子數(shù)目就越少。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識漂移電流與擴(kuò)散電流1.漂移電流(driftcurrent)2.擴(kuò)散電流(diffusioncurrent)02PN結(jié)PN結(jié)PN結(jié)的形成及特點1.PN結(jié)的形成PN結(jié)并不是簡單的將P型和N型材料壓合在一起，它是根據(jù)“雜質(zhì)補(bǔ)償”的原理，采用合金法或平面擴(kuò)散法等半導(dǎo)體工藝制成的。雖然PN結(jié)的物理界面把半導(dǎo)體材料分為P區(qū)和N區(qū)，但整個材料仍然保持完整的晶體結(jié)構(gòu)。PN結(jié)PN結(jié)的形成及特點2.PN結(jié)的特點(1)空間電荷區(qū)的寬度決定于雜質(zhì)濃度。換言之，雜質(zhì)濃度越高，空間電荷區(qū)越薄，空間電荷區(qū)向雜質(zhì)濃度低的一側(cè)延伸。半導(dǎo)體器件中的PN結(jié)一般都是不對稱的PN結(jié)。PN結(jié)PN結(jié)的形成及特點2.PN結(jié)的特點(2)空間電荷區(qū)是非中性區(qū)。PN結(jié)PN結(jié)的形成及特點PN結(jié)PN結(jié)的形成及特點(4)PN結(jié)外P區(qū)和N區(qū)的載流子數(shù)和雜質(zhì)離子數(shù)幾乎相等。但空間電荷區(qū)內(nèi)由于有大量的不能移動的離子，是載流子不能停留的區(qū)域，因而結(jié)內(nèi)載流子數(shù)遠(yuǎn)小于結(jié)外的載流子數(shù)。PN結(jié)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸话阍赑N結(jié)兩端外接直流電壓稱為偏置，“偏置”一詞源于英文Bias,泛指在半導(dǎo)體器件上所加的直流電壓和電流。PN結(jié)的偏置方式有兩種；正向偏置和反向偏置。PN結(jié)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?正向偏置的PN結(jié)若在PN結(jié)外加正偏直流電壓U。使P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位，稱這種偏置方式為PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏。PN結(jié)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?反向偏置的PN結(jié)當(dāng)在PN結(jié)外加的直流電壓Un使P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位時，稱這種偏置方式為PN結(jié)的反向偏置，簡稱反偏。PN結(jié)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?3晶體二極管及其應(yīng)用晶體二極管及其應(yīng)用晶體二極管的伏安特性(1)正偏PN結(jié)伏安特性方程；(2)反偏PN結(jié)伏安特性方程；(3)反向擊穿現(xiàn)象及原因；二極管的伏安特性方程晶體二極管及其應(yīng)用晶體二極管的伏安特性晶體二極管及其應(yīng)用二極管的直流電阻和交流電阻1直流電阻RD一般把加在二極管上的直流偏置電壓ID和直流偏置電流I。稱為二極管的靜態(tài)工作點(Q),那么二極管的直流電阻RD定義為：靜態(tài)工作點處的直流電壓和直流電流的比值。即晶體二極管及其應(yīng)用二極管的直流電阻和交流電阻晶體二極管及其應(yīng)用二極管的直流電阻和交流電阻2交流電阻rd當(dāng)在PN結(jié)外加的直流電壓Un使P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位時，稱這種偏置方式為PN結(jié)的反向偏置，簡稱反偏。二極管的其他參數(shù)3晶體二極管及其應(yīng)用二極管模型1.二極管大信號伏安特性的分段線性近似模型(1)理想開關(guān)模型；(2)恒壓源模型；(3)折線近似模型；晶體二極管及其應(yīng)用晶體二極管及其應(yīng)用二極管模型2.二極管的交流小信號模型小信號模型不反映總的電壓與電流的關(guān)系，只反映疊加在工作點上的交變電壓與交變電流之間的關(guān)系。晶體二極管及其應(yīng)用二極管應(yīng)用電路舉例1.二極管整流電路；2.二極管限幅電路；3.二極管鉗位電路；晶體二極管及其應(yīng)用穩(wěn)壓管及其應(yīng)用1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種專門工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管。2.穩(wěn)壓管電路整流濾波后的直流電壓會因市電電壓的波動或用電負(fù)載的變化而不穩(wěn)定。晶體二極管及其應(yīng)用PN結(jié)電容效應(yīng)及應(yīng)用1.勢壘電容(BarrierCapacitance)CT;2.擴(kuò)散電容(diffusionCapacitance)CD;3.變?nèi)荻O管;晶體二極管及其應(yīng)用*特殊二極管1.光敏二極管;2.發(fā)光二極管;3.激光二極管;4.太陽能電池;感謝觀看模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材第二章模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)晶體三極管基礎(chǔ)“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材01雙極型晶體三極管雙極型晶體三極管BJT的工作原理1.BJT結(jié)構(gòu)BJT的發(fā)射極與集電極不能交換使用，這是因為BJT并非對稱結(jié)構(gòu)。除了集電結(jié)面積比發(fā)射結(jié)面積大以外，BJT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還具有以下兩個重要特點：①發(fā)射區(qū)雜質(zhì)密度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)密度。②基區(qū)非常薄(0.1μm到幾微米)。這兩個特點是BJT能夠放大信號的內(nèi)部條件。雙極型晶體三極管BJT的工作原理雙極型晶體三極管BJT的工作原理2.BJT的三種基本組態(tài)BJT是三端器件，在接入工程電路的具體應(yīng)用中，往往將其中的某一個電極作為輸入端，另一個電極作為輸出端，第三個電極作為輸入、輸出端口的公共端，即將其作為雙口器件來使用(二極管是單口器件)。雙極型晶體三極管BJT的工作原理3.BJT偏置方式及電流分配關(guān)系與二極管類似，晶體三極管各電極上所加的直流電壓或直流電流稱為偏置，偏置方式不同，晶體三極管的工作狀態(tài)將不相同。雙極型晶體三極管BJT的工作原理4.BJT偏置電壓與電流的關(guān)系雙極型晶體三極管BJT的靜態(tài)特性曲線1.共射輸入特性曲線共射輸入特性曲線是指BJT在共射組態(tài)下，輸入端口的直流電流與電壓的伏安特性曲線族。雙極型晶體三極管BJT的靜態(tài)特性曲線2.共射輸出特性曲線共射輸出特性曲線是以輸入端口電流iB為參變量，反映了輸出端集電極電流iC隨輸出端口集-射電壓uCE變化的特性曲線。雙極型晶體三極管BJT的靜態(tài)特性曲線3.溫度對BJT特性曲線的影響當(dāng)溫度增加時，共射輸入特性曲線會左移，左移量約為2~2.5mV/℃。這一特性與PN結(jié)正向伏安曲線的溫度特性相似。雙極型晶體三極管BJT主要參數(shù)BJT的特性除了可以用它的特性曲線表示以外，還可以用它的相關(guān)參數(shù)來反映。選管是電子電路設(shè)計的重要步驟，利用BJT的有關(guān)參數(shù)可以合理地選出符合電路技術(shù)要求的管子來。雙極型晶體三極管BJT主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)雙極型晶體三極管BJT主要參數(shù)2.極間反向電流集電結(jié)反向飽和電流是少數(shù)載流子在集電結(jié)反向偏置電壓作用下產(chǎn)生的漂移電流。雙極型晶體三極管BJT主要參數(shù)3.極限參數(shù)雙極型晶體三極管BJT主要參數(shù)4.BJT的頻率參數(shù)雙極型晶體三極管BJT小信號模型圖2-14所示為NPN管共射組態(tài)的放大電路，圖中u,是待放大的信號電壓，稱為輸入信號源電壓。RC稱為集電極電阻，該電阻不可缺少，因為R。能將集電極回路中的信號電流轉(zhuǎn)化成放大以后的信號電壓。雙極型晶體三極管BJT小信號模型雙極型晶體三極管BJT小信號模型123BJT的共射混合π型等效電路及參數(shù)BJT的H參數(shù)等效電路混合π型等效電路和H參數(shù)等效電路的關(guān)系02結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.JFET的結(jié)構(gòu)JFET是利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為體內(nèi)場效應(yīng)器件。結(jié)型場效應(yīng)管JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.JFET的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性(1)可變電阻區(qū);(2)恒流區(qū);(3)擊穿區(qū);(4)全夾斷區(qū);結(jié)型場效應(yīng)管JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性結(jié)型場效應(yīng)管JFET的特性曲線及參數(shù)3.主要參數(shù)結(jié)型場效應(yīng)管JFET的小信號模型當(dāng)JFET工作在高頻段時，必須考慮極間電容的影響，這時JFET高頻電路的模型如圖2-41所示。03金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)的輸入電阻一般可達(dá)10?~10°Ω,這個電阻從本質(zhì)上來說是PN結(jié)的反向電阻，由于PN結(jié)在反向偏置時總會有一定量的反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理在分立元件的電路中，襯底電極一般與源極相連。1.結(jié)構(gòu)2.工作原理金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理3.特性曲線與特性方程金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道耗盡型MOSFET工作原理1.結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型相同，但制造N溝道耗盡型MOSFET時，在柵極下面的二氧化硅氧化層中摻入了大量正離子，如圖2-50(a)所示。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道耗盡型MOSFET工作原理金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道耗盡型MOSFET工作原理2.特性曲線與特性方程N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線如圖2-51所示。由轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出，這種管子的柵源電壓可取正值也可取負(fù)值。輸出特性曲線也分為四個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)，各個工作區(qū)的偏置條件見表2-3。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道耗盡型MOSFET工作原理金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管1.MOSFET的三種基本組態(tài)MOSFET在接入工程電路的具體應(yīng)用中與BJT類似，也有三種基本組態(tài)：①以柵極做輸入端，漏極做輸出端的共源(CS)組態(tài)；②以柵極做輸入端，源極做輸出端的共漏(CD)組態(tài)；③以源極做輸入端，漏極做輸出端的共柵(CG)組態(tài)。MOSFET小信號模型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管2.背柵控制特性在集成電路中，為使各MOSFET管之間相互隔離，NMOSFET的襯底要接電路的最低電位，PMOSFET的襯底要接電路的最高電位，因此襯底和源極之間的電壓uBC往往不等于零。MOSFET小信號模型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管3.亞閾區(qū)導(dǎo)電特性MOSFET小信號