模电课件华科版CH3.ppt

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1、基本要求,1、掌握二极管的结构特点、伏安特性和参数（含义、常见值） 2、掌握双极结型三极管BJT的结构，工作原理（栅间电流 分配），放大作用和开关特性。 3、掌握场效应管的结构，工作原理，放大作用和开关特性。,参见：模电书3章、4.1节、5.1节、5.3节,半导体二极管、三极管及其场效应管,一、半导体的特性,根据物体导电能力(电阻率)的不同，分为导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,3.1 半导体的基本知识,1.导电能力：介于导体、绝缘体之间。,2.光敏性、热敏性： 0K时不导电，随着温度、光照增加，导电能力增强。,3掺杂性： 在纯净的半导体中掺入少量杂质

2、，导电能力显著增强。,二、本征半导体、空穴及其导电作用,1. 原子结构：以Si,Ge为例,本征半导体化学成分纯净、没掺入杂质的半导体。物理结构上呈单晶体形态。,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子,2. 共价键 （晶体结构）,共价键结构平面示意图,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，T=0K=-273C时束缚电子能量不足以脱离共价键成为自由电子，相当于绝缘体。,3. 本征激发（热激发）,当温度升高（例如室温）或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱共价键的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称

3、这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发,自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对。,束缚电子从,视为空穴从,半导体中出现两种载流子,空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！,空穴导电：,空穴的移动是靠共价健中束缚电子的移动来实现的。,因此说，空穴（与自由电子相同）也是一种载流子。,三、杂质半导体,在本征半导体中掺入微量的杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。,N型(电子)半导体掺入五价杂质元素(如磷P),P型(空穴)半导体掺入三价杂质元素(如硼B),五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键

4、束缚而容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子)，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）, 由本征激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，故称为施主杂质。,1. N型半导体,主要依靠自由电子导电!,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。因而三价杂质也称为受主杂质。,2. P型半导体,主要依靠空穴导电!,掺杂对半导体的导电性能有很大的影响。,多子浓度 少子浓度,3. 掺杂对半

5、导体导电性影响的数据,又在杂质半导体中，多子的浓度取决于杂质浓度；而少子的浓度取决于温度。,说明：,杂质半导体导电能力主要由掺杂决定,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,3.2 PN结的形成及特性,3.2.2 PN结的形成,在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,因浓度差, 促使少子漂移, 阻止多子扩散,方向,3.2.3 PN结的单向导电性,(1) PN结加正向电压(正偏),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

6、加反向电压，简称反偏。,外电场E 与内电场0 方向相反,削弱内电场使势垒区变窄,有利于多子扩散不利于少子漂移,最后形成较大的正向电流,(2) PN 结加反向电压(反偏),外电场E 与内电场0方向一致,加强了内电场，使势垒区变宽,阻碍多子扩散 有利于少子漂移,最后形成很小的反向漂移电流（A级）,PN结加正向电压时， 具有较大的正向扩散电流。 PN结呈现低电阻，导通。 PN结加反向电压时， 具有很小的反向漂移电流。 PN结呈现高电阻，截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,PN结

7、的伏安特性,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。,(1) 点接触型二极管,(a)点接触型,3.3 半导体二极管,3.3.1 二极管的结构,二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型,PN结面积小，不适用于整流；结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，宜用于整流；结电容也大，不宜用于高频电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,Si二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， Ge二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,当0VDVth时，外电场不足以克服PN结的内电场， 正向电流为零，Vth称为死区或

8、开启电压,当VD0 即处于正向特性区域，正向区又分为两段：,ii) 当VDVth时，内电场大为削弱， 开始出现正向电流，并按指数规律增长。,3.3.2 二极管的V-I 特性,D,D,与PN结伏安特性基本相同,Si二极管的饱和电流Is 1 ， Ge二极管的饱和电流Is 为几个 十几个 IS对温度敏感； IS越小越好,当VBRVD0时，反向电流很小，且随|V|趋向于饱和IS,当VD VBR时，反向电流急剧 增加，VBR称为反向击穿电压。,(2)反向特性,热击穿不可逆,（参见模书 P37）,反向电击穿原因两种：,锗二极管2AP15的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,3.3.3 二极管的

9、主要参数,end,介绍几个概念,(1) 二极管的箝位作用,D正偏即导通，导通后 VD=0,理想模型：,即D导通相当于短路,恒压降模型：,D反偏即截止，,相当于开路,VDVth 二极管导通，导通后 VD= Vth,VDVth 二极管截止。,箝位,箝位,(2) 如何判断D导通或截止,对于恒压降模型，测量V阳V阴 Vth,?,对于理想D，只要V阳 V阴 是导通且箝位， 否则截止,导通后即箝位,将D断开,(3)关于优先导通,(V阳V阴)大的二极管优先导通且箝位,D2:V阳2V阴2=6v-(-3v)=9v,D1:V阳1V阴1=0v-(-3v)=3v,D2优先导通且箝位(短路) VAO = 6v，D1受反

10、压截止,例:,?,(1)整流(半波、全波) 利用D的单向导电性,(2)限幅(削波),二极管应用举例,(3)低压稳压,(4)开关作用（二极管可在数字电路中做数字开关）,D导通:开关闭和,D截止:开关断开,没有稳压值 3V的稳压管，同时稳压管输出稳压值过低，效果不理想,要得到3V的稳压值，通常利用把几个二极管串联的方法。,工作在反向击穿状态，其反向击穿是可逆的，且反向电压较稳定（V-I特性较陡）。,3.5 特殊二极管,R:限流电阻 限制流经稳压管的反向电流 防止稳压管进入热击穿。 配合稳压管稳压,1、稳压二极管,2. 变容二极管：,3.光电二极管,4. 发光二极管,5. 激光二极管,光信号电信号，

11、反向电流光照度 光电耦合电路接收端,电信号光信号，发光亮度正向导通电流，用于显示、光电耦合电路发送端,6. 肖特基二极管,结电容随U反而显著 用于选频电路中，改变谐振频率。,光电传输系统,光信号传输损耗小，抗干扰能力强。,练习1,VA= 1V,VB= 3.5V,D承受反偏而截止,先假设D断开,练习2,电路如图所示，已知ui5sint (V)，二极管导通电压UD0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。,练习3,写出下列各图所示电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。,解：,UO11.3V，,UO20V，,UO31.3V，,UO42V，,UO51.3V，,UO62V。,作业,3.4.

12、5、3.4.6(b)、(c) 3.4.2,4.1.1 BJT的结构简介,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,4.1 半导体三极管(BJT、晶体管),1.结构,发射极用e 表示(Emitter),集电极用c 表示(Collector),基极用b表示(Base),发射区,集电区,基区,半导体三极管为三层半导体形成两个PN结组成。它有两种类型:NPN型和PNP型。结构如图所示，有三层半导体、两个结、三个电极。,2.分类,(3) 按功率： 小、大、中功率管,型号命名方法 (模拟四版 P44),如3DG6,(4) 按工作频率 ： 低频管、高频管,3.结构特点, 发射区

13、e掺杂浓度最高；, 集电区c掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区b很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,这些特点使BJT不同于两个单独的PN结，而呈现出极间电流放大作用。,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,外部条件：,NPN 管:,PNP 管:,放大状态下BJT中载流子的传输过程,e结正偏，c结反偏,1.内部载流子的传输过程 (以NPN为例),(1)e区向b区注入电子流,(2)电子在b区扩散与复合,放大状态下BJT中载流子的传输过程,(3)c区收集扩散过来的电子,电子扩散电流,c、b间的反向饱和电流,BJT内两种载流子都参与导电，称为双极型晶体管。,另有,代入,放大状态下

14、BJT中载流子的传输过程,2. BJT的三种组态,(c) 共集电极接法，CC,(b) 共发射极接法，CE,(a) 共基极接法，CB,BJT的三种组态,3. 极间电流分配,放大状态下BJT中载流子的传输过程,放大状态下BJT中载流子的传输过程,令,则,则,共射极电流放大倍数一般 几十几百,b极开路时ce间的反向饱和电流(穿透电流),(ICEO0),结论(BJT放大状态下的极间电流分配）,很小,电压放大倍数,vO = -iC RL = 0.98 V，,4.BJT的放大作用,共基极接法中,只有电压放大，没有电流放大,vI 很小， 设 vI = 20mV,电压放大,e结正偏 (设Je处于V-I特性的指

15、数曲线段） ， iE很大,4.1.3 BJT的特性曲线(以共射极放大电路为例),输入特性曲线输入回路电压、电流之间的关系曲线。,iB=f(vBE) vCE=常数,输出特性曲线输出回路电压、电流之间的关系曲线。,iC=f(vCE) iB=常数,iB=f(vBE) vCE=常数,1. 输入特性曲线,死区或门坎电压,在vCE=0时，相当于两个PN结 并联的V-I特性曲线。 Vth=0.5 V左右,vCE 输入曲线稍右移,vCE 1V以后曲线基本重合,共射极连接,2.输出特性曲线,iC=f(vCE) iB=常数,先分析iB=40A时的输出特性曲线,当vCE1V时, 集电极收集电子的能力弱， iC随vC

16、E的明显；,特点： iB对i C有控制作用 为随iB不同而不同的一族曲线。,当vCE1V后, 集电极已能收集几乎所有扩散到基区的电子， iC不再随vCE的明显；,共射极连接,截止区,iB=0，i C= ICEO 0,称为BJT截止。C、E两点相当于开关断开。,(2) 放大区,iC不再随vCE 而 恒流特性,又i C= iB 电流控制作用,e结正偏、c结反偏,输出特性曲线分三个区域,体现为一族平行线。,发射结反偏或Vth,iC 对 iB 做线性放大,共射极连接,(3) 饱和区,在放大区，iB iC vCE 当vCE 至vCE vBE时，,e结、c结均正偏，iC 不再随iB 而，趋于饱和值ICS,

17、体现对不同iB， iC曲线基本重合。,此时vCE= VCES 饱和管压降 称为BJT饱和导通， C、E间相当于开关闭合,此时不存在iC= iB,共射极连接,但iC明显受vCE的影响，随vCE而,在模拟电路中，BJT工作在放大区；（线性放大小信号） 在数字电路中，BJT工作在截止区、饱和区（做数字开关）。,BJT工作在截止区，C、E间相当于开关断开； BJT工作在饱和区， C、E间相当于开关闭合。,数字开关：,解：（1）A （2）C （3）C （4）B,1、选择正确答案填入空内。 （1）PN结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U，则二

18、极管的电流方程是 。 A. ISeU B. C. （3）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏,2、电路如图所示，晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析uI为0V、1V、2V三种情况下T的工作状态及输出电压uO的值。,解：（1）当uI0时，T截止，uO12V。,A,所以T处于放大状态。,（2）当uI1V时，因为,（3）当uI2V时，因为,所以T处于饱和状态。,而实际上,3、分别判断图所示各电路中晶体管是否有可能工作

19、在放大状态。,可能,可能,不能,（d）不能，T的发射结会因电流过大而损坏。,可能,作业,模电五版：P185 4.1.1、4.1.2、4.2.3,(1) 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB,1. 电流放大系数,4.1.4 BJT的主要参数,与iC的关系曲线,(2) 共发射极交流电流放大系数 =iC/iB,当BJT线性区的输出特性较平坦，且各曲线间距离较均衡时，有,1. 电流放大系数,(3) 共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,(4) 共基极交流电流放大系数 =iC/iE,4.1.4 BJT的主要参数,当BJT线性区的输出特性较平坦，且各曲线间

20、距离较均衡时，有,2. 极间反向电流,(1) 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。,4.1.4 BJT的主要参数,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,4.1.4 BJT的主要参数,2. 极间反向电流,(1) 集电极最大允许电流ICM,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,(2) 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 向击穿电压。, V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)

21、CEOV(BR) EBO,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,(3) 集电极最大允许功率损耗PCM,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,(1) 温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO约增加一倍。,(2) 温度对 的影响,温度每升高1， 值约增大0.5%1%。,(3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,2. 温度对BJT特性曲线的影响,1. 温度对BJT参数的影响,end,共射极接法,共射极接法中,既有电压放大，又有电流放大,电流放大,若

22、vI = 20mV ， 使 iE = 1mA。,电压放大倍数,使 iC = 0.98mA 。 (设 = 0.98),vO = -iC RL = -0.98 V，,倒相作用,共射极接法电压放大作用,（a）符号 （b）正向V-I特性,第5章 场效应管(FET),参见：模拟部分 5.3节、5.1节,应用电场效应工作的电子器件。 单极型晶体管。 电压控制电流器件。 功耗小，输入阻抗高、抗干扰能力强。 广泛应用于大规模集成电路中。,FET是,增强型,耗尽型,（耗尽型）,FET 场效应管,JFET 结 型,MOSFET 金属-氧化物-半导体型 (绝缘栅型),分类：,源极用S或s表示,N型导电沟道,漏极用D

23、或d表示,1.结构,5.3 结型场效应管 (以N型沟道为例),符号中箭头方向g结正向偏置时，g极电流方向。,2.工作原理（ 正常工作vGS 0), 设 vDS =0V,(a) 若vGS =0V PN结耗尽层只占N型本体很小部分导电沟道很宽,(b) 若|vGS| PN结耗尽层加宽导电沟道变窄,(c) 若|vGS| 到vGS = Vp (Vp夹断电压) PN结耗尽层合拢导电沟道夹断,结论: vGS负压可以控制导电沟道宽度,1) vGS对iD的控制作用, vDS加一定正压,电子从sd在电场作用下运动 iD(漏极电流),vGS =0V RDS 最小 iD =IDSS(栅源短路饱和漏极电流),沟道电阻,

24、而,沟道长度,沟道横截面积,|vGS | RDS iD ,vGS = Vp iD 0（夹断）, vGS对iD有控制作用。,vDS 对iD的影响:,vDS0, 从漏极到源极呈现电位梯度,导电沟道呈楔型,vDS较小时，近D端导电沟道仍很宽,iD随vDS 而,vDS 进一步至 vGD=vGS-vDS=VP 即vDS=vGS- VP VP0,近D端导电沟道预夹断,VP0的情况,漏极电流饱和,vGS=-1V时，输出特性曲线,怎样画？,且vGS越负iD越缓慢,3. JFET的特性曲线,(1)输出特性,).可变电阻区(vDS很小时),管子可视为受vGS负压控制的 可变电阻,特点：为随vGS不同而不同的一族曲

25、线。,分四个区域：,沟道没有预夹断，,iD随vDS 而,). 饱和区(线性放大区、恒流区),). 击穿区,iD不再随vDS而-恒流特性,vDS过大使得g、d间PN结反向击穿 iD急剧,且vGS负压对iD有控制作用, 体现为一族平行线。,)夹断区（vGS VP),应使 vGD=vGS-vDS VBR,沟道在近D点处已经发生预夹断，,VP,(2). 转移特性曲线,由于JFET栅源反偏，几乎没有栅流，研究输入特性无意义,转移特性曲线：研究vGS对iD的控制作用。,转移特性可以直接从输出特性用作图法得出。,VDS=10V,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晶体管。, vG

26、S对iD有控制作用，JFET是电压控制电流器件,栅极g、源极s之间反偏 g极几乎不取电流iG0， Ri很高达109,综上分析(JFET),vGS负压越大， iD越小。,想得到更小的IG ，更大的 Ri,绝缘栅型场效应管MOSFET,5.1 绝缘栅场效应三极管,1.增强型(N沟道增强型为例),(1) 结构示意图、符号,G极绝缘栅极,iG=0,Ri可高达1015,图形符号 N沟道、增强型,（2）工作原理,栅源电压vGS对iD的控制作用,当vGS=0V 时，漏源之间是两个背靠背的PN结，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流，iD=0,若0vGSVT (开启电压)时， 栅极和衬底间的电场作用，将

27、靠近栅极附近的P型衬底中的空穴 向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。 同时P型衬底中的少子电子被吸引到衬底表面，但数量有限， 所以不可能形成漏极电流iD,vGS ，当vGSVT时， 靠近栅极下方的P型半导体表层中 聚集足够的电子， 可形成将漏极和源极沟通的导电沟道 如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。,在vGS=0V时iD=0，只当vGSVT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层,随着vGS的继续增加，iD将不断增加。,vGS对漏极电流的控制关系可用 iD=f(vGS)vDS=常

28、数 称为转移特性曲线,N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如下图：,漏源电压vDS对漏极电流 id的影响：,当vDS较小时，因沟道存在电梯度，沟道如图(a)，呈斜线分布。vGD=vGS-vDSVT,iD将随vDS上升迅速增大。,当vGSVT，且固定为某一值时，分析漏源电压vDS对漏极电流iD的影响。,当vDS大到一定数值时， vGD=vGS-vDS=VT,靠近漏端的导电沟道被夹断，沟道如图(b)所示，此时称为预夹断。,沟道如图(c)所示。,iD=f(vDS)vGS=5V,漏极输出特性曲线,当vGSVT，且为某一定值时，vDS对iD的影响， 即iD=f(vDS)vGS=常数称为漏极输出特性曲线

29、。,图4.3.3 (a),vGS正压对iD有控制作用，为随vGS不同而不同的一族曲线。,分四个区域：,(1)当vGSVT时，iD=0, 为截止区；,(2)当vGSVT,vDS较小时，N沟道没被预夹断，iD随vDS 而 。vGS不同，倾斜度不同,可变电阻区,(3)vDS 使导电沟道预夹断后，随着vDS ，夹断长度 ，但电场强度也， iD饱和。,饱和区、恒流区 线性放大区,(4) vDS 到一定值，漏极、衬底间PN结反向击穿。 iD急剧,击穿区,2、N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图，与增强型不同在于： 在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量正离子。 当vGS=0时

30、，这些正离子已感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。 只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,图形符号： N沟道、耗尽型,vGS0时，削弱正离子电场的作用。随着|vGS| 漏极电流逐渐减小，直至iD=0。 对应iD=0的vGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，或用VP表示。 当vGS0时，将使iD进一步增加。（与JFET不同）,vGS对漏极电流的控制作用（转移特性曲线）,与JFET不同,与JFET的转移特性曲线相似,电路如图所示，已知BJT的 =80， Rb=300k， Rc=2k， VBB=VCC= +12V，晶体管导通时VBE0.7V（计算时可忽略）。 试分析BJT工作在那个区域，并求此时的IB、IC、VCE。 若Rb=100K时，BJT又工作在那个区域，此时的IB、IC、VCE又为多少？ ？（忽略BJT的饱和压降）,测验,