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教学内容和要求,了解半导体基本知识 理解二极管等半导体器件及其模型 掌握受控电源的VCR，理解晶体管、场效应管等半导体器件及其模型,第3章 半导体器件,半导体器件半导体材料制成的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管等,半导体器件是电子电路不可缺少的组成部分,半导体器件内部结构的主要构成是PN结,3.1 半导体基本知识,1、本征半导体,半导体硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等,本征半导体纯净(7N)且具有完整晶格结构的半导体,硅、锗的晶格结构一个原子位于立方体的中心，其相邻的四个原子位于立方体的前左上、前右下、后右上、后左下四个顶点,硅、锗的共价键结构,价电子,电中性的离子,2、杂质半导体,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量5价元素(如磷)形成N型杂质半导体N型半导体,自由电子,减少一个价电子的正离子,N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量3价元素(如硼)形成P型杂质半导体P型半导体,增加一个价电子的负离子,空穴,P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子,3、PN结,将本征半导体掺杂为两个区，一个区为P型半导体，另一个区为N型半导体,PN结两者界面形成的特殊薄层P区一侧负离子，N区一侧正离子，空间电荷区N区指向P区的内电场,空间电荷区结内存在内电场，电压值为0.60.8V(硅) ，0.10.3V(锗) 耗尽层结内的载流子在PN结形成过程中基本耗尽,4、PN结的单向导电性,偏置在半导体器件上所加的直流电压（偏压）和直流电流（偏流）,正向偏置直流电压正极接P区，负极接N区,正向偏置的PN结,外电场削弱内电场，破坏动态平衡多数载流子使外电路形成正向电流PN结导通,反向偏置电压正极接N区，负极接P区,反向偏置的PN结,外电场加强内电场，破坏动态平衡少数载流子使外电路形成反向电流，数量极少如忽略不计，PN结截止,3.2 二极管及其模型,1、二极管,二极管的基本结构,PN结,二极管的核心是PN结,二极管的VCR,正向电流iD达到mA数量级所对应的电压称为导通电压Uon，一般Uon= 0.60.8V(硅)，0.10.3V(锗),通过实验测出的二极管关联参考方向下的VCR曲线,二极管的主要参数,最大整流(正向平均)电流IF 最高反向工作电压UR 反向电流IR 最高工作频率fM,PN结的电容效应结电容,势垒电容Cb外加电压改变时，空间电荷区内电荷量改变所产生的电容效应 扩散电容Cd外加正偏电压改变时，载流子数量改变所产生的电容效应,二极管的工作频率超过fM时，PN结的单向导电性被结电容破坏,二极管的温度特性,温度每升高10oC，反向饱和电流约增大1倍,2、二极管模型,二极管的VCR曲线不与任何基本元件或基本元件组合的VCR曲线吻合,由二极管组成的电子电路,在允许一定误差条件下，将二极管VCR曲线用折线近似,用于近似二极管VCR曲线的折线与电压源和开路组合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合,二极管在功率允许和偏置条件下可以抽象为电压源和开路组合电压源开关模型,二极管的直流模型,UUon,UUon,如果二极管组成的电子电路中uI = UI+ui偏置加交流小信号(变化量),ui足够小条件下，将静态工作点Q附近二极管特性线性化，根据叠加定理，二极管电压uD = UDQ+ud、电流iD = IDQ+id 电子电路的动态分析=静态分析+交流小信号分析,电子电路的静态分析静态工作点Q偏置UI单独作用时二极管电压UDQ、电流IDQ,电子电路的交流小信号分析静态工作点Q附近交流小信号ui单独作用时二极管电压ud、电流id,偏置UI单独作用时,静态分析二极管在功率允许和偏置条件下抽象为电压源和开路组合电压源开关模型,交流小信号ui单独作用时,交流小信号分析,Q,在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近二极管VCR曲线小范围内用切线近似,二极管导通区的交流小信号模型,用于近似静态工作点Q附近二极管VCR曲线小范围内的切线与电阻的VCR曲线在交流小信号条件下吻合,二极管在静态工作点Q附近交流小信号条件下可以抽象为动态电阻,Q附近,例1，图示电路中u = 100sin(2×104t )mV，求iD,静态分析 3V单独作用的电路二极管用直流模型电压源开关模型,交流小信号分析 ui单独作用的电路二极管用交流小信号模型动态电阻,动态分析叠加,3、稳压管,一种专门工作在反向击穿状态的二极管,稳压管的VCR,通过实验测出的稳压管关联参考方向下的VCR曲线,PN结的反向击穿PN结的反偏电压超过击穿电压UBR时，反向电流急剧增大,齐纳击穿价电子被场致激发，发生于高掺杂PN结，击穿电压一般在6V以下 雪崩击穿价电子被碰撞电离，发生于低掺杂PN结，击穿电压一般在6V以上,只要保证击穿时功率不超过允许值， PN结的反向击穿可逆,稳压管的主要参数,稳定电压UZ 最小稳定电流IZmin 最大耗散功率PZm 动态电阻rz 温度系数,4、稳压管模型,由稳压管组成的电子电路,稳压管的直流模型,用于近似稳压管VCR曲线的折线与电压源和开路组合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合,稳压管在功率允许和偏置条件下可以抽象为电压源和开路组合电压源开关模型,UUZ,UUZ,如果稳压管组成的电子电路中uI = UI+ui偏置加交流小信号(变化量),在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近稳压管VCR曲线用折线近似,稳压管稳压区的交流小信号模型,用于近似静态工作点Q附近稳压管VCR曲线的切线与电阻的VCR曲线在交流小信号条件下吻合,稳压管在静态工作点Q附近交流小信号条件下可以抽象为动态电阻,Q附近,例2，图示电路中UZ = 9V，rz= 4，输入电压的波动ui/UI =±10%，求输出电压的波动uo/UO,静态分析 15V单独作用的电路稳压管用直流模型电压源开关模型,交流小信号分析 ui单独作用的电路稳压管用交流小信号模型动态电阻,作业：(P181)1、(模拟电子技术P69)1.4、1.6(1),3.3 晶体管及其模型,1、晶体管,晶体管分为NPN型与PNP型,NPN型晶体管,PNP型晶体管,N型集电区,集电结,N型发射区,NPN型晶体管的基本结构,P型基区,发射结,c,b,e,晶体管结构特点,发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 基区极薄，一般m数量级 集电区面积大，杂质浓度小于发射区杂质浓度 非对称结构, NPN型晶体管的VCR,通过实验测出的NPN型晶体管关联参考方向下的VCR曲线,共射输入特性,uBE为自变量，iB为因变量，uCE为参变量的VCR曲线族,导通区,截止区,uBE-iB曲线类似于二极管正偏时的VCR曲线 uCE 增大时，输入特性略为右移相同uBE条件下iB减小；uCE的影响较小，曲线族非常密集，可以近似为一条曲线,共射输出特性,uCE为自变量，iC为因变量， iB为参变量的VCR曲线族,放大区,饱和区,截止区,放大区uBE Uon、uCE uBE，uCE-iC曲线近似为等间隔的平行线iC与iB表现出比例关系；每条曲线随uCE的增大而略有抬升相同iB条件下iC略有增大 饱和区uBE Uon、uCE uBE，iC与iB不再满足比例关系；uCE在电流变化时变化不大 截止区 uBE Uon，iB、iC和iE均为零,放大区的共射转移特性, NPN型晶体管的主要参数,电流放大系数 厄利电压UA 基区体电阻rbb' 反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO 截止频率f和特征频率fT,最大集电极电流ICM 极间反向击穿电压UBR 最大集电极耗散功率PCM, NPN型晶体管的温度特性,温度每升高10oC， ICBO约增大1倍,温度每升高1oC，约增大0.5%1%,2、NPN型晶体管模型,由NPN型晶体管组成的电子电路,ui足够小条件下，将静态工作点Q附近晶体管特性线性化，根据叠加定理，晶体管电压uBE = UBEQ+ube、uCE = UCEQ+uce，电流iB = IBQ+ib、iC = ICQ+ic 电子电路的动态分析=静态分析+交流小信号分析,电子电路的静态分析静态工作点Q偏置UBB、UCC单独作用时晶体管电压UBEQ、UCEQ，电流IBQ、ICQ,电子电路的交流小信号分析静态工作点Q附近交流小信号ui单独作用时晶体管电压ube 、uce，电流ib、ic,偏置UBB、UCC单独作用时,在允许一定误差条件下，将晶体管输入特性用折线近似,在允许一定误差条件下，将晶体管输出特性用折线近似,晶体管的直流模型,用于近似晶体管输入特性的折线与电压源和开路组合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合,晶体管在功率允许和偏置条件下的输入端可以抽象为电压源开关模型,用于近似晶体管输出特性的折线与电压源和电流控制电流源组合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合,晶体管在功率允许和偏置条件下的输出端可以抽象为电压源或电流控制电流源,UBEUon UCEUBE,UBEUon UCEUBE,UBEUon,交流小信号ui单独作用时,在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近晶体管输入特性小范围内用切线近似,Q,在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近晶体管输出特性小范围内用切线近似,Q,晶体管放大区的交流小信号模型,用于近似静态工作点Q附近晶体管输入特性小范围内的切线与动态电阻的VCR曲线在交流小信号条件下吻合,晶体管在静态工作点Q附近交流小信号条件下的输入端可以抽象为动态电阻,用于近似静态工作点Q附近晶体管输出特性小范围内的切线与电流控制电流源和动态电阻组合的VCR曲线在交流小信号条件下吻合,晶体管在静态工作点Q附近交流小信号条件下的输出端可以抽象为电流控制电流源和动态电阻组合,Q附近,rbe修正晶体管结构特点基区很薄，交流小信号模型中的rbe需考虑基区体电阻rbb'的影响,例1，图示NPN型晶体管组成的电子电路中，=100，rbb'=100，UA。求(1) 静态工作点；(2)ui =10sint mV时的uO,静态分析 12V与1V单独作用的电路晶体管用直流模型,交流小信号分析 ui单独作用的电路晶体管用交流小信号模型,动态分析叠加,作业：(P182-183)9、12,3.5 场效应管及其模型,1、场效应管,结型场效应管,场效应管分为,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,金属-氧化物-半导体场效应管(MOS场效应管),N沟道增强型MOS场效应管,P沟道增强型MOS场效应管,N沟道耗尽型MOS场效应管,P沟道耗尽型MOS场效应管, N沟道增强型MOS场效应管的基本结构,P型衬底,N型源区,SiO2绝缘层,金属(铝),PN结,s,d,g,b,N型漏区,PN结, N沟道增强型MOS场效应管的VCR,通过实验测出的N沟道增强型MOS场效应管关联参考方向下的VCR曲线,共源输入特性,uGS为自变量，iG为因变量，uDS为参变量的VCR曲线族,共源输出特性,uDS为自变量，iD为因变量， uGS为参变量的VCR曲线族,可变电阻区,恒流区(放大区),截止区,放大区uGS UGS(th)、uDSuGSUGS(th)， uDS-iD曲线近似为不等间隔的平行线iD与uGS表现出二次曲线关系；每条曲线随uDS的增大而略有抬升相同uGS条件下iD略有增大 可变电阻区uGS UGS(th)、uDS uGS UGS(th)，iG与uGS表现出另外的非线性关系 截止区 uGS UGS(th)，iD和iS均为零,放大区的共源转移特性, 增强型MOS场效应管的主要参数,开启电压UGS(th) 厄利电压UA 直流输入电阻RGS 低频跨导gm 极间电容Cgs、Cgd和Cds,最大漏极电流IDM 击穿电压UBR 最大漏极耗散功率PDM,结型和耗尽型MOS场效应管的主要参数,夹断电压UGS(off) 饱和漏极电流IDSS 厄利电压UA 直流输入电阻RGS 低频跨导gm 极间电容Cgs、Cgd和Cds,最大漏极电流IDM 击穿电压UBR 最大漏极耗散功率PDM,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,恒流区 电流：,场效应管与晶体管的比较,场效应管内部只有多子运动单极型管，晶体管内部既有多子运动又有少子运动双极型管 场效应管由电压uGS控制电流iD，晶体管由电流iB控制电流iC 场效应管温度稳定性优于晶体管 场效应管输入电阻高于晶体管 场效应管源极与漏极可以互换，晶体管发射极与集电极不能互换,2、 N沟道增强型MOS场效应管模型,由N沟道增强型MOS场效应管组成的电子电路,ui足够小条件下，将静态工作点Q附近场效应管特性线性化，根据叠加定理，场效应管电压uGS = UGSQ+ugs、uDS = UDSQ+uds，电流iD = IDQ+id 电子电路的动态分析=静态分析+交流小信号分析,电子电路的静态分析静态工作点Q偏置UGG、UDD单独作用时场效应管电压UGSQ、UDSQ，电流IDQ,电子电路的交流小信号分析静态工作点Q附近交流小信号ui单独作用时场效应管电压ugs、uds，电流id,偏置UGG、UDD单独作用时,在允许一定误差条件下，将场效应管输出特性用折线近似,场效应管的直流模型,场效应管输入特性与开路的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合,场效应管在功率允许和偏置条件下的输入端可以抽象为开路,用于近似场效应管输出特性放大区的折线与电压控制电流源的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合,晶体管在功率允许和放大偏置条件下的输出端可以抽象为电压控制电流源,UGSUGS(th) UDSUGSUGS(th),UGSUGS(th),交流小信号ui单独作用时,在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近晶体管输出特性小范围内用切线近似,Q,在小范围内这些切线近似为等间隔，转移特性id = gmuds,场效应管放大区的交流小信号模型,用于近似静态工作点Q附近场效应管输出特性小范围内的切线与电压控制电流源和动态电阻组合的VCR曲线在交流小信号条件下吻合,场效应管在静态工作点Q附近交流小信号条件下的输出端可以抽象为电压控制电流源和动态电阻组合,Q附近,电路如侧，若,解：由,作业：(P183)14,