模拟电子技术第一章.ppt

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1、模拟电子技术基础（第三版）,清华大学电子学教研组 编 童诗白 华成英 主编,第一章 常用半导体器件,1.1半导体基础知识 1.1.1本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 一、半导体 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。 二、本征半导体的晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶 格。 共价键如图1.1.1,半导体结构示意图图1.1.1 本征,三、本征半导体中的两种载流子,在共价键中留下一个空位置，称为空穴。 运载电荷的粒子称为载流子。 本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体的特殊性质。 自由电子和空穴数目相等，如图1.1.2所示,图1.1

2、.2 本征半导体中的自由电子和空穴,四、本征半导体中的载流子的浓度,半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,1.1.2杂质半导体,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。 一、N型半导体 在纯净的硅晶体中惨入五价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数

3、载流子。 由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。 N型半导体如图1.1.3所示,图1.1.3 N型半导体,二、P型半导体,在纯净的硅体中掺入三价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。 因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。 P型半导体入图1.1.4所示。,图1.1.4 P型半导体,1.1.3 PN结,采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在他们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。 一、PN结的形成 物质总是从浓度高的地方向浓度底的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。 P区出现负离子，N区出现正离子，他们是不能移动的，称

4、为空间电荷区。 在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。 负离子区与正离子区的宽度也相等，称为对称结。,图1.1.5 PN结的形成,二、PN结的单向导电性,1.PN结外加正向电压时处于导通状态（见右上图）； 2.PN结外加反向电压时处于截止状态（见右下图）； 右（图1.1.6 PN结加正向电压时导通）。,图1.1.7PN结加反向电压时截止 因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流非常小，所以在近似分析中常将它忽略不计，认为PN结外加反向电压时处于截止状态。,三、PN结的电流方向,1.平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系 从右图中可以看出，在P区与N区的界面，杂质的浓度产生

5、突变，故称这种PN结为突变结。,图1.1.8 PN结平衡时载流子的分布,2.PN结电流方程分析中的条件,1：耗尽层内载流子的产生与复合均可忽略不计。 2：注入的少子数目远小于平衡多子数目，即扩散到N区空穴数目远小于N区平衡时自由电子的数目；同样，扩散到P区自由电子数目远小于P区平衡时空穴的数目。 3：忽略扩散层表面的影响。,图1.1.10 PN结的伏安特性,3.外加正向电压时PN结电流与电压的关系,当PN结外加正向电压时，载流子的分布如图1.1.9所示。 图1.1.9 外加正向电压时PN结载流子的分布,四、PN结的伏安特性,PN结的伏安特性如图1.1.10所示。 其中U大于0的部分称为正向特性

6、，U小于0的部分称为反向特性。 当反向电压超过一定 数值后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。,图1.1.10 PN结的伏安特性,五、PN结的电容效应,1.势垒电容 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb 2.扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子数称为平衡少子。 图1.1.12所示的三条曲线是在不同正向电压下P区少子数的分布情况。,图1.1.11 PN结的势垒电容,1.2半导体二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极，常见的外形如图1.1.2所示。 图1.2.1 二极管的几种外形,1.2.1半导体二极管的

7、几种常见结构,本节将介绍二极管的结构、特性、主要参数及特殊二极管的功能。 二极管的几种常见结构如图1.1.2（a）（c）所示，符号如图（d）所示。,图1.2.2 二极管的几种常见结构,1.2.2二极管的伏安特性,与PN结一样，二极管具有单向导电性。但是，由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下二极管的正向电流要小于PN结的电流。,图1.2.3 二极管的伏安特性,1.2.3二极管的主要参数,为了描述二极管的性能，常引用以下几个主要参数： （1）最大整流电流IF：IF是二极管长期运行时允许通

8、过懂得最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。 （2）最高反向工作电压UR：UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。 （3）反向电流IR：IR是二极管未击穿时的反向电流。 （4）最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率。,二极管的等效电路,能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。也称为等效模型。 由伏安特性折线化得到的等效电路如图1.2.4所示。,图1.2.4 由伏安特性折线化得到的等效电路,二、极管的微变等效电路,当二极管外加直流正向偏置电压时，将有一直流电流，曲线上反应该电压和电流的点为Q点，如图1.2.7（a）中所标注

9、。对于图1.2.8所示电路，在交流信号ui幅值较小的情况下，uR的波形 如图 1.2.9所示，它是在一定的直流电压的基础上叠加上一个与ui一样的正弦波，该正弦波的幅度值决定于 rd与R的分压。,同时图1.2.8 直流电压源和交流电压源作用的二极管电路,图1.2.7 二极管的微变等效电路图,图1.2.8所示电路的波形分析,图1.2.9 图1.2.8 所示电路的波形分析. 图中标注的Ud是直流电压源V单独作用时二极管的正向压降.,1.2.5稳压二极管,一.稳压管的伏安特性 稳压二极管有着与普通二极管相似的伏安特性,如图1.2.10(a)所示,其正向特性为指数曲线. ,稳压管的符号及等效电路如图(b

10、)所示.,图1.2.10 稳压管的伏安特性和等效电路,二.稳压管的主要参数,(1)稳定电压Uz:是在规定电流下稳压管的反向击穿电压. (2)稳定电流Iz是稳压管工作在稳压状态时的参考电流, (3)额定功耗Pzm等于稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流Izm的乘积. (4)动态电阻rz是稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比, (5)温度系数a表示温度每变化1 稳压值的变化量.,图1.2.11 稳压管稳压电路 例1.2.2图见下,1.2.6其它类型二极管,一.发光二极管 发光二极管包括可见光,不可见光,激光等不同的类型,这里只对可见光发光二极管做一简单介绍 发光二极管的发光颜色决定于

11、所用材料,目前有红,绿,黄,橙等色,可以制成各种形状,如长方型,圆形见图1.2.12(a)所示等.图1.2.12(b)所示为发光二极管的符号.,图1.2.12 发光二极管,二.光电二极管,光电二极管是远红外线接受管,是一种光能与电能进行转换的器件.它的几种常见外形如图1.2.13(a)所示,符号见图(b) 图1.2.14(a)所示为光电二极管的伏安特性.在无光照时,与普通二极管一样,具有单向导电性.有光照时,特性曲线下移,它们分布在第三,四象限内.,图1.2.14 光电二极管的伏安特性,图1.2.13 光电二极管的外形和符号,特性曲线在第四象限时呈光电池特性,图(b).(c).(d).所示分别

12、是光电二极管工作在特性曲线的第一,三,四象限时原理电路. 除上述特殊二极管外,还有利用PN结势垒电容制成的变容二极管. 例1.2.3见右图,图1.2.15 例图1.2.3 电路图,1.3双极型晶体管,双极型晶体管又称晶体三极管,半导体三极管等,后面简称晶体管.图1.3.1所示为晶体管的几种常用外形,图(a),(b)所示为小功率管,图(c)所示为中等功率管,图(d)所示为大功率管.,图1.3.1 晶体管的几种常见外形,1.3.1晶体管的结构及类型,根据不同的参杂方式在同一硅片上制造出三个参杂区域,并形成两个PN结,就构成了晶体管,采用平面工艺制成的NPN型硅材料晶体管的结构如图1.3.2(a)所

13、示,图(b)所示为NPN型管的结构示意图,图(c)所示为NPN型管和PNP型管的符号. 1.3.2晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理.,图1.3.2 晶体管的结构和符号,图1.3.3所示放大电路,ui为输入电压信号,它接入基极-发射极回路,称为输入回路;放大后的信号在集电极-发射极回路,称为输出回路.由于发射极是两个回路的公共端,故称电路为共射放大电路.因为晶体管工作在放大的状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置.基本共射放大电路见右图,图1.3.3 基本共射放大电路,一.晶体管内部载流子的运动,当图1.3.3所示电路中ui=0时,晶体管内部载流子运动示意图如图1.3.

14、4所示. 1.发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流IE 2扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB 3集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流IC,图1.3.4 晶体管内部载流子运动与外部电流,二.晶体管的电流分配关系,设由发射极区扩散所形成的电子电流为IEN,极区向发射区扩散所形成的空穴电流为IEP,极区内复合运动所形成的电流为IBN,基区内非常平衡少子漂移至集电区所形成的电流为ICN,平衡少子在集电极区与基区之间的漂移运动所形成的电流为ICBO,见图1.3.4中所标注 . 三晶体管的共射电流放大系数 电流 ICN与IB之比称为共射极直流放大系数,根据式(1.3.2)和(1.

15、3.3)可得,1.3.3 晶体管的共射极特性曲线,晶体管的输入特性和输出 特性曲线描述各电极之间电压电流之间的关系,用于对晶体管的性能参数和晶体管电路的分析估算. 一:输入特性曲线 输入特性曲线描述了在管压降UCE一定的情况下,基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系,即:,图1.3.5 晶体管的输入特性曲线,二.输出特性曲线,(1)截止区:其特性是发射结电压小于开启电压Uom且集电结反向偏置. (2)放大区:其特征是发射结正向偏置且集电结反向偏置. (3)饱和区:其特征是发射结与集电结均处于正向偏置.,图1.3.6 晶体管的输出特性曲线,1.3.4 晶体管的主要参数,一.直流参数 1.共

16、射直流电流系数 2.共基直流电流放大系数 3.极间反向电流:ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流.,二.交流参数 1,共射交流电流放大系数 2.共基交流电流放大系数 3.特征频率,三.极限参数,1.最大集电极耗散功率PCM 决定于晶体管的温升. 2.最大集电极电流 3.极间反向击穿电压 晶体管的某一电极开路时,另外的两个电极所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压.,图1.3.7 晶体管的极限参数,1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响,一.温度对ICBO的影响 因为ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的,所以,当温度升高时,热运动加剧,使更多的价电子有足够的能量挣脱共价

17、键的束缚,从而使少子浓度增大. 温度每升高10 ,ICBO增加约一倍. 二.温度对输入特性的影响 与二极管伏安特性相类似,当温度升时,正向特性将左移,反之将右移,如图1.3.8所示.,图1.3.8 温度对晶体管输入特性的影响,三.温度对输出特性的影响,图1.3.9所示为一只晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图,实线所示为20时的特性曲线,虚线所示为60 时的特性曲线,且IB1、 IB2 、IB3、分别等于IB1、IB2、IB3.当温度从20 升高到60 时,则集电极电流的变化量ic ic,说明温度升高时增大 温度升高时,导致集电极电流增大.,图1.3.9 温度对晶体管输出特性的影响,1.3.

18、6光电三极管,光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小,其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连,并仅引出集电极与发射极,如图1.3.10所示.其符号如图(b)所示,常见外形如图(c)所示. 见右图,图1.3.10 光电三极管的等效电路、符号和外形,光电三极管特性曲线,光电三极管与普通三极管的输出特性曲线相类似,只是将参数变量基极电流IB用入射光照度E取代,如图1.3.11所示. 使用光电三极管时,也应该特别注意其反向击穿电压,最高工作电压,最大集电极功耗等极限参数.,图1.3.11 光电三极管的输出特性曲线,1.4场效应管(略讲),常效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输

19、出回路电流的一种半导体器件,并以此命名.由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管. 场效应管的工作原理 为使N沟道结型场效应管正常工作,应在其栅-源之间加负向电压以保证耗尽承受反向电压;在漏-源加正向电压以形成漏极电流既保证了栅-源之间内阻很高的特点,又实现了对沟道电流的控制.,图1.4.1 结型场效应管的结构和符号,1.5单结晶体管和晶闸管,根据PN结外加电压时的工作特点,还可以由PN结构其它类型的三端器件.本节将介绍利用一个PN结构成的具有负阻特性的器件-单结晶体管以利用三个PN结构成的大功率可控制整流器件-晶闸管.,1.5.1单结晶体管的结构和等效电路,在一个低参杂的N型硅棒

20、上利用扩散工艺形成一个高参杂P区,在P区与N区接触面形成PN结,就构成单结晶体管(UJT) 其结构示意图如图1.5.1(a)所示,单结晶体管因有两个基极,故也称为双基极晶体管.其符号如图(b)所示. 单结晶体管的等效电路如图(c)所示,图1.5.1 单结晶体管的结构示意图和等效电路,二.工作原理和特性曲线,单结晶体管的发射电流IE与e-b1间电压UEB1的关系曲线称为特性曲线.特性曲线的测试电路如图1.5.2(a)所示,虚线筐内单结晶体管的等效电路. 单极晶体管的特性曲线如图所示1.5.2,图1.5.2 单结晶体管特性曲线的测试,应用举例,图1.5.3所示为单结晶体管组成的振荡电路. 所为振荡

21、,是指在没有输入信号的情况下,电路输出 一定频率一定幅值的电压或电流信号. 由于充电时间常数远大于放电时间常数,当稳定振荡时,电容上电压的波形如图.,图1.5.3 单结晶体管组成的振荡电路,1.5.2 晶闸管,晶体闸流管简称晶闸管,也称为硅可控元件,是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件,多用于可控整流调压等电路,也作为无触点开关. 一.结构和等效模型 常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形,如图,图1.5.4 晶闸管的外形,二、工作原理,当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。 当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极和阴极加之

22、间也加正向电压时，如图1.5.6所示，J3处于导通状态，两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。,图1.5.6 晶闸管的工作原理,三、晶闸管的伏安特性,以晶闸管的控制极电流IG为参数，阳极电流I与A-C间电压u的关系称为晶闸管的伏安特性，图1.5.7所示为晶闸管的伏安特性曲线。 u0时的伏安特性称为正向特性。 u0时的伏安特性称为反向特性。,图1.5.7 晶闸管的伏安特性曲线,四、晶闸管的主要参数,（1）额定正向平均电流IF。 （2）维持电流IB。 （3）触发电压UG和触发电流Ig。 （4）正向重复峰值电压UDRM。 （5）反向重复峰值电压URRM。 图1.5.8所

23、示为可控半波整流电路。,图1.5.8 例 1.5.2 电路及波形图,1.6集成电路中的元件,集成电路就是采用一定的制造工艺，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、等许多元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于它的元件密度高、体积小、功能强、功耗低、外部连接及焊点少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。 本节将简单介绍制造工艺，并说明集成电路中元件的构成及特点。,1.6.1集成电路制造工艺简介,在集成电路的产生过程中，在直径为310mm的硅晶片上，同时制造几百甚至几千个电路。人们称整个硅晶片为基片，称每一块

24、电路为管心，如图1.6.1所示。基片制成后，再经划片、压焊、测试、封装后成为产品。图1.6.2（a）（b）所示为圆壳式集成电路的剖面图及外形，图（c）、（d）所示为双列直插式集成电路的剖面图外形。,图1.6.2 集成电路的剖面图及外形,一、几个工艺名词,（1）氧化：在温度为8001200c的氧气中使半导体表面形成SiO2薄层，一防止外界杂质的污染。 （2）光刻与淹模：制作过程中所需的版图称为淹模，利用照相制版技术将淹模刻在硅片上称为光刻。 （3）扩散：在1000c左右的炉温下，将磷，砷或硼等元素的气体引入扩散炉，经一定时间形成杂质浓度一定的N型半导体或P型半导体。 （4）外延：在半导体基片上形

25、成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为外延生长技术。 （5）蒸铝：在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面，为制造连线或引线作准备。,二、隔离技术,虽然集成电路各元件均制作在一块硅片上，但各元件之间是相互绝缘的。图（a）所示为制成集成电路的原始材料，第一步在P型衬底上“氧化”生成SiO2保护层见图（b）暴光部分变成聚合保持不变见图（c），为扩散杂质开出”窗口“见图（d），从窗口“扩散”形成高掺杂的隐埋层-N+区见图（e），再次“氧化”形成SiO2薄层见图（f），二次光刻见图（g），扩散窗口见图（h），隔离岛见图i所示。,图1.6.3 PN结隔离的制造工艺,三、电路元件的制造工艺,隔离岛形成后，便可

26、以在其中制造所需的元件了，制造过程与PN结隔离的制造过程相同。图1.6.4所示为NPN型管的工艺流程与相应的破面图。 利用类似的工艺过程可制成PNP型管、场效应管。,图1.6.4 在隔离岛上制作NPN型管的工艺流程及剖面图,1.6.2集成双极型管,一、PNP型管 PNP型管有衬底PNP管和横向PNP管，其结构如图1.6.5所示。 横向PNP管的载流子从发射区沿水平方向向集电区运动，故称横向管，利用横向PNP管和纵向NPN管复合而成既有足够大的电流放大系数又耐压较高的管子，从而构成各方面性能俱佳的放大电路。,图1.6.5 集成电路中的PNP型管,二、其它类型晶体管,在制造NPN型管时，若作多个发

27、射区，则得到多发射极管，其结构与符号见图1.6.6所示。 在制作横向PNP型管时，若作多个集电区，则得到多集电极管，各集电极电流比决定于对应的集电区面积之比，其结构与符号见图1.6.7所示。,图1.6.6 多发射极管的结构与符号,图1.6.7 多集电极管的结构与符号,1.6.3集成单极型管,集成MOS管的结构与分立元件MOS见图1.4.7（a）的结构完全相同，常采用N沟道MOS管与P沟道MOS组成的互补电路，其结构与电路如图1.6.8所示。CMOS电路功耗小、工作电源电压范围宽、输入电流非常小、连接方便、是目前应用最广泛的集成电路之一。,图1.6.8 CMOS电路,1.6.4集成电路中元件的特点,与分立元件相比，集成电路中的元件有如下特点： 一、具有良好的对称性。 二、电阻与电容的数值有一定的限制。 三、纵向晶体管的小，但PN结耐压高。 四、用有源元件取代无源元件。由于丛向NPN管占用硅片面积小且性能好，而电阻和电容占用硅片面积大且取值范围窄，因此，在集成电路的设计中尽量多采用NPN型管，而少用电阻和电容。,