數(shù)字電子技術(shù)復(fù)習(xí)市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

1、主要內(nèi)容：半導(dǎo)體材料。三種管子二極管、三極管、場效應(yīng)管。模電第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈半導(dǎo)體，不摻雜。區(qū)分于雜質(zhì)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體（例銅、鐵）和絕緣體（例橡膠、玻璃）之間物質(zhì)（例硅、鍺）。1第1頁電子導(dǎo)電：在電場作用下，自由電子逆電場方向而動，形成電子電流?？昭▽?dǎo)電：在電場作用下，價電子逆電場方向而動，相當(dāng)于空穴順電場方向而動，形成空穴電流?？昭ǖ刃橐粋€帶正電荷載流子（能夠移動從而形成電流粒子）。+-+4+4+4+4+4+4+4+4+42第2頁 雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜特征：在純凈半導(dǎo)體中摻入微量某種其它元素，會使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能大大提升

2、。這種摻入雜質(zhì)半導(dǎo)體就叫作雜質(zhì)半導(dǎo)體。區(qū)分于本征半導(dǎo)體。一、N型半導(dǎo)體加入五價元素磷+5自由電子數(shù)空穴數(shù) 故稱N型半導(dǎo)體。（多子） （少子） (Negative，負)+4+4+5+4+4+4+4+4+43第3頁二、P型半導(dǎo)體加入三價元素硼+3空穴數(shù)自由電子數(shù)故稱P型半導(dǎo)體。 （多子） （少子） (Positive，正)+4+4+3+4+4+4+4+4+44第4頁三、雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能摻雜后，載流子濃度發(fā)生改變，與純凈半導(dǎo)體相比，多子數(shù)，少子數(shù)。以N型半導(dǎo)體為例：加入雜質(zhì)原子電子空穴與電子復(fù)合機會空穴數(shù)。濃度總和增加、濃度乘積不變。滿足：np=nipi=ni2=pi2=常數(shù)例：以十億分之一（10

3、-9）百分比在硅原子中加入磷原子。結(jié)論：雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力。 注意：少子是本征激發(fā)產(chǎn)生，熱敏性強。 多子是摻雜產(chǎn)生，受溫度影響不大。5第5頁 PN結(jié)一、PN結(jié)形成在硅半導(dǎo)體一邊形成P型半導(dǎo)體，另一邊形成N型半導(dǎo)體。在P區(qū)中存在大量負離子（硼）和空穴（多子），少許電子（少子）在N區(qū)中存在大量正離子（磷）和電子（多子），少許空穴（少子）因為濃度差，多子向?qū)Ψ綌U散，并與對方少子復(fù)合。交界處形成空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。也稱耗盡層。+-PN6第6頁所以在PN結(jié)中存在多子擴散和少子漂移兩種運動。方向相反。多子擴散PN結(jié)變寬，少子漂移PN結(jié)變窄。開始濃度差大，內(nèi)電場還未形成，擴散強，伴隨內(nèi)電場增強，漂移越來

4、越強，當(dāng)二者到達平衡時，PN結(jié)寬度即確定下來。空間電荷區(qū)形成電場稱為內(nèi)電場，方向N區(qū)P區(qū)，電位差用Uho表示。+-UhoPNPN結(jié)內(nèi)電場使少子向?qū)Ψ竭\動，稱為漂移（區(qū)分于擴散）。7第7頁二、PN結(jié)單向?qū)щ娦?加正向電壓（P正N負）VF時，導(dǎo)通外電場與內(nèi)電場方向相反，外電場減弱了內(nèi)電場，PN結(jié)變窄，打破平衡，多子擴散增強，少子漂移減弱，（平衡時擴散電流和漂移電流大小相等，現(xiàn)在擴散漂移）形成正向電流IF 。IF較大，因多子濃度高。且VFIF。PN結(jié)導(dǎo)通。8第8頁2.加反向電壓（P負N正）VR時，截止IR較小，因少子濃度低。且呈飽和性，VR到一定程度時，全部少子都參加運動，VR再，IR也不再增加，此

5、時IRIS常數(shù)。PN結(jié)截止。外電場與內(nèi)電場方向一致，外電場增強了內(nèi)電場，PN結(jié)變寬，打破平衡，多子擴散減小，少子漂移增強，形成反向電流IR。IRR9第9頁三、PN結(jié)電流方程式中，UTkT/q，稱為電壓溫度當(dāng)量，與溫度成正比，T=300K時，UT26mV。IS為反向飽和電流。正向特征：u0，ui，uUT時， 按指數(shù)規(guī)律 快速增加。反向特征：uUT 時，i-IS，恒定不變。+-PNiu四、PN結(jié)伏安特征 uU（BR）時，i 急劇增加反向擊穿。10第10頁1.2 半導(dǎo)體二極管PN結(jié)+管殼+引線 即組成二極管點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，適合用于小電流、高頻面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，適合用于大電流

6、、低頻平面型：1.2.1 半導(dǎo)體二極管幾個常見結(jié)構(gòu)特征符號：陽極陰極PN11第11頁二極管伏安特征一、二極管伏安特征與PN結(jié)伏安特征區(qū)分1.正向特征開啟電壓U：正向電壓超出某一數(shù)值后，才有顯著正向 電流，該電壓值稱為開啟電壓。硅：Uon=0.5V；鍺：Uon=0.1V正向?qū)妷篣范圍：硅：0.60.8V（計算時取0.7V），U=0.7鍺：0.10.3V（計算時取0.2V），U=0.2正向電流減小，反向飽和電流增加。U思索：能否將1.5V電池直接加在二極管兩端？12第12頁2.反向特征硅：IsUb時，D1截止， 由DZ，UZ，rd表現(xiàn)其反向特征。當(dāng)Ua-UbUZ時，DZ導(dǎo)通，表現(xiàn)出反向擊穿特征

7、。當(dāng)Ua-UbUZ時，DZ截止，電流為0，未擊穿；DZD1UZrdabDZ，UZ，rd是反向特征等效電路D1是正向特征等效電路當(dāng)UaUb時， DZ截止， 由D1表現(xiàn)其正向特征；等效電路：uiOUZIU將特征曲線折線化,并令:陰極陽極DZab17第17頁為確保電流適當(dāng)，應(yīng)加適當(dāng)限流電阻。解：由：得：穩(wěn)壓管正常工作條件：反向擊穿；IZminI基區(qū)摻雜濃度 3. 集電區(qū)尺寸發(fā)射區(qū)尺寸，集電區(qū) 摻雜濃度VBB確保集電結(jié)反偏。22第22頁1.3.3 晶體管共射特征曲線一、輸入特征曲線1VUCE1V，曲線基本重合原因：UCE增大到一定程度，集電區(qū)搜集載流子能力足夠強，再 增加UCE，IC亦不再增加， IB

8、不再降低，曲線基本不變。UCE=0UCE=0，與二極管伏安特征曲線類似原因：相當(dāng)于兩個二極管并聯(lián)。uBEiBOECBiBuBE開啟電壓與導(dǎo)通電壓概念同二極管UCE增大，曲線右移原因：UCE增大，集電區(qū)搜集載流子能力增強，IC增加， 基區(qū)復(fù)合掉載流子數(shù)量降低，IB降低，曲線右移。= 0.5V討論各種偏置狀態(tài)下，各極電流和電壓關(guān)系。23第23頁二、輸出特征曲線取IB=IB3，起始部分很陡， UCE1V后，較平坦。原因：UCE較小時， UCE增加，集電區(qū)搜集能力增強，使IC增強；UCE1V后，集電區(qū)搜集能力足夠大，IC不再增強。ECBiCuCEiCuCEIB=0OIB1IB2IB3IB41V IB取

9、不一樣值，可得到一組曲線。原因： 相同UCE下，IB增加， IC增 加，曲線上移。24第24頁從輸出特征曲線看，晶體管有三個工作區(qū)域放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏（大于開啟電壓Uon）， 集電結(jié)反偏特點：iC受IB控制，iC=IB； uCE增加，iC基本不變截止區(qū)：發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓Uon 集電結(jié)反偏。特點：IB=0，iCICEOECB iC0uCE飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏（大于開啟電壓Uon）， 集電結(jié)正偏特點：uCE增加，iC增加很多；iCIB 。 因為uCE很小，故uCE增加時，集電極搜集能力增強，iC增加很多； 集電結(jié)正偏，集電極搜集能力弱，集電極漂移電流小，故iCIB。 ECBiCuCE0iCuC

10、EIB=0放大區(qū)IB1IB2IB3IB4IBIC飽和區(qū)截止區(qū)uCE=uBE飽和壓降：UCE(sat)0.1V25第25頁晶體管開關(guān)作用晶體管飽和： uCE0ECBiCuCE0ECBiCuCECEiCuCEECB iC0uCE晶體管截止： iC0CEiCuCE 0+-開關(guān)斷開開關(guān)閉合相當(dāng)于CEiC 0uCE發(fā)射結(jié)反偏或零偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏26第26頁例1.3.1 測得電路中各晶體管各極電位，且已知各管Uon=0.5V，判斷各管工作狀態(tài)。T1發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大T2發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏飽和T3發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大T4發(fā)射結(jié)零偏集電結(jié)反偏截止解：判據(jù)：發(fā)射結(jié)正偏，且UBEU

11、on，集電結(jié)反偏；放大 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏； 飽和 發(fā)射結(jié)反偏，或UBEUon， Vc Vb Ve ；飽和：Vb Vc Ve ；截止：UBEUon， Ve Vb Vc ；飽和： Ve Vc Vb；截止： UEB Uon，集電結(jié)反偏，則有可能工作在放大狀態(tài)。發(fā)射結(jié)正偏且Uon，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)零偏有可能無可能解：RbRc1.5V-6VReRc-6V31第31頁1.4 場效應(yīng)管場效應(yīng)管是一個利用電場效應(yīng)來控制電流半導(dǎo)體器件。其作用有放大、開關(guān)、可變電阻。特點：輸入電流很小，耗能??；輸入電阻很大； 便于集成分類：結(jié)型（N溝道、P溝道） 增強型（N溝道、P溝道） 耗盡型（N溝道、P溝道

12、）絕緣柵型32第32頁1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管耗盡層NPsgd結(jié)構(gòu)示意圖上面P型區(qū)和下面P型襯底連在一起，引出電極稱為柵極G；兩邊N型區(qū)各引出一個電極稱為源極S和漏極D；中間N型區(qū)稱為導(dǎo)電溝道（內(nèi)有很多電子，在外加電壓作用下移動形成電流）；兩個PN結(jié)（上、下） 實際結(jié)構(gòu)圖N+s源極g柵極d 漏極PPN+N溝道襯底gds符號N溝道gdsP溝道33第33頁一、結(jié)型場效應(yīng)管工作原理1. uDS=0，uGS對導(dǎo)電溝道控制作用uGS=0，PN結(jié)零偏，導(dǎo)電溝道很寬；NsgdUGS(off)被稱為夾斷電壓（注意是一個負值）UGSUGS(off)0時，溝道好像被夾斷；sgdVGGUGS(off)VGGuGSu

13、GS0，PN結(jié)反偏，導(dǎo)電溝道變窄；sgdPP結(jié)論： uGS改變，會引發(fā)導(dǎo)電溝道寬度改變； 因為PN結(jié)反偏，故柵極電流為0。為使N溝道結(jié)型場效應(yīng)管正常工作，應(yīng)在其柵源之間加負向電壓（即uGS0） ，以形成漏極電流iD。34第34頁二、結(jié)型場效應(yīng)管特征曲線1.輸出特征曲線uDSiD-4V-3V-2V-1VUGS=0可變電阻區(qū)夾斷區(qū)預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)特點：uDS增加，iD增加，呈電阻性；不一樣UGS，斜率不一樣，電阻不一樣35第35頁特點： uDS改變，iD基本不變； UGS 不一樣，iD不一樣；恒流區(qū)變阻區(qū)和恒流區(qū)界限： uDS=uGS-UGS(off)，即 uGD=UGS(off)

14、。uDSiD-4VO-3V-2V-1VUGS=0可變電阻區(qū)夾斷區(qū)預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)夾斷區(qū)特點： iD0原因： uGS0，且uGS越負，iD越小。在恒流區(qū)，uDS改變時，iD幾乎不變，故不一樣UDS對應(yīng)曲線 幾乎重合，只畫一條即可。當(dāng)uGSUGS(off)時，全夾斷，iD=0。uGS=0對應(yīng)電流為IDSS2. 轉(zhuǎn)移特征曲線恒流區(qū)iD 與uGS關(guān)系曲線iDuGSIDSSUGS(off)0-2-3-4uDSiD-4V-3V-2V-1VUGS=0恒流區(qū)電流方程：（UGS(off) uGS0）38第38頁1.4.2 絕緣柵場效應(yīng)管(又稱MOS管)特點：輸入電流更小，輸入電阻更大；便于集成分類：增強型

15、（N溝道、P溝道）耗盡型（N溝道、P溝道）一、N溝道增強型MOS管符號：gsdBN溝道gsdBP溝道結(jié)構(gòu)：N+N+sgdBP（襯底）SiO2薄膜39第39頁（一）工作原理1. GS間開路時此時，漏源間有兩個背靠背PN結(jié)，所以DS間接什么電壓，都不會有電流產(chǎn)生。即此時不存在導(dǎo)電溝道。2. uGS0，DS短接此時，柵極接正，襯底接負，襯底中多子空穴被排斥到下方，上面形成耗盡層。且uGS增加，耗盡層寬度增加。NN耗盡層PdgsuGSB通常源極和襯底是連在一起N+N+sgdBP（襯底）40第40頁當(dāng)uGS=UGS(th)時，襯底中少子電子被吸引到耗盡層，形成N型薄層，稱為反型層。該反型層即導(dǎo)電溝道。u

16、GS再，則反型層加寬，溝道變寬。NN反型層PdgsuGSBUGS(th)稱為開啟電壓。 3. uGSUGS(th)，uDS0 uDS很小時，uGD = uGS-uDSUGS(th)，因為s端電壓低于d端電壓，故s端溝道寬，d端溝道窄，溝道仍呈楔型。溝道中電子在uDS作用下形成電流iD。且uDSiD，展現(xiàn)電阻性。電阻大小與uGS相關(guān)NNPdgsuGSBuDSiD3V2V41第41頁當(dāng)uDSuGD=UGS(th)時，d端反型層消失，溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷（因S端未被夾斷）；NNPdgsuGSBuDSiD預(yù)夾斷后，uDS，夾斷長度，增加電壓uDS大部分落在夾斷區(qū)，溝道上電壓幾乎不，故iD基本不，呈飽

17、和性。NNPdgsuGSBuDSiD42第42頁（二）特征曲線與電流方程IDOiDuGSUGS(th)O2UGS(th)輸出特征曲線與結(jié)型類似，分為三個區(qū)。不一樣之處于于開啟電壓0。轉(zhuǎn)移特征曲線與結(jié)型形狀類似，但在第一象限，因開啟電壓0。輸出特征曲線轉(zhuǎn)移特征曲線uDSiDUGS=UGS(th)OUGS1UGS2UGS3=2UGS(th)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)預(yù)夾斷軌跡uDS=uGS-UGS(th)恒流區(qū)IDO方程：43第43頁二、N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管情況與增強型類似。不一樣只是開啟電壓不一樣。增強型UGS(th)0，耗盡型UGS(off)0。uGSUGS(off)時，在ds間加正壓，有電流iD

18、產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)與增強型類似，只不過在二氧化硅中加入大量正離子，故在uGS=0時，即有反型層存在。符號：gsdBN溝道gsdBP溝道PdgsuGSBNN反型層+ + + + + + + + +44第44頁三、P溝道場效應(yīng)管P溝道是N溝道對偶型使用時uGS、uDS極性應(yīng)于N溝道相反，電流方向也與N溝道相反。開啟電壓：結(jié)型場效應(yīng)管， UGS(off)0；增強型MOS管UGS(th)0。gdsVGGVDDiDRD+uI+uO45第45頁例：P溝道結(jié)型場效應(yīng)管特征曲線gdsP溝道iDuGSiDIDSSuGSUGS(off)P溝道0uGSUGS(off)，iD0旋轉(zhuǎn)180度iDIDSSuGSUGS(off)N溝道UGS(off) uGS0gdsN溝道uGSiD特征曲線：在電流、電壓參考方向一致情況下， 將N溝道對應(yīng)曲線旋轉(zhuǎn)180度 即得。46第46頁uDSiDOUGS=0UGS(off)0，iD0uDSiDOUGS=0UGS(off)0P溝道，uDS0，iD0，uDS0，故為N溝道因uGS(th) =4V0，故為增強型MOS48第48頁解：1. uI=0時，uGS=0VuGS(th)=4V，全夾斷，iD=0，uO=15V2. uI=8時，在恒流區(qū)，iD=1mA，uO=VDD-iDRD=15-15=10V3. uI=10時， uGS=10V ，在恒流區(qū)，iD=2.2mA， uO=VDD-iDRD=