華工模電的資料

華工模電的資料第1頁/共55頁第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)第2頁/共55頁一、本征半導(dǎo)體

導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。

絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。第3頁/共55頁1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。第4頁/共55頁載流子

外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。第5頁/共55頁二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子

空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？第6頁/共55頁2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？第7頁/共55頁三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行。第8頁/共55頁P(yáng)N結(jié)的形成

因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)

由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。第9頁/共55頁P(yáng)N結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?0頁/共55頁四、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！?1頁/共55頁第二節(jié)半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管第12頁/共55頁

一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小故結(jié)允許的電流小最高工作頻率高面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大故結(jié)允許的電流大最高工作頻率低平面型：結(jié)面積可小、可大小的工作頻率高大的結(jié)允許的電流大第13頁/共55頁

二、二極管的伏安特性及電流方程

二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量第14頁/共55頁從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線第15頁/共55頁三、二極管的等效電路

1.將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！第16頁/共55頁三、二極管的等效電路Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流2.

微變等效電路第17頁/共55頁四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)電容為擴(kuò)散電容（Cd）與勢(shì)壘電容（Cb）之和。擴(kuò)散路程中電荷的積累與釋放空間電荷區(qū)寬窄的變化有電荷的積累與釋放第18頁/共55頁五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動(dòng)態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ第19頁/共55頁討論一

判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。判斷二極管工作狀態(tài)的方法？第20頁/共55頁討論二1.V＝2V、5V、10V時(shí)二極管中的直流電流各為多少？2.若輸入電壓的有效值為5mV，則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少？

V較小時(shí)應(yīng)實(shí)測(cè)伏安特性，用圖解法求ID。QIDV＝5V時(shí)，V=10V時(shí)，uD=V-iR第21頁/共55頁討論二V＝2V，ID≈2.6mAV＝5V，ID≈21.5mAV＝10V，ID≈50mA在伏安特性上，Q點(diǎn)越高，二極管的動(dòng)態(tài)電阻越??！第22頁/共55頁第三節(jié)晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對(duì)晶體管特性的影響五、主要參數(shù)第23頁/共55頁

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第24頁/共55頁二、晶體管的放大原理

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散第25頁/共55頁電流分配：IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流

IC－漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會(huì)有穿透電流？第26頁/共55頁三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對(duì)于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性第27頁/共55頁2.

輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。

為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第28頁/共55頁晶體管的三個(gè)工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB

控制的電流源iC

。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE第29頁/共55頁四、溫度對(duì)晶體管特性的影響第30頁/共55頁五、主要參數(shù)

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)

交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號(hào)頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO第31頁/共55頁討論一1.分別分析uI=0V、5V時(shí)T是工作在截止?fàn)顟B(tài)還是導(dǎo)通狀態(tài)；2.已知T導(dǎo)通時(shí)的UBE＝0.7V，若uI=5V，則β在什么范圍內(nèi)T處于放大狀態(tài)?在什么范圍內(nèi)T處于飽和狀態(tài)？

通過uBE是否大于Uon判斷管子是否導(dǎo)通。臨界飽和時(shí)的第32頁/共55頁討論二由圖示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO

、β。2.7ΔiCuCE=1V時(shí)的iC就是ICMU（BR）CEO第33頁/共55頁1.4場(chǎng)效應(yīng)管BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。第34頁/共55頁一.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號(hào)：N溝道P溝道兩個(gè)高摻雜P區(qū)接在一起第35頁/共55頁

2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用③當(dāng)│uGS│↑到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓UP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。

在柵源間加負(fù)電壓uGS

，令uDS=0①當(dāng)uGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│uGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。第36頁/共55頁

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0。②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)uDS↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。

（3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用輸兩組特性曲線來描繪。

（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用第37頁/共55頁（1）輸出特性曲線：iD=f（uDS）│uGS=常數(shù)

3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線uGS=0VuGS=-1V設(shè)：UT=

-3ViD受uGS控制第38頁/共55頁四個(gè)區(qū)：恒流區(qū)的特點(diǎn)：△iD/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△uGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)。可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)第39頁/共55頁（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：第40頁/共55頁二.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強(qiáng)型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)

4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號(hào)：二氧化硅絕緣層通常將襯底與源極接在一起第41頁/共55頁

當(dāng)uGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用第42頁/共55頁

定義：開啟電壓（UT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS,也記為UGS(th)。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。第43頁/共55頁

②漏源電壓uDS對(duì)漏極電流id的控制作用

當(dāng)uGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0時(shí)，id=0。

（截止區(qū)）（b）uds↑→id↑；同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。

（可變電阻區(qū)）（c）當(dāng)uds增加到使ugd=UT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。（恒流區(qū)）第44頁/共55頁（3）特性曲線

四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

①輸出特性曲線：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)iD受uGS控制第45頁/共55頁

②轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UT第46頁/共55頁一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。第47頁/共55頁2.N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS，也記為uGS(off)。第48頁/共55頁N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUP第49頁/共