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琛曹
5 years ago
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1 模拟电子技术蒋乐天 QQ 群 :

2 主要内容半导体器件放大电路集成运放电路负反馈波形的发生及信号转换功放电路直流电源

3 第一章半导体器件 1.1 半导体基础 1.2 二极管 1.3 双极型晶体管 ( 三极管 ) 1.4 场效应管

4 1.1 半导体基础导体半导体绝缘体 cm 10 cm cm 9 cm 制造半导体器件的主要材料 : 硅 (Si) 锗 (Ge) 砷化镓 (GaAs) 微波器件

5 一. 本征半导体定义 a) 纯净的 b) 无晶格缺陷价电子 +4 惯性核图 1-1 本征半导体惯性核模型

6 图 1-2 本征半导体结构示意图

7 本征激发和复合激发 : 形成自由电子和空穴, 成对出现复合 : 自由电子空穴对消失图 1-3 本征半导体中的自由电子和空穴

8 动态平衡下的本征半导体两种载流子 : 自由电子 ----n 空穴 -----p 载流子浓度 n i p i AT 3/ 2 E /(2kT ) e go 系数 : A 常数 ( 硅 : cm -3 K -3/2, 锗 : cm -3 K -3/2 ) E go : 禁带宽度 ( 硅 :1.21eV, 锗 :0.785eV) k: 玻尔兹曼常数 ( ev/k) T: 温度 (K) 室温时 (T=300K), 硅 : cm -3, 锗 : cm -3

9 二. 杂质半导体杂质半导体 : 掺入杂质元素后得到的半导体 N 型半导体 P 型半导体

10 定义 N 型半导体掺入五价杂质元素 ( 磷砷锑 ) 自由电子 : 多子空穴 : 少子杂质原子 : 施主图 1-4 N 型半导体

11 载流子浓度热平衡条件电中性条件 n n p0 ni p 0 N D n p 0 D N D : 施主杂质浓度 0 N n N 2 i D n 0 : 自由电子浓度值 p 0 : 空穴浓度 n i : 本征载流子浓度

12 定义 P 型半导体掺入三价杂质元素 ( 铝硼镓铟等 ) 自由电子 : 少子空穴 : 多子杂质原子 : 受主图 1-5 P 型半导体

13 载流子浓度热平衡条件电中性条件 n p 2 0 p0 ni 0 n 0 N A p n 0 A N A : 施主杂质浓度 0 N n N 2 i A n 0 : 自由电子浓度值 p 0 : 空穴浓度 n i : 本征载流子浓度

14 漂移电流三. 漂移和扩散 E 载流子 ( 自由电子空穴 ) 在电场作用下产生定向运动, 形成漂移电流 : 空穴漂移电流 ( pt ) 和电子漂移电流 ( nt ) 总漂移电流密度 : JT J pt JnT q( p p nn ) E 系数 :μ p, μ n 分别是空穴和自由电子的迁移率

15 扩散电流 n(x) p(x) N 型半导体 x n 0 x p 0 x 因浓度差引起载流子 ( 自由电子空穴 ) 定向运动, 产生扩散电流 : 空穴扩散电流 ( pd ) 和电子扩散电流 ( nd ) 总扩散电流密度 : J D J pd J nd qd p dp( x) dx qd n dn( x) dx 系数 :D p,d n 分别是空穴和自由电子的扩散系数

16 半导体半导体结构 ( 自由电子和空穴 ) 本征半导体 P 型半导体 N 型半导体半导体电流 ( 扩散电流和漂移电流 ) 半导体特性 ( 参杂性和温度敏感性 ) 半导体材料 ( 硅锗砷化镓 )

17 四. PN 结不对称 PN 结 P 型半导体耗尽层 N 型半导体 p + n 对称 PN 结 P 型半导体耗尽层 N 型半导体 pn PN 结结构

18 PN 结形成的物理过程 a) 扩散多子扩散电流 D b) 形成空间电荷区 c) 建立电场 E d) 漂移少子漂移电流 T e) 动态平衡 D = T =0 f) PN 结形成空间电荷区耗尽区势垒区阻挡层

19 内建电位差 U ho U U ho T ln N N A 2 ni D U T kt q 热电压 ( 伏 ) 室温 T=300K, U T 约为 26mV U ho 与温度相关, 室温时, 对于硅约为 0.5~0.7V 对于锗约为 0.2~0.3V

20 空间电荷区宽度 L o L o x n x p 2 ( U q ho N A N N N A D D 1 2 ) x x n p N N A D µm 数量级三种 PN 结 : 突变结超突变结缓变结

21 1.2 半导体二极管二极管外形二极管结构及电路符号

22 一. 二极管的特性伏安特性温度特性击穿特性电容特性

23 正向偏置导通反向偏置截止伏安特性单向导电性

24 二极管电流 i i qu kt ( e 1) S u U ( e T 1) S S : 反向饱和电流比例电流与结面积少子浓度成正比二极管的伏安曲线开启电压 U on

25 温度特性 s 是温度敏感参数, 其值随温度升高而增大 Uon 随温度升高而减小, 温度升高, 并有 : V>0 曲线左移 V<0 曲线下移 S ( t 2 ) S ( t 1 ) 2 t2 t 10 二极管正常工作, 有最高温度限制 : Si: (150º~200º) S =10-9 ~10-16 A Ge: (75º~100º) S =10-6 ~10-8 A 1

26 击穿特性反向偏置时, 反向电流急剧增加的现象,U (BR) 雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的 PN 结中机理 : 由于碰撞而电离产生大电流电压 : 较高, 随掺杂浓度降低而增大,>7V 温度特性 :T U (BR) 齐纳击穿发生高掺杂浓度 PN 结中机理 : 场致激发产生大电流电压 : 较低, 随掺杂浓度增大而减小,<5V 温度特性 :T U (BR)

27 电容特性势垒电容 C T 阻挡层引起 Q V C T CT (0) V (1 ) U ho n 电荷与电压关系 C T (0) C T 电容与电压关系 C T : 增量电容非线性电容变容特性 n 变容指数, 与工艺有关突变结 n=1/2 V 渐变结 n=1/3 超突变结 n=1/2~6

28 扩散电容 C D 中性区引起 0 0 ) ( V k k C D S D D k D : 常数, 与 PN 结两边的掺杂浓度有关 : 流过 PN 结的电流结电容 C j pf 1 ~ 10 0 pf ~ D V C V C C C C T D T j

29 二二极管参数最大整流电流 F 最高反向工作电压 U R 反向电流 R 最高工作频率 f M

30 三二极管模型数学模型电流方程曲线模型伏安特性曲线分段线性模型小信号电路模型

31 分段线性模型 a) 理想二极管模型 b) 常数压降模型 c) 电池加电阻模型 r D : 导通电阻, U on 一般取 0.7V

32 小信号电路模型 T D T S Q U u U u S Q D D d U U e u u i r D D T D 1)] ( [ 1 r d : 增量电阻 D T d U r

33 r s r s D r d r d C j 二极管低频模型高频模型小信号模型

34 图解分析法二极管电路分析例题例 1: 求图所示电路流过二极管的电流及其两端电压 V DD R 1 V T R T V T R T R 2 D D Q U Q Q U V T

35 等效电路法例 2: 如图电路, 已知两个二极管为理想二极管, 试画出 U O 随 U 变化的传输特性 R 1 =100k D 1 D 2 R 2 =200k U U O V DD1 100V V DD2 25V

36 等效电路 : R 1 =100k D 1 D 2 R 2 =200k U U O V DD1 100V V DD2 25V 分析 : 当 U <25V 时, 两二极管截止,U O =V DD2 =25V 当 U >25V 时,D 1 导通,D 2 截止, 1 U V R R 1 DD2 2 U U O V DD2 1 R U 3 当 U O =100V, 即 U =137.5V 时, D 2 开始导通 U O 100

37 U O U

38 例 3: 有如下两个电路 : +10V +10V 10k 5k D 1 D 2 U D 1 D 2 U B 5k B 10k -10V (a) -10V (b) 假设 D 1,D 2 为理想二极管, 求 U, 的值

39 解 : (a) 假设 D 1,D 2 导通, 则 U 0 U 0 B D 2 1mA B 点节点方程 1mA (b) 假设 D 1,D 2 导通, 则 U 0 U 0 B D 2 1mA B 点节点方程 1mA 假设不成立重新假设 D 1 截止,D 2 导通 0 U 3.3V

40 小信号分析例 4: u D u i V D 3 小信号分析 r d u i i R R u R u o Q 1 直流分析 V U R D ( on) 2 小信号参数 U rd ui i R rd ui uo R r d T Q R U u R V R U D ( on) U R u o

41 四二极管应用整流电路 D u i D 1 R D 3 u i R u o D 4 D 2 u o

42 稳压电路稳压二极管参数 : 稳定电压 U Z 稳定电流 Z ( Zmin ) 最大稳定电流 Zmax 额定功耗 P ZM 动态电阻 r z 温度系数 α

43 稳压电路 U R Z L R L U O R: 限流电阻, 保证 Z 落在 Zmin 和 Zmax 范围内 D Z 求限流电阻的方法当 U 取最大 U max, R L 取最大 R Lmax 时, Z 不应超过 Zmax, 得到 R min 当 U 取最小 U min, R L 取最小 R Lmin 时, Z 不应低于 Zmin, 得到 R max 即 : U U m ax R min R U min U max Z Z Z max Z min U R U R L max Z Z L min

44 限幅电路 R D 1 D 2 U V 1 V 2 U O

45 1.3 双极型晶体管晶体三极管结构 e P + N P c e N + P N c b b PNP NPN c c b b e 晶体三极管电路符号 e

46 三个区 :N P N 或 P N P 三个极 : 发射极 (e) 基极 (b) 集电极 (c) 两个结 : 发射结 (eb 结 ) 集电结 (cb 结 ) 晶体三极管工作模式工作模式偏置特性放大模式发射结正偏集电结反偏正向受控特性饱和模式发射结正偏集电结正偏开关特性截止模式发射结反偏集电结反偏开关特性反向放大模式发射结反偏集电结正偏

47 一放大模式下三极管工作原理 N + P N E EN EP E EN EP Cn1 Cn2 CP } CBO C E B 区多子扩散电流 C Cn1 Cn1 Cn 2 CBO CP B R 1 V 1 V 2 R 2 CBO :CB 结反向饱和电流, 与 T 有关, 少子漂移电流 Cn1 : 少子漂移电流内部载流子传输过程 B EP ( EN ) Cn1 Cn 2 CP E C

48 共基直流电流放大系数 Cn1 EN Cn1 E E EN E B η E : 发射效率 ; η B : 基区传输效率提高的工艺措施 :1)E 区重掺杂 ;2) 基区宽度要小 ; 3) 集电结面积要大三种连接方式下的直流电流传输方程 : 1 共基 e b E C c b C C E E CB O E

49 2 共发射极 b B C c C C E ( C CBO B B ) CBO CBO e e C 1 B 1 1 CBO 令 1 1 CEO CBO 1 C B CE O 共发射极直流电流放大系数 C B CEO : 基极开路时, 在集电极电源作用下集电极和发射极之间的电流, 称穿透电流

50 3 共集电极 E e C B CE O b B E B B CE O c c E ( 1 ) B CE O ( 1 ) E B

51 交流电流放大系数 i i c e i i c b

52 二三极管特性曲线输入特性曲线族 b B C c e e i f ( u ) B BE u CE 常数

53 输出特性曲线族

54 三三极管参数 1 直流参数 CBO CEO 2 交流参数 ft 3 极限参数 CM P CM U (BR)CEO

55 四三极管温度特性, CBO ( 或 S ) 和 U BE(on) 都是温度敏感参数, 一般有 : 每升高 1 C, 增大 0.5~1% 每升高 1 C, U BE(on) 减小 2~2.5mV 每升高 10 C, CBO 增大一倍

56 1.4 场效应管场效应管 (FET, Field Effect Transistor) 分类结型场效应管 (JFET) 制作工艺增强型 MOS 场效应管 (EMOS) 耗尽型 MOS 场效应管 (DMOS) 导电沟道 P 沟道场效应管 N 沟道场效应管

57 一 EMOS 场效应管 N 沟道 EMOS 结构图及电路符号 L: 沟道长度, 1~10m W: 沟道宽度, 2~500 m SiO 2 厚度 : 0.02~0.1 m s: 源极 ;g: 栅极 ;d: 漏极 ;B: 衬底极 ;N + : 源区漏区

58 工作原理 1 MOS 管工作状态 MOS 管正常工作时, 两个 PN 结始终处于反偏状态, 一般有 u BS =0 或 u BS <0(B 接最低电位 ), 因此有 u DS >0( 漏源间接正偏电压 ) 在栅极电压 u GS 的作用下, 在 d s 之间形成导电通道, 然后在 u DS 的控制下形成 d s 之间的漏极电流 (i D ) 由于形成的导电通道是 N 型半导体, 因此称为 N 沟道

59 2 沟道形成及 u GS 对 i D 的控制 1) 都不加电压时 (u GS =0, u DS =0), 两个 PN 结处于动态平衡, 会形成空间电荷区, 所以 DS 之间互相隔离, 不能导通 2)g s 之间加正偏电压 ( u GS >0 ), 衬底栅极相当于一个平板电容器 g 板上积聚正电荷形成电场 E( 从 SiO 2 层指向衬底 ) 吸引电子, 排斥空穴形成负离子区 + 自由电子 (??) 3)u GS E 吸引更多电子排斥更多空穴自由电子浓度大于空穴浓度 P 型衬底变成 N 型产生反型层 ( 沟道产生 ) 4) 将反型层刚好形成时的 u GS 称为开启电压 (U GS(th) ), 是 MOS 管的工艺参数, 取决于 SiO 2 的厚度, 衬底的掺杂浓度等 5)MOS 管是沟道导电的器件, 当 u GS < U GS(th) 时, 未形成沟道,ds 之间无电流 u GS > U GS(th) 时, 形成沟道

61 3 u DS 对 i D 的控制 (u GS 一定 ) u GS > U GS(th), 形成沟道 d s 之间加正偏电压 ( u DS >0 ), 自由电子形成漂移电流 i D, 方向从 d s 1) 当 u DS 很小时,i D 很小, 沟道深度均匀, i D 与 u DS 几乎成线性增大关系 2) u DS i D 形成锥形沟道此时, 沟道电阻增大, 导致 i D 增大趋势变缓 3)u GD =u GS -u DS =U GS(th), 即 u DS = u GS -U GS(th) 时, 漏极端反型层消失 ( 预夹断 ),i D 不随 u DS 变化, 进入饱和区继续增大 u DS,i D 基本恒定 i D u GS -U GS(th) u DS

63 4 沟道长度调制效应 i D u GS -U GS(th) u DS

64 N 沟道 EMOS 特性曲线转移特性曲线 i D uds =u GS -U GS(th) u DS >u GS -U GS(th) u DS <u GS -U GS(th) u GS U GS(th)

65 输出特性曲线 i D u DS =u GS -U GS(th) 可变电阻区 ( 非饱和区 ) 恒流区 ( 饱和区 ) u GS u GS =U GS(th) 夹断区 ( 截止区 ) u DS

67 电流方程 : i) 非饱和区 u GS U GS( th), 0 u DS u GS U GS( th) i D nc oxw 2L [2( u GS U ) u u 2 GS( th) DS DS ] C ox ox u :SiO 2 层介电常数 ; ox : 厚度 U, u u U th ii) 饱和区 GS GS( th) DS GS GS( ) i D nc oxw 2L ( u GS U ) (1 u 2 GS( th) DS 由沟道长度调制效应引入, 如果不考虑则为 0 i D = DO (u gs /U GS(th) -1) 2 iii) 截止区 u GS U GS(th ) ) i D 0

68 背栅效应温度特性当衬底与源极不连接时, 即衬底与源极之间存在一个负偏压 u BS 时, 将引入背栅效应 ( 衬底效应 ) u BS 对 i D 的影响可以反映在开启电压上, u BS 反偏越大, 开启电压就越大从转移曲线来看, 相当于曲线右移输出曲线下移温度特性温度升高, 自由电子迁移率降低使电流减小温度升高, 衬底中自由电子浓度增大使开启电压减小, 从而使电流增大从整个结果来看, 前者影响大于后者影响, 所以 MOS 管电流随温度升高而减小, 具有负温度特性

69 结构图及电路符号 P 沟道 EMOS 管 PN 结反偏, B 接最高电位 u 0 0 GS U GS ( th) u i D 电流方向 : s d DS

70 二 DMOS 场效应管结构 P 沟道 N 沟道

71 电路符号 N 沟道 : U DS >0; U GS(off) <0; u GS >U GS(off) 时,i D >0 DS P 沟道 : U DS <0; U GS(off) >0; u GS <U GS(off) 时,i D >0 SD

72 场效应管类型的判别 1 由 u DS 识别沟道类型 u DS >0 N 沟道 u DS <0 P 沟道 2 由 u GS 识别增强型耗尽型或结型 u GS >0 或者 u GS <0( 不含 u GS =0 ) EMOS u GS >0 或者 u GS <0( 含 u GS =0 ) JFET u GS >0 u GS <0 u GS =0 DMOS

73 三场效应管参数 1 直流参数开启电压 U GS(th) ; 夹断电压 U GS(off) ; DSS ; 栅极电流 2 交流参数跨导 g m ; 背栅 ( 衬底 ) 跨导 g mb ; 极间电容 C gs C gd C ds ; 交流输出电阻 r ds 3 极限参数最大漏极电流 DM ; 击穿电压 ; 最大耗散功率 P DM

74 四三极管与场效应管的比较 1 FET 单极型器件 ( 只有一种载流子参与导电 ), 多子漂移电流, 受温度影响小, 负温度特性 BJT 双极型器件 ( 两种载流子都参与导电 ), 多子扩散电流, 少子漂移电流, 正温度特性 2 BJT 的输入电阻小 (KΩ),FET 输入电阻大 (10 8 ~10 12 Ω) BJT 电流控制器件,FET 电压控制器件 3 FET 的 d s 对称, 可互换, 偏置较灵活 ;BJT 发射极和集电极不能互换 4 MOS 管工艺简单, 集成度高, 在大规模集成电路中应用较多 ;BJT 多应用于小规模集成电路中

课程简介

课程简介第三章双极型晶体管及其基本放大电路郭圆月 2014 年 10 月 9 日本章主要内容 3.1 双极型晶体管 3.2 JT 基本放大电路直流分析方法 3.3 JT 基本放大电路交流分析方法 3.4 三种组态放大器的中频特性 3.5 单级共发放大器的频率特性 3.6 多级放大电路 2 3.1 双极型晶体管 1. 结构与功能 2. 放大工作原理 3. bers-moll 数学模型 4. 静态工作伏安特性曲线