《半導體器件與模型》ppt課件

1、第 一 章,半 導 體器 件 與 模 型,1.1 半導體的導電特性,1.1.1 本征半導體,半導體具有某些特殊性質(zhì)：光敏熱敏、摻雜特性,導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,1、本征半導體的結(jié)構(gòu)與模型,通過一定的工藝過程，可以將

2、半導體制成晶體。,現(xiàn)代電子學中，用得最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,除去價電子后的原子,價電子,本征半導體：,完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。,硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共用電子對,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,2、本征半導體的導電原理,可將

3、空穴看成帶正電荷的載流子,本征半導體中有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴,熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失，稱為復合。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。,自由電子,空穴,溫度增加將使價電子獲得能量，掙脫共價鍵束縛成為自由電子，同時在原位留下空穴。,本征激發(fā)（熱激發(fā)）,3、本征半導體中載流子濃度,溫度一定時，載流子的產(chǎn)生和復合將達到動態(tài)平衡，此時載流子濃度為一熱平衡值，溫度升

4、高，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)目將增加，但同時復合作用也增加，載流子的產(chǎn)生和復合將在新的更大濃度值的基礎(chǔ)上達到動態(tài)平衡。,本征激發(fā)中有,據(jù)理論分析和實驗證明，有,本征半導體的導電能力很弱，可通過摻雜來進行改善,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。,1. 半導體中兩種載流子,2. 本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，　　　稱為 電子 - 空穴對。,4.

5、 由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又　　　不斷的復合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復合運動　　　會達到平衡，載流子的濃度就一定了。,5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升　　　高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。,,小 結(jié),1.1.2 雜質(zhì)半導體,摻入雜質(zhì)后的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。,P型半導體,P型半導體中空穴是多數(shù)載流子（多子），主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子（少子），由熱激發(fā)形成,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。

6、三價雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì),本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成 P型半導體(或空穴型半導體),在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導體（電子型半導體）。,在N型半導體中自由電子是多子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少子, 由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，五價雜質(zhì)原子被稱為施主雜質(zhì),N型半導體,1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。,3. 雜

7、質(zhì)半導體總體上保持電中性。,4. 雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。,2. 雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。,N 型半導體,P 型半導體,說明：,1.1.3 半導體中的電流,1、漂移電流,外加電場時，載流子在電場力的作用下形成定向運動，稱為漂移運動，并由此產(chǎn)生電流，稱為漂移電流。,漂移電流為兩種載流子漂移電流之和，方向與外電場一致。,2、擴散電流,當半導體有光照或者載流子注入時，半導體中將出現(xiàn)載流子

8、的濃度差，載流子將由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動，這種定向運動稱為擴散運動，由此形成的電流稱為擴散電流。,1.2 PN結(jié),1.2.1 PN結(jié)的形成,將一塊半導體的一側(cè)摻雜成P型半導體，另一側(cè)摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→ PN結(jié)。,多子擴散,耗盡層,阻擋層,勢壘區(qū),1.2.2 PN結(jié)的導電特性,1、正向特性,PN結(jié)外加直流電壓VF：P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負電位）,內(nèi)電場被削弱，多

9、子的擴散加強，能夠形成較大的擴散電流。,→正偏→正向電流,,正偏時，PN結(jié)呈現(xiàn)為一個小電阻。,2、反向特性,＊ 硅PN結(jié)的Is為 pA級＊ 溫度T增加→ Is增大,PN結(jié)反偏：P區(qū)接低電位（負電位），N區(qū)接高電位（正電位）。,,內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小電流,反偏時，PN結(jié)呈現(xiàn)為一個大電阻。,→反偏→反向電流,結(jié)論,PN結(jié)正向偏置,,空間電荷區(qū)變窄,,正向電阻很小（理,想時

10、為0）,,正向電流較大,,PN結(jié)導通,PN結(jié)反向偏置,,空間電荷區(qū)變寬,,想時為∞）,,反向電流（反向飽和電流）極小（理想時為0）,,PN結(jié)截止,反向電阻很大（理,,單向?qū)щ娦?PN結(jié)正向偏置時導通，反向偏置時截止,3、PN結(jié)的正向伏安特性,PN結(jié)所加端電壓vD與流過它的電流I的關(guān)系為：,一般而言，要產(chǎn)生正向電流時，外加電壓遠大于VT，正向電流遠大于Is，則可得,Is非常小，常忽略不計。,門坎電壓 Vth,1.2.3

11、 PN結(jié)的擊穿特性,二極管處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。擊穿時對應(yīng)的反向電壓稱為擊穿電壓，計為V(BR)。,擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。,雪崩擊穿：,如果摻雜濃度較低，PN結(jié)較厚實，當反向電壓增高時，空間電荷區(qū)增厚，內(nèi)電場加強，有利于少子的漂移運動，使少子在其中獲得加速，從而把電子從共價鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)，載流子急劇增

12、加，反向電流猛增，形成雪崩擊穿。,由于PN結(jié)較厚，對電場強度要求高，所需反向電壓大。,齊納擊穿：,高摻雜情況下，阻擋層很窄，宜于形成強電場，而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電子－空穴對，致使電流急劇增加。,擊穿現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們在使用時要避免。,*擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。,可利用擊穿特性制成穩(wěn)壓二極管。,擊穿電壓的溫度特性：,齊納擊穿電壓具有負溫度系數(shù),擊穿電壓低于6V的擊穿屬于齊納擊穿擊穿電壓高于6V的擊穿

13、屬于雪崩擊穿,雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù),PN結(jié)的溫度特性,T↑ →在電流不變情況下管壓降Vth↓ →反向飽和電流IS↑，V(BR) ↓,硅PN結(jié)穩(wěn)定性較鍺結(jié)好,溫度每升高1度，反相飽和電流增加1倍,→正向特性左移，反向特性下移,1.2.4 PN結(jié)的電容特性,1、勢壘電容CT：PN結(jié)上的反偏電壓變化時，空間電荷區(qū)相應(yīng)變化，結(jié)區(qū)中的正負離子數(shù)量也發(fā)生改變，即存在電荷的增減，這相當于電容的充放電，PN結(jié)顯出電容效應(yīng)，稱為

14、勢壘電容。,PN結(jié)的總電容：,2、擴散電容CD：正偏時，多數(shù)載流子的擴散運動加強，多子從一個區(qū)進入另一區(qū)后繼續(xù)擴散，一部分復合掉了，這樣形成一定濃度分布，結(jié)的靠P區(qū)一側(cè)集結(jié)了電子，另一側(cè)集結(jié)了空穴，即形成了電荷的積累，這種效應(yīng)用擴散電容表示。,利用PN結(jié)的電容特性，可以構(gòu)成變?nèi)荻O管,低頻使用時，可忽略結(jié)電容的影響。,1.2.5 二極管的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù),1、二極管的結(jié)構(gòu),平面型二極管：用于集成電路中。,面接觸型二極管：PN結(jié)面積大，

15、允許通過較高較大電流，但結(jié)電容大，適于低頻工作。,點接觸型二極管：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，工作頻率高，但不能承受較高反向電壓和較大電流。,2、二極管的V－I特性,,死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。,,導通壓降: 硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。,,反向擊穿電壓VBR,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流,3、二極管的主要參數(shù),1）最大整流電流IFM,2）最高反向電壓VRM,3）反向電流IR,4）最高工作頻

16、率fM,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半,二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶?。溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流小于鍺管,前三項是二極管的直流參數(shù)，主要利用二極管的單向?qū)щ娦?，?yīng)用于整流、限幅、保護等等,1.3 二極管的等效模型及分析方法,1、指數(shù)模型,2、理想二極管開關(guān)模型,適應(yīng)于電

17、源電壓遠大于二極管的管壓降時,電路模型,3、二極管恒壓降模型,電源電壓不是很大，可與二極管的導通壓降比擬時，應(yīng)考慮二極管的管壓降,硅二極管管壓降常取為0.7V，鍺管壓降取0.2V。,4、折線模型,當二極管導通時，端電壓很小的變化將引起電流的很大變化，在一些應(yīng)用場合，不能忽略這個變化。,二極管特性曲線在Q點的斜率為,當二極管工作在Q點附近時，折線與曲線正切于該點，由切線的斜率可求得等效電壓,5、小信號模型,當外加信號工作在特性曲線的某一

18、小范圍內(nèi)時，二極管的電流將與外加電壓的變化成線性關(guān)系，可用小信號模型來進行等效。,靜態(tài)電壓,靜態(tài)電流,未加交流信號時的靜態(tài)工作點,管子的體電阻,1.3.2 二極管電路的分析方法,1、圖解法,靜態(tài)工作點的圖解,線性電路方程,二極管電流方程,據(jù)電路原理，兩者端電壓和電流相等。兩線交點Q為靜態(tài)工作點，對應(yīng)的IQ為靜態(tài)電流， VQ為靜態(tài)電壓。,直流負載線,,2、工程近似分析方法3、小信號分析方法,交流信號的圖解,線性電路方程,,2、工程近

19、似法,1）整流電路,2）限幅電路,限幅電路常來選擇預置電平范圍內(nèi)的信號。作用是把輸出信號幅度限定在一定的范圍內(nèi)，亦即當輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平（稱作限幅電平），且再不隨輸入電壓變化。,若二極管具有理想的開關(guān)特性，那么，當vｉ低于E時，D截止，vo＝E；當vｉ高于E以后，D導通， vo＝ vｉ。,思考：將二極管極性反轉(zhuǎn)，將得到什么效果？,3）開關(guān)電路,例: 電路如圖，求：VAB,忽略二極管正向壓降，二極管

20、D2可看作短路,取 B 點作參考點，V1 陽 =－6 V，V2 陽 =0 V ，V1 陰 = V2 陰 ，由于V2 陽電壓高，因此D2優(yōu)先導通,VAB = 0 V ，D1截止,4）低電壓穩(wěn)壓電路,當電路工作時，若電源出現(xiàn)波動或者負載發(fā)生改變，將引起輸出電壓的變化，為穩(wěn)定輸出電壓，可采用二極管穩(wěn)壓電路。,戴維南等效電路,rd的引入，使VI的變化對電流變化的影響減小,所以輸出電壓穩(wěn)定,3、小信號等效分析法,小信號等效電路,二極管電路如

21、圖，求輸出電壓。其中,輸入交流信號較小時，可將二極管視為線性元件，用引線電阻和體電阻串聯(lián)來等效。,1.3.3 特殊二極管,1、穩(wěn)壓二極管,(a)符號,(b)2CW17 伏安特性,DZ,反向擊穿電壓即穩(wěn)壓值,穩(wěn)壓管的主要參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓VZ,(2) 動態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓,rZ =?VZ /?IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最穩(wěn)定工作電流IZmax 和最大小穩(wěn)定工作電流I

22、Zmin,(5)溫度系數(shù)——?VZ,簡單穩(wěn)壓電路,,問題：1）不加R可以嗎？,2）上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎樣的？,（1）設(shè)電源電壓波動(負載不變),VI ↑→VO↑→VZ↑→ IZ↑,↓,VO↓←VR ↑ ← IR ↑,（2）設(shè)負載變化(電源不變) 略,2、變?nèi)荻O管,4、PIN二極管,5、光電二極管,發(fā)光二極管,光敏二極管,光電耦合器件,3、肖特基二極管,1.4 半導體三極管,1、三極管的分類,按照

23、材料分：硅管、鍺管等,按照頻率分：高頻管、低頻管,按照功率分：小、中、大功率管,按照結(jié)構(gòu)分：NPN型和PNP型,(a)和(b)都是小功率管，(c)為中功率管，(d)為大功率管,1.4.1 三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類,2、基本結(jié)構(gòu)和符號,結(jié)構(gòu)特點,1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，且發(fā)射結(jié)的面積較小,2）集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)的面積，便于收集電子,3）基區(qū)非常薄，摻雜溶度也很低,三極管具有電流放大作用的內(nèi)因,3、三極管（放大電路）的三種組態(tài),共集

24、電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;,共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；,如何判斷組態(tài)？,晶體管具有電流放大作用的外部條件：,三極管的工作狀態(tài),飽和區(qū),反向工作區(qū),截止區(qū),正向工作區(qū),小信號放大電路的工作區(qū),1.4.2 三極管放大區(qū)的工作原理,,電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流IE,電子流向電源正極形成IC,,發(fā)射極注入載流子,電子在基區(qū)中的擴散與復合,集電區(qū)收集電

25、子,1、三極管的載流子運動過程,三極管的電流分配關(guān)系,集電極電流,發(fā)射極電流,基極電流,IC>>IB,整理可得：,ICBO 稱反向飽和電流,ICEO 稱穿透電流,1）共射直流電流放大系數(shù),,2）共射交流電流放大系數(shù),2、晶體管的共射電流放大系數(shù),? 是共射極電流放大系數(shù)，只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般 ?>> 1（10～100）,三極管的基極電流對集電極電流具有控制作用,2）共基交流電流放

26、大系數(shù),3、共基電流放大系數(shù),1）共基直流電流放大系數(shù),? 為共基極電流放大系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般 ? = 0.9?0.99,1.4.3 三極管的伏安特性曲線,1、共基電路特性曲線,輸入特性曲線,基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)導致輸出電壓的增加使曲線左移。,輸出特性曲線,,放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，輸入電流對輸出電流有控制作用。,共基組態(tài)交流電流傳輸系數(shù),基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)導致曲線隨vCB增加而略微上傾

27、,截止區(qū)：,飽和區(qū)：vCB<0,集電結(jié)正偏，iC隨之下降，達到飽和。,2、共發(fā)射極電路特性曲線,輸入特性曲線,兩個結(jié)正偏，iB為兩結(jié)正向電流之和。,集電結(jié)由正偏轉(zhuǎn)為反偏，管子由飽和向放大狀態(tài)轉(zhuǎn)化，iB大大減小。,集電極收集能力已達到最大，特性曲線變化很小。,兩個結(jié)反偏，iB為兩結(jié)反向電流之和。vBE太大將反向擊穿。,輸出特性曲線,放大區(qū)：vCB>0,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，iC隨iB線性變化。,共發(fā)組態(tài)交流電流傳輸系數(shù),飽和

28、區(qū)：vCB<0,兩結(jié)正偏，iC不受iB控制，達到飽和。iC隨vCE增大而增大。VCES為飽和壓降。,臨界飽和線,臨界飽和線：vCB＝0為集電結(jié)處于正偏和反偏的臨界值，對應(yīng)的曲線為臨界飽和線。,基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)導致曲線隨vCE增加而上傾。輸出特性曲線向左延伸交于一點，相應(yīng)的電壓VA稱為厄爾利電壓。,擊穿區(qū)：vCE太大，出現(xiàn)擊穿其值與iB成正比。對應(yīng)iB ＝0（iC ＝ICEO）的擊穿電壓為V (BR)CEO對應(yīng)iE ＝0（iB

29、＝-ICBO）的擊穿電壓為V (BR)CBO,截止區(qū)：,1.4.4 三極管的主要參數(shù),集電結(jié)反向飽和電流 ICBO,集電極穿透電流 ICEO,電流傳輸系數(shù)（放大倍數(shù)）,極間反向飽和電流,發(fā)射結(jié)反向飽和電流 IEBO,結(jié)電容,發(fā)射結(jié)電容 Cb’e,集電結(jié)電容 Cb’c,電流放大系數(shù) 、α、β,極限參數(shù),集電極最大允許電流 ICM,反向擊穿電壓 V(BR)CEO 、 V (BR)CEO 、V (BR)CBO,

30、集電極最大允許耗散功率 PCM,V(BR)CEO,PCM=ICVCE,安全工作區(qū),過損區(qū),溫度對三極管參數(shù)及特性的影響,溫度T ?,,少子濃度?,IC ?,ICBO ? , ICEO ?,IC = ?IB +(1+?)ICBO,IB ?,VBE ?,載流子運動加劇，發(fā)射相同數(shù)量載流子所需電壓?,輸入特性曲線左移,? ?,載流子運動加劇，多子穿過基區(qū)的速度加快，復合減少,IC ? ?IB,輸出特性曲線上移,輸出特性曲線族間隔加寬,,,,

31、,,,,,,,,,溫度每上升l℃，β值約增大0.5～1％,溫度上升10℃，ICEO將增加一倍,溫度上升1℃，VBE將下降2～2.5mV,三極管工作狀態(tài)的判斷,[例1]：測量某NPN型BJT各電極對地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)域？（1） VC ＝6V　 　VB ＝0.7V　 VE ＝0V（2） VC ＝6V　 　VB ＝4V　 VE ＝3.6V（3） VC ＝3.6V　 VB ＝4V　 VE ＝3.4V,解：,,對NPN管

32、而言，放大時VC ＞ VB ＞ VE對PNP管而言，放大時VC ＜ VB ＜VE,（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū),[例2]　某放大電路中BJT三個電極的電流如圖所示。 IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,試判斷管腳、管型。,解：電流判斷法?！　‰娏鞯恼较蚝蚄CL。IE=IB+ IC,,,,,,,,A,B,C,IA,IB,IC,C為發(fā)射極B為基極A為集電極。管型為NPN管。,管腳、管型的判斷

33、法也可采用萬用表電阻法。參考實驗。,例[3]：測得工作在放大電路中幾個晶體管三個電極的電位U1、U2、U3分別為： （1）U1=3.5V、U2=2.8V、　U3=12V （2）U1=6V、　U2=11.8V、　U3=12V判斷它們是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？并確定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 c、U2 b、U3 e PNP 鍺,原則：先求

34、UBE，若等于0.6-0.7V，為硅管；若等于0.2-0.3V，為鍺管　　　　 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 NPN管　UC ＞ UB ＞ UE PNP管　UC ＜ UB ＜ UE 。,解：,1.4.6 三極管的小信號模型,vi＝0時對應(yīng)的偏置電流電壓值為靜態(tài)偏置值。,加入vi，電路中的瞬時值為靜態(tài)值與交流瞬時值的疊加。如,vi較小時，其對應(yīng)變化范圍內(nèi)的輸入輸出特性可視為直線，此時

35、的非線性器件三極管可等效為線性器件來進行分析。,小信號的范圍,VBEQ對應(yīng)的靜態(tài)電流為,時，上式可展開成冪級數(shù),忽略二次方及以上項可得:,三極管的跨導：,此時，輸出電流瞬時值與輸入電壓瞬時值成線性關(guān)系。,小信號的條件：,三極管放大工作時，在靜態(tài)點上疊加交流小信號，三極管對交流信號具有線性傳輸特性，三極管可用線性有源網(wǎng)絡(luò)來進行等效。此網(wǎng)絡(luò)具有和三極管相同的端電壓、電流關(guān)系，為三極管的小信號模型。,小信號模型的獲得有兩種途徑：,由物理結(jié)構(gòu)和

36、數(shù)學模型可以得到混合π型等效電路。,視三極管為二端口網(wǎng)絡(luò)，利用端口電流電壓關(guān)系，得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型。,1、共發(fā)射極三極管混合π型模型的引入,在工作點Q附近展開成泰勒級數(shù),小信號時可忽略高階項，并利用,可得,為簡化表達，引入四個g參數(shù),輸出短路時的輸入電導,輸出短路時的正向傳輸電導（跨導）,輸入短路時的輸出電導,輸入短路時的反向傳輸電導,,相對很小，可忽略。,,,線性g參數(shù)模型,取,考慮基區(qū)體電阻,三極管的結(jié)構(gòu)模型,2、混合π型參數(shù)與工作點

37、電流的關(guān)系,在工作點Q處對指數(shù)模型求導可得到相應(yīng)的g參數(shù),1）三極管的跨導gm,：發(fā)射結(jié)正偏時Q點對應(yīng)的動態(tài)電阻,跨導gm反映了 作為控制電壓時對集電極電流的控制能力。,室溫時，,2）發(fā)射結(jié)的結(jié)層電阻,3）集射電阻,集射電阻一般在幾千歐以上，與集電極靜態(tài)電流成反比，與VA成正比，其大小反映了輸出特性曲線的傾斜程度，為基區(qū)寬度調(diào)制參數(shù)。,4）集電結(jié)的結(jié)層電阻,值在100KΩ～10MΩ之間，反映了輸出電壓對輸入電流的影響，也為基區(qū)寬

38、度調(diào)制參數(shù)。,5）基區(qū)體電阻,6）極間電容 和,為基區(qū)體電阻和接觸電阻，低頻小功率管約為300Ω；ICQ增大，體電阻將減小， VCEQ增大，體電阻將增大。,為發(fā)射結(jié)電容，小功率管為幾十至幾百pF；,為集電結(jié)電容，三極管放大使用時，其值很小，只有零點幾到幾pF。,3、三極管的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型,1）H參數(shù)的引出,放大器采用不同組態(tài)，其端口參量必然不同，得到的參數(shù)也會不同，下面以共射電路為例進行分析。,小信號下，考慮電壓、電流之間的微變

39、關(guān)系，對上面兩式取全微分可得：,式中hie hre hfe hoe 稱為BJT的H參數(shù),由于dvBE、dvCE、diB、diC代表無限小的信號增量，也就是可以用電流、電壓的交流分量來代替。即：,H參數(shù)的含義,輸出交流短路時，三極管的輸入電阻,,輸出交流短路時，三極管的正向電流傳輸系數(shù)（放大倍數(shù)）,,輸入交流開路時，三極管的反向電壓傳輸系數(shù),,輸入交流開路時，三極管的輸出電導,2）共發(fā)組態(tài)的H參數(shù)模型,受控電壓源,受控電流源,3、兩種

40、參數(shù)模型的比較,混合π型模型：適用頻率范圍很寬，參數(shù)有比較明確的物理意義，但引入了內(nèi)基極點，參數(shù)不容易測得。高頻分析時采用。,H參數(shù)模型：模型簡單，低頻參數(shù)容易測得，適于對低頻小信號電路進行分析。,1.5 場效應(yīng)管,由于半導體三極管放大工作時，發(fā)射結(jié)必須正偏，使得輸入端始終存在輸入電流。改變輸入電流，則輸出電流隨之變化，故三極管為電流控制器件，其輸入電阻不高。,場效應(yīng)管是通過改變輸入電壓，利用電場效應(yīng)實現(xiàn)對輸出電流的控制的，為電壓

41、控制器件。它不吸收信號源，不消耗信號源功率，輸入電阻非常高。另外，場效應(yīng)管還具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲低、便于集成等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。,場效應(yīng)管的分類,FET場效應(yīng)管,,JFET結(jié)型,MOSFET絕緣柵型,N溝道,P溝道,增強型(E型),耗盡型(D型),N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,,,,,（耗盡型）,1.5.1 MOS場效應(yīng)管,1、增強型MOS管,N溝道增強型MOS管,N溝道的形成及導電過程,柵極懸空時，漏極和源極之間未

42、形成導電溝道，,取小電壓時，,,,襯底表面形成空間電荷區(qū)，,增大時，P型襯底出現(xiàn)N型 層，稱為反型層。,反型層將兩個N區(qū)連接，形成N溝道。同時，連續(xù)的耗盡層將源區(qū)、漏區(qū)和溝道與襯底分隔開來。,靠增強柵源電壓來形成導電溝道的MOS管，稱為增強型MOS場效應(yīng)管。,反型層,開始形成導電溝道的VGS稱為開啟電壓VGS（th）（或記為VT）,后，加入,形成漏極電流iD,隨VGS由0到VT ，再繼續(xù)增大，iD也相應(yīng)由o到大變化，反之亦然，實現(xiàn)VG

43、S對iD的控制。,漏源電壓對溝道的影響,溝道各處的VGD不同，使得溝道厚度不同,增大VDS ，iD 將增大，但 同時VGD減小，溝道變窄；,當VGD ＝ VGS － VDS = VT ，漏端溝道被夾斷,且當VDS繼續(xù)增大時，夾斷點稍微左移,夾斷點到源極電壓不變，iD保持不變。,iD主要受VGS 的控制，在漏端夾斷前還受VDS影響。,輸出特性,三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(飽和區(qū))、夾斷區(qū),特性曲線與電流方程,FET的組成形式有三類：共漏、

44、共源、共柵。,可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）,vDS很小時，可忽略其平方項,溝道電導：,可見，在非飽和區(qū)vGS可控制溝道等效電導。,恒流區(qū)（飽和區(qū)）,漏端被夾斷后，iD基本不隨vDS變化，達到飽和,在飽和區(qū)vGS對iD有很強的控制作用,在放大電路中，場效應(yīng)管應(yīng)工作在飽和區(qū)，故飽和區(qū)又稱為場效應(yīng)管的放大區(qū)。,vDS對溝道長度有調(diào)節(jié)作用，使輸出特性曲線略微上翹。,λ為溝道調(diào)制因子,截止區(qū),溝道沒有形成， iD≈0,vDS增大到一定值，iD急劇增長，

45、管子進入擊穿區(qū)， vDS為漏源擊穿電壓V (BR)DS,vDS過大穿可能引起穿通擊穿,vGS太大時，絕緣層可能在強電場作用下發(fā)生擊穿，造成永久性損壞，V (BR) GS為柵源擊穿電壓。,擊穿區(qū),擊穿區(qū),UGS < UT ，iD = 0；,UGS ≥ UT，形成導電溝道，隨著 UGS 的增加，ID 逐漸增大。,(當 UGS > UT 時),移特性,2、耗盡型MOS場效應(yīng)管,飽和漏電流,Vp為夾斷電壓,1.5.2 結(jié)型場效

46、應(yīng)管(JFET),1、 結(jié)構(gòu),在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N 型半導體中多數(shù)載流子電子可以導電。,導電溝道是 N 型的，稱 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管。,2、 JFET的工作原理（以N溝道為例）,結(jié)型場效應(yīng)管用改變 VGS 大小來控制漏極電流 ID 。,*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流 ID 減小，反之，漏極 ID 電流將增加。,VGS對溝道具有控制作用,VDS對溝道也產(chǎn)生影

47、響,VGS對溝道的控制作用,VGS = 0 時，耗盡層比較窄，導電溝比較寬,VGS 由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導電溝相應(yīng)變窄。,當 VGS = VGS（Off)，耗盡層合攏，導電溝被夾斷.,VGS(off)為夾斷電壓,為負值。也可用VP表示,0≤vGS≤ Vp時, vDS 對溝道的影響,vGD ＝ vGS －vDS,? VDS? ? ID ?,GD間PN結(jié)的反向電壓增加,使靠近漏極處的耗盡層加寬,呈楔形分布。,? VGD=VP 時

48、，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。,? VDS ? ?夾斷區(qū)延長,但ID基本不變,小 結(jié),改變 vGS ，改變了 PN 結(jié)中電場，控制了 iD ，故稱場效應(yīng)管； 結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。,(1)在vGD ＝ vGS －vDS > vGS(off)情況下, 即當vDS < vGS -vGS(off) 對應(yīng)于不同的vGS

49、，d-s間等效成不同阻值的電阻。,(2)當vDS使vGD ＝ vGS(off)時，d-s之間預夾斷,(3)當vDS使vGD < vGS(off)時， iD幾乎僅僅決定于vGS ，　而與vDS 無關(guān)。此時， 可以把iD近似看成vGS控制的電流源。,2、JFET的特性曲線,輸出特性曲線,恒流區(qū),是vGS=0時， vGD= VP的飽和漏極電流,當vDS很小時，相當于一個線性電阻，改變vGS可以控制電阻大小,非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)

50、）,飽和區(qū)（放大區(qū)）,vGS對iD有控制作用,vDS對iD也產(chǎn)生影響,轉(zhuǎn)移特性曲線一定VDS下的ID-VGS曲線,,各類場效應(yīng)管的符號和特性曲線,1.5.4 FET的等效模型,JFET和耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性,小信號等效電路,場效應(yīng)管工作在小信號放大狀態(tài)時，有,gm為場效應(yīng)管的跨導，表示柵極電壓對漏極電流的控制，反映了FET的放大能力。,rds為輸入交流短路時的漏極輸出電阻。,1.5.5 FET的主要參數(shù),1、開啟電壓V

51、T夾斷電壓VP：2、飽和漏極電流IDSS:3、直流輸入電阻RGS（DC）：柵壓除柵流4、低頻跨導gm:5、輸出電阻rd:6、最大漏極電流IDM:7、最大耗散功率PDM:8、擊穿電壓：V（BR）DS、V（BR）GS,FET與BJT的比較,1、都具有受控作用，三極管為電流控制，存在兩種導電載流子，穩(wěn)定穩(wěn)定性低；FET為電壓控制，一種載流子參與導電，溫度穩(wěn)定性好。,2、放大使用時，F(xiàn)ET輸入電阻遠大于三極管,3、MOS管易損壞，