《模拟电子》第1章PN结至场效应管
精品课件-模拟电子技术-第1章
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第1章 半导体器件
图1.4 半导体内部载流子的运动
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第1章 半导体器件
4
第1章 半导体器件
3) 掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的杂质元素能使其导电性能 发生显著变化，这种特性称为掺杂特性。例如在纯净的硅中 掺入百万分之一的杂质，其导电能力可以增强上百万倍。各 种半导体器件的制作，正是利用掺杂特性来改变和控制半导 体的导电能力的。 此外，半导体的导电能力还会随着电场、磁场的作用而 变化。 为什么半导体会有这些独特的导电性能呢？这主要是由 其内部的原子结构所决定的。
5
第1章 半导体器件
1.1.2 半导体的原子结构 用来制造晶体管的半导体材料主要是硅和锗。下面就来
讨论这两种半导体材料的原子结构。 1. 单个原子结构 硅的化学元素符号是Si，它有一个带正电的原子核和14
个带负电的电子。电子分三层绕原子核不停地旋转，如图 1.1(a)所示。由于原子核带14个电子电量的正电，因此正常 情况下原子呈中性。锗的化学元素符号是Ge，它共有32个电 子，分四层绕原子核不停地转动，如图1.1(b)所示。
第1章 半导体器件
第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管 本章小结 练习题
1
第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 半导体的基本特性 1. 什么是半导体 自然界中的物质，按其导电能力的强弱，可分为导体、
《模电》第一章重点掌握内容
《模电》第一章重点掌握内容：一、概念1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
2、半导体奇妙特性：热敏性、光敏性、掺杂性。
3、本征半导体：完全纯净的、结构完整的、晶格状的半导体。
4、本征激发：环境温度变化或光照产生本征激发，形成电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。
它们在外电场作用下均能移动而形成电流，所以称载流子。
5、P型半导体：在纯净半导体中掺入三价杂质元素，便形成P型半导体，使导电能力大大加强，此类半导体，空穴为多数载流子（称多子）而电子为少子。
6、N型半导体：在纯净半导体中掺入五价杂质元素，便形成N型半导体，使导电能力大大加强，此类半导体，电子为多子、而空穴为少子。
7、PN结具有单向导电性：P接正、N接负时（称正偏），PN结正向导通，P接负、N接正时（称反偏），PN结反向截止。
所以正向电流主要由多子的扩散运动形成的，而反向电流主要由少子的漂移运动形成的。
8、二极管按材料分有硅管(S i管)和锗管(G e管)，按功能分有普通管，开关管、整流管、稳压管等。
9、二极管由一个PN结组成，所以二极管也具有单向导电性：正偏时导通，呈小电阻，大电流，反偏时截止，呈大电阻，零电流。
其死区电压：S i管约0。
5V，G e管约为0。
1 V ，其死区电压：S i管约0.5V，G e管约为0.1 V 。
其导通压降：S i管约0.7V，G e管约为0.2 V 。
这两组数也是判材料的依据。
10、稳压管是工作在反向击穿状态的：①加正向电压时，相当正向导通的二极管。
（压降为0.7V，）②加反向电压时截止，相当断开。
③加反向电压并击穿（即满足U﹥U Z）时便稳压为U Z。
11、二极管主要用途：整流、限幅、继流、检波、开关、隔离（门电路）等。
二、应用举例：（判二极管是导通或截止、并求有关图中的输出电压U0。
三极管复习完第二章再判）参考答案：a、因阳极电位比阴极高，即二极管正偏导通。
是硅管。
b 、二极管反偏截止。
f 、因V的阳极电位比阴极电位高，所以二极管正偏导通，（将二极管短路）使输出电压为U0=3V 。
模拟电子技术第一章080304
1.1.3 PN结
一、 PN结的形成 二、 PN结的单向导电性 三、 PN结的电流方程 四、 PN结的伏安特性 五* PN结的电容效应
一、 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半
导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
由PN结伏安特性式计算可知：当 UD=1.5V 时， ID ≈ IS×1.14×1025（A） 这时，即使IS很小，例如 nA 数量级（10-9 A）， 有： ID ≈ 10-9 ×1.14×1025 = 1.14×1016 （A） 根据计算，干电池输出功率将达到：
P = U∙I = 1.5V× 1.14×1016 （A）=1.71×1016 （W）= 1.71 亿亿 （W） 这显然是不可能的。后果必然是：或者烧毁二极管，或者使电池短路 损坏。因此应禁止将二极管直接与电池相连。
PN结加正向电压 时的导电情况
（动画1-2）
２、 PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况如下页图所示。
外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与 PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子 扩散运动的阻碍增强， 扩在散一电定流的大温大度减条小件。下此，时 由本PN征结激区发的决少定子的在少内子电浓场的 度是作一用定下的形，成故的少漂子移形电成流大
(1) 点接触型二极管—
图1.2.2 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
模拟电子第一章(DOC)
第1章半导体二极管(Semiconductor Diode)1.1半导体的基础知识教学要求理解P型半导体和N型半导体形成的机理；熟悉空间电荷区的形成过程；掌握PN结的单向导电性一、本征半导体半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征半导体：纯净的半导体。
如硅、锗单晶体。
载流子：自由运动的带电粒子。
本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。
复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。
漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
两种载流子: 电子(自由电子)和空穴两种载流子的运动：自由电子(在共价键以外)的运动；空穴(在共价键以内)的运动结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
二、杂质半导体在本征半导体中参入微量杂质元素可提高半导体的导电能力，参杂后的半导体称为杂质半导体。
根据参入杂质的不同可分为N型半导体和P型半导体。
1.N 型半导体和P 型半导体电子为多数载流子空穴为多数载流子空穴为少数载流子电子为少数载流子2.杂质半导体的导电性能杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，而多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大且稳定，因此导电性能得到明显提高。
少子浓度主要与本征激发有关，对温度敏感，温度升高，其值增大。
三、PN 结1.PN结（PN Junction）的形成P区和N区交界面处形成的区域称为P N结。
形成原因主要有以下三个：(1)载流子的浓度差引起多子的扩散；(2)复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层)(3)扩散和漂移达到动态平衡2.PN结的单向导电性加在PN结上的电压称为偏置电压。
若P区接高电位，N区接低电位，称PN结外接正向电压或PN结正向偏置，简称正偏；反之，称PN结外接反向电压或PN结反向偏置，简称反偏。
PN结正偏:外电场使多子向PN结移动，中和部分离子使空间电荷区变窄。
《模拟电子技术基础》(第四版)_第1章
0 iD
+ uD
uD
–
Question1 UD UON
2.二极管导通时正向压降为一常量UＤ （正向导通电压０.7V 或０.３V ）， 截止时反向电流为零的二极管的等效 模型 iD iD + uD UＤ –
一、外加正向电压（正向偏置）
P区
外电场驱使P区的空穴进入空间 N区电子进入空间电荷区 空间电荷区变窄 电荷区抵消一部分负空间电荷 抵消一部分正空间电荷
N区
I 扩散运动增强，形 成较大的正向电流， 此时PN结导通 内电场方向 外电场方向
E
R 外电场加强扩散
二、 外加反向电压（反向偏置）
外电场驱使空间电荷区两侧的多子(空穴和自由电子)移走, 空间电荷区加宽
Uon
0 0.4 0.8
–50
－IS – 0.1
非线性特性 ＵＢＲ反向击穿电压
ＵＺ（稳压管）
uD / V UＤ
– 0.2
死区
反向击穿
硅管的伏安特性
一般:特性曲线上区分Uon和UＤ 计算时不区分Uon和UＤ Si 管：0.5V左右
开启电压： Uon
正向导通电压UＤ 二极管方程
Ge管：0.1V左右 Si 管：0.6V~0.8V （０.７Ｖ） Ge管：0.2V~0.3V（０.３Ｖ）
三、如何学好模电
课程特点：内容多、内容杂、工程实践性强
基本原理 “基本电路”原理
放大器、反馈、 振荡器
绪论
1、抓“重点”
基 本 分析方法
图解法、小信号等效电路法
2、注重综合分析 注重工程化素质培养 3、提高学习效率、培养自学能力
模电PPT【2024版】
一、结型场效应管（JFET）
N沟道结型场效应管
漏极d (drain)
栅极 g(gate)
导电沟道
源极s(source)
N沟道结构示意图
1、工作原理
•栅-源电压uGS < 0, PN结反 偏,无载流子，属于高阻区
• N型半导体中多子导电， 不经过 PN 结
▪ 栅-源电压uGS 控制耗尽层宽 度，进而控制沟道宽度
例：已知UZ、 [IZmin , IZmax]、RL ，求限流电阻R的取 值范围。
➢ Uo =UZ ➢ IDz [IZmin , IZmax]
IR
I DZ
Uz RL
R UI UZ IR
例 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向
导通电压为0.7V。试问： （1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ （2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？
理想 二极管
导通时△i与△u 成线性关系
理想开关： 导通时 UD＝0 截止时IS＝0
近似分析 中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
应根据不同情况选择不同的等效电路！
100V？5V？1V？
？
2、微变等效电路
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
c-e间击穿电压
最大集电极耗散功 率，PCM＝iCuCE
安全工作区
讨论一：
PCM iCuCE
uCE=1V时的iC就是ICM
2.7
iC iB
U CE
U（BR）CEO
由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、β。
§1.4 场效应管（FET）
模拟电子技术1[1].4场效应管课件教案
![模拟电子技术1[1].4场效应管课件教案](https://img.taocdn.com/s3/m/8b906f8084868762caaed5f7.png)
VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。 耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
临界饱和工作条件 |VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS –VGS(th) | |VDS | > | VGS –VGS(th) | |VDS | < | VGS –VGS(th) |
1 MOS场效应管
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） 耗尽型（DMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不 同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因 此导致加在各极上的电压极性相反。
MOSFET
1.1
增强型MOS场效应管
分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS集成电路：
T
D1
D2
D1 D2一方面限制VGS间 最大电压，同时对感 生 电荷起旁路作用。
NEMOS管转移特性曲线
转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作 用,可由输出特性转换得到。
ID/mA VDS = 5V ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
0. 5V 0V
ID/mA
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
VGS /V
外部工作条件： VDS > 0，VGS 正、负、零均可。
DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。
PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。
1.3
D
四种MOS场效应管比较
VDS很小时 → VGD VGS 。此时W近似不变，即Ron不变。
《模拟电子技术(童诗白)》课件ppt
V
-
uR
t
V UD
幅值由rd与R
分压决定
t
例题1：试求输出电压uo。
－12V
解：两个二极管存在优先 导通现象。
R
D1 －5V
D2 0V
D2导通，D1截止。
Si : Uon 0.7V uo Ge : Uon 0.2V
Si : uo 5.7V
?
Ge : uo 5.2V
例题2：试画出电压uo的波形。
EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称 禁带宽度 （Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；
T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低， 导电能力差。Si：1.43×1010cm-3 Ge：2.38×1013cm-3
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二、杂质半导体
掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按 掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。
晶体结构是指晶体的周期性
§1.1 半导体基础知识
结构。即晶体以其内部原子、 离子、分子在空间作三维周
一、本征半导体
期性的规则排列为其最基本 的结构特征
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
1、半导体
根据材料的导电能
si
力，可以将他们划分为
GGee
导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是硅Si和 锗Ge，它们都是四价元
i
u IZmin
正向导通与
一定值时，稳压管就不会因发 热而损坏。
二极管相同 等效电路：
D1
u
符号：
D2
UZ rz
DZ
2、主要参数
（1）稳压值UZ；
（2）稳定电流IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效
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UCE = 0 V， 发射结与集电结正偏，相当于两个二极管正向并联
14
UCE 1V，发射结正偏，集电结反偏，所有曲线重合
15
♦ 输出特性曲线
放大区特点： uBE > Uon , uCE uBE
1.
17
i 2. i
1.
B 一定时， C
i
基本不随 U CE 变化；
B
与
i
C
满足：
i
输出特性曲线
iD f (u DS ) U GS 常数
10
U GS ( off )
转移特性曲线
iD f (uGS ) U DS 常数
11
iD I DSS (1
uGS U GS ( off )
)2
IDSS ：饱和漏极电流
13
12
绝缘栅场效应管（N沟道增强型MOS管）
14
15
16 17
只有当g-s间外加正电压大到一定程度才会出现导电沟道 把形成漏-源极之间导电沟道所需的最小电压值称为开启 电压或门槛电压用表示
u
GS ( th )
。
18
19
20
u
DS
随着iD 的增加而增大， 可变电阻区
u
GD
u GS (th)
i
D
几呼仅仅受控于 u GS ， 恒流区
N沟道耗尽型MOS管
7
5
集电结反偏：基区的电子通过漂移
8
形成电流ICN
基本共发射极放大电路
10
IC I B
交流电流放大关系
iC iB iE (1 )iB
共射交流电流放大系数与
9
直流放大系数关系：
11
1.4.3 晶体管的特性曲线
c
输入特性曲线
b
0.3V
输 入 回 路
e 输 出 回 路
i
B
，输出回路可等效为受电流
i
B
控制的电流源。
1.4.4 晶体管的主要参数
♦ 性能参数 ♦ 直流参数、交流参数 ♦ 极限参数
20
Ｕ(BR)CBO — 发射极开路，集电极-基极间的反向击穿电压 Ｕ(BR)CEO — 基极开路，集电极-发射极间的反向击穿电压
Ｕ(BR)EBO — 集电极开路，发射极-基极间的反向击穿电压
C
iB
。
16
饱和区特点: uBE > Uon , uCE < uBE
18
i
C
iB 管子失去放大作用；
2. U CE U BE 时称临界饱和（临界放大） 3.
U CE U BE 称过饱和。
截止区: iB=0, uBE ≤ Uon , uCE > uBE ，iC 0
19
晶体管输出特性小结：
1
2
3
1.4.2 晶体管的工作原理
实现放大的外部条件: 发射结正偏, 集电结反偏
b 输 入 回 路
4
c
e 输 出 回 路
NPN型基本共射放大电路
♦ 晶体管内部载流子的运动 ( uI =0 )
发射结正偏：扩散运动形成电子电
6
流IEN与空穴电流IEP
基区很薄且杂质浓度低：少部分电
子与空穴复合，形成IBN，大部分电子 继续扩散到集电结边沿
21
1.4.5 温度对晶体管特性的影响
♦ 输入特性：UBE减小 ♦ 输出特性： 随温度升高增大
22
23
1.5
场 效 应 管
场效应管有三个极：源极（s）对应晶体管发射极(e)；漏极(d) 对应晶体管集电极(c)；栅极(g)对应晶体管基极(b)。
三个工作区，分别是：截止区（或夹断区）、恒流区和可变 电阻区，分别对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。
1.5.1 结型场效应管
1
3
2
漏极d (drain)
导电 导电沟道 沟道
栅极 g(gate)
uGS=0
4
源极s(source)
N沟道结构示意图
将这个可以形成电流的区域称导电沟道
栅－源电压对导电沟道宽度的控制
6 5
当负电压加到一定程度时，导电沟道消失了。将这种 情况称为管子夹断了。刚好导电沟道夹断的栅-源电压 称为夹断电压，用
21
将导电沟道刚好消失时的栅源极电压称为夹断 电压
u
GS ( off )
表示。
N沟道增强型MOS管 特性曲线与恒流时的电流方程
22
23
uGS iD I DO ( 1)2 U GS (th )
24
( IDO是2UGS(th)时,对应的漏电流)
N沟道耗尽型MOS场效应管
特性曲线
25
26
U GS ( off ) 表示。
N沟道结型场效应管使用时，栅(g)-源(s)间一定
要加反向电压。
漏-源电压对漏极电流的影响
条件：栅－源电压大于夹断电压 uGS > UGS(off)
uGS <0
7
8
9
uGD > UGS(off)
uGD = UGS(off)
uGD < UGS(off)
预夹断发生后， U DS 增加，I D 不变，表现出了恒流特性， 在恒流区，I D 几乎仅仅决定于 U GS
1、模拟电路晶体管工作在放大区；数字电路工作在饱和截止区；
2、判断晶体管是否工作在放大区，首先看
导通还要看它是饱和还是放大； 3、晶体管是饱和还是放大，看
U BE 是否导通，如
I BS （临界放大电流)；
i
B 是否大于
4、当 U BE 小于 U on 时晶体管处于截止状态； 5、管子如工作在放大区，对于NPN型管，c 点的电位比 b 点 电位高，b 点的电位比 e 点的高； 6、管子工作在放大区时，输出电流 iC 几乎仅仅决定于输入; 电流
场效应管 (Field Effect Transistor)
结型场效应管 场效应管
N沟道型 P沟道型 N沟道(增强型, 耗尽型) P沟道 (增强型, 耗尽型