数字电子技术复习市公开课一等奖省赛课微课金奖PPT课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,主要内容：,半导体材料。,三种管子二极管、三极管、场效应管。,模电第一章半导体器件基础,1.1半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,本征半导体：,纯净半导体,，不掺杂。区分于杂质半导体。,半导体：,导电能力介于导体（例铜、铁）和绝缘体（例橡胶、玻璃）之间物质（例硅、锗）。,1,第1页,电子导电：,在电场作用下，,自由电子逆电场方向而动,，形成,电子电流,。,空穴导电：,在电场作用下，,价电子,逆电场方向而动,，相当于空穴顺电场方向而动，形成,空穴电流,。,空穴,等效为,一个带正电荷载流子（能够移动从而形成电流粒子）。,+,-,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,2,第2页,杂质半导体,掺杂特征：,在纯净半导体中掺入微量某种其它元素，会使半导体导电性能大大提升,。这种掺入杂质半导体就叫作,杂质半导体,。区分于本征半导体。,一、N型半导体,加入五价元素磷,+5,自由电子数空穴数 故称,N型半导体,。（,多子,）（,少子,）(Negative，负),+4,+4,+5,+4,+4,+4,+4,+4,+4,3,第3页,二、,P,型半导体,加入三价元素硼,+3,空穴数自由电子数故称,P型半导体,。（,多子,）（,少子,）(Positive，正),+4,+4,+3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,4,第4页,三、杂质半导体导电性能,掺杂后，载流子浓度发生改变，与纯净半导体相比，多子数，少子数。,以,N,型半导体为例：加入杂质原子电子空穴与电子复合机会空穴数。,浓度总和增加、浓度乘积不变。,满足：,np,=,n,i,p,i,=,n,i,2,=,p,i,2,=常数,例：以十亿分之一（10,-9,）百分比在硅原子中加入磷原子。,结论：,杂质半导体导电能力,。,注意：少子,是本征激发产生，,热敏性强,。,多子是掺杂产生，受温度影响不大。,5,第5页,PN结,一、PN结形成,在硅半导体一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体。,在P区中存在大量负离子（硼）和空穴（多子），少许电子（少子）,在N区中存在大量正离子（磷）和电子（多子），少许空穴（少子）,因为浓度差，,多子,向对方,扩散,，并与对方少子复合。,交界处形成,空间电荷区,，称为,PN结,。也称,耗尽层,。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,P,N,6,第6页,所以在PN结中存在,多子扩散,和,少子漂移,两种运动。方向相反。,多子扩散PN结变宽，少子漂移PN结变窄,。,开始浓度差大，内电场还未形成，扩散强，伴随内电场增强，漂移越来越强，当二者到达,平衡,时，PN结宽度即确定下来。,空间电荷区形成电场称为,内电场,，方向N区P区，,电位差用,U,ho,表示。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,U,ho,P,N,PN结,内电场使,少子,向对方运动，,称为,漂移,（区分于扩散）。,7,第7页,二、PN结单向导电性,1,加正向电压（P正N负）,V,F,时，导通,外电场与内电场方向相反，外电场减弱了内电场，PN结变窄，打破平衡，,多子扩散增强，少子漂移减弱,，（平衡时扩散电流和漂移电流大小相等，现在,扩散漂移,）形成正向电流,I,F,。,I,F,较大，因多子浓度高。且,V,F,I,F,。,PN结导通。,8,第8页,2.加反向电压（P负N正）,V,R,时，截止,I,R,较小，因少子浓度低。且呈饱和性，,V,R,到一定程度时，全部少子都参加运动，,V,R,再，,I,R,也不再增加，此时,I,R,I,S,常数。,PN结截止。,外电场与内电场方向一致，外电场增强了内电场，PN结变宽，打破平衡，,多子扩散减小，少子漂移增强,，形成反向电流,I,R,。,I,R,R,9,第9页,三、PN结电流方程,式中，,U,T,kT,/,q,，称为电压温度当量，与温度成正比，,T,=300K时，,U,T,26mV。,I,S,为反向饱和电流。,正向特征：,u,0，,u,i,，,u,U,T,时，按指数规律,快速增加。,反向特征：,u,U,T,时，,i,-,I,S,，恒定不变。,+,-,P,N,i,u,四、PN结伏安特征,u,U,（BR）,时，,i,急剧增加,反向击穿,。,10,第10页,1.2 半导体二极管,PN结+管壳+引线 即组成二极管,点接触型：,结面积小，结电容小，适合用于小电流、高频,面接触型：,结面积大，结电容大，适合用于大电流、低频,平面型：,1.2.1 半导体二极管几个常见结构特征,符号：,阳极,阴极,P,N,11,第11页,二极管伏安特征,一、二极管伏安特征与PN结伏安特征区分,1.正向特征,开启电压,U,：正向电压超出某一数值后，才有显著正向,电流，该电压值称为,开启电压,。,硅：,U,on,=0.5V；锗：,U,on,=0.1V,正向导通电压,U,范围：,硅：0.60.8V（,计算时取0.7V,），,U,=0.7,锗：0.10.3V（,计算时取0.2V,），,U,=0.2,正向电流减小，反向饱和电流增加。,U,思索：,能否将1.5V电池直接加在二极管两端？,12,第12页,2.反向特征,硅：,I,s,U,b,时，D,1,截止，由D,Z,，,U,Z,，,r,d,表现其反向特征。,当,U,a,-,U,b,U,Z,时，D,Z,导通，表现出反向击穿特征。,当,U,a,-,U,b,U,Z,时，D,Z,截止，电流为0，未击穿；,D,Z,D,1,U,Z,r,d,a,b,D,Z,，,U,Z,，,r,d,是反向特征等效电路,D,1,是正向特征等效电路,当,U,a,U,b,时，D,Z,截止，由D,1,表现其正向特征；,等效电路,：,u,i,O,U,Z,I,U,将特征曲线折线化,并令:,阴极,阳极,D,Z,a,b,17,第17页,为确保电流适当，,应加适当限流电阻。,解：,由：,得：,稳压管正常工作条件：,反向击穿；,I,Zmin,I,基区掺杂浓度 3.集电区尺寸发射区尺寸，集电区,掺杂浓度,V,BB,确保集电结反偏。,22,第22页,1.3.3 晶体管共射特征曲线,一、输入特征曲线,1,V,U,CE,1V，曲线基本重合,原因：,U,CE,增大到一定程度，集电区搜集载流子能力足够强，再,增加,U,CE,，,I,C,亦不再增加，,I,B,不再降低，,曲线基本不变。,U,CE,=0,U,CE,=0，与二极管伏安特征曲线类似,原因：,相当于两个二极管并联。,u,BE,i,B,O,E,C,B,i,B,u,BE,开启电压与导通电压概念同二极管,U,CE,增大，曲线右移,原因：,U,CE,增大，集电区搜集载流子能力增强，,I,C,增加，,基区复合掉载流子数量降低，,I,B,降低，,曲线右移。,=0.5,V,讨论各种偏置状态下，各极电流和电压关系。,23,第23页,二、输出特征曲线,取,I,B,=,I,B3,，起始部分很陡，,U,CE,1V后，较平坦。,原因：,U,CE,较小时，,U,CE,增加，集电区搜集能力增强，使,I,C,增强；,U,CE,1V后，集电区搜集能力足够大，,I,C,不再增强。,E,C,B,i,C,u,CE,i,C,u,CE,I,B,=0,O,I,B1,I,B2,I,B3,I,B4,1V,I,B,取不一样值，可得到一组曲线。,原因：,相同,U,CE,下，,I,B,增加，,I,C,增 加，曲线上移。,24,第24页,从输出特征曲线看，晶体管有,三个工作区域,放大区：,发射结正偏（大于开启电压,U,on,），,集电结反偏,特点：,i,C,受,I,B,控制，,i,C,=,I,B,；,u,CE,增加，,i,C,基本不变,截止区：,发射结电压小于开启电压,U,on,集电结反偏。,特点：,I,B,=0，,i,C,I,CEO,E,C,B,i,C,0,u,CE,饱和区：,发射结正偏（大于开启电压,U,on,），集电结正偏,特点：,u,CE,增加，,i,C,增加很多；,i,C,I,B,。,因为,u,CE,很小，故,u,CE,增加时，集电极搜集能力增强，,i,C,增加很多；,集电结正偏，集电极搜集能力弱，集电极漂移电流小，故,i,C,I,B,。,E,C,B,i,C,u,CE,0,i,C,u,CE,I,B,=0,放,大,区,I,B1,I,B2,I,B3,I,B4,I,B,I,C,饱和区,截止区,u,CE,=,u,BE,饱和压降：,U,CE(sat),0.1V,25,第25页,晶体管开关作用,晶体管饱和：,u,CE,0,E,C,B,i,C,u,CE,0,E,C,B,i,C,u,CE,C,E,i,C,u,CE,E,C,B,i,C,0,u,CE,晶体管截止：,i,C,0,C,E,i,C,u,CE,0,+,-,开关断开,开关闭合,相当于,C,E,i,C,0,u,CE,发射结反偏或零偏，集电结反偏,发射结正偏，集电结正偏,26,第26页,例1.3.1 测得电路中各晶体管各极电位，且已知各管,U,on,=0.5V，判断各管工作状态。,T,1,发射结正偏,集电结反偏,放大,T,2,发射结正偏,集电结正偏,饱和,T,3,发射结正偏,集电结反偏,放大,T,4,发射结零偏,集电结反偏,截止,解：,判据：,发射结正偏，且,U,BE,U,on,，集电结反偏；放大,发射结正偏，集电结正偏；饱和,发射结反偏，或,U,BE,U,on,，V,c,V,b,V,e,；,饱和：V,b,V,c,V,e,；,截止：,U,BE,U,on,，V,e,V,b,V,c,；,饱和：V,e,V,c,V,b,；,截止：,U,EB,U,on,，集电结反偏，则有可能工作在放大状态。,发射结正偏且,U,on,，集电结反偏,发射结反偏，集电结零偏,有可能,无可能,解：,R,b,R,c,1.5V,-6V,R,e,R,c,-6V,31,第31页,1.4 场效应管,场效应管是一个利用,电场效应,来控制电流半导体器件。,其作用有,放大,、,开关,、,可变电阻,。,特点：,输入电流很小，耗能小；输入电阻很大；便于集成,分类：,结型（N沟道、P沟道）,增强型（N沟道、P沟道）,耗尽型（N沟道、P沟道）,绝缘栅型,32,第32页,1.4.1 结型场效应管,耗尽层,N,P,s,g,d,结构示意图,上面P型区和下面P型衬底连在一起，引出电极称为,栅极G,；,两边N型区各引出一个电极称为,源极S,和,漏极D,；,中间N型区称为,导电沟道,（内有很多电子，在外加电压作用下,移动形成电流）；,两个PN结（上、下）,实际结构图,N,+,s,源极,g,栅极,d,漏极,P,P,N,+,N,沟道,衬底,g,d,s,符号,N沟道,g,d,s,P沟道,33,第33页,一、结型场效应管工作原理,1.,u,DS,=0，,u,GS,对导电沟道控制作用,u,GS,=0，PN结零偏，导电沟道很宽；,N,s,g,d,U,GS(off),被称为,夹断电压,（注意是一个负值）,U,GS,U,GS(off),0时，沟道好像被,夹断,；,s,g,d,V,GG,U,GS(off),V,GG,u,GS,u,GS,0，PN结反偏，导电沟道变窄；,s,g,d,P,P,结论：,u,GS,改变，会引发导电沟道宽度改变；,因为PN结反偏，故栅极电流为0。,为使N沟道结型场效应管正常工作，应在其,栅源之间加负向电压（即,u,GS,0）,，,以形成漏极电流,i,D,。,34,第34页,二、结型场效应管特征曲线,1.输出特征曲线,u,DS,i,D,-4V,-3V,-2V,-1V,U,GS,=0,可变,电阻区,夹断区,预夹断轨迹,恒,流,区,击,穿,区,可变电阻区,特点：,u,DS,增加，,i,D,增加，呈电阻性；,不一样,U,GS,，斜率不一样，电阻不一样,35,第35页,特点：,u,DS,改变，,i,D,基本不变；,U,GS,不一样，,i,D,不一样；,恒流区,变阻区和恒流区界限：,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),，即,u,GD,=,U,GS(off),。,u,DS,i,D,-4V,O,-3V,-2V,-1V,U,GS,=0,可变,电阻区,夹断区,预夹断轨迹,恒,流,区,击,穿,区,夹断区,特点：,i,D,0,原因：,u,GS,0，且,u,GS,越负，,i,D,越小。,在恒流区，,u,DS,改变时，,i,D,几乎不变，故不一样,U,DS,对应曲线,几乎重合，只画一条即可。,当,u,GS,U,GS(off),时，全夹断，,i,D,=0。,u,GS,=0对应电流为,I,DSS,2.转移特征曲线,恒流区,i,D,与,u,GS,关系曲线,i,D,u,GS,I,DSS,U,GS(off),0,-,-2,-3,-4,u,DS,i,D,-4V,-3V,-2V,-1V,U,GS,=0,恒,流,区,电流方程：,（,U,GS(off),u,GS,0）,38,第38页,1.4.2 绝缘栅场效应管(又称MOS管),特点：输入电流更小，输入电阻更大；便于集成,分类：增强型（N沟道、P沟道）,耗尽型（N沟道、P沟道）,一、N沟道增强型MOS管,符号：,g,s,d,B,N沟道,g,s,d,B,P沟道,结构：,N,+,N,+,s,g,d,B,P（衬底）,S,i,O,2,薄膜,39,第39页,（一）工作原理,1.,GS间开路时,此时，漏源间有两个背靠背PN结，,所以DS间接什么电压，都不会有电,流产生。即此时,不存在导电沟道,。,2.,u,GS,0，DS短接,此时，栅极接正，衬底接负，衬底中,多子空穴被排斥到下方，上面,形成耗尽,层。,且,u,GS,增加，耗尽层宽度增加。,N,N,耗尽层,P,d,g,s,u,GS,B,通常源极和衬底是连在一起,N,+,N,+,s,g,d,B,P（衬底）,40,第40页,当,u,GS,=,U,GS(th),时，衬底中少子电子被吸引到耗尽层，,形成N型薄层，称为,反型层,。该反型层即,导电沟道,。,u,GS,再，则反型层加宽，沟道变宽。,N,N,反型层,P,d,g,s,u,GS,B,U,GS(th),称为,开启电压,。,3.,u,GS,U,GS(th),，,u,DS,0,u,DS,很小时，,u,GD,=,u,GS,-,u,DS,U,GS(th),，因为,s端电压低于d端电压，故s端沟道宽，d端沟,道窄，,沟道仍呈楔型,。,沟道中电子在,u,DS,作用下,形成电流,i,D,。,且,u,DS,i,D,，展现电阻性。,电阻大小与,u,GS,相关,N,N,P,d,g,s,u,GS,B,u,DS,i,D,3V,2V,41,第41页,当,u,DS,u,GD,=,U,GS(th),时，d端反型层消失，沟道被夹断，,称为预夹断,（因S端未被夹断）；,N,N,P,d,g,s,u,GS,B,u,DS,i,D,预夹断后,，,u,DS,，夹断长度，增加电压,u,DS,大部分落在夹断,区，沟道上电压几乎不，故,i,D,基本不，,呈饱和性,。,N,N,P,d,g,s,u,GS,B,u,DS,i,D,42,第42页,（二）特征曲线与电流方程,I,DO,i,D,u,GS,U,GS(th),O,2U,GS(th),输出特征曲线与结型类似，分为三个区。不一样之处于于开启电压0。,转移特征曲线与结型形状类似，但在第一象限，因开启电压0。,输出特征曲线,转移特征曲线,u,DS,i,D,U,GS,=,U,GS(th),O,U,GS1,U,GS2,U,GS3,=2,U,GS(th),可变,电阻区,夹断区,预夹断轨迹,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(th),恒流区,I,DO,方程：,43,第43页,二、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,情况与增强型类似。不一样只是开启电压不一样。,增强型U,GS(th),0，耗尽型U,GS(off),0,。,u,GS,U,GS(off),时，在ds间加正压，有电流,i,D,产生。,结构与增强型类似，只不过在二氧化硅中加入大量正离子，,故在,u,GS,=0时，即有反型层存在。,符号：,g,s,d,B,N沟道,g,s,d,B,P沟道,P,d,g,s,u,GS,B,N,N,反型层,+,+,44,第44页,三、P沟道场效应管,P沟道是N沟道对偶型,使用时,u,GS,、,u,DS,极性应于N沟道相反，电流方向也与N沟道相反。,开启电压：,结型场效应管，,U,GS(off),0；增强型MOS管,U,GS(th),0。,g,d,s,V,GG,V,DD,i,D,R,D,+,u,I,+,u,O,45,第45页,例：P沟道结型场效应管特征曲线,g,d,s,P沟道,i,D,u,GS,i,D,I,DSS,u,GS,U,GS(off),P沟道,0,u,GS,U,GS(off),，,i,D,0,旋转180度,i,D,I,DSS,u,GS,U,GS(off),N沟道,U,GS(off),u,GS,0,g,d,s,N沟道,u,GS,i,D,特征曲线：在电流、电压参考方向一致情况下，,将N沟道对应曲线旋转180度 即得。,46,第46页,u,DS,i,D,O,U,GS,=0,U,GS(off),0，,i,D,0,u,DS,i,D,O,U,GS,=0,U,GS(off),0,P沟道，,u,DS,0，,i,D,0，,u,DS,0，故为N沟道,因,u,GS(th),=4V0，故为增强型MOS,48,第48页,解：,1.,u,I,=0时，,u,GS,=0V,u,GS(th),=4V，全夹断，,i,D,=0，,u,O,=15V,2.,u,I,=8时，在恒流区，,i,D,=1mA，,u,O,=,V,DD,-,i,D,R,D,=15-15=10V,3.,u,I,=10时，,u,GS,=10V，在恒流区，,i,D,=2.2mA，,u,O,=,V,DD,-,i,D,R,D,=15-2.25=4V,?,例：电路如图示，管子输出特征曲线如图示，分析,u,I,为0、8、,10V三种情况下,u,O,分别为多少伏？,i,D,u,DS,/V,i,D,/mA,O,10V,4V,6V,8V,1,2,3 6 9 12 15,V,DD,=15V,+,u,I,+,u,O,g,s,d,R,D,5K,49,第49页,但实际上，,u,GS,=10V时对应预夹断电压为,u,DS,=,u,GS,-,u,GS(th),=10-4=6V说明管子未产生预夹断，工作在可变电阻区。,i,D,u,GS,-,U,GS(off),=4V,即：,u,DS,=,V,DD,-,i,D,R,L,4V,因,u,GS,=0，故,i,D,=,I,DSS,=4mA,51,第51页,模电第一章 作业,1.3,1.4,1.8,1.9,1.14,1.15,1.19,1.20,1.22,1.23,52,第52页,