绝缘栅场效应管IGFET课件.ppt
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1、1,课程简介,专业基础课40学时(低频)+20学时(高频)由易到难:元器件、分立电路、集成电路、应用电路先修课程:高等数学、普通物理、电路理论,2,课程要求,了解:熟知基本概念和基本原理理解:概念清楚,原理明白,并具有分析和计算能力。掌握:比“理解”要求更高,有的知识必须记住。,3,学习要求,复习并掌握先修课的有关内容课堂:听讲与理解、适当笔记课后:认真读书、完成作业实验:充分准备、勇于实践,4,参考书,模拟电子技术基础,孙肖子、张企民编著,西安电子科技大学出版社模拟电子技术基础,童诗白、华成英主编,高等教育出版社电子线路:线性部分,谢嘉奎主编,高等教育出版社,5,教材及辅导书,6,仿真软件,
2、ProtelWorkbenchMatlabMultisim,7,MULTISIM的操作界面,Multisim启动界面,8,Multisim主界面,主菜单,器件工具箱,系统工具栏,Multisim设计工具栏,仿真开关,虚拟仪器工具箱,电路原理图编辑窗口,9,Multisim器件工具箱,电源器件工具箱,无源器件工具箱,二极管器件箱,三极管器件箱,指示器件工具箱,10,Multisim虚拟仪器工具箱,万用表,函数信号发生器,功率表,示波器,11,作业及上课,每章交一次,除第二章和第六章每次全交,批改一半不定期抽点名大作业一次,第 1 章,半导体器件,13,引 言,半导体器件优点:体积小、重量轻、使用
3、寿命长、输入功率小等目的:正确选用各种合适的半导体器件本章特点:概念多,琐碎重点及难点:器件的工作原理、特性曲线、主要参数,15,半导体的基础知识 本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流,第一章 目录,PN结与晶体二极管 PN结的基本原理 晶体二极管 二极管应用电路,特殊二极管,16,晶体三极管 晶体三极管的结构与符号 晶体管的放大原理 晶体三极管特性曲线 晶体管的主要参数,第一章 目录(续),场效应晶体管 结型场效应晶体管(JFET) 绝缘栅场效应管(IGFET) 场效应管的参数及特点,17,第一章作业(p4447),作业:3,5,6,7(a,d,f),10 ,1215,16,22
4、,24,18,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流,19,半导体,预备知识,常用半导体材料:Si、Ge、GaAs、InP、,(Semiconductor),20,共价键结构,预备知识,每个原子和相邻的4个原子相互补足8个电子,形成稳定结构。,21,掺杂性:在纯净的半导体中掺入某些杂质,其电阻率大大下降而 导电能力显著增强。 用途:可制作各种半导体器件,如二极管和三极管等。,预备知识,为什么要使用半导体?,热敏性:半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降,其导电能力增强。 用途:可制作温度敏感元件,如热敏电阻。,22,光
5、敏性:当受到光照时,半导体的电阻率随着光照增强而下降,其导电能力增强。 用途:可制作各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。,为什么要使用半导体?,预备知识,半导体为什么具备上述特性?,23,半导体的原子结构:,化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。,硅(Si),锗(Ge),本征半导体-定义,24,半导体的共价键结构,共价键,共价键中的两个价电子,原子核,本征半导体-晶体结构,25,价电子受热或受光照(即获得一定能量)后,可挣脱原子核的束缚,成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个带正电的空穴。,该现象称为本征激发(热激发),本征半导体-导电机理,26,成对的电子和空
6、穴,复 合自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子空穴成对消失。,本征半导体-导电机理,(热)温度 光核辐射,激发,27,温度每升高10度,ni(T)、pi(T)增大一倍。,本征半导体-载流子密度,28,杂质半导体在本征半导体中掺入微量其它元素而得到的半导体。,杂质半导体可分为: N型(电子)半导体和P型(空穴)半导体两类。,29,1.N型半导体,构成:在本征半导体中掺入微量五价元素物质(磷、砷等)而得到的杂质半导体。,结构图,本征半导体+施主杂质(Donor)= N型半导体,30,提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。上述过程称为施主杂质电离。5价杂质原子又称施主杂质。,1.N型半导体,N
7、型半导体是带负电的吗?,31,构成:在本征半导体中掺入微量三价元素物质(硼、铝等)而得到的杂质半导体。,结构图,2.P型半导体,本征半导体+受主杂质(Acceptor)= P型半导体,32,接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。3价杂质原子又称受主杂质。,2.P型半导体,P型半导体是带正电的吗?,33,扩散运动载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,1.扩散运动及扩散电流,浓度分布不均匀,34,漂移运动载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运
8、动。漂移电流载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,漂移电流大小与电场强度成正比,2.漂移运动及漂移电流,35,半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。掺入不同杂质,形成N型和P型半导体。载流子的两种运动:电场作用下的漂移运动和浓度差作用下的扩散运动。,36,1.2 PN结与晶体二极管,1.2.1 PN结的基本原理,1.2.2 晶体二极管,1.2.3 晶体二极管应用电路举例,37,1. PN结的形成,浓度差,空间电荷区,扩散,扩散,漂移,38,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差,P区的一些空穴向N区扩散,N区的一些电子向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内
9、建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,39,U:势垒电压U= 0.60.8V 或 0.20.3V,PN结平衡,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,1.PN结的形成,空间电荷区的宽度和掺杂浓度成反比。,40,小结载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移运动=扩散运动时,PN结形成且处于动态平衡状态。 PN结没有电流通过。,41,2. PN结的特性,(1) 单向导电性(2) 击穿特性(3) 电容特性,特性表现、特性原因、用途,42,(1)单向导电性,PN结加正向电压,内建电场被削弱,势垒高度下降,空间电荷区宽度变窄,这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加,形成较大的扩散电
10、流。,2. PN结的特性,加偏压时的耗尽层,流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升,PN结呈现为小电阻。该状态称:,PN结正向导通状态,43,U,(1)单向导电性,PN结加反向电压,内建电场被增强,势垒高度升高,空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行,扩散电流趋于零,而少子更容易产生漂移运动 。,2. PN结的特性,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS),PN结呈现为大电阻。该状态称:,PN结反向截止状态,44,小结PN结加正向电压时,正向扩散电流远大于漂移电流,PN结导通;PN结加反向电压时,仅有很小的反向饱和电流IS,考虑到IS0,则认为PN结截止。PN结正向导通、反向
11、截止的特性称PN结的单向导电特性。,45,击穿PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时,反向电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。,击穿不一定导致损坏。利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,击穿电压,2. PN结的特性,(2)击穿特性,击穿分类:雪崩击穿;齐纳击穿。,46,反向电压增大,击穿特性-雪崩击穿,47,齐纳击穿(场致击穿),掺入杂质浓度小的PN结中,雪崩击穿是主要的,击穿电压一般在6V以上;在掺杂很重的PN结中,齐纳击穿是主要的,击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,(2)击穿特性,2. PN结的特性,反向电压足够高,合成电场很强,破坏共价键,产生新
12、的电子空穴对,载流子剧增,电流增大,48,将限制器件工作频率。,(3)电容特性,2. PN结的特性,势垒电容CB,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质,它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时,势垒区的电荷量改变引起的电容效应,称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变,为非线性电容。,49,扩散电容CD,CD 值与PN结的正向电流I成正比 。,由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。,(3)电容特性, :空穴寿命,n :电子寿命,UT :热电压,I:正向电流,2. PN结的特性,小结PN结正向运用时 CB、CD同时存在,CD起主要作用PN结反向运用时,只有CB 。,5
13、0,晶体二极管结构与符号 晶体二极管伏安特性 晶体二极管参数 晶体二极管电路分析方法 晶体二极管电路举例,51,点接触型,面结合型,平面型,符号,1. 结构与符号,52,53,伏安特性图,2. 伏安特性,曲线特征:小电流范围近似呈指数规律,大电流时接近直线。,主要参数: 存在门限电压Uth 锗管 Uth 0.2V 硅管 Uth 0.6V,正向特性、反向特性、击穿特性,正向特性,54,伏安特性图,主要参数:反向饱和电流 IS,2. 伏安特性,反向特性,55,伏安特性图,重要参数:UZ,2. 伏安特性,击穿特性,56,伏安特性的温度特性:,(c)击穿特性,(b)反向特性,(a)正向特性,T则Uth
14、,T则IS ,T则UZ(雪崩击穿)T则UZ(齐纳击穿),2. 伏安特性,课本P10,公式(1-4)(1-5),57,正向特性近似,; 时,反向特性近似,; 时,3. 伏安特性数学表达式(背过),58,4. 主要参数,(1)性能参数,直流电阻 RD :,定义 :RD= U / I |Q点处RD是 u 或 i 的函数,59,交流电阻 rd :,(1)性能参数,势垒电容CB :影响器件最高工作频率,4. 主要参数,定义:(背过),60,最大允许整流电流IOM :工作电流IOM易导致二极管过热失效最高反向工作电压URM :允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压最大允许功耗PDM :实际功耗大于PDM
15、 时易导致二极管过热损坏,(2)极限参数,4. 主要参数,61,图解法、迭代法、折线化近似法,5.晶体二极管电路分析方法,i = f (u ),图解法,62,迭代法,据电路列方程组,5.晶体二极管电路分析方法,63, 将实际二极管的V-A特性曲线作折线化近似。,折线化近似法工程分析方法,理想特性曲线,只考虑门限的特性曲线,V-A特性,符号,5.晶体二极管电路分析方法,64,考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线,V-A特性,符号,rd:工作点处的动态电阻,折线化近似法,仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线,5.晶体二极管电路分析方法,65,例1-1:半波整流电路中VD 理想,画出uO (t)波形。,
16、输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断。,1.整流电路,解:,方法:判断二极管处于导通态还是截止态,;VD截止 ui 0V,66,全波怎么做?,67,结合图中给定的参数分析: VD1、VD2开路时,阳极对地电位为+5V,阴极对地电位分别为+1V、0V,,是比较各二极管的正向开路电压,正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。,例1-2: 图a所示二极管门电路(VD 理想)求:uO,解:,2.门电路,分析方法:,可见VD2导通。,uO = 0,68,例1-3: 限幅电路中VD 理想,求uO(t)并画出波形。,3.限幅电路,解:,;VD截止 ui 5V;VD导通 ui 5V,负向限幅?双向限
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