第一章半導體器件

1、第一章 半導體器件 本章教學要求：1了解半導體的基礎(chǔ)知識。2掌握晶體二極管、晶體三極管及場效應(yīng)管的 工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。3掌握二極管基本電路的分析方法與應(yīng)用。4. 掌握集成運算放大器的基本特點、主要參數(shù) 和理想運算放大器主要特點及特性1-1半導體基礎(chǔ)電阻率108cm的為絕緣體；電阻率在這兩者之間的為半導體。什么叫半導體什么叫半導體導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體，如硅和鍺等。1 1、摻雜性：、摻雜性：半導體可以因摻入十分微量的雜質(zhì)而使其電阻率發(fā)生顯著的變化，人們正是利用這種特性來改變和控制半導體的電阻率，制成各種半導體器件。半導體的特性：2、熱敏性：、熱敏性：一些半導體對

2、溫度的變化非常敏感，溫度的變化可以使其電阻率發(fā)生明顯的變化，人們利用這種特性可以做成各種熱敏元件，如熱敏電阻、溫度傳感器等。3、光敏性：、光敏性：在光照下，一些半導體的電阻率可以發(fā)生明顯變化，有的甚至可以產(chǎn)生電動勢，人們利用這種特性可以做成各種光電晶體管、光電耦合器和光電池。1-1-1本征半導體本征半導體是指不含雜質(zhì)的、純凈的半導體。硅和鍺是用得最多的半導體，它們都是四價元素，原子最外層有四個價電子。由原子理論得知，當原子的外層有八個價電子時才處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，硅或鍺在組成單晶時，每個原子都要從四周相鄰原子取得四個價電子，以組成穩(wěn)定狀態(tài)。這樣每兩個原子都共用一對價電子，形成共價電子對，這種結(jié)

3、構(gòu)稱為共價鍵結(jié)構(gòu)。圖1-1所示是共價鍵的二維結(jié)構(gòu)示意圖。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1-1 共價鍵的二維結(jié)構(gòu)示意圖共價鍵絕對溫度T=0K和無外界激發(fā)時，價電子全部束縛在共價鍵內(nèi)。 溫度的上升，少數(shù)價電 子掙脫原子核束縛，產(chǎn)生自由電子空穴對。 自由電子空穴對的運動特點 2. 沒有外加電場的情況下，這種移動也是雜亂無章的。 1. 隨時都有自由電子和空穴的復合，又隨時都有自由電子和空穴對的產(chǎn)生，在一定的溫度下，自由電子和空穴 的濃度是一定的3.在有外加電場時，自由電子和空穴都在電場的作用下在宏觀上作定向運動，這種運動疊加在原來的無規(guī)則運動的基礎(chǔ)上，對外部就顯現(xiàn)出電流。自由電子和空穴的運動方

4、向相反，但由于它們的電性也相反，因此對外部顯現(xiàn)的電流使相加的。 自由電子和空穴都是載運電流的粒子，統(tǒng)稱為載流子。理論和實驗證明：隨著溫度的升高，電子空穴對激劇增加，其增加的速度，比指數(shù)率還要快。因此，溫度對本征半導體的導電能力有顯著的影響。這種半導體稱為N型半導體 1-1-2雜質(zhì)半導體 在本征半導體中，人為地摻入少量其它元素（雜質(zhì)），可以使半導體的導電性能發(fā)生顯著改變。摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可將雜質(zhì)半導體分為兩種：電子型半導體和空穴型半導體，即N型半導體和P型半導體。1. N1. N型半導體型半導體+4+5+4+4+4+4+4+4+4圖1-2 N型半導體共價鍵

5、的二維結(jié)構(gòu)示意圖在本征半導體中摻入少量五價元素，使每一個五價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，則半導體中多余一電子 多余電子 常用于摻雜的五價元素有磷、砷和鎢 本圖中摻雜為磷元素磷原子很容易貢獻出一個自由電子，故稱為“施主雜質(zhì)” 2. 摻雜后，半導體的載流子由兩部分組成，一部分是由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對，另一部分則是由于摻入磷原子后由磷原子提供的大量的自由電子。因此，這種雜質(zhì)半導體的載流子中以自由電子為主，故稱為電子型半導體或N型半導體。自由電子因此而稱為多數(shù)載流子，簡稱多子，而空穴則稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。 1. 磷原子提供一個自由電子后，其本身由于失去電子而成為正離子，他不產(chǎn)生新的

6、空穴，因為磷原子周圍的共價鍵中沒有空位。這與本征半導體成對地產(chǎn)生自由電子空穴對是不同的，它只提供自由電子。摻雜后，半導體中載流子特征這種半導體稱為P型半導體 在本征半導體中摻入少量三價元素，可以形成P型半導體。常用于摻雜的三價元素有銦、鋁和硼。圖1-3所示為一個硼原子取代一個鍺原子后晶體的二維結(jié)構(gòu)示意圖。 2. P2. P型半導體型半導體+4+3+4+4+4+4+4+4+4圖1-3 P型半導體共價鍵的二維結(jié)構(gòu)示意圖在本征半導體中摻入少量三價元素，使每一個三價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，則半導體中一個價電子位虛位以待 空穴出現(xiàn) 本圖中摻雜為硼元素硼原子很容易接受一個價電子而產(chǎn)生空穴，故稱

7、為“受主雜質(zhì)” 附近價電子稍受激發(fā)后過去填補那個空位 摻入三價元素后，半導體中的載流子除了有由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對以外，還有大量的由三價元素提供空位接受鄰近的鍺原子的價電子而產(chǎn)生的空穴，因此這種參雜半導體的載流子是以空穴為主，故稱為P型半導體，空穴也就成為多數(shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。半導體中的載流子、載流子的運動與電流半導體中有兩種載流子半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴 半導體中載流子運動與電流半導體中載流子運動與電流：1.熱運動：當T0oK時，載流子作熱運動，各向機會相等， 不形成電流不形成電流。 2.擴散運動：是由于載流子是一種可以自由移動的帶電粒子，當這些載流子濃度

8、分布不均勻時，就會使載流子產(chǎn)生擴散運動。載流子擴散運動而產(chǎn)生的電流稱為擴散電流擴散運動而產(chǎn)生的電流稱為擴散電流。擴散電流與載流子濃度的梯度成正比。 3.漂移運動：是指載流子在電場力的作用下所作的運動，載流子漂移運動形成的電流稱為漂移電流漂移運動形成的電流稱為漂移電流。顯然，電場越大，漂移電流越大，即漂移電流與電場強度成正比。1-2 PN結(jié)與晶體二極管1-2-1 PN結(jié)的基本原理1. PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)在它們的交界處就產(chǎn)生了電子和空穴的濃度差， 多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散空間電荷區(qū)的形成內(nèi)建電場形成。內(nèi)建電場一方面使多數(shù)載流子擴散減小，另一方面使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移開始時，擴散大于漂移，空間電荷區(qū)增加

9、。最后使得多數(shù)載流子的擴散和少數(shù)載流子的漂移相等，達到動態(tài)平衡 。PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層空間電荷區(qū)U內(nèi)建電場勢壘高度空間電荷區(qū)的特性（1） 正、負離子各占一邊而產(chǎn)生了由N區(qū)指向P區(qū)的電場，這個電場稱為內(nèi)建電場。顯然，N區(qū)的電位要比P區(qū)的高，稱為接觸電位差，又稱為勢壘高度，其值的數(shù)值一般小于1V。（2） 空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)建電場的作用是一方面阻止多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散，另一方面它又要使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運動，擴散和漂移這兩種運動方向相反，由于多數(shù)載流子擴散到對方就成為少數(shù)載流子，所以漂移運動相當于將擴散到對方的一部分多數(shù)載流子拉回到原區(qū)間。 （3) 在空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子已經(jīng)耗盡，故空間電荷區(qū)又稱為耗盡

10、層。 2. PN結(jié)的特性1） PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訰E未加正偏壓時的耗盡層加正向電壓電源正極提供空穴電源負極提供電子在電壓正極的作用下，空穴向空間電荷區(qū)移動在電壓負極的作用下，電子向空間電荷區(qū)移動耗盡層變窄（1）加正向電壓耗盡層變窄，勢壘電勢減小，有利于多數(shù)載流子擴散，而半導體中多數(shù)載流子濃度較高，故產(chǎn)生較大電流。RE未加反偏壓時的耗盡層加負向電壓在電壓負極的作用下，空穴向電源負極移動在電壓正極的作用下，電子向電源正極移動耗盡層變寬 （2）加反向電壓耗盡層變寬，勢壘電勢增加，多數(shù)載流子擴散進一步抑制，少數(shù)載流子漂移加強。由于少數(shù)載流子濃度極低，故產(chǎn)生電流極小，近似為零加正向電壓

11、產(chǎn)生較大電流，加反向電壓產(chǎn)生的電流近似為零，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦苑聪螂娏鞯奶攸c：（1） 在一定溫度下，本征激發(fā)的少數(shù)載流子的濃度是個定值，所以反向電流基本上不隨外加反向電壓發(fā)生變化，被稱為反向飽和電流 。（2） 由于溫度的變化，將使本征激發(fā)的少數(shù)載流子濃度發(fā)生變化，所以反向電流受溫度影響較大。2 2）PNPN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 當PN結(jié)上加的反向電壓超過某一定限度時，反向電流將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿。PN結(jié)的擊穿有兩種。（1）雪崩擊穿 當反向電壓足夠高時，空間電荷區(qū)的電場較強，通過空間電荷區(qū)的電子和空穴在電場的作用下加速獲得很大的動能，于是有可能和晶體結(jié)構(gòu)中的外層電子碰撞

12、而使其脫離原子的束縛。被撞出來的載流子在獲得一部分能量之后，又可以去碰撞其它的外層電子，這種連鎖反應(yīng)就造成了載流子數(shù)目突然急劇的增加，猶如雪崩那樣，所以這種擊穿稱為雪崩擊穿或碰撞擊穿。 （2）齊納擊穿 當反向電壓足夠高，空間電荷區(qū)的電場強度達到105V/cm以上時，可把共價鍵中的電子拉出來，產(chǎn)生電子-空穴對，使得載流子數(shù)目突然增多，產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象，這種擊穿稱為齊納擊穿，又稱為隧道擊穿。PN結(jié)擊穿的性質(zhì) （1）PN結(jié)的擊穿破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，一般?yīng)用時應(yīng)當避免。（2）擊穿并不意味著PN結(jié)的損壞，只要電流的增長受到限制，就不至于造成PN結(jié)內(nèi)部發(fā)熱使之燒毀。所以，這種現(xiàn)象是可逆的，即當外加電壓拆

13、除后，器件的特性可以恢復。有的器件正是利用了PN結(jié)的這種特性。 一般來說，雪崩擊穿一般在6V以上，齊納擊穿一般在6V以下，而擊穿電壓在6V左右時則常兼有這兩種擊穿。 3 3）PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)兩端加電壓，PN結(jié)內(nèi)就存在電荷的變化，電荷發(fā)生變化就明PN結(jié)存在電容效應(yīng)。PN結(jié)存在兩種電容：勢壘電容CT和擴散電容CD （1）勢壘電容CT 勢壘電容是由耗盡層內(nèi)電荷儲存作用引起的。當外加電壓變化時，勢壘區(qū)發(fā)生變化，區(qū)內(nèi)的電荷量也要改變，引起了電容效應(yīng)，因此稱為勢壘電容，用CT表示。勢壘電容與外加電壓有關(guān)，分析表明它們的關(guān)系為： )(UUKCT （1-1） （2）擴散電容CD 擴散電

14、容是多數(shù)載流子擴散到對方，與對方區(qū)域里相反性質(zhì)的載流子的復合過程引起的。由于復合需要一定時間，因而也是一種電荷儲存效應(yīng)，也就是電容效應(yīng)。由于它是載流子擴散引起的，故稱為擴散電容，用CD表示。一般說來，PN結(jié)在正向運用時，勢壘電容和擴散電容并存，擴散電容要大些，起主要作用；反向運用時，只有勢壘電容。4 4）PNPN結(jié)的溫度特性結(jié)的溫度特性（1）溫度升高將是反向飽和電流增加。溫度每升高1oC，反向飽和電流增加約7%，故溫度每升高10oC，反向飽和電流增加一倍。 由于半導體中的本征激發(fā)載流子數(shù)目隨溫度的變化急劇變化，使得PN結(jié)的特性對溫度十分敏感。主要表現(xiàn)為：（2）溫度升高將使勢壘電勢下降。溫度升高

15、使半導體中的本征激發(fā)載流子增多時，將使勢壘層變薄，因而使勢壘電勢下降。理論和實驗表明，溫度每升高1oC，勢壘電勢降低約2mV，對鍺和硅這兩種材料的影響都差不多。勢壘下降的結(jié)果， 有利于擴散電流的增大，所以，當外加正向電壓不變時，PN結(jié)的正向電流將隨溫度的升高而增大。 一般說來，少數(shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，所以受溫度影響比正向電流較大。1-2-2 晶體二極管 二極管是一個PN結(jié)，故二極管具有上述PN結(jié)的特性 。1符號及特性曲線01.0 0.60.2u（V）i（mA）圖1-7 二極管的符號和伏安特性曲線二極管符號正極負極正向特性曲線反向特性曲線開啟電壓Ur。鍺管為02V，硅管為0.6V2. 特性

16、的解析式1 1）伏安特性）伏安特性) 1(UkTqSeII （1-2） 式中q為電子的電荷量，其值為1.60210-19庫倫；k為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38010-23J/K；T為絕對溫度值，設(shè)室溫為（20oC）293K，故1)(261mVkTq引入符號， ， UT = 26mV，通常稱為熱電壓。式（1-2）可寫為TUqkT) 1(/TUUSeII（1-3） U為外加電壓，如正向電壓就取正值，如為反向電壓就取負值。（1）當正向電壓超過100mV時，就有 1，則式（1-3）可簡化為 TUUe/TUUSeII/（1-4）這就是說，正向電流與正向電壓成指數(shù)關(guān)系。（2）當反向電壓超過100mV時，就

17、有 1，式（1-3）可簡化為TUUe/SII（1-5） 也就是說，反向電流與外加電壓無關(guān)，而為一恒定值IS。負值代表實際的電流方向由負極流向正極，與我們假定的電流方向由正極流向負極相反。將式（1-3）近似，可以有：2 2）等效電阻）等效電阻00uiiurdQUQUQIQIQQiiuuQQDIUR（1 1）直流電阻）直流電阻RD（2 2）交流電阻）交流電阻rd交流電阻的計算 ： 直流電阻與交流電阻的區(qū)別 直流電阻與交流電阻的相同之處，都與工作點有關(guān)TUuTSdeUIdudir/1QdIr/263. 參數(shù)1）最大允許整流電流）最大允許整流電流IOM IOM是指在電阻性負載的半波整流電路中允許通過二

18、極管的最大直流電流。若工作電流超過此電流，會使二極管過熱，導致失效或燒毀。2）最高反向工作電壓）最高反向工作電壓URM URM是指允許加到二極管（非穩(wěn)壓管）上的最高反向電壓值。該數(shù)值應(yīng)小于反向擊穿電壓，使用中不應(yīng)超出URM，以免電路中缺少適當?shù)南蘖麟娮钑r發(fā)生擊穿，造成器件損壞。通常取URM為擊穿電壓的一半。 3）最大允許功耗）最大允許功耗PDM 流過二極管的電流與二極管兩端的電壓的乘積是二極管的功率，該功率轉(zhuǎn)換為熱能，故稱為功耗。如果二極管的實際功率PD超過了最大允許功耗PDM，二極管就會因過熱而損壞。1-2-3 晶體二極管電路1二極管的折線化近似二極管有四種不同情況的近似 ：rdrrrdrr

19、rd理想二極管考慮正向電阻考慮反向電阻考慮開啟電壓2二極管應(yīng)用電路舉例1 1）整流電路）整流電路VDRiuouiuttUmsin電源正半周，二極管導通，相當于短路輸入正弦波uo=ui電源負半周，二極管截止，相當于開路uo=0可見， 輸出電壓為正向脈動波，稱為整流電路。由于僅有半波輸出，故稱為半波整流電路2 2）門電路）門電路UF+5VRUBUAVD2VD1VD2導通VD1截止（1 1）U UA A為高電平，為高電平，(U(UA A=5V)=5V)，U UB B為低電平，為低電平，(U(UB B=0V)=0V)。UF=UB=0V為低電平 （2 2）U UA A為低電平，為低電平，(U(UA A=

20、0V)=0V)，U UB B為高電平，為高電平，(U(UB B=5V)=5V)。VD1導通VD2截止UF=UA=0V為低電平 （3 3）U UA A為高電平，為高電平，(U(UA A=5V)=5V)，U UB B為高電平，為高電平，(U(UB B=5V)=5V)。VD1截止VD2截止UF=5V為高電平 兩個輸入端有一個為低電平，輸出就為低電平；只有兩個全為高電平輸出才為高電平。這就是“與”門電路。3. 3. 二極管限幅電路二極管限幅電路 1055VVDR(V)tsin10tiuiuou（1 1）ui 5V 5V 5VVD截止u0=5V該電路將輸出電壓限制在5V之內(nèi)，故稱為 限幅電路1-3 特殊

21、二極管1-3-1 穩(wěn)壓管0（V）（mA）iu 穩(wěn)壓管也是一種二極管，它是利用PN結(jié)的反向擊穿特性進行工作的，只是它的反向特性曲線比一般的二極管要更陡一些。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 穩(wěn)壓管的符號特性曲線正向反向穩(wěn)壓管的主要參數(shù)ZU穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓U UZ Z UZ就是PN結(jié)的擊穿電壓，它隨工作點電流和溫度的不同而略有變化。對于同一型號的穩(wěn)壓管來說，穩(wěn)壓值有一定的分散性。 0ZUZIZZZIUrZIminZIiumaxI穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流穩(wěn)壓管工作時的參考電流值。它通常有一定的范圍，即IZmaxIZmin。當工作電流小于IZmin時，穩(wěn)壓效果將受影響；當工作電流大于IZma

22、x時，穩(wěn)壓管將因過熱而損壞。動態(tài)電阻動態(tài)電阻r rZ Z 它是穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值 。這個數(shù)值隨工作電流的不同而有所改變。通常工作電流越大，動態(tài)電阻就越小，穩(wěn)壓性能就越好。電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) Z Z 它是用來說明穩(wěn)定電壓受溫度變化影響的系數(shù)。不同型號的穩(wěn)壓管有不同的溫度系數(shù)，且有正負之分。一般說來，穩(wěn)壓值低于4V的穩(wěn)壓管，Z為負值，穩(wěn)壓值高于6V的穩(wěn)壓管，Z為正值，介于4V到6V之間的可能是正的，也可能是負的。因此可以將正、負溫度系數(shù)的穩(wěn)壓管合理搭配使用，以提高穩(wěn)壓效果。額定功耗額定功耗P PZ Z PZ是保證穩(wěn)壓管正常工作允許的最大功率，超過PZ將會使穩(wěn)壓管過熱損壞。穩(wěn)壓

23、管穩(wěn)壓電路 IZILUoUiRLUZVZTCRVD穩(wěn)壓管并接在負載RL兩端，故Uo=UZ 工作原理 當RL一定一定，設(shè)Ui增大增大，則UZ和Uo都要增大增大，但穩(wěn)壓管兩端電壓只要有少許增大，就會造成IZ急劇增加急劇增加，這時限流電阻R上的壓降（IZ+IL）R就會顯著增加顯著增加，從而使輸入電壓增加的絕大部分都降落在降落在R上上，于是Uo的變化就非常小非常小。同樣地，若Ui減小或R變化，也可以使Uo的變化很小，輸出電壓基本穩(wěn)定輸出電壓基本穩(wěn)定。1-3-2 光電二極管KA光電二極管符號光電二極管符號光電二極管工作原理光電二極管工作原理光電二極管必須工作在反向電壓下，在沒有光照的條件下，它和普通二極

24、管一樣，其反向電流很小，這時的電流稱為暗電流。當有光照時，半導體共價鍵中的價電子獲得能量，產(chǎn)生的電子空穴對增多，導電能力加強，反向電流增大。并且，在一定的反向電壓范圍內(nèi)反向電流與光照度成正比。光電二極管特性光電二極管特性（1 1）光譜特性）光譜特性 就是指光電器件對某一波長范圍內(nèi)的光的光照具有較好的響應(yīng)，對于這一波長范圍外的光的光照響應(yīng)卻較差。 （2 2）光照特性）光照特性 表示光電流與照射光強度之間的關(guān)系曲線稱為光照特性，也稱光電特性。一般說來，光電二極管的光照特性曲線是非線性的，但其特性曲線越接近直線，其光照特性就越好。（3 3）頻率特性）頻率特性 頻率特性表示光電流與入射光強度變化頻率之

25、間的關(guān)系。光電二極管可以用做光的檢測。當PN結(jié)的面積較大時，可以做成光電池。1-3-3 發(fā)光二極管 K A發(fā)光二極管符號發(fā)光二極管符號發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管簡稱LED。其內(nèi)部的基本單元仍然是一個PN結(jié)。當外加正向電壓時，P區(qū)和N區(qū)多數(shù)載流子擴散到對方，與對方多數(shù)載流子復合，在復合過程中，有一部分能量以光的形式發(fā)出，使二極管發(fā)光。發(fā)光二極管的應(yīng)用發(fā)光二極管的應(yīng)用1） 發(fā)光二極管主要用作顯示器件。除單獨使用外，還可以做成數(shù)碼管或陣列顯示器。2）將發(fā)光二極管和光電二極管組合起來可以構(gòu)成二極管型光電耦合器。 光電耦合器以光為媒介進行電信號的傳遞。它可用來傳遞模擬信號，也可作開關(guān)

26、器件使用。并且發(fā)光器件和光敏器件間電絕緣，所以常用在信號單方向傳輸，且需要電路間電氣絕緣場合的信號耦合。主要用于一些常見的數(shù)字控制系統(tǒng)中。1-3-4 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管符號變?nèi)荻O管符號KAU/VC/pF1008060402010 8 6 4 2變?nèi)荻O管特性曲線變?nèi)荻O管特性曲線變?nèi)荻O管工作原理變?nèi)荻O管工作原理變?nèi)荻O管是利用利用PN結(jié)的勢壘電容隨外加反向電外加反向電壓壓的變化而變化的特性而工作的變?nèi)荻O管的應(yīng)用變?nèi)荻O管的應(yīng)用變?nèi)荻O管的容量很小，為皮法數(shù)量級，它有一定的電容變化范圍，主要用于高頻場合下，例如電調(diào)諧、調(diào)頻信號的產(chǎn)生等。1-4 晶體三極管1-4-1三極管的工作原理1 1

27、晶體三極管的結(jié)構(gòu)及符號晶體三極管的結(jié)構(gòu)及符號集電極 C集電區(qū)基區(qū)基極 B發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極發(fā)射極 E PNP發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)PNNPNPP集電極集電極 C集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)基極B發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極發(fā)射極 EN發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)PNP（1）晶體三極管結(jié)構(gòu)）晶體三極管結(jié)構(gòu)兩個PN結(jié)三個區(qū)三個區(qū)三個極三個極（2）晶體三極管符號）晶體三極管符號發(fā)射區(qū)高摻雜基區(qū)薄集電區(qū)摻雜低NPN三極管圖片三極管管腳分布圖2晶體管的放大原理BECEERERCEC1 1）載流子的傳輸過程）載流子的傳輸過程發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散空穴 在基區(qū)電子大多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)擴散 少數(shù)與基區(qū)

28、的空穴復合 在集電結(jié)反偏電壓下，集電區(qū)收集電子 在集電結(jié)反偏電壓下，基區(qū)集電區(qū)少子向?qū)Ψ狡?BECEERERCECICNIBNICB0IEPIEN2 2）共基極的電流分配關(guān)系）共基極的電流分配關(guān)系發(fā)射區(qū)發(fā)射電子產(chǎn)生的電流集電區(qū)收集電子產(chǎn)生的電流基區(qū)空穴與擴散到基區(qū)電子復合產(chǎn)生的電流基區(qū)集電區(qū)少子漂移產(chǎn)生的電流基區(qū)空穴擴散產(chǎn)生的電流該電流忽略不計（1）各載流子產(chǎn)生的電流（2）電流分配關(guān)系電流分配是指發(fā)射區(qū)的發(fā)射電流被集電區(qū)收集的比例ENCNIIIBIE（3 3）三極管各極電流關(guān)系）三極管各極電流關(guān)系BECEERERCECICNIBNICB0IENIC0CBBNBIII0CBCNCIIICBEN

29、EIIII（4 4）共基極電流放大系數(shù)與各級）共基極電流放大系數(shù)與各級電流關(guān)系電流關(guān)系CBECIII+=ECII忽略 0CBI+IE3 3）三極管的放大作用）三極管的放大作用UIEIERLECEE共基極放大器共基極放大器IU發(fā)射結(jié)加正偏電壓集電結(jié)加反偏電壓輸入端加信號Ui共基極發(fā)射極產(chǎn)生電流IE+ IE集電極產(chǎn)生電流 IERL上產(chǎn)生信號電壓 U輸出端的信號電壓為UO = IERL，只要RL取得足夠大，就可使 ，即實現(xiàn)了信號的放大。 ioUU+IC4 4）共射接法的電流分配關(guān)系）共射接法的電流分配關(guān)系IBUICRLECEEIU共射極發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 輸入端加信號Ui+IB基極產(chǎn)生電流IB

30、集電極產(chǎn)生電流IC RL上產(chǎn)生信號電壓 U 輸出端的信號電壓為UO = ICRL，只要RL取得足夠大，就可使 ，即實現(xiàn)了信號的放大。 ioUU共射極電流放大系數(shù)是集電區(qū)收集的電流與基極復合電流之比1BNCNII集電極電流IC與基極電流IB的關(guān)系為00000CB0)1 ()(CEBCBBCBCBBCBBNCNCIIIIIIIIIIII00)1 (CBCEII其中忽略ICE0，則有BCII或 BCIIuBE1-4-2 三極管的伏安特性曲線三極管伏安關(guān)系測試原理三極管伏安關(guān)系測試原理UCCUBB iCiBVAVmA測試電路1 1共射接法的輸入特性曲線共射接法的輸入特性曲線共射輸入特性曲線是指以集電極

31、與發(fā)射極之間輸出電壓uce為參變量，輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關(guān)系曲線,即：),(1CEBEBuufi測試方法UCC為常數(shù)改變UBB測量iB與uBE的對應(yīng)關(guān)系輸入特性曲線輸入特性曲線IEB0+ICBOBVBE01V8060402001.00.60.2 uBE(V) iB(A)10V0ceu輸入特性特點（1）uCE= 0時，iB -uCE曲線和普通二極管的特性相似。這是因為uCE = 0時， uBC = uBE ，此時三極管相當于并接在一起的二極管，其開啟電壓也與二極管相同。（2） uCE 1V時的iB-uCE曲線與uCE = 0時的相比，特性右移，且基本重合。這是由于uCE增加，集電結(jié)

32、勢壘電勢增加，集電區(qū)收集電流能力增加，基極電流減小。曲線右移。但到一定值后，集電結(jié)的反向電壓已將注入到基區(qū)的電子基本上收集到集電極，iB基本不變，故曲線基本重合。（3）BVBE0為發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓。2 2共射接法輸出特性曲線共射接法輸出特性曲線輸出特性曲線是指以輸入電流iB為參變量，輸出集電極電流iC和集電極與發(fā)射極之間電壓uCE的關(guān)系，即),(2CEBCuifi測試電路uBEUCCUBB iCiBVAVmA改變UCC固定iB測量iC與uCE的對應(yīng)關(guān)系測試方法uCE輸出特性曲線 iB= ICB0放大區(qū)0UA截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)0Bi輸出特性曲線的特點1）劃分三個區(qū)截止區(qū)當發(fā)射結(jié)反向運用，集電結(jié)

33、也反向運用時，晶體管處于截止區(qū) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置，三極管失去了放大作，用晶體管處于飽和區(qū)。 當發(fā)射結(jié)正向運用，集電結(jié)反向運用時，晶體管處于放大區(qū) 2）放大區(qū)特性（1）在維持一定的條件下，基極電流增加一個很小的數(shù)值，集電極電流將增加一個很大的數(shù)值。 可用交流電流放大系數(shù)來表示。常數(shù)CEuBCii（2）輸出特性有一定傾斜。這表明對集電極電流有一定的影響。iC越大，傾斜越大。如果將輸出特性向左延伸，與橫軸相交，可得一UA。UA稱為厄立電壓，其典型值一般在50100V。iB=ICB0放放大大區(qū)區(qū)0UA截止區(qū)飽和區(qū)0Bi截止區(qū)截止區(qū)3三極管的運用狀態(tài)由于三極管有兩個PN結(jié)，每個PN結(jié)又有兩種

34、偏置，故三極管可以有四種運用狀態(tài)。 發(fā)射結(jié)正向運用反向運用正向運用飽和狀態(tài)放大狀態(tài)反向運用反向放大狀態(tài)截止狀態(tài)在以上四種工作狀態(tài)中，放大狀態(tài)在模擬電路中用得很多放大狀態(tài)在模擬電路中用得很多，是本課程要重點討論的內(nèi)容之一。在脈沖數(shù)字電路中用得最多的是飽和狀態(tài)和截止狀態(tài)，可以看作是開關(guān)的導通與截止。反向放大狀態(tài)相當于把集電極與發(fā)射極對調(diào)使用，在原理上來說，與放大狀態(tài)沒有本質(zhì)的區(qū)別，但由于在制作摻雜時，晶體管的實際結(jié)構(gòu)是不對稱的，因此反向運用時其放大性能比正常放大是要差得多，故很少使用。集電結(jié)運用狀態(tài)1-4-3 三極管的主要參數(shù)晶體管的參數(shù)是表征晶體管性能和描述晶體管安全運用范圍的數(shù)據(jù)。也是選用晶體

35、管的基本依據(jù)。下面介紹幾種主要參數(shù)。1 1極限參數(shù)極限參數(shù)1 1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流ICM IC過大，要下降，通常把下降到最大值的2/3（有的廠家規(guī)定為1/2）時的IC值稱為ICM。當電流超過ICM時，管子不一定燒壞，但其性能將顯著下降。2）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM 晶體管工作時，集電結(jié)上加有較高電壓并有電流流過，因此集電結(jié)上要消耗一定的功率，稱為集電結(jié)功耗，即PC = ICUCE。集電極功耗越大，集電結(jié)溫度將越高，為了使結(jié)溫度不超過最大允許結(jié)溫TM，需要給晶體管規(guī)定一個集電結(jié)功耗的限額PCM。PC = PCM在輸出特性曲線上劃出了一條雙曲線，工作在這條

36、曲線下方的區(qū)域是安全的。3）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓 常用的反向擊穿電壓有：BVCB0發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向擊穿電壓。BVCE0基極開路時，集電極與發(fā)射極間反向擊穿電壓。 共基接法電流放大系數(shù) 和，與共射接法電流放大系數(shù)一樣，在沒有特別聲明時，二者也認為是通用的。共射接法電流放大系數(shù)有直流 ，和交流， 一般比略小一些，但在實際使用時一般不是嚴格地區(qū)分，而是認為 。以后不再特別聲明時，兩個符號可以通用。2電流放大系數(shù)3極間反向電流極間反向飽和電流主要有：（1）集電極基極間反向飽和電流ICB0，即發(fā)射極開路時，集電極的反向電流。（2）集電極發(fā)射極穿透電流ICE0，即基極開路時，集電極發(fā)射極間

37、加上一定反 向電壓時的集電極電流。ICE0=(1+)ICB0。實際工作時，由于ICE0和ICB0受溫度影響較大，故要求它們越小越好。4晶體管的溫度特性3. 溫度對的影響，溫升會使晶體管的增大，工程上是以每溫升一度 ， 值增加自身的0.51%來計算。晶體管參數(shù)與溫度密切相關(guān)，了解參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律對于電路設(shè)計是很重要的。1. 溫度對ICB0的影響，溫度升高，ICB0增加，溫度每升高10oC，ICB0約增加一倍。2. 溫度對UBE的影響，當溫度升高時，對于正偏發(fā)射結(jié)，若保持正向電流IE不變，則正偏電壓UBE必須要減小，無論是硅管還是鍺管，每溫升一度，UBE要減小22.5mV。 反過來，若外加電壓

38、使UBE不變，則IE就要增加。1-5場效應(yīng)管場效應(yīng)管分類場效應(yīng)管特點（1）場效應(yīng)管（FET）是用電場來控制輸出電流的半導體器件。（2）輸入電阻非常高（1071015），控制端基本上不需要電流。（3）溫度特性較好，抗輻射能力強，工藝簡單便于集成。（4）場效應(yīng)管的工作電流是由多子漂移運動形成，少子電流極小，通常只靠一種載流子導電，所以場效應(yīng)管又稱為單極型晶體管。根據(jù)結(jié)構(gòu)分為結(jié)型管（JFET）和絕緣柵管（MOSFET）兩種。根據(jù)導電載流子可分為N溝道和P溝道兩種。絕緣柵管根據(jù)溝道產(chǎn)生條件又可分為增強型和耗盡型兩種。1-5-1結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和符號GDDGSSG柵極S源極D漏極 N溝道P+在一塊N型硅

39、條的兩側(cè)分別制成兩個P+區(qū) 兩個P+區(qū)并聯(lián)后引出的電極為柵極 硅條的兩端分別引出源極（S）和漏極（D） N溝道結(jié)型場效應(yīng)管符號P溝道結(jié)型場效應(yīng)管符號結(jié)型場效應(yīng)管具有兩個P+N結(jié)，工作時，這兩個結(jié)都處于反偏，P+N的耗盡層主要伸向低摻雜的N型側(cè)?？刂品雌拇笮?，就能改變溝道的寬窄，因而使輸出電流也相應(yīng)變化，實現(xiàn)了用電場控制輸出電流的目的。1工作原理P+P+N（b）0GSuDSuDiDSu0GSuDiDSSIPV1）柵偏壓為零時柵偏壓為零時 與與 的關(guān)系的關(guān)系DiDSuuGS為零增加uDS= ，溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷，漏極電流出現(xiàn)飽和uDS從零開始增大，PN結(jié)靠近漏極反偏電壓加大，溝道變窄；漏極電流增加。

40、PV再增加uDS，溝道夾斷區(qū)域增加，電流基本不變。2）負柵偏壓（柵偏壓（uGS0）時）時 與與 的關(guān)系的關(guān)系DiDSuP+P+NDSuDi此時夾斷電流也將小于IDSS。而且，柵源的負壓越大，預(yù)夾斷發(fā)生就越早，預(yù)夾斷時的uDS就越小，uDS預(yù)夾斷電壓與柵源電壓的關(guān)系是：uGS0)在正柵壓作用下，便產(chǎn)生垂直于襯底表面的電場,這個電場是排斥空穴并吸引電子的，當柵壓較低時(uGS0)當正柵壓足夠大時，即uGSVTH時，在較強電場的作用下，開始將深層的電子吸引到表面層來，是表面層的電子濃度迅速增大，這一層中電子變成了多子，具有N型半導體的特征。通常將P型半導體表面出現(xiàn)的N型層稱為反型層。 反型層的形成T

41、HGSVu這種靠增強柵源電壓而形成導電溝道的MOS管，稱為增強型MOS管。開始形成導電溝道的最小柵源電壓稱為開啟電壓，記作VTH 。（2 2）u uGSGS對對i iD D的控制作用的控制作用 襯底BSGD N+ N+耗盡層P型襯底DSuGSu當溝道形成后，進一步加大uGS可以使導電溝道加寬。所以， uGS不僅可以產(chǎn)生導電溝道，還可以控制溝道的導電能力，因而可以控制iD。uDS對導電溝道和漏極電流iD影響uDS由零增加導電溝道在靠近漏極處變窄柵漏極間電壓減小uDS增加到使UGD=VTH時，柵漏極電壓為零，導電溝道在靠近漏極處消失，產(chǎn)生夾斷。再增加uDS，導電溝道進一步萎縮。在夾斷前，iD隨uD

42、S增加較快，在夾斷處， iD進入飽和，大于夾斷電壓后， iD基本不隨uDS變化。這時iD只受uDS控制。uDS使溝道夾斷的電壓是使柵漏極電壓為零的電壓，顯然與柵源電壓有關(guān)，即：THGSDSVuu式中THGSVu8642 （mA） （V）10864254321放大區(qū)0 （V） （mA）截止區(qū)變阻區(qū)7GSu6GSu5GSu4GSu3GSuGSu2GSuDiVuDS6DiGSuthGSDSVuu-=2）特性曲線（1）輸出特性曲線可分為四個區(qū)。圖中擊穿區(qū)為表示（2）放大區(qū)和變阻區(qū)的分界線為PGSDSVuu（3）輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線可以相互轉(zhuǎn)換。2N溝道耗盡型場效應(yīng)管當正柵壓時（uGS0），溝道變

43、寬，當負柵壓時（uGS0）,溝道變窄，只有負到一定程度時，溝道才消失，此時uGS=VP，稱VP為夾斷電壓，VP本身是負值。所以耗盡型MOS管與結(jié)型管相似，不同之處是N溝道結(jié)型管工作在負柵壓而N溝道耗盡型MOS管，除工作在負柵壓外，還可以工作在零柵壓或正柵壓，具有更廣泛的靈活性。耗盡型MOS也分P溝道和N溝道兩種。N溝道耗盡型與N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別是這類管子的柵絕緣層（SiO2）中摻入適量的正離子，使得在零柵壓時（uGS=0），在正離子作用下，已經(jīng)出現(xiàn)了N型導電溝道。（V）GSu變阻區(qū)20-4-8（mA）10864254321放大區(qū)0（V）（mA）截止區(qū)GDS2GSu0G

44、Su-2GSu-4GSu-6GSu-8GSuDSuDiDiVuDS6特性曲線和符號耗盡型MOS場效應(yīng)管最大的特點是柵源電壓可正可負。偏置靈活3P溝道MOS管（PMOS）P溝道MOS管也有兩種，增強型和耗盡型。增強型PMOS管在工作時為了在漏源極之間形成P溝道，柵源極之間電壓必須為負，而且漏源極電壓及漏極電流也與NMOS管的相反。2類型符號偏壓極性閾值電壓輸出特性轉(zhuǎn)移特性結(jié)型N溝道 +結(jié)型P溝道+NMOS耗盡型+0+ 增強型+PMOS耗盡型+0增強型0PV0PV0PV0THV0PV0THV0GSu10GSuTHGSVu2DSuDSuTHGSVuDSu+10GSu1DSu10GSu1DSuGSuG

45、SuGSuGSuDiDiDiDiGSuDiGSuDiDiDiDiDiDiDiDSuGSu各種類型的FET的特性及符號 1-5-3 場效應(yīng)管的參數(shù)及其特點1主要參數(shù)（1）夾斷電壓VP 它是指uDS在固定時(如uGS=0），使耗盡型場效應(yīng)管（JFET、MOSFET）漏極電流減小到某一微小值（測試使用1A）時的柵源電壓值。（2）開啟電壓VTH 它是指在uDS固定時，使增強型場效應(yīng)管開始導電的柵源電壓值。1）直流參數(shù)（3）飽和漏極電流IDSS 在uGS=0的情況下，對于耗盡型場效應(yīng)管，當uDSVP時iD的值。通常規(guī)定uGS=0，uDS=10V時測出的漏極電流為飽和電流IDSS。（4）直流輸入電阻RGS

46、 漏極與源極短路時柵極直流電壓UGS與柵極直流電流IG的比值為直流輸入電阻RGS。JFET的直流輸入電阻通常在108-1012之間，絕緣柵場效應(yīng)管的直流輸入電阻在10101015之間。2）交流參數(shù)（1）跨導gm 在uDS為常數(shù)時，漏極電流iD的微變量與柵源電壓uGS的微變量比值，即：常數(shù)dsuGSDmdudig跨導的大小反映柵源電壓對漏極電流控制能力的強弱, gm大小與工作點位置密切相關(guān)。 （2）輸出電阻rds 在恒流區(qū)，當uGS為常數(shù)時，uDS的增量與iD的增量之比，即：常數(shù)GSuDDSdsdidur（3）極間電容 場效應(yīng)管的三個電極之間存在著極間電容，即CGS、CDG和CDS。其中，CGS

47、和CDG的數(shù)值一般為13pF，CDS約為0.11 pF。管子在高頻應(yīng)用時，要考慮極間電容的影響。rDS一般在幾十千歐至幾百千歐 3）極限參數(shù)（1）柵源擊穿電壓BVGS 柵極與溝道之間的PN結(jié)反向擊穿時的柵源電壓。（2）漏源極擊穿電壓BVDS 使PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，開始急劇上升時的值。由于加到柵漏之間PN結(jié)上的反向偏壓為，所以，越負，BVDS越小。（3）最大漏極電流IDM 他是指管子的最大允許工作電流。（4）最大功耗PDM 他是指管子在正常工作是允許的最大功率損耗。2場效應(yīng)管與晶體三極管的比較（1）場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導電的器件，稱為單極型半導體，溫度性能較好，并具有零溫度系數(shù)工作點，而三極

48、管由于有少數(shù)載流子參與導電，其溫度特性較差。（2）場效應(yīng)管是電壓控制器件，輸入電阻很高，而晶體三極管為電流控制器件，輸入電阻較低。（3）正常工作時，三極管的發(fā)射極和集電極不能互換，而場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換，當然襯底與源極在管內(nèi)短接和增加了二極管保護電路的情況除外。（4）場效應(yīng)管在小電壓條件下工作時，即工作在可變電阻區(qū)，可以等效為一受柵壓控制的可變電阻器，被廣泛用于自動增益控制和電壓控制衰減器等場合中。（5）BJT具有跨導大、電壓增益高、非線性失真小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在分離元件電路和小規(guī)模集成電路中占有優(yōu)勢。此外，BJT、JFET和MOSFET相比（1）在噪聲方面，JFET最低，MOSFET次之，BJT最差。（2）在功耗方面，MOSFET功耗最低，JFET次之，BJT最高。且由于MOSFET便于集成，故MOSFET適合制造成大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路。U16集成運算放大器 集成運算放大器是采用半導體制造工藝將大量的晶體管、二極管、電阻、電