第2章 常用半導(dǎo)體器件原理

1、 1 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 本章從半導(dǎo)體器件的工作機理出發(fā)，介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識，包括本征半本章從半導(dǎo)體器件的工作機理出發(fā)，介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識，包括本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，PN結(jié)；分別討論晶體二極管的特性和典型應(yīng)用電路，雙極型結(jié)；分別討論晶體二極管的特性和典型應(yīng)用電路，雙極型晶體管和場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作機理、特性和應(yīng)用電路，晶體管和場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作機理、特性和應(yīng)用電路，重點是掌握器件的特性。重點是掌握器件的特性。 媒媒質(zhì)質(zhì)導(dǎo)體導(dǎo)體：對電信號有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。：對電信號

2、有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。絕緣體絕緣體：對電信號起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于：對電信號起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于108 1020 m。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如Si 、Ge 和和GaAs等。等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度、光照和摻雜溫度、光照和摻雜等因素發(fā)生顯著變化，這些特點使它們成等因素發(fā)生顯著變化，這些特點使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。2.1.1 半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別 2 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原

3、理常用半導(dǎo)體器件原理2.1.2 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個電子，稱為價電子，硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個電子，稱為價電子，每個價電子帶一個單位的負(fù)電荷。因為整個原子呈電中性，而每個價電子帶一個單位的負(fù)電荷。因為整個原子呈電中性，而其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價電子，所以，硅其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價電子，所以，硅和鍺原子可以用和鍺原子可以用簡化模型簡化模型代表代表 。 +4 帶一個單位負(fù)電荷的價電子 最外層軌道 帶四個單位正電荷的原子核部分 +14 +32 3 第二章第二

4、章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理每個原子最外層軌道上的四每個原子最外層軌道上的四個價電子為相鄰原子核所共有，個價電子為相鄰原子核所共有，形成共價鍵。共價鍵中的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。是不能導(dǎo)電的束縛電子。 +4 價電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價鍵 價電子可以獲得足夠大的能量，掙脫共價價電子可以獲得足夠大的能量，掙脫共價鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價鍵處留下帶有一個單位的正電荷的空穴。這價鍵處留下帶有一個單位的正電荷的空穴。這個過程稱為本征激發(fā)。個過程稱為本征激發(fā)。 本征激發(fā)產(chǎn)

5、生成對的自由電子和空穴，所本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 4 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴移動方向 價電子移動方向 價電子的反向遞補運動等價為空穴在價電子的反向遞補運動等價為空穴在半導(dǎo)體中自由移動。因此，在本征激半導(dǎo)體中自由移動。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶發(fā)的作用下，本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)

6、稱為載流子。者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。 自由電子和空穴在自由移動過程自由電子和空穴在自由移動過程中相遇時，自由電子填入空穴，釋放中相遇時，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對載流子，這個出能量，從而消失一對載流子，這個過程稱為復(fù)合。過程稱為復(fù)合。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 5 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理平衡狀態(tài)時，載流子的濃度不再變化。分別用平衡狀態(tài)時，載流子的濃度不再變化。分別用ni和和pi表示表示自由電子和空穴的濃度自由電子和空穴的濃度 (cm-3) ，理論上，理論上 kTEeTApn2230ii0G其中其中 T 為為絕對絕對溫度溫度 (K

7、) ；EG0 為為T = 0 K時的禁帶寬度，硅原子為時的禁帶寬度，硅原子為1.21 eV，鍺，鍺為為0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K為玻爾茲曼常數(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)，硅材料為為常數(shù)，硅材料為3.87 1016 cm- 3 K 3 / 2，鍺為，鍺為1.76 1016 cm 3 K 3 / 2。 2.1.3 N 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對很少，這說明本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。我們可以人為地少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這樣獲得的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分

8、為 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體。 6 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理一、一、N 型半導(dǎo)體（摻磷）型半導(dǎo)體（摻磷）在本征半導(dǎo)體中摻入五價原子，即構(gòu)成在本征半導(dǎo)體中摻入五價原子，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。N 型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)元素型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)元素的原子，就提供一個自由電子，從而大量增加的原子，就提供一個自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度了自由電子的濃度施主電離施主電離多數(shù)載流子一一自由電子多數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一空穴但半導(dǎo)體仍保持電中性但半導(dǎo)體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 鍵外電子

9、 施主原子 熱平衡時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流熱平衡時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度子濃度 ni 的平方，所以空穴的濃度的平方，所以空穴的濃度 pn為為 DnNnD2in2inNnnnp自由電子濃度自由電子濃度雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度因為因為n ni i容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化，所以容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化，所以p pn n也隨環(huán)境的改變明顯變化。也隨環(huán)境的改變明顯變化。 7 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理二、二、P 型半導(dǎo)體（摻硼）型半導(dǎo)體（摻硼）在本征半導(dǎo)體中摻入三價原子，即構(gòu)成在本征半導(dǎo)體中摻入

10、三價原子，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。P 型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)元素的原子，就提供一個空穴，從而大量增元素的原子，就提供一個空穴，從而大量增加了空穴的濃度加了空穴的濃度受主電離受主電離多數(shù)載流子一一空穴多數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一自由電子但半導(dǎo)體仍保持電中性但半導(dǎo)體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空位 受主原子 而自由電子的濃度而自由電子的濃度 np 為為ApNpA2ip2ipNnpnn空穴濃度空穴濃度摻雜濃庹摻雜濃庹環(huán)境溫度也明顯影響環(huán)境溫度也明顯影響 n np p 的取值。的取值。 8 第二章第二章

11、 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.1.4 漂移電流和擴散電流漂移電流和擴散電流 半導(dǎo)體中載流子（電子與空穴）進行定向運動，就會形成半導(dǎo)半導(dǎo)體中載流子（電子與空穴）進行定向運動，就會形成半導(dǎo)體中的電流。體中的電流。半半導(dǎo)導(dǎo)體體電電流流漂移電流漂移電流：在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流。移電流。該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強度。移率和電場強度。擴散電流：擴散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度

12、不均勻分布時，載流子會從半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，從而形成擴散電流。高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，從而形成擴散電流。該電該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。PnIII電子電流與空穴電流電子電流與空穴電流半導(dǎo)體電流半導(dǎo)體電流 9 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.2 PN 結(jié)結(jié) 通過摻雜工藝，把本征半導(dǎo)體的通過摻雜工藝，把本征半導(dǎo)體的一邊做成一邊做成 P 型半導(dǎo)體，另一邊做成型半導(dǎo)體，另一邊做成 N 型半導(dǎo)體，則型半導(dǎo)體，則 P 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 N 型型半導(dǎo)體的交接面處會形成一

13、個有特半導(dǎo)體的交接面處會形成一個有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為殊物理性質(zhì)的薄層，稱為 PN 結(jié)。結(jié)。 2.2.1PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 + + + + P 區(qū) N 區(qū) (a) + + + + + + + + + + + + + + + + P 區(qū) N 區(qū) (b) 空間電荷區(qū) 內(nèi)建電場 0 UB UB + + + + + + + + + + + + 多子擴散多子擴散空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生 少子漂移少子漂移動態(tài)平衡動態(tài)平衡 10 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理空間電荷區(qū)又稱耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對稱的空間電荷區(qū)又稱耗盡區(qū)或

14、勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對稱的 PN 結(jié)結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一側(cè)延伸較小，在輕摻雜一側(cè)延伸較大。中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一側(cè)延伸較小，在輕摻雜一側(cè)延伸較大。 耗盡區(qū) 耗盡區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P區(qū) N區(qū) P區(qū) N區(qū) 11 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.2.2PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?+ + + + + + + + + + + + +

15、 + + + P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) 0 UB U UB E R U 內(nèi)建電場 外加電場 正向電流 一一、正、正向偏置的向偏置的 PN 結(jié)結(jié)正向偏置正向偏置耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄擴散運動加強擴散運動加強漂移運動減弱漂移運動減弱正向電流正向電流二、反向偏置的二、反向偏置的 PN 結(jié)結(jié) P 區(qū) 耗 盡 區(qū) 0 UB U UB E R U 內(nèi) 建 電 場 外 加 電 場 N 區(qū) 反 向 電 流 + + + + + + + + + + + + + + + + 反向偏置反向偏置耗盡區(qū)變寬耗盡區(qū)變寬擴散運動減弱擴散運動減弱漂移運動加強漂移運動加強反向電流反向電流 12 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半

16、導(dǎo)體器件原理PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娞匦裕篜N 結(jié)只需較小的正向電壓，就可使耗盡區(qū)變得很薄，結(jié)只需較小的正向電壓，就可使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，且該電流隨電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。在反從而產(chǎn)生較大的正向電流，且該電流隨電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，且基本上不隨反向電壓變化。偏時，少子只能提供很小的漂移電流，且基本上不隨反向電壓變化。4.2.3PN 結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 PN 結(jié)反向電壓足夠大時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為結(jié)反向電壓足夠大時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)的擊穿。結(jié)的擊穿。 雪崩擊穿：雪崩擊穿

17、：PN 結(jié)反偏，耗盡區(qū)中少子在漂移運動中被電場作功，動能增大。結(jié)反偏，耗盡區(qū)中少子在漂移運動中被電場作功，動能增大。當(dāng)當(dāng)少子的動能足以使其在與價電子碰撞時發(fā)生碰撞電離，把價電子擊少子的動能足以使其在與價電子碰撞時發(fā)生碰撞電離，把價電子擊出共價鍵，產(chǎn)生一對自由電子和空穴，連鎖碰撞使盡區(qū)內(nèi)載流子數(shù)量出共價鍵，產(chǎn)生一對自由電子和空穴，連鎖碰撞使盡區(qū)內(nèi)載流子數(shù)量劇增，劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的在輕摻雜的 PN 結(jié)結(jié)中。中。齊納擊穿齊納擊穿：在重?fù)诫s在重?fù)诫sPN 結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強的結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)

18、生較強的電場。電場。電場強到能直接將價電子拉出共價鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產(chǎn)生大電場強到能直接將價電子拉出共價鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，量的自由電子和空穴，使反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。使反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。PN 結(jié)擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護結(jié)擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護 PN 結(jié)不受損壞。結(jié)不受損壞。 13 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理4.2.4PN 結(jié)的電容特性結(jié)的電容特性 PN 結(jié)能存貯電荷，且電荷變化與外加電壓變化有關(guān)，說明結(jié)能存貯電荷，且電荷變化與外加電壓變化有關(guān)，說明 PN 結(jié)有電容

19、效應(yīng)。結(jié)有電容效應(yīng)。 一、勢壘電容（反偏）一、勢壘電容（反偏） P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) |u| P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) |u| + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + dSUuCuQCnB0TT1CT0為為 u = 0 時的時的 CT，與，與 PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；為內(nèi)建電位差；n 為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在 1 / 3 6 之間。之間。當(dāng)反向電壓當(dāng)反向電壓- u的絕對值增大時，的絕對值增大時，CT 將減?。ㄗ?nèi)莨埽p?。ㄗ?nèi)?/p>

20、管）。 14 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 P區(qū) N區(qū) 耗盡區(qū) u P區(qū) N區(qū) 耗盡區(qū) u u 0 0 np0 pn0 pnnn nppp Qn Qp uQQuQCpnDPN 結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴散電容之和，即結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴散電容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和和 CD 都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當(dāng)當(dāng)PN 結(jié)正偏時，結(jié)正偏時，CD 遠大于遠大于 CT ，即，即 Cj CD ；當(dāng)當(dāng)PN 結(jié)反偏時，結(jié)反偏時，CT 遠大于遠大于 CD，則，則 Cj CT 。二、擴散電容（正偏）二、擴散電

21、容（正偏） 15 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理4.3晶體二極管晶體二極管 二極管可分為硅二極管和鍺二極管，簡稱為硅管和鍺管。二極管可分為硅二極管和鍺二極管，簡稱為硅管和鍺管。 4.3.1二極管的伏安特性二極管的伏安特性：指數(shù)特性指數(shù)特性) 1() 1(TDD/S/SDUukTqueIeIiIS 為反向飽和電流，為反向飽和電流，q =1.60 10 19C ；UT = kT/q，稱熱電壓，稱熱電壓， 300 K 時，時，UT = 26 mV。 uD iD UD(on) 0 IS 擊穿 TDSDUueIiT2 T1 1、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿當(dāng)當(dāng)

22、uD 0 且超過特定值且超過特定值 UD(on) 時，時，iD 變得明顯，此時認(rèn)為二極管導(dǎo)通，變得明顯，此時認(rèn)為二極管導(dǎo)通，UD(on) 稱為導(dǎo)通電壓稱為導(dǎo)通電壓 (開啟電壓開啟電壓) ；uD 0.7V時，時，VD處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓電壓uo=ui-0.7； RL D ui uo t ui 0 t 0 (a) (b) 0.7 V uo (c) uo ui 0 0.7 V 1 當(dāng)當(dāng)ui0時，時，D1和和D2上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而D3和和D4上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出電壓上加的是反向電壓，處

23、于截止?fàn)顟B(tài)。輸出電壓uo的正極的正極與與ui的正極通過的正極通過D1相連，它們的負(fù)極通過相連，它們的負(fù)極通過D2相連，所以相連，所以uo=ui； RL D1 ui uo t ui 0 t uo 0 (a) (b) D3 D4 D2 (c) uo ui 0 1 1 當(dāng)當(dāng)ui0時，二極管時，二極管D1截止，截止，D2導(dǎo)通，電路等效為導(dǎo)通，電路等效為(b)所示的反相比例放大器，所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；當(dāng)；當(dāng)ui 0時，時，uo1 = - ui，uo = ui；當(dāng)；當(dāng)ui 2.7V時，時，VD導(dǎo)通，所以導(dǎo)通，所以uo=2.7V；當(dāng)當(dāng)ui2.3V時，時，D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，uo=2

24、.3V；當(dāng)；當(dāng)ui2.3V時，時，D2截止，支路等截止，支路等效為開路，效為開路，uo=ui。所以。所以D2實現(xiàn)了上限幅；實現(xiàn)了上限幅；解：解：D1處于導(dǎo)通與截止的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為處于導(dǎo)通與截止的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為-E-UD(on)=-2.3V。當(dāng)。當(dāng)ui-2.3V時，時，D1截止，支路等效為開路，截止，支路等效為開路，uo=ui。所以。所以D1實現(xiàn)了下限幅；實現(xiàn)了下限幅； 34 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理圖中圖中,設(shè)設(shè)二極管二極管的的交流電阻交流電阻rD 0,導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7 V ui VD1 VD2 R2 R1 uo A 限

25、幅電路的基本用途是控制輸限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍，以保入電壓不超過允許范圍，以保護后級電路的安全工作。護后級電路的安全工作。當(dāng)當(dāng)-0.7Vui0.7 V時，時，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截止截止，R1、VD1和和R2構(gòu)成回路，對構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在UD(on)=0.7V；當(dāng)當(dāng)ui-0.7V時，時，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，R1、VD2和和R2構(gòu)成回路，對構(gòu)成回路，對u ui i分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在-UD(on)=-0.7 V。該電路把該電路把u ui i

26、限幅到限幅到0.7V0.7V到到-0.7V-0.7V之間，保護集成運算放大器。之間，保護集成運算放大器。 35 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理圖中圖中,設(shè)二極管的設(shè)二極管的交流電阻交流電阻rD 0,導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7 Vui A / D 5 V D1 D2 R E 當(dāng)當(dāng)-0.7Vui5.7V時，時，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截止，截止，A/D的輸入電壓被限制在的輸入電壓被限制在5.7V；當(dāng)當(dāng)ui-0.7V時，時，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，A/D的輸入電壓被限制在的輸入電壓被限制在-0.7V。該電路對該電路對ui的限幅范圍是的限幅范圍是-0.7V到到

27、 5.7V。 36 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理例例4.3.8穩(wěn)壓二極管限幅電路如圖穩(wěn)壓二極管限幅電路如圖 (a) 所示，其中穩(wěn)壓二極所示，其中穩(wěn)壓二極管管DZ1和和DZ2的穩(wěn)定電壓的穩(wěn)定電壓UZ=5V，導(dǎo)通電壓，導(dǎo)通電壓UD(on) 近似為零近似為零。輸。輸入電壓入電壓ui的波形在圖的波形在圖 (b) 中給出，作出輸出電壓中給出，作出輸出電壓uo的波形。的波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 DZ1 DZ2 1 k R2 37 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理解：當(dāng)解：當(dāng) | ui | 1 V時，時，

28、DZ1和和DZ2一個一個導(dǎo)通，另一個擊穿，此時反饋電流主要流過穩(wěn)壓二極管支路，導(dǎo)通，另一個擊穿，此時反饋電流主要流過穩(wěn)壓二極管支路，uo穩(wěn)定在穩(wěn)定在 5 V。由此得到圖。由此得到圖 (c) 所示的所示的uo波形。波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 1 1 t uo (V) 0 (c) 5 5 DZ1 DZ2 1 k R2 38 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 uo R A DZ1 t uo , uC 0 UOH R3 DZ2 R1 R2 C uC UZ UTH UTL UOL uo uC 圖示電路為圖示電路為單運放弛張振

29、蕩器單運放弛張振蕩器。其中集成運放用作反相遲滯。其中集成運放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓比較器，輸出電源電壓UCC或或 - UEE，R3隔離輸出的電源電壓隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管與穩(wěn)壓二極管DZ1和和DZ2限幅后的電壓。仍然認(rèn)為限幅后的電壓。仍然認(rèn)為DZ1和和DZ2的的穩(wěn)定電壓為穩(wěn)定電壓為UZ，而導(dǎo)通電壓，而導(dǎo)通電壓UD(on) 近似為零。經(jīng)過限幅，輸近似為零。經(jīng)過限幅，輸出電壓出電壓uo可以是高電壓可以是高電壓UOH = UZ或低電壓或低電壓UOL = - UZ。 39 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理3、電平選擇電路、電平選擇電路 例例4.3.9(a)是二極管電

30、平選擇電路，其中二極管是二極管電平選擇電路，其中二極管VD1和和VD2均均為為理想二極管，輸入信號理想二極管，輸入信號ui1和和ui2的幅度均小于電源電壓的幅度均小于電源電壓E，波形，波形如如(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號uo的波形。的波形。 R E ui2 uo t ui1 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 0 40 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理解：因為解：因為ui1和和ui2均小于均小于E，所以所以VD1和和VD2至少有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)。至少有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)。 R E ui2

31、 uo t ui1 0 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 假設(shè)假設(shè)ui1ui2時，時，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1截止，截止，uo=ui2；只有當(dāng)只有當(dāng)ui1=ui2時，時，VD1和和VD2才同時導(dǎo)通，才同時導(dǎo)通，uo=ui1=ui2。uo的波形如的波形如(b)所示。該電路完成所示。該電路完成低電平選擇功能，當(dāng)高、低電平分別代表低電平選擇功能，當(dāng)高、低電平分別代表邏輯邏輯1和邏輯和邏輯0時，就實現(xiàn)了邏輯時，就實現(xiàn)了邏輯“與與”運算。運算。 41 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 ui uo1 D

32、uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 4、峰值檢波電路、峰值檢波電路 例例4.3.10分析圖分析圖示示峰值檢波電路的工作原理。峰值檢波電路的工作原理。 解：電路中集成運放解：電路中集成運放A2起起電壓跟隨器電壓跟隨器作用。當(dāng)作用。當(dāng)uiuo時，時，uo10，二極管二極管D導(dǎo)通，導(dǎo)通，uo1對電容對電容C充電，此時集成運放充電，此時集成運放A1也成為也成為跟隨器跟隨器，uo=uC ui，即，即uo隨著隨著ui增大；當(dāng)增大；當(dāng)uiuo時，時，uo1UBE(on)時，時，e結(jié)正偏，晶結(jié)正偏，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和

33、狀態(tài)。飽和狀態(tài)。此兩種狀態(tài)下，此兩種狀態(tài)下，uBEUBE(on)，所以也可以認(rèn)為所以也可以認(rèn)為UBE(on)是導(dǎo)通的是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)當(dāng)uBEu uBE(onBE(on) )，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷c結(jié)結(jié)是正偏還是反偏。如果是正偏還是反偏。如果c結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時UBE=UBE(on)。根據(jù)外電路和。根據(jù)外電路和UBE(on)計算計算IB，接下來，接下來IC= IB，IE=IB+IC。再由這三個極電流和外電路計算再由這三個極電流和外電路計算UCE

34、和和UCB；實際應(yīng)用中，通過控制實際應(yīng)用中，通過控制e結(jié)和結(jié)和c結(jié)的正偏與反偏，可使晶體管處于放結(jié)的正偏與反偏，可使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，來實現(xiàn)不同的功能。大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，來實現(xiàn)不同的功能。確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：1判斷判斷e結(jié)是正偏還是反偏。若結(jié)是正偏還是反偏。若uBE 0，所以，所以c結(jié)結(jié)反偏，假設(shè)成立，反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)當(dāng)UI=5V時，因為，時，因為，UCB=-3.28V0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat) 。 51 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原

35、理常用半導(dǎo)體器件原理 2 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例例4.4.2晶體管直流偏置電路如圖晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管所示，已知晶體管V的的UBE(on)=-0.7V， =50。判斷。判斷V的的工作狀態(tài)，并計算工作狀態(tài)，并計算IB、IC和和UCE。 解：圖中晶體管是解：圖中晶體管是PNP型，型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+ )IBRE=-0.7V，得到得到IB=-37.4 A0，所以，所以V處于放大處于放大或飽和狀態(tài)或飽和狀態(tài)。假設(shè)處于放大狀態(tài)，則假設(shè)處于放大狀態(tài)，則IC=

36、IB=-1.87mA，驗證：因為，驗證：因為，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74VUSUG柵極電流：柵極電流：IG 0夾斷電壓：夾斷電壓：UGS(off) 58 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2 2、輸出特性、輸出特性(iD-uDS) 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 2 V 0.5 V 1 V 1.5 V UDG UGS(off) 恒 流 區(qū) 可變電阻區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 UGS UGS(off) 擊穿區(qū) UGS 0 （1）恒流區(qū)）恒流區(qū) (|uGS| |UGS(off)|且且|uDG| |uDS uG

37、S| |UGS(off)|) （2）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū) (|uGS| |UGS(off)|且且|uDG| |UGS(off)|)uGS和和iD為平方率關(guān)系。為平方率關(guān)系。預(yù)夾斷預(yù)夾斷導(dǎo)致導(dǎo)致uDS對對iD的控制能力很弱。的控制能力很弱。（3）截止區(qū)截止區(qū) ( (|uGS| |UGS(off)|)uDS的變化明顯改變的變化明顯改變iD的大小。的大小。導(dǎo)電溝道全部夾斷導(dǎo)電溝道全部夾斷，iD 0。 N G D S UGS uDS iD P+ P+ 另外，若另外，若|uDS|足夠大，則足夠大，則PN結(jié)在結(jié)在靠近漏極的局部會擊穿，靠近漏極的局部會擊穿，iD急劇急劇增大，相應(yīng)的區(qū)域成為擊穿區(qū)。增大，相

38、應(yīng)的區(qū)域成為擊穿區(qū)。 59 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理3 3、轉(zhuǎn)移特性、轉(zhuǎn)移特性(iD-UGS) 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 2GS(off)GSDSSD1UuIi恒流區(qū)內(nèi)，恒流區(qū)內(nèi)，i iD D與與u uGSGS的平方率關(guān)系的平方率關(guān)系可以描述為：可以描述為： 60 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理4.5.2絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)電溝道，分為增強，根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)

39、電溝道，分為增強型型（normally-off）和耗盡型和耗盡型(normally-on)。 G D S 柵極 G 漏極 D N N P 襯底 源極 S B PN 結(jié) B G D S 柵極 G 漏極 D P P N 襯底 源極 S B PN 結(jié) B N 溝道增強型 MOSFET P 溝道增強型 MOSFET G D S B G D S 柵極 G 漏極 D N 襯底 源極 S B PN 結(jié) B P P 柵極 G 漏極 D P 襯底 源極 S B PN 結(jié) N N N 溝道耗盡型 MOSFET P 溝道耗盡型 MOSFET 61 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理1 1、工作原理、

40、工作原理 G D N P 襯底 S B UGS UDS G D N P 襯底 S B UGS UDS G D N N P 襯底 S B UGS UDS ID ID ID N N UGS = 0 ID 0N溝道增強型溝道增強型MOSFETUGS UGS(th) 電場電場 反型層反型層 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 ID 0UGS控制控制ID的大小的大小UDUGUS=UB，IG = 0 62 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理在在UGS 0時就存在時就存在ID ID0。UGS增大增大ID增大。增大。當(dāng)當(dāng)UGS 0時，且時，且|UGS| 足夠大時，導(dǎo)電溝道消失，足夠大時，導(dǎo)電溝道消失，ID 0，

41、此時，此時的的UGS稱稱為夾斷電壓為夾斷電壓UGS(off) 。 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET2 2、輸出特性、輸出特性 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 5 V 4 V UDG UGS(th) 恒 流 區(qū) 可變電阻區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 UGS UGS(th) 擊穿區(qū) UGS 7 V G D N N P襯底 S B UGS UDS ID 預(yù)夾斷預(yù)夾斷N溝道增強型溝道增強型MOSFET各區(qū)劃分各區(qū)劃分140頁頁 63 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3

42、4 2 n為導(dǎo)電溝道中自由電子運動的遷移率；為導(dǎo)電溝道中自由電子運動的遷移率；Cox為單位面積的柵極電容；為單位面積的柵極電容；W 和和 L分別為導(dǎo)電溝道的寬度和長度，分別為導(dǎo)電溝道的寬度和長度，W / L為寬長比。為寬長比。2GS(th)GSoxnD)(2UuLWCi)1 ()(2DS2GS(th)GSoxnDuUuLWCiN溝道增強型溝道增強型MOSFET3 3、轉(zhuǎn)移特性、轉(zhuǎn)移特性 恒流區(qū)內(nèi)，恒流區(qū)內(nèi)，iD與與uGS的的平方率關(guān)系平方率關(guān)系可以描述為：可以描述為：如果計入如果計入uDS對對iD的微弱影響，則需要用溝道調(diào)制系數(shù)的微弱影響，則需要用溝道調(diào)制系數(shù)修正公式。修正公式。 64 第二章

43、第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET（類似（類似N溝道溝道JFET） 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 3 V 0 UDG UGS(off) 恒 流 區(qū) 可變電阻區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 UGS UGS(off) 擊穿區(qū) UGS = 9 V 0 3 6 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 2 3 4 3 9 6 1 2GS(off)GSD0D1uuIi2GS(off)oxnD02ULWCI恒流區(qū)電流方程恒流區(qū)電流方程 65 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理4.5.3各種場效應(yīng)管的

44、比較以及場效應(yīng)管與晶體管的對比各種場效應(yīng)管的比較以及場效應(yīng)管與晶體管的對比 G D S G D S G D S B G D S B G D S B G D S B JF ET N 溝 道 P 溝 道 N 溝 道 P 溝 道 N 溝 道 P 溝 道 增 強 型 耗 盡 型 M O SF ET 電路符號電路符號 0 UGS iD IDSS UGS(off) UGS(th) JFET N 溝道 ID0 MOSFET 耗盡型 N 溝道 增強型 N 溝道 UGS(th) UGS(off) JFET P 溝道 增強型 P 溝道 耗盡型 P 溝道 MOSFET IDSS ID0 0 UDS iD JFET

45、N 溝道 MOSFET 耗盡型 N 溝道 增強型 N 溝道 0 2 7 4 2 3 3 1 4 2 0 5 1 1 6 5 3 2 UGS (V) 耗盡型 P 溝道 JFET P 溝道 增強型 P 溝道 UGS (V) 7 2 0 6 1 1 5 0 2 4 1 3 2 2 3 3 4 5 MOSFET 特性曲線特性曲線 66 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理場效應(yīng)管和晶體管的主要區(qū)別包括：場效應(yīng)管和晶體管的主要區(qū)別包括：晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)時，存在一定的基極電流，晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)時，存在一定的基極電流，輸入電阻較小。場效應(yīng)管中，輸入電阻較小。場效應(yīng)管中，

46、JFET的輸入端的輸入端PN結(jié)反偏，結(jié)反偏，MOSFET則用則用SiO2隔離了柵極和導(dǎo)電溝道，所以場效應(yīng)管的柵隔離了柵極和導(dǎo)電溝道，所以場效應(yīng)管的柵極電流很小，輸入電阻極大。極電流很小，輸入電阻極大。晶體管中自由電子和空穴同時參與導(dǎo)電，主要依靠基區(qū)中非晶體管中自由電子和空穴同時參與導(dǎo)電，主要依靠基區(qū)中非平衡少子的擴散運動，所以導(dǎo)電能力易受外界因素如溫度的影響平衡少子的擴散運動，所以導(dǎo)電能力易受外界因素如溫度的影響。場效應(yīng)管只依靠自由電子和空穴之一在導(dǎo)電溝道中作漂移運動。場效應(yīng)管只依靠自由電子和空穴之一在導(dǎo)電溝道中作漂移運動實現(xiàn)導(dǎo)電，導(dǎo)電能力不易受環(huán)境的干擾。實現(xiàn)導(dǎo)電，導(dǎo)電能力不易受環(huán)境的干擾。

47、場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)對稱，場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)對稱，源極和漏極源極和漏極可互換使用。可互換使用。 晶體管發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖是同型雜質(zhì)半導(dǎo)體，但因制作工藝晶體管發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖是同型雜質(zhì)半導(dǎo)體，但因制作工藝不同，二者不能互換使用。不同，二者不能互換使用。 67 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 UDD RG 100 k RD 2 k 12 V UGS(off) 4 V IDSS 3 mA (a) UDD RG 100 k RD 3 k 10 V UGS(th) 2 V ID 3 mA (b) E V V 5 V 例例4.5.1判斷圖中場效判斷圖中場效應(yīng)管的工作狀態(tài)。應(yīng)管的工作狀態(tài)。 解解: :圖圖(a)是是N溝道溝道JFET，UG S=0UG S (off)，故該，故該JFET工作在恒流區(qū)或可工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且變電阻區(qū)，且ID=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，故故該該JFET工作在恒流區(qū)。工作在恒流區(qū)。圖圖 (b) 是是P溝道增強型溝道增強型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th)