模擬電子電路第7章

1、第第7章章 常用半導體器件常用半導體器件教學目標與要求教學目標與要求l 熟悉半導體的導電特性。熟悉半導體的導電特性。l 掌握掌握PN結的特性。結的特性。 l 了解二極管、三極管和場效應管的結構和工作原了解二極管、三極管和場效應管的結構和工作原 理，掌握其特性曲線及其主要參數。理，掌握其特性曲線及其主要參數。 l 了解發(fā)光二極管、光電二極管、光電三極管和光了解發(fā)光二極管、光電二極管、光電三極管和光 電耦合器等新型半導體器件的結構及工作原理。電耦合器等新型半導體器件的結構及工作原理。 7.1 7.1 半導體的基本知識半導體的基本知識物質的分類物質的分類 （按導電性能分）（按導電性能分）導體：低價元

2、素（如導體：低價元素（如CuCu、AIAI等）等）導電性能好導電性能好絕緣體：高價元素（如惰性氣體）絕緣體：高價元素（如惰性氣體）或高分子物或高分子物 質（如橡膠）質（如橡膠）導電性能極差導電性能極差半導體：四價元素（如半導體：四價元素（如SiSi、GeGe等）等）導電性能介于導體和絕緣體之間導電性能介于導體和絕緣體之間 （1 1）半導體的多變特性半導體的多變特性（2 2）溫度升高導電能力顯著變化。如溫度升高導電能力顯著變化。如熱敏電阻熱敏電阻光線照射導電能力顯著變化。如光線照射導電能力顯著變化。如光電二極管光電二極管載流子載流子（3 3） 在本征半導體中摻入少量的有用的雜質，導在本征半導體中

3、摻入少量的有用的雜質，導電能力顯著增強。電能力顯著增強。如二極管、晶體管等。如二極管、晶體管等。 7.1.1 7.1.1 本征半導體本征半導體定義定義SiSiSiSiSiSiSiSiSi共共價價鍵鍵價價電電子子晶體原子的結合方式晶體原子的結合方式共價鍵共價鍵如圖所示如圖所示 2. 本征半導體的特點本征半導體的特點（1）有兩種載流子，即）有兩種載流子，即 自由電子和空穴，自由電子和空穴， 且數目相等，即成且數目相等，即成 對出現(xiàn)。對出現(xiàn)。（2）可形成兩種電流，）可形成兩種電流， 即電子電流和空穴即電子電流和空穴 電流。電流。空穴空穴自由自由電子電子 （1）金屬）金屬導體只有一種載流子即自由電子。

4、導體只有一種載流子即自由電子。本證激發(fā)本證激發(fā)復合復合 （2）本證半導體中，自由電子和空穴的濃度相等）本證半導體中，自由電子和空穴的濃度相等。SiSiSiSiSiSiSiSiSi（3） 本征半導體中載流子的濃度與環(huán)境溫度有關；本征半導體中載流子的濃度與環(huán)境溫度有關；溫度溫度T載流子的濃度載流子的濃度導電能力增強導電能力增強 （4） 導電能力仍不如導體。導電能力仍不如導體。 （5） 絕對零度（絕對零度（T=0K）時，本征半導體成為絕緣體。）時，本征半導體成為絕緣體。 7.1.2雜質半導體雜質半導體多余多余電子電子 在純凈的硅晶體中摻入五價在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷）元素（如磷） N型半導

5、體的特點：型半導體的特點： 有兩種載流子，即自由電子有兩種載流子，即自由電子 和空穴。自由電子是多子，和空穴。自由電子是多子， 空穴是少子；空穴是少子；1. N型半導體型半導體SiSiSiP+SiSiSiSiSi 主要靠自由電子導電。主要靠自由電子導電。2. P型半導體型半導體 SiSiSiSiB-SiSiSiSi空位空位空穴空穴 有兩種載流子，即有兩種載流子，即 自由自由 電子和空穴?？昭ㄊ嵌嚯娮雍涂昭??？昭ㄊ嵌?子，自由電子是少子；子，自由電子是少子； 主要靠空穴導電。主要靠空穴導電。特別提示特別提示l 雜質半導體中的雜質原子必須是微量的，且有用，雜質半導體中的雜質原子必須是微量的，且有用

6、， 否則將改變半導體的晶體結構。否則將改變半導體的晶體結構。l 在雜質半導體中，所摻雜質的濃度基本上決定了在雜質半導體中，所摻雜質的濃度基本上決定了 多子的濃度；而溫度決定少子的濃度。多子的濃度；而溫度決定少子的濃度。l 雜質半導體（雜質半導體（N型半導體或型半導體或P型半導體）仍呈中型半導體）仍呈中 性。性。 7.2 PN結結 7.2.1 PN結的形成結的形成 擴散運動擴散運動漂移運動漂移運動動態(tài)平衡動態(tài)平衡（一定寬度）（一定寬度）空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結結- - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + +P P區(qū)多子區(qū)多子N

7、N區(qū)多子區(qū)多子- - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + +空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場內電場說明說明 空間電荷區(qū)又稱耗盡層空間電荷區(qū)又稱耗盡層 7.2.2 PN結的單向導電性結的單向導電性 1. PN結正向偏置結正向偏置外加正向電壓或外加正向電壓或正向接法正向接法特別提示特別提示 PN結的正向電流可視結的正向電流可視為由多子的擴散運動形為由多子的擴散運動形成的。成的。- - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + +空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場內電場RUS外電場外電場變

8、窄變窄內電場內電場外電場外電場USRP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)-+ + + +I 2. PN結反向偏置結反向偏置外加反向電壓或外加反向電壓或反向接法反向接法特別提示特別提示l PN結的反向電流結的反向電流 可視為由少子的可視為由少子的 漂移運動形成。漂移運動形成。- - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + +空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場內電場RUS外電場外電場- - - - - - -+ + + + + + + + + +變寬變寬內電場內電場RUS外電場外電場Il PN結的反向電流結的反向電流 對溫度很敏感。對溫度很敏感。 PN結正向偏置結正向

9、偏置空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄正向電阻很小正向電阻很小正向電流較大正向電流較大PN結導通結導通 PN結反向偏置結反向偏置空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 （理想時為（理想時為）反向電流（反向飽和電流）極小反向電流（反向飽和電流）極?。ɡ硐霑r為（理想時為0）PN結截止結截止反向電阻很大反向電阻很大結論結論（理想時為（理想時為0）說明說明PN結的結電容結的結電容Cj勢壘電容勢壘電容Cb擴散電容擴散電容CdCj=Cb+Cd 7.2.3 PN結的電流方程結的電流方程)1e (S kTquIiqkTUT 令令則則)1e (S TuuIi常溫時，即常溫時，即T=300K（即（即27）時，）時，UT26mV說

10、明說明構成構成: :實質上就是一個實質上就是一個PN結結PNPN結結+ +引線引線+ +管殼管殼7.3 7.3 二極管二極管 外形及圖形符號外形及圖形符號陽極陽極陰極陰極PN7.3.1 7.3.1 二極管的類型和結構二極管的類型和結構 1. 二極管的類型二極管的類型按所用材料不同分按所用材料不同分硅管硅管鍺管鍺管按用途不同分按用途不同分普通管普通管整流管整流管開關管開關管按內部結構不同分按內部結構不同分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型大功率整流元件大功率整流元件多為鍺管多為鍺管多為硅管多為硅管1. 二極管的結構二極管的結構（1）點接觸型）點接觸型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型

11、鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼 結面積小、結電容小、正向電流小。結面積小、結電容小、正向電流小。特點特點用途用途用于高頻電路的檢波和變頻等。用于高頻電路的檢波和變頻等。（2）面接觸型）面接觸型 結面積大、正向結面積大、正向電流大、結電容大。電流大、結電容大。特點特點用途用途 多用于工頻大電多用于工頻大電流整流電路。流整流電路。（3）平面型）平面型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線PN結結金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線 結面積可大可小。結面積可大可小。特點特點用途用途 多用于低頻整流和開多用于低頻整流和開關電路中。關電路中。陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線SiO2保護保

12、護層層P型硅型硅N 型硅型硅 1.2.2 1.2.2、二極管的伏安特性、二極管的伏安特性反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)外加電壓大于死區(qū)外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。失去單向導電性。反向特性反向特性硅硅0 0.60.8V典型值典型值0.7V鍺鍺0.10.3V典型值典型值0.2VuiPN+PN+非線性非線性l 二極管的特性與環(huán)境溫度有關。當環(huán)境溫度升高二極管的特性與環(huán)境溫度有關。當環(huán)境溫度升高 時，正向特性曲線將左移，反向特性曲線將下移，時，正向特性曲線將左移，反向特性曲線將下移

13、， 反向飽和電流將增加，而反向擊穿電壓將降低，反向飽和電流將增加，而反向擊穿電壓將降低， 如圖所示。如圖所示。 特別提示特別提示Ou/Vi/mA2560U(BR)Bi/A死區(qū)死區(qū)電壓電壓正向正向特性特性反向反向特性特性Al 一般地，硅二極管所允許的結溫比鍺二極管的高一般地，硅二極管所允許的結溫比鍺二極管的高 （硅管的最高結溫約為（硅管的最高結溫約為150150，鍺管的約為，鍺管的約為9090），）， 故大功率的二極管幾乎均為硅管。故大功率的二極管幾乎均為硅管。 l 二極管的正向特性曲線不是直線，而是近似為指數二極管的正向特性曲線不是直線，而是近似為指數 曲線。故二極管是一個非線性器件。曲線。故

14、二極管是一個非線性器件。 7.3.3 7.3.3 二極管的主要參數二極管的主要參數 1.1.最大整流電流最大整流電流：指平均值。要求：指平均值。要求IVD(A V)IFM2.2.最高反向工作電壓最高反向工作電壓：指最大值。要求：指最大值。要求URmURM3.3.最大反向電流最大反向電流IRM:要求要求4.4.最高工作頻率最高工作頻率好好7.3.4 7.3.4 二極管的主要用途二極管的主要用途 1. 整流整流 將大小和方向隨時間變化的交流電壓變成單一將大小和方向隨時間變化的交流電壓變成單一方向的、脈動的直流電壓的過程稱為整流。整流原方向的、脈動的直流電壓的過程稱為整流。整流原理詳見第理詳見第12

15、12章。章。 2. 檢波檢波 調制的方式通常分為調幅、調頻和調相三種。調制的方式通常分為調幅、調頻和調相三種。 tuo調制信號調制信號O低通濾波器低通濾波器包絡檢波原理包絡檢波原理檢波輸出檢波輸出調幅波調幅波檢檢 波波 器器ui載波載波調制信號調制信號Ot3. 限幅限幅 將輸出電壓的幅值限制在一定數值范圍之內的電將輸出電壓的幅值限制在一定數值范圍之內的電路稱為限幅器。限幅器又稱為削波器。路稱為限幅器。限幅器又稱為削波器。 4. 鉗位鉗位將電路中某點的電位鉗制在某一數值上，稱為鉗位。將電路中某點的電位鉗制在某一數值上，稱為鉗位。 5. 保護保護保護電路中某些元器件，防止受到過電壓而損壞。保護電路

16、中某些元器件，防止受到過電壓而損壞。定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導通導通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，-10（b b）波形圖）波形圖uo/VOt5.7-5.72310ui【例【例7-1】 如圖（如圖（a）所示電路，設輸入電壓，）所示電路，設輸入電壓， ，US1US25V，VD1和和VD2均為硅管，均為硅管，其正向導通電壓降其正向導通電壓降UVD0.7V。試畫出輸出電壓。試畫出輸出電壓uo的的波形。波形。Vsin10itu VD1VD2Ruiuo+-US1US2+-（a）【解】【解】 當當ui5.7V時，時，VD1導通，導通，VD2因反向偏置而截止

17、，因反向偏置而截止，uoUVD1US15.7V。 當當ui5.7V時，時，VD1因反因反向偏置而截止，向偏置而截止，VD2導通，導通，uoUVD2US25.7V。 當當5.7Vui5.7V時，時，VD1和和VD2均截止，均截止，uoui。輸出電壓輸出電壓uo的波形如圖（的波形如圖（b）所示。）所示。 若若U陽陽U陰陰或或UVD D為正為正( ( 正向偏置正向偏置 ) )，二極管導通，二極管導通 將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓加電壓UVD的正負。的正負。若若U陽陽 uBE 輸出特性曲線近于輸出特性曲線近于平直的區(qū)域就是放大平直的區(qū)域就是

18、放大區(qū)。在放大區(qū)（也區(qū)。在放大區(qū)（也稱稱為線性區(qū)）內，晶體為線性區(qū)）內，晶體管具有恒流特性。管具有恒流特性。 晶體管放大的特點晶體管放大的特點-RBRCVCCVT+-iBiCuCEuBEVBB 外部條件：發(fā)射結正向偏置，外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電集電 結正向偏置。結正向偏置。不再成立不再成立BCBC,IiII uBE大于死區(qū)電壓，且大于死區(qū)電壓，且uCE uBE 當晶體管工作于放大區(qū)時，由當晶體管工作于放大區(qū)時，由圖可知圖可知uCEVCCiCRCVCCIBRC IBuCEuCE=uBE臨界飽和狀態(tài)臨界飽和狀態(tài)集電極臨界飽和電流集電極臨界飽和電流CCESCCCSRUVI 基極臨界飽和電流基極

19、臨界飽和電流CCESCCCSBSRUVII 硅管硅管UCES=0.7V鍺管鍺管UCES=0.2VIBuCE|uBE| ），則晶體），則晶體 管處于放大狀態(tài)；管處于放大狀態(tài)；（2）若集電結正向偏置（即）若集電結正向偏置（即|uCE|uBE|），則晶體），則晶體 管處于飽和狀態(tài)；管處于飽和狀態(tài)；（3）若）若uCE=uBE ，則晶體管處于臨界飽和狀態(tài)。，則晶體管處于臨界飽和狀態(tài)?！纠纠?-5】 晶體管晶體管VT1三個引腳的直流電位分別為三個引腳的直流電位分別為6V、2V和和1.3V；晶體管；晶體管VT2三個引腳直流電位分別為三個引腳直流電位分別為6V、3V和和6.2V。試分別指出晶體管各引腳的名稱

20、以及管。試分別指出晶體管各引腳的名稱以及管子的類型（子的類型（NPN型或型或PNP型、硅管或鍺管）。型、硅管或鍺管）。 思路：思路：先定基極先定基極 由由UEUBUC（NPN管）和管）和UCUBUE，則為，則為NPN型，否則為型，否則為NPN型；型；若若|UBE|=0.7V，則為硅管；若為，則為硅管；若為0.2V，則為鍺管。，則為鍺管。7.5.4 7.5.4 晶體管的主要參數晶體管的主要參數（1 1）共射直流電流放大系數）共射直流電流放大系數 BCII （2 2）共射交流電流放大系數）共射交流電流放大系數 常常數數 CECEBCUuii 1.1.共射電流放大系數共射電流放大系數2.2.極間反向

21、電流極間反向電流ICBO：集電結反向飽和電流：集電結反向飽和電流。 ICEO ：穿透電流：穿透電流CBOCEO)1(II 選管原則：選管原則：幾十幾十100多，多，)(CEOCBOII好好 常數常數 CCECMiuPICM、PCM和和U（BR）CEO是晶體管的三個極限參數，是晶體管的三個極限參數，是選擇管子的主要依據，由其構成了晶體管的安是選擇管子的主要依據，由其構成了晶體管的安全工作區(qū)。全工作區(qū)。U(BR)CEOICMuCEiCO等功耗線等功耗線PCM=uCEiC過損耗區(qū)過損耗區(qū)安全工作區(qū)安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū) 場效應晶體管場效應晶體管(FET)(FET)是利用外加電

22、壓所產生的是利用外加電壓所產生的來控制電流大小的一種半導體器件。來控制電流大小的一種半導體器件。 它僅靠半導體中的它僅靠半導體中的，又稱單極型晶又稱單極型晶體管。體管。 類型類型結型結型絕緣柵型（絕緣柵型（MOS管）管） 優(yōu)點：輸入電阻大（優(yōu)點：輸入電阻大（109 1014）、噪音低、熱）、噪音低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等N溝道溝道MOS管管P溝道溝道MOS管管按導電溝按導電溝道不同分道不同分按是否具按是否具有原始溝有原始溝道分道分增強型增強型MOS管管耗盡型耗盡型MOS管管MOS管的類型管的類型N溝道增強型溝道增強型MOS管管P溝道增強型溝道增強型MOS管管N溝道耗

23、盡型溝道耗盡型MOS管管P溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管7.6.1 N溝道溝道MOS管管 1. N溝道增強型溝道增強型MOS管管 1）結構及符號）結構及符號 漏極漏極金屬鋁片金屬鋁片柵極柵極源極源極DGSSIO2P型硅襯底型硅襯底N+N+BGSDB耗盡層耗盡層漏極漏極金屬鋁片金屬鋁片柵極柵極源極源極DGSSIO2P型硅襯底型硅襯底N+N+BGSDB耗盡層耗盡層 柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高（最高可達柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高（最高可達 1014 ） 。 柵極電容的形成。柵極電容的形成。2）工作原理）工作原理（1）uGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用 當柵源電壓當柵源電壓uGS = 0

24、時，漏極時，漏極和源極之間是兩個背靠背的和源極之間是兩個背靠背的PN結結,不管漏極和源極之間所加電不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個壓的極性如何，其中總有一個PN結是反向偏置結是反向偏置,漏極電流近漏極電流近似為零。似為零。 當柵當柵-源極加正向電壓，源極加正向電壓，即即uGS0 ,而而uDS=0時，絕時，絕緣層與襯底之間形成耗緣層與襯底之間形成耗盡層，如圖所示。盡層，如圖所示。DGSP型硅襯底型硅襯底N+N+B耗盡層耗盡層P型硅襯底型硅襯底BDGSuGSN+N+耗盡層耗盡層 uGS反型層加厚反型層加厚溝道電阻變小溝道電阻變小DGSP型硅襯底型硅襯底N+N+BuGS反型層反型層

25、 當當uGS耗盡層加厚耗盡層加厚反型層反型層導電溝道導電溝道 （3）當）當uGSUGS(th)且一定時，且一定時，uDS對對iD的影響的影響 DSGSGDuuu （漏極附近）（漏極附近） 若在漏若在漏-源極之間加正向電壓，即源極之間加正向電壓，即uDS0，則導，則導電溝道的形狀如圖所示。電溝道的形狀如圖所示。 uDS=uGS-UGS(th) 常數常數 GSDSDuui（溝道電阻基本不變）（溝道電阻基本不變） uGDUGS(th)，即，即uDSuGS-UGS(th)uGDuGS-UGS(th)3）特性曲線與電流方程）特性曲線與電流方程（1）輸出特性曲線）輸出特性曲線常常數數 GSGS| )(DS

26、DUuufi 預夾斷軌跡預夾斷軌跡 場效應管有三個工作區(qū)場效應管有三個工作區(qū) 外部條件外部條件 可變電阻區(qū)（又稱非飽和區(qū)）可變電阻區(qū)（又稱非飽和區(qū)）a. uGS UGS(th)0（正向電壓）（正向電壓）b.0uDS0UGS2UGS3UGS4UGS增增加加 恒流區(qū)（又稱飽和區(qū)）恒流區(qū)（又稱飽和區(qū)）外部條件外部條件a.uGSuGS(th)0 （正向電壓）（正向電壓）b.uDSuGS-UGS(th) （正向電壓）（正向電壓） 夾斷區(qū)夾斷區(qū)外部條件：外部條件：uGS0UGS2UGS3UGS4UGS增增加加注意注意場效應晶體管是電壓控場效應晶體管是電壓控制型器件制型器件 （2） 轉移特性轉移特性常數常數

27、 DSDS)(GSDUuufiuDS/ViD/mAOUGS1UGS(th)0UGS2UGS3UGS4UGS增增加加uGS/VUGS(th)iD/mAO2UGS(th)IDO（3 3）電流方程）電流方程2GS(th)GSDOD1 UuIiuGS UGS（th)0( uDSuGS-UGS(th) ) 2. N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管 1）結構及符號）結構及符號 2）工作原理）工作原理 P型硅襯底型硅襯底BDGSN+N+uGS+ + + +N溝道溝道SGDB3）特性曲線與電流方程）特性曲線與電流方程（b）輸出特性曲線）輸出特性曲線uDSiDOUGSUGS(off)UGS10UGS20UGS30

28、UGS增增加加uGS（a）轉移特性曲線）轉移特性曲線OiDUGS(off)IDSS2GS(off)GSDSSD1 UuIi( UGS（off)uGSuGS-UGS(off) ) 漏極飽漏極飽和電流和電流7.6.2 P溝道溝道MOS管管 P溝道溝道GSDN溝道溝道BGSDBGSDP溝道溝道GSDBB名稱名稱圖形圖形符號符號轉移特性轉移特性輸出特性輸出特性工作于工作于恒流區(qū)條件恒流區(qū)條件N溝溝道增道增強型強型 N溝溝道耗道耗盡型盡型 GDSBGDSBuGSOiDUGS(off)N溝道溝道MOS管的圖形符號、特性曲線及放大條件管的圖形符號、特性曲線及放大條件 uGSuGS(th)0uDSuGS-uG

29、S(th) 0uGSuGS(off)uDSuGS-uGS(off)0uDSiDuGS0uGS0uGS0OuDSiDOuGS=0uGS0uDS=uGS-uGS(th)uDS=uGS-uGS(off)uGSUGS(th)OiD名稱名稱圖形圖形符號符號轉移特性轉移特性輸出特性輸出特性工作于工作于恒流區(qū)條件恒流區(qū)條件P溝溝道增道增強型強型 P溝溝道耗道耗盡型盡型 GDSBGDSBP溝道溝道MOS管的圖形符號、特性曲線及放大條件管的圖形符號、特性曲線及放大條件 uGSuGS(th)0uDSuGS-uGS(th)0uGSuGS(off)uDSuGS-uGS(off)0UGS(off)OiDuGSuDSiD

30、uGS0OuGS0uGS0OuGS=0uGS幾十幾十A時光電流時光電流光照光照遙控、報警、光電傳感器遙控、報警、光電傳感器 （b）在第四象限中呈光電池特性）在第四象限中呈光電池特性2. 應用電路應用電路（a）光電二極）光電二極管反向偏置時管反向偏置時的應用的應用iUSR+-uRVD（b）光電二極管形成）光電二極管形成光電池光電池Ri+-uRVD 7.7.2 光電晶體管光電晶體管 1. 符號及特性曲線符號及特性曲線常常數數 Eufi)(CEC2. 應用電路（光控開關電路）應用電路（光控開關電路）VT1VCCVT2RKVD特別提示特別提示 光電二極管的特點：線性好、光電二極管的特點：線性好、工作頻率高；工作頻率高； 光電晶體管的特點：靈敏度高。光電晶體管的特點：靈敏度高。注意注意續(xù)流