昆明理工大學模擬電路第一章 半導體器件及基本電路

1、1半導體器件半導體器件1.11.1半導體的基礎知識半導體的基礎知識1.21.2半導體二極管半導體二極管1.31.3雙極型半導體三極管雙極型半導體三極管1.41.4場效應管場效應管小結(jié)小結(jié)2半導體器件半導體器件1.11.1半導體的基礎知識半導體的基礎知識 1.1.1 半導體的物理特性半導體的物理特性1.1.2 本征半導體本征半導體1.1.3 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體1.1.4 PN結(jié)結(jié)(PN Junction)3 自然界按其導電性能來分類可以分為自然界按其導電性能來分類可以分為導體導體,絕緣體絕緣體和和半導體半導體。 半導體：半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。導電能力介于導體和絕緣體之間的

2、物質(zhì)。 例如：硅（例如：硅（Si），鍺（），鍺（Ge），砷化鎵（），砷化鎵（GaAs）45 半導體的晶體結(jié)構(gòu)半導體的晶體結(jié)構(gòu)l制作半導體的主要材料是硅和鍺制作半導體的主要材料是硅和鍺l它們最外層都有它們最外層都有4個個價電子價電子l外層電子影響它們的化學性質(zhì)外層電子影響它們的化學性質(zhì) 也影響他們的導電性能也影響他們的導電性能硅硅( (鍺鍺) )的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)6 半導體的晶體結(jié)構(gòu)半導體的晶體結(jié)構(gòu) 如果把原子核和結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的內(nèi)層電子看成一個整如果把原子核和結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的內(nèi)層電子看成一個整體，稱為體，稱為慣性核慣性核，那么慣性核就帶著四個正電荷，那么慣性核就帶著四個正電荷，外層價電子帶四個負電荷

3、。外層價電子帶四個負電荷。7 硅和鍺都是單晶體材料，硅和鍺都是單晶體材料，它們的單晶體具有金剛石它們的單晶體具有金剛石結(jié)構(gòu)，每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)合，這些原結(jié)構(gòu)，每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)合，這些原子彼此之間通過共價鍵聯(lián)系起來。子彼此之間通過共價鍵聯(lián)系起來。硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)平面示意圖晶體結(jié)構(gòu)平面示意圖8本征半導體本征半導體純凈的結(jié)構(gòu)完整的半導體。如硅、鍺單晶體。純凈的結(jié)構(gòu)完整的半導體。如硅、鍺單晶體。本征激發(fā)本征激發(fā)在溫度變高或光照下價電子在溫度變高或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共束縛成為自由電子，并在共

4、價鍵中留下一個空位價鍵中留下一個空位(空穴空穴)的過程。的過程。9l復合復合電子和空穴成對的消失電子和空穴成對的消失l本征激發(fā)本征激發(fā)電子和空穴成對的出現(xiàn)電子和空穴成對的出現(xiàn)l載流子載流子電子和空穴都可以移動電子和空穴都可以移動10N型半導體型半導體 摻五價元素摻五價元素 如磷如磷N型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)P型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)P型半導體型半導體 摻三價元素摻三價元素 如硼如硼自由電子自由電子多多數(shù)載流數(shù)載流子子 空穴空穴少少數(shù)載流數(shù)載流子子自由電子自由電子少少數(shù)載流數(shù)載流子子 空穴空穴多多數(shù)載流數(shù)載流子子11N型半導體的簡化圖型半導體的簡化圖P型半導體的簡化圖型半

5、導體的簡化圖負離子負離子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子P型型正離子正離子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子N型型摻雜濃度摻雜濃度 電子數(shù)電子數(shù)摻雜濃度摻雜濃度 空穴數(shù)空穴數(shù)12l漂移運動漂移運動l擴散運動擴散運動 在有在有電場作用電場作用時，半導體中的載流子將產(chǎn)生定向運時，半導體中的載流子將產(chǎn)生定向運動，稱為動，稱為漂移運動漂移運動。載流子的漂移運動形成的電流稱為。載流子的漂移運動形成的電流稱為漂移電流漂移電流。 由于由于濃度差濃度差而引起的定向運動稱為而引起的定向運動稱為擴散運動擴散運動，載流子，載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散運動所形成的電流稱為擴散電流擴散電流。13（一

6、）（一）PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成1. 載流子的載流子的濃度差濃度差引起引起兩邊多子的擴散兩邊多子的擴散2. 擴散運動使交界面形成空間電荷區(qū)擴散運動使交界面形成空間電荷區(qū) ( (耗盡層耗盡層) ) 擴散運動擴散運動和和漂移運動漂移運動達到了達到了動態(tài)的平衡動態(tài)的平衡阻止多子的擴散運動阻止多子的擴散運動利于少子的漂移運動。利于少子的漂移運動。內(nèi)建電場內(nèi)建電場 形成了內(nèi)建電場形成了內(nèi)建電場14內(nèi)建電場內(nèi)建電場 內(nèi)建電場的大小與形成內(nèi)建電場的大小與形成PNPN結(jié)兩邊的載流子濃度差有結(jié)兩邊的載流子濃度差有關：關：l濃度差越大，則擴散運動愈顯著，達到平衡時的內(nèi)建電場越大；濃度差越大，則擴散運動愈顯著，達到

7、平衡時的內(nèi)建電場越大；l由于鍺材料的兩邊的少子濃度都遠遠大于硅的少子濃度（約由于鍺材料的兩邊的少子濃度都遠遠大于硅的少子濃度（約10001000倍），因此內(nèi)建電場比硅的小得多。（鍺的開啟電壓小）倍），因此內(nèi)建電場比硅的小得多。（鍺的開啟電壓?。﹍隨著溫度的升高，由于多子濃度幾乎不變，而少子濃度變大，兩隨著溫度的升高，由于多子濃度幾乎不變，而少子濃度變大，兩邊的濃度差變小，因此內(nèi)建電場變小。（開啟電壓隨溫度升高而邊的濃度差變小，因此內(nèi)建電場變小。（開啟電壓隨溫度升高而變?。┳冃。?5 沒有外加電場作用：沒有外加電場作用： 擴散和漂移達到擴散和漂移達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡擴散電流擴散電流 = 漂移電流

8、漂移電流 總電流總電流 I = 0內(nèi)建電場內(nèi)建電場16（二）（二）PN結(jié)單向?qū)щ娦越Y(jié)單向?qū)щ娦?. 外加正向電壓外加正向電壓( (正向偏置正向偏置) ) forward biasP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)電場電場外電場外電場外電場使多子向外電場使多子向 PN 結(jié)移動結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF擴散運動加強形成正向電流擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子限流電阻限流電阻172. 外加反向電壓外加反向電壓( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)電場電場外電場外電場外電場使多子背離外

9、電場使多子背離 PN 結(jié)移動，結(jié)移動， 空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)變寬。ISPN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成漂移運動加強形成反向飽和電流反向飽和電流 ISIS = I少子少子 0（二）（二）PN結(jié)單向?qū)щ娦越Y(jié)單向?qū)щ娦?8（三）（三）PN結(jié)單的伏安特性結(jié)單的伏安特性) 1e (/STUuII反向飽和反向飽和電流電流溫度的溫度的電壓當量電壓當量qkTUT電子電量電子電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)當當 T = 300K( (27 C) )：UT = 2

10、6 mVOu /VI /mA正向特性正向特性反向擊穿反向擊穿加正向電壓時：加正向電壓時：U 0且且U UT 加反向電壓時加反向電壓時: U UTiI IS S正向電流隨正向電壓的增大按指數(shù)增大正向電流隨正向電壓的增大按指數(shù)增大只流過很小的反向飽和電流只流過很小的反向飽和電流19（三）（三）PN結(jié)單的反向擊穿結(jié)單的反向擊穿Ou /VI /mA正向特性正向特性反向擊穿反向擊穿U (BR)擊穿電壓擊穿電壓 當加到當加到PN結(jié)上的反向電結(jié)上的反向電壓增大到某個數(shù)值時，反向壓增大到某個數(shù)值時，反向電流急劇增加。電流急劇增加。反向擊穿類型：反向擊穿類型：電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿 PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復

11、。結(jié)未損壞，斷電即恢復。 PN 結(jié)燒毀。結(jié)燒毀。齊納擊穿齊納擊穿：( (Zener) )反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。雪崩擊穿雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。20（四）（四）PN結(jié)單的電容效應結(jié)單的電容效應一般在高頻時考慮一般在高頻時考慮PN結(jié)的電容效應。結(jié)的電容效應。1. 勢壘電容勢壘電容PN結(jié)的空間電荷區(qū)的電荷量變化等效電容稱為結(jié)的空間電荷區(qū)的電荷量變化等效電容稱為勢壘電容（勢壘電容（C CB B）212. 擴散電容擴散電容當外加電壓增大時，非平衡少子濃度增加；同理，

12、外加電壓當外加電壓增大時，非平衡少子濃度增加；同理，外加電壓減小時，非平衡少子濃度降低。減小時，非平衡少子濃度降低。這樣，擴散到兩邊的少子受這樣，擴散到兩邊的少子受外加電壓大小控制，形成電容效應，稱為外加電壓大小控制，形成電容效應，稱為擴散電容擴散電容（CD）22（四）（四）PN結(jié)單的電容效應結(jié)單的電容效應 結(jié)論：結(jié)論：1. 低頻時，因結(jié)電容很小，對低頻時，因結(jié)電容很小，對 PN 結(jié)影響很小。結(jié)影響很小。 2. 高頻時，因電容容抗減小，使結(jié)電容分流顯著，高頻時，因電容容抗減小，使結(jié)電容分流顯著， 導致單向?qū)щ娦宰儾?。導致單向?qū)щ娦宰儾睢?. 結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。結(jié)面積小時結(jié)電容小，

13、工作頻率高。23半導體器件半導體器件1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管1.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性1.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1.2.4 二極管電路的分析方法二極管電路的分析方法1.2.5 特殊二極管特殊二極管24構(gòu)成構(gòu)成： PN 結(jié)結(jié) + 引線引線 + 管殼管殼 = 二極管二極管( (Diode) )符號符號：A ( (anode) )C ( (cathode) )25點接觸型點接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型硅片型硅片外殼外殼負極負極引線引線負極引線負極引線 面接觸型面接觸型N型硅型硅PN

14、 結(jié)結(jié) 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金金銻銻合金合金正極正極引線引線負極負極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP 型支持襯底型支持襯底26 點接觸型特點點接觸型特點：結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的：結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的 電流也小，適用于高頻電路的檢波或小電流的整流。電流也小，適用于高頻電路的檢波或小電流的整流。 面接觸型特點面接觸型特點：結(jié)面積大，因此結(jié)電容大，允許通過較：結(jié)面積大，因此結(jié)電容大，允許通過較大的電流，適用于低頻電路整流。大的電流，適用于低頻電路整流。 硅平面型特點硅平面型特點：結(jié)面積大的可以用于大功率整流；結(jié)面：結(jié)面積大的可以用于大功

15、率整流；結(jié)面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路，作為開關管使用。積小的，適用于脈沖數(shù)字電路，作為開關管使用。2728)1e (/SDD TUuIi反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當量電壓當量qkTUT電子電量電子電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)當當 T = 300( (27 C) )： UT = 26 mV（一）二極管的伏安方程（一）二極管的伏安方程29（二）二極管的伏安特性（二）二極管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth開啟開啟電壓電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )U UthiD 急劇上升急劇上升0 U Uth UD(o

16、n) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管鍺管 0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 幾十幾十 A ( (鍺鍺) )U UN二極管導通二極管導通等效為等效為 0.7 V 的恒壓源的恒壓源 UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (

17、mA)38例例 1.2.3 二極管構(gòu)成二極管構(gòu)成“門門”電路，設電路，設 V1、V2 均為理想二極均為理想二極管，當輸入電壓管，當輸入電壓 UA、UB 為低電壓為低電壓 0 V 和高電壓和高電壓 5 V 的不同的不同組合時，求輸出電壓組合時，求輸出電壓 UO 的值。的值。輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20 V0 V正偏導通正偏導通0 V0 V5 V正偏導通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏導通0 V5 V5 V正偏導通正偏導通5 V39例例 1.2.4 畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在ui = 15sin t (V) 作用下輸出作用下輸出 uO 的

18、的波形。波形。( (按理想模型按理想模型) )Otui / V15RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/ V1540例例 1.2.5 ui = 2 sin t (V)，分析二極管分析二極管(硅管硅管)的限幅作用。的限幅作用。ui 較小，宜采用恒壓降模型較小，宜采用恒壓降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 導通導通 V截止截止ui 0.7 VV1 導通導通 V2 截止截止uO = 0.7 VOtuO/ V0.7Otui / V2 0.741(二二) 圖解法圖解法1. 二極管電路的直流圖解分析二極管電路的直流圖解分析 uD = V

19、DD iDRiD = f (uD) 1.2 V100 iD / mA128400.30.6uD / V1.20.9MN直流負載線直流負載線 斜率斜率 1/R靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點斜率斜率1/RDiDQIQUQ可取可取 UQ = 0.7 VIQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA) 二極管直流電阻二極管直流電阻 RD ( 140QQDIUR422. 二極管電路的交流圖解分析二極管電路的交流圖解分析 iD / mAuD /VO電路中含直流和小信號交流電源時電路中含直流和小信號交流電源時, ,二極管中二極管中含交、直流含交、直流成分成分C 隔直流隔直流 通交流通交流當當 ui = 0 時時iD

20、 = IQUD= 0.7 V (硅硅)，0.2 V (鍺鍺)RUVIQDDQ設設 ui = sin tVDDVDD/ RQIQ tOuiUQ斜率斜率1/rd43iD / mAuD/VOVDDVDD/ RQIQ tOuiUQiD / mA tOdQDiIi dQDuUu id斜率斜率1/rdQuirDDddd1 ) 1e (/SDDTUuIiTUUTUIUIrTQSdQe1 rd = UT / IQ= 26 mV / IQ當當 ui 幅度較小時，幅度較小時，二極管伏安特性在二極管伏安特性在Q點附近近似為直線點附近近似為直線44(三三) 小信號模型法小信號模型法uiudRidrd對于交流信號對于交

21、流信號電路可等效為電路可等效為例例 1.3.6 ui = 5sin t (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k ， 求求 iD 和和 uD。 解解 1. 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 令令 ui = 0，取取 UQ 0.7 VIQ = (VDD UQ) / R = 3.3 mA452. 動態(tài)分析動態(tài)分析rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ( )Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)id = 0.625 sin t3. 總電壓、電流總電壓、電流dQDuUu dQDiIi = (0.7 + 0.005 sin t ) V= (3.3 + 0.625 sin t ) mA

22、uiudRidrd對于交流信號對于交流信號電路可等效為電路可等效為46（一）（一） 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1. 伏安特性伏安特性符號符號 當穩(wěn)壓管當穩(wěn)壓管反向擊穿反向擊穿后，有較大后，有較大的電流增量的電流增量 IZ。iZ /mAuZ/VO UZ IZ IZm UZ IZ工作條件：工作條件： 相應的管子兩端的相應的管子兩端的反向擊穿電壓反向擊穿電壓（即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電（即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓壓UZ）只有很小的變化量）只有很小的變化量 UZ 。47穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)iZ /mAuZ/VO UZ IZ IZm UZ IZ1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值

23、。流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ穩(wěn)定電流是穩(wěn)壓管工作時的參考電流值，通穩(wěn)定電流是穩(wěn)壓管工作時的參考電流值，通常把手冊上給定的穩(wěn)壓電流值看成穩(wěn)壓管正常把手冊上給定的穩(wěn)壓電流值看成穩(wěn)壓管正常工作時的電流下線。常工作時的電流下線。3. 最大工作電流最大工作電流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMPZM是由管子允許溫度升高限定的最大功率損耗。是由管子允許溫度升高限定的最大功率損耗。P ZM = UZ IZM48穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)iZ /mAuZ/VO UZ IZ IZm UZ IZ4. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZrZ是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管

24、子兩端電是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應的電流變化量之比。壓的變化量與相應的電流變化量之比。5. 溫度系數(shù)溫度系數(shù) CT溫度變化溫度變化1時時，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)。，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)。rZ越小，則反向擊穿特性曲線越陡，穩(wěn)壓作越小，則反向擊穿特性曲線越陡，穩(wěn)壓作用越好。用越好。rZ = UZ / IZ%100ZZT TUUC溫度系數(shù)越小，穩(wěn)壓管的溫度溫度系數(shù)越小，穩(wěn)壓管的溫度穩(wěn)定性越好。穩(wěn)定性越好。49例例1.2.6 在如圖所示的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電在如圖所示的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓壓UZ=6V，最小穩(wěn)定電流，最小穩(wěn)定電流IZmin=5m

25、A，最大穩(wěn)定電流，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA; 負載電阻負載電阻RL=600。求解限流電阻。求解限流電阻R的取值范圍。的取值范圍。解：解：UR= UI UZ = 10 6 = 4VILIRUI =10VUORRLIZIR = IZ + IL其中其中Iz =( 5 25)mAIL = UZ / RL = 6/600 = 10mA所以所以IR =( 15 35)mARmax = UR / IRmin = 4V / 15mA = 227 Rmin = UR / IRmax = 4V / 35mA = 114 所以限流電阻所以限流電阻R的取值范圍為的取值范圍為114 22750（二）（二） 發(fā)光

26、二極管發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)工作條件：正向偏置工作條件：正向偏置一般工作電流幾十一般工作電流幾十 mA，導通電壓導通電壓 (1 2) V符號符號u /Vi /mAO2特性特性將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的半導體二極管將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的半導體二極管發(fā)光類型：發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠可見光：紅、黃、綠不可見光：紅外光不可見光：紅外光51（二）（二） 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)52（二）（二） 光敏二極管光敏二極管符號符號特性特性uiO暗電流暗電流E = 200 lxE = 400 lx工作條件：工作條件：實物照片實物照片將光號轉(zhuǎn)

27、換為電信號的半導體二極管將光號轉(zhuǎn)換為電信號的半導體二極管反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。光照強度的增加而上升。53二極管二極管結(jié)構(gòu)和類型結(jié)構(gòu)和類型伏安特性伏安特性主要參數(shù)主要參數(shù)分析方法分析方法特殊二極管特殊二極管) 1e (/SDDTUuIiOuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth開開啟啟電電壓壓反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿iDuDU (BR)I FURMO理想理想恒壓降恒壓降折線折線圖解圖解小信號小信號發(fā)光管發(fā)光管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管光敏管光敏管IF, URM, IR, fM54半導體器件半導體器件1.31.3雙極

28、型雙極型半導體三級管半導體三級管 1.3.1 晶體三極管晶體三極管1.3.2 晶體三極管的特性曲線晶體三極管的特性曲線1.3.3 晶體三極管的主要參數(shù)晶體三極管的主要參數(shù)55雙極型晶體管雙極型晶體管可簡稱為可簡稱為晶體管晶體管或或半導體三極管半導體三極管用用BJT(Bipolar Junction Transistor)來表示。來表示。（一）（一） 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型晶體管的結(jié)構(gòu)和類型晶體管晶體管 通過一定的工藝，將兩個通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的結(jié)結(jié)合在一起的器件。器件。56（一）（一） 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型晶體管的結(jié)構(gòu)和類型NNP發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 B集電極集電極 C發(fā)射結(jié)

29、發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié) 基區(qū)基區(qū) 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū) 集電區(qū)集電區(qū)emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型ECBECB符號符號三極管三極管三個區(qū)三個區(qū)兩個結(jié)兩個結(jié)三個極三個極發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)發(fā)射極，基極，集電極發(fā)射極，基極，集電極57（一）（一） 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型晶體管的結(jié)構(gòu)和類型分類：分類：按材料分：按材料分： 硅管、鍺管硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：按結(jié)構(gòu)分： NPN、 PNP按使用頻率分：按使用頻率分： 低頻管、高頻管低頻管、高頻管按功率分：按功率分： 小功率管小功率管 1 W58（二）（二） 晶體管的電流分配和放大作

30、用晶體管的電流分配和放大作用1. 三極管放大的條件三極管放大的條件內(nèi)部條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大集電結(jié)面積大外部條件外部條件發(fā)射結(jié)正偏（發(fā)射結(jié)正偏（P區(qū)接正，區(qū)接正，N區(qū)接負）區(qū)接負）集電結(jié)反偏（集電結(jié)反偏（P區(qū)接負，區(qū)接負，N區(qū)接正）區(qū)接正）NNP592. 滿足放大條件的三種電路滿足放大條件的三種電路共基極：共基極：在基極與發(fā)射極之間接正向電壓，在基極與發(fā)射極之間接正向電壓，基極與集電極之間接反向電壓，基極與集電極之間接反向電壓，即以基極為公共端。即以基極為公共端。共發(fā)射極：共發(fā)射極：在基極與發(fā)射極之間接正向電壓，在基極與發(fā)射

31、極之間接正向電壓，集電極與發(fā)射極之間接一更大的集電極與發(fā)射極之間接一更大的正向電壓，使正向電壓，使uCEuBE，這樣，這樣uBC1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。導通電壓導通電壓 UBE( (on) )硅管：硅管： (0.6 0.8) V鍺管：鍺管： (0.2 0.3) V取取 0.7 V取取 0.2 V69二、共射極輸出特性二、共射極輸出特性常數(shù)常數(shù) B)(CECiufiiC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43211. 截止區(qū)：截止區(qū)： IB 0 IC ICEO 0條件：兩個結(jié)反偏條件：兩個結(jié)反偏截止區(qū)截止區(qū)ICEO70

32、二、共射極輸出特性二、共射極輸出特性常數(shù)常數(shù) B)(CECiufiiC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止區(qū)截止區(qū)ICEO放大區(qū)放大區(qū)2. 放大區(qū)：放大區(qū)：CEOBCIII 條件：發(fā)射結(jié)正偏條件：發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏特點：特點： 水平、等間隔水平、等間隔71二、共射極輸出特性二、共射極輸出特性常數(shù)常數(shù) B)(CECiufiiC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止區(qū)截止區(qū)ICEO放大區(qū)放大區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)3. 飽和區(qū)：飽和區(qū)：uCE u BEuBC

33、 = uCE u BE 0條件：兩個結(jié)正偏條件：兩個結(jié)正偏特點：特點：IC IB臨界飽和時臨界飽和時: uCE = uBE飽和壓降：飽和壓降：0.3 V ( (硅管硅管) )UCE( (SAT) )= =0.1 V ( (鍺管鍺管) )72三、溫度對特性曲線的影響三、溫度對特性曲線的影響1. 溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高溫度每升高 1 C，UBE (2 2.5) mV。溫度每升高溫度每升高 10 C，ICBO 約增大約增大 1 倍。倍。BEuBiOT2 T173三、溫度對特性曲線的影響三、溫度對特性曲線的影響2. 溫度升高，輸出特性曲線向上移。溫度升高

34、，輸出特性曲線向上移。iCuCE T1iB = 0T2 iB = 0iB = 0溫度每升高溫度每升高 1 C， (0.5 1)%。輸出特性曲線間距增大。輸出特性曲線間距增大。O74參數(shù)的作用：參數(shù)的作用：1. 表示晶體管的各種性能的指標表示晶體管的各種性能的指標2. 評價晶體管的優(yōu)劣和選用晶體管的依據(jù)評價晶體管的優(yōu)劣和選用晶體管的依據(jù)3. 設計計算和調(diào)整晶體管電路時不可缺少的根據(jù)設計計算和調(diào)整晶體管電路時不可缺少的根據(jù)7582A1030A1045. 263 一、電流放大系數(shù)一、電流放大系數(shù)1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù) 直流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)BCCBOBCBOCBNC

35、NIIIIIIII iC / mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321Q 表示靜態(tài)（無輸入信號）時的表示靜態(tài)（無輸入信號）時的電流放大系數(shù)。即集電極電壓電流放大系數(shù)。即集電極電壓UCE一定時，集電極電流和基極電流一定時，集電極電流和基極電流之間的關系。之間的關系。7680108 . 0A10)2030(A10)65. 145. 2(63 Bii C 一、電流放大系數(shù)一、電流放大系數(shù)1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)iC / mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2

36、 4 6 8 4321Q 表示動態(tài)（有輸入信號）時的表示動態(tài)（有輸入信號）時的電流放大系數(shù)。即集電極電流的電流放大系數(shù)。即集電極電流的變化量與相應的基極電流變化量變化量與相應的基極電流變化量之比。之比。 在常用工作范圍內(nèi)，在常用工作范圍內(nèi)，一般均用一般均用 表示表示 77Bii C 一、電流放大系數(shù)一、電流放大系數(shù)1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC / mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321晶體管工作在放大區(qū)晶體管工作在放大區(qū)使用時，使用時， 只適用于指定工作點附件，只適用于指定工作點附件，特性曲線較為均勻的范圍。特性曲線

37、較為均勻的范圍。 變大，即間距變大。變大，即間距變大。 晶體管工作在飽和區(qū)晶體管工作在飽和區(qū)Bii C 表示對電流的發(fā)大作用表示對電流的發(fā)大作用78Eii C一、電流放大系數(shù)一、電流放大系數(shù)2. 共基極電流放大系數(shù)共基極電流放大系數(shù) 直流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)ECECBOCIIIII 交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)在常用工作范圍內(nèi)，在常用工作范圍內(nèi)，一般均用一般均用 表示表示11BCCECIIIII1179二、極限參數(shù)二、極限參數(shù)1. ICM 集電極最大允許電流，超過時集電極最大允許電流，超過時 值明顯降低。值明顯降低。2. PCM 集電極最大允許功率損耗集電極最大允許功率損耗PC =

38、 iC uCEiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 區(qū)區(qū)80U( (BR) )CBO 發(fā)射極開路時發(fā)射極開路時 C、B 極極間反向擊穿電壓。間反向擊穿電壓。3. U( (BR) )CEO 基極開路時基極開路時 C、E 極極間反向擊穿電壓。間反向擊穿電壓。U( (BR) )EBO 集電極極開路時集電極極開路時 E、B 極極間反向擊穿電壓。間反向擊穿電壓。U( (BR) )CBO U( (BR) )CEO U( (BR) )EBO已知已知:ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V，當當 UCE = 10 V 時，時，IC m

39、A當當 UCE = 1 V，則則 IC mA當當 IC = 2 mA，則則 UCE UT時，溝道寬度受時，溝道寬度受uDS的影響很的影響很小，溝道電阻近似不變，小，溝道電阻近似不變，iD隨隨uDS的增加呈線性增加。的增加呈線性增加。 當當uDS增大到使增大到使uGD=UT時，在靠近漏極處，溝道開始消失，稱為時，在靠近漏極處，溝道開始消失，稱為預夾斷預夾斷。 繼續(xù)增大繼續(xù)增大uDS，則，則uGDUT，uDS很小，很小，uGDUT的情況。的情況。（1） 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)iD = f(uDS) | uGS =常數(shù)常數(shù)特點：特點：1. 若若uGS不變，溝道電阻不變，溝道電阻rDS不變，不變，iD隨

40、隨uDS的增大而線性上升。的增大而線性上升。2. 若若uGS變大，溝道電阻變大，溝道電阻rDS變小，變小，看作由電壓看作由電壓uGS控制的可變電阻?？刂频目勺冸娮?。91二、增強型二、增強型 N 溝道溝道 MOSFET的特性曲線的特性曲線區(qū)區(qū)對應預夾斷后，對應預夾斷后，uGSUT，uDS很大，很大，uGDUT )K為常數(shù)，由管子的結(jié)構(gòu)確定。為常數(shù)，由管子的結(jié)構(gòu)確定。93三、增強型三、增強型 N 溝道溝道 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)1. 直流參數(shù)直流參數(shù)(1) 開啟電壓開啟電壓UT(2) 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS在襯底表面感生出導電溝道所需的柵源電壓。在襯底表面感生出導電溝道所需的柵源

41、電壓。在在uDS=0的條件下，柵極與源極之間加一定直流電壓時，的條件下，柵極與源極之間加一定直流電壓時，柵源極間的直流電阻。柵源極間的直流電阻。RGS的值很大，一般大于的值很大，一般大于109。942. 交流參數(shù)交流參數(shù)(1) 跨導跨導gm(2) 極間電容極間電容定義：當定義：當uDS一定時，漏極電流變化量與引起這一變化的柵源電壓一定時，漏極電流變化量與引起這一變化的柵源電壓變化量之比，即變化量之比，即柵、源極間電容柵、源極間電容Cgs和柵、漏極間電容和柵、漏極間電容Cgd，它影響高頻性能的交流參，它影響高頻性能的交流參數(shù)，應越小越好。數(shù)，應越小越好。gm = iD / uGS| uDS =常

42、數(shù)常數(shù)gm相當于轉(zhuǎn)移特性的斜率，反映了場效應管的放大能力。它可以相當于轉(zhuǎn)移特性的斜率，反映了場效應管的放大能力。它可以從輸出特性上求出，或根據(jù)轉(zhuǎn)移特性的表達式求導數(shù)得到。從輸出特性上求出，或根據(jù)轉(zhuǎn)移特性的表達式求導數(shù)得到。953. 極限參數(shù)極限參數(shù)(1) 漏極最大允許電流漏極最大允許電流IDM(2) 漏極最大耗散功率漏極最大耗散功率PDM是指場效應管工作時，允許的最大漏極電流。是指場效應管工作時，允許的最大漏極電流。是指管子允許的最大耗散功率，相是指管子允許的最大耗散功率，相當于雙極型晶體管的當于雙極型晶體管的PCM。在輸出特性上畫出臨界最大功耗線。在輸出特性上畫出臨界最大功耗線。963. 極

43、限參數(shù)極限參數(shù)(3)柵源極間擊穿電壓柵源極間擊穿電壓U(BR)GS(4) 漏源極間擊穿電壓漏源極間擊穿電壓U(BR)DS是指在是指在uDS=0時，柵源極間絕緣層發(fā)生擊穿，產(chǎn)生很大的短路電流時，柵源極間絕緣層發(fā)生擊穿，產(chǎn)生很大的短路電流所需的所需的uGS值。擊穿將會損壞管子。值。擊穿將會損壞管子。是指在是指在uDS增大時，使增大時，使iD開始急劇增開始急劇增加的加的uDS值。值。此時不僅產(chǎn)生溝道中的電子參與此時不僅產(chǎn)生溝道中的電子參與導電，空間電荷區(qū)也發(fā)生擊穿，導電，空間電荷區(qū)也發(fā)生擊穿，使電流增大。使電流增大。97四、耗盡型四、耗盡型 N 溝道溝道 MOSFET1. 工作原理工作原理SGDBS

44、iO2絕緣層中摻入大量的正離子。絕緣層中摻入大量的正離子。 在在uGS=0時，時，P襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，存在導電溝道。存在導電溝道。 在在uGS0時，感生溝道加寬，時，感生溝道加寬，iD增大。增大。 在在uGS0，則兩個，則兩個PN結(jié)是正向偏置，將會產(chǎn)生結(jié)是正向偏置，將會產(chǎn)生很大的柵極電流，有可能損壞管子。很大的柵極電流，有可能損壞管子。1051.場效應管場效應管中導電過程是多數(shù)載流子的漂移運動，故稱為單極中導電過程是多數(shù)載流子的漂移運動，故稱為單極性晶體管；性晶體管； 雙極型晶體管雙極型晶體管中既有多子的擴散運動又有少子的漂移運動。中既有多子的擴散運動又有少子的漂

45、移運動。場效應管與雙極型晶體管相比場效應管與雙極型晶體管相比:2.場效應管場效應管是通過柵極電壓是通過柵極電壓uGS來控制漏極電流來控制漏極電流iD，稱為電壓控，稱為電壓控制器件；制器件； 雙極型晶體管雙極型晶體管是利用基極電流是利用基極電流iB（或射極電流（或射極電流iE）來控制集電）來控制集電極電流極電流iC，稱為電流控制器件。，稱為電流控制器件。3.場效應管場效應管的輸入電阻很大；的輸入電阻很大； 雙極型晶體管雙極型晶體管的輸入電阻較小。的輸入電阻較小。1064. 場效應管場效應管的跨導的跨導gm的值較??；的值較小； 雙極型晶體管雙極型晶體管的的值很大。值很大。 在同等條件下，場效應管的

46、放大能力不如晶體管高。在同等條件下，場效應管的放大能力不如晶體管高。場效應管與雙極型晶體管相比場效應管與雙極型晶體管相比:5. 結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管的漏極和源極可以互換使用，的漏極和源極可以互換使用，MOS管管如果襯底如果襯底沒有和源極接在一起，也可以沒有和源極接在一起，也可以d，s極互換使用；極互換使用； 雙極型晶體管雙極型晶體管的的c和和e極互換則稱為倒置工作狀態(tài)，此時極互換則稱為倒置工作狀態(tài)，此時將將變得非常小。變得非常小。6. 場效應管場效應管可作為壓控電阻使用。可作為壓控電阻使用。1077. 場效應管場效應管是依靠多子導電，因此具有較好的溫度溫度性、抗輻射是依靠多子導電，因此具有

47、較好的溫度溫度性、抗輻射性和較低的噪聲。性和較低的噪聲。 雙極型晶體管雙極型晶體管的溫度穩(wěn)定性差，抗輻射及噪聲能力也較低。的溫度穩(wěn)定性差，抗輻射及噪聲能力也較低。場效應管與雙極型晶體管相比場效應管與雙極型晶體管相比: 由圖可見，不同溫度下由圖可見，不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性的交點的轉(zhuǎn)移特性的交點Q（即（即工作點）的工作點）的ID、UDS幾乎幾乎不受溫度影響。不受溫度影響。 場效應管還有一些缺點：如功率小，速度慢等。但由于場效應管還有一些缺點：如功率小，速度慢等。但由于它工藝簡單，易于集成，故廣泛應用于集成電路。它工藝簡單，易于集成，故廣泛應用于集成電路。108小小 結(jié)結(jié)第第 1 章章109一、兩種半

48、導體和兩種載流子一、兩種半導體和兩種載流子兩種載流兩種載流子的運動子的運動電子電子 自由電子自由電子空穴空穴 價電子價電子兩兩 種種半導體半導體N 型型 ( (多電子多電子) )P 型型 ( (多空穴多空穴) )二極管二極管單向單向正向電阻小正向電阻小( (理想為理想為 0) )，反向電阻大反向電阻大( ( ) )。)1e (DSD TUuIi)1e ( , 0DSDD TUuIiu0 , 0SDIIu110正向正向 最大平均電流最大平均電流 IF反向反向 最大反向工作電壓最大反向工作電壓 U(BR)( (超過則擊穿超過則擊穿) )反向飽和電流反向飽和電流 IR ( (IS) )( (受溫度影

49、響受溫度影響) )iDO uDU (BR)I FURMIS1113. 二極管的等效模型二極管的等效模型理想模型理想模型 ( (大信號狀態(tài)采用大信號狀態(tài)采用) )uDiD正偏導通正偏導通 電壓降為零電壓降為零 相當于理想開關閉合相當于理想開關閉合反偏截止反偏截止 電流為零電流為零 相當于理想開關斷開相當于理想開關斷開恒壓降模型恒壓降模型UD(on)正偏電壓正偏電壓 UD(on) 時導通時導通 等效為恒壓源等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當于二極管支路斷開否則截止，相當于二極管支路斷開UD(on) = (0.6 0.8) V估算時取估算時取 0.7 V硅管：硅管：鍺管：鍺管：(0.1 0.3) V0.2 V折線近似模型折線近似模型相當于有內(nèi)阻的恒壓源相當于有內(nèi)阻的恒壓源 UD(on)1124. 二極管的分析方法二極管的分析方法圖解法圖解法微變等效電路法微變等效電路法5. 特殊二極管特殊二極管工作條件工作條件主要用途主要