模電第四章

1、 1 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理4.1半導體物理基礎半導體物理基礎 本章從半導體器件的工作機理出發(fā)，簡單介紹半導體物理基礎知識，本章從半導體器件的工作機理出發(fā)，簡單介紹半導體物理基礎知識，包括本征半導體，雜質半導體，包括本征半導體，雜質半導體，PN結；分別討論晶體二極管的特性和典型結；分別討論晶體二極管的特性和典型應用電路，雙極型晶體管和場效應管的結構、工作機理、特性和應用電路，應用電路，雙極型晶體管和場效應管的結構、工作機理、特性和應用電路，重點是掌握器件的特性。重點是掌握器件的特性。 媒媒質質導體導體：對電信號有良好的導通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。：

2、對電信號有良好的導通性，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。 半導體半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間，如硅：導電能力介于導體和絕緣體之間，如硅 (Si) 、鍺、鍺 (Ge) 和砷化鎵和砷化鎵 (GaAs) 。半導體的導電能力隨半導體的導電能力隨溫度、光照和摻雜溫度、光照和摻雜等因等因素發(fā)生顯著變化，這些特點使它們成為制作半素發(fā)生顯著變化，這些特點使它們成為制作半導體元器件的重要材料。導體元器件的重要材料。 2 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理

3、24.1.1本征半導體本征半導體 純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導體。純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導體。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電荷。因為整個原子呈電中性，每個價電子帶一個單位的負電荷。因為整個原子呈電中性，而其物理化學性質很大程度上取決于最外層的價電子，所以而其物理化學性質很大程度上取決于最外層的價電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡化模型代表研究中硅和鍺原子可以用簡化模型代表 。 +4 帶一個單位負電荷的價電子 最外層軌道 帶四個單位正電荷的原子核部分 +14 +32 3 第四章第四章 常用半導

4、體器件原理常用半導體器件原理3每個原子最外層軌道上每個原子最外層軌道上的四個價電子為相鄰原子核的四個價電子為相鄰原子核所共有，形成共價鍵。共價所共有，形成共價鍵。共價鍵中的價電子是不能導電的鍵中的價電子是不能導電的束縛電子。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)生成對的自由

5、電子和空穴，所本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴，所以本征半導體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。以本征半導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 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理4 +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價電子的反向遞補運動等價為空穴在半導體中自由移動。因此，在穴在半導體中自由移動。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導體中本征激發(fā)的作用下，本征半導體中出現(xiàn)了帶負電的自由電子和帶正電出現(xiàn)了帶負電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導電，統(tǒng)的空穴，二者都可以參

6、與導電，統(tǒng)稱為載流子。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，這個過程稱為復合，過程稱為復合， 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 5 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理5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表示自由電子和空穴的濃度表示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) ；E

7、G0 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。 4.1.2N 型半導體和型半導體和 P 型半導體型半導體 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對很少，這說明本征半導體的導電能力很弱。我們可以人工少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導體的導電能力，這樣獲得的半導體稱為雜質半導體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質半導體分為 N 型半

8、導體和 P 型半導體。 6 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理6一、一、N 型半導體型半導體在本征半導體中摻入五價原子，即構成在本征半導體中摻入五價原子，即構成 N 型半導體。型半導體。N 型半導體中每摻雜一個雜質型半導體中每摻雜一個雜質元素的原子，就提供一個自由電子，從而大元素的原子，就提供一個自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度量增加了自由電子的濃度一一一一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體仍保持電中性但半導體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 鍵外電子 施主原子 熱平衡

9、時，雜質半導體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導體中載流熱平衡時，雜質半導體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導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 因為因為 ni 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 pn 也隨環(huán)境的改變明顯變化。也隨環(huán)境的改變明顯變化。 DnNnD2in2inNnnnp自由電子濃度自由電子濃度雜質濃度雜質濃度 7 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理7二、二、P 型半導體型半導體在本征半導體中摻入三價原子，即構成在本征半導體中摻入三價原子，即構成 P 型半導體。型半導

10、體。P 型半導體中每摻雜一個雜質型半導體中每摻雜一個雜質元素的原子，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一一一一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體仍保持電中性但半導體仍保持電中性 +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 為為環(huán)境溫度也明顯影響環(huán)境溫度也明顯影響 np 的取值。的取值。 ApNpA2ip2ipNnpnn空穴濃度空穴濃度摻雜濃庹摻雜濃庹 8 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原

11、理84.1.3漂移電流和擴散電流漂移電流和擴散電流 半導體中載流子進行定向運動，就會形成半導體中的電流。半導體中載流子進行定向運動，就會形成半導體中的電流。半導體電流半導體電流半導體電流半導體電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，方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流，該電流的該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強度。電場強度。擴散電流：擴散電流：半導體中載流子濃度不均勻分布時，載半導體中載流子濃度不均勻分布

12、時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，從而流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，從而形成擴散電流，形成擴散電流，該電流的大小正比于載流該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。子的濃度差即濃度梯度的大小。PnIII 9 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理94.2PN 結結 通過摻雜工藝，把本征半導體的一邊做成 P 型半導體，另一邊做成 N 型半導體，則 P 型半導體和 N 型半導體的交接面處會形成一個有特殊物理性質的薄層，稱為 PN 結。 4.2.1PN 結的形成結的形成 + + + + P 區(qū) N 區(qū) (a) + + + + + + + + + + + + + + + +

13、P 區(qū) N 區(qū) (b) 空間電荷區(qū) 內建電場 0 UB UB + + + + + + + + + + + + 多子擴散多子擴散空間電荷區(qū)，內建電場空間電荷區(qū)，內建電場和內建電位差的產(chǎn)生和內建電位差的產(chǎn)生 少子漂移少子漂移動態(tài)平衡動態(tài)平衡 10 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理10空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對稱的稱的 PN 結中，耗盡區(qū)在重摻雜一邊延伸較小，而在輕結中，耗盡區(qū)在重摻雜一邊延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。摻雜一邊延伸較大。 耗盡區(qū) 耗盡區(qū) + + + + + + + + + + + + + + +

14、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P區(qū) N區(qū) P區(qū) N區(qū) 11 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理114.2.2PN 結的單向導電特性結的單向導電特性 + + + + + + + + + + + + + + + + P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) 0 UB U UB E R U 內建電場 外加電場 正向電流 一一、正、正向偏置的向偏置的 PN 結結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

15、運動減弱正向電流正向電流二二、反、反向偏置的向偏置的 PN 結結 P 區(qū) 耗 盡 區(qū) 0 UB U UB E R U 內 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 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理12PN 結的單向導電特性：結的單向導電特性：PN 結只需要較小的正向電壓，就可以使耗盡區(qū)變結只需要較小的正向電壓，就可以使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)

16、得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。而在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反生明顯改變。而在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。向電壓而變化。4.2.3PN 結的擊穿特性結的擊穿特性 當當 PN 結上的反向電壓足夠大時，其中的反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱結上的反向電壓足夠大時，其中的反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為為 PN 結的擊穿。結的擊穿。 雪崩擊穿雪崩擊穿：反偏的反偏的 PN 結中，耗盡區(qū)中少子在漂移運動中被電場作功，結中，耗盡區(qū)中少子在漂移運動中被電場作功，動能增大。當少子的動能足以使其在與價電

17、子碰撞時發(fā)生動能增大。當少子的動能足以使其在與價電子碰撞時發(fā)生碰撞碰撞電離電離，把，把價電子擊出共價鍵，產(chǎn)生一對自由電子和空穴價電子擊出共價鍵，產(chǎn)生一對自由電子和空穴，連鎖，連鎖碰撞碰撞使得耗盡區(qū)內的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。使得耗盡區(qū)內的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的在輕摻雜的 PN 結結中。中。齊納擊穿齊納擊穿：在重摻雜的在重摻雜的 PN 結中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在結中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強的電場。電場強到能直接將價電子拉出共其中產(chǎn)生較強的電場。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)生大量的自由電子和

18、空穴，使價鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使得反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。得反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。PN 結擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護結擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護 PN 結不受損壞。結不受損壞。PN 結擊穿結擊穿 13 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理134.2.4PN 結的電容特性結的電容特性 PN 結能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關，這結能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關，這說明說明 PN 結具有電容效應。結具有電容效應。 一、勢壘電容一、勢壘電容 P 區(qū) N 區(qū) 耗

19、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 結的結構和摻雜濃度等因素有結的結構和摻雜濃度等因素有關；關；UB為內建電位差；為內建電位差；n 為變容指數(shù)，取值一般在為變容指數(shù)，取值一般在 1 / 3 6 之間。之間。當反向電壓當反向電壓 u 絕對值增大時，絕對值增大時，CT 將減小將減小。 14 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理14二、擴散電容二、擴散電容 P區(qū) N區(qū)

20、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 結的結電容為勢壘電容和擴散電容之和，即結的結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，所以都都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當是非線性電容。當 PN 結正偏時，結正偏時，CD 遠大于遠大于 CT ，即，即 Cj CD ；反偏的；反偏的 PN 結中，結中，CT 遠大于遠大于 CD，則，則 Cj CT 。 15 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理154.3晶體二極管晶體二極管 P N iD

21、 uD 引線 管殼 二極管可以分為硅二極管二極管可以分為硅二極管和鍺二極管，簡稱為硅管和和鍺二極管，簡稱為硅管和鍺管。鍺管。 4.3.1二極管的伏安特性二極管的伏安特性一一一一 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 為電子電量為電子電量 (1.60 10 19C) ；UT = kT/q，稱為，稱為熱電壓，在室溫熱電壓，在室溫 27 即即 300 K 時，時，UT = 26 mV。 uD iD UD(on) 0 IS 擊穿 TDSDUueIiT2 T1 一、二極管的導通，截止和擊穿一、二極管的導通，截止和擊穿當當 uD 0

22、 且超過特定值且超過特定值 UD(on) 時，時，iD 變得明顯，此時認為二極管變得明顯，此時認為二極管導通，導通，UD(on) 稱為導通電壓稱為導通電壓 (死區(qū)電壓死區(qū)電壓) ；uD 0.7 V時，時，D處于導通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出處于導通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓電壓uo = ui - 0.7；當；當ui 0時，時，D1和和D2上加的是正向電壓，處于導通狀態(tài)，上加的是正向電壓，處于導通狀態(tài)，而而D3和和D4上加的是反向電壓，處于截止狀態(tài)。輸出電壓上加的是反向電壓，處于截止狀態(tài)。輸出電壓uo的正的正極與極與ui的正極通過的正極通過D1相連，它們的負極通過相連，它們的負極通過D2相連

23、，所以相連，所以uo = ui；當；當ui 0時，二極管時，二極管D1截止，截止，D2導通，電路等效為圖導通，電路等效為圖 (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；當ui 0時，時，uo1 = - ui，uo = ui；當；當ui 2.7 V時，時，D導通，所以導通，所以uo = 2.7 V；當；當ui 2.7 V時，時，D截止，其支路等效為開路，截止，其支路等效為開路，uo = ui。于。于是可以根據(jù)是可以根據(jù)ui的波形得到的波形得到uo的波形，如圖的波形，如圖 (c) 所示，該電路把所示，該電路把ui超出超出2.7 V的部分削去后進行輸

24、出，是的部分削去后進行輸出，是上限幅上限幅電路。電路。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2 V D 5 5 2.7 t uo (V) 0 (c) 5 2.7 32 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理32例例4.3.7二極管限幅電路如圖二極管限幅電路如圖 (a) 所示，其中二極管所示，其中二極管D1和和D2的導通電壓的導通電壓UD(on) = 0.3 V，交流電阻，交流電阻rD 0。輸入電壓。輸入電壓ui的的波形在圖波形在圖 (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。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2

25、 V D2 5 5 E 2 V D1 33 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理33解：解：D1處于導通與截止之間的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓處于導通與截止之間的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為為 - E - UD(on) = - 2.3 V。當。當ui - 2.3 V時，時，D1截止，支路等效為開路，截止，支路等效為開路，uo = ui。所。所以以D1實現(xiàn)了下限幅；實現(xiàn)了下限幅；D2處于臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為處于臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為 E + UD(on) = 2.3 V。當。當ui 2.3 V時，時，D2導通，導通，uo = 2.3 V；當；當ui 2.3 V時，時，

26、D2截止，支路等效為開路，截止，支路等效為開路，uo = ui。所以。所以D2實實現(xiàn)了上限幅。綜合現(xiàn)了上限幅。綜合uo的波形如圖的波形如圖 (c) 所示，該電路把所示，該電路把ui超出超出 2.3 V的部分削去后進行輸出，完成的部分削去后進行輸出，完成雙向限幅雙向限幅。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2 V D2 5 5 2.3 t uo (V) 0 (c) E 2 V D1 2.3 2.3 2.3 34 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理34限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍，限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍，以保護后級電

27、路的安全工作。設以保護后級電路的安全工作。設二極管的導通電壓二極管的導通電壓UD(on) = 0.7 V，在圖中，當，在圖中，當 - 0.7 V ui 0.7 V時，時，D1導通，導通，D2截止，截止，R1、D1和和R2構成回路，對構成回路，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) = 0.7 V；當；當ui - 0.7 V時，時，D1截止，截止，D2導通，導通， R1、D2和和R2 ui D1 D2 R2 R1 uo A 構成回路，對構成回路，對ui分壓，集成分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在運放輸入端的電壓被限制在 - UD(on) = - 0

28、.7 V。該電路把。該電路把ui限幅到限幅到 0.7 V到到 - 0.7 V之間，之間，保護集成運放。保護集成運放。 35 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理35 圖中，當圖中，當 - 0.7 V ui 5.7 V時，時，D1導通，導通，D2截止，截止，A / D的輸入電壓被限制在的輸入電壓被限制在5.7 V；當；當ui - 0.7 V時，時，D1截止，截止，D2導導通，通，A / D的輸入電壓被限制在的輸入電壓被限制在 - 0.7 V。該電路對。該電路對ui的限幅范的限幅范圍是圍是 - 0.7 V到到 5.7 V。ui A / D 5 V D1 D2 R E 36 第四章第四

29、章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理36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)壓二所示，其中穩(wěn)壓二極管極管DZ1和和DZ2的穩(wěn)定電壓的穩(wěn)定電壓UZ = 5 V，導通電壓，導通電壓UD(on) 近似為零。近似為零。輸入電壓輸入電壓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 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理37解：當解：當 | ui | 1 V時，時，DZ1和和DZ2

30、一個一個導通，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 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理38 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蕩器單運放弛

31、張振蕩器。其中集成運放用作反相。其中集成運放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或或 - UEE，R3隔離輸出的電源隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管電壓與穩(wěn)壓二極管DZ1和和DZ2限幅后的電壓。仍然認為限幅后的電壓。仍然認為DZ1和和DZ2的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為UZ，而導通電壓，而導通電壓UD(on) 近似為零。經(jīng)過限幅，近似為零。經(jīng)過限幅，輸出電壓輸出電壓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 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理39三、電平選擇電路三、電平選擇電路 例例4.3.9圖圖 (a) 給出了一

32、個二極管給出了一個二極管電平選擇電路，其中二極管電平選擇電路，其中二極管D1和和D2為理想二極管，輸入信號為理想二極管，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，波形如圖，波形如圖 (b) 所示。分析電所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號路的工作原理，并作出輸出信號uo的波形。的波形。 R E ui2 uo t ui1 (a) D1 ui1 D2 t ui2 0 t uo 0 (b) 0 40 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理40解：因為解：因為ui1和和ui2均小于均小于E，所以，所以D1和和D2至少有一個處于導通狀至少有一個處于導通狀態(tài)。不妨

33、假設態(tài)。不妨假設ui1 ui2時，時，D2導通，導通，D1截截止，止，uo = ui2；只有當；只有當ui1 = ui2時，時，D1和和D2才同時導通，才同時導通，uo = ui1 = ui2。uo的波形如圖的波形如圖 (b) 所示。該電路完成低電平選擇功能，當高、所示。該電路完成低電平選擇功能，當高、低電平分別代表邏輯低電平分別代表邏輯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。 R E ui2 uo t ui1 0 (a) D1 ui1 D2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 41 第四章第四章 常用半導體器件原理

34、常用半導體器件原理41 ui uo1 D uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 四、峰值檢波電路四、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。當作用。當ui uo時，時，uo1 0，二極管二極管D導通，導通，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；當增大；當ui uo時，時，uo1 0，D截止，截止，C不放電，不放電，uo =

35、 uC保持不變，此時保持不變，此時A1是是電壓比較器電壓比較器。波形如圖。波形如圖 (b) 所示。電路中場效應管所示。電路中場效應管V用作復位開關，當復位信號用作復位開關，當復位信號uG到來時到來時直接對直接對C放電，重新進行峰值檢波。放電，重新進行峰值檢波。 42 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理424.4雙極型晶體管雙極型晶體管 N 發(fā)射區(qū) N 集電區(qū) P 基區(qū) 發(fā)射結(e結) 集電結(c結) 發(fā)射極 e 集電極 c 基極 b P 發(fā)射區(qū) P 集電區(qū) N 基區(qū) 發(fā)射結(e結) 集電結(c結) 發(fā)射極 e 集電極 c 基極 b b c e b c e NPN型晶體管型晶體管

36、 PNP型晶體管型晶體管 晶體管的物理結構有如下特點：晶體管的物理結構有如下特點：發(fā)射區(qū)相對基區(qū)重摻雜；基區(qū)發(fā)射區(qū)相對基區(qū)重摻雜；基區(qū)很薄，只有零點幾到數(shù)微米；集電結面積大于發(fā)射結面積。很薄，只有零點幾到數(shù)微米；集電結面積大于發(fā)射結面積。 43 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理43一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 電子注入電流電子注入電流IEN， 空穴注入電流空穴注入電流IEP 二、基區(qū)中自由電子邊擴散二、基區(qū)中自由電子邊擴散 邊復合邊復合 基區(qū)復合電流基區(qū)復合電流IBN 三、集電區(qū)收集自由電子三、集電區(qū)收集自由電子 收集電流收集電流ICN 反向飽和電流反向飽

37、和電流ICBO4.4.1晶體管的工作原理晶體管的工作原理 e N P N ICN IEN IBN ICBO IEP b c IB IC IE RB UBB RC UCC 44 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理44 e N P N ICN IEN IBN ICBO IEP b c IB IC IE RB UBB RC UCC 晶體管三個極電流與內部載流子晶體管三個極電流與內部載流子電流的關系：電流的關系： CNBNENENEPEIIIIIICBOBNEPCBOBNBIIIIIICBOCNCIII 45 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理45共發(fā)射極直流電流放大倍

38、數(shù)：共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關系：換算關系：CBOBCBOCBNCNIIIIIIECBOCENCNIIIII1ENENENCNENCNBNCNIIIIIIII1BNBNBNCNBNCNENCNIIIIIIII晶體管的放大能力參數(shù)晶體管的放大能力參數(shù) 46 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理46晶體管的極電流關系晶體管的極電流關系 CEBIIIBCIIBE)1 (IIECIIEB)1 (IIBCEIII 描述：描述： 描述：描述： b c e b c e IB IC IE IB IC IE 47 第四章第四章 常用半導體器件原

39、理常用半導體器件原理474.4.2晶體管的伏安特性晶體管的伏安特性 一、輸出特性一、輸出特性 0 5 10 15 20 uCE (V) iC (mA) IB 0 30 A 20 A 10 A IB 40 A 臨界飽和線 放 大 區(qū) 飽和區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 放大區(qū)放大區(qū)(發(fā)射結正偏，集電結反偏發(fā)射結正偏，集電結反偏 ) 共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)： 共基極交流電流放大倍數(shù)：共基極交流電流放大倍數(shù)： 近似關系：近似關系： 恒流輸出恒流輸出和和基調效應基調效應飽和區(qū)飽和區(qū)(發(fā)射結正偏，集電結正偏發(fā)射結正偏，集電結正偏 ) 飽和壓降飽和壓降 uCE(sat) 截止區(qū)截止

40、區(qū)(發(fā)射結反偏，集電結反偏發(fā)射結反偏，集電結反偏 ) 極電流絕對值很小極電流絕對值很小BCiiECii 48 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理48二、輸入特性二、輸入特性 0 uBE (V) iB (A) 30 60 90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 當當uBE大于導通電壓大于導通電壓 UBE(on) 時，晶體管導通，時，晶體管導通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下態(tài)。這兩種狀態(tài)下uBE近近似等于似等于UBE(on) ，所以也可，所以也可以認為以認為UBE(on) 是導通的晶是導通的晶體管輸入端固定的管壓降；體管輸入端固定的管壓降；當當

41、uBE 0，所以集電結反偏，假設成立，所以集電結反偏，假設成立，UO = UC = 4 V；當；當UI = 5 V時，計算得到時，計算得到UCB = - 3.28 V 0，所，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO = UCE(sat) 。 52 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理52 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，已知晶體管的所示，已知晶體管的UBE(on) = - 0.7 V， = 50。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計算計

42、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 = - 0.7 V，得到，得到IB = - 37.4 A 0，所以，所以晶體管處于放大或飽和狀態(tài)。晶體管處于放大或飽和狀態(tài)。IC = IB = - 1.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V UGS(th) 電場電場 反型層反型層 導電溝道導電溝道 ID 0UGS控制控制ID的大小的大小N溝道增強型溝道增強型MOS

43、FET 63 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理63N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET在在UGS 0時就存在時就存在ID ID0。UGS的增大將增大的增大將增大ID。當。當UGS 0時，且時，且| UGS | 足夠大時，導電溝足夠大時，導電溝道消失，道消失，ID 0，此時的，此時的UGS為夾斷電壓為夾斷電壓UGS(off) 。 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET二、特性曲線二、特性曲線 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)

44、UGS 7 V G D N N P襯底 S B UGS UDS ID 預夾斷預夾斷N溝道增強型溝道增強型MOSFET 64 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理64 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 n為導電溝道中自由電子運動的遷移率；為導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分別為導電溝道的寬度和長度，分別為導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)GSoxnDuUuLWCi 65 第四章第

45、四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理65N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET 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 66 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理664.5.3各種場效應管的比較以及場效應管與晶體管的對比各種場效應管的比較以及場

46、效應管與晶體管的對比 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 IDSS ID0 0 UDS iD JFET N 溝道 MOSFET 耗盡型 N 溝道 增強型 N 溝道 0 2

47、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 特性曲線特性曲線 67 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理67 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管的工作狀態(tài)。應管的工作狀態(tài)。 =

48、 IDSS，UDG = UDS - UGS = UDS = UDD - IDRD = 6 (V) - UGS(off) ，所以該場效應管工作在恒流區(qū)。圖所以該場效應管工作在恒流區(qū)。圖 (b) 中是中是P溝道增強型溝道增強型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所，所以該場效應管工作在可變電阻區(qū)。以該場效應管工作在可變電阻區(qū)。 解：圖解：圖 (a) 中是中是N溝道溝道JFET，UGS = 0 UGS(off) ，所，所以該場效應管工以該場效應管工作在恒流區(qū)或可作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且變電阻區(qū)，且ID 68 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理68一、方波

49、，鋸齒波發(fā)生器一、方波，鋸齒波發(fā)生器 4.5.5場效應管應用電路舉例場效應管應用電路舉例 uo C1 uo1 t 0 A1 R4 R3 R2 R1 UZ R6 C2 A2 E V uo t 0 R5 uo1 D uo2 uo2 t UGS(off) 0 DZ1 DZ2 集成運放集成運放A1構成弛張振蕩器，構成弛張振蕩器，A2構成反相積分器。振蕩器構成反相積分器。振蕩器輸出的方波輸出的方波uo1經(jīng)過二極管經(jīng)過二極管D和電阻和電阻R5限幅后，得到限幅后，得到uo2，控制，控制JFET開關開關V的狀態(tài)。當?shù)臓顟B(tài)。當uo1為低電平時，為低電平時，V打開，電源電壓打開，電源電壓E通過通過R6對電容對電容C2充電，輸出電壓充電，輸出電壓uo隨時間線性上升；當隨時間線性上升；當uo1為高電平為高電平時，時，V閉合，閉合，C2通過通過V放電，放電，uo瞬間減小到零。瞬間減小到零。 69 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理69二、取樣保持電路二、取樣保持電路 ui , uo t 0 C V uS t 0 UGS(