第一章.電子線路

1、 第一章第一章 基本半導體器件基本半導體器件1-1 結半導體： 其導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。特殊性質即電導率可控： 溫度 光照 磁場 摻雜質 1.1.1本征半導體本征半導體GeSi現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個而且都具有特定的最外層電子（價電子）都是四個而且都具有特定的晶體結構。的晶體結構。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子而四個其它原子位于

2、四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對價，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結構：體結構：硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。本征半導體的導電能力很弱

3、。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。構成穩(wěn)定結構。+4+4+4+4 完全純凈的、結構完整的完全純凈的、結構完整的 半導體晶體半導體晶體本征半導體本征半導體1.1.本征半導體的特點本征半導體的特點在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導電），它的導電能力為能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一

4、些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。此時在外電場作用下具有一定的導電能力此時在外電場作用下具有一定的導電能力+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子本征激發(fā)載流子載流子2.本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它外力的作用下，在其它外力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此

5、可以認為空穴是載流可以認為空穴是載流子。子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。自由電子移動產生的電流。 2.

6、 空穴移動產生的電流?？昭ㄒ苿赢a生的電流。1.1.2 雜質半導體的導電特性 雜質半導體：雜質半導體：在本征半導體中人為摻入某種“雜質”元素形成的半導體。分為N型半導體和P 型半導體。一一 N N型半導體：型半導體： 在純凈Si中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。 所摻入五價元素稱為施主 雜質，簡稱施主 （能供給自由電子）。 右圖（2-1）N型半導體中，自由電子為多子，空穴為少子。型半導體中，自由電子為多子，空穴為少子。 二. P型半導體： 在純凈Si中摻入三價元素（硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。所摻入三價元素稱為受主雜質，簡稱受主P型

7、半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。1.1.3 PN結的形成PN結：采用不同的摻雜工藝，將P型半導體和N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。PN結形成過程分解：結形成過程分解：1.1.4 PN結的單向導電特性結的單向導電特性 當外加電壓使當外加電壓使PN結中結中P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為區(qū)的電位，稱為加加正向電壓正向電壓，簡稱，簡稱正偏正偏；反之；反之稱為加稱為加反向電壓反向電壓，簡稱簡稱反偏反偏。 +REPN 結正向偏置結正向偏置內電場內電場外電場外電場變薄變薄PN+_內電場被削弱，多子內電場被削弱，多子的擴散加強

8、能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。反向偏置（簡稱反偏） PN結反偏：P區(qū)接低電位（負電位），N區(qū)接高電位（正電位）。 PN 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場變厚變厚NP+_內電場被被加強，多內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子子漂移加強，但少子數量有限，只能形成數量有限，只能形成較小的反向電流。較小的反向電流。RE PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；大的正向擴散電流； PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。小的反向

9、漂移電流。 由此可以得出結論：由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。結具有單向導電性。 1.3.1 半導體二極管的結構及符號半導體二極管的結構及符號 在在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平點接觸型、面接觸型和平面型面型三大類。三大類。(1) 點接觸型二極管點接觸型二極管 PN結面積小，結電結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等容小，用于檢波和變頻等高頻電路。高頻電路。(a)(a)點接觸型點接觸型 二極管的結構示意圖二極管的結構示意圖1-2 二極管二極管(3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集

10、成電路制造往往用于集成電路制造藝中。藝中。PN 結面積可大可小，結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。用于高頻整流和開關電路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結面積大，用結面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底(4) 二極管的代表符號二極管的代表符號(d) 代表符號代表符號k 陰極陰極陽極陽極 a半導體二極管圖片一一.PN結的伏安特性結的伏安特性PN結所加端電壓結所加端電壓U與流過它的電流與流過它的電流I的關系為：的關系為：其中其中 為反向飽和電流，為

11、反向飽和電流，VT為為kT/q稱溫度的電壓當稱溫度的電壓當量，量，k為玻耳茲曼常數，為玻耳茲曼常數，T為熱力學溫度，為熱力學溫度，q為電子的電為電子的電量，常溫下，量，常溫下，T300K時，時，VT可取可取26mv 1.3.2 1.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性) 1()(eIiTDVvsatRD)(satRIUI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBRPN結的伏安特性曲線結的伏安特性曲線) 1(/R(sat)DDTVveIi 當當PN結的反向電壓結的反向電壓增加到一定

12、數值時，反增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，向電流突然快速增加，此現象稱為此現象稱為PN結的結的反向反向擊穿。擊穿。iDOVBR D熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆*擊穿并不意味著擊穿并不意味著PN結燒壞。結燒壞。二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的伏安特性曲線可用下式表示)1(/SDD TVveIi0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死區(qū)死區(qū)VthVBR硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0

13、.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR鍺二極管鍺二極管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向擊穿特性反向擊穿特性二二.實際二極管的伏安特性實際二極管的伏安特性三三.理想二極管的特性理想二極管的特性+iDvD-R1.二極管的正向壓降遠小于和它串聯的電壓2.反向電流遠小于和它并聯的電流Di三三.理想二極管的特性理想二極管的特性DiDv+iDvD-R1.二極管的正向壓降遠小于和它串聯的電壓2.反向電流遠小于和它并聯的電流Di0 1.3.3 二極管的參數二極管的參數(1) 最大正向電流最大正向電流I

14、F+iDvD-R 1.3.3 二極管的參數二極管的參數(2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓和最大反向工作電壓VRMiDOVBR DVRM =0.5VBR為了保證二極管安全工作：為了保證二極管安全工作：(3) 反向電流反向電流I IR R 1.3.3 二極管的參數二極管的參數(4) 正向壓降正向壓降VFV 70on.硅V（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）V 20on.鍺V（鍺（鍺 二極管典型值）二極管典型值）導通壓降：+iDvD-R(5) 最高工作頻率fM1.3.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1. 穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓特性(a)符號符號(b) 伏安特性伏安特性 利用二極管反向擊穿特性實現

15、穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工利用二極管反向擊穿特性實現穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。作在反向電擊穿狀態(tài)。 IZ很大，很大， VZ很小。很小。(1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓VZ(3) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ 在反向擊穿后兩端的在反向擊穿后兩端的實際工作電壓。實際工作電壓。rZ = VZ / IZ(4)(4)最大穩(wěn)定工作電流最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin2. 穩(wěn)壓二極管主要參數穩(wěn)壓二極管主要參數1.3.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管(2) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ 3. 如何穩(wěn)壓如何穩(wěn)壓+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常穩(wěn)壓時正常穩(wěn)壓時 VO =VZ

16、IZmin IZ IZmax一.限幅電路：單向限幅電路：如17頁圖二.穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路1.3.5 1.3.5 二極管電路二極管電路半導體三極管半導體三極管 （雙極型晶體管）（雙極型晶體管） 1.4.1 晶體管的結構及符號晶體管的結構及符號 半導體三極管的結構示意圖如圖所示。它有兩種類型半導體三極管的結構示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和型和PNP型。型。兩種類型的三極管兩種類型的三極管發(fā)射結發(fā)射結(Je) 集電結集電結(Jc) 基極基極，用B或b表示（Base） 發(fā)射極發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極集電極，用C或c表示（Collector）。 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)

17、基區(qū)三極管符號三極管符號 結構特點：結構特點： 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高； 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大； 基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。雜濃度最低。平面型結構平面型結構 1.內部載流子的傳輸過程內部載流子的傳輸過程 三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現出來的。子傳輸體現出來的。 外部條件：外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏。發(fā)射結正偏，集電結反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載

18、流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子基區(qū)：傳送和控制載流子 （以（以NPN為例）為例） 載流子的傳輸過程載流子的傳輸過程 以上看出，三極管內有兩種載流子以上看出，三極管內有兩種載流子(自自由電子和空穴由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三參與導電，故稱為雙極型三極管。或極管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 2. 電流分配關系電流分配關系發(fā)射極注入電流發(fā)射極注入電流傳輸到集電極的電流傳輸到集電極的電流設設 FBhIIEnC 即根據傳輸過程可知根據傳輸過程可知 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常通常 IC ICBOECFB II

19、h則有 為電流放大系數，為電流放大系數，與管子的結構尺寸和摻雜與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關濃度有關一般一般 = 0.9 0.99IE=IB+ IC載流子的傳輸過程載流子的傳輸過程FBh)(FBh1 根據根據 是另一個電流放大系數，是另一個電流放大系數，同樣，它也與管同樣，它也與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關。子的結構尺寸和摻雜濃度有關。一般一般 1IE=IB+ ICECFB IIh可得可得2. 電流分配關系電流分配關系FEhIIBC 令)(FEh或寫成FBFBhhh1 FE3. 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài)Rs放大電路放大電路IoIi+Vo+Vs+ViRL信號源信號源負載負載模擬信號的放大

20、模擬信號的放大共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；表示； 是是共射共射電流放大系電流放大系數，一般數，一般 1BCFE IIh)(FEh3. 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài)Rs放大電路放大電路IoIi+Vo+Vs+ViRL信號源信號源負載負載共基極接法共基極接法，基極作為公共電極，用基極作為公共電極，用CB表示。表示。ECIIhFB 為共基電流放大為共基電流放大系數，一般系數，一般 = 0.9 0.99)(FBh3. 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài)Rs放大電路放大電路IoIi+Vo+Vs+ViRL信號源信號源負載負載共集電極接法共集電極接法，集

21、電極作為公共電極，用，集電極作為公共電極，用CC表示表示;IE=IB（1hFE）=IB/(1-hFB)3. 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài)共集電極接法共集電極接法，集電極作為公共電極，集電極作為公共電極，共基極接法共基極接法，基極作為公共電極，基極作為公共電極，共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，發(fā)射極作為公共電極，BJT的三種組態(tài)的三種組態(tài)實現這一傳輸過程的兩個條件是：實現這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內部條件：內部條件：發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且基區(qū)很薄。雜質濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反發(fā)射結正向偏置，

22、集電結反向偏置。向偏置。IE=IB+ ICIC=hFEIBIC=hFBIE綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現的。的。vCE = 0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=const(2) 當當vCE1V時，時， vCB= vCE - - vBE0，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收 集電子，基區(qū)復合減少，同樣的集電子，基區(qū)復合減少，同樣的vBE下下 IB減小，特性曲線右移。減

23、小，特性曲線右移。vCE = 0VvCE 1V(1) 當當vCE=0V時，相當于發(fā)射結的正向伏安特性曲線。時，相當于發(fā)射結的正向伏安特性曲線。1. 輸入特性曲線輸入特性曲線1.4.4 晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線（以共射極放大電路為例）（以共射極放大電路為例）(3) 輸入特性曲線的三個部分輸入特性曲線的三個部分死區(qū)死區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)1. 輸入特性曲線輸入特性曲線1.4.4晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線飽和區(qū)：飽和區(qū)：iC明顯受明顯受vCE控控制的區(qū)域，該區(qū)域內，制的區(qū)域，該區(qū)域內，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此時，此時，發(fā)射結正偏，集發(fā)射結正偏，集電結正偏或反偏電壓

24、很電結正偏或反偏電壓很小小。iC=f(vCE) iB=const2. 2. 輸出特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線的三個區(qū)域輸出特性曲線的三個區(qū)域:1.4.4 BJT的特性曲線的特性曲線截止區(qū)：截止區(qū)：iC接近零的接近零的區(qū)域，相當區(qū)域，相當iB=0的曲的曲線的下方。此時，線的下方。此時， vBE小于死區(qū)電壓，小于死區(qū)電壓，集電結反偏集電結反偏。放大區(qū)：放大區(qū)：iC平行于平行于vCE軸的軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，此時，發(fā)射結正偏，集電發(fā)射結正偏，集電結反偏結反偏。end1.4.5 BJT的主要參數的主要參數 ( (1)1)共發(fā)射極直流電流放大系數共發(fā)射極直流電流放大系數 FEhBCFEIIh1. 電流放大系數電流放大系數 (2) 共發(fā)射極交流電流放大系數共發(fā)射極交流電流放大系數hfe hfe = IC/ IB vCE=const1.4.5 BJT的主要參數的主要參數1. 電流放大系數電流放大系數 (3) 共基極直流電流放大系數共基極直流電流放大系數 =IC/IE fehfeh (4) 共基極交流電流放大系數共基極交流電流放大系數hFE hFE= IC/ IE VCB=const 當當BJT工作于放