模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程第一章半導(dǎo)體器

章

半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的特性1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型三極管(BJT)1.4場效應(yīng)三極管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!1.1半導(dǎo)體的特性

1.導(dǎo)體：電阻率

<10-4

·

cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。

2.絕緣體：電阻率

>109·

cm物質(zhì)。如橡膠、塑料等。

3.半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!硅原子結(jié)構(gòu)圖1.1.1硅原子結(jié)構(gòu)(a)硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱價電子

價電子鍺原子也是4價元素

4價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴

若T

，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.4

N型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!說明：

1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖1.1.6雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!一、PN結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴散運動

2.擴散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動?！狿N結(jié)，耗盡層。圖1.2.1PN模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!5.擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減小；隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN結(jié)總的電流空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米~幾十微米；等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。電壓壁壘UD，硅材料約為(0.6~0.8)V,鍺材料約為(0.2~0.3)V。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!在PN結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。2.PN結(jié)外加反向電壓(反偏)反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產(chǎn)生反向電流I

；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!綜上所述：當PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當PN結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止狀態(tài)?？梢姡琍N結(jié)具有單向?qū)щ娦?。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!半導(dǎo)體二極管的類型：按PN結(jié)結(jié)構(gòu)分：有點接觸型和面接觸型二極管。點接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結(jié)電容小，可在高頻下工作。面接觸型二極管

PN結(jié)的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低頻率下工作。按用途劃分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。按半導(dǎo)體材料分：有硅二極管、鍺二極管等。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!1.正向特性當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。相應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓。范圍稱死區(qū)。死區(qū)電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管約0.5V左右，鍺管約0.1V左右。正向特性死區(qū)電壓60402000.40.8I/mAU/V當正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!3.伏安特性表達式(二極管方程)IS：反向飽和電流UT：溫度的電壓當量在常溫(300K)下，

UT

26mV二極管加反向電壓，即U<0，且|U|

>>UT，則I

-IS。二極管加正向電壓，即U>0，且U>>UT

，則，可得，說明電流I與電壓U

基本上成指數(shù)關(guān)系。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!1.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF

二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UR工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將擊穿電壓UBR的一半定義為UR。3.反向電流IR通常希望IR

值愈小愈好。4.最高工作頻率fM

fM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!空間電荷區(qū)的正負離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：由于PN結(jié)寬度l隨外加電壓U而變化，因此勢壘電容Cb不是一個常數(shù)。其Cb=f(U)

曲線如圖示。：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)；S：結(jié)面積；l：耗盡層寬度。OUCb圖1.2.8模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!綜上所述：

PN結(jié)總的結(jié)電容Cj

包括勢壘電容Cb

和擴散電容Cd

兩部分。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為Cj

Cd；當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為Cj

Cb。

Cb

和Cd

值都很小，通常為幾個皮法~幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達幾百皮法。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!

穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項：1.穩(wěn)定電壓UZ3.動態(tài)電阻rZ2.穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。

正常工作的參考電流。I<IZ時，管子的穩(wěn)壓性能差；I>IZ

，只要不超過額定功耗即可。

rZ愈小愈好。對于同一個穩(wěn)壓管，工作電流愈大，rZ值愈小。IZ=5mArZ

16IZ=20mArZ

3IZ/mA模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

2DW7系列穩(wěn)壓管結(jié)構(gòu)(a)2DW7穩(wěn)壓管外形圖(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖管子內(nèi)部包括兩個溫度系數(shù)相反的二極管對接在一起。溫度變化時，一個二極管被反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而另一個二極管被正向偏置，溫度系數(shù)為負值，二者互相補償，使1、2兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。例：

2DW7C，U

=0.005

%/℃圖1.2.12

2DW7穩(wěn)壓管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!VDZR使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個問題：圖1.2.13穩(wěn)壓管電路UOIO+IZIRUI+

1.

外加電源的正極接管子的N區(qū)，電源的負極接P區(qū)，保證管子工作在反向擊穿區(qū)；RL

2.

穩(wěn)壓管應(yīng)與負載電阻RL

并聯(lián)；

3.

必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，不能超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)常用的三極管的結(jié)構(gòu)有硅平面管和鍺合金管兩種類型。圖1.3.2三極管的結(jié)構(gòu)(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe發(fā)射極，b基極，c集電極。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!圖1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(a)NPN型ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!1.3.2三極管的放大作用和載流子的運動以NPN型三極管為例討論圖1.3.4三極管中的兩個PN結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!becRcRb三極管中載流子運動過程IEIB

1.發(fā)射發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴散到發(fā)射區(qū)—形成發(fā)射極電流

IE

(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。

2.復(fù)合和擴散電子到達基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流Ibn，復(fù)合掉的空穴由VBB

補充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴散，到達集電結(jié)的一側(cè)。圖1.3.5三極管中載流子的運動模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!beceRcRb三極管的電流分配關(guān)系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO

IE=ICn+IBn+IEp

=IEn+IEp一般要求ICn在IE中占的比例盡量大。而二者之比稱直流電流放大系數(shù)，即一般可達0.95~0.99模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!上式中的后一項常用ICEO表示，ICEO稱穿透電流。當ICEO<<IC

時，忽略ICEO，則由上式可得共射直流電流放大系數(shù)近似等于IC

與IB

之比。一般值約為幾十~幾百。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.

在表的列數(shù)據(jù)中，IE=0時，IC=0.001mA=ICBO，ICBO稱為反向飽和電流。

在表的第二列數(shù)據(jù)中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO，稱為穿透電流。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!輸出回路輸入回路+UCE-1.3.3三極管的特性曲線特性曲線是選用三極管的主要依據(jù)，可從半導(dǎo)體器件手冊查得。IBUCE圖1.3.6三極管共射特性曲線測試電路ICVCCRbVBBcebRcV+V+A++mA

輸入特性：輸出特性：+UCE-+UCE-IBIBIBUBE模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!

(2)

UCE>0時的輸入特性曲線

當UCE>0時，這個電壓有利于將發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子收集到集電極。UCE>UBE，三極管處于放大狀態(tài)。

*

特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)OIB/AUCE≥1時的輸入特性具有實用意義。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAUBE*UCE

≥1V，特性曲線重合。圖1.3.6三極管共射特性曲線測試電路圖1.3.8三極管的輸入特性模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!2.放大區(qū)：條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏

特點：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。二、輸出特性IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321放大區(qū)集電極電流和基極電流體現(xiàn)放大作用，即放大區(qū)放大區(qū)對NPN管UBE>0，UBC<0圖1.3.9

NPN三極管的輸出特性曲線模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!1.3.4三極管的主要參數(shù)三極管的連接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基極接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共發(fā)射極接法圖1.3.10

NPN三極管的電流放大關(guān)系一、電流放大系數(shù)是表征管子放大作用的參數(shù)。有以下幾個：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!二、反向飽和電流1.集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO2.集電極和發(fā)射極之間的反向飽和電流ICEO(a)ICBO測量電路(b)ICEO測量電路ICBOcebAICEOAceb

小功率鍺管ICBO約為幾微安；硅管的ICBO小，有的為納安數(shù)量級。當b開路時，c和e之間的電流。值愈大，則該管的ICEO也愈大。圖1.3.11反向飽和電流的測量電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!3.極間反向擊穿電壓外加在三極管各電極之間的最大允許反向電壓。

U(BR)CEO：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。

U(BR)CBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。

安全工作區(qū)同時要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。過電壓ICU(BR)CEOUCEO過損耗區(qū)安全工作區(qū)ICM過流區(qū)圖1.3.11三極管的安全工作區(qū)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!PNP三極管電流和電壓實際方向。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三極管各極電流和電壓的規(guī)定正方向。PNP三極管中各極電流實際方向與規(guī)定正方向一致。電壓(UBE、UCE)實際方向與規(guī)定正方向相反。計算中UBE

、UCE

為負值；輸入與輸出特性曲線橫軸為(-UBE)

、(-UCE)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!DSGN符號1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!二、工作原理

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!

2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負電源VGG，觀察UGS變化時耗盡層和漏極ID

。UGS=0，UDG<，ID

較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當UDS>0時，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈負，ID愈小；UGS=UP，ID0。兩個重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(UGS=0時的ID)夾斷電壓UP

(ID=0時的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+mA模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)漏極特性也有三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+mA圖1.4.6(b)漏極特性模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管。特點：輸入電阻可達109以上。類型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型UGS=0時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS=0時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強型場效應(yīng)管。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!2.工作原理

絕緣柵場效應(yīng)管利用UGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0

漏源之間相當于兩個背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖1.4.9模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!(4)

UDS對導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流ID

。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)UGS<UT，ID=0；

UGS

≥

UT，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當UGS>UT

時)三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖1.4.12(a)圖1.4.12(b)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS

正、負、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖1.4.15

MOS管的符號SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖1.4.14特性曲線模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓UGS

對漏極電流ID

的控制作用。單位：ID毫安(mA)；UGS

伏(V)；gm毫西門子(mS)

這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括CGS、CGD、CDS。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!種類符號轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各類場效應(yīng)管的符號和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!1.1.1

本征半導(dǎo)體

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖1.1.2單晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)當溫度T=0

K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!1.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。

3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni

=pi

。

4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!

本征半導(dǎo)體摻入5價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。

自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!二、P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。

3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.5

P型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)圖1.2.1

PN結(jié)的形成模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!3.空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場UD空間電荷區(qū)正負離子之間電位差UD

——電位壁壘；——

內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴散——

阻擋層。

4.漂移運動內(nèi)電場有利于少子運動—漂移。

少子的運動與多子運動方向相反

阻擋層圖1.2.1(b)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。圖1.2.2PN模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!空間電荷區(qū)圖1.2.3反相偏置的PN結(jié)反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!1.2.2

二極管的伏安特性將PN結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從P區(qū)和N區(qū)分別焊出兩根引線作正、負極。二極管的結(jié)構(gòu)：(a)外形圖半導(dǎo)體二極管又稱晶體二極管。(b)符號圖1.2.4二極管的外形和符號模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!二極管的伏安特性在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，I=f

(U

)之間的關(guān)系曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0圖1.2.4二極管的伏安特性模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性當電壓超過零點幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和；二極管加反向電壓，反向電流很??；如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；反向飽和電流

這種現(xiàn)象稱擊穿，對應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復(fù)正常。擊穿電壓U(BR)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦浴＜诱螂妷簳r導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!*1.2.4二極管的電容效應(yīng)當二極管上的電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使二極管具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分勢壘電容擴散電容1.勢壘電容是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。(a)PN結(jié)加正向電壓（b)PN結(jié)加反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!2.擴散電容CdQ是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P區(qū)中的電子濃度np(或N區(qū)的空穴濃度pn)分布曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P與N區(qū)的交界處當電壓加大，np(或pn)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12Q當加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。Q正向電壓時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當于電容器充電和放電的過程——擴散電容效應(yīng)。圖1.2.9模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!1.2.5穩(wěn)壓管一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。

I/mAU/VO+正向+反向U(b)穩(wěn)壓管符號(a)穩(wěn)壓管伏安特性+I圖1.2.10穩(wěn)壓管的伏安特性和符號模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁!4.電壓溫度系數(shù)U

穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項：穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度每變化1℃引起穩(wěn)定電壓變化的百分比。

(1)

UZ>7V,U>0；UZ<4V，U<0；

(2)

UZ

在4~7V之間，U

值比較小，性能比較穩(wěn)定。

2CW17：UZ=9~10.5V，U=0.09

%/℃

2CW11：UZ=3.2~4.5V，U=-(0.05~0.03)%/℃

(3)2DW7系列為溫度補償穩(wěn)壓管，用于電子設(shè)備的精密穩(wěn)壓源中。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁!5.額定功耗PZ額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。PZ=UZIZPZ會轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。電工手冊中給出IZM，IZM=PZ/UZ

[例]

求通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？R是限流電阻，其值是否合適？IZVDZ+20VR=1.6k+

UZ=12V-

IZM=18mA例題電路圖IZ

<IZM

，電阻值合適。[解]模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁!1.3雙極型三極管(BJT)又稱半導(dǎo)體三極管、晶體管，或簡稱為三極管。(BipolarJunctionTransistor)三極管的外形如下圖所示。三極管有兩種類型：NPN和PNP型。主要以NPN型為例進行討論。圖1.3.1三極管的外形模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁!平面型(NPN)三極管制作工藝NcSiO2b硼雜質(zhì)擴散e磷雜質(zhì)擴散磷雜質(zhì)擴散磷雜質(zhì)擴散硼雜質(zhì)擴散硼雜質(zhì)擴散PN在N型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻一個窗口，將硼雜質(zhì)進行擴散形成P型(基區(qū))，再在P型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進行擴散形成N型的發(fā)射區(qū)。引出三個電極即可。合金型三極管制作工藝：在N型鍺片(基區(qū))兩邊各置一個銦球，加溫銦被熔化并與N型鍺接觸，冷卻后形成兩個P型區(qū)，集電區(qū)接觸面大，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁!集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號NNPPN圖1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(b)PNP型模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁!三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP

1.發(fā)射區(qū)高摻雜。

2.基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。

三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3.集電結(jié)面積大。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁!becIEIBRcRb三極管中載流子運動過程

3.收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴散過來的電子而形成集電極電流

Icn。其能量來自外接電源VCC

。IC

另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖1.3.5三極管中載流子的運動模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁!三個極的電流之間滿足節(jié)點電流定律，即IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流電流放大系數(shù)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁!三極管的電流分配關(guān)系一組三極管電流關(guān)系典型數(shù)據(jù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.

任何一列電流關(guān)系符合IE=IC+IB，IB<IC<IE,ICIE。

2.

當IB有微小變化時，IC

較大。說明三極管具有電流放大作用。

3.

共射電流放大系數(shù)共基電流放大系數(shù)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁!根據(jù)和

的定義，以及三極管中三個電流的關(guān)系，可得故與兩個參數(shù)之間滿足以下關(guān)系：直流參數(shù)與交流參數(shù)、的含義是不同的，但是，對于大多數(shù)三極管來說，與，與的數(shù)值卻差別不大，計算中，可不將它們嚴格區(qū)分。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁!一、輸入特性

(1)UCE=0時的輸入特性曲線RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A

當UCE=0時，基極和發(fā)射極之間相當于兩個PN結(jié)并聯(lián)。所以，當b、e之間加正向電壓時，應(yīng)為兩個二極管并聯(lián)后的正向伏安特性。圖1.3.7(上中圖)

圖1.3.8(下圖)

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁!二、輸出特性圖1.3.9

NPN三極管的輸出特性曲線IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321劃分三個區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)

1.截止區(qū)IB≤0的區(qū)域。兩個結(jié)都處于反向偏置。

IB=0時，IC=ICEO。

硅管約等于1A，鍺管約為幾十~幾百微安。截止區(qū)截止區(qū)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁!3.飽和區(qū)：條件：兩個結(jié)均正偏IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321對NPN型管，UBE>0UBC>0。

特點：IC基本上不隨IB而變化，在飽和區(qū)三極管失去放大作用。IC

IB。

當UCE=UBE，即UCB=0時，稱臨界飽和，UCE

<

UBE時稱為過飽和。飽和管壓降UCES<0.4V(硅管)，UCES<

0.2V(鍺管)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第74頁!1.共射電流放大系數(shù)

2.共射直流電流放大系數(shù)忽略穿透電流ICEO時，3.共基電流放大系數(shù)

4.共基直流電流放大系數(shù)忽略反向飽和電流ICBO時，和

這兩個參數(shù)不是獨立的，而是互相聯(lián)系，關(guān)系為：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第75頁!三、極限參數(shù)1.集電極最大允許電流ICM

當IC過大時，三極管的值要減小。在IC=ICM

時，值下降到額定值的三分之二。2.集電極最大允許耗散功率

PCM過損耗區(qū)安全工作區(qū)

將IC與UCE乘積等于規(guī)定的PCM值各點連接起來，可得一條雙曲線。ICUCE<PCM

為安全工作區(qū)ICUCE>PCM為過損耗區(qū)ICUCEOPCM=ICUCE安全工作區(qū)安全工作區(qū)過損耗區(qū)過損耗區(qū)圖1.3.11三極管的安全工作區(qū)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第76頁!1.3.5

PNP型三極管放大原理與NPN型基本相同，但為了保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，外加電源的極性與NPN正好相反。圖1.3.13三極管外加電源的極性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uoui模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第77頁!1.4場效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管特點單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；

輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第78頁!P溝道場效應(yīng)管圖1.4.2

P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號GDS模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第79頁!

1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當UGS=UP，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UP為負值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第80頁!GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)

改變UGS，改變了PN結(jié)中電場，控制了ID

，故稱場效應(yīng)管；(2)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器共90頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第81頁!1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性2.漏極特性當柵源之間的電壓UGS不變時，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS

的關(guān)系，即

結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》章半導(dǎo)體器