chapter-1半導(dǎo)體及三極管

根據(jù)物體導(dǎo)電能力（電阻率）的不同，物質(zhì)可分為導(dǎo)體(ρ<10-1Ω·cm)、絕緣體(ρ>109

Ω·cm)和半導(dǎo)體(10-1Ω<ρ<109Ω·cm)三大類(lèi)。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等，其都是4價(jià)元素（外層軌道上的電子通常稱為價(jià)電子），其原子結(jié)構(gòu)模型和簡(jiǎn)化模型如圖1.1.1所示?！?.1半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗哂袩崦粜?、光敏性、摻雜性等特殊性能。每個(gè)原子最外層的價(jià)電子，不僅受到自身原子核的束縛，同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。因此，價(jià)電子不僅圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也出現(xiàn)在圍繞相鄰原子核的軌道上。于是，兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)共價(jià)電子，這一對(duì)價(jià)電子組成所謂的。硅、鍺原子的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖所示。共價(jià)鍵純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在室溫下，本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原位留下一個(gè)空穴，這種產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在熱力學(xué)溫度零度（即T=０Ｋ，相當(dāng)于-273℃）時(shí)，價(jià)電子的能量不足以掙脫共價(jià)鍵的束縛，因此，晶體中沒(méi)有自由電子。所以在T=０Ｋ時(shí)，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。1.1.1本征半導(dǎo)體由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生。電子－空穴對(duì)本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。分別用n和p表示自由電子和空穴的濃度，有n=p?？昭ā㈦娮訉?dǎo)電機(jī)理 由于共價(jià)鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場(chǎng)或其它的作用下，鄰近價(jià)電子就可填補(bǔ)到這個(gè)空位上，而在這個(gè)電子原來(lái)的位置上又留下新的空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)移到這個(gè)新的空位。這樣就使共價(jià)鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移。空穴的移動(dòng)方向和電子移動(dòng)方向是相反的。（動(dòng)畫(huà)演示）1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中雖有兩種載流子，但因本征載子濃度很低，導(dǎo)電能力很差。如在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定雜質(zhì)，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，其導(dǎo)電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼、鎵）的半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在Ｎ型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì).一、Ｎ型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。在Ｐ型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

二、Ｐ型半導(dǎo)體在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度；而小數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。（如下圖）雜質(zhì)半導(dǎo)體，無(wú)論是N型還是P型，從總體上看，仍然保持著電中性。在純凈的半導(dǎo)體中摻雜后，導(dǎo)電性能大大改善。但提高導(dǎo)電能力不是其最終目的，因?yàn)閷?dǎo)體導(dǎo)電能力更強(qiáng)。雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于,N、P型半導(dǎo)體可組合制造出各種各樣的半導(dǎo)體器件.

三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與雜質(zhì)濃度有關(guān)多子—電子P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時(shí),因?yàn)镻區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差?！?.2半導(dǎo)體二極管1.２.1ＰＮ結(jié)及其單向?qū)щ娦酝ㄟ^(guò)摻雜工藝，把本征硅(或鍺)片的一邊做成P型半導(dǎo)體，另一邊做成N型半導(dǎo)體，這樣在它們的交界面處會(huì)形成一個(gè)很薄的特殊物理層，稱為ＰＮ結(jié)。一、ＰＮ結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)二極管由一個(gè)特定的ＰＮ結(jié)和二引腳構(gòu)成。于是P區(qū)中的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子也會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動(dòng)的受主負(fù)離子和施主正離子。（動(dòng)畫(huà)演示２）（動(dòng)畫(huà)演示１）二、ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娦?）ＰＮ結(jié)正向偏置——導(dǎo)通由圖1.2.2可見(jiàn)，外電場(chǎng)將推動(dòng)P區(qū)多子（空穴）向右擴(kuò)散，與原空間電荷區(qū)的負(fù)離子中和，推動(dòng)N區(qū)的多子（電子）向左擴(kuò)散與原空間電荷區(qū)的正離子中和，使空間電荷區(qū)變薄，打破了原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)電源不斷地向P區(qū)補(bǔ)充正電荷，向N區(qū)補(bǔ)充負(fù)電荷，其結(jié)果使電路中形成較大的正向電流，由P區(qū)流向N區(qū)。這時(shí)ＰＮ結(jié)對(duì)外呈現(xiàn)較小的阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。給ＰＮ結(jié)加上電壓，使電壓的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)（稱ＰＮ結(jié)正向偏置）。（動(dòng)畫(huà)演示）

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)正向電流正向電流2）ＰＮ結(jié)反向偏置——截止

由圖1.2.3可見(jiàn)，外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，它將N區(qū)的多子（電子）從ＰＮ結(jié)附近拉走，將P區(qū)的多子（空穴）從ＰＮ結(jié)附近拉走，使ＰＮ結(jié)變厚，呈現(xiàn)出很大的阻值，且打破了原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡，使漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。由于漂移運(yùn)動(dòng)是少子運(yùn)動(dòng)，因而漂移電流很??；若忽略漂移電流，則可以認(rèn)為ＰＮ結(jié)截止。給ＰＮ結(jié)加上電壓，使電壓的正極接Ｎ區(qū)，負(fù)極接Ｐ區(qū)（稱ＰＮ結(jié)反向偏置）。（動(dòng)畫(huà)演示）

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IR外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)反向電流反向電流綜上所述，ＰＮ結(jié)正向偏置時(shí)，正向電流很大，ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；ＰＮ結(jié)反向偏置時(shí)，反向電流很小，幾乎為零，ＰＮ結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。這就是ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

1.２.2二極管的類(lèi)型及伏安特性在ＰＮ結(jié)的外面裝上管殼,再引出兩個(gè)電極，就做成了一個(gè)二極管。其中陽(yáng)極從Ｐ區(qū)引出，陰極從Ｎ區(qū)引出。下圖為二極管的圖形符號(hào)。（ＰＮ結(jié)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)）半導(dǎo)體二極管實(shí)物圖片：特點(diǎn)：ＰＮ結(jié)面積小，所以極間電容小，管子允許通過(guò)的電流??；可在高頻下工作；適用于作高頻檢波管和數(shù)字電路里的開(kāi)關(guān)元件。二極管的類(lèi)型很多，從制造材料上分，主要是硅管和鍺管；從管子的結(jié)構(gòu)上分，主要有 、 、 二極管。點(diǎn)接觸型面接觸型硅平面型1.二極管的類(lèi)型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：ＰＮ結(jié)面積大，極間電容大，允許通過(guò)的電流

大；適合在較低頻率下工作,可用于整流電路.

二極管的類(lèi)型很多，從制造材料上分，主要是硅管和鍺管；從管子的結(jié)構(gòu)上分，主要有 、 、 二極管。點(diǎn)接觸型面接觸型硅平面型1.二極管的類(lèi)型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：ＰＮ結(jié)不受水氣和污物的污染，表面漏電流小，性能穩(wěn)定。平面管的ＰＮ結(jié)面積大時(shí)，允許通過(guò)的電流也大，適于做大功率整流管；結(jié)面積小的，暫態(tài)特性好，適于做開(kāi)關(guān)管。二極管的類(lèi)型很多，從制造材料上分，主要是硅管和鍺管；從管子的結(jié)構(gòu)上分，主要有 、 、 二極管。點(diǎn)接觸型面接觸型硅平面型1.二極管的類(lèi)型及結(jié)構(gòu)2.二極管的伏安特性在二極管的兩端加上電壓Ｕ，然后測(cè)出流過(guò)的電流Ｉ，電流與電壓之間的關(guān)系曲線Ｉ＝ｆ(Ｕ)即是二極管的伏安特性。如圖1.2.5所示.特性曲線分為兩部分：加正向電壓時(shí)的特性叫正向特性（圖中右半部分）；加反向電壓時(shí)的特性叫反向特性（圖中左半部分）。1）正向特性區(qū)0A段：稱為“死區(qū)”。2）反向特性區(qū)0Ｄ段：稱為反向截止區(qū)。這時(shí)二極管呈現(xiàn)很高的電阻，在電路中相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)，呈截止?fàn)顟B(tài)。AC段：稱為正向?qū)▍^(qū)。DE段：稱為反向擊穿區(qū)。當(dāng)反向電壓增加到一定值時(shí)，反向電流急劇加大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)所加的電壓稱為反向擊穿電壓,記做ＵB。這時(shí)電壓的微小變化會(huì)引起電流很大的變化，表現(xiàn)出很好的恒壓特性。（穩(wěn)壓二極管正是利用這一特性工作在擊穿區(qū)。）若對(duì)反向擊穿后的電流不加以限制，ＰＮ結(jié)也會(huì)因過(guò)熱而燒壞，這種情況稱為熱擊穿。因此我們只要注意控制反向電流的數(shù)值，不使其過(guò)大引起管子過(guò)熱而燒壞,則當(dāng)反向電壓降低時(shí)，二極管的性能可以恢復(fù)正常。電擊穿：可逆根據(jù)半導(dǎo)體物理原理分析可得到伏安特性表達(dá)式（即二極管方程）如下：注意:二極管擊穿后，不再具有單向?qū)щ娦?。熱擊穿：不可逆iD=IS(e

uD/UT-1)iD：通過(guò)PN結(jié)的電流；其中：uD：PN結(jié)兩端的外加電壓；UT：溫度的電壓當(dāng)量=kT/q=0.026V，其中k為波耳茲曼常數(shù)(1.38×10–23J/K)，T為常溫，即熱力學(xué)溫度(300K)，q為電子電荷(1.6×10–19C)；IS：反向飽和電流。當(dāng)uD

＞0，且uD>>UT時(shí)，iD=IS(e

uD

/UT)；

由此說(shuō)明：1)加正向電壓時(shí)，電流Ｉ與電壓Ｕ基本上成指數(shù)關(guān)系；2)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截止，即具有單向?qū)щ娦?。?dāng)uD

＜0，且|uD|>>UT

時(shí)，iD≈-IS≈0。iD=IS(e

uD/UT-1)指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流，它是由ＰＮ結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，二極管的平均電流不能超過(guò)此值，并要滿足散熱條件，否則會(huì)燒壞二極管。主要由ＰＮ結(jié)的結(jié)電容大小決定。結(jié)電容越大,則其允許的最高工作頻率越低。指在室溫下，二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。該電流越小，管子的單向?qū)щ娦阅芫驮胶?。另由于反向電流是由少?shù)載流子形成，所以溫度升高，反向電流會(huì)急劇增加，因而在使用時(shí)要注意溫度的影響。1.２.3二極管的主要參數(shù)器件的參數(shù)是對(duì)其特性的定量描述，也是我們正確使用和合理選擇器件的依據(jù)。半導(dǎo)體二極管主要參數(shù)有：

1.最大整流電流IＦ2.最高反向工作電壓UR3.反向電流IＲ4.最高工作頻率fM指二極管使用時(shí)所允許加的最大反向電壓,超過(guò)此值二極管就有發(fā)生反向擊穿的危險(xiǎn)。通常取反向擊穿電壓UBR的一半作為UR

。1.２.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，其符號(hào)如圖1.2.7(a)所示。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。它是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅二極管，這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，容易形成強(qiáng)電場(chǎng)。其特性如圖1.2.7(b)的所示，其正向特性曲線與普通二極管相似，而反向擊穿特性曲線則很陡。圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓原理在于：電流有很大增量時(shí),只引起很小的電壓變化。反向擊穿曲線愈陡，動(dòng)態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：1.穩(wěn)定電壓UZ指穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。2.穩(wěn)定電流IZ(IZmin

~IZmax)指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流。若工作電流小于IZmin，則不能穩(wěn)壓；若工作電流大于IZmax

，則會(huì)因功耗過(guò)大而燒壞。3.動(dòng)態(tài)電阻rZ指穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。

rZ=U/I

rZ愈小,反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡,穩(wěn)壓性越好.4.電壓的溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓aU指穩(wěn)壓的電流保持不變時(shí)，環(huán)境溫度每變化１℃所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般：UZ>7V，aU為正值；UZ

<4V，aU為負(fù)值；4V>UZ

>7V，aU值較小，穩(wěn)壓性能穩(wěn)定。5.額定功率ＰZ指穩(wěn)壓管工作電壓UZ與最大工作電流IZmax的乘積.

ＰZ=UZ×IZmax

額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。穩(wěn)壓管電路分析：1.限流電阻的計(jì)算(1)當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出限流電阻的最大值。即穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)必須限制穩(wěn)壓管電流,以免燒壞管子負(fù)載與穩(wěn)壓管并聯(lián)(2)當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過(guò)IZmax，由此可計(jì)算出限流電阻的最小值。即所以：Ｒmin＜R＜Rmax2.負(fù)載電阻的計(jì)算(1)當(dāng)輸入電壓最小時(shí)，只有負(fù)載電阻足夠大(分流足夠小)才能保證IZ不小于IZmin，由此可計(jì)算出負(fù)載電阻的最大值。即(2)當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，只有負(fù)載電阻足夠小(分流足夠大)才能保證IZ不大于IZmax，由此可計(jì)算出負(fù)載電阻的最小值。即所以：ＲLmin＜RＬ＜RLmax1.２.5變?nèi)荻O管普通二極管(整流二極管，檢波二極管)是利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕?/p>

穩(wěn)壓管是利用二極管的擊穿特性；而變?nèi)荻O管是利用二極管的電容效應(yīng)。一、PN結(jié)的電容效應(yīng)它包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。1.

勢(shì)壘電容是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)(耗盡層)形成的，又稱為結(jié)電容。勢(shì)壘電容的大小可用下式表示：ε：半導(dǎo)體材料的介電系數(shù)；其中：

s：PN結(jié)面積；

l：耗盡層寬度。UD：PN結(jié)的勢(shì)電位差,鍺管0.2~0.3V,硅管0.6~0.7VU：加到二極管上的反向電壓；Cjo：為Ｕ=0時(shí)的勢(shì)壘(結(jié))電容；y：為電容變化指數(shù)，與摻雜濃度和管結(jié)構(gòu)有關(guān)。U0CbCjo勢(shì)壘電容Cb與外加反向電壓的關(guān)系(如左圖)2.

擴(kuò)散電容是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中和積累而引起的。當(dāng)外加正向電壓變化時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子數(shù)量及濃度梯度也也跟著變化，相當(dāng)于電容的充放電過(guò)程，這就是擴(kuò)散電容效應(yīng)。(如右圖)綜上所述，PN結(jié)總的結(jié)電容Cj包括勢(shì)壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd兩部分。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為Cj≈Cd；當(dāng)反向偏置時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用，可以認(rèn)為Cj≈Cb。二、變?nèi)荻O管電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來(lái)。是利用PN結(jié)的(反向偏置)勢(shì)壘電容效應(yīng)而構(gòu)成的另一種特殊二極管?！?.3雙極型三極管三極管從所用材料來(lái)分：硅管和鍺管；三極管從結(jié)構(gòu)來(lái)分：NPN管和PNP管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，稱為雙極型晶體管(BipolarJunc-tionTransistor,簡(jiǎn)稱BJT)。也叫半導(dǎo)體三極管或晶體三極管。1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào):--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)包含：三區(qū)、三極、二結(jié)；(2)發(fā)射區(qū)的摻雜濃度>>集電區(qū)摻雜濃度。(3)基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。箭頭的方向代表電流的方向箭頭的方向代表電流的方向1.3.2三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng)三極管內(nèi)部存在兩個(gè)PN結(jié)，表面看來(lái)，似乎相當(dāng)于兩個(gè)二極管背靠背地串聯(lián)在一起，如右圖(以NPN型為例)。但是將兩個(gè)單獨(dú)的二極管這樣連接起來(lái)后它們并不具有放大作用。三極管的放大作用,必須由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部電壓條件來(lái)保證。1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)a)發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，因而其中的多數(shù)載流子濃度很高。b)基區(qū)做得很薄，而且摻雜濃度最低，即基區(qū)中多子濃度很低。c)集電結(jié)結(jié)面積比較大，且集電區(qū)多子濃度遠(yuǎn)比發(fā)射區(qū)多子濃度低。發(fā)射載流子傳送和控制載流子收集載流子b)集電結(jié)反偏：共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)+UCE－＋UBE－＋UCB－>02.外部條件由VBB保證。由VCC、VBB保證。三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?放大狀態(tài))：a)發(fā)射結(jié)正偏：>0一、BJT內(nèi)部的載流子傳輸過(guò)程(1)

因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏,所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN

。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈IEN

。(2)發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈IBN

。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。(3)

因?yàn)榧娊Y(jié)反偏,收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN。另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。BI（動(dòng)畫(huà)演示）(1)

三電流之間的關(guān)系BI二、BJT三個(gè)電極上的電流分配關(guān)系當(dāng)忽略IEP時(shí)可得到：IE在B極和E極之間的分配比例取決于基區(qū)寬度、基區(qū)多子濃度和外加電源VCC的極性及大小。BI(2)

電流分配關(guān)系定義：(忽略各區(qū)少子產(chǎn)生的電流IEP、ICBO。)

稱為共基極直流電流放大系數(shù)。顯然小于1而接近1.定義：共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)。稱為電流放大系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。

當(dāng)UCE不變時(shí)，輸入回路中的電流IB與電壓UBE之間的關(guān)系曲線稱為～，用下式表示：1.3.3BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）一、輸入特性曲線：(1)

UCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V(3)

UCE≥1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。

(2)

當(dāng)UCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一UBE電壓下，IB減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。=1VCEu當(dāng)IB不變時(shí)，輸出回路中的電流IC與電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為~，其表達(dá)式為二、輸出特性曲線：現(xiàn)以IB=60uA一條加以說(shuō)明.(1)當(dāng)UCE=0

V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，IC=0。(3)當(dāng)UCE

＞1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成IC。所以UCE再增加，IC基本保持不變。同理，可作出IB為其它值的曲線。(2)UCE↑→IC

↑。

IC接近零的區(qū)域，相當(dāng)IB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)截止區(qū)iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA

IC受UCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)UCE＜0.7V。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏.該區(qū)中有：飽和區(qū)輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)：截止區(qū)：放大區(qū)：（動(dòng)畫(huà)演示）三、溫度對(duì)晶體管特性的影響1.溫度對(duì)輸入特性的影響溫度升高，少子數(shù)目增加，ＰＮ變薄，發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電壓下降，在維持IB不變的情況下，需要輸入電壓UBE下降。輸入特性曲線隨溫度升高向左移。2.溫度對(duì)β的影響溫度升高，少子數(shù)目增加，多子數(shù)目基本不高，由于復(fù)合作用，基區(qū)多子濃度下降，導(dǎo)致β提高。3.溫度對(duì)ICBO、ICEO的影響ICBO是集電結(jié)反向飽和電流，由少子的漂移形成，隨溫度提高呈指數(shù)規(guī)律增加；4.溫度對(duì)輸出特性的影響溫度升高，使ICBO、ICEO和β增加，使輸出特性曲線向上移，且間距拉大。因ICEO=(1+β)ICBO，故溫度升高，ICEO也升高。（動(dòng)畫(huà)演示）四、例題例1.3.1三極管工作狀態(tài)的判定NPN三極管VT組成的共射電路圖如下所示.設(shè)VT的UBE=0.7V,飽和壓降為UCES=0.7V。試判定三極管處于何種工作狀態(tài)(放大、飽和、截止)。解：通常判定三極管處于何種工作狀態(tài)可用下述三種方法。1.三極管結(jié)偏置判定法2.三極管電流關(guān)系判定法3.三極管結(jié)電位判定法+VCCRbRcIBICIE+VBBVO正偏或零偏正偏反偏正偏反偏反偏或零偏飽和放大截止集電結(jié)發(fā)射結(jié)1.三極管結(jié)偏置判定法結(jié)偏置工作狀態(tài)<(1+β)IB<βIBIB≥IBSIB+IC=(1+β)IBβIB>00002.三極管電流關(guān)系判定法飽和放大截止IEICIB電流工作狀態(tài)流關(guān)系電表中:IBS稱為三極管臨界飽時(shí)基極應(yīng)注入的電流.3.三極管電位判定法UCES0.7UCES<UC<VCC0.7VCC≤0飽和放大截止ＵＣUB位電位工作狀態(tài)電值三種判定方法中，第二種常用于解題過(guò)程中,第三種則常用于實(shí)驗(yàn)測(cè)定。例1.3.2三極管工作狀態(tài)的分析計(jì)算NPN三極管接成如下圖所示兩種電路。試分析電路中三極管VT處于何種工作狀態(tài)。設(shè)VT的UBE=0.7V。解：(a)基極偏置電流IB為：臨界飽和時(shí)的基極偏置電流IBS為：由于IB<IBS，故三極管VT處于放大狀態(tài)。判斷圖(a)電路三極管的工作狀態(tài)，也可通過(guò)直接比較電阻RB和βRC的大小來(lái)確定。即：RB>βRC時(shí)，VT為放大狀態(tài)；RB<βRC時(shí)，VT為飽和狀態(tài)。解：(b)基極偏置電流IB為：臨界飽和時(shí)的基極偏置電流IBS為：由于IB<IBS，故三極管VT處于放大狀態(tài)。1.3.4BJT的主要參數(shù)1.

電流放大系數(shù)(2)共基極電流放大系數(shù)：iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi2.31.5(1)共發(fā)射極電流放大系數(shù)：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。2.極間反向電流(2)集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO+ICBO+ecbICEO鍺管：I

CBO為微安數(shù)量級(jí)，硅管：I

CBO為納安數(shù)量級(jí)?；鶚O開(kāi)路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。IC增加時(shí)，要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70％時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。(1)集電極最大允許電流ICM(2)集電極最大允許功率損耗PCMPCM3.極限參數(shù)集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，PC=ICUCE<PCM

BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種①

U(BR)EBO——集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏.③U(BR)CEO——基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。(BR)CEOUU(BR)CBOU(BR)EBO(3)極間反向擊穿電壓②

U(BR)CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾十～幾百伏.根據(jù)給定的極限參數(shù)ICM、

U(BR)CEO和PCM，可以在三極管的輸出特性曲線上畫(huà)出管子的安全工作區(qū)，如下圖所示。第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開(kāi)關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類(lèi)用數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：3DG110B1.3.5半導(dǎo)體三極管的型號(hào)§1.4場(chǎng)效應(yīng)管BJT是一種電流控制器件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類(lèi)：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管(簡(jiǎn)稱FET)是一種電壓控制(電場(chǎng)效應(yīng)控制)器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種(多數(shù))載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)一、結(jié)構(gòu)(以N溝道為例)它是在一塊N型半導(dǎo)體的兩邊利用雜質(zhì)擴(kuò)散出高濃度的P型區(qū)域,用P+表示,形成兩個(gè)P+N結(jié)。

N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個(gè)電極，分別稱為漏極D和源極S。把兩邊的P區(qū)引出電極并連在一起稱為柵極G。

如果在漏---源極間加上正向電壓,N區(qū)中的多子(也就是電子)可以導(dǎo)電。它們從源極S出發(fā)，流向漏極D。電流方向由D指向S，稱為漏極電流ID。由于導(dǎo)電溝道是N型的，故稱為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。（動(dòng)畫(huà)演示）箭頭方向表示PN結(jié)的正向電流方向。它的三個(gè)電極D、G、S分別與晶體管的C、B、E極相對(duì)應(yīng)。符號(hào)：二、工作原理從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)已經(jīng)看到,在柵極和導(dǎo)電溝道間存在一個(gè)PN結(jié)?，F(xiàn)在,我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下這個(gè)PN結(jié)：

首先，假如在G—S間加上反向電壓VGS，則PN結(jié)反向偏置。顯然,改變VGS將改變耗盡層的寬度。其次，由于PN結(jié)兩邊，P區(qū)摻雜濃度很高，N區(qū)摻雜濃度相對(duì)較低；PN結(jié)中N區(qū)一側(cè)的正離子數(shù)與P區(qū)一側(cè)的負(fù)離子數(shù)相等，因而交界面兩側(cè)的寬度并不相等。摻雜程度低的N溝道層寬比P區(qū)層寬大很多。故此,可以認(rèn)為,當(dāng)耗盡層展寬時(shí)主要向著導(dǎo)電溝道的一側(cè)。（動(dòng)畫(huà)演示）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和源極間電壓UGS變化時(shí)，對(duì)耗盡層和導(dǎo)電溝道寬度以及漏極電流ID大小的影響。1.UDS=0時(shí)：UP稱為夾斷電壓VGS越負(fù)，溝道越窄（動(dòng)畫(huà)演示）2.UDS>0時(shí)：VGS越負(fù)，溝道越窄VGD越負(fù)，溝道越窄（動(dòng)畫(huà)演示）三、特性曲線JFET的特性曲線有兩條：轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。圖1.4.6N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(a)輸出特性(b)轉(zhuǎn)移特性1.轉(zhuǎn)移特性描述柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。轉(zhuǎn)移特性有兩個(gè)重要參數(shù)：夾斷電壓UP和飽和漏極電流IDSS。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線可用以下公式表示：飽和漏極電流IDSS夾斷電壓UP(動(dòng)畫(huà)演示)場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線可分為三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.輸出特性描述當(dāng)柵源電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS的關(guān)系，即：（動(dòng)畫(huà)演示）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱MOSFET。分為：增強(qiáng)型

N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道一、N溝道增強(qiáng)型MOS管(1)結(jié)構(gòu)

四個(gè)電極：漏極D，源極S,柵極G和襯底B。符號(hào)：1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)（動(dòng)畫(huà)演示）當(dāng)UGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

(2)

工作原理當(dāng)UGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。再增加UGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可①柵源電壓UGS的控制作用以形成漏極電流Id。（動(dòng)畫(huà)演示）定義：開(kāi)啟電壓(UT)----剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：UGS＜UT，管子截止；UGS＞UT，管子導(dǎo)通。UGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓UDS作用下，漏極電流ID越大。

②漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用當(dāng)UGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。(設(shè)UT=2V，UGS=4V)(a)UDS=0時(shí)，ID=0。(b)UDS↑→ID↑；同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。(c)當(dāng)UDS增加到使UGD=UT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。(d)UDS再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長(zhǎng)，UDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，ID不變。(3)特性曲線①輸出特性曲線：ID=f(UDS)UGS=const可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)四個(gè)區(qū)：(a)可變電阻區(qū)(預(yù)夾斷前)。(b)恒流區(qū)也稱飽和區(qū)(預(yù)夾斷后)。(c)夾斷區(qū)(截止區(qū))。(d)擊穿區(qū)。

②轉(zhuǎn)移特性曲線：ID=f(UGS)UDS=const可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作UDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UT(4)重要參數(shù)----跨導(dǎo)gm：

gm=iD/uGSuDS=const

(單位mS)gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用.在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。特點(diǎn)：在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：

夾斷電壓(UP)--溝道剛剛消失所需的柵源電壓UGS.二、N溝道耗盡型MOSFET當(dāng)UGS=0時(shí),就有溝道，加入U(xiǎn)DS，就有ID。當(dāng)UGS＞0時(shí)，溝道增寬，ID進(jìn)一步增加。當(dāng)UGS＜0時(shí)，溝道變窄，ID減小。輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUPN溝道耗盡型MOSFET的特性曲線P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。三、P溝道MOSFET四、例題例1.4.1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管組成下圖(a)所示電路，圖(b)為其輸出特性曲線。試問(wèn)：圖中VT管為哪種導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效應(yīng)管？要使電路正常工作，VT管應(yīng)為何種類(lèi)型的場(chǎng)效應(yīng)管？在圖示曲線和參數(shù)條件下，電路能否正常工作？此時(shí)VT管處在何種工作狀態(tài)？若將圖中VT管改為同樣溝道的另一種類(lèi)型管，電路應(yīng)作何改動(dòng)才能正常工作？解：1.導(dǎo)電溝道類(lèi)型襯底B箭頭方向N型。2.場(chǎng)效應(yīng)管類(lèi)型上圖屬自給柵偏壓電路，要使輸入交流信號(hào)正負(fù)向都有輸入，該場(chǎng)效應(yīng)管必須選用耗盡型結(jié)構(gòu)。3.VT管工作狀態(tài)的判定在輸出特性曲線上，經(jīng)過(guò)(UDS，ID)為(18，0)和(0，0.45)的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)作直流負(fù)載線，如下圖紅線所示。

當(dāng)UDS為電源電壓18V時(shí)，ID電流為零當(dāng)UDS為零時(shí)，ID電流為18V÷(35K+5K)當(dāng)ID分別取不同的值時(shí)得到相對(duì)應(yīng)的UGS，連接各點(diǎn)，得到輸入回路直流負(fù)載線(如藍(lán)線所示)，從圖(a)電路可得：UGS=-RSIS=-RSID，