第1章晶體管開(kāi)關(guān)課件

1第一章晶體管開(kāi)關(guān)1第一章晶體管開(kāi)關(guān)21.1半導(dǎo)體二極管1.1.1半導(dǎo)體基本知識(shí)一、什么是半導(dǎo)體？導(dǎo)體(金屬原子的外層電子受原子核的束縛力很小，自由電子成為導(dǎo)電的“載流子”)絕緣體可運(yùn)動(dòng)的帶電粒子21.1半導(dǎo)體二極管1.1.1半導(dǎo)體基本知3半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si),鍺(Ge)。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型(a)硅原子(b)鍺原子簡(jiǎn)化模型硅和鍺都是四價(jià)元素,原子的最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。3半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si),41.本征半導(dǎo)體（純凈的半導(dǎo)體晶體）硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)（ａ）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（ｂ）共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：每個(gè)原子周?chē)兴膫€(gè)相鄰的原子，原子之間通過(guò)共價(jià)鍵緊密結(jié)合在一起。原子最外層的價(jià)電子不僅圍繞…兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子41.本征半導(dǎo)體（純凈的半導(dǎo)體晶體）硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)（ａ）點(diǎn)5熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位這個(gè)空位稱(chēng)為“空穴”。失去價(jià)電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術(shù)中,將空穴看成帶正電荷的載流子。5熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共6空穴運(yùn)動(dòng)有了空穴，鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價(jià)鍵中。新的空穴又會(huì)被鄰近的價(jià)電子填補(bǔ)。帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。（與自由電子的運(yùn)動(dòng)不同）6空穴運(yùn)動(dòng)有了空穴，鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空7結(jié)論：本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：①帶負(fù)電荷的自由電子②帶正電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱(chēng)為“復(fù)合”。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。7結(jié)論：本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：①帶負(fù)電荷的自由電子②帶正8N型和P型半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體

在硅晶體中摻入五價(jià)元素磷,磷原子的五個(gè)價(jià)電子有四個(gè)…多出的一個(gè)電子不受共價(jià)鍵的束縛,室溫下很容易成為自由電子。磷原子失去一個(gè)電子成為正離子（在晶體中不能移動(dòng)）每個(gè)磷原子都提供一個(gè)自由電子，自由電子數(shù)目大大增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠電子導(dǎo)電，稱(chēng)為電子型或N型半導(dǎo)體。8N型和P型半導(dǎo)體在硅晶體中摻入五價(jià)元素磷,磷原子的五9N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：自由電子空穴多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子）少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)少子）

只要摻入極少量的雜質(zhì)元素（1／106），多子的濃度將比本征半導(dǎo)體載流子濃度增加近106倍。

摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。9N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：自由電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子）只10(2)P型半導(dǎo)體

在硅晶體中摻入三價(jià)元素硼,硼原子與相鄰的四個(gè)硅原子…由于缺少一個(gè)價(jià)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，這個(gè)空位很容易被鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子填補(bǔ)。硼原子得到一個(gè)電子成為負(fù)離子（在晶體中不能移動(dòng)），失去價(jià)電子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)空穴，每個(gè)硼原子都產(chǎn)生一個(gè)空穴，空穴數(shù)目大大增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自由電子數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，稱(chēng)為空穴型或P型半導(dǎo)體10(2)P型半導(dǎo)體在硅晶體中摻入三價(jià)元素硼,硼原子與11P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：空穴自由電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子）少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)少子）

摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。

少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于溫度。11P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：空穴多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)123.PN結(jié)的形成預(yù)備知識(shí):半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng).在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層PN結(jié)123.PN結(jié)的形成預(yù)備知識(shí):半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)13①多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向…擴(kuò)散的結(jié)果，交界面P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子，這樣在交界面處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)EIN。PN結(jié)13①多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)由于濃度差，電子和空穴都14②內(nèi)電場(chǎng)EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移

多子擴(kuò)散

空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場(chǎng)EIN增強(qiáng)

少子漂移促使阻止EINEIN

空間電荷區(qū)變窄內(nèi)電場(chǎng)EIN削弱擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)14②內(nèi)電場(chǎng)EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移15小結(jié)：PN結(jié)中同時(shí)存在多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和

少子的漂移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移互相抵消，PN結(jié)中總的電流為零。15小結(jié)：少子的漂移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生164.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓偻饧诱螂妷海ㄒ步姓蚱茫┩饧与妶?chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱(chēng)PN結(jié)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。164.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓偻饧诱螂妷海ㄒ步姓蚱?74.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓谕饧臃聪螂妷海ㄒ步蟹聪蚱茫┩饧与妶?chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，少子在電場(chǎng)作用下形成反向電流IR，因?yàn)槭巧僮悠七\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，IR很小，這時(shí)稱(chēng)PN結(jié)處于“截止”狀態(tài)。174.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓谕饧臃聪螂妷海ㄒ步蟹聪蚱?8③PN結(jié)伏安特性a.外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)b.正向電壓大于“開(kāi)啟電壓UON”后，i隨著u增大迅速上升。Uon≈0.5V(硅)Uon≈0.1V(鍺)18③PN結(jié)伏安特性a.外加正向電壓較小時(shí)，外19c.外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流IR很小。d.反向電壓大于“擊穿電壓U（BR）”時(shí)，反向電流IR急劇增加。19c.外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反201.1.2二極管符號(hào)及主要參數(shù)A陽(yáng)極K陰極

二極管主要參數(shù)：1.最大正向電流IF2.反向擊穿電壓U（BR）3.反向電流IR4.最高工作頻率201.1.2二極管符號(hào)及主要參數(shù)A陽(yáng)極211.1.3二極管應(yīng)用舉例

二極管的伏安特性是一個(gè)非線(xiàn)性的曲線(xiàn)，在實(shí)際分析電路中，導(dǎo)通時(shí)管壓降視為一個(gè)固定值：UD≈0.7V（硅）UD≈0.3V（鍺）p42

或視為一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，即導(dǎo)通時(shí)視為“短路”，截止時(shí)視為“開(kāi)路”。這就是電子線(xiàn)路中經(jīng)常采用的近似估算法。p44211.1.3二極管應(yīng)用舉例二極管的伏安特性是22Ui周期性矩形脈沖22Ui周期性矩形脈沖231.2半導(dǎo)體三極管

三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理(a)管芯結(jié)構(gòu)圖(b)結(jié)構(gòu)示意圖(c)電路符號(hào)三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：基區(qū)很薄，摻雜濃度最低.發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，遠(yuǎn)大于基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度.發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)NPN型三極管b基極e發(fā)射極c集電極231.2半導(dǎo)體三極管三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理(a)24PNP型三極管24PNP型三極管25三極管電流的形成及分配1.電流的形成①發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE發(fā)射結(jié)正向偏置。②電子在基區(qū)復(fù)合形成基極電流IB

由于基區(qū)很薄且空穴濃度很低，發(fā)射區(qū)電子進(jìn)入基區(qū)后少數(shù)電子和基區(qū)空穴復(fù)合，絕大多數(shù)電子繼續(xù)擴(kuò)散到集電結(jié)附近。③

集電結(jié)反向偏置，基區(qū)中擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子，在電場(chǎng)作用下漂移到集電區(qū)，形成集電極電流IC。25三極管電流的形成及分配1.電流的形成26三極管電流的形成及分配1.電流的分配關(guān)系發(fā)射區(qū)電子在基區(qū)每復(fù)合一個(gè)，就要向集電區(qū)供給β個(gè)電子，這是三極管內(nèi)固定不變的電流分配原則。β稱(chēng)為電流放大系數(shù)，β值通常在20～200之間26三極管電流的形成及分配1.電流的分配關(guān)系271.2.1三極管的特性曲線(xiàn)輸入特性曲線(xiàn)輸出特性曲線(xiàn)271.2.1三極管的特性曲線(xiàn)輸入特性曲線(xiàn)28uBE<Uon(0.5V)IB=0IC≈0截止區(qū)截止條件：

uBE<Uon(0.5V)特點(diǎn)：IB=0，IC≈0c~e之間相當(dāng)于斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。28uBE<Uon(0.5V)IB=0IC≈0截止區(qū)截止29uBE

＞Uon放大區(qū)uCE

＞uBE

++放大條件：uBE

＞UonuCE

＞uBE

特點(diǎn)：IC=

IB，

c~e之間相當(dāng)于受控電流源。P48電流放大倍數(shù)29uBE＞Uon放大區(qū)uCE＞uBE++放大條件：30uBE

＞Uon飽和區(qū)uCE

＜uBE

+

飽和條件：uBE

＞UonuCE

＜uBE

特點(diǎn)：IC＜

βIB

，

uCE＝UCES≤0.3V，

c~e之間相當(dāng)于閉合的開(kāi)關(guān)。30uBE＞Uon飽和區(qū)uCE＜uBE+飽和31飽和條件：uBE

＞UonuCE

＜uBE

特點(diǎn)：IC＜

β

IB

，uCE＝UCES≤0.3V，

c~e之間相當(dāng)于閉合的開(kāi)關(guān)。截止條件：

uBE<Uon(0.5V)特點(diǎn)：IB=0，IC≈0c~e之間相當(dāng)于斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。截止和飽和兩個(gè)狀態(tài)通稱(chēng)為開(kāi)關(guān)狀態(tài)。31飽和條件：321.2.2三極管的主要參數(shù)及應(yīng)用IbIc1共發(fā)射極電流放大系數(shù)

=20-200321.2.2三極管的主要參數(shù)及應(yīng)用IbIc1共發(fā)33三極管的主要參數(shù)2擊穿電壓Ucbo,Uceo,Uebo例如：Uebo=6VUebo33三極管的主要參數(shù)2擊穿電壓Ucbo,Uceo,Ueb34三極管的主要參數(shù)IbIc3最大電流ICM,最大功率PCMIcm=600mA;PcM=625mW設(shè)工作電流Ic=200mA

Uce<625/200=3V34三極管的主要參數(shù)IbIc3最大電流ICM,最大功率P35uI周期性矩形脈沖(1)uI=0時(shí),三極管截止，iB=0,iC=0uO=UC－iCRC=UC=12V(2)uI=5V時(shí)，35uI周期性矩形脈沖(1)uI=0時(shí),三極36uI周期性矩形脈沖條件成立假設(shè)三極管處于飽和狀態(tài)36uI周期性矩形脈沖條件成立假設(shè)三極管處于飽和狀態(tài)373738PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)，P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，邊擴(kuò)散，邊復(fù)合逐漸減少，在N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的空穴積累，形成梯度分布；同理，N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)后，也將在P區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的電子積累。這些擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域并積累的電子及空穴稱(chēng)為存儲(chǔ)電荷。

PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)的電子空穴積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。預(yù)備知識(shí):38PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)，P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，邊擴(kuò)散，邊復(fù)合逐391.2.3三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間和極間電容由于三極管內(nèi)部電荷建立和消失均需一定的時(shí)間，截止和飽和兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不可能瞬間完成。延遲時(shí)間td

上升時(shí)間tr

開(kāi)啟時(shí)間ton（幾十到幾百納秒）存儲(chǔ)時(shí)間ts下降時(shí)間tf關(guān)閉時(shí)間toff（幾十到幾百納秒）391.2.3三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間和極間電容由于三極管內(nèi)401.3MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型硅片作襯底，表面制作兩個(gè)N型區(qū)，引出源極(s)和漏極(d)，覆蓋一層SiO2，在漏源之間絕緣層上再制作一層金屬鋁，引出柵極(g)，襯底也引出一個(gè)電極B。MOS場(chǎng)效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的，輸入端不需要供給電流

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor)401.3MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型硅片作襯底，表面制作41uGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性的電壓，都不能導(dǎo)電。uGS

為正時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，把P型襯底少子電子吸引到襯底表面，當(dāng)uGS

增大到一定值UT時(shí)，電子在襯底表面形成一個(gè)N型層即N型導(dǎo)電溝道。41uGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)42IG=0ΔID=gm×ΔUGS

小結(jié)：MOS管是一個(gè)受柵源電壓uGS控制的器件①u(mài)GS＜UT時(shí)，D-S間無(wú)導(dǎo)電溝道，MOS管截止②uGS＞UT時(shí)，D-S間才會(huì)形成導(dǎo)電溝道，故稱(chēng)為N溝道增強(qiáng)型MOS管。uGS增大，導(dǎo)電溝道變寬。即改變uGS可以控制iD的大小。