模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程課件：第一章　半導(dǎo)體器件

1、第一章半導(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(chǎng)效應(yīng)三極管,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。,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(chēng)價(jià)電子,鍺原子也是 4 價(jià)元素,4 價(jià)元素的原子常常用+ 4 電荷的正離子和周?chē)?4個(gè)價(jià)電子表示。,(b)簡(jiǎn)化模型,元素周期

2、表,1.1.1本征半導(dǎo)體,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(chēng)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(jià)鍵結(jié)構(gòu)。,價(jià)電子,共價(jià)鍵,圖1.1.2 單晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),當(dāng)溫度 T = 0 K 時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。,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(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原來(lái)的共價(jià)鍵中留下一個(gè)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。,空穴可看成帶正電的載流子,1. 半導(dǎo)體中兩種載流子,2. 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱(chēng)為 電子 - 空穴對(duì)。,3. 本

3、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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)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。,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(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體(或稱(chēng)電子型半導(dǎo)體)。,常用的 5 價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。,摻入 5 價(jià)元素后，晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子替代。雜質(zhì)原子最外層有 5 個(gè)價(jià)電子

4、，其中 4 個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)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(yuǎn)大于空穴濃度，即np ，電子稱(chēng)為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)多子)，空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)少子)。,二、 P 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體。,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(jià)雜質(zhì)原子稱(chēng)為受主原子。,圖1.1.5 P 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),受主原子,空穴,說(shuō)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

5、示。,2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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 雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡(jiǎn)化表示法,1.2半導(dǎo)體二極管,1.2.1PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦?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(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱(chēng)為 PN 結(jié)。,圖1.2.1 PN 結(jié)的形成,一、 PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng),耗盡層,1. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),2. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)。, PN 結(jié)，耗盡層。,圖 1.2.1,3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng),空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 UD

6、 電位壁壘； 內(nèi)電場(chǎng)；內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層。,4. 漂移運(yùn)動(dòng),內(nèi)電場(chǎng)有利于少子運(yùn)動(dòng)漂移。,少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反,5. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減??； 隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加； 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，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(dá)到穩(wěn)定。即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與,漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)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。,二、 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 外加正向電壓,又稱(chēng)正向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏。,2. PN 結(jié)外加反向電壓(反偏),

7、圖1.2.3 反相偏置的 PN 結(jié),反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用；,外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬；,不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)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。,反向電流又稱(chēng)反向飽和電流。對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高， IS 將急劇增大。,2. PN 結(jié)外加反向電壓(反偏),綜上所述： 當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。 可見(jiàn)， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?1.2.2二極管的伏安特

8、性,將 PN 結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再?gòu)?P 區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線(xiàn)作正、負(fù)極。,二極管的結(jié)構(gòu)：,(a)外形圖,半導(dǎo)體二極管又稱(chēng)晶體二極管。,(b)符號(hào),圖1.2.4 二極管的外形和符號(hào),半導(dǎo)體二極管的類(lèi)型：,按 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)分：有點(diǎn)接觸型和面接觸型二極管。 點(diǎn)接觸型管子中不允許通過(guò)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(guò)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(kāi)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。,二極管的伏安特性,在二極管的兩端加上電壓，測(cè)量流

9、過(guò)管子的電流，I = f (U )之間的關(guān)系曲線(xiàn)。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,圖1.2.5 二極管的伏安特性,1. 正向特性,當(dāng)正向電壓比較小時(shí)，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(chēng)死區(qū)。死區(qū)電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管約 0.5 V 左右，鍺管約 0.1 V 左右。,正向特性,死區(qū)電壓,當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。,2. 反向特性,當(dāng)電壓超過(guò)零點(diǎn)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(shí)，反向電流會(huì)突然增大；,這種現(xiàn)象稱(chēng)擊穿，對(duì)應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。,擊穿并不意

10、味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復(fù)正常，稱(chēng)為電擊穿。,3. 伏安特性表達(dá)式(二極管方程),IS ：反向飽和電流 UT ：溫度的電壓當(dāng)量 在常溫(300 K)下， UT 26 mV,二極管加反向電壓，即 U UT ，則 I - IS。,二極管加正向電壓，即 U 0，且 U UT ，則 ，可得 ，說(shuō)明電流 I 與電壓 U 基本上成指數(shù)關(guān)系。,結(jié)論：,二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開(kāi)關(guān)閉合；加反向電壓時(shí)截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。,從二極管伏安特性曲線(xiàn)可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線(xiàn)性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線(xiàn)性器件。,

11、1.2.3二極管的主要參數(shù),1. 最大整流電流 IF,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。,2. 最高反向工作電壓 UR,工作時(shí)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。,*1.2.4二極管的電容效應(yīng),當(dāng)二極管上的電壓發(fā)生變化時(shí)，PN 結(jié)中儲(chǔ)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(shì)壘電容,擴(kuò)散電容,1. 勢(shì)壘電容,是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。,

12、(a) PN 結(jié)加正向電壓,（b) PN 結(jié)加反向電壓,空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過(guò)程。,勢(shì)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(shì)壘電容 Cb不是一個(gè)常數(shù)。其 Cb = f (U) 曲線(xiàn)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。,2. 擴(kuò)散電容 Cd,是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中積累而引起的。,在某個(gè)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(xiàn)如圖中曲線(xiàn) 1 所示。,x = 0 處為 P 與 N 區(qū)的交界處,當(dāng)電壓加大，np (或 pn)會(huì)升高，如曲線(xiàn) 2 所示

13、(反之濃度會(huì)降低)。,當(dāng)加反向電壓時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。,正向電壓時(shí)，載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過(guò)程 擴(kuò)散電容效應(yīng)。,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。,Cb 和 Cd 值都很小，通常為幾個(gè)皮法 幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。,思考試用等效電容的充放電過(guò)程描述二極管從正偏到反偏、反偏到正偏的變化過(guò)程？,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

14、管工作于反向擊穿區(qū)。,(b)穩(wěn)壓管符號(hào),(a)穩(wěn)壓管伏安特性,圖1.2.6 穩(wěn)壓管的伏安特性和符號(hào),穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：,1. 穩(wěn)定電壓UZ :,3. 動(dòng)態(tài)電阻 rZ,2. 穩(wěn)定電流IZ :,穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。,正常工作的參考電流。 I IZ ，只要不超過(guò)額定功耗即可，工作電流較大時(shí)穩(wěn)壓性能較好。,rZ 愈小愈好。對(duì)于同一個(gè)穩(wěn)壓管，工作電流愈大， rZ 值愈小。,IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 ,IZ/mA,4. 電壓溫度系數(shù) U,穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：,穩(wěn)壓管電流不變時(shí)，環(huán)境溫度每變化 1 引起穩(wěn)定電壓變化的百分比。,(1)

15、 UZ 7 V, U 0；UZ 4 V，U 0； (2) UZ 在 4 7 V 之間，U 值比較小，性能比較穩(wěn)定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V，U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V，U = -(0.05 0.03)%/,(3) 2DW7 系列為溫度補(bǔ)償穩(wěn)壓管，用于電子設(shè)備的精密穩(wěn)壓源中。,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(gè)溫度系數(shù)相反的二極管對(duì)接在一起。,溫度變化時(shí)，一個(gè)二極管被反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而另一個(gè)二極管被正向偏置，溫度系數(shù)為負(fù)值，二者互相補(bǔ)償，使 1、2 兩端之間的電壓隨溫度的變

16、化很小。例： 2DW7C，U = 0.005 %/,圖 2DW7 穩(wěn)壓管,5. 額定功耗 PZ,額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。,PZ = UZIZ,PZ 會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。,電工手冊(cè)中給出 IZM，IZM = PZ/UZ,例 求通過(guò)穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少？R 是限流電阻，其值是否合適？,IZ IZM ，電阻值合適。,解,使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個(gè)問(wèn)題：,圖1.2.7 壓管電路,1. 外加電源的正極接管子的 N 區(qū)，電源的負(fù)極接 P 區(qū)，保證管子工作在反向擊穿區(qū)；,2. 穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻 RL 并聯(lián)；,3. 必須限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流 IZ，不能超過(guò)規(guī)定值，以免因過(guò)熱而燒毀管子。

17、,1.3雙極型三極管(BJT),又稱(chēng)半導(dǎo)體三極管、晶體管，或簡(jiǎn)稱(chēng)為三極管。,(Bipolar Junction Transistor),三極管的外形如下圖所示。,三極管有兩種類(lèi)型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型為例進(jìn)行討論。,圖1.3.1 三極管的外形,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(lèi)型。,圖1.3.2三極管的結(jié)構(gòu),(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 發(fā)射極b基極c 集電極,平面型(NPN)三極管制作工藝,在 N 型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻一個(gè)窗口，將硼雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成 P 型(基區(qū))，再在 P 型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成

18、N型的發(fā)射區(qū)。引出三個(gè)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(gè)銦球，加溫銦被熔化并與 N 型鍺接觸，冷卻后形成兩個(gè) P 型區(qū)，集電區(qū)接觸面大，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高。,圖1.3.3 三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(a)NPN 型,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 e,概念區(qū)分： 區(qū)、結(jié)、極。,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,1.3.2三極管的放大作用 和載流子的運(yùn)動(dòng),以 NPN 型三極管為例討論,圖三極管中的兩個(gè) PN 結(jié),三極管若實(shí)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(lái)保證。,不具備放大作用,

19、三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：,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。,三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過(guò)程,1. 發(fā)射發(fā)射區(qū)的電子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)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(kuò)散電子到達(dá)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(bǔ)充。,多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。,圖1.3.4 三極管中載流子的運(yùn)動(dòng),三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過(guò)程,3. 收集集電結(jié)反偏，有

20、利于收集基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子而形成集電極電流 Icn。 其能量來(lái)自外接電源 VCC 。,另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場(chǎng)的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向飽和電流，用ICBO表示。,圖1.3.4 三極管中載流子的運(yùn)動(dòng),三極管的電流分配關(guān)系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = 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(chēng)共基直流電流放大系數(shù)，即,一般可達(dá) 0.95 0.99,三個(gè)極的電流之間滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)電流定律，即,IE = IC + IB,代入(1)式，得,上式中的后一

21、項(xiàng)常用 ICEO 表示，ICEO 稱(chēng)穿透電流。,當(dāng) ICEO IC 時(shí)，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。,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),1. 任何一列電流關(guān)系符合 IE = IC + IB，IB IC IE, IC IE。,2. 當(dāng) IB 有微小變化時(shí)， IC 較大。說(shuō)明三極管具有電流放大作用。,共基電流放大系數(shù),注意區(qū)別,3. 共射電流放大系數(shù),4. 在表的第一列數(shù)據(jù)中，IE = 0 時(shí)，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 稱(chēng)為反向飽和電流。,在表的第二列數(shù)據(jù)中， I B = 0

22、，IC = 0.01 mA = ICEO， 稱(chēng)為穿透電流。,根據(jù) 和 的定義，以及三極管中三個(gè)電流的關(guān)系，可得,故 與 兩個(gè)參數(shù)之間滿(mǎn)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(duì)于大多數(shù)三極管來(lái)說(shuō)， 與 ， 與 的數(shù)值卻差別不大，計(jì)算中，可不將它們嚴(yán)格區(qū)分。,+ UCE -,1.3.3三極管的特性曲線(xiàn),特性曲線(xiàn)是選用三極管的主要依據(jù)，可從半導(dǎo)體器件手冊(cè)查得。,UCE,圖 三極管共射特性曲線(xiàn)測(cè)試電路,輸入特性：,輸出特性：,+ UCE -,+ UCE -,UBE,一、輸入特性,(1) UCE = 0 時(shí)的輸入特性曲線(xiàn),當(dāng) UCE = 0 時(shí)，基極和發(fā)射極之間相當(dāng)于兩個(gè) PN

23、結(jié)并聯(lián)。所以，當(dāng) b、e 之間加正向電壓時(shí)，應(yīng)為兩個(gè)二極管并聯(lián)后的正向伏安特性。,(2) UCE 0 時(shí)的輸入特性曲線(xiàn),當(dāng) UCE 0 時(shí)，這個(gè)電壓有利于將發(fā)射區(qū)擴(kuò)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(kāi)始吸引電子),UCE 1 時(shí)的輸入特性具有實(shí)用意義。,* UCE 1 V，特性曲線(xiàn)重合。,圖 1.3.5三極管共射特性曲線(xiàn)測(cè)試電路,圖 1.3.6三極管的輸入特性,二、輸出特性,圖1.3.7 NPN 三極管的輸出特性曲線(xiàn),劃分三個(gè)區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。,放 大 區(qū),放 大 區(qū),1. 截止區(qū)IB 0 的區(qū)域。,兩個(gè)結(jié)都處于反向偏置。,IB

24、= 0 時(shí)，IC = ICEO。 硅管約等于 1 A，鍺管約為幾十 幾百微安。,截止區(qū),截止區(qū),2. 放大區(qū)：,條件：發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏,特點(diǎn)：各條輸出特性曲線(xiàn)比較平坦，近似為水平線(xiàn)，且等間隔。,二、輸出特性,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(duì) NPN 管 UBE 0，UBC 0,圖1.3.7 NPN 三極管的輸出特性曲線(xiàn),3. 飽和區(qū)：,條件：兩個(gè)結(jié)均正偏,對(duì) NPN 型管，UBE 0 UBC 0 。,特點(diǎn)：IC 基本上不隨 IB 而變化，在飽和區(qū)三極管失去放大作用。 I C IB。,當(dāng) UCE = UBE，即 UCB = 0 時(shí)，稱(chēng)臨界飽和，U

25、CE UBE時(shí)稱(chēng)為過(guò)飽和。,飽和管壓降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(鍺管),飽和區(qū),飽和區(qū),1.3.4三極管的主要參數(shù),三極管的連接方式,圖 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(gè)：,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(shí)，,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(shí)，, 和 這兩個(gè)參數(shù)不是獨(dú)立的，而是互相聯(lián)系，關(guān)系為：,二、反向飽和電流,1. 集電極和基極之間的反向飽和電流 ICBO,2.集電極和發(fā)射極之間的反向飽和電流 ICEO,(a)

26、ICBO測(cè)量電路,(b)ICEO測(cè)量電路,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(jí)。,當(dāng) b 開(kāi)路時(shí)， c 和 e 之間的電流。,值愈大，則該管的 ICEO 也愈大。,圖1.3.9 反向飽和電流的測(cè)量電路,三、 極限參數(shù),1. 集電極最大允許電流 ICM,當(dāng) IC 過(guò)大時(shí)，三極管的 值要減小。在 IC = ICM 時(shí)， 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,將 IC 與 UCE 乘積等于規(guī)定的 PCM 值各點(diǎn)連接起來(lái)，可得一條雙曲線(xiàn)。,ICUCE PCM 為安全工作區(qū),ICUCE PCM 為過(guò)損耗區(qū),圖 三極管的安全工作區(qū),3. 極間

27、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(kāi)路時(shí)，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(kāi)路時(shí)，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。,安全工作區(qū)同時(shí)要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。,圖1.3.10 三極管的安全工作區(qū),1.3.5PNP 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 三極管外加電源的極性,PNP 三極管電流和電壓實(shí)際方向。,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(shí)際方向與規(guī)定正方向一致。,電壓(UBE、UCE)

28、實(shí)際方向與規(guī)定正方向相反。計(jì)算中UBE 、UCE 為負(fù)值；輸入與輸出特性曲線(xiàn)橫軸為(- UBE) 、(- UCE)。,*1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管,只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的三極管，稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱(chēng)單極型三極管。,場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi),結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,特點(diǎn),單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；,輸入電阻高；,工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。,符號(hào),1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,一、結(jié)構(gòu),圖 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖,N型溝道,柵極,源極,漏極,在漏極和源極之間加上一個(gè)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(chēng) N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。,P

29、溝道場(chǎng)效應(yīng)管,圖 P 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖,P 溝道場(chǎng)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。,二、工作原理,N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變 UGS 大小來(lái)控制漏極電流 ID 的。,*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)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)。,1. 設(shè)UDS = 0 ，在柵源之間加負(fù)電源 VGG，改變 VGG 大小。觀察耗盡層的變化。,UGS = 0 時(shí)，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

30、應(yīng)變窄。,當(dāng) UGS = UP，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓 UP 為負(fù)值。,2. 在漏源極間加正向 VDD，使 UDS 0，在柵源間加負(fù)電源 VGG，觀察 UGS 變化時(shí)耗盡層和漏極 ID 。,UGS = 0，UDG ，ID 較大。,UGS 0，UDG ，ID 較小。,注意：當(dāng) UDS 0 時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。,(a),(b),UGS 0,UDG = |UP|, ID更小, 預(yù)夾斷,UGS UP ,UDG |UP|,ID 恒定,夾斷,(1) 改變 UGS ，改變了 PN 結(jié)中電場(chǎng)，控制了 ID ，故稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管； (2)結(jié)型場(chǎng)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

31、，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。,(c),(d),三、特性曲線(xiàn),1. 轉(zhuǎn)移特性(N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例),圖 1.4.6轉(zhuǎn)移特性,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈負(fù)，ID 愈??；UGS = UP，ID 0。,兩個(gè)重要參數(shù),飽和漏極電流 IDSS(UGS = 0 時(shí)的 ID),夾斷電壓 UP (ID = 0 時(shí)的 UGS),1. 轉(zhuǎn)移特性,2. 漏極特性,當(dāng)柵源 之間的電壓 UGS 不變時(shí)，漏極電流 ID 與漏源之間電壓 UDS 的關(guān)系，即,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的近似公式：,恒流區(qū),可變電阻區(qū),漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。,2. 漏極特性,圖 漏極特性,場(chǎng)效應(yīng)管的

32、兩組特性曲線(xiàn)之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。,UDS = 常數(shù),UDS = 15 V,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá) 107 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。,圖 在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性,1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管,由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱(chēng)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng) MOS 場(chǎng)效應(yīng)管。,特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá) 109 以上。,類(lèi)型,N 溝道,P 溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,增強(qiáng)型,耗盡型,UGS = 0 時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；,UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。,一、N

33、溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu),B,G,S,D,源極 S,漏極 D,襯底引線(xiàn) B,柵極 G,圖 N 溝道增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖,2. 工作原理,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用 UGS 來(lái)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(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN 結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。,(2) UDS = 0，0 UGS UT,P 型襯底中的電子被吸引靠近 SiO2 與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大 UGS 耗盡層變寬。,VGG,(3) UDS = 0，UGS UT,由于吸引了足夠多的電子，,會(huì)在耗盡層和 SiO2 之間形成可移動(dòng)的表面電荷層 ,反型層、N 型導(dǎo)電溝道。 UGS 升高，N 溝道變寬。因?yàn)?UDS = 0 ，所以 ID = 0。,UT 為開(kāi)始形成反型層所需的 UGS，稱(chēng)開(kāi)啟電壓。,(4) UDS 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 (UGS UT),導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流 ID 。,b. UDS= UGS UT， UGD = UT,靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)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(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID