第1章晶體管開關(guān)

1、1第一章 晶體管開關(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。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)（）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) （）共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：每個(gè)原子周圍有四個(gè)相鄰的原子，原子之間通過共價(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)相鄰原子共用一對電子5熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室

2、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u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。u在電子技術(shù)中,將空穴看成帶正電荷的載流子。6空穴運(yùn)動(dòng)有了空穴，鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過來填補(bǔ)u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）7結(jié)論：本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：u帶負(fù)電荷的自由電子帶正電荷的空穴 熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失，稱為“復(fù)合”。

3、在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。8uN型和P型半導(dǎo)體u(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u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)超過空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠電子導(dǎo)電，稱為電子型或N型半導(dǎo)體。9N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：自由電子 空 穴 多數(shù)載流子（簡稱多子）少數(shù)載流子（簡稱少子） 只要摻入極少量的雜質(zhì)元素（1106），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。10(2)P型半

4、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u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)超過自由電子數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型或P型半導(dǎo)體11P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：空 穴 自由電子 多數(shù)載流子（簡稱多子）少數(shù)載流子（簡稱少子） 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。123. PN結(jié)的形成預(yù)備知識(shí):u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

5、。載流子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(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)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。u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)13 多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)u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EIN。PN結(jié)14 內(nèi)電場EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移 多子擴(kuò)散

6、 空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場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EIN削弱 u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)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。164. PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷海ㄒ步姓蚱茫﹗外加電場與內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過漂移運(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PN結(jié)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。174. PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷海ㄒ步蟹聪蚱茫﹗外加電場與內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)了

7、內(nèi)電場，多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，少子在電場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PN結(jié)處于“截止”狀態(tài)。18 PN結(jié)伏安特性 a. 外加正向電壓較小時(shí)，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài) b. 正向電壓大于“開啟電壓UON”后，i 隨著 u 增大迅速上升。UonUon0.5V(0.5V(硅硅) ) UonUon0.1V(0.1V(鍺鍺) )19 c. 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。201.1.2 二極管符號及主要參數(shù)A陽極 K陰極 二極管主要

8、參數(shù)： 1.最大正向電流 IF 2.反向擊穿電壓U（BR） 3.反向電流 IR 4.最高工作頻率 211.1.3 二極管應(yīng)用舉例 二極管的伏安特性是一個(gè)非線性的曲線，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：UD0.7V（硅） UD0.3V（鍺） p42 或視為一個(gè)理想開關(guān)，即導(dǎo)通時(shí)視為“短路”，截止時(shí)視為“開路”。這就是電子線路中經(jīng)常采用的近似估算法。 p4422U Ui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u(a)管芯結(jié)構(gòu)圖 (b)結(jié)構(gòu)示意圖 (c) 電路符號u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

9、區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)NPN型三極管b 基極e 發(fā)射極c 集電極24PNP型三極管25三極管電流的形成及分配u1.電流的形成 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。u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。u 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，在電場作用下漂移到集電區(qū)，形成集電極電流 IC 。26三極管電流的形成及分配三極管電流的形成及分配u1.電流的分配關(guān)系 u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)供給個(gè)電子，這是

10、三極管內(nèi)固定不變的電流分配原則。BCIIu 稱為電流放大系數(shù)， 值通常在20200之間271.2.1 三極管的特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線BEBui CECui 28 uBE Uon(0.5V)IB=0IC0截止區(qū)截止區(qū)u截止條件： uBE Uon(0.5V)特點(diǎn)：特點(diǎn)： IB=0， IC0 c e 之間相當(dāng)于斷開的開之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)。關(guān)。29uBE Uon放大區(qū)放大區(qū)uCE uBE +u放大條件： uBE Uon uCE uBE 特點(diǎn)：特點(diǎn)： IC= IB， c e 之間之間相當(dāng)于受控電流源。相當(dāng)于受控電流源。BCIIP48電流放大倍數(shù)BCII30 uBE Uon飽和區(qū)飽和區(qū)uCE

11、uBE + 飽和條件： uBE Uon uCE uBE 特點(diǎn)：特點(diǎn)： IC IB ， uCEUCES0.3V， c e 之間相之間相當(dāng)于閉合的開關(guān)。當(dāng)于閉合的開關(guān)。31u飽和條件： uBE Uon uCE uBE 特特點(diǎn)：點(diǎn)： IC IB ，uCEUCES0.3V， c e 之間相之間相當(dāng)于閉合的開關(guān)。當(dāng)于閉合的開關(guān)。u截止條件： uBE Uon(0.5V) 特點(diǎn)：特點(diǎn)： IB=0， IC0 c e 之間相當(dāng)于斷開的之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)。開關(guān)。截止和飽和兩個(gè)狀態(tài)通稱為開關(guān)狀態(tài)。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) = = 20-200BCIIBCII33三極管

12、的主要參數(shù)2 擊穿電壓 Ucbo,Uceo,Uebo例如：Uebo=6VUeboUebo34三極管的主要參數(shù)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)工作電流設(shè)工作電流Ic=200mA Uce625/200=3V35uI 周期性矩形脈沖 (1) uI = 0 時(shí),三極管截止，iB = 0 , iC = 0 uO = UCiC RC = UC = 12V (2) uI = 5V 時(shí)，ARuuRUibBEIbRbB20210)7 . 05()(36uI 周期性矩形脈沖mARUURUICCESCCRCC2 . 110)25. 012()(條件

13、成立VUuCESO25. 0BCII假設(shè)三極管處于飽和狀態(tài)mAAIB5 . 220125VUUCESCE25. 03738uPN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)散到對方區(qū)域并積累的電子及空穴稱為存儲(chǔ)電荷。u 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):391.2.3 三極管的開關(guān)時(shí)間和極間電容u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 開啟

14、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）401.3 MOS場效應(yīng)管場效應(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場效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)來控制輸出電流的，輸入端不需要供給電流 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管 （Metal-Oxide-Semiconductor)41 uGS= 0 時(shí)，漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性的電壓，都不能導(dǎo)電。u uGS 為正時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電場，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。42IG=0ID=gmUGS 小結(jié)：MOS管是一個(gè)受柵源電壓uGS控制的器件 uGSUT時(shí)，D-S間無導(dǎo)電溝道，MOS管截止 uGSUT時(shí)，D-S間才會(huì)形成導(dǎo)電溝道， 故稱為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。43npp 注意PMOS管S D 電流從S流入，D流出44UGS(th)N:開啟電壓開啟電壓轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性 uGSUGS(th)N， 管子處于截止?fàn)顟B(tài),D、S之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)uGS UGS(th)N ，uDS較