模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(楊素行)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場效應(yīng)三極管2021/9/1211.1半導(dǎo)體的特性1. 導(dǎo)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。2021/9/122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(jià)電子 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 電荷的正離子和周圍 4個(gè)價(jià)電子表示。+4(b)簡化模型2021/9/1231.1.1本征半導(dǎo)體 +4+4+4+4+

2、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(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。2021/9/124+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(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價(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?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。2021/9/1251. 半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴 2.

3、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(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。2021/9/1261.1.2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(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的 5 價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。2021/9

4、/127 本征半導(dǎo)體摻入 5 價(jià)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(gè)價(jià)電子，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)。2021/9/128+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖 1.1.4N 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)2021/9/129二、 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(jià)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

5、，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)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖 1.1.5P 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)2021/9/1210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(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 1.1.6雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法2021/9/12111.2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)

6、域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。 PNPN結(jié)圖 1.2.1PN 結(jié)的形成2021/9/1212一、 PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)耗盡層空間電荷區(qū)PN1. 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 1.2.1PN2021/9/12133. 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(fù)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(kuò)散 阻擋層。4. 漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動(dòng)漂移。 少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反 阻擋層圖 1.2.1(b)2021/9/12145. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間

7、電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強(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。2021/9/1215二、 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(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。圖 1.2.2PN2021/9/1216在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流

8、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(shí)，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(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。2021/9/1217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VRIS2021/9/1218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

9、等于零， PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。可見， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?021/9/12191.2.2二極管的伏安特性將 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(fù)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2021/9/1220半導(dǎo)體二極管的類型：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

10、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。2021/9/1221二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 0.00400.51.02550I / 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 25510150.010.02鍺管的伏安特性0圖 1.2.4二極管的伏安特性2021/9/12221. 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

11、約 0.1 V 左右。正向特性死區(qū)電壓60402000.40.8I / mAU / V當(dāng)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。2021/9/12232. 反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性當(dāng)電壓超過零點(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?。蝗绻聪螂妷豪^續(xù)升高，大到一定數(shù)值時(shí)，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)2021/9/12243. 伏安特性表達(dá)式(二極管方程)IS ：反向飽和電

12、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 ，說明電流 I 與電壓 U 基本上成指數(shù)關(guān)系。2021/9/1225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。2021/9/12261.2.3二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流 IF 二極管長期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流

13、。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 fMfM 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。2021/9/1227*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(kuò)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

14、2021/9/1228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(gè)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 1.2.82021/9/12292. 擴(kuò)散電容 CdQ是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。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)分布曲線如圖中曲線 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)會升高，如曲線 2 所示(反之濃

15、度會降低)。OxnPQ12Q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。Q正向電壓時(shí)，變化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程 擴(kuò)散電容效應(yīng)。圖 1.2.92021/9/1230綜上所述：PN 結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢壘電容 Cb 和擴(kuò)散電容 Cd 兩部分。一般來說，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。2021/9/1231 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)

16、。 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2021/9/1232 穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：1. 穩(wěn)定電壓 UZ3. 動(dòng)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(shí)的穩(wěn)定工作電壓。 正常工作的參考電流。I IZ ，只要不超過額定功耗即可。rZ 愈小愈好。對于同一個(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/mA2021/9/12334. 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

17、。 (1) 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。2021/9/1234 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

18、端之間的電壓隨溫度的變化很小。例： 2DW7C，U = 0.005 %/圖 1.2.122DW7 穩(wěn)壓管2021/9/12355. 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+20 VR = 1.6 k+ UZ = 12 V- IZM = 18 mA例題電路圖IZ IZM ，電阻值合適。解2021/9/1236VDZR使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個(gè)問題：圖 1.2.13穩(wěn)壓管電路UOIO+IZIRUI+ 1. 外加電源的

19、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)；RL2. 穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)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。2021/9/12371.3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。(Bipolar Junction Transistor)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(jìn)行討論。圖 1.3.1三極管的外形2021/9/12381.3.1三極管的結(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)

20、(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe 發(fā)射極，b基極，c 集電極。2021/9/1239平面型(NPN)三極管制作工藝NcSiO2b硼雜質(zhì)擴(kuò)散e磷雜質(zhì)擴(kuò)散磷雜質(zhì)擴(kuò)散磷雜質(zhì)擴(kuò)散硼雜質(zhì)擴(kuò)散硼雜質(zhì)擴(kuò)散PN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。2021/9/1240圖 1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(a)NPN

21、 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 eNNP2021/9/1241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 bcbe符號NNPPN圖 1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(b)PNP 型2021/9/12421.3.2三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1.3.4三極管中的兩個(gè) PN 結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實(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保證。不具備放大作用2021/9/1243三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP1. 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

22、。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。2021/9/1244becRcRb三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過程I EIB1. 發(fā)射發(fā)射區(qū)的電子越過發(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 1.3.5三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)2021/9/1245becI EI BRcRb三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過程3. 收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過來的電子而

23、形成集電極電流 Icn。其能量來自外接電源 VCC 。I C另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖 1.3.5三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)2021/9/1246beceRcRb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(dá) 0.95 0.992021/9/1247三個(gè)極的電流之間滿足節(jié)點(diǎn)電流定律，即IE = IC + IB代入(1)式，得其中：共

24、射直流電流放大系數(shù)。2021/9/1248上式中的后一項(xiàng)常用 ICEO 表示，ICEO 稱穿透電流。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。2021/9/1249三極管的電流分配關(guān)系一組三極管電流關(guān)系典型數(shù)據(jù)IB/mA -0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961. 任何一列電流關(guān)系符合 IE = IC + IB，IB IC

25、 0 時(shí)的輸入特性曲線當(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)開始吸引電子)OIB/AUCE 1 時(shí)的輸入特性具有實(shí)用意義。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE* UCE 1 V，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2021/9/1255二、輸出特性圖 1.3.9NPN 三極管的輸出特性曲線IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB = 0O 5 10 154321劃分三個(gè)區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截

26、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(gè)結(jié)都處于反向偏置。IB= 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)2021/9/12562. 放大區(qū)：條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。二、輸出特性IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 5 10 154321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 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) U

27、CE = UBE，即 UCB = 0 時(shí)，稱臨界飽和，UCE UBE時(shí)稱為過飽和。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)飽和區(qū)2021/9/12581.3.4三極管的主要參數(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 1.3.10NPN 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)：2021/9/12591. 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)

28、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：2021/9/1260二、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(dāng) b 開路時(shí)， c 和 e 之間的電流。值愈大，則該管的 ICEO 也愈大。圖 1.3.11反向飽和電流的測量電路2021/9/1261三、 極限參數(shù)1. 集電極最大允許電流 ICM 當(dāng) IC 過大時(shí)，三極管的 值要減小。在 IC =

29、 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(diǎn)連接起來，可得一條雙曲線。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)2021/9/12623. 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(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

30、。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)2021/9/12631.3.5PNP 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 1.3.13三極管外加電源的極性(a) NPN 型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b) PNP 型VCCVBBRCRb+uoui2021/9/1264 PNP 三極管電流和電壓實(shí)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

31、極電流實(shí)際方向與規(guī)定正方向一致。電壓(UBE、UCE)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橫軸為(- UBE) 、(- UCE)。2021/9/12651.4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(diǎn)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。2021/9/1266DSGN符號1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖 1.4.1N 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

32、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 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管。2021/9/1267P 溝道場效應(yīng)管圖 1.4.2P 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD P 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GDS2021/9/1268二、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 I

33、D 電流將增加。 *耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。2021/9/12691. 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。ID = 0GDSN型溝道P+P+ (a) UGS = 0UGS = 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。ID = 0GDSP+P+N型溝道 (b) UGS 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。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG U

34、GS 0，UDG 0 時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)2021/9/1271GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,ID 0,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)2021/9/1272三、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(fù)，ID 愈??；UGS = UP，ID 0。兩個(gè)重要參

35、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)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖 1.4.5特性曲線測試電路+mA2021/9/12731. 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(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)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：2021/9/1274IDSS/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(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和

36、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2021/9/1275場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(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)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0-0.4 V-0.8 V-1.2 V-1.6 V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(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，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。圖 1.4.7在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移

37、特性2021/9/12761.4.2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(diǎn)：輸入電阻可達(dá) 109 以上。類型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)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。2021/9/1277一、N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)P 型襯底N+N+BGSDSiO2源極 S漏極 D襯底引線 B柵極 G圖 1.4.8N 溝道增強(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2021/9/12782. 工作原理 絕緣柵場效應(yīng)管利用 UGS 來控制“感

38、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)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖 1.4.92021/9/1279(2) UDS = 0，0 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 因而基本不變。a. UDS UTP 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)2021/9/1281DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖 1.4.11UDS 對導(dǎo)電溝道的影響(a) UGD UT(b