模擬電子技術第章半導體器件

第一章半導體器件半導體二極管半導體三極管場效應管第一部分半導體二極管

半導體的基本知識PN結的形成及特性

半導體二極管

二極管基本電路及其分析方法

特殊二極管半導體二極管半導體的基本知識

什么叫半導體？通常稱電阻率在10-3～109Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)為半導體，其導電能力介于導體和絕緣體之間、常用的半導體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。

半導體的特性光敏性——

半導體的導電能力隨光照的變化有顯著改變光電二極管和光敏電阻，就是利用光敏特性制成的熱敏性——

半導體的導電能力隨溫度提高迅速增加純凈的鍺從20℃升高到30℃時，它的電阻率幾乎減小為原來的1/2雜敏性——

半導體的導電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化在硅中摻入億分之一的硼，電阻率就會下降到原來的幾萬分之一利用半導體的特性，可以制造出各種不同性能和用途的半導體器件！半導體的基本知識

半導體的共價鍵結構在電子器件中應用最多的半導體材料是硅和鍺，它們的簡化原子模型如圖1-1所示。由于硅和鍺都是四價元素，因此最外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。半導體與金屬和絕緣體一樣，均具有晶體結構，它們的原子形成有序的排列，鄰近原子之間由共價鍵連接，如圖1-2所示。圖1-1硅和鍺的原子結構簡化模型

圖1-2硅和鍺的二維晶格結構圖，正離子核通過共價鍵與鄰近的核相連接半導體二極管半導體的基本知識

本征半導體本征半導體是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在絕對零度（－273℃）時，價電子不能脫離共價鍵的束縛，所以在半導體中沒有自由電子，半導體呈現(xiàn)不能導電的絕緣體特性。當溫度逐漸升高或在一定強度的光照下，價電子會獲得足夠的隨機熱振動能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，如圖1-3所示，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。圖1-3由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴—電子對半導體二極管半導體的基本知識

本征半導體當電子掙脫共價鍵的束縛成為電子后，共價鍵中就留下了一個空位，這個空位叫做空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。在外加電場作用下，鄰近的價電子就可以填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他電子又可轉移到新的空位，從而出現(xiàn)了一定的電荷遷移，如圖1-4所示。圖1-4電子與空穴的移動半導體二極管半導體的基本知識本征半導體共價鍵中空穴或束縛電子移動產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)空穴引起的?？梢园芽昭闯墒且粋€帶正電的粒子，它所帶的電量與電子相等，符號相反，在外加電場作用下，可以自由地在晶體中運動，從而和自由電子一樣可以參與導電，因此空穴也是一種載流子。載流子：晶體中傳導電流的粒子。金屬中的載流子是電子，半導體的載流子是電子和空穴。在本征半導體內(nèi)，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。半導體二極管半導體的基本知識

雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。

因摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體又可以分為P型半導體（空穴型半導體）和N型半導體（電子型半導體）兩大類。

(1)P型半導體(2)N型半導體半導體二極管半導體的基本知識

雜質(zhì)半導體(1)P型半導體（空穴型半導體）

在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，硼原子只有三個價電子，它與硅原子組成共價鍵時，因缺少一個電子，在晶體中便產(chǎn)生一個空位,當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時，就有可能填補這個空位，使硼原子成為不能移動的負離子，而原來硅原子的共價鍵則因缺少一個電子，形成空穴，半導體呈中性，如圖1-5所示。圖1-5P型半導體的共價鍵結構半導體二極管半導體的基本知識

雜質(zhì)半導體(2)N型半導體（電子型半導體）

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，如磷、砷、鏑等，因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子，如圖1-6所示。自由電子參與傳導電流，但它移動后，原來的雜質(zhì)原子位置上將留下一個固定的、不能移動的正離子，致使半導體仍然保持中性。

圖1-6N型半導體的共價鍵結構半導體二極管半導體的基本本知識雜質(zhì)半導體P型半導體N型半導體雜質(zhì)原子多數(shù)載流子少數(shù)載流子+3價元素（硼、鎵、銦等等）俘獲電荷，稱稱為受主雜質(zhì)質(zhì)+5價元素（磷、砷、鏑等等）提供電子，稱稱為施主雜質(zhì)質(zhì)空穴，主要由由摻雜形成電子，由熱激激發(fā)形成電子，主要由由雜質(zhì)原子提提供空穴，由熱激激發(fā)形成半導體中正負負電荷數(shù)是相相等的，因此此保持電中性性半導體二極管管PN結的形成及特特性圖1-7PN結的形成過程程空穴電子(a)擴散運動(b)漂移運動載流子從濃度度高的地方向向濃度低的地地方擴散擴散運動P區(qū)N區(qū)留下帶負電的的雜質(zhì)離子留下帶正電的的雜質(zhì)離子形成很薄的空空間電荷區(qū)，，即PN結形成由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場，，阻礙擴散運運動PN結的形成半導體二極管管PN結的形成及特特性圖1-7PN結的形成過程程空穴電子(a)擴散運動(b)漂移運動載流子在內(nèi)電電場作用下發(fā)發(fā)生的運動漂移運動P區(qū)N區(qū)使空間電荷變變少，內(nèi)電場場減小，又使使擴散運動容容易進行漂移運動和擴擴散運動相等等時，便處于于動態(tài)平衡狀狀態(tài)PN結的形成半導體二極管管PN結的形成及特特性PN結的單向?qū)щ婋娦?1)外加正向電壓壓將PN結的P區(qū)接較高電位位，N區(qū)接較低電位位，稱為給PN結加正向偏置置電壓，簡簡稱正偏，如如圖1-8所示。圖1-8PN結外加正偏電電壓外電場方向與與內(nèi)電場方向向相反，擴散散運動增強，，漂移運動幾幾乎減弱為零零。正向電流IF為了防止較大大的IF將PN結燒壞，應串串接限流電阻阻R。當E增加到一定值值后，擴散電電流隨正偏電電壓的提高呈呈指數(shù)規(guī)律上上升正向偏置時PN結的電阻很小小，稱之為正正偏導通狀態(tài)態(tài)。內(nèi)電場半導體二極管管PN結的形成及特特性PN結的單向?qū)щ婋娦?2)外加反向電壓壓將PN結的P區(qū)接較低電位位，N區(qū)接較高電位位，稱為給給PN結加反向偏置置電壓，簡簡稱反偏，如如圖1-9所示。圖1-9PN結外加反偏電電壓外電場方向與與內(nèi)電場方向向相同，擴散散運動幾乎減減弱為零，漂漂移運動增強強。反向電流IR內(nèi)電場在一定溫度下下，反向電流流IR就是反向飽和和電流IS。反向飽和電流流IS與溫度密切相相關。反向偏置時PN結呈現(xiàn)出一個個很大的電阻阻，基本不導導電。半導體二極管管為什么？PN結的形成及特特性PN結的單向?qū)щ婋娦訮N結加正向電壓壓時，呈現(xiàn)低低電阻，具有有較大的正向向擴散電流；；PN結加反向電壓壓時，呈現(xiàn)高高電阻，具有有很小的反向向漂移電流。。由此可以得出出結論：PN結具有單向?qū)щ娦?。半導體二極管管PN結的形成及特特性PN結反向擊穿在測量PN結的V—I特性時，如果果加到PN結兩端的反向向電壓增大到到一定數(shù)值時時，反向電流流突然增加，，這個現(xiàn)象就就稱為PN結的反向擊穿（電電擊穿）。發(fā)生擊穿所所需的反向電電壓VBR稱為反向擊穿穿電壓。雪崩擊穿：當反向電壓足足夠高時，PN結中內(nèi)電場較較強，使參加加漂移的載流流子加速，與與中性原子相相碰，使之價價電子受激發(fā)發(fā)產(chǎn)生新的電電子空穴對，，又被加速，，而形成連鎖鎖反應，使載載流子劇增，，反向電流驟驟增。半導體二極管管PN結的形成及特特性PN結反向擊穿齊納擊穿：對摻雜濃度高高的半導體，，PN結的耗盡層很很薄，只要加加入不大的反反向電壓，耗耗盡層可獲得得很大的場強強，足以將價價電子從共價價鍵中拉出來來，而獲得更更多的電子空空穴對，使反反向電流驟增增。電擊穿的過程程是可逆的。。但它有一個個前提條件，，就是反向電電流和反向電電壓的乘積不不超過PN結容許的耗散散功率，超過過了就會因為為熱量散不出出去而使PN結溫度上升，，直到過熱而而燒毀，這種種現(xiàn)象就是熱擊穿。熱擊穿是不不可逆的。半導體二極管管PN結的形成及特特性PN結的V—I特性IS：反向飽和和電流e：自然對對數(shù)底VT：溫度的電壓壓當量在常溫(300K)下，VT26mV二極管加反向向電壓，即V<0，且|V|>>VT，則I-IS。二極管加正向向電壓，即V>0，且V>>VT，則，說明電流I與電壓V基本上成指數(shù)數(shù)關系。PN結的V—I特性可表達為為半導體二極管管半導體二極管管半導體二極管管的結構在PN結上加上引線線和封裝，就就成為一個二二極管。二極極管按結構分分有點接觸型型、面接觸型型和平面型三三大類。圖1-10半導體二極管管的典型結構構點接觸型二極極管PN結面積小，結結電容小，用用于檢波和變變頻等高頻電電路。面接觸型二極極管PN結面積大，用用于工頻大電電流整流電路路。平面型二極管管集成電路中常常用的一種形形式。半導體二極管管半導體二極管管二極管的V—I特性圖1-11二極管V—I特性曲線(1)正向特性（外外加正偏電壓壓）當0＜V＜Vth時外電場還不足足以克服PN結的內(nèi)電場，，正向擴散散電流仍幾乎乎為零。正向向電流為零，，Vth稱為死區(qū)電壓壓（Ge:約0.1V，Si:約0.5V）。當V>Vth時外加電場足以以克服內(nèi)電場場，擴散運動動迅速增加，，開始產(chǎn)生正正向電流，并并按指數(shù)規(guī)律律增加。半導體二極管管半導體二極管管二極管的V—I特性圖1-11二極管V—I特性曲線(2)反向特性（外外加反偏電壓壓）當VBR＜V＜0時反向電流很小小，且基本不不隨反向電壓壓的變化而變變化，此時的的反向電流也也稱反向飽和和電流。當V>Vth時反向電流急劇劇增大，這這種現(xiàn)象稱為為反向擊穿。發(fā)生擊穿穿時的電壓稱稱作擊穿電壓壓VBR。半導體二極管管半導體二極管管二極管的參數(shù)數(shù)(1)最大整流電流流IFM二極管允許通通過的最大正正向平均電流流。(2)反向擊穿電壓壓VBR指管子反向擊擊穿時的電壓壓值。一般手手冊上給出的最高反向工工作電壓VRM為擊穿電壓的的一半。(3)最大反向電流流IRM指二極管加最最大反向工作作電壓時的反反向電流，其其值越小，管子子的單向?qū)щ婋娦栽胶谩?4)最高工作頻率率fMfM反映了PN結電容的影響響。當工作電電壓超過fM后，二極管的的單向?qū)щ娦孕宰儔摹０雽w二極管管二極管基本電電路及其分析析方法二極管正向V—I特性的建模(1)理想模型：相相當于一個理理想開關，正正偏時二極管管導通管壓降降為0V，反偏時電阻阻無窮大，電電流為零。vDiD0D圖1-12理想模型(a)V—I特性(b)代表符號vDiD+-半導體二極管管二極管基本電電路及其分析析方法二極管正向V—I特性的建模(2)恒壓降模型：：二極管導通通后，其管壓壓降認為是恒恒定的，且不不隨電流而變變，典型值為為0.7V。該模型提供供了合理的近近似，用途廣廣泛。注意：：二極管電流流近似等于或或大于1mA正確。vDiD0D圖1-13恒壓壓降降模模型型(a)V—I特性性(b)代表表符符號號vDiD+-半導導體體二二極極管管二極極管管基基本本電電路路及及其其分分析析方方法法二極極管管正正向向V—I特性性的的建建模模（3）折折線線模模型型：：認認為為二二極極管管的的管管壓壓降降不不是是恒恒定定的的，，模模型型中中用用一一個個電電池池和和電電阻阻rD來作作進進一一步步的的近近似似，，電電池池電電壓壓選選定定為為二二極極管管的的門門坎坎電電壓壓Vth，約約為為0.5V，rD的值值為為(管壓壓降降-Vth)/二極極管管的的導導通通電電流流。。vDiD0D圖1-14折線線模模型型(a)V—I特性性(b)代表表符符號號vDiD+-VthrD半導導體體二二極極管管二極極管管基基本本電電路路及及其其分分析析方方法法二極極管管正正向向V—I特性性的的建建模模（4）小小信信號號模模型型：：如如果果二二極極管管在在它它的的V-I特性性的的某某一一小小范范圍圍內(nèi)內(nèi)工工作作，，例例如如Q點（（此此時時有有vD=VD、iD=ID）附附近近工工作作，，則則可可把把V-I特性性看看成成一一條條直直線線，，其其斜斜率率的的倒倒數(shù)數(shù)就就是是所所求求的的小小信信號號模模型型的的微微變變電電阻阻rd。vD0圖1-15小信信號號模模型型(a)V—I特性性(b)代表表符符號號iDvDiDiD+-vDrd半導導體體二二極極管管VDIDQ特殊殊二二極極管管穩(wěn)壓壓管管穩(wěn)壓壓管管一一種種特特殊殊的的面面接接觸觸型型半半導導體體硅硅二二極極管管穩(wěn)壓壓管管工作作于于反反向向擊擊穿穿區(qū)區(qū)(a)穩(wěn)壓壓管管符符號號(b)穩(wěn)壓壓管管伏伏安安特特性性+I/mAU/VO+正向

+反向UI圖1-16穩(wěn)壓壓管管的的伏伏安安特特性性和和符符號號半導導體體二二極極管管穩(wěn)壓壓管管的的參參數(shù)數(shù)主主要要有有以以下下幾幾項項：：1.穩(wěn)定定電電壓壓VZ穩(wěn)壓壓管管被被反反向向擊擊穿穿后后，，在在規(guī)規(guī)定定電電流流值值時時，，管管子子兩兩端端的的反反向擊擊穿穿電電壓壓。。4.動態(tài)態(tài)電電阻阻rZ穩(wěn)壓壓管管處處于于反反向向擊擊穿穿時時，，管管子子兩兩端端電電壓壓變變化化量量與與電電流變變化化量量的的比比值值。。3.穩(wěn)定定電電流流IZ測定定VZ時所所規(guī)規(guī)定定的的參參考考穩(wěn)穩(wěn)定定電電流流值值。。特殊殊二二極極管管穩(wěn)壓壓管管5.溫度度系系數(shù)數(shù)V反映映穩(wěn)穩(wěn)定定電電壓壓VZ受溫溫度度影影響響大大小小的的參參數(shù)數(shù)半導導體體二二極極管管rZ大好好還還是是小小好好?2.額定定功功率率PZM由最最高高允允許許結結溫溫所所限限定定的的功功率率參參數(shù)數(shù)。。半導導體體二二極極管管1.若輸輸入入電電壓壓為為正正弦弦信信號號，，請請畫畫出出以以下下電電路路的的輸輸出出電電壓壓波波形形思考考題題2.當vi1和vi2的值值為為0V或5V時,求vi1和vi2的值值不不同同組組合合情情況況下下，，輸輸出出電電壓壓vo的值值。。設設二二極極管管是是理理想想的的。。理想想模模型型恒壓壓模模型型5V6sinωtD1D2D1、D2為硅硅管管3.二極極管管電電路路如如圖圖所所示示，，試試判判斷斷圖圖中中的的二二極極管管是是導導通通還還是是截截止止，，并并求求出出AO兩端端電電壓壓VAO。設設二二極極管管是是理理想想的的。。(a)(b)(c)(d)4.穩(wěn)壓壓管管DZ的穩(wěn)穩(wěn)定定電電壓壓VZ=8V，限限流流電電阻阻R=3kΩΩ，設設vi=15sinωωtV，試試畫畫出出vO的波波形形。。半導導體體二二極極管管半導導體體二二極極管管內(nèi)容容回回顧顧半導導體體本征征半半導導體體雜質(zhì)質(zhì)半半導導體體N型半半導導體體P型半半導導體體兩種種載載流流子子電子子和和空空穴穴摻入入5價元元素素施主主雜雜質(zhì)質(zhì)失失去去電電子子后后留留下下帶帶正正電電的的離離子子摻入入3價元元素素受主主雜雜質(zhì)質(zhì)得得到到電電子子后后留留下下帶帶負負電電的的離離子子多子子：：空空穴穴少子子：：電電子子多子子：：電電子子少子子：：空空穴穴半導導體體二二極極管管N型半導導體體P型半導導體體PN結1.擴散運運動多多子的的運動動，產(chǎn)產(chǎn)生內(nèi)內(nèi)電場場，阻阻礙擴擴散運運動。。2.漂移運運動少少子在在內(nèi)電電場作作用下下的運運動，，削弱弱內(nèi)電電場，，使擴散散運動動容易易進行行無外加加電場場時擴擴散運運動和和漂移移運動動處于于平衡衡狀態(tài)態(tài)外加正正向偏偏壓（（PN）時PN結正向向?qū)ㄍ?，由由擴散散運動動產(chǎn)生生正向向電流流IF外加反反向偏偏壓（（PN）時PN結反向向截止止，由由漂移移運動動產(chǎn)生生反向向飽和和電流流ISI-IS反向偏偏壓繼繼續(xù)增增加電擊穿穿（可可逆）），熱熱擊穿穿（不不可逆逆）半導體體二極極管N型半導體體P型半導體體二極管管死區(qū)電電壓反向擊擊穿電電壓半導體體二極極管vDiD0vDiD0vDiD0vD0iDvDiDVDIDQ理想模模型恒壓降降模型型折線模模型小信號號模型型特殊二二極管管穩(wěn)壓管管工作于于反向向擊穿穿區(qū)I/mAU/VO+正向

+反向UI半導體體二極極管動態(tài)電電阻rZ小的管管子穩(wěn)穩(wěn)壓性性能較較好第二部部分半半導體體三極極管BJT的結構構簡介介BJT的電流流分配配與放放大作作用BJT的特性性曲線線半導體體三極極管BJT的結構構簡介介半導體體三極極管半導體體三極極管(BipolarJunctionTra-nsistor:BJT)是指通通過一一定的的工藝藝，將將兩個個PN結結合合在一一起的的器件件。圖1-17半導體體三極極管器器件PPNNNPNPN型BJT(2)PNP型BJT半導體體三極極管圖1-18NPN型BJT的結構構示意意圖發(fā)射區(qū)區(qū)比集集電區(qū)區(qū)的摻摻雜濃濃度高高集電區(qū)區(qū)的面面積比比發(fā)射射區(qū)大大發(fā)射極極基極集電極極發(fā)射區(qū)區(qū)基區(qū)集電區(qū)區(qū)發(fā)射結結正偏偏集電結結反偏偏收集電電子發(fā)射結結集電結結EBCBJT的結構構簡介介發(fā)射電電子半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用管內(nèi)載載流子子的傳傳輸半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用發(fā)射極極基極集電極極發(fā)射區(qū)區(qū)基區(qū)集電區(qū)區(qū)發(fā)射結結正偏偏集電結結反偏偏發(fā)射電電子收集電電子管內(nèi)載載流子子的傳傳輸發(fā)射結結集電結結(1)發(fā)射區(qū)區(qū)向基基區(qū)注注入電電子由于發(fā)發(fā)射結結正偏偏，發(fā)發(fā)射區(qū)區(qū)內(nèi)的的多數(shù)數(shù)載流流子電電子不不斷通通過發(fā)發(fā)射結結擴散散到基基區(qū)，，形成成發(fā)射射級電電流IE。另外，，基區(qū)區(qū)的空空穴也也擴散散到發(fā)發(fā)射區(qū)區(qū)，但但由于于發(fā)射射區(qū)的的摻雜雜濃度度遠高高于基基區(qū)，，這部部分空空穴流流與電電子流流相比比可忽忽略不不計。。VEEVCCIE半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用發(fā)射極極基極集電極極發(fā)射區(qū)區(qū)基區(qū)集電區(qū)區(qū)發(fā)射結結正偏偏集電結結反偏偏發(fā)射電電子收集電電子管內(nèi)載載流子子的傳傳輸發(fā)射結結集電結結(2)電子在在基區(qū)區(qū)中的的擴散散與復復合由發(fā)射射區(qū)來來的電電子注注入基基區(qū)后后，就就在基基區(qū)靠靠近發(fā)發(fā)射結結的邊邊界積積累起起來，，在基基區(qū)中中形成成一定定的濃濃度梯梯度。。因此此，電電子就就要向向集電電結方方向擴擴散，，在擴擴散過過程中中又會會與基基區(qū)中中的空空穴復復合。。VEEVCCIE半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用發(fā)射極極基極集電極極發(fā)射區(qū)區(qū)基區(qū)集電區(qū)區(qū)發(fā)射結結正偏偏集電結結反偏偏發(fā)射電電子收集電電子管內(nèi)載載流子子的傳傳輸發(fā)射結結集電結結(2)電子在在基區(qū)區(qū)中的的擴散散與復復合同時，，VEE的正端端不斷斷從基基區(qū)拉拉走電電子。。電子子復合合的數(shù)數(shù)目與與電源源從基基區(qū)拉拉走的的電子子數(shù)目目相等等，使使基區(qū)區(qū)的空空穴濃濃度保保持不不變。。這樣樣就形形成了了基極極電流流IB，所以以基極極電流流就是是電子子在基基區(qū)與與空穴穴復合合的電電流。。VEEVCCIEIB半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用發(fā)射極極基極集電極極發(fā)射區(qū)區(qū)基區(qū)集電區(qū)區(qū)發(fā)射結結正偏偏集電結結反偏偏發(fā)射電電子收集電電子管內(nèi)載載流子子的傳傳輸發(fā)射結結集電結結(2)電子在在基區(qū)區(qū)中的的擴散散與復復合也就是是說，，注入入基區(qū)區(qū)的電電子有有一部部分未未到達達集電電結，，如復復合越越多，，則到到達集集電結結的電電子越越少，，對放放大是是不利利的。。所以以為了了減小小復合合，通通常把把基區(qū)區(qū)做的的很薄薄（微微米量量級）），并并使基基區(qū)的的摻雜雜濃度度很低低，使使大部部分電電子都都能到到達集集電極極。VEEVCCIEIB半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用發(fā)射極極基極集電極極發(fā)射區(qū)區(qū)基區(qū)集電區(qū)區(qū)發(fā)射結結正偏偏集電結結反偏偏發(fā)射電電子收集電電子管內(nèi)載載流子子的傳傳輸發(fā)射結結集電結結(3)集電極極收集集擴散散過來來的電電子由于集集電結結反偏偏，集集電結結的勢勢壘很很高，，集電電區(qū)的的電子子和基基區(qū)的的空穴穴很難難通過過集電電結。。但是是這個個勢壘壘對基基區(qū)擴擴散到到集電電結邊邊緣的的電子子卻有有很強強的吸吸引力力，可可使電電子很很快地地漂移移過集集電結結為集集電區(qū)區(qū)所收收集，，形成成集電電極電電流IC。VEEVCCIEIBIC發(fā)射電電子思考：：PNP型BJT應該如如何連連接？？半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用NPN型VC>VB>VEVC<VB<VEIE的方向向由管管內(nèi)流流向管管外IE的方向向由管管外流流進管管內(nèi)|VB-VE|的值較較小，，一般般硅管管取0.5~0.7V，鍺管管取0.2~0.3V發(fā)射結結正偏偏，集集電結結反偏偏PNP型半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用電流分分配關關系(2)根據(jù)KCL，iE=iC+iB，因此此，基基極電電流可可表示示為(1)集電結結收集集的電電子流流是發(fā)發(fā)射結結發(fā)射射的總總電子子流的的一部部分，，常用用系數(shù)數(shù)表示，，有(3)由此可可導出出集電電極與與基極極電流流的關關系為為其中，，和和為為兩兩種放放大系系數(shù)，，它們們之間間存在在如下下轉換換關系系<1>1半導體體三極極管BJT的電流流分配配與放放大作作用電流分分配關關系當BE之間的的正向向電壓壓加大大時，，將會會有更更多的的電子子從射射區(qū)擴擴散到到基區(qū)區(qū)（iE增大）），同同時到到達集集電極極的電電子也也會增增加（（iC增大）），基基區(qū)內(nèi)內(nèi)復合合的電電子數(shù)數(shù)也會會增加加（iB增大））。iE、iC和iB三者之之間的的比例例基本本不變變。故對于一只只特定的三三極管，和的值可以近近似地看為為不變的常常數(shù)。常用用的三極管管，值在數(shù)十到數(shù)數(shù)百之間。半導體三極管管BJT的電流分配與與放大作用放大作用圖1-19簡單的放大電電路BJT最基本的一種種應用，是把把微弱的電信信號加以放大大。一簡單的的放大電路如如圖2-3所示。PN結的正向電壓壓對電流的控控制作用很靈靈敏，因此ΔvI的微小變化就就可以引起IE很大的變化。。IC=αIE，若α=0.98，ΔIC=0.98mAΔIC通過集電極的的負載電阻RL產(chǎn)生一個變化化電壓ΔvO,若RL取1kΩ，則ΔvO=ΔIC×RL=0.98V。ΔvO隨時間的變化化規(guī)律與ΔvI相同，但幅度度卻大了許多多倍。所增大大的倍數(shù)稱為為電壓增益，即半導體三極管管BJT的特性曲線BJT的特性曲線是是指各電極電電壓與電流之之間的關系曲曲線，它是BJT內(nèi)部載流子運運動的外部表表現(xiàn)。工程上上最常用到的的是它的輸入入特性曲線和和輸出特性曲曲線。圖1-20共射極放大電電路以發(fā)射極作為為共同端，以以基極作為輸輸入端，集電電極作為輸出出端。輸入特性：指當集電極與與發(fā)射極之間間的電壓vCE為某一常數(shù)時時，輸入回路路加在BJT基極與發(fā)射極極之間的電壓壓vBE與基極電流iB之間的關系曲曲線。iB=f(vBE)|vCE=常數(shù)輸出特性：指在基極電流流iB一定的情況下下，BJT的輸出回路中中，集電極與與發(fā)射極之間間的電壓vCE與集電極電流流iC之間的關系曲曲線。iC=f(vCE)|iB=常數(shù)半導體三極管管BJT的特性曲線圖1-21NPN型硅BJT共射極接法的輸入特性曲曲線(1)輸入特性vCE=1V的輸入特性較較vCE=0V的特性向右移移動了一段距距離，這是由由于當vCE=1V時，集電結吸吸引電子的能能力加強，使使得從發(fā)射區(qū)區(qū)進入基區(qū)的的電子更多地地流向集電區(qū)區(qū)，因此對應應于相同的vBE，流向基極的的電流iB比原來vCE=0時減小了。當vCE>1V以后，只要vBE保持不變，則則從發(fā)射區(qū)發(fā)發(fā)射到基區(qū)的的電子一定，，而集電結所所加的反向電電壓大到1V以后已能把這這些電子中的的絕大部分拉拉到集電結來來，以至vCE再增加，iB也不再明顯減減小，故vCE≥1V后的輸入特性性基本重合。。半導體三極管管BJT的特性曲線(2)輸出特性輸出特性的起起始部分很陡陡。這是由于于在vCE很小時，集電電結的反向電電壓很小，對對到達基區(qū)的的電子吸引力力不夠，這時時vCE稍有增加，從從基區(qū)到集電電區(qū)的電子也也增加，故iC隨之增大。當vCE超過某一數(shù)值值后（約1V），特性曲線線變得平坦。。這是因為這這時集電結的的電場已經(jīng)足足夠強，能使使發(fā)射區(qū)擴散散到基區(qū)的電電子絕大部分分都到達集電電區(qū)。由于iC=βiB，在vCE大于約1V后，輸出特性性是一組間隔隔基本均勻，，比較平坦的的平行直線。。圖1-22NPN型硅BJT共射極接法的輸出特性曲曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)iB=0半導體三極管管BJT的特性曲線(2)輸出特性由于vCE=vCB+vBE，當vCE增加時，由于于vBE變化較少（例例如硅管的vBE≈0.7V），因此vCB（集電結反向向偏壓）隨之之增加。vCB的增加使集電電結的空間電電荷區(qū)的寬度度增加，致使使基區(qū)有效寬寬度減小，這這樣在基區(qū)內(nèi)內(nèi)載流子的復復合機會減少少，使電流放放大系數(shù)β增大，在iB不變的情況下下，iC將隨vCE增大，特性曲曲線向上傾斜斜，這種現(xiàn)象象稱為基區(qū)寬度調(diào)制制效應。圖1-23NPN型硅BJT共射極接法的輸出特性曲曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)半導體三極管管思考題1.測得某放大電電路中BJT的三個電極A、B、C的對地電位分分別為VA=-9V,VB=-6V，VC=-6.2V，試分析A、B、C中哪個是基極極b，發(fā)射極e、集電極c，并說明此BJT是NPN管還是PNP管。2.某放大電路中中BJT三個電極A、B、C的電流如圖所所示，用萬用用表直流電流流檔測得IA=-2mA,IB=-0.04mA，IC=2.04mA，試分析A、B、C中哪個是基極極b，發(fā)射極e、集電極c，并說明此BJT是NPN管還是PNP管。半導體三極管管內(nèi)容回顧PNPNPN三個極、三個個區(qū)和兩個結結發(fā)射結正偏，，集電結反偏偏發(fā)射區(qū)發(fā)射電電子，形成iE；電子在基區(qū)區(qū)中的擴散與與復合，則形形成iB；集電區(qū)收集集電子，形成成iC。iE=iB+iC；iC=αiE;iC=βiB<1(接近1)>>1電流分配關系系VC>VB>VEVC<VB<VE第三部分場場效應管結型場效應管管金屬—氧化物—半導體場效應應管場效應管場效應管是一一種利用電場場效應來控制制其電流大小小的半導體器器件。這種器器件不僅兼有有體積小、重重量輕、壽命命長和省電的的特點，而且且還有輸入阻阻抗高、噪聲聲低、熱穩(wěn)定定性好、抗輻輻射能力強和和制造工藝簡簡單等優(yōu)點，，在大規(guī)模和和超大規(guī)模集集成電路中得得到了廣泛的的應用。根據(jù)據(jù)結構不同，，場效應管可可以分為兩大大類。(1)結型場效應管管(JFET)(2)金屬—氧化物—半導體場效應應管(MOSFET)利用半導體內(nèi)內(nèi)的電場效應應進行工作，，也稱為體內(nèi)內(nèi)場效應器件件利用半導體表表面的電場效效應進行工作作，也稱為表表面場效應器器件場效應管結型場效應管管JFET利用半導體內(nèi)內(nèi)的電場效應應進行工作，，也稱為體內(nèi)內(nèi)場效應器件件。圖1-23實際N溝道JFET的結構剖面圖圖JFET的結構在一塊N型半導體材料料兩邊擴散出出高濃度的P型區(qū)，形成兩兩個PN結.兩邊P+型區(qū)引出兩個個歐姆接觸電電極并連在一一起稱為柵極g，在N型本體材料的的兩端各引出出一個歐姆接接觸電極,分別稱為源極s和漏極d。它們分別相相當于BJT的基極b、射極e和集電極c。兩個PN結中間的N型區(qū)域稱為導電溝道。這種結構成成為N溝道型JFET。圖1-24JEFT的代表符號N溝道P溝道場效應管結型場效應管管JFET利用半導體內(nèi)內(nèi)的電場效應應進行工作，，也稱為體內(nèi)內(nèi)場效應器件件。工作原理圖1-25N溝道JFET的結構示意圖圖vDS>0vGS<0N溝道JFET工作時，在柵柵極與源極間間需加一負電電壓，使柵極極、溝道間的的PN結反偏，柵極極電流iG≈0，場效應管呈呈現(xiàn)很高的輸輸入電阻。在在漏極與源極極間加一正電電壓，使N溝道中的多數(shù)數(shù)載流子（電電子）在電場場作用下由源源極向漏極運運動，形成電電流iD。iD場效應管結型場效應管管工作原理(1)vGS對iD的控制作用圖1-26vDS=0時，柵源電壓壓vGS改變對導電溝溝道的影響(a)vGS=0(b)VP<vGS<0(c)vGS≤VP在反偏電壓vGS作用下，兩個個PN結的耗盡層加加寬，導電溝溝道變窄，溝溝道電阻增大大。隨著vGS幅值的加大，，最終導致兩兩側的耗盡層層將在中間合合攏，溝道全全部被夾斷，，此時漏源極極間的電阻趨趨于無窮大，，相應的柵源源電壓稱為夾斷電壓VP。場效應管結型場效應管管圖1-27vGS=0時，漏源電壓壓vDS改變對導電溝溝道的影響工作原理(2)vDS對iD的控制作用(a)vDS=0(b)vDS<|VP|(b)vDS=|VP|(d)vDS>|VP|(b)隨著vDS逐漸增加，一一方面溝道電電場強度加大大，有利于漏漏極電流iD增加；另一方方面，有了vDS，就在由源極極經(jīng)溝道到漏漏極的N型半導體區(qū)域域中，產(chǎn)生了了一個沿溝道道的電位梯度度。離源極越越遠，柵極與與溝道之間的的電位差越大大，加到該處處PN結的反向電壓壓也場效應管結型場效應管管圖1-27vGS=0時，漏源電壓壓vDS改變對導電溝溝道的影響工作原理(2)vDS對iD的控制作用(a)vDS=0(b)vDS<|VP|(b)vDS=|VP|(d)vDS>|VP|(b)越大，耗盡層層也越向N型半導體中心心擴展，使靠靠近漏極處的的導電溝道比比靠近源極處處要窄，導電電溝道呈楔形形。從這方面面說，增加vDS，又產(chǎn)生了阻阻礙漏極電流流iD提高的因素。。但在vDS較小時，導電電溝道靠近漏漏端區(qū)域仍較較寬，阻礙因因素是次要的的。故iD迅速增大。場效應管結型場效應管管圖1-27vGS=0時，漏源電壓壓vDS改變對導電溝溝道的影響工作原理(2)vDS對iD的控制作用(a)vDS=0(b)vDS<|VP|(b)vDS=|VP|(d)vDS>|VP|(c)繼續(xù)增加vDS，當耗盡層在在A點相遇時，稱稱為預夾斷。。(d)溝道在A點預夾斷后，，隨著vDS上升，夾斷長長度會略有增增加。但由于于夾斷處場強強也增大，仍仍能將電子拉拉過夾斷區(qū)。。在從源極到到夾斷處的溝溝道上，溝道道內(nèi)電場基本本上不隨vDS改變而變化。。所以，iD飽和。場效應管結型場效應管管特性曲線(1)輸出特性(vGS一定時，vDS對iD的影響)圖1-28N溝道JFET的輸出特性場效應管結型場效應管管特性曲線(2)轉移特性(vDS一定時，vGS對iD的影響)圖1-29N溝道JFET的轉移特性場效應管結型場效應管管思考題1.一個JFET的轉移特性曲曲線如圖所示示，試問(1)它是N溝道還是P溝道的FET?(2)它的夾斷電壓壓VP和飽和漏極電電流IDSS各是多少？iD/mA-43vGS/V0場效應管金屬—氧化物—半導體場效應應管圖1-30N溝道MOSFETN溝道MOSFET的結構MOSFET從導電溝道的的類型上分為為：1)n溝道管，由電電子導電。2)p溝道管，由空空穴導電。從開啟電壓的的極性上又可可以分為：1)增強型管。柵柵壓為零時不不能導電。2)耗盡型管。柵柵壓為零時管管子能導電。。以一塊摻雜濃濃度較低、電電阻率較高的的P型硅半導體薄薄片作為襯底底，在P型硅中擴散兩兩個高摻雜的的N+區(qū)。然后在P型硅表面上生生長一層