第1章 半導(dǎo)體晶體管和場效應(yīng)管

電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用第1章半導(dǎo)體晶體管和場效應(yīng)管本章小結(jié)第3節(jié)絕緣柵場效應(yīng)晶體管第2節(jié)晶體三極管與交流放大法電路第1節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第1章半導(dǎo)體晶體管和場效應(yīng)管

電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1物理基礎(chǔ)1.1.2本征半導(dǎo)體1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.4PN結(jié)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)半導(dǎo)體---導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。與導(dǎo)體的電阻率相比較，半導(dǎo)體的電阻率有以下特點(diǎn)：1．對(duì)溫度反映靈敏(熱敏性)2．雜質(zhì)的影響顯著(摻雜性)極微量的雜質(zhì)摻在半導(dǎo)體中，會(huì)引起電阻率的極大變化。3．光照可以改變電阻率(光敏性)溫度、雜質(zhì)、光照對(duì)半導(dǎo)體電阻率的上述控制作用是制作各種半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)。1.1.1物理基礎(chǔ)

電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.1.2本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體—導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。載流子—自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。共價(jià)鍵—相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。+4+4+4+4硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)Si284Ge28184簡化模型+4慣性核硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)本征激發(fā)：復(fù)合：自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過程。1.1.2本征半導(dǎo)體電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動(dòng)自由電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動(dòng)空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征IIPINI=IP+IN+–電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流IN。空穴順著電場方向移動(dòng)，形成空穴電流IP。1.1.2本征半導(dǎo)體電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)

本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很弱。如果有控制、有選擇地?fù)饺胛⒘康挠杏秒s質(zhì)（某種元素），將使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)，成為具有特定導(dǎo)電性能的雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn),且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度、光照等外界條件有關(guān)。結(jié)論電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1、N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷。N型磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)+5+4+4+4+4+4正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子N型半導(dǎo)體的簡化圖示電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)P型硼原子空穴空穴

—多子電子

—少子載流子數(shù)

空穴數(shù)2、P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼。+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體的簡化圖示多數(shù)載流子少數(shù)載流子負(fù)離子電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.1.4PN結(jié)二、復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子、阻止擴(kuò)散進(jìn)行、利于少子的漂移。(耗盡層)三、擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。內(nèi)電場擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由濃度差引起的載流子運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場力作用下引起的運(yùn)動(dòng)。1.PN結(jié)的形成一、載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)一、加正向電壓(正向偏置)導(dǎo)通P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。I限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流I。I

=I多子I少子

I多子二、加反向電壓(反向偏置)截止P

區(qū)N

區(qū)

+UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。IPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流II

=I少子

02PN結(jié)的單向?qū)щ娦噪姽ぜ夹g(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)PN結(jié)兩端電壓和流經(jīng)PN結(jié)的電流之間有如下關(guān)系式中，是反向飽和電流，UT=kT/q是溫度電壓當(dāng)量，T是熱力學(xué)溫度，q是電子的電量，在T為300K時(shí)，UT≈26mV。4．PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。

3PN結(jié)方程電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.2晶體二極管1.2.1基本結(jié)構(gòu)1.2.2伏安特性1.2.3主要參數(shù)1.2.4特殊二極管電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.2.1基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管

(Diode)符號(hào)：分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.2.2伏安特性O(shè)uD

/ViD

/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth

=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD

急劇上升0U

Uth

反向特性U(BR)反向擊穿U（BR)

U0iD

<0.1A(硅)

幾十A

(鍺)U<

U（BR）反向電流急劇增大(反向擊穿)擊穿電壓電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。—PN結(jié)燒毀。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.

IOM—

最大整流電流（最大正向平均電流）2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/23.

IRM—

最大反向電流（二極管加最大反向電壓時(shí)的電流，越小單向?qū)щ娦栽胶茫?.2.3主要參數(shù)1.2.4

特殊二極管1．穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的，只要去掉反向電壓，穩(wěn)壓管就會(huì)恢復(fù)正常。但是，如果反向擊穿后的電流太大，超過其允許范圍，就會(huì)使穩(wěn)壓管的PN結(jié)發(fā)生熱擊穿而損壞。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。I/mAUZ/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ符號(hào)工作條件：反向擊穿電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓

UZ和穩(wěn)定電流

IZ

UZ流過規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。IZ越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin

時(shí)不穩(wěn)壓。3.最大工作電流

IZMax

和最大耗散功率

PZM

如果管子的電流超過最大穩(wěn)定電流Izmax，將會(huì)使管子的實(shí)際功率超過最大允許耗散功率，管子將會(huì)發(fā)生熱擊穿而損壞。4.動(dòng)態(tài)電阻

rZrZ

=UZ/IZ

越小穩(wěn)壓效果越好。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、壽命長、可靠性高.用途：(1).用于顯示電路；(2).將電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，通過光電纜傳輸，再用光電二極管接收，還原成電信號(hào)。發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，七段LED，點(diǎn)陣LED不可見光：紅外光符號(hào)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)3.光電二極管工作狀態(tài)-反向偏置將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.3晶體三極管與交流放大電路1.3.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)1.3.2電流放大作用1.3.3特性曲線1.3.4主要參數(shù)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.3.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管（三極管）是最重要的一種半導(dǎo)體器件。部分三極管的外型電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)一、結(jié)構(gòu)N型硅BECN型硅P型硅（a）平面型二氧化硅保護(hù)膜N型鍺ECBPP（b）合金型銦球銦球電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)三層半導(dǎo)體材料構(gòu)成NPN型、PNP型NNP發(fā)射極

E基極

B集電極

C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型ECB各區(qū)主要作用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)：作用：發(fā)射載流子特點(diǎn)：摻雜濃度高基區(qū)：作用：傳輸載流子特點(diǎn)：薄、摻雜濃度低集電區(qū)：作用：接收載流子特點(diǎn)：面積大電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)PPNEBC按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：

NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管ECBPNP型二、類型電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.3.2電流放大作用一、晶體管放大的條件1.內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大2.外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏二、晶體管的電流分配和放大作用實(shí)驗(yàn)電路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A電路條件:EC>EB發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A1.測量結(jié)果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.501.001.602.202.90IE/mA0.0010.511.021.632.242.95IC/IB5050535558IC/

IB50606070(1)符合KCL定律(2)

IC和IE比IB大得多(3)

IB

很小的變化可以引起

IC很大的變化。

即：基極電流對(duì)集電極電流具有小量控制大量的作用，這就是晶體管的放大作用。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)2.晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子，形成發(fā)射極電流IE。ICE多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散形成ICE。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBE。IBE基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBE

IB+ICBO即：IB=IBE–ICBO

(3)集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICE+ICBO(2)電子到達(dá)基區(qū)后(基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽略)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)3.晶體管的電流分配關(guān)系當(dāng)管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO(直流電流放大倍數(shù)）總結(jié)：

1.晶體管在發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置的條件下具有電流放大作用。

2.晶體管的電流放大作用，實(shí)質(zhì)上是基極電流對(duì)集電極電流的控制作用。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.3.3特性曲線1.輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCECiBIERB+uBE+uCEEBCEBiC+++iBRB+uBEEB+O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導(dǎo)通電壓UBESi管:(0.60.8)VGe管:(0.20.3)V取0.7V取0.2VEB+RB電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)2.輸出特性

1.調(diào)整RB使基極電流為某一數(shù)值。

2.基極電流不變，調(diào)整EC測量集電極電流和uCE

電壓。輸出特性曲線50μA40μA30μA10μAIB=020μAuCE

/VO2468

4321iC

/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6ARCV+uCE電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321（1）截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個(gè)結(jié)反偏（2）放大區(qū)：（3）飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個(gè)結(jié)正偏特點(diǎn)：IC

IB臨界飽和時(shí)：uCE=uBE深度飽和時(shí)：0.3V(硅管)UCE為：0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：水平、等間隔ICEO輸出特性曲線電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0024684321一般為幾十

幾百Q(mào)2.穿透電流是指基極開路(IB=0)時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流。1.3.4主要參數(shù)1.放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)3.ICM—集電極最大允許電流，超過時(shí)值明顯降低。5.PCM—集電極最大允許功率損耗PC

=IC

UCE。4.U(BR)CEO—基極開路時(shí)C、E極間反向擊穿電壓。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)

1.4場效應(yīng)管場效應(yīng)管也稱做MOS管，按其結(jié)構(gòu)不同，分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管兩種類型。增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)1.4.1絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管

(MetalOxideSemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管（1）結(jié)構(gòu)

4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號(hào)：電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)當(dāng)uGS＞0V時(shí)→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。再增加uGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)定義：開啟電壓（UT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，

uGS＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)②漏源電壓uDS對(duì)漏極電流id的控制作用當(dāng)uGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0時(shí)，id=0。（b）uds↑→id↑；

同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。（c）當(dāng)uds增加到使ugd=UT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)輸出特性曲線

電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)轉(zhuǎn)移特性曲線電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：

gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》-電子技術(shù)

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