第一章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體的基本知識1.3半導(dǎo)體二極管1.4特殊二極管1.5半導(dǎo)體三極管1.6場效應(yīng)管1.2PN結(jié)第一節(jié)半導(dǎo)體的基本知識學(xué)習(xí)目的與要求：識記本征濃度ni，施主濃度ND，受主濃度NA；領(lǐng)會半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，共價鍵，本征激發(fā)，電子載流子和空穴載流子，摻雜，N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體，多子與少子。繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子帶負(fù)電。自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成。正電荷負(fù)電荷=原子結(jié)構(gòu)中：原子核＋原子核中有質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子帶正電，中子不帶電。1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（1）導(dǎo)體導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是1~3個，且距原子核較遠(yuǎn)，因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子就會獲得一定能量，從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導(dǎo)體在常溫下存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有金、銀、銅、鋁等。

原子核＋導(dǎo)體的特點：內(nèi)部含有大量的自由電子（2）

絕緣體絕緣體的最外層電子數(shù)一般為6~8個，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強而不易掙脫其束縛。常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。常用的絕緣體材料有橡膠、塑料、云母、陶瓷等。原子核＋絕緣體的特點：內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導(dǎo)電。（3）

半導(dǎo)體半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒及某些金屬氧化物、硫化物等等。原子核＋半導(dǎo)體的特點：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但具有光敏性、熱敏性和摻雜性的獨特性能，因此在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-22~10-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9~102s/cm量級。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨特性能決定的：光敏性——當(dāng)光照增強時，導(dǎo)電能力增強。熱敏性——當(dāng)環(huán)境溫度升高時，其導(dǎo)電能力增強。摻雜性——純凈的半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機理所決定的。2半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3本征半導(dǎo)體

最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。(1)典型半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)

天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的，純凈的成單晶形式存在的本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對，形成共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)（2）半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特性——共價鍵結(jié)構(gòu)

＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4原子外層的8個價電子是相鄰原子共用，穩(wěn)定性不象絕緣體那樣好。在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。受光照或溫度上升影響，共價鍵中的一些價電子掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。＋＋共價鍵中的價電子在外部能量作用下，脫離共價鍵成為自由電子的過程叫做“激發(fā)”，或“熱激發(fā)”。電子脫離共價鍵束縛所需要的最小能量叫“激活能”Eg。自由電子數(shù)=空穴數(shù)（3）熱激發(fā)與“電子-空穴對”的產(chǎn)生

＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋＋

空穴載流子的出現(xiàn)，是半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的一個重要特點，而載流子數(shù)目的多少，是衡量半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的標(biāo)志。由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴，統(tǒng)稱為“載流子”，它們都將作為運載電流的粒子而存在。電子載流子和空穴載流子所形成的電流分別稱為電子電流與空穴電流。

＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補，在價電子原來的位置上出現(xiàn)了新的空穴。

此時整個晶體帶電嗎？為什么？價電子填補空穴的運動稱為“空穴運動”。它是空穴的逆向運動，即空穴載流子運動。(4)半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。若在半導(dǎo)體兩端外加電壓，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴如何運動？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4帶負(fù)電的自由電子向正極做定向運動，被原子核束縛著的價電子遞補空穴使空穴向負(fù)極運動。兩種載流子形成電荷極性不同，但電流方向相同的電子流。+-結(jié)論：在半導(dǎo)體導(dǎo)電過程中，同時存在著空穴導(dǎo)電與電子導(dǎo)電兩種導(dǎo)電方式，而且電子和空穴形成的電流方向相同（為空穴載流子的方向），即半導(dǎo)體中的電流為電子電流與空穴電流之和。兩種導(dǎo)電方式同時存在，則是半導(dǎo)體導(dǎo)電機制的最大特點。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，電流的方向為空穴載流子的方向即自由電子載流子的反方向。半導(dǎo)體和導(dǎo)體在導(dǎo)電機理上的區(qū)別本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴載流子。在半導(dǎo)體兩端外加電壓，帶負(fù)電的自由電子向正極做定向運動，被原子核束縛著的價電子遞補空穴使空穴向負(fù)極運動。兩種載流子形成電荷極性不同，但電流方向相同的電子流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強。溫度是影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理總結(jié)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4由于熱運動與熱激發(fā)，一方面產(chǎn)生著電子-空穴對，一方面又進(jìn)行著電子-空穴對的復(fù)合，它們是相互矛盾的兩方面。隨著電子-空穴對的增多，復(fù)合的機會亦增多，而復(fù)合規(guī)模的增大又限制了電子-空穴對數(shù)量的增加，結(jié)果呢？熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對處在熱運動中的自由電子碰到空穴，與空穴重新組合使電子-空穴對消失，稱為電子-空穴對的復(fù)合價電子遞補空穴使空穴消失(5)“電子-空穴對”的復(fù)合與動態(tài)平衡

在溫度一定時，這兩種相互矛盾的運動達(dá)到相對平衡，單位時間內(nèi)電子-空穴對產(chǎn)生和復(fù)合的數(shù)目相等，實際存在著的電子-空穴對維持在一定的數(shù)目上。

當(dāng)溫度升高時，電子-空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合又發(fā)生什么變化？

晶體內(nèi)原子的熱運動加劇，熱激發(fā)增多，產(chǎn)生超過復(fù)合，使原來的平衡被破壞，自由電子和空穴的數(shù)目增多，復(fù)合的機會也增大，最后達(dá)到一個新的動態(tài)平衡。

說明：熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)目，是由溫度決定的，在一般室溫下，其數(shù)量甚少；當(dāng)溫度升高時，其數(shù)量隨之增加，即半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨之增強。

設(shè)：電子濃度為n，空穴濃度為p；本征電子載流子濃度為ni，本征空穴載流子濃度為pi

。對本征半導(dǎo)體即純凈半導(dǎo)體而言，當(dāng)溫度一定時有：

n=p=ni=pi(6)關(guān)于本征載流子的濃度討論

ni與pi

均與溫度有關(guān)，關(guān)系式如下：

ni(T)=pi(T)=AT3/2e-Eg/2kT式中，Eg是半導(dǎo)體的激活能；T為絕對溫度；A是與材料有關(guān)的系數(shù)；k是波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；e是自然對數(shù)的底。在T=300K（室溫）時：硅的本征載流子濃度ni=pi=1.4×1010cm-3

鍺的本征載流子濃度ni=pi=2.5×1013cm-3對本征半導(dǎo)體來說，在一定溫度下，空穴本征濃度pi與電子本征濃度ni的乘積等于常數(shù)，即：nipi=常數(shù)，又因為本征半導(dǎo)體的ni=pi，因此有nipi=ni2=常數(shù)摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，它是制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料。

+五價元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目大增，也更增加了電子與空穴的復(fù)合機會，從而使得空穴的數(shù)目更少了，這樣導(dǎo)電主流就是電子，被稱為“多數(shù)載流子”（簡稱“多子”）；空穴則稱為“少數(shù)載流子”（簡稱“少子”）。五價元素磷提供了自由電子，稱為“施主元素”或“施主雜質(zhì)”，磷原子失去了一個電子，稱為“施主原子”。N型半導(dǎo)體的簡化圖：正離子電子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，而不能移動的離子帶負(fù)電。－(2)P型半導(dǎo)體三價硼元素提供了易于接受電子的空位，稱為“受主元素”或“受主雜質(zhì)”；硼原子接受電子，稱為“受主原子”。P型半導(dǎo)體的簡化圖：負(fù)離子空穴一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強幾十萬倍。不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子。摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個半導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。注意：設(shè)：施主雜質(zhì)原子濃度為ND，受主雜質(zhì)原子濃度NA，則：對N型半導(dǎo)體而言，其多子自由電子的濃度n與施主雜質(zhì)濃度ND相等：

對P型半導(dǎo)體而言，其多子空穴的濃度p與受主雜質(zhì)濃度NA相等：

理論和實踐證明，對雜質(zhì)半導(dǎo)體而言，仍然有空穴濃度p與電子濃度n的乘積為一恒定值，與摻雜濃度無關(guān)，即：(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度討論在確定了多數(shù)載流子濃度之后，可利用上式來確定少數(shù)載流子的濃度。對N型半導(dǎo)體，其少子空穴的濃度p為：對P型半導(dǎo)體，其少子自由電子的濃度n為：結(jié)論：雜質(zhì)半導(dǎo)體多子濃度要比本征載流子濃度ni和pi大，少子濃度將小于本征載流子濃度。即：一塊本征半導(dǎo)體中原來的兩種載流子濃度都是ni，在摻入雜質(zhì)之后，多子濃度大大增加了，它將比本征載流子濃度ni大很多倍，而少子濃度則比本征載流子濃度ni要小很多。P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否意味著帶正電？自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的形成是否由自由電子填補空穴的運動形成的？何謂雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子？N型半導(dǎo)體中的多子是什么？少子是什么？

想想練練第二節(jié)PN結(jié)學(xué)習(xí)目的與要求：識記PN結(jié)的結(jié)電壓（硅材料和鍺材料）；領(lǐng)會擴散與漂移；掌握PN結(jié)的形成和單向?qū)щ娦浴?/p>

將P型和N型半導(dǎo)體經(jīng)過工藝加工制造后所得到的PN結(jié)，是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)1.PN結(jié)的形成——多子的擴散運動與空間電荷區(qū)的建立多子的擴散運動空間電荷區(qū)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合PN結(jié)的形成在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)——內(nèi)電場的產(chǎn)生及其作用內(nèi)電場空間電荷區(qū)內(nèi)電場（N區(qū)指向P區(qū)）阻擋多子的擴散運動，空間電荷區(qū)變窄推動少子的漂移運動（少子漂移的方向與多子擴散的方向相反）PN結(jié)的形成在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)——擴散與漂移的動態(tài)平衡和PN結(jié)的形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)變寬擴散內(nèi)電場增強對多子擴散的阻力增大使少子的漂移運動增強空間電荷區(qū)變窄漂移內(nèi)電場減弱使多子的擴散容易進(jìn)行開始時，擴散占優(yōu)勢，使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，阻礙擴散運動，但使漂移運動不斷增強；漂移運動增強又使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場減弱，進(jìn)而使擴散容易進(jìn)行；當(dāng)擴散運動與漂移運動相等時，兩者達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度不再增加，而處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這個一定寬度的空間電荷區(qū)，就是我們所說的PN結(jié)。PN結(jié)的形成動畫演示flash1多數(shù)載流子的濃度差多數(shù)載流子擴散空間電荷區(qū)少數(shù)載流子漂移……擴散=漂移穩(wěn)定的空間電荷區(qū)即PN結(jié)或耗盡層動畫內(nèi)電場++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場PN結(jié)的形成——PN結(jié)的內(nèi)建電勢差

PN結(jié)的空間電荷區(qū)存在電場，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，即N區(qū)的電位高于P區(qū)，高出的數(shù)值定義為這個內(nèi)電場的內(nèi)建電勢差，又稱接觸電位差，用Uh表示。式中，kT/q=UT，稱為溫度電壓當(dāng)量；k為波爾茲曼常數(shù)；q為電子電荷量；T是絕對溫度；ND是施主雜質(zhì)濃度；NA是受主雜質(zhì)濃度；ni是材料的本征濃度。

k=1.381×10-23J/K，q=1.6×10-19C，取T=300K，可得：一般情況下，硅材料PN結(jié)的內(nèi)建電勢差Uh大約為0.7V，鍺材料PN結(jié)的內(nèi)建電勢差大約為0.3V。內(nèi)建電勢差Uh與ND、NA及ni等因素有如下關(guān)系：++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場PN結(jié)的形成——PN結(jié)的電容效應(yīng)

在PN結(jié)空間電荷區(qū)出現(xiàn)以后，隨之會出現(xiàn)電容效應(yīng)。這種電容效應(yīng)產(chǎn)生的電容，稱為PN結(jié)的結(jié)電容。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)加正向電壓

P區(qū)接較高電位（比如電源的正極），N區(qū)接較低電位（比如電源的負(fù)極），稱為給PN結(jié)加正向偏置電壓，簡稱正偏。

PN結(jié)正偏PN結(jié)正向?qū)ㄍ怆妶雠c內(nèi)電場方向相反利于擴散內(nèi)電場減弱PN結(jié)變窄外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較大的擴散電流I正動畫為了防止較大的IF將PN結(jié)燒壞，應(yīng)串接限流電阻R。PN結(jié)對正向偏置呈現(xiàn)較小的電阻（理想狀態(tài)下可以看成是短路情況），稱之為正偏導(dǎo)通狀態(tài)。即PN結(jié)對正向電流呈低阻狀態(tài)，也就是所謂的正向?qū)ㄗ饔谩?2)PN結(jié)加反向電壓將PN結(jié)的P區(qū)接較低電位（比如電源的負(fù)極），N區(qū)接較高電位（比如電源的正極），稱為給PN結(jié)加反向偏置電壓，簡稱反偏。PN結(jié)反偏PN結(jié)反向截止外電場與內(nèi)電場方向相同利于漂移內(nèi)電場增強PN結(jié)變厚外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較小的反向電流I反

動畫

PN結(jié)反偏時，形成了以漂移電流為主的反向電流。在一定溫度下，漂移電流的值很小趨于穩(wěn)定，常稱反向漂移電流為反向飽和電流。

PN結(jié)對反向偏置呈現(xiàn)很大的電阻（理想狀態(tài)下可以看成是開路情況），稱之為反偏截止?fàn)顟B(tài)。即PN結(jié)對反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。

結(jié)論：PN結(jié)的正向電阻很小，可視為正向?qū)?；反向電阻很大，可視為反向截止，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。即“正向?qū)?，反向阻斷”。PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

PN結(jié)在電路圖中的符號如下圖所示：PN

PN結(jié)的單向?qū)щ娦阅芊裾f出PN結(jié)有何特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理與金屬導(dǎo)體有何不同？什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的

？試述雪崩擊穿和齊納擊穿的特點。這兩種擊穿能否造成PN結(jié)的永久損壞

？想想練練2.半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對；同時，其它價電子又不斷地“轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價電子與空穴的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。1.半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低，但少子對溫度非常敏感，因此溫度對半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)正向偏置時，呈現(xiàn)的電阻很小幾乎為零，因此多子構(gòu)成的擴散電流極易通過PN結(jié)；PN結(jié)反向偏置時，呈現(xiàn)的電阻趨近于無窮大，因此電流無法通過被阻斷。3.空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場阻礙多數(shù)載流子擴散運動的作用，由于這種阻礙作用，使得擴散電流難以通過空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對擴散電流呈現(xiàn)高阻作用。學(xué)習(xí)與歸納1.3半導(dǎo)體二極管把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管1.二極管的基本結(jié)構(gòu)、種類和符號點接觸型：PN結(jié)的面積小，極間電容小，但不能承受高的反向電壓和大電流。它的高頻性能好，適用于高頻檢波和數(shù)字電路中的開關(guān)元件及小電流整流。外殼觸絲N型鍺片正極引線負(fù)極引線N型鍺面接觸型：PN結(jié)面積大，可承受較大的電流，但極間電容也大，工作頻率受到影響。面接觸型二極管適用于低頻和大功率整流。負(fù)極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號穩(wěn)壓二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號DDZD使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。二極管的種類符號二極管分類按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型按材料分硅二極管鍺二極管按用途分普通二極管整流二極管開關(guān)二極管穩(wěn)壓二極管2.二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020

伏安特性——流過二極管的電流與其兩端電壓的函數(shù)關(guān)系。具有“單向?qū)щ娦浴薄?/p>

正向?qū)▍^(qū)：外加正向電壓超過死區(qū)電壓時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)

死區(qū)：外加電壓較小，正向電流很小，幾乎為零。

外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)

反向截止區(qū)：外加反向電壓較小時，反向電流很小。

硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)在正向?qū)▍^(qū)，二極管端電壓幾乎不變，此時二極管端電壓稱為正向?qū)妷骸?/p>

硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。反向電流有兩個特點：一是它隨溫度的上升增長很快，二是在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無關(guān)(與少子的數(shù)量有關(guān))。所以通常稱它為反向飽和電流。反向擊穿區(qū)的討論U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)反向擊穿：外加反向電壓超過擊穿電壓時，反向電流急劇增加，使二極管失去單向?qū)щ娦浴Ｑ┍罁舸┖妄R納擊穿都屬于電擊穿。①雪崩擊穿：碰撞電離擊穿②齊納擊穿：場效應(yīng)擊穿

③熱擊穿：電擊穿中的電壓過高，電流過大，消耗在PN結(jié)上的功率超過其耗散功率。反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：3.二極管方程理想二極管電流與端電壓之間有如下關(guān)系：IS為反向飽和電流；UT為溫度電壓當(dāng)量，在室溫下?！O管方程

分析：

當(dāng)管子外加電壓U，且

由，上式可簡化為

當(dāng)外加反向電壓時，U為負(fù)值，如果

指數(shù)項將很快趨于零，因而有

4.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IF：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。（2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。手冊上一般取擊穿電壓的一半或三分之二作為最高反向工作電壓值。（3）最大反向電流IRM：指二極管在加上最高反向工作電壓時的反向電流值。該值越小，說明管子的單向?qū)щ娦栽胶谩＃?）最高工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆兊幂^差。二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V若

V陽

>V陰或

UD為正，二極管導(dǎo)通若

V陽

<V陰或

UD為負(fù)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r管壓降為零，反向截止時相當(dāng)于開路。

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。整流、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補償?shù)取?.二極管主要應(yīng)用及分析方法6.二極管的應(yīng)用舉例注意：分析實際電路時為簡單化，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏時視其為“短路”，截止時視其為“開路”。UD=0UD=∞正向?qū)〞r相當(dāng)一個閉合的開關(guān)+－+－+－D+－D+－+－DPN+－反向阻斷時相當(dāng)一個打開的開關(guān)+－DPN(1)二極管的開關(guān)作用(2)二極管的整流作用

將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路橋式整流電路簡化圖B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二極管橋式整流電路D4B220V~RLD1D2D3B220V~RL(3)二極管的限幅作用+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0≈+5V。顯然輸出電壓u0限幅在0~+5V之間。u0

–++–aTrVDuou2bRLio+–u1uDO分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。假設(shè)二極管為理想二極管。

u2

正半周，Va>Vb，D導(dǎo)通，uo=u2；

u2

負(fù)半周，Va<Vb，D截止，uo=0。例1：uoOu2

tO二極管起整流作用

電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰

=－12VV陽>V陰

二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，

UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取

B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

二極管起鉗位作用

VD6V12V3k

BAUAB+–兩個二極管的陰極接在一起取

B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴

VD2優(yōu)先導(dǎo)通，鉗位，使

VD1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:流過

D2

的電流為求：UABVD2起鉗位作用，VD1起隔離作用。

BVD16V12V3k

AVD2UAB+–例4:+6VRDAVAVBVYDB當(dāng)VA=3V，VB=0V時，分析輸出端的電位VY。理想二極管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴

DB優(yōu)先導(dǎo)通，DA截止。

鍺二極管：VY=VB+UD=0.3V

硅二極管：VY=VB+UD=0.7V-6VRDAVAVBVYDB∵

UDA>UDB

∴

DA優(yōu)先導(dǎo)通，DB截止。理想二極管：VY=VA=3V

鍺二極管：VY=VA-UD=2.7V

硅二極管：VY=VA-UD=2.3Vui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路

uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路

uo=ui已知：

二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例5：ui18V參考點二極管陰極電位為

8VVD8VRuoui++––

二極管起限幅作用

例6

當(dāng)Us分別為2V、4V，而ui

分別為3V、3V

時，試畫出uo

的波形。半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？

你會做嗎？何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會出現(xiàn)死區(qū)電壓？

把一個1.5V的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端，會出現(xiàn)什么問題？二極管的伏安特性曲線上分為幾個區(qū)？能否說明二極管工作在各個區(qū)時的電壓、電流情況？

檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時又會明顯增大

？1.4特殊二極管學(xué)習(xí)目的與要求：識記穩(wěn)壓管、光電二極管和發(fā)光二極管符號；領(lǐng)會穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性、擊穿機制、主要參數(shù)；光電二極管的特性曲線；發(fā)光二極管的發(fā)光原理與導(dǎo)通管壓降。

I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。Dz穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向ΔIZΔUZ1.穩(wěn)壓二極管實物圖圖符號及文字符號反向特性比普通二極管的更加陡峭。UZIzminIzmax一典型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程當(dāng)電路輸入端的電壓發(fā)生變化，而引起負(fù)載兩端的電壓變化時，它的穩(wěn)壓過程為：UOUIUOIZIRURDZRuoui++––ILIzIR穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓Uz：穩(wěn)壓管的反向電流為規(guī)定的穩(wěn)定電流值時，穩(wěn)壓管兩端的穩(wěn)定電壓值。(2)穩(wěn)定電流Iz：穩(wěn)壓管正常工作時的工作電流，此值一般是指最小穩(wěn)定電流Izmin

。(3)最大穩(wěn)定電流Izmax：管子可以正常穩(wěn)壓的最大允許工作電流。(4)動態(tài)電阻rz：在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍內(nèi)，穩(wěn)壓管兩端的電壓變化量與電流變化量之比，即(5)溫度系數(shù)：穩(wěn)壓管受溫度影響的變化系數(shù)。(6)最大允許耗散功率Pzm：使管子不致熱擊穿的最大功率損耗。+US－DZ使用穩(wěn)壓二極管時應(yīng)該注意的事項(1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別DZ+－(2)穩(wěn)壓二極管使用時，應(yīng)反向接入電路UZ－(3)穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻(4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值(5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá)

300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。例:穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，正向壓降忽略不計。當(dāng)輸入電壓Ui

分別為直流10V、3V、-5V時，求輸出電壓UO；若ui

=10sinωtV，試畫出uo

的波形。ui10VDZRuoui++––解：Ui

=10V：DZ工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，UO=UZ=5VUi

=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi

=-5V：DZ工作在正向?qū)顟B(tài)，UO=0Vui

=10sinωtV：ui正半周，當(dāng)ui

>UZ，DZ反向擊穿，uO=5V當(dāng)ui

<UZ，DZ反向截止，uO=uiui負(fù)半周，DZ正向?qū)?，uO=0V5V思索與回顧二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過擊穿電壓時，通過二極管的電流會急劇增加。

擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。如穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)。在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓二極管就是利用這一點達(dá)到“穩(wěn)壓”效果的。穩(wěn)壓管正常工作是在反向擊穿區(qū)。光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。D光電二極管的正常工作狀態(tài)是反向偏置。在反向電壓下，無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子—空穴對，稱光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流，其強度與光照強度成正比。2.光電二極管光電二極管同樣具有單向?qū)щ娦?。實物圖圖符號和

文字符號發(fā)光二極管，簡稱LED。它是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。實物圖圖符號和

文字符號發(fā)光二極管一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成。發(fā)光管正常工作時應(yīng)正向偏置，因發(fā)光管屬于功率型器件，因此死區(qū)電壓較普通二極管高，其正偏工作電壓至少要在1.3V以上。發(fā)光管常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。3.發(fā)光二極管D

又稱光電隔離器。是發(fā)光器件和受光器件的組合體。輸入電路輸出電路

輸入和輸出電路之間沒有電的直接聯(lián)系，實現(xiàn)電路之間的電氣隔離，具有良好的抗干擾性。4.光電耦合器1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？你會做嗎？檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果2.現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？3.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓UD＝1.5V，正向電流在5~15mA時才能正常工作。試問圖中開關(guān)S在什么位置時發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？

1.5半導(dǎo)體三極管學(xué)習(xí)目的與要求：識記三極管符號、分類、命名方法；領(lǐng)會半導(dǎo)體三極管的載流子分配情況和電流分配方程式、特性曲線、主要參數(shù)及溫度特性；重點掌握三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。

三極管，又稱晶體管，是組成各種電子電路的核心器件。其產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。1.三極管的結(jié)構(gòu)、種類與符號注意：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向。BCEBCE三極管分類三極管分類按工作頻率分高頻管低頻管按耗散功率分大功率管中功率管按用途分放大管開關(guān)管小功率管按材料分硅管鍺管按制造工藝分平面型合金型大功率低頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖e發(fā)射極集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射區(qū)Nb基極c集電極三極管實現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，且摻雜濃度極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間。三極管使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。2.三極管的電流分配與放大作用(4)集電結(jié)面積>>發(fā)射結(jié)面積NNPUBBRBUCCRCBCE晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏共射極放大電路EBRBBECECRC

PNP：VC<VB<VE從電位的角度看：

NPN：VC>VB>VEBCENPNUCCRCUBBRBIEICIB三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子的過程2.電子在基區(qū)的擴散和復(fù)合過程3.集電區(qū)收集電子的過程NNPUBBRB＋－UCCRC＋－IEICIB共基極放大電路1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子2.電子在基區(qū)的擴散和復(fù)合3.集電區(qū)收集電子結(jié)論由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū)，并不斷從電源補充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴散到了集電結(jié)邊緣。2.電子在基區(qū)的擴散和復(fù)合過程集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3.集電區(qū)收集電子的過程只要三極管符合基區(qū)很薄、低摻雜，發(fā)射區(qū)高摻雜，發(fā)射結(jié)面積遠(yuǎn)小于集電結(jié)面積的內(nèi)部條件，再加上發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。總結(jié)IB(mA)

IC(mA)

IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:各電極電流關(guān)系及電流放大作用1）三電極電流關(guān)系：

IE=IB+IC

電流分配原則2）IC

IB

，

IC

IE

，直流電流放大系數(shù)3）

IC

IB，交流電流放大系數(shù)——電流分配方程式＋＋－－UccUBBRBRCBEC

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為三極管的電流放大作用。

三極管使用一個較小的電流去控制一個較大的電流，起電流放大的作用，因而將三極管稱為電流控制元件。發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端

共發(fā)射極電路

測量三極管特性的實驗線路輸入回路輸出回路ECICEBmA

AVUCEUBERBIBV++––––++3.三極管的特性曲線

所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。(1)輸入特性曲線UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB從0開始增加IBIE=IBUBE令UCC為0UCE=0時的輸入特性曲線UCE為0時

電路輸出端集電極-發(fā)射極電壓UCE一定時，輸入回路中電流IB與基極-發(fā)射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開始增加IBICUBE增大UCC讓UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲線繼續(xù)增大UCC讓UCE=1V令UBB重新從0開始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲線繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。UCE>1V的特性曲線(2)輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。當(dāng)輸入回路電流IB一定時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是三極管的輸出特性曲線。IBUCE/VIC

/mA0UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再調(diào)節(jié)IB至另一稍小的固定值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCEUCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。當(dāng)IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，集電極電流IC基本不變，體現(xiàn)出恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點正是三極管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β：ΔIB=40AΔIC

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。IC不受IB控制，只受UCE（UCE<1）控制。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB小于0時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。放大區(qū)三極管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流IC與基極電流IB之間成β倍的數(shù)量關(guān)系，即三極管在放大區(qū)時具有電流放大作用。截止區(qū)飽和區(qū)三極管的工作狀態(tài)總結(jié)值與IC有關(guān)。同一型號的三極管值有較大差別，其值在20~150之間。值太小，管子的電流放大作用太??；值太大，使管子受溫度變化的影響大，導(dǎo)致管子工作不穩(wěn)定。要根據(jù)實際情況來選擇

值合適的管子。4.三極管的主要參數(shù)①

直流電流放大系數(shù)反映了三極管的電流放大能力。②交流電流放大系數(shù)集電極電流變化量與基極電流變化量的比值。當(dāng)輸出曲線的間隔比較均勻時，認(rèn)為:(1)電流放大系數(shù)(2)極間反向電流①集電極-基極反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開路時，集電極-基極之間的反向電流。NNPUBBRBUCCRCBCEICBOICBO隨溫度的升高而增大，且具有飽和性。它是表征集電結(jié)質(zhì)量好壞，衡量管子穩(wěn)定性能優(yōu)劣的參數(shù)。一個好管子，ICBO很小。集電結(jié)反偏，集電區(qū)的少子進(jìn)行漂移運動形成反向漂移電流。②集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEO：基極開路時，由集電區(qū)流入，穿過基區(qū)，由發(fā)射區(qū)流出的反向電流。又稱穿透電流。

NNPUBBRBUCCRCBCEICBO發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)CEO

ICBOICEO=(1+

)ICBOICEO受溫度影響很大。ICEO越大，說明管子穩(wěn)定性越差。IC、與ICBO關(guān)系討論：當(dāng)ICBO較小時，可有：只要有一個IB，就有一個IC，且IC總比IB大倍。IC與溫度關(guān)系極大，使三極管的溫度穩(wěn)定性頗差。(3)極限參數(shù)①集電極最大允許電流ICMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3②集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基極開路指基極開路時，允許加在集-射極之間的最高反向電壓。使用中若超過此值,三極管的集電結(jié)就會出現(xiàn)雪崩擊穿。IC>ICM時，晶體管不一定燒損，但β值明顯下降。③集電極最大允許功耗PCM三極管上的功耗超過PCM，管子將損壞。安

全

區(qū)：集電結(jié)允許損耗功率的最大值。過耗區(qū)5.三極管的溫度特性(1)溫度對的影響溫度升高，電流放大系數(shù)

值增大，使輸出特性曲線之間的間隔變寬，從而使集電極電流IC增加。(2)溫度對ICBO的影響溫度升高，ICBO按指數(shù)規(guī)律增大，使集電極電流IC增加。(3)溫度對UBE的影響溫度升高，特性曲線左移，使管子的死區(qū)電壓降低。相同的UBE下，IB增大，最終使集電極電流IC增加。6.國產(chǎn)三極管的命名方法和選用

(1)型號與命名規(guī)則阿拉伯?dāng)?shù)字漢語拼音字母器件的材料和極性電極數(shù)目漢語拼音字母器件的類別阿拉伯?dāng)?shù)字序號漢語拼音字母規(guī)格號(2)三極管的選用原則與使用注意事項①所加電壓極性必須正確②電路在工作中，均須防止三極管的電流、電壓超出最大極限值，不得有兩項或兩項以上參數(shù)同時達(dá)到極限值，管子必須工作在安全區(qū)，還需注意滿足規(guī)定的散熱要求。③同型號的管子，應(yīng)選反向電流小的；其值一般選在幾十到一百之間。⑤只要管子的基本參數(shù)相同，就可以代換。性能高的，可代換性能低的。但硅管與鍺管通常不能代換。④如要求管子的反向電流小，工作溫度高，可選硅管；如要求管子的導(dǎo)通結(jié)電壓較低時，應(yīng)選鍺管。例1：UCE=6V時，在

Q1點IB=40A,IC=1.5mA；在

Q2點

IB=60A,IC=2.3mA。求β值？在以后的計算中，一般作近似處理：

=IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在

Q1點，有由

Q1和Q2點，得（1）V1=3.5V，V2=2.8V，V3=12V。例2：測得工作在放大電路中幾個晶體管三個極電位值V1、V2、

V3，判斷管子的類型、材料及三個極。NPN型硅管，1、2、3依次為B、E、C

（2）V1=3V，V2=2.7V，V3=12V。（3）V1=6V，V2=11.3V，V3=12V。（4）V1=6V，V2=11.7V，V3=12V。NPN型鍺管，1、2、3依次為B、E、CPNP型硅管，1、2、3依次為C、B、EPNP型鍺管，1、2、3依次為C、B、E例3：測得電路中三極管各極對地的電位值如下表所示，判

斷各管的工作狀態(tài)及類型。管號VB（V）VC（V）VE（V）T1-0.3-50T22.732.32T31-60T1：UBE=-0.3V，VE＞VB＞VC，放大狀態(tài)，PNP型T2：UCE=0.3V，VE＜VC＜VB，飽和狀態(tài)，NPN型T3：UCE=-6V，VC＜VE＜VB，截止?fàn)顟B(tài)，PNP型晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是β倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，其電流放大系數(shù)是否也等于β？為了使發(fā)射區(qū)擴散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復(fù)合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分?jǐn)U散電子與基區(qū)空穴相復(fù)合形成基極電流，剩余大部分?jǐn)U散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流。為什么晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度??？而且還要做得很??？學(xué)習(xí)與討論1.6場效應(yīng)管

學(xué)習(xí)目的與要求：識記各種類型場效應(yīng)管的符號，結(jié)型管的轉(zhuǎn)移特性方程，場效應(yīng)管的特點。領(lǐng)會結(jié)型場效應(yīng)管、N溝道增強型MOS管、N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。掌握場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。

場效應(yīng)管（原簡稱FET，現(xiàn)為VF或VFE），它利用電場效應(yīng)來控制電流，因而得名場效應(yīng)管。根絕結(jié)構(gòu)的不同，場效應(yīng)管有兩種類型，一種為結(jié)型場效應(yīng)管（簡稱JFET），另一種為絕緣柵型場效應(yīng)管（簡稱IGFET，又稱MOS管）。它們都以半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，因為又稱為單極型晶體管。1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理(1)結(jié)型場效應(yīng)管的引出N型硅棒EI高濃度P型區(qū)++__硅棒中電子流通的途徑由于耗盡層的加寬而減小，即達(dá)到利用電壓所產(chǎn)生的電場來控制電流強弱的目的。(2)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號N型硅棒高濃度P型區(qū)(P+)電極從P+區(qū)引出電極形成柵極G從N區(qū)一端引出電極形成源極S從N區(qū)另一端引出電極形成漏極DDGS導(dǎo)電溝道N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)符號DGSP型硅棒高濃度N型區(qū)(N+)電極從N+區(qū)引出電極形成柵極G從P區(qū)一端引出電極形成源極S從P區(qū)另一端引出電極形成漏極DDGS導(dǎo)電溝道P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)符號DGSN型硅棒DGS(3)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理研究場效應(yīng)管的工作原理，主要是討論輸入信號電壓如何對輸出電流進(jìn)行控制，即討論柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。ED珊源電壓UGS=0漏源電壓UDS=ED為某一數(shù)值令ED為0UGS=0，ED=0：導(dǎo)電溝道較寬，溝道電阻較小。UGS=0，ED≠0：在UDS作用下，N區(qū)中的電子由源極經(jīng)導(dǎo)電溝道向漏極運動，形成較大的漏極電流ID。令ED不為0IDN型硅棒DGSED珊源電壓UGS=-EGUGS=-EG，ED≠0

：耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻變大。漏極電流ID減小。EGEG增大N型硅棒DGSED珊源電壓UGS=-EG把導(dǎo)電溝道幾乎為0，溝道電阻趨于∞，漏極電流ID為0的情況，稱為溝道的“夾斷”，相應(yīng)的柵源負(fù)電壓稱為夾斷電壓，記為UGS(off)。EGEG增大N型硅棒DGSED珊源電壓UGS=-EGEG總結(jié)：

改變柵源負(fù)電壓的大小，改變了導(dǎo)電溝道的寬度，從而可有效地改變溝道電阻，如果加了漏源電壓ED為某一固定值，則漏極電流ID會隨UGS負(fù)電壓的改變而改變。即：在UDS不變的情況下，柵源之間很小的電壓變化可以引起漏極電流ID的相應(yīng)變化。這種效應(yīng)，稱之為場效應(yīng)。場效應(yīng)管屬于電壓控制元件。2.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線、主要參數(shù)及轉(zhuǎn)移特性方程(1)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線①輸出特性

場效應(yīng)管的輸出特性，又稱場效應(yīng)管的漏極特性，是指在柵源電壓UGS一定的情況下，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間的關(guān)系。珊源電壓UGS=0UGS=0UDS/VID

/mA0N型硅棒DGSEDEGEG增大-1V-2V-3V-4VUGS=0UDS/VID

/mA0-1V-2V-3V-4V輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)ID隨UDS的增加幾乎線性上升。在UDS相同時，等效電阻隨UGS的改變而變化，即工作在該區(qū)的場效應(yīng)管可看成是一個受UGS控制的可變電阻。UGS越負(fù)，等效電阻越大，ID越小。飽和區(qū)ID不隨UDS的變化而變化，它基本上為只受UGS控制的某一恒定值，該區(qū)域又稱恒流區(qū)。擊穿區(qū)UDS過大，使加在柵漏間的PN結(jié)上的電壓超過其所能承受的極限電壓，從而發(fā)生雪崩擊穿，造成ID迅速上升。飽和漏電流IDSSUDS=|UGS(off)|可變電阻區(qū)N型硅棒DGSED珊源電壓UGS=0漏源電壓UDS=0UGS和UDS均為0：漏極電流ID=0漏源電壓UDS≠0，且逐漸增大UDS逐漸增大：①一方面使ID增加；②另一方面，UDS會在由源極到漏極組成的半導(dǎo)體區(qū)域中產(chǎn)生一個逐漸上升的電位梯度，致使導(dǎo)電溝道變形呈楔形。即產(chǎn)生了阻礙ID增大的因素。

UDS較小時，它所產(chǎn)生的阻礙是次要的，ID隨UDS的升高幾乎成正比增大。EG

UGS越負(fù)時，溝道電阻越大，即工作在該區(qū)的場效應(yīng)管可看成是一個受UGS控制的可變電阻，因而該區(qū)域被稱為可變電阻區(qū)。飽和區(qū)N型硅棒DGSED珊源電壓UGS=0

UGS越負(fù)，ID越小，ID基本上為只受UGS控制的某一恒定值，該區(qū)域又稱恒流區(qū)。A預(yù)夾斷后，UDS繼續(xù)增大，夾斷長度會增加，但I(xiàn)D基本上不隨UDS的增加而增加，ID趨于飽和，稱該區(qū)域為飽和區(qū)。EG當(dāng)UDS增大到使UGD=夾斷電壓UGS(off)時，兩邊的耗盡層在A點靠攏，使導(dǎo)電溝道被夾斷，稱為“預(yù)夾斷”。UDS繼續(xù)增大擊穿區(qū)N型硅棒DGSED珊源電壓UGS=0A

UDS繼續(xù)增大，使反向偏置的PN結(jié)兩端的電壓超過了它所能承受的電壓極限時，會柵漏間的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，致使ID迅速上升。UDS繼續(xù)增大②轉(zhuǎn)移特性與轉(zhuǎn)移特性方程

場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性，是指在漏源電壓UDS一定時，柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。ID

/mA0-1V-2V-3V-4VUGS/VIDSSUGS(off)飽和漏電流，是結(jié)型場效應(yīng)管所能輸出的最大電流。夾斷電壓通過輸出特性曲線用作圖法得到轉(zhuǎn)移特性曲線:UDS=10VUGS/VID

/mA0-1V-2V-3V-4VIDSSUDS/VUGS=00-1V-2V-3V-4V可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)IDSS

UDS=|UGS(off)|ID

/mA輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性方程：

實驗表明，對N溝道結(jié)型場效應(yīng)管，在UGS(off)≤UGS≤0范圍內(nèi)，即在飽和區(qū)內(nèi)，ID隨UGS的增加是近似按平方規(guī)律上升的，即：

該式反映了電壓UGS對電流ID的控制作用，稱為轉(zhuǎn)移特性方程。(2)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù)①

直流參數(shù)夾斷電壓UGS(off)：使柵源之間耗盡層擴展到溝道被夾斷時所必須的柵源電壓值。飽和漏電流IDSS：在UGS=0的情況下，漏源電壓UDS>|UGS(off)|

時的漏極電流。直流輸入電阻RGS(DC)：在漏源兩極短路即UDS=0時，柵源電壓UGS（一般取|UGS|=10V）與柵極電流的比值。②

交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)gm：在UDS=常數(shù)時，漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓UGS的微變量之比，稱為跨導(dǎo)。用公式表示為:交流輸出電阻rds：輸出特性曲線上某一點斜率的倒數(shù)，定義為：③

極限參數(shù)漏源擊穿電壓U(BR)DS：漏極附近發(fā)生雪崩擊穿、ID開始急劇上升時的UDS值。柵源擊穿電壓U(BR)GS：柵極與溝道間的PN結(jié)的反向擊穿電壓。最大耗散功率PDM：PDM=UDSID3.增強型MOS管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)(1)增強型MOS管的引出——半導(dǎo)體的表面效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體表面有垂直方向的電場作用時，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力發(fā)生改變的現(xiàn)象。P型半導(dǎo)體絕緣層金屬板E電場方向EE耗盡層反型層外加電壓越大，反型層越厚。絕緣柵型場效應(yīng)管可由金屬、氧化物和半導(dǎo)體材料構(gòu)成，稱為金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOSFET，或MOS管。NMOS管絕緣柵型場效管增強型（E型）耗盡型（D型）PMOS管增強型（E型）耗盡型（D型）

(2)N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管①結(jié)構(gòu)與符號N+N+以P型硅為襯底BDGS二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層兩端擴散出兩個高濃度的N區(qū)N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié)由襯底引出電極B由高濃度的N區(qū)引出的源極S由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D由二氧化硅層表面直接引出柵極G雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高。N+N+以P型硅為襯底BDGS大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起鋁電極、金屬（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半導(dǎo)體（Semiconductor)故單極型三極管又稱為MOS管不同類型MOS管的電路圖符號DSGB襯底N溝道增強型圖符號DSGB襯底P溝道增強型圖符號DSGB襯底N溝道耗盡型圖符號DSGB襯底P溝道耗盡型圖符號幻燈片144由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道，即P指向N。虛線表示增強型實線表示耗盡型MOS管電路的連接形式N+N+P型硅襯底BDGS+－UDS+－UGS漏極與源極間電源UDS柵極與源極間電源UGS

如果襯底在出廠前未連接到源