模擬電子技術(shù)第1章半導(dǎo)體器件

第一章半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場(chǎng)效應(yīng)管第一部分半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)PN結(jié)的構(gòu)成及特性半導(dǎo)體二極管二極管根本電路及其分析方法特殊二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)什么叫半導(dǎo)體？通常稱電阻率在10-3～109Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)為半導(dǎo)體，其導(dǎo)電才干介于導(dǎo)體和絕緣體之間、常用的半導(dǎo)體資料是硅〔Si〕和鍺〔Ge〕。半導(dǎo)體的特性光敏性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干隨光照的變化有顯著改動(dòng)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(dǎo)體的導(dǎo)電才干隨溫度提高迅速添加純真的鍺從20℃升高到30℃時(shí)，它的電阻率幾乎減小為原來的1/2雜敏性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干因摻入適量雜質(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(huì)下降到原來的幾萬分之一利用半導(dǎo)體的特性，可以制造出各種不同性能和用途的半導(dǎo)體器件！半導(dǎo)體的根本知識(shí)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵構(gòu)造在電子器件中運(yùn)用最多的半導(dǎo)體資料是硅和鍺，它們的簡(jiǎn)化原子模型如圖1-1所示。由于硅和鍺都是四價(jià)元素，因此最外層原子軌道上具有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子。半導(dǎo)體與金屬和絕緣體一樣，均具有晶體構(gòu)造，它們的原子構(gòu)成有序的陳列，臨近原子之間由共價(jià)鍵銜接，如圖1-2所示。圖1-1硅和鍺的原子構(gòu)造簡(jiǎn)化模型圖1-2硅和鍺的二維晶格構(gòu)造圖，正離子核經(jīng)過共價(jià)鍵與臨近的核相銜接半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種完全純真的、構(gòu)造完好的半導(dǎo)體晶體。在絕對(duì)零度〔－273℃〕時(shí)，價(jià)電子不能脫離共價(jià)鍵的束縛，所以在半導(dǎo)體中沒有自在電子，半導(dǎo)體呈現(xiàn)不能導(dǎo)電的絕緣體特性。當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下，價(jià)電子會(huì)獲得足夠的隨機(jī)熱振動(dòng)能量而掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自在電子，如圖1-3所示，這種景象稱為本征激發(fā)。圖1-3由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被突破而產(chǎn)生空穴—電子對(duì)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)本征半導(dǎo)體當(dāng)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為電子后，共價(jià)鍵中就留下了一個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特點(diǎn)。在外加電場(chǎng)作用下，臨近的價(jià)電子就可以填補(bǔ)到這個(gè)空位上，而在這個(gè)電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)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電子與空穴的挪動(dòng)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中空穴或束縛電子挪動(dòng)產(chǎn)生電流的根本緣由是由于共價(jià)鍵中出現(xiàn)空穴引起的?？梢园芽昭闯墒且粋€(gè)帶正電的粒子，它所帶的電量與電子相等，符號(hào)相反，在外加電場(chǎng)作用下，可以自在地在晶體中運(yùn)動(dòng)，從而和自在電子一樣可以參與導(dǎo)電，因此空穴也是一種載流子。載流子：晶體中傳導(dǎo)電流的粒子。金屬中的載流子是電子，半導(dǎo)體的載流子是電子和空穴。在本征半導(dǎo)體內(nèi)，自在電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體又可以分為P型半導(dǎo)體〔空穴型半導(dǎo)體〕和N型半導(dǎo)體〔電子型半導(dǎo)體〕兩大類。

(1)P型半導(dǎo)體(2)N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)P型半導(dǎo)體〔空穴型半導(dǎo)體〕

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，硼原子只需三個(gè)價(jià)電子，它與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，因短少一個(gè)電子，在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空位,當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子遭到熱振動(dòng)或在其他激發(fā)條件下獲得能量時(shí)，就有能夠填補(bǔ)這個(gè)空位，使硼原子成為不能挪動(dòng)的負(fù)離子，而原來硅原子的共價(jià)鍵那么因短少一個(gè)電子，構(gòu)成空穴，半導(dǎo)體呈中性，如圖1-5所示。圖1-5P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵構(gòu)造半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體(2)N型半導(dǎo)體〔電子型半導(dǎo)體〕

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、砷、鏑等，因五價(jià)雜質(zhì)原子中只需四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子構(gòu)成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易構(gòu)成自在電子，如圖1-6所示。自在電子參與傳導(dǎo)電流，但它挪動(dòng)后，原來的雜質(zhì)原子位置上將留下一個(gè)固定的、不能挪動(dòng)的正離子，致使半導(dǎo)體依然堅(jiān)持中性。圖1-6N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵構(gòu)造半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的根本知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體雜質(zhì)原子多數(shù)載流子少數(shù)載流子+3價(jià)元素〔硼、鎵、銦等〕俘獲電荷，稱為受主雜質(zhì)+5價(jià)元素〔磷、砷、鏑等〕提供電子，稱為施主雜質(zhì)空穴，主要由摻雜構(gòu)成電子，由熱激發(fā)構(gòu)成電子，主要由雜質(zhì)原子提供空穴，由熱激發(fā)構(gòu)成半導(dǎo)體中正負(fù)電荷數(shù)是相等的，因此堅(jiān)持電中性半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性圖1-7PN結(jié)的構(gòu)成過程空穴電子(a)分散運(yùn)動(dòng)(b)漂移運(yùn)動(dòng)載流子從濃度高的地方向濃度低的地方分散分散運(yùn)動(dòng)P區(qū)N區(qū)留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子留下帶正電的雜質(zhì)離子構(gòu)成很薄的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)構(gòu)成由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)，妨礙分散運(yùn)動(dòng)PN結(jié)的構(gòu)成

半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性圖1-7PN結(jié)的構(gòu)成過程空穴電子(a)分散運(yùn)動(dòng)(b)漂移運(yùn)動(dòng)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下發(fā)生的運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)P區(qū)N區(qū)使空間電荷變少，內(nèi)電場(chǎng)減小，又使分散運(yùn)動(dòng)容易進(jìn)展漂移運(yùn)動(dòng)和分散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，便處于動(dòng)態(tài)平衡形狀PN結(jié)的構(gòu)成

半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)的單導(dǎo)游電性

(1)外加正向電壓將PN結(jié)的P區(qū)接較高電位，N區(qū)接較低電位，稱為給PN結(jié)加正向偏置電壓，簡(jiǎn)稱正偏，如圖1-8所示。圖1-8PN結(jié)外加正偏電壓外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，分散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)幾乎減弱為零。正向電流IF為了防止較大的IF將PN結(jié)燒壞，應(yīng)串接限流電阻R。當(dāng)E添加到一定值后，分散電流隨正偏電壓的提高呈指數(shù)規(guī)律上升正向偏置時(shí)PN結(jié)的電阻很小，稱之為正偏導(dǎo)通形狀。內(nèi)電場(chǎng)半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)的單導(dǎo)游電性

(2)外加反向電壓將PN結(jié)的P區(qū)接較低電位，N區(qū)接較高電位，稱為給PN結(jié)加反向偏置電壓，簡(jiǎn)稱反偏，如圖1-9所示。圖1-9PN結(jié)外加反偏電壓外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向一樣，分散運(yùn)動(dòng)幾乎減弱為零，漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。反向電流IR內(nèi)電場(chǎng)在一定溫度下，反向電流IR就是反向飽和電流IS。反向飽和電流IS與溫度親密相關(guān)。反向偏置時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)出一個(gè)很大的電阻，根本不導(dǎo)電。半導(dǎo)體二極管為什么？PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)的單導(dǎo)游電性

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向分散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單導(dǎo)游電性。半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)反向擊穿

在丈量PN結(jié)的V—I特性時(shí)，假設(shè)加到PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流忽然添加，這個(gè)景象就稱為PN結(jié)的反向擊穿〔電擊穿〕。發(fā)生擊穿所需的反向電壓VBR稱為反向擊穿電壓。雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠高時(shí)，PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)較強(qiáng)，使參與漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，又被加速，而構(gòu)成連鎖反響，使載流子劇增，反向電流驟增。半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)反向擊穿

齊納擊穿：對(duì)摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只需參與不大的反向電壓，耗盡層可獲得很大的場(chǎng)強(qiáng)，足以將價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對(duì)，使反向電流驟增。電擊穿的過程是可逆的。但它有一個(gè)前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超越PN結(jié)允許的耗散功率，超越了就會(huì)由于熱量散不出去而使PN結(jié)溫度上升，直到過熱而燒毀，這種景象就是熱擊穿。熱擊穿是不可逆的。半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)的V—I特性

IS：反向飽和電流e：自然對(duì)數(shù)底VT：溫度的電壓當(dāng)量在常溫(300K)下，VT26mV二極管加反向電壓，即V<0，且|V|>>VT，那么I-IS。二極管加正向電壓，即V>0，且V>>VT，那么，闡明電流I與電壓V根本上成指數(shù)關(guān)系。PN結(jié)的V—I特性可表達(dá)為半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的構(gòu)造

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按構(gòu)造分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。圖1-10半導(dǎo)體二極管的典型構(gòu)造點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管集成電路中常用的一種方式。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管二極管的V—I特性

圖1-11二極管V—I特性曲線(1)正向特性〔外加正偏電壓〕當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)外電場(chǎng)還缺乏以抑制PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，正向分散電流仍幾乎為零。正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓〔Ge:約0.1V，Si:約0.5V〕。當(dāng)V>Vth時(shí)外加電場(chǎng)足以抑制內(nèi)電場(chǎng)，分散運(yùn)動(dòng)迅速添加，開場(chǎng)產(chǎn)生正向電流，并按指數(shù)規(guī)律添加。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管二極管的V—I特性

圖1-11二極管V—I特性曲線(2)反向特性〔外加反偏電壓〕當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)反向電流很小，且根本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流。當(dāng)V>Vth時(shí)反向電流急劇增大，這種景象稱為反向擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)的電壓稱作擊穿電壓VBR。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管二極管的參數(shù)

(1)最大整流電流IFM二極管允許經(jīng)過的最大正向平均電流。(2)反向擊穿電壓VBR指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。普通手冊(cè)上給出的最高反向任務(wù)電壓VRM為擊穿電壓的一半。(3)最大反向電流IRM指二極管加最大反向任務(wù)電壓時(shí)的反向電流，其值越小，管子的單導(dǎo)游電性越好。

(4)最高任務(wù)頻率fMfM反映了PN結(jié)電容的影響。當(dāng)任務(wù)電壓超越fM后，二極管的單導(dǎo)游電性變壞。半導(dǎo)體二極管二極管根本電路及其分析方法二極管正向V—I特性的建模

(1)理想模型：相當(dāng)于一個(gè)理想開關(guān)，正偏時(shí)二極管導(dǎo)通管壓降為0V，反偏時(shí)電阻無窮大，電流為零。vDiD0D圖1-12理想模型(a)V—I特性(b)代表符號(hào)vDiD+-半導(dǎo)體二極管二極管根本電路及其分析方法二極管正向V—I特性的建模

(2)恒壓降模型：二極管導(dǎo)通后，其管壓降以為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V。該模型提供了合理的近似，用途廣泛。留意：二極管電流近似等于或大于1mA正確。vDiD0D圖1-13恒壓降模型(a)V—I特性(b)代表符號(hào)vDiD+-半導(dǎo)體二極管二極管根本電路及其分析方法二極管正向V—I特性的建模

〔3〕折線模型：以為二極管的管壓降不是恒定的，模型中用一個(gè)電池和電阻rD來作進(jìn)一步的近似，電池電壓選定為二極管的門坎電壓Vth，約為0.5V，rD的值為(管壓降-Vth)/二極管的導(dǎo)通電流。vDiD0D圖1-14折線模型(a)V—I特性(b)代表符號(hào)vDiD+-VthrD半導(dǎo)體二極管二極管根本電路及其分析方法二極管正向V—I特性的建模

〔4〕小信號(hào)模型：假設(shè)二極管在它的V-I特性的某一小范圍內(nèi)任務(wù)，例如Q點(diǎn)〔此時(shí)有vD=VD、iD=ID〕附近任務(wù)，那么可把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號(hào)模型的微變電阻rd。vD0圖1-15小信號(hào)模型(a)V—I特性(b)代表符號(hào)iDvDiDiD+-vDrd半導(dǎo)體二極管VDIDQ特殊二極管穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管

穩(wěn)壓管任務(wù)于反向擊穿區(qū)(a)穩(wěn)壓管符號(hào)(b)穩(wěn)壓管伏安特性+I/mAU/VO+正向+反向UI圖1-16穩(wěn)壓管的伏安特性和符號(hào)半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：1.穩(wěn)定電壓VZ穩(wěn)壓管被反向擊穿后，在規(guī)定電流值時(shí)，管子兩端的反向擊穿電壓。4.動(dòng)態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管處于反向擊穿時(shí)，管子兩端電壓變化量與電流變化量的比值。3.穩(wěn)定電流IZ測(cè)定VZ時(shí)所規(guī)定的參考穩(wěn)定電流值。特殊二極管穩(wěn)壓管

5.溫度系數(shù)V反映穩(wěn)定電壓VZ受溫度影響大小的參數(shù)半導(dǎo)體二極管rZ大好還是小好?2.額定功率PZM由最高允許結(jié)溫所限定的功率參數(shù)。半導(dǎo)體二極管1.假設(shè)輸入電壓為正弦信號(hào)，請(qǐng)畫出以下電路的輸出電壓波形思索題2.當(dāng)vi1和vi2的值為0V或5V時(shí),求vi1和vi2的值不同組合情況下，輸出電壓vo的值。設(shè)二極管是理想的。理想模型恒壓模型5V6sinωtD1D2D1、D2為硅管3.二極管電路如下圖，試判別圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出AO兩端電壓VAO。設(shè)二極管是理想的。(a)(b)(c)(d)4.穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓VZ=8V，限流電阻R=3kΩ，設(shè)vi=15sinωtV，試畫出vO的波形。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管內(nèi)容回想半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體兩種載流子電子和空穴摻入5價(jià)元素施主雜質(zhì)失去電子后留下帶正電的離子摻入3價(jià)元素受主雜質(zhì)得到電子后留下帶負(fù)電的離子多子：空穴少子：電子多子：電子少子：空穴半導(dǎo)體二極管N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)1.分散運(yùn)動(dòng)多子的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，妨礙分散運(yùn)動(dòng)。2.漂移運(yùn)動(dòng)少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，減弱內(nèi)電場(chǎng)，使分散運(yùn)動(dòng)容易進(jìn)展無外加電場(chǎng)時(shí)分散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)處于平衡形狀外加正向偏壓〔PN〕時(shí)PN結(jié)正導(dǎo)游通，由分散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生正向電流IF外加反向偏壓〔PN〕時(shí)PN結(jié)反向截止，由漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反向飽和電流ISI-IS反向偏壓繼續(xù)添加電擊穿〔可逆〕，熱擊穿〔不可逆〕半導(dǎo)體二極管N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體二極管死區(qū)電壓反向擊穿電壓半導(dǎo)體二極管vDiD0vDiD0vDiD0vD0iDvDiDVDIDQ理想模型恒壓降模型折線模型小信號(hào)模型特殊二極管

穩(wěn)壓管任務(wù)于反向擊穿區(qū)I/mAU/VO+正向+反向UI半導(dǎo)體二極管動(dòng)態(tài)電阻rZ小的管子穩(wěn)壓性能較好第二部分半導(dǎo)體三極管BJT的構(gòu)造簡(jiǎn)介BJT的電流分配與放大作用BJT的特性曲線半導(dǎo)體三極管BJT的構(gòu)造簡(jiǎn)介半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管(BipolarJunctionTra-nsistor:BJT)是指經(jīng)過一定的工藝，將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一同的器件。圖1-17半導(dǎo)體三極管器件PPNNNPNPN型BJT(2)PNP型BJT半導(dǎo)體三極管圖1-18NPN型BJT的構(gòu)造表示圖發(fā)射區(qū)比集電區(qū)的摻雜濃度高集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)大發(fā)射極基極集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏搜集電子發(fā)射結(jié)集電結(jié)EBCBJT的構(gòu)造簡(jiǎn)介發(fā)射電子半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用管內(nèi)載流子的傳輸半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用發(fā)射極基極集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射電子搜集電子管內(nèi)載流子的傳輸發(fā)射結(jié)集電結(jié)(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子電子不斷經(jīng)過發(fā)射結(jié)分散到基區(qū)，構(gòu)成發(fā)射級(jí)電流IE。另外，基區(qū)的空穴也分散到發(fā)射區(qū)，但由于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)高于基區(qū)，這部分空穴流與電子流相比可忽略不計(jì)。VEEVCCIE半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用發(fā)射極基極集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射電子搜集電子管內(nèi)載流子的傳輸發(fā)射結(jié)集電結(jié)(2)電子在基區(qū)中的分散與復(fù)合由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后，就在基區(qū)接近發(fā)射結(jié)的邊境積累起來，在基區(qū)中構(gòu)成一定的濃度梯度。因此，電子就要向集電結(jié)方向分散，在分散過程中又會(huì)與基區(qū)中的空穴復(fù)合。VEEVCCIE半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用發(fā)射極基極集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射電子搜集電子管內(nèi)載流子的傳輸發(fā)射結(jié)集電結(jié)(2)電子在基區(qū)中的分散與復(fù)合同時(shí)，VEE的正端不斷從基區(qū)拉走電子。電子復(fù)合的數(shù)目與電源從基區(qū)拉走的電子數(shù)目相等，使基區(qū)的空穴濃度堅(jiān)持不變。這樣就構(gòu)成了基極電流IB，所以基極電流就是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合的電流。VEEVCCIEIB半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用發(fā)射極基極集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射電子搜集電子管內(nèi)載流子的傳輸發(fā)射結(jié)集電結(jié)(2)電子在基區(qū)中的分散與復(fù)合也就是說，注入基區(qū)的電子有一部分未到達(dá)集電結(jié)，如復(fù)合越多，那么到達(dá)集電結(jié)的電子越少，對(duì)放大是不利的。所以為了減小復(fù)合，通常把基區(qū)做的很薄〔微米量級(jí)〕，并使基區(qū)的摻雜濃度很低，使大部分電子都能到達(dá)集電極。VEEVCCIEIB半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用發(fā)射極基極集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射電子搜集電子管內(nèi)載流子的傳輸發(fā)射結(jié)集電結(jié)(3)集電極搜集分散過來的電子由于集電結(jié)反偏，集電結(jié)的勢(shì)壘很高，集電區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難經(jīng)過集電結(jié)。但是這個(gè)勢(shì)壘對(duì)基區(qū)分散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強(qiáng)的吸引力，可使電子很快地漂移過集電結(jié)為集電區(qū)所搜集，構(gòu)成集電極電流IC。VEEVCCIEIBIC發(fā)射電子思索：PNP型BJT應(yīng)該如何銜接？半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用NPN型VC>VB>VEVC<VB<VEIE的方向由管內(nèi)流向管外IE的方向由管外流進(jìn)管內(nèi)|VB-VE|的值較小，普通硅管取0.5~0.7V，鍺管取0.2~0.3V發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏PNP型半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用電流分配關(guān)系(2)根據(jù)KCL，iE=iC+iB，因此，基極電流可表示為(1)集電結(jié)搜集的電子流是發(fā)射結(jié)發(fā)射的總電子流的一部分，常用系數(shù)表示，有(3)由此可導(dǎo)出集電極與基極電流的關(guān)系為其中，和為兩種放大系數(shù)，它們之間存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系<1>1半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用電流分配關(guān)系當(dāng)BE之間的正向電壓加大時(shí)，將會(huì)有更多的電子從射區(qū)分散到基區(qū)〔iE增大〕，同時(shí)到達(dá)集電極的電子也會(huì)添加〔iC增大〕，基區(qū)內(nèi)復(fù)合的電子數(shù)也會(huì)添加〔iB增大〕。iE、iC和iB三者之間的比例根本不變。故對(duì)于一只特定的三極管，和的值可以近似地看為不變的常數(shù)。常用的三極管，值在數(shù)十到數(shù)百之間。半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用放大作用圖1-19簡(jiǎn)單的放大電路BJT最根本的一種運(yùn)用，是把微弱的電信號(hào)加以放大。一簡(jiǎn)單的放大電路如圖2-3所示。PN結(jié)的正向電壓對(duì)電流的控制造用很靈敏，因此ΔvI的微小變化就可以引起IE很大的變化。IC=αIE，假設(shè)α=0.98，ΔIC=0.98mAΔIC經(jīng)過集電極的負(fù)載電阻RL產(chǎn)生一個(gè)變化電壓ΔvO,假設(shè)RL取1kΩ，那么ΔvO=ΔIC×RL=0.98V。ΔvO隨時(shí)間的變化規(guī)律與ΔvI一樣，但幅度卻大了許多倍。所增大的倍數(shù)稱為電壓增益，即半導(dǎo)體三極管BJT的特性曲線BJT的特性曲線是指各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是BJT內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。工程上最常用到的是它的輸入特性曲線和輸出特性曲線。圖1-20共射極放大電路以發(fā)射極作為共同端，以基極作為輸入端，集電極作為輸出端。輸入特性：指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓vCE為某一常數(shù)時(shí)，輸入回路加在BJT基極與發(fā)射極之間的電壓vBE與基極電流iB之間的關(guān)系曲線。iB=f(vBE)|vCE=常數(shù)輸出特性：指在基極電流iB一定的情況下，BJT的輸出回路中，集電極與發(fā)射極之間的電壓vCE與集電極電流iC之間的關(guān)系曲線。iC=f(vCE)|iB=常數(shù)半導(dǎo)體三極管BJT的特性曲線圖1-21NPN型硅BJT共射極接法的輸入特性曲線(1)輸入特性vCE=1V的輸入特性較vCE=0V的特性向右挪動(dòng)了一段間隔，這是由于當(dāng)vCE=1V時(shí)，集電結(jié)吸引電子的才干加強(qiáng)，使得從發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的電子更多地流向集電區(qū)，因此對(duì)應(yīng)于一樣的vBE，流向基極的電流iB比原來vCE=0時(shí)減小了。當(dāng)vCE>1V以后，只需vBE堅(jiān)持不變，那么從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子一定，而集電結(jié)所加的反向電壓大到1V以后已能把這些電子中的絕大部分拉到集電結(jié)來，以致vCE再添加，iB也不再明顯減小，故vCE≥1V后的輸入特性根本重合。半導(dǎo)體三極管BJT的特性曲線(2)輸出特性輸出特性的起始部分很陡。這是由于在vCE很小時(shí)，集電結(jié)的反向電壓很小，對(duì)到達(dá)基區(qū)的電子吸引力不夠，這時(shí)vCE稍有添加，從基區(qū)到集電區(qū)的電子也添加，故iC隨之增大。當(dāng)vCE超越某一數(shù)值后〔約1V〕，特性曲線變得平坦。這是由于這時(shí)集電結(jié)的電場(chǎng)曾經(jīng)足夠強(qiáng)，能使發(fā)射區(qū)分散到基區(qū)的電子絕大部分都到達(dá)集電區(qū)。由于iC=βiB，在vCE大于約1V后，輸出特性是一組間隔根本均勻，比較平坦的平行直線。圖1-22NPN型硅BJT共射極接法的輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)iB=0半導(dǎo)體三極管BJT的特性曲線(2)輸出特性由于vCE=vCB+vBE，當(dāng)vCE添加時(shí)，由于vBE變化較少〔例如硅管的vBE≈0.7V〕，因此vCB〔集電結(jié)反向偏壓〕隨之添加。vCB的添加使集電結(jié)的空間電荷區(qū)的寬度添加，致使基區(qū)有效寬度減小，這樣在基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合時(shí)機(jī)減少，使電流放大系數(shù)β增大，在iB不變的情況下，iC將隨vCE增大，特性曲線向上傾斜，這種景象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。圖1-23NPN型硅BJT共射極接法的輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)半導(dǎo)體三極管思索題1.測(cè)得某放大電路中BJT的三個(gè)電極A、B、C的對(duì)地電位分別為VA=-9V,VB=-6V，VC=-6.2V，試分析A、B、C中哪個(gè)是基極b，發(fā)射極e、集電極c，并闡明此BJT是NPN管還是PNP管。2.某放大電路中BJT三個(gè)電極A、B、C的電流如下圖，用萬用表直流電流檔測(cè)得IA=-2mA,IB=-0.04mA，IC=2.04mA，試分析A、B、C中哪個(gè)是基極b，發(fā)射極e、集電極c，并闡明此BJT是NPN管還是PNP管。半導(dǎo)體三極管內(nèi)容回想PNPNPN三個(gè)極、三個(gè)區(qū)和兩個(gè)結(jié)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏發(fā)射區(qū)發(fā)射電子，構(gòu)成iE；電子在基區(qū)中的分散與復(fù)合，那么構(gòu)成iB；集電區(qū)搜集電子，構(gòu)成iC。iE=iB+iC；iC=αiE;iC=βiB<1(接近1)>>1電流分配關(guān)系VC>VB>VEVC<VB<VE第三部分場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。這種器件不僅兼有體積小、分量輕、壽命長(zhǎng)和省電的特點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射才干強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的運(yùn)用。根據(jù)構(gòu)造不同，場(chǎng)效應(yīng)管可以分為兩大類。(1)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)(2)金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)展任務(wù)，也稱為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件利用半導(dǎo)體外表的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)展任務(wù)，也稱為外表場(chǎng)效應(yīng)器件場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)展任務(wù)，也稱為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。圖1-23實(shí)踐N溝道JFET的構(gòu)造剖面圖JFET的構(gòu)造在一塊N型半導(dǎo)體資料兩邊分散出高濃度的P型區(qū)，構(gòu)成兩個(gè)PN結(jié).兩邊P+型區(qū)引出兩個(gè)歐姆接觸電極并連在一同稱為柵極g，在N型本體資料的兩端各引出一個(gè)歐姆接觸電極,分別稱為源極s和漏極d。它們分別相當(dāng)于BJT的基極b、射極e和集電極c。兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道。這種構(gòu)呵斥為N溝道型JFET。圖1-24JEFT的代表符號(hào)N溝道P溝道場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)展任務(wù)，也稱為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。任務(wù)原理圖1-25N溝道JFET的構(gòu)造表示圖vDS>0vGS<0N溝道JFET任務(wù)時(shí)，在柵極與源極間需加一負(fù)電壓，使柵極、溝道間的PN結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻。在漏極與源極間加一正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子〔電子〕在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成電流iD。iD場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管任務(wù)原理(1)vGS對(duì)iD的控制造用圖1-26vDS=0時(shí)，柵源電壓vGS改動(dòng)對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)vGS=0(b)VP<vGS<0(c)vGS≤VP在反偏電壓vGS作用下，兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。隨著vGS幅值的加大，最終導(dǎo)致兩側(cè)的耗盡層將在中間合攏，溝道全部被夾斷，此時(shí)漏源極間的電阻趨于無窮大，相應(yīng)的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管圖1-27vGS=0時(shí)，漏源電壓vDS改動(dòng)對(duì)導(dǎo)電溝道的影響任務(wù)原理(2)vDS對(duì)iD的控制造用(a)vDS=0(b)vDS<|VP|(b)vDS=|VP|(d)vDS>|VP|(b)隨著vDS逐漸添加，一方面溝道電場(chǎng)強(qiáng)度加大，有利于漏極電流iD添加；另一方面，有了vDS，就在由源極經(jīng)溝道到漏極的N型半導(dǎo)體區(qū)域中，產(chǎn)生了一個(gè)沿溝道的電位梯度。離源極越遠(yuǎn)，柵極與溝道之間的電位差越大，加到該處PN結(jié)的反向電壓也場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管圖1-27vGS=0時(shí)，漏源電壓vDS改動(dòng)對(duì)導(dǎo)電溝道的影響任務(wù)原理(2)vDS對(duì)iD的控制造用(a)vDS=0(b)vDS<|VP|(b)vDS=|VP|(d)vDS>|VP|(b)越大，耗盡層也越向N型半導(dǎo)體中心擴(kuò)展，使接近漏極處的導(dǎo)電溝道比接近源極處要窄，導(dǎo)電溝道呈楔形。從這方面說，添加vDS，又產(chǎn)生了妨礙漏極電流iD提高的要素。但在vDS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道接近漏端區(qū)域仍較寬，妨礙要素是次要的。故iD迅速增大。場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管圖1-27vGS=0時(shí)，漏源電壓vDS改動(dòng)對(duì)導(dǎo)電溝道的影響任務(wù)原理(2)vDS對(duì)iD的控制造用(a)vDS=0(b)vDS<|VP|(b)vDS=|VP|(d)vDS>|VP|(c)繼續(xù)添加vDS，當(dāng)耗盡層在A點(diǎn)相遇時(shí)，稱為預(yù)夾斷。(d)溝道在A點(diǎn)預(yù)夾斷后，隨著vDS上升，夾斷長(zhǎng)度會(huì)略有添加。但由于夾斷處場(chǎng)強(qiáng)也增大，仍能將電子拉過夾斷區(qū)。在從源極到夾斷處的溝道上，溝道內(nèi)電場(chǎng)根本上不隨vDS改動(dòng)而變化。所以，iD飽和。場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線(1)輸出特性(vGS一定時(shí)，vDS對(duì)iD的影響)圖1-28N溝道JFET的輸出特性場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線(2)轉(zhuǎn)移特性(vDS一定時(shí)，vGS對(duì)iD的影響)圖1-29N溝道JFET的轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管思索題1.一個(gè)JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如下圖，試問(1)它是N溝道還是P溝道的FET?(2)它的夾斷電壓VP和飽和漏極電流IDSS各是多少？iD/mA-43vGS/V0場(chǎng)效應(yīng)管金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管