第1章常用半導(dǎo)體器件PrelectEdition講述

1、第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1. .1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1. .2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管及其基本電路及其基本電路1. .3 雙極型晶體管雙極型晶體管第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體器件，如晶體二極管、晶體三極管、MOS管以及集成電路等，是現(xiàn)在構(gòu)成電子電路的基本元器件。本章首先介紹半導(dǎo)體中的載流子和PN結(jié)，然后介紹半導(dǎo)體二極管、雙極型三極管等半導(dǎo)體器件的原理、特性及主要參數(shù)，并分析討論由這些器件組成的幾種簡(jiǎn)單電路。講這些的目的是為了分析討論由這些器件組成的電路。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 第二

2、講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、三、PNPN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及單向?qū)щ娦运?、四、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)物體的導(dǎo)電性能取決于該物體內(nèi)是否存在可自由移動(dòng)的帶電粒子及其多寡（電流是由帶電粒子按一定方向移動(dòng)形成的）。在常態(tài)下許多金屬（如銀、銅、鋁等）中存在較多的能夠自由移動(dòng)的、帶負(fù)電的自由電子，是電的良導(dǎo)體；而稀有氣體（氦、氖、氬、氪、氙、氡）和金剛石等的最外層電子，或受原子核的束縛力很強(qiáng)，或受共價(jià)鍵的束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，是絕緣體。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的

3、物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料硅(Si)和鍺(Ge)均為IV A族元素，其原子結(jié)構(gòu)如圖1.1.1所示。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 圖1.1.1 Si和Ge的原子結(jié)構(gòu)示意圖(a) Si原子；(b) Ge原子；(c) 簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型 4慣性核價(jià)電子Ge32Si14原子核電子軌道價(jià)電子(a)(b)(c)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1.1.1 本征(Intrinsic)半導(dǎo)體將純凈的半導(dǎo)體制成單晶體，如將高純硅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)99.999 999 999%）拉制成單晶硅，即為本征半導(dǎo)體。晶體中的原子形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱(chēng)為晶格晶格。晶格中原子之間的距離非常近，每一個(gè)原子的

4、最外層的四個(gè)電子，不僅受到自身所屬原子核的吸引，圍繞自身所屬原子核運(yùn)動(dòng)，還受到相鄰原子核的吸引出現(xiàn)在相鄰原子最外層電子所屬軌道上，為相鄰的原子核共用，即與其相鄰的四個(gè)原子的最外層電子組成共價(jià)鍵共價(jià)鍵，成為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如 圖1.1.2所示。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 4共價(jià)鍵價(jià)電子44444444圖1.1.2 本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體材料還有化合物，如GaAs 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 晶體中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。在熱力學(xué)溫度零度（即攝氏-27

5、3.16度），價(jià)電子沒(méi)有能力脫離共價(jià)鍵的束縛，晶體中沒(méi)有能自由移動(dòng)的帶電粒子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。但是半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，在常溫下，有極少數(shù)的價(jià)電子因熱激發(fā)獲得足夠的能量脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位置，稱(chēng)為空穴空穴，如圖1.1.3所示。每個(gè)電子帶一個(gè)負(fù)電荷，晶格中的原子因失去一個(gè)電子帶正電，即每個(gè)空穴帶一個(gè)正電荷。半導(dǎo)體中有兩種載載流子，流子，電子和空穴。電子空穴對(duì)電子電流空穴電流載流子載流子第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 圖1.1.3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴4由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子44444444自由電子移走后留下的空穴第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常

6、用半導(dǎo)體器件 本征半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)。在電子空穴對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)，自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，兩者一起消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為復(fù)合復(fù)合。電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合都在不停的發(fā)生，在一定的溫度下，本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)與復(fù)合的電子空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。即在一定溫度下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度載流子濃度是一定的。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵束縛的自由電子增多，空穴也相應(yīng)增多；電子空穴對(duì)的增多也增加了電子空穴對(duì)復(fù)合的機(jī)會(huì)，最終在升高的載流子濃度下達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)電能力提高。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 同理，當(dāng)溫

7、度降低時(shí)，載流子的濃度降低，導(dǎo)電能力下降。因此，本征半導(dǎo)體的載流子濃度受溫度的影響，是溫度的函數(shù)。本征半導(dǎo)體載流子的濃度為 (1.1.1)式(1.1.1)表明，當(dāng)T=0K時(shí)，自由電子與空穴的濃度均為0，本征半導(dǎo)體成為絕緣體；當(dāng)溫度升高時(shí)，本征半導(dǎo)體載流子的濃度超線(xiàn)性升高。這就是半導(dǎo)體材料的熱敏性。它既是造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因，又可加以利用制作熱敏器件。另外，半導(dǎo)體載流子濃度還受輻射影響，可作為光敏材料。 )2(23kTEeTKpnGO1ii第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量合適的雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中的

8、載流子是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的，數(shù)量很少，因此其導(dǎo)電能力很弱。摻入雜質(zhì)元素，會(huì)使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化?？刂茡饺腚s質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。電子濃度高于空穴濃度的稱(chēng)為N(Negative)型半導(dǎo)體，空穴濃度高于電子濃度的稱(chēng)為P(Positive)型半導(dǎo)體。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 一、一、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在本征硅(或鍺)中摻入VA族元素（如磷P、砷As、銻Sb等），則晶格結(jié)構(gòu)中某些位置由雜質(zhì)原子占據(jù)。由于VA族元素原子的最外層有5個(gè)價(jià)電子，所以除了與四周硅原子形成共價(jià)鍵外，雜質(zhì)原子還多出一個(gè)電子。這個(gè)電子不受共價(jià)鍵的束縛，雜質(zhì)原子對(duì)這個(gè)價(jià)電子的束縛力也較弱，在常

9、溫下，由于熱激發(fā)，成為自由電子，而雜質(zhì)原子則缺失了一個(gè)電子，又因其在晶格上，成為不能移動(dòng)的正離子。但整個(gè)N型半導(dǎo)體是電中性的。如圖1.1.4所示。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 圖1.1.4N型半導(dǎo)體示意圖 4自由電子44454444施主原子第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 由于摻入晶體的雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱(chēng)之為施主原施主原子子。摻入的雜質(zhì)越多，自由電子的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。N型半導(dǎo)體中自由電子的濃度大于空穴的濃度，因此稱(chēng)自由電子為多數(shù)載流子多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)多子多子，空穴為少數(shù)載少數(shù)載流子流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子少子。 在N型半導(dǎo)體中，由于自由電子的濃度增加，于是增加了

10、電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)，因此在同一溫度下本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴的濃度降低。J.米爾曼證明了半導(dǎo)體中兩種載流子的濃度的乘積在同一溫度下是恒定值，與摻雜濃度無(wú)關(guān)，即 22iiiinpnpnp第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 因此，N型半導(dǎo)體中自由電子越多則空穴越少。例如，本征硅中硅原子的濃度為5.11022cm-3，摻入十億分之一(10-9)的施主元素，則施主原子的濃度為5.11013cm-3，常溫下(T=300K時(shí))每個(gè)施主原子提供一個(gè)自由電子，于是由摻入的雜質(zhì)提供的自由電子的濃度 cm-3。這個(gè)濃度遠(yuǎn)大于300K時(shí)本征硅激發(fā)產(chǎn)生的自由電子濃度1.431010 cm-3，所以自由電子的濃度n基

11、本上等于ND。于是空穴濃度為 cm-3。由此可見(jiàn)p遠(yuǎn)小于n，N型半導(dǎo)體中的電流基本上是自由電子的電流。此摻雜濃度的N型半導(dǎo)體的電阻率約為89.3cm，而本征硅300K時(shí)的電阻率約為2.14105cm。即微量的摻雜可大幅提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。13101 . 5DN61321022104)101 . 5/()1043. 1 (/DiiNnnnp第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 二、二、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征硅(或鍺)中摻入IIIA族元素（如硼B(yǎng)、鋁Al、銦In等），則形成P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。由于IIIA族元素原子的最外層有3個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它們與四周硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)“空

12、位”（空位為電中性）如圖1.1.5所示。這些空位形成受主能級(jí)，在室溫下受主能級(jí)非常接近價(jià)帶頂部能級(jí)，使得價(jià)帶中的價(jià)電子躍遷到受主能級(jí)，同時(shí)在價(jià)帶形成空穴，而雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子。因雜質(zhì)原子共價(jià)鍵中的空位吸收電子，故稱(chēng)之為受主原子受主原子。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 444434444空位受主原子圖15 P型半導(dǎo)體示意圖 硼（硼（B）3多數(shù)載流子多數(shù)載流子第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電流半導(dǎo)體中的電流在半導(dǎo)體中有兩種電流。 一、漂移電流一、漂移電流 在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱(chēng)為漂移電流。它類(lèi)似于金屬導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流。漂

13、移電流的大小將由半導(dǎo)體中載流子濃度、遷移速度及外加電場(chǎng)的強(qiáng)度等因素決定。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 2、擴(kuò)散電流、擴(kuò)散電流 在半導(dǎo)體中，因某種原因使載流子的濃度分布不均勻時(shí)，載流子會(huì)從濃度大的地方向濃度小的地方作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而形成擴(kuò)散電流。 半導(dǎo)體中某處的擴(kuò)散電流主要取決于該處載流子的濃度差(即濃度梯度)。濃度差越大，擴(kuò)散電流越大，而與該處的濃度值無(wú)關(guān)。反映在濃度分布曲線(xiàn)上，擴(kuò)散電流正比于濃度分布線(xiàn)上某點(diǎn)處的斜率。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高濃度遠(yuǎn)高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高子濃度遠(yuǎn)高于于P區(qū)。區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠

14、近接觸面擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。1.1.3 PN結(jié)結(jié)一、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 PN結(jié)的形成 因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。 參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形

15、成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。另一方面，內(nèi)電場(chǎng)使空穴從內(nèi)電場(chǎng)，而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。另一方面，內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。區(qū)運(yùn)動(dòng)。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 PN結(jié)結(jié) / 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) /阻擋層阻擋層 / 耗盡層耗盡層PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的電流為0，空間電荷區(qū)有一定的寬度，并有一定的電位差Uho。空間電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)電荷的電量相等，因此，當(dāng)P區(qū)與N區(qū)摻雜濃度相等時(shí)，負(fù)離子區(qū)的寬度與正離子區(qū)的寬度也相等，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)結(jié)對(duì)稱(chēng)結(jié)；當(dāng)兩邊摻雜濃度不相等時(shí)，摻雜濃度高的一側(cè)的離子區(qū)較摻雜濃度低的一

16、側(cè)的離子區(qū)窄，稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)結(jié)不對(duì)稱(chēng)結(jié)，如圖1.1.7所示，第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 NP耗盡區(qū)(a)PN耗盡區(qū)(b)圖1.1.7 不對(duì)稱(chēng)PN結(jié)+號(hào)表示摻雜濃度高。這兩種結(jié)在外部特性上沒(méi)有差別。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 PNPN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，成擴(kuò)散電流，PNPN結(jié)處于導(dǎo)通結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。PNPN結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移

17、電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。認(rèn)為其截止。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘诘?章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 二、二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦允筆區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱(chēng)PN結(jié)外加正向電壓或正向偏置(簡(jiǎn)稱(chēng)正偏) 。外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，使阻擋層的勢(shì)壘降低，或者說(shuō)，外電場(chǎng)將P區(qū)的多子空穴和N區(qū)的多子自由電子推向空間電荷區(qū)，使其變窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，打破了原來(lái)的平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。由于電源的作用，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不斷地進(jìn)行，形成正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)。由于PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)其上的壓降不到1V，所以在其回路中必須串接電阻以限制電流

18、，防止PN結(jié)因電流過(guò)大而燒毀。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 耗盡區(qū)內(nèi)電場(chǎng)UUBURE圖1.1.8 PN結(jié) 加正向電壓時(shí)導(dǎo)通第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱(chēng)PN結(jié)外加反向電壓或反向偏置(簡(jiǎn)稱(chēng)反偏)，如圖1.1.9示。此時(shí)外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，使空間電荷區(qū)變寬，進(jìn)一步阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但加劇了漂移運(yùn)動(dòng)，這也打破了原來(lái)的平衡，使得參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目多于參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目，形成反向電流，也稱(chēng)為漂移電流漂移電流。由于少子的濃度很低，即使所有少子都參與漂移運(yùn)動(dòng)，反向電流也非常小，在近似分析中常將其忽略不計(jì)，認(rèn)為PN結(jié)處于截止截止?fàn)顟B(tài)。 第第

19、1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 耗盡區(qū)內(nèi)電場(chǎng)UUBURE圖1.1.9 PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 三、三、PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性根據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概念和載流子的波爾茲曼分布規(guī)律，以突變結(jié)為例，可得到PN結(jié)所加端電壓與流過(guò)PN結(jié)的電流的關(guān)系為(1.1.3)式中， 為反向飽和電流，q為電子的電量，k為波耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。記 ，則(1.1.4)由于k和q為常量，故UT為熱力學(xué)溫度T（K）的函數(shù)，即UT是T的電壓當(dāng)量，稱(chēng)為溫度電壓當(dāng)量。常溫下，即T=300K時(shí)， UT 26mV。這是今后常用的一個(gè)參數(shù)。 SIqkTUT) 1(kTqueIiS) 1

20、(TSUueIi第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 式(1.1.4)同樣適用于擴(kuò)散結(jié)。由式(1.1.4)，當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓，且uUT時(shí)， ，即i隨u按指數(shù)規(guī)律變化；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓，且|u|UT時(shí)(|u|U(BR)， ， ，為反向飽和電流。 圖1.1.10 PN結(jié)的伏安特性 1TUueTUuSeIi 1TUueSIiui0TT UBR第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 四、四、 PN結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿外加反向電壓時(shí)，反向電流不僅很小，而且當(dāng)反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏后，幾乎全部少子皆參與導(dǎo)電，即反向飽和電流，因此在一定的外加電壓范圍內(nèi)反向電流的幅值幾乎不隨電壓的增大而增加，反向特性

21、曲線(xiàn)為一水平線(xiàn)。由于少子濃度受溫度影響，所以反向飽和電流的大小主要受溫度影響。但是反向電壓超過(guò)U(BR)后，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為反向擊穿反向擊穿，U(BR)稱(chēng)為擊穿電壓。PN結(jié)的擊穿按機(jī)理分為齊鈉擊穿齊鈉擊穿和雪崩擊穿雪崩擊穿兩種情況。對(duì)于硅材料的PN結(jié)，反向擊穿電壓在7V以上的一般為雪崩擊穿；4V以下的一般為齊鈉擊穿；47V之間的則兩種情況都有。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 五、五、 PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)的電容效應(yīng)分為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。1.勢(shì)壘電容圖1.1.11 PN結(jié)的勢(shì)壘電容(a)耗盡層的電荷隨外加電壓變化(b)勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系空間電荷區(qū)

22、空間電荷區(qū)寬窄的變化寬窄的變化電荷的積累電荷的積累與釋放與釋放第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 空間電荷區(qū)寬窄變化所等效的電容稱(chēng)為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容，用Cb表示，它與結(jié)面積、半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)成正比，與空間電荷區(qū)寬度成反比。Cb具有非線(xiàn)性，因?yàn)榭臻g電荷區(qū)寬度與外加電壓有關(guān)?？梢岳眠@一特性制成各種變?nèi)荻O管。Cb與外加電壓u的關(guān)系如圖1.1.11(b) 所示，解析表達(dá)式為 式中：Cb0為外加電壓u=0時(shí)的Cb值，它由PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等決定，Uho為空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)電位差，n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關(guān)。 nUuCdudQC)1 (h0b0b第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)

23、體器件 2. .擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容正向偏置的PN結(jié)，多子在擴(kuò)散過(guò)程中越過(guò)PN結(jié)到達(dá)另一區(qū)則成為另一區(qū)的少子。這種少子的積累也有電容效應(yīng)。PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱(chēng)為平衡少子平衡少子，PN結(jié)處于正向偏置時(shí)從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N 擴(kuò)散到P區(qū)的電子稱(chēng)為非平衡少子非平衡少子。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，靠近耗盡層交界面處非平衡少子的濃度高，離交界面遠(yuǎn)的地方濃度低，非平衡少子的濃度自高到低逐漸衰減，直到零，形成一定的濃度梯度，如圖1.1.12所示，從而形成擴(kuò)散電流。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 N區(qū)耗盡區(qū)P 區(qū)x0 x0Lnnp0Qnnp(0)np 圖1.1.12 P區(qū)少子濃度分布曲線(xiàn) 擴(kuò)散路

24、程中擴(kuò)散路程中電荷的積累電荷的積累與釋放與釋放第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 同理，在N區(qū)一側(cè)，非平衡空穴的濃度也有類(lèi)似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的增加量Qp。這種外加電壓改變引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應(yīng)，稱(chēng)為擴(kuò)散電容，用Cd表示。Cd也具有非線(xiàn)性，它與流過(guò)PN結(jié)的正向電流i、溫度的電壓當(dāng)量UT以及非平衡少子的壽命 有關(guān)。i越大、 越大、UT越小，Cd就越大。Cb和Cd皆等效地并接在PN結(jié)上，因而，PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj = Cb + Cd (1.1.15)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 六、六、 PN結(jié)的溫度特性結(jié)的溫度特性因?yàn)镮S

25、是PN結(jié)加反向電壓時(shí)少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，使更多的價(jià)電子有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，從而使少子濃度明顯增大。因此，參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目增多，即IS增大。反之，當(dāng)溫度降低時(shí)IS減少。因此，PN結(jié)伏安特性對(duì)溫度變化很敏感，溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，反向擊穿電壓減小，如圖1.1.10中虛線(xiàn)所示。在室溫附近，若保持正向電流不變，則溫度每升高1，結(jié)電壓減小約22.5mV；溫度每升高10，反向飽和電流約增大一倍。 ui0TTUBR第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 第三講第三講 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、

26、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 一、二極管的組成一、二極管的組成將將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成二極管。結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成二極管。點(diǎn)接觸型：點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小結(jié)面積小，結(jié)電容小故結(jié)允許的電流小故結(jié)允許的電流小最高工作頻率高最高工作頻率高面接觸型：面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大結(jié)面積大，結(jié)電容大故結(jié)允許的電流大故結(jié)允許的電流大最高工作頻率低最高工作頻率低平面型：平面型：結(jié)面積可小、可大結(jié)面積可小、可大小的工作頻率高小的工作頻率高大的結(jié)允許的電流大大的結(jié)允許的電流大第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 圖1.2.

27、2 晶體二極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)(c)平面型(d)電路符號(hào)陰極引線(xiàn)陽(yáng)極引線(xiàn)PP型支持襯底(c)陰極陽(yáng)極(d)Nak第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 二、二極管的伏安特性及電流方程 二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性材料材料開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開(kāi)啟開(kāi)啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特

28、性可以反映出： 1、單向?qū)щ娦浴蜗驅(qū)щ娦?。，則若反向電壓；，則若正向電壓SSTeIiUuIiUuTUuT) 1e (TSUuIi正向特性為正向特性為指數(shù)曲線(xiàn)指數(shù)曲線(xiàn)反向特性為橫軸反向特性為橫軸的平行線(xiàn)的平行線(xiàn)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 2 2、伏安特性受溫度影響、伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 與PN結(jié)的溫度特性一樣，二極管的伏安特性對(duì)溫度非常敏感。環(huán)境溫度升高，二極管的正向特性曲線(xiàn)左移，反向特性曲

29、線(xiàn)下移，反向擊穿電壓減小，如圖1.2.3所示。在室溫附近，溫度每升高1度，正向壓降約減小22.5mV；溫度每升高10度，反向電流約增大1倍。在近似分析時(shí)，仍用PN結(jié)的描述二極管的伏安特性。 ) 1(TSUueIi第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1. .2. .3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)一、最大整流電流一、最大整流電流IFIF是二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流最大正向平均電流，該值與PN結(jié)面積和外部散熱條件有關(guān)。在規(guī)定的散熱條件下，若二極管的正向平均電流超過(guò)此值，則二極管將因結(jié)溫過(guò)高而燒壞。若達(dá)不到規(guī)定的散熱條件，則最大正向平均電流須小于此值。二、最高反向工作電壓二

30、、最高反向工作電壓URUR是二極管工作時(shí)允許外加的最大電壓（最大瞬時(shí)值最大瞬時(shí)值），超過(guò)此值時(shí)，二極管有可能反向擊穿損壞。通常UR為U(BR)的一半。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 三、反向電流三、反向電流IRIR是二極管未擊穿時(shí)的反向電流。就是就是IS。IR越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。IR對(duì)溫度非常敏感，使用時(shí)需注意IR的溫度條件。四、最高工作頻率四、最高工作頻率fMfM是二極管工作頻率的上限。當(dāng)工作頻率超過(guò)此限時(shí)，結(jié)電容的充放電過(guò)程將不可忽略，二極管不能很好地體現(xiàn)單向?qū)щ娦?。五、直流電阻五、直流電阻RDRD定義為二極管的直流電壓與流過(guò)它的直流電流之比，即 (1.2.1) DD

31、DIUR 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 0UDuIDu(a)iQ1Q20u(b)iQi圖1.2.7 二極管等效電阻的幾何意義 (a)直流電阻RD(b)交流電阻rd第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 六、交流電阻六、交流電阻rdrd定義為二極管在其工作點(diǎn)(IDQ,UDQ)處的電壓與電流的微商，即(1.2.2)rd的幾何意義是二極管伏安特性曲線(xiàn)上Q(IDQ,UDQ)點(diǎn)處切線(xiàn)斜率的倒數(shù)。rd可以通過(guò)對(duì)式(1.1.4)求導(dǎo)得出DQDQDDDQDQDDdUIiuUIdidur,TDQTSDQDQDSDQDQDDdTDQTDUIeUIUIdueIdUIdudirUUUu,)1(,1第第1

32、章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 即(1.2.3)可見(jiàn)rd與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關(guān)。室溫條件下(T=300K): )()(26mImVrDQdDQTdIUr 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1.2.4二極管的等效電路二極管的等效電路根據(jù)二極管的伏安特性，可以構(gòu)造出幾種等效電路，通常根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、幅值大小）、不同的分析要求選用其中的一種。 二極管是一種非線(xiàn)性電阻(導(dǎo))元件，在大信號(hào)工作時(shí)，其非線(xiàn)性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?，而?dǎo)通后所呈現(xiàn)的非線(xiàn)性往往是次要的折線(xiàn)化折線(xiàn)化等效電路等效電路。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1 1、將伏安特性折線(xiàn)化、將伏安

33、特性折線(xiàn)化理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開(kāi)關(guān)理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)UDUon截止時(shí)截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)i與與u成成線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 2、二極管的微變等效電路、二極管的微變等效電路當(dāng)二極管外加電壓為正向直流電壓UD與小幅值交流電壓uD之和時(shí)，若該交流電壓為零時(shí)二極管電流為ID，則在uD作用下二極管的電流將在ID附近變化，變化量為iD。因此對(duì)于交流分量而言，二極管可等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻rd，這就是二極管的交流電阻，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻。

34、也就是微變等稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻。也就是微變等效電路。效電路。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 DTDDdIUiur根據(jù)電流方程，Q越高，越高，rD越小。越小。ui=0時(shí)直流電源作用時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 因此二極管的微變等效電路實(shí)質(zhì)上是以正向特性曲線(xiàn)上的某一點(diǎn)的切線(xiàn)代替該點(diǎn)及其附近小范圍內(nèi)的一段曲線(xiàn)，即以直代曲。由于二極管的正向特性為指數(shù)曲線(xiàn)，ID越大，rd越小，因此在用微變等效電路之前，還需用折線(xiàn)等效電路求出交流信號(hào)為零時(shí)的ID，才能得到微變等效電路之rd。本節(jié)涉及了二極管的三種等效電阻，rD與RD是完全不同的。在意義和

35、阻值兩方面rD更接近于rd，rD適用于大信號(hào)，rd適用于小信號(hào)。RD純粹是直流參數(shù)。用萬(wàn)用表電阻擋測(cè)得的二極管正向?qū)娮杈褪菍?duì)應(yīng)于某一ID的RD 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 【例1.2.1】電路如圖所示，ui為正弦交流信號(hào)，有效值為5mV，二極管導(dǎo)通電壓UD約為0.7V，常溫下UT約為26mV，電容C對(duì)交流信號(hào)可視為短路。試估算二極管中流過(guò)的交流電流有效值。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 解：解：分析本題需要先直流后交流。首先令 ui = 0，得到直流通路，用折線(xiàn)等效電路計(jì)算出ID，然后由式(1.2.3)計(jì)算rd，令直流電壓等于0，得到交流通路，以rd代替交流通路中

36、的二極管，計(jì)算Id。直流：電容C對(duì)直流相當(dāng)于開(kāi)路。一方面由于直流電源的電壓為2V，二極管導(dǎo)通電壓UD與其相比不能忽略，不能采用理想二極管作為二極管的等效電路；另一方面二極管的rD（二極管充分導(dǎo)通時(shí)rDrd）遠(yuǎn)小于500，不需要采用圖 (c)所示等效電路。因此采用圖(b)所示的等效電路，得到 mAAUVI6 . 25003 . 15002DD第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 分析交流時(shí)二極管采用微變等效電路。由于電容C對(duì)交流相當(dāng)于短路，ui直接作用于rd兩端，于是iD波形是在直流分量ID的基礎(chǔ)上疊加上與ui同頻率的交流分量id， 106 . 22626mAmVImVrDdmAmVrUI5

37、 . 0105did)(sin226 . 2mAtiIidDD第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1. .2. .5二極管基本應(yīng)用電路二極管基本應(yīng)用電路一、二極管整流電路一、二極管整流電路 把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱(chēng)為整流。一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管半波整流電路如圖1.2.8(a)所示。當(dāng)輸入一正弦波ui時(shí)，若ui的有效值Ui遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電壓UD，則用理想二極管模型，正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，uo=ui；負(fù)半周時(shí)，二極管截止， uo=0。其輸入、輸出波形見(jiàn)圖12.8(b)。整流電路是直流電源的一個(gè)組成部分，祥見(jiàn)第十章，也可用于信號(hào)檢測(cè)。半波整流電路還可用于調(diào)節(jié)負(fù)載功率。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用

38、半導(dǎo)體器件 圖1.2.8二極管半波整流電路及波形(a)電路； (b)輸入、輸出波形關(guān)系 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 ui0UILuoUomaxUominUIH圖1.18 限幅電路的傳輸特性二、二極管限幅電路二、二極管限幅電路限幅電路的傳輸特性第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 tVuiuoR(a)E2Vui/V0(b)5 5tuo/V0 52.7圖1.19二極管上限幅電路及波形(a)電路(b)輸入、輸出波形關(guān)系第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 圖1.2.9二極管低電平選擇電路及波形(a)電路(E=10V)； (b)輸入、輸出波形關(guān)系三、二極管電平選擇電路三、二極管電

39、平選擇電路從多路輸入信號(hào)中選出最低電平或最高電平的電路，稱(chēng)為電平選擇電路。一種二極管低電平選擇電路如圖1.2.9(a)所示。DD第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 因此，該電路能選出任意時(shí)刻兩路信號(hào)中的低電平信號(hào)。圖120(b)畫(huà)出了當(dāng)u1, u2為方波時(shí)，輸出端選出的低電平波形。如果把高于2.3V的電平當(dāng)作高電平，并作為邏輯1，把低于0.7V的電平當(dāng)作低電平，并作為邏輯0，由圖120(b)可知，輸出與輸入之間是邏輯與的關(guān)系。因此，當(dāng)輸入為數(shù)字量時(shí)，該電路也稱(chēng)為與門(mén)電路。將圖120(a)電路中的D1,D2反接，將E改為負(fù)值，則變?yōu)楦唠娖竭x擇電路。如果輸入也為數(shù)字量，則該電路就變?yōu)榛蜷T(mén)電路

40、。(3rd Edition, Problem 1.5)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 五、穩(wěn)壓二極管1、伏安特性、伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個(gè)由一個(gè)PN結(jié)組結(jié)組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電壓。壓。2、主要參數(shù)、主要參數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流、穩(wěn)定電流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rzUZ /IZ第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ：U

41、Z是擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。由于半導(dǎo)體器件參數(shù)的分散性，同一型號(hào)的穩(wěn)壓管的UZ存在一定的分散性。例如，型號(hào)為2CW11的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為3.24.5V。但就某一只管子而言，UZ的值是確定的。使用時(shí)可通過(guò)測(cè)量確定其準(zhǔn)確值。（2）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ：IZ 是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流，電流低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果差，甚至根本不穩(wěn)壓，故也常將IZ 記作IZmin。只要不超過(guò)穩(wěn)壓管的額定功耗。電流愈大，穩(wěn)壓效果愈好。（3）額定功耗額定功耗PZM：PZM等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ與最大穩(wěn)定電流IZM（或記作IZmax）的乘積。穩(wěn)壓管的功耗超過(guò)此值時(shí)，會(huì)因結(jié)溫升高而損壞。對(duì)于一只具體的

42、穩(wěn)壓管，第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 可以通過(guò)其PZM的值，求出IZM的值。這是由于UZ存在一定的分散性，因此一般給出PZM值，而不是IZM值。（4）動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rz：rz是穩(wěn)壓管在擊穿狀態(tài)端電壓變化量與其電流變化量之比，即UZ/IZ。rz愈小，電流變化時(shí)UZ的變化愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性愈好。對(duì)于不同型號(hào)的管子，rz將不同，從幾歐到幾十歐。對(duì)于同一只管子，工作電流愈大，rz愈小。（5）溫度系數(shù)溫度系數(shù) ： 是反映穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)，用單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對(duì)變化量表示, 即 = UZ /T。穩(wěn)壓值小于4V的管子具有負(fù)溫度系數(shù)（屬于齊鈉擊穿）；穩(wěn)壓值大于7 V的管子具有正

43、溫度系數(shù)（屬于雪崩擊穿）；而穩(wěn)壓值在47V之間的管子，溫度系數(shù)非常小（齊鈉擊穿和雪崩擊穿均有）。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 圖1.2.11穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 3、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 限流電阻限流電阻第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 限流電阻R的選擇方法：由圖1.2.11可知，IZ = IR IL，當(dāng)Ui、RL變化時(shí)，IZ應(yīng)始終滿(mǎn)足IZmin IZRmax的結(jié)果，則說(shuō)明在給定條件下，已超出所給穩(wěn)壓管的工作范圍。這時(shí)，需要改變使用條件或重新選擇大容量穩(wěn)壓二極管，以滿(mǎn)足 Rmin ICBO， 1，所以近似分析計(jì)算中常用 (1.3.8) (1.3.9)CEOBCB

44、OBEIIIII)1 ()1 ()1 (CBOCEOII)1 (BCIIBEII)1 (第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 當(dāng)有輸入電壓uI時(shí)，晶體管的基極電流將在IB基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iB，則集電極電流也將在IC基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iC ， iC與iB之比定義為共射交流電流放大系數(shù)，即(1.3.10) 由于晶體管導(dǎo)通時(shí)，在較寬的電流數(shù)值范圍內(nèi) 基本不變，因此在近似分析中不對(duì) 與 加以區(qū)分，皆以 表示。 ICN與IE之比定義為共基直流電流放大系數(shù) ，它是以發(fā)射極電流作為輸入電流，以集電極電流作為輸出電流時(shí)的電流放大系數(shù)(1.3.11)BCiiECNII第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器

45、件 帶入式(1.3.2)可得(1.3.12)將式(1.3.4)、(1.3.5)代入式(1.3.11)，得到 與 的關(guān)系 或(1.3.13)當(dāng)有輸入電壓uI時(shí)，晶體管的射極電流將在IE基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iE ，集電極電流也將在IC基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iC， iC與iE之比定義為共基交流放大系數(shù)(1.3.14)與、不加區(qū)分，皆以表示一樣，與也不加區(qū)分，皆以表示。CBOECIII11)()()(BCBOBCBOBCBOBCBOCNCNIIIIIIIIIIECii第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 三、影響晶體管的電流放大系數(shù)的因素三、影響晶體管的電流放大系數(shù)的因素由式(1.3.5)、式(1.3.

46、11)有(1.3.15)(1.3.16)因此，為了增大電流放大系數(shù)需要(1)提高注入基區(qū)的非平衡少子到達(dá)集電區(qū)的比例，(2)降低注入基區(qū)的非平衡少子與空穴復(fù)合的比例，(3)降低由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的非平衡少子與由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平衡少子的比例。其中前兩項(xiàng)是一回事情，需要的措施是降低基區(qū)的摻雜濃度，減少基區(qū)厚度，使基區(qū)厚度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散長(zhǎng)度； ENEPENBNENCNBCNIIIIIIIIENEPENCNECN1IIIIII第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 后一項(xiàng)需要的措施是使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。若，則 ENEPIIBNCNIIENCNII第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體

47、器件 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流 I IB B復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流 I IC C漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透電流穿透電流集電結(jié)反向電流集電結(jié)反向電流直流電流直流電流放大系數(shù)放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開(kāi)路集電極回為什么基極開(kāi)路集電極回路會(huì)有穿透電流？路會(huì)有穿透電流？第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE共發(fā)射極特性曲線(xiàn)測(cè)量電路 1. .3. .3晶體管的共射特性曲線(xiàn)晶體管

48、的共射特性曲線(xiàn)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1、輸入特性、輸入特性CE)(BEBUufi 為什么為什么UCE增大曲線(xiàn)右移？增大曲線(xiàn)右移？ 對(duì)于小功率晶體管，對(duì)于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線(xiàn)的一條輸入特性曲線(xiàn)可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線(xiàn)。的所有輸入特性曲線(xiàn)。為什么像為什么像PN結(jié)的伏安特性？結(jié)的伏安特性？為什么為什么UCE增大到一定值曲增大到一定值曲線(xiàn)右移就不明顯了？線(xiàn)右移就不明顯了？圖1.3.5 硅NPN管的共射輸入特性曲線(xiàn)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 輸入特性曲線(xiàn)描述以管壓降UCE為參變量，基極電流iB 與發(fā)射結(jié)壓降 uB

49、E之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)UCE = 0時(shí)，相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路。因此，輸入回路相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)(發(fā)射結(jié)與集電結(jié))并聯(lián)，輸入特性曲線(xiàn)與PN結(jié)的伏安特性相類(lèi)似，呈指數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖1.3.5中標(biāo)注UCE = 0的那條曲線(xiàn)。當(dāng)UCE增大時(shí)，由于發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平衡少子有一部分越過(guò)集電結(jié)形成集電極電流iC，使得在基區(qū)參與復(fù)合運(yùn)動(dòng)的非平衡少子將隨UCE的增大(即集電結(jié)反向電壓的增大)而減少，因此要獲得同樣的iB，就必須加大uBE，使發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入更多的電子，反映在輸入特性上就是曲線(xiàn)右移，見(jiàn)圖1.3.5中標(biāo)注的UCE 1V的曲線(xiàn)。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 當(dāng)UCEUBE時(shí)，集電結(jié)反偏，發(fā)

50、射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分漂移到集電極，只有一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流IB。當(dāng)UCE1V時(shí)，集電結(jié)的電場(chǎng)已足夠強(qiáng)，可以將發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的絕大部分非平衡少子都收集到集電區(qū)，因而再增大UCE，iC也不明顯增大，即iB已基本不變，不同UCE值的各條輸入特性曲線(xiàn)幾乎重疊在一起。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于小功率管，可以近似地用UCE大于1V任何一條曲線(xiàn)來(lái)代表UCE大于1V的所有曲線(xiàn)。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 2 2、輸出特性、輸出特性B)(CECIufi 是常數(shù)嗎？什么是理想三極管？什么情況下是常數(shù)嗎？什么是理想三極管？什么情況下 ?對(duì)應(yīng)于一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條就有一條iC隨隨u

51、CE變化的曲線(xiàn)。變化的曲線(xiàn)。所以輸出特性是一族曲線(xiàn)。所以輸出特性是一族曲線(xiàn)。 為什么為什么uCE較小時(shí)較小時(shí)iC隨隨uCE變變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線(xiàn)幾乎是橫軸的平行線(xiàn)？曲線(xiàn)幾乎是橫軸的平行線(xiàn)？飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)BiCi常量CEBCUii第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 在輸出特性曲線(xiàn)上可以劃分三個(gè)區(qū)域：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)，對(duì)應(yīng)于三種工作狀態(tài)。對(duì)于某一條曲線(xiàn)，當(dāng)uCE從零逐漸增大時(shí)，集電結(jié)電場(chǎng)隨之增強(qiáng)，收集基區(qū)非平衡少子的能力逐漸增強(qiáng)，因而iC也就逐漸增大。而當(dāng)uCE增大到一定數(shù)值時(shí)集電結(jié)電場(chǎng)足以將基區(qū)非平衡少子的絕大部分收集到集電

52、區(qū)來(lái)，uCE再增大收集能力已不能明顯提高，表現(xiàn)為曲線(xiàn)幾乎平行于橫軸，即iC幾乎僅僅決定于IB。然而，曲線(xiàn)是略向上斜的。這是因?yàn)閡CE增大，c結(jié)反向電壓增大，使c結(jié)展寬，所以有效基區(qū)寬度變窄，這樣基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)減少，即iB要減小。在iB不變的條件下， iC略有增大。這種現(xiàn)象稱(chēng)為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 三、晶體管的三種工作狀態(tài)三、晶體管的三種工作狀態(tài) (1)截止區(qū)截止區(qū)：一般將輸出特性曲線(xiàn)上IB = 0線(xiàn)以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。晶體管處于截止區(qū)狀態(tài)的充分條件是，發(fā)射結(jié)和發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置集電結(jié)均反向偏置。對(duì)于NPN管，uBE ICEO時(shí)， 。2共

53、射交流電流放大系數(shù)共射交流電流放大系數(shù) BCEOCIIIBCIIcontCEBCUii第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 3共基直流電流放大系數(shù)共基直流電流放大系數(shù)當(dāng)ICEO可忽略時(shí)，4共基交流電流放大系數(shù)共基交流電流放大系數(shù) 近似分析中可以認(rèn)為， ， 。應(yīng)當(dāng)指出，值與測(cè)試條件有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，在iC很大或很小時(shí)，值較小。只有在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)，值才比較大，且基本不隨iC而變化。因此，在查手冊(cè)時(shí)應(yīng)注意值的測(cè)試條件。尤其是大功率管更應(yīng)強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。ECNIIECIIcontCBECUii第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 二、極間反向電流二、極間反向電流1ICBO：ICBO是

54、發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電結(jié)的反向飽和電流。2ICEO：ICEO是基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極間的穿透電流。另外 3IEBO：IEBO是集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的反向電流。三、特征頻率三、特征頻率fT由于晶體管中PN結(jié)結(jié)電容的存在，晶體管的交流電流放大系數(shù)是所加信號(hào)頻率的函數(shù)。信號(hào)頻率高到一定程度時(shí)，集電極電流與基極電流之比不但數(shù)值下降，而且產(chǎn)生相移（詳見(jiàn)第五章）。|下降到1的信號(hào)頻率稱(chēng)為特征頻率fT。 CBOCEOII)1 (第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 四、極限參數(shù)四、極限參數(shù)1極間反向擊穿電壓晶體管的某一電極開(kāi)路時(shí)，另外兩個(gè)電極間所允許加的最高反向電壓即為極間反向擊穿電壓，超過(guò)此值的管子會(huì)發(fā)生擊

55、穿現(xiàn)象。下面是各種擊穿電壓的定義：U(BR)CBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極-基極間的反向擊穿電壓，這是集電結(jié)所允許加的最高反向電壓。U(BR)CEO是基極開(kāi)路時(shí)集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓，此時(shí)集電結(jié)承受反向電壓。U(BR)EBO是集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓，這是發(fā)射結(jié)所允許加的最高反向電壓。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 對(duì)于不同型號(hào)的管子，U(BR)CBO為幾十伏到上千伏，U(BR)CEO小于U(BR)CBO，而U(BR)EBO只有1伏以下到幾伏（因?yàn)榘l(fā)射區(qū)摻雜濃度很高且基區(qū)很薄）。此外，集電極-發(fā)射極間的擊穿電壓還有：b-e間接電阻時(shí)的U(BR)CER，短路時(shí)的U(BR)CES，接反向電壓時(shí)的U(BR)CEX。上述各擊穿電壓間一般有如下關(guān)系：U(BR)