第二章常用半導(dǎo)體器件原理201402

1、 1 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理1模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 2 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理22.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 導(dǎo)體導(dǎo)體：對(duì)電信號(hào)有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。：對(duì)電信號(hào)有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。絕緣體絕緣體：對(duì)電信號(hào)起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于：對(duì)電信號(hào)起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于108 1020 m。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅 (Si) 、鍺、鍺 (Ge) 和砷化鎵和砷化鎵 (GaAs)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨

2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨摻雜、溫度和光照摻雜、溫度和光照等因素發(fā)生顯著變化，等因素發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。2.1.1 半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別 3 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理32.1.2本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。硅和鍺都是四價(jià)元素，硅和鍺的原子最外層軌道上都有四硅和鍺都是四價(jià)元素，硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子，其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最個(gè)電子，稱為價(jià)電子，其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上

3、取決于最外層的價(jià)電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表外層的價(jià)電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表 。由于原子呈中性，在圖中原子核用帶圓圈的由于原子呈中性，在圖中原子核用帶圓圈的+4符號(hào)表示。符號(hào)表示。 + 4 帶 一 個(gè) 單 位 負(fù) 電 荷 的 價(jià) 電 子 最 外 層 軌 道 帶 四 個(gè) 單 位 正 電 荷 的 原 子 核 部 分 + 1 4 + 3 2 硅 原 子 簡(jiǎn) 化 模 型 鍺 原 子 圖 4 .1 .1 硅 和 鍺 的 原 子 模 型 (b ) (c ) (a ) 4 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理4(1-4)共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被束縛在共價(jià)鍵中，稱

4、為共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛束縛電子電子。共價(jià)鍵中的束縛電子是。共價(jià)鍵中的束縛電子是不能導(dǎo)電的不能導(dǎo)電的。 形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵的結(jié)合力使原子規(guī)則排列，共價(jià)鍵的結(jié)合力使原子規(guī)則排列，形成晶體。形成晶體。+4+4+4+4 5 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理5(1-5) 在絕對(duì)在絕對(duì)0 0度（度（T T=0K=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí)）和沒有外界激發(fā)時(shí), ,價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)

5、的帶電粒子, ,即即載流子載流子(Carrier)(Carrier) ，它沒有導(dǎo)電能，它沒有導(dǎo)電能力，相當(dāng)于絕緣體。力，相當(dāng)于絕緣體。本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子接受外界能量激發(fā)，獲得足夠的能量本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子接受外界能量激發(fā)，獲得足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象稱為，叫掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象稱為，叫本征激發(fā)本征激發(fā)。本征激發(fā)產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生電子電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)。 如如: :在常溫下，由于獲得熱能，使一些價(jià)電子獲得足夠的能在常溫下，由于獲得熱能，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子自由電子(Free e

6、lectron)(Free electron) ( (帶負(fù)電），同時(shí)共帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴空穴(Hole)(Hole)（帶正電）。（帶正電）。 空位空穴是一個(gè)帶正電的粒子其電量與電子相等，符號(hào)相空位空穴是一個(gè)帶正電的粒子其電量與電子相等，符號(hào)相反，在外加電場(chǎng)作用下，可以自由地在晶體體中運(yùn)動(dòng)，從而和自由電子一樣反，在外加電場(chǎng)作用下，可以自由地在晶體體中運(yùn)動(dòng)，從而和自由電子一樣可以可以參加導(dǎo)電。參加導(dǎo)電。載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴 自由電子和空穴在自由移動(dòng)過程中相遇時(shí)，自由電子填入空穴，釋放自由電子和空穴在自由移動(dòng)過程中相遇時(shí)，自由

7、電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對(duì)載流子，這個(gè)過程稱為出能量，從而消失一對(duì)載流子，這個(gè)過程稱為復(fù)合復(fù)合。 6 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理6 + 4 價(jià) 電 子 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 共 價(jià) 鍵 圖 4 .1 .2 本 征 半 導(dǎo) 體 的 空 間 晶 格 結(jié) 構(gòu) 本征激發(fā)本征激發(fā) 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 電 子 圖 4 .1 .3 本 征 激 發(fā) 成 對(duì) 產(chǎn) 生自 由 電 子 和 空 穴 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 圖 4.1.4 價(jià) 電 子 反

8、 向 遞 補(bǔ) 運(yùn) 動(dòng) 相 當(dāng) 于空 穴 移 動(dòng) 空 穴 移 動(dòng) 方 向 價(jià) 電 子 移 動(dòng) 方 向 圖 4 .1 .5 復(fù) 合 消 失 一 對(duì) 自 由電 子 和 空 穴 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 電 子 二種載流子二種載流子復(fù)合復(fù)合 7 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理7本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 分別用分別用ni和和pi表示自由電子和空穴的濃度表示自由電子和空穴的濃度 (cm-3) kTEeTApn223

9、0ii0G 其中其中 T 為為絕對(duì)絕對(duì)溫度溫度 (K) ；EG0 為為T = 0 K時(shí)的禁帶寬度，硅原子為時(shí)的禁帶寬度，硅原子為1.21 eV，鍺為，鍺為0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K為玻爾茲曼常數(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)為常數(shù) 。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。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，載流子的濃溫度越高，載流子的濃度越高度越高,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。2.1.3N 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。人工少量摻雜某些元素的原子，人工少

10、量摻雜某些元素的原子，可可顯著提顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 N N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和和 P P 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 8 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理8一、一、N N 型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（NegativeNegative負(fù)）負(fù)）在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷(或銻），或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，形成共價(jià)鍵，必定多

11、出一個(gè)電子，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子很容易被這個(gè)電子很容易被激發(fā)而成為自由電子，從而大量增加了自由電子的濃激發(fā)而成為自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度。這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的度。這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子帶正電的離子。每。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，磷原子稱為個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，磷原子稱為施主原子。施主原子。 多數(shù)載流子一一自由電子多數(shù)載流子一一自由電子 少數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一空穴 熱平衡時(shí)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流熱平衡時(shí)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度子濃度 ni 的平方，所以的平方，所以少子

12、少子空穴的濃度空穴的濃度 pn為為 DnNnD2in2inNnnnp自由電子濃度自由電子濃度(雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度)少子濃度與溫度關(guān)系極大少子濃度與溫度關(guān)系極大多余多余電子電子磷原子磷原子 9 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理9二、二、P 型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（Positive正）正）在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空

13、位。產(chǎn)生一個(gè)空位。這個(gè)這個(gè)空位可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為空位可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，。由于硼原子接受電子，所以稱為所以稱為受主原子受主原子多數(shù)載流子一一空穴多數(shù)載流子一一空穴 少數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一自由電子 而而少子少子-自由電子的濃度自由電子的濃度 np 為為環(huán)境溫度也明顯影響環(huán)境溫度也明顯影響 np 的取值。的取值。 ApNpA2ip2ipNnpnn空穴濃度空穴濃度(摻雜摻雜濃度濃度) +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空 位 受 主 原 子 圖 4.1.7 P 型

14、 半 導(dǎo) 體 空 間 晶 格 結(jié) 構(gòu) 的 平 面示 意 10 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理102.1.4漂移電流和擴(kuò)散電流漂移電流和擴(kuò)散電流 半導(dǎo)體中載流子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成半導(dǎo)體中的電流。半導(dǎo)體中載流子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成半導(dǎo)體中的電流。 半導(dǎo)體電流半導(dǎo)體電流半導(dǎo)體電流半導(dǎo)體電流PnIII漂移電流漂移電流：在電場(chǎng)的作用下，自由電子會(huì)逆著電場(chǎng)在電場(chǎng)的作用下，自由電子會(huì)逆著電場(chǎng)方向漂移，而空穴則順著電場(chǎng)方向漂移，方向漂移，而空穴則順著電場(chǎng)方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流漂移電流，該電流的，該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和大小主要取決于

15、載流子的濃度，遷移率和電場(chǎng)強(qiáng)度。電場(chǎng)強(qiáng)度。擴(kuò)散電流：擴(kuò)散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時(shí)，載半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時(shí)，載流子會(huì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而流子會(huì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成形成擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流，該電流的大小正比于載流，該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。子的濃度差即濃度梯度的大小。 11 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理112.2PN 結(jié)結(jié) 在同一片半導(dǎo)體基片上，通過摻雜工在同一片半導(dǎo)體基片上，通過摻雜工藝，一邊做成藝，一邊做成 P P 型半導(dǎo)體，另一邊做成型半導(dǎo)體，另一邊做成 N N 型半導(dǎo)體，則型半導(dǎo)體，則 P P 型半導(dǎo)體

16、和型半導(dǎo)體和 N N 型半型半導(dǎo)體的交接面處會(huì)形成一個(gè)有特殊物理導(dǎo)體的交接面處會(huì)形成一個(gè)有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為性質(zhì)的薄層，稱為 PN PN 結(jié)結(jié)。 2.2.1PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 + + + + P 區(qū) N 區(qū) (a) + + + + + + + + + + + + + + + + P 區(qū) N 區(qū) (b) 空 間 電 荷 區(qū) 內(nèi)建電場(chǎng) 0 UB UB 圖 4.2.1 P N 結(jié) 的 形 成 (a) 多 子 的 擴(kuò) 散 ； (b) 空 間 電 荷 區(qū) ， 內(nèi) 建 電場(chǎng) 和 內(nèi) 建 電 位 差 的 產(chǎn) 生 + + + + + + + + + + + + 多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)空

17、間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生 少子漂移少子漂移動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡 12 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理12空間電荷區(qū)：空間電荷區(qū)：又稱為耗盡區(qū)或勢(shì)壘區(qū)?？臻g電荷區(qū)中又稱為耗盡區(qū)或勢(shì)壘區(qū)?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子沒有載流子 在摻雜濃度不對(duì)稱的在摻雜濃度不對(duì)稱的 PN 結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一邊結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一邊延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。 耗 盡 區(qū) 耗 盡 區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + (a) (b) + + + + + + + + + + + + + + + + + +

18、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P區(qū) N 區(qū) P 區(qū) N區(qū) 圖 4.2.2 摻 雜 濃 度 不 對(duì) 稱 的 PN 結(jié) (a) P+N 結(jié) ； (b) PN+ 結(jié) 13 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理132.2.2PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?+ + + + + + + + + + + + + + + + P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) 0 UB U UB E R U 內(nèi)建電場(chǎng) 外加電場(chǎng) 正向電流 圖 4.2.3 正向偏置的 PN 結(jié) 一一、正、正向偏置的向偏置的 PN 結(jié)結(jié)正向偏置正

19、向偏置耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)減弱正向電流正向電流二二、反、反向偏置的向偏置的 PN 結(jié)結(jié) P 區(qū) 耗 盡 區(qū) 0 UB U UB E R U 內(nèi) 建 電 場(chǎng) 外 加 電 場(chǎng) N 區(qū) 反 向 電 流 圖 4.2.4 反 向 偏 置 的 PN 結(jié) + + + + + + + + + + + + + + + + 反向偏置反向偏置耗盡區(qū)變寬耗盡區(qū)變寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)反向電流反向電流正向電流正向電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)減弱正向電流正向電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)減弱耗盡區(qū)

20、變窄耗盡區(qū)變窄正向電流正向電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)減弱正向偏置正向偏置耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄正向電流正向電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)減弱 14 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理14PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?PN 結(jié)只需要較小的正向電壓，結(jié)只需要較小的正向電壓，就能就能產(chǎn)生較大的正向電流，產(chǎn)生較大的正向電流， 而且正向電流隨正向電壓的微小變化會(huì)發(fā)生明顯改變而且正向電流隨正向電壓的微小變化會(huì)發(fā)生明顯改變(指數(shù)特性指數(shù)特性) 而在反偏時(shí)，少子只能提供很小而在反偏時(shí)，少子只能提供很小很小很小的漂移電流，并且基本的漂移

21、電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。上不隨反向電壓而變化。 15 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理152.2.3PN 結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 當(dāng)當(dāng) PN 結(jié)上的反向電壓足夠大時(shí)，反向電流急結(jié)上的反向電壓足夠大時(shí)，反向電流急增，這種現(xiàn)象稱為增，這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿。發(fā)生反向擊。發(fā)生反向擊穿時(shí)的電壓穿時(shí)的電壓UBR稱為稱為反向擊穿電壓反向擊穿電壓雪崩擊穿雪崩擊穿： 反偏的反偏的 PN 結(jié)中，耗盡區(qū)中少子在漂移運(yùn)動(dòng)中被電場(chǎng)作功，結(jié)中，耗盡區(qū)中少子在漂移運(yùn)動(dòng)中被電場(chǎng)作功，動(dòng)能增大。當(dāng)少子的動(dòng)能足以使其在與價(jià)電子碰撞時(shí)發(fā)生碰撞動(dòng)能增大。當(dāng)少子的動(dòng)能足以使其在與價(jià)電子碰

22、撞時(shí)發(fā)生碰撞電離，把價(jià)電子擊出共價(jià)鍵，產(chǎn)生一對(duì)新的自由電子和空穴，電離，把價(jià)電子擊出共價(jià)鍵，產(chǎn)生一對(duì)新的自由電子和空穴，連鎖碰撞使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇連鎖碰撞使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的 PN 結(jié)中。結(jié)中。齊納擊穿齊納擊穿：在重?fù)诫s的在重?fù)诫s的 PN 結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)到能直接將價(jià)電子拉出共價(jià)鍵，發(fā)生產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)到能直接將價(jià)電子拉出共價(jià)鍵，發(fā)生場(chǎng)致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使得反向電流急劇增場(chǎng)致激發(fā)，產(chǎn)生大

23、量的自由電子和空穴，使得反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。大，這種擊穿稱為齊納擊穿。一般來說，對(duì)硅材料的一般來說，對(duì)硅材料的PNPN結(jié)，結(jié)，U UBR7V7V時(shí)為雪崩擊穿；時(shí)為雪崩擊穿； U UBR 5V UD(on) 時(shí)，時(shí)，iD 明顯明顯增大增大，二極管導(dǎo)通，二極管導(dǎo)通，UD(on) 稱為導(dǎo)通電稱為導(dǎo)通電壓壓 (死區(qū)電壓死區(qū)電壓) ；uD 0 時(shí)，二極管是截止的；當(dāng)反向電壓足夠大時(shí)，時(shí)，二極管是截止的；當(dāng)反向電壓足夠大時(shí)，二極管中的反向電流急劇增大，二極管被擊穿。二極管中的反向電流急劇增大，二極管被擊穿。 P N iD uD (b ) (a ) 引 線 管 殼 圖 4 .3 .1 二

24、 極 管 (a ) 結(jié) 構(gòu) ； (b ) 電 路 符 號(hào) 19 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理19二、二極管的管壓降二、二極管的管壓降 uD iD UD( o n ) 0 伏安特性曲線 Q E E R 負(fù)載線 UD ID E iD uD ( a ) ( b ) R 圖 4 . 3 . 3 二極管的管壓降 ( a ) 電路；( b ) 伏安特性和負(fù)載特性 D 當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓 E 變化時(shí)，負(fù)載線平移到新的位置，變化時(shí)，負(fù)載線平移到新的位置， ID 有比較大的變有比較大的變化，化，而而UD 變化不大，仍然近似等于變化不大，仍然近似等于 UD(on) ，所以認(rèn)為，所以認(rèn)為 U

25、D(on) 是導(dǎo)通二是導(dǎo)通二極管極管的近似的近似管壓降管壓降(硅管約硅管約0.6-0.7v,鍺管約鍺管約0.2-0.3v) 。 三、二極管的電阻三、二極管的電阻 Q ( UD, ID) uD iD 0 Q ( UD, ID) ID UD ( a ) uD iD 0 ( b ) i u D1RD1r圖 4 . 3 . 4 二極管電阻的幾何意義 ( a ) 直流電阻RD；( b ) 交流電阻rD QDiur交流電阻交流電阻QDDDIUR直流電阻直流電阻 20 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理20RD 和和 rD 隨工作點(diǎn)的位置變化而改變隨工作點(diǎn)的位置變化而改變DTSTQSTQQD

26、TDTddIUeIUeIUiuiurUUUu2.3.2溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二極管伏安特性的影響 T 增大增大； Is 增大，增大，T增大增大10度，度，Is增大一倍。增大一倍。 減小減小， 雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。)on(DUOonDCmVdTdU/07. 2)( 21 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理212.3.3二極管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化電路模型二極管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化電路模型 22 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理22【例【例 2.3.1】電路如圖電路如圖 (a) 所示，計(jì)算二極管中的電流所

27、示，計(jì)算二極管中的電流 ID 。已。已知二極管的導(dǎo)通電壓知二極管的導(dǎo)通電壓UD(on) = 0.6 V，交流電阻，交流電阻 rD 近似為零。近似為零。 圖 4 . 3 . 7 計(jì)算二極管電流 ( a ) 原電路；( b ) 等效電路 ( b ) 0 . 6 V 6 V 6 V R1 2 k R2 1 k I1 I2 ( a ) 6 V 6 V R1 2 k R2 1 k A ID ID D E E E E 解：解：可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將相應(yīng)的電路模型可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將相應(yīng)的電路模型代入，得到圖代入，得到圖 (b) 。節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn) A 的電壓的電壓 UA E I1R1 I2R2

28、 E UD(on) 5.4 ，解得，解得 I1 5.7 mA，I2 5.4 mA，于，于是是 ID I1 I2 11.1 mA 。 23 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理23工作電流工作電流I IZ Z可以在可以在I IZminZmin到到I IZmaxZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向電壓成為電壓成為穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓U UZ Z。I IZ Z應(yīng)大于應(yīng)大于I IZminZmin以保證較好的穩(wěn)壓效果。以保證較好的穩(wěn)壓效果。同時(shí)，外電路必須對(duì)同時(shí)，外電路必須對(duì)I IZ Z進(jìn)行限制，防止其太大使管耗過大，甚進(jìn)行限制，防止其太大使管耗過大，甚至燒壞至燒壞

29、PNPN結(jié)，如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為結(jié)，如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為P PM M，則，則I IZ Z應(yīng)小于應(yīng)小于I IZmaxZmax = = P PM M / / U UZ Z。 uD iD 0 IZ m in IZ m a x UZ iD IZ UZ uD (a ) (b ) 圖 4 .3 .8 穩(wěn) 壓 二 極 管 (a ) 電 路 符 號(hào) ； (b ) 伏 安 特 性 2.3.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 24 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理24工作條件：IZmin IZ IZmax1、Vi=Vi min，RL=RLMin時(shí)IZ最?。簃inminVVVizzZLIRRmin

30、ZIminminminminVVVizLLZzRRRImaxR IZDZILRLV0ViR 25 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理25工作條件：IZmin IZ IZmax2、Vi=Vi max，RL=RLMax時(shí)IZ最大：maxmaxVVVizzZLIRRmaxZImaxmaxmaxmaxVVVizLLZzRRRIminRminmaxRRR結(jié)論： IZDZILRLV0ViR 26 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理26例例2.3.2穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓 UZ = 6 V。當(dāng)限流電阻。當(dāng)限流電阻 R = 200 時(shí)，

31、求工作電流時(shí)，求工作電流 IZ 和輸出電壓和輸出電壓 UO；當(dāng)；當(dāng)R = 11 k 時(shí)，再求時(shí)，再求 IZ 和和 UO 。 IZ RL R DZ IL UO UI UZ 12 V 1 k 1.當(dāng)當(dāng) R 200 時(shí)，穩(wěn)壓二極管時(shí)，穩(wěn)壓二極管 DZ處于擊穿狀態(tài)處于擊穿狀態(tài))mA(24LZZIZRURUUI)V(6ZOUU)V( 1ILLOURRRU2.當(dāng)當(dāng) R 11 k 時(shí)，時(shí)，DZ 處于截止?fàn)顟B(tài)，處于截止?fàn)顟B(tài)，IZ 0解解:首先要判斷首先要判斷穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管能否擊穿能否擊穿,方法是假設(shè)穩(wěn)壓管斷開方法是假設(shè)穩(wěn)壓管斷開,看看UO是否大于是否大于UZ. 27 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用

32、半導(dǎo)體器件原理272.3.5 其它二極管其它二極管2. 光電二極管光電二極管 3.發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 4.肖特基二極管肖特基二極管1. 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 28 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理28(1-28)二極管結(jié)電容的大小除了與二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。容二極管。 左圖左圖為變?nèi)荻O管的代表符號(hào)，為變?nèi)荻O管的代表符號(hào)， 右圖右圖是變?nèi)荻O管的特性曲線。是變

33、容二極管的特性曲線。 不同型號(hào)的管子，其電容最大不同型號(hào)的管子，其電容最大 值可能值可能5-300pF5-300pF。最大電容與最。最大電容與最 小電容之比約為小電容之比約為5:15:1。 變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。1. 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 29 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理29(1-29)管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PNPN結(jié)在反向偏結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行，它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。將光能轉(zhuǎn)化置狀態(tài)下運(yùn)行，它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。將光能轉(zhuǎn)化為

34、電能。在光照下，耗盡區(qū)激發(fā)出大量的電子、空穴對(duì)，加反偏電壓，為電能。在光照下，耗盡區(qū)激發(fā)出大量的電子、空穴對(duì)，加反偏電壓，形成反向電流，且隨光照強(qiáng)度的增加而上升。形成反向電流，且隨光照強(qiáng)度的增加而上升。2. 光電二極管光電二極管 30 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理30(1-30)有正向電流流過時(shí)，發(fā)出有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。一般二極管類似。發(fā)光亮度與正向工作電流成正比，發(fā)光亮度與正向工作電流成正比，典型值典型值10m

35、A10mA 3.發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 31 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理31(1-31) 肖特基勢(shì)壘二極管（也叫熱載子二極管）在機(jī)械構(gòu)造上與點(diǎn)接觸肖特基勢(shì)壘二極管（也叫熱載子二極管）在機(jī)械構(gòu)造上與點(diǎn)接觸二極管很相似，但它比點(diǎn)接觸二極管要耐用，而且功率也更大。二極管很相似，但它比點(diǎn)接觸二極管要耐用，而且功率也更大。 這種形式的電路是威廉姆這種形式的電路是威廉姆肖特基（肖特基（WilliamSchottkyWilliamSchottky）在）在19381938年研年研究多數(shù)載流子的整流現(xiàn)象時(shí)提出的。究多數(shù)載流子的整流現(xiàn)象時(shí)提出的。 4.肖特基二極管肖特基二極管 3

36、2 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理32“肖特基勢(shì)壘肖特基勢(shì)壘” 是一種量子力學(xué)勢(shì)壘，形成于金屬和半導(dǎo)體的界面處。反向是一種量子力學(xué)勢(shì)壘，形成于金屬和半導(dǎo)體的界面處。反向偏置電壓增加時(shí)勢(shì)壘也增加，正向偏置時(shí)勢(shì)壘減少（或者接近消偏置電壓增加時(shí)勢(shì)壘也增加，正向偏置時(shí)勢(shì)壘減少（或者接近消失）。反向偏置時(shí)半導(dǎo)體材料的電子沒有足夠的能量越過勢(shì)壘，失）。反向偏置時(shí)半導(dǎo)體材料的電子沒有足夠的能量越過勢(shì)壘，所以此時(shí)沒有電流。當(dāng)正向偏置時(shí)，勢(shì)壘減少直至電子可以穿過所以此時(shí)沒有電流。當(dāng)正向偏置時(shí)，勢(shì)壘減少直至電子可以穿過它，從半導(dǎo)體流入金屬區(qū)域。它，從半導(dǎo)體流入金屬區(qū)域。 肖特基二極管為一個(gè)整流

37、元件，廣泛應(yīng)用于混頻器和檢波肖特基二極管為一個(gè)整流元件，廣泛應(yīng)用于混頻器和檢波電路中。雙平衡混頻器（電路中。雙平衡混頻器（DBMDBM）電路通常是由一組匹配的肖特基）電路通常是由一組匹配的肖特基二極管組成。雙平衡混頻器可用于超外差接收和產(chǎn)生抑制載波二極管組成。雙平衡混頻器可用于超外差接收和產(chǎn)生抑制載波的雙邊帶信號(hào)，還可以用于相敏檢波器。許多雙平衡混頻器工的雙邊帶信號(hào)，還可以用于相敏檢波器。許多雙平衡混頻器工作到微波頻譜的低端。作到微波頻譜的低端。 33 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理33晶體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉

38、例如下：2 A P 9 2代表二極管，代表二極管，3代表三極管代表三極管表示二極管時(shí)：表示二極管時(shí)：A-N型鍺材料、型鍺材料、 B-P型鍺材料、型鍺材料、 C-N型硅材料、型硅材料、 D-P型硅材料。型硅材料。表示三極管時(shí)：表示三極管時(shí)：A-PNP型鍺材料、型鍺材料、B-NPN型鍺材料、型鍺材料、 C-PNP型硅材料、型硅材料、D-NPN型硅材料型硅材料P-普通管、普通管、V-微波管、微波管、W-穩(wěn)壓管、穩(wěn)壓管、 X-低頻小功率管低頻小功率管(f3MHz,Pc3MHz,Pc 1W)、N-阻尼管、阻尼管、K-開關(guān)管、開關(guān)管、 Y-體效應(yīng)器件、體效應(yīng)器件、 D-低頻大功率管低頻大功率管(f1W)S

39、-隧道管、隧道管、 U-光電器件、光電器件、 B-雪崩管、雪崩管、 A-高頻大功率管高頻大功率管(f3MHz,Pc1W)T-半導(dǎo)體晶閘管半導(dǎo)體晶閘管(可控整流器可控整流器)、J-階躍恢復(fù)管、階躍恢復(fù)管、CS-場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)效應(yīng)管、BT-半導(dǎo)體特殊器件、半導(dǎo)體特殊器件、FH-復(fù)合管、復(fù)合管、PIN-PIN型管、型管、JG-激光器件激光器件用數(shù)字表示同一類型產(chǎn)品的序號(hào)用數(shù)字表示同一類型產(chǎn)品的序號(hào) 34 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理342.3.6二極管應(yīng)用電路舉例二極管應(yīng)用電路舉例 一、整流電路一、整流電路 例例2.3.3分析圖分析圖 (a) 所示的二極管整流電路的工作原理，其中

40、二極管所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管D的導(dǎo)的導(dǎo)通電壓通電壓UD(on) = 0.7 V，交流電阻，交流電阻rD 0。輸入電壓。輸入電壓ui的波形如圖的波形如圖 (b) 所示。所示。 RL D ui uo t ui 0 t 0 (a) (b) 0.7 V uo (c) uo ui 0 0.7 V 1 解：當(dāng)解：當(dāng)ui 0.7 V時(shí)，時(shí)，D處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓uo = ui - 0.7；當(dāng)；當(dāng)ui 0時(shí)，時(shí)，D1和和D2導(dǎo)通，而導(dǎo)通，而D3和和D4截止截止,故故uo = ui；當(dāng)當(dāng)ui 2.7 V時(shí)，時(shí)，D導(dǎo)通，所以導(dǎo)通，所以u(píng)o

41、 = 2.7 V；當(dāng)；當(dāng)ui 2.7 V時(shí)，時(shí)，D截止，其支截止，其支路等效為開路，路等效為開路，uo = ui。于是得到。于是得到uo的波形，如圖的波形，如圖 (c) 所示，該電路把所示，該電路把ui超出超出2.7 V的部分削去后輸出，是的部分削去后輸出，是上限幅上限幅電路。電路。 首先判斷二極管是導(dǎo)通或截止首先判斷二極管是導(dǎo)通或截止. 37 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理37例例2.3.6二極管限幅電路如圖二極管限幅電路如圖 (a) 所示，其中二極管所示，其中二極管D1和和D2的導(dǎo)通電壓的導(dǎo)通電壓UD(on) = 0.3 V，交流電阻，交流電阻rD 0。輸入電壓。輸入電

42、壓ui的波形在圖的波形在圖 (b) 中給出，作出中給出，作出輸出電壓輸出電壓uo的波形。的波形。 R E ui uo t ui (V ) 0 (a ) (b ) 2 V D2 5 5 2 .3 t uo (V ) 0 (c) E 2 V D1 2 .3 2 .3 2 .3 首先判斷二極管是導(dǎo)通或截止首先判斷二極管是導(dǎo)通或截止.解：當(dāng)解：當(dāng)ui - 2.3 V時(shí)，時(shí)，D1截止，截止，支路等效為開路，支路等效為開路，uo = ui。所以。所以D1實(shí)現(xiàn)了下限幅；當(dāng)實(shí)現(xiàn)了下限幅；當(dāng)ui 2.3 V時(shí)，時(shí)，D2導(dǎo)導(dǎo)通，通，uo = 2.3 V；當(dāng)；當(dāng)ui 2.3 V時(shí)，時(shí)，D2截止，支路等效為開路，截止

43、，支路等效為開路，uo = ui。所。所以以D2實(shí)現(xiàn)了上限幅。綜合實(shí)現(xiàn)了上限幅。綜合uo的波形如圖的波形如圖 (c) 所示，該電路把所示，該電路把ui超出超出 2.3 V的部分削去后進(jìn)行輸出，完成的部分削去后進(jìn)行輸出，完成雙向限幅雙向限幅。 38 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理38三、電平選擇電路三、電平選擇電路 例例2.3.7圖圖 (a) 給出了一個(gè)二極管電平選給出了一個(gè)二極管電平選擇電路，其中二極管擇電路，其中二極管D1和和D2為理想二極管，輸入信號(hào)為理想二極管，輸入信號(hào)ui1和和ui2波形如圖波形如圖 (b) 所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號(hào)所示。分析電路的工

44、作原理，并作出輸出信號(hào)uo的波形。的波形。 解解:當(dāng)當(dāng)tT1時(shí)時(shí),D2比比D1正偏壓更大正偏壓更大,則則D2首先導(dǎo)通，首先導(dǎo)通，uo = ui2=0，導(dǎo)致導(dǎo)致D2反偏而截止；反之，當(dāng)反偏而截止；反之，當(dāng)T1tT3時(shí)時(shí),D1,D2也同時(shí)導(dǎo)通，也同時(shí)導(dǎo)通，uo = ui1 = ui2=0。該電路完成低電平選擇功能，。該電路完成低電平選擇功能， 并實(shí)現(xiàn)了并實(shí)現(xiàn)了邏輯邏輯“與與”運(yùn)算。運(yùn)算。 39 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理392.4雙極型晶體管雙極型晶體管 NPNNPN型晶體管型晶體管 PNPPNP型晶體管型晶體管 40 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理40

45、(4-40) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管芯結(jié)構(gòu)剖面圖管芯結(jié)構(gòu)剖面圖發(fā)射極和集電極不能互換。1 1、發(fā)射區(qū)相對(duì)于基區(qū)摻雜濃度大；、發(fā)射區(qū)相對(duì)于基區(qū)摻雜濃度大；2 2、基區(qū)很薄、基區(qū)很薄; ;3 3、集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)、集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié) 41 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理41(4-41)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)兩種結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)兩個(gè)結(jié)兩個(gè)結(jié) 三個(gè)區(qū)三個(gè)區(qū)三個(gè)極三個(gè)極 三種組態(tài)三種組態(tài)四種組合四種組合( (狀態(tài)狀態(tài)) ) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 42 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件

46、原理42(4-42)開關(guān)工作開關(guān)工作 BE結(jié)結(jié) BC結(jié)結(jié) 工作狀態(tài)工作狀態(tài)正偏正偏 正偏正偏反偏反偏 反偏反偏正偏正偏 反偏反偏反偏反偏 正偏正偏飽和飽和截止截止放大放大倒置倒置四種工作狀態(tài)四種工作狀態(tài) 43 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理43(4-43) 三極管放大的條件三極管放大的條件內(nèi)部?jī)?nèi)部條件條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大集電結(jié)面積大外部外部條件條件發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏 44 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理44三、集電區(qū)收集自由電子三、集電區(qū)收集自由電子 收集電流收集電流I

47、CN 反向飽和電流反向飽和電流ICBO2.4.1晶體管的工作原理晶體管的工作原理CNBNENENEPEIIIIIICBOBNEPCBOBNBIIIIIICBOCNCIII一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 電子注入電流電子注入電流IEN， 空穴注入電流空穴注入電流IEP 二、基區(qū)中自由電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合二、基區(qū)中自由電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合 基區(qū)復(fù)合電流基區(qū)復(fù)合電流IBN 45 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理45(4-45)BECNNPEBRBECIE進(jìn)入進(jìn)入P P區(qū)的電子少部區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流合，形成電流I IBNBN ，多數(shù)擴(kuò)散

48、到集電結(jié)。多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。直流偏置直流偏置發(fā)射結(jié)加正向電壓發(fā)射結(jié)加正向電壓集電結(jié)加反向電壓集電結(jié)加反向電壓 RC發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流發(fā)射極電流I IENEN。IBN從基區(qū)擴(kuò)散來從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集的電子作為集電結(jié)的少子，電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，結(jié)而被收集，形成形成I ICNCN。ICNIEN內(nèi)部載流子的傳輸過程內(nèi)部載流子的傳輸過程 46 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理46(4-46)RCBECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有集電結(jié)反偏，有少子形成的反向少子形成的反向電

49、流電流I ICBOCBO。ICBOIC=ICN+ICBOIBNICN從基區(qū)擴(kuò)從基區(qū)擴(kuò)散來的電散來的電子作為集子作為集電結(jié)的少電結(jié)的少子，漂移子，漂移進(jìn)入集電進(jìn)入集電結(jié)而被收結(jié)而被收集，形成集，形成I ICNCN。IB=IBN -ICBOIB內(nèi)部載流子的傳輸過程內(nèi)部載流子的傳輸過程 47 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理47(4-47)IB=IBN -ICBOIBBECNNPEBRBECIEICBOICNIC=ICN+ICBOIBNIE IEN =IBN+ICNRC基區(qū)空穴基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散形的擴(kuò)散形成成I IEPEP , ,可可忽略。忽略。I IEPEP內(nèi)部載流子

50、的傳輸過程內(nèi)部載流子的傳輸過程 48 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理48(4-48) 以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空自由電子和空穴穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管?；騾⑴c導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管?；駼JT (Bipolar Junction Transistor)。 雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè) PN PN 結(jié)組合而成，是一種電流控結(jié)組合而成，是一種電流控制電流源器件（制電流源器件（CCCSCCCS）。）。u 雙極型半導(dǎo)體三極管雙極型半

51、導(dǎo)體三極管(BJT) 雙極型的含義雙極型的含義：兩種載流子參與導(dǎo)電兩種載流子參與導(dǎo)電 49 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理49CBOBCBOCBNCNIIIIIIECBOCENCNIIIII1ENENENCNENCNBNCNIIIIIIII1BNBNBNCNBNCNENCNIIIIIIII晶體管的放大能力參數(shù)晶體管的放大能力參數(shù) 共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關(guān)系：換算關(guān)系： 50 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理50晶體管晶體管各各極電流關(guān)系極電流關(guān)系 CEBIIIBCIIBE)1

52、 (IIECIIEB)1 (IIBCEIII 描述：描述： 描述：描述： b c e b c e IB IC IE IB IC IE 51 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理51(4-51)BECIBIEICNPN型三極管型三極管BECIBIEICPNP型三極管型三極管三極管各極電流方向三極管各極電流方向 52 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理522.4.2晶體管的伏安特性晶體管的伏安特性 一、輸出特性一、輸出特性 0 5 10 15 20 uCE (V) iC (mA) IB 0 30 A 20 A 10 A IB 40 A 臨界飽和線 放 大 區(qū) 飽和區(qū)

53、截止區(qū) 1 2 3 4 放大區(qū)放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 ) 共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)： 共基極交流電流放大倍數(shù)：共基極交流電流放大倍數(shù)： 近似關(guān)系：近似關(guān)系： 恒流輸出恒流輸出和和基調(diào)效應(yīng)基調(diào)效應(yīng)飽和區(qū)飽和區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏 ) 飽和壓降飽和壓降 uCE(sat) 截止區(qū)截止區(qū)(發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏 ) 各各極電流絕對(duì)值很小極電流絕對(duì)值很小BCiiECii 53 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理53二、輸入特性二、輸入特性 0 uBE (V) iB (A) 30 60

54、90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 當(dāng)當(dāng)uBE大于導(dǎo)通電壓大于導(dǎo)通電壓 UBE(on) 時(shí)，晶體管導(dǎo)通，時(shí)，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下態(tài)。這兩種狀態(tài)下uBE近近似等于似等于UBE(on) ，所以也可，所以也可以認(rèn)為以認(rèn)為UBE(on) 是導(dǎo)通的晶是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)當(dāng)uBE 1BC II 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài) 56 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理56(4-56)Rs放大電路放大電路IoIi+Vo+Vs+ViRL信號(hào)源信號(hào)源負(fù)載負(fù)載共基極接法共基極接法，基極作為公共電極

55、，用基極作為公共電極，用CB表示。表示。ECII 為共基電流放大系為共基電流放大系數(shù)，一般數(shù)，一般 = 0.9 0.99 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài) 57 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理57(4-57)Rs放大電路放大電路IoIi+Vo+Vs+ViRL信號(hào)源信號(hào)源負(fù)載負(fù)載共集電極接法共集電極接法，集電極作為公共電極，用，集電極作為公共電極，用CC表示表示;IE=IB（1） 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài) 58 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理58(4-58)共集電極接法，共集電極接法，集電極作為公共電極，用集電極作為公共電極，用CCCC表示表示;

56、;共基極接法，共基極接法，基極作為公共電極，用基極作為公共電極，用CBCB表示。表示。共發(fā)射極接法，共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用發(fā)射極作為公共電極，用CECE表示；表示；BJT的三種組態(tài)的三種組態(tài) 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài) 59 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理592.4.3晶體管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化直流模型晶體管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化直流模型 0 uCE iC I III II 0 uBE iB III I，II UCE(sat) UBE(on) IB UBE(on) b c e BII UBE(on) b c e b c e II III UCE(sat)

57、近似伏安特性近似伏安特性簡(jiǎn)化直流模型簡(jiǎn)化直流模型II放大區(qū)放大區(qū)IIII飽和區(qū)飽和區(qū)IIIIII截止區(qū)截止區(qū) 60 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理602.4.4直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析 3如果第如果第2步判斷集電結(jié)正偏，則晶體管處于飽和狀態(tài)。這時(shí)步判斷集電結(jié)正偏，則晶體管處于飽和狀態(tài)。這時(shí) UBE = UBE(on) ，UCE = UCE(sat) ，UCB = UCE - UBE，再由這三個(gè)極間電壓和外電，再由這三個(gè)極間電壓和外電路計(jì)算路計(jì)算IB、IC和和IE。確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步

58、驟：1根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。如果發(fā)射結(jié)根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。如果發(fā)射結(jié)反偏或正偏電壓不到反偏或正偏電壓不到 | UBE(on) | ，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IB、IC和和IE均均為零，再由外電路計(jì)算極間電壓為零，再由外電路計(jì)算極間電壓UBE、UCE和和UCB； 2如果第如果第1步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達(dá)到步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達(dá)到 | UBE(on) | ，則晶體管處于放，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。如果集電結(jié)反偏，大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。如果集電結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時(shí)

59、則晶體管處于放大狀態(tài)，這時(shí)UBE = UBE(on) 。根據(jù)外電路和。根據(jù)外電路和UBE(on) 計(jì)算計(jì)算IB，接下來接下來IC = IB，IE = IB + IC。再由這三個(gè)極電流和外電路計(jì)算。再由這三個(gè)極電流和外電路計(jì)算UCE和和UCB； 61 第二章第二章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理61 4 k 60 k RC RB UO UI UCC IB IC IE V 12 V 例例2.4.12.4.1晶體管直流偏置電路如圖所示，晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的已知晶體管的U UBE(on)BE(on) = 0.6 V = 0.6 V， = 50= 50。當(dāng)輸。當(dāng)輸入電壓入電壓U

60、 UI I分別為分別為0 V0 V、3 V3 V和和5 V5 V時(shí)，判斷晶體時(shí)，判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算輸出電壓管的工作狀態(tài)，并計(jì)算輸出電壓U UO O。 解：晶體管三個(gè)極電流的正方向如圖中所示。當(dāng)解：晶體管三個(gè)極電流的正方向如圖中所示。當(dāng)UI = 0 V時(shí)，晶體管處于截時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，止?fàn)顟B(tài)，IC = 0，UO = UCC - ICRC = 12 V；當(dāng)；當(dāng)UI = 3 V時(shí)，晶體管處于放大或時(shí)，晶體管處于放大或飽和狀態(tài)，假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，飽和狀態(tài)，假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，IB = UI - UBE(on) / RB = 40 A，IC = IB = 2 mA，UCB =