模擬電子技術(shù)第1章半導(dǎo)體器件

1、第一章 半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體三極管 場效應(yīng)管2021/9/121第一部分 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體的基本知識 PN結(jié)的形成及特性 半導(dǎo)體二極管 二極管基本電路及其分析方法 特殊二極管2021/9/122半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的基本知識 什么叫半導(dǎo)體？通常稱電阻率在10-3109cm范圍內(nèi)的物質(zhì)為半導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、 常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。 半導(dǎo)體的特性光敏性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變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)電能力隨溫度提高迅速增加純凈的鍺從20 升高到30 時，它的電阻率幾乎減小為原來的1/2雜敏性

2、 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(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！2021/9/123半導(dǎo)體的基本知識 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 在電子器件中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，它們的簡化原子模型如圖1-1所示。由于硅和鍺都是四價元素，因此最外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。半導(dǎo)體與金屬和絕緣體一樣，均具有晶體結(jié)構(gòu)，它們的原子形成有序的排列，鄰近原子之間由共價鍵連接，如圖1-2所示。圖1-1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型 圖1-2 硅和鍺的二維晶格結(jié)構(gòu)圖，正離子核通過共價鍵與鄰近的核相連接半導(dǎo)體二極管202

3、1/9/124半導(dǎo)體的基本知識 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 在絕對零度（273 ）時，價電子不能脫離共價鍵的束縛，所以在半導(dǎo)體中沒有自由電子，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度的光照下，價電子會獲得足夠的隨機熱振動能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，如圖1-3所示，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。圖1-3 由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對半導(dǎo)體二極管2021/9/125半導(dǎo)體的基本知識 本征半導(dǎo)體 當(dāng)電子掙脫共價鍵的束縛成為電子后，共價鍵中就留下了一個空位，這個空位叫做空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點。 在外加

4、電場作用下，鄰近的價電子就可以填補到這個空位上，而在這個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 電子與空穴的移動半導(dǎo)體二極管2021/9/126半導(dǎo)體的基本知識本征半導(dǎo)體共價鍵中空穴或束縛電子移動產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)空穴引起的?？梢园芽昭闯墒且粋€帶正電的粒子，它所帶的電量與電子相等，符號相反，在外加電場作用下，可以自由地在晶體中運動，從而和自由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)，自由電子和空穴總是

5、成對出現(xiàn)的。半導(dǎo)體二極管2021/9/127半導(dǎo)體的基本知識 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)主要是三價或五價元素。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2021/9/128半導(dǎo)體的基本知識 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)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，硼原子只有三個價電子，它與硅原子組成共價鍵時，因缺少一個電子，在晶體中便產(chǎn)生一個空位,當(dāng)相鄰共價鍵上的

6、電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時，就有可能填補這個空位，使硼原子成為不能移動的負離子，而原來硅原子的共價鍵則因缺少一個電子，形成空穴，半導(dǎo)體呈中性，如圖1-5所示。 圖1-5 P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管2021/9/129半導(dǎo)體的基本知識 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)體中摻入五價雜質(zhì)元素，如磷、砷、鏑等，因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子，如圖1-6所示。自由電子參與傳導(dǎo)電流，但它移動后，原來的雜質(zhì)原子位置上將留下一個固定的、不能移動的正離子，致使半導(dǎo)體仍然

7、保持中性。 圖1-6 N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管2021/9/1210半導(dǎo)體的基本知識 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價元素（硼、鎵、銦等）俘獲電荷，稱為受主雜質(zhì)+5價元素（磷、砷、鏑等）提供電子，稱為施主雜質(zhì)空穴，主要由摻雜形成電子，由熱激發(fā)形成電子，主要由雜質(zhì)原子提供空穴，由熱激發(fā)形成半導(dǎo)體中正負電荷數(shù)是相等的，因此保持電中性半導(dǎo)體二極管2021/9/1211PN結(jié)的形成及特性圖1-7 PN結(jié)的形成過程空穴電子(a) 擴散運動(b) 漂移運動載流子從濃度高的地方向濃度低的地方擴散擴散運動P區(qū)N區(qū)留下帶負電的雜質(zhì)離子留下帶正電的雜質(zhì)離子形成很薄的空間

8、電荷區(qū)，即PN結(jié)形成由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場，阻礙擴散運動 PN結(jié)的形成 半導(dǎo)體二極管2021/9/1212PN結(jié)的形成及特性圖1-7 PN結(jié)的形成過程空穴電子(a) 擴散運動(b) 漂移運動載流子在內(nèi)電場作用下發(fā)生的運動漂移運動P區(qū)N區(qū)使空間電荷變少，內(nèi)電場減小，又使擴散運動容易進行漂移運動和擴散運動相等時，便處于動態(tài)平衡狀態(tài) PN結(jié)的形成 半導(dǎo)體二極管2021/9/1213PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(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， 簡稱正偏， 如圖1-8所示。圖1-8 PN結(jié)外加正偏電壓 外電場方向與內(nèi)電場方向相反，擴

9、散運動增強，漂移運動幾乎減弱為零。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增加到一定值后，擴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PN結(jié)的電阻很小，稱之為正偏導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場半導(dǎo)體二極管2021/9/1214PN結(jié)的形成及特性 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?(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， 簡稱反偏， 如圖1-9所示。圖1-9 PN結(jié)外加反偏電壓 外電場方向與內(nèi)電場方向相同，擴散運動幾乎減弱為零，漂移運動增強。反向電流IR內(nèi)電場 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

10、度密切相關(guān)。 反向偏置時 PN 結(jié)呈現(xiàn)出一個很大的電阻，基本不導(dǎo)電。半導(dǎo)體二極管為什么？2021/9/1215PN結(jié)的形成及特性 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，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)具有單向?qū)щ娦?。半?dǎo)體二極管2021/9/1216PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)反向擊穿 在測量PN結(jié)的VI特性時，如果加到PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加，這個現(xiàn)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，PN結(jié)中內(nèi)電場較強

11、，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。半導(dǎo)體二極管2021/9/1217PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)反向擊穿 齊納擊穿：對摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓，耗盡層可獲得很大的場強，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。 電擊穿的過程是可逆的。但它有一個前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去而使PN結(jié)溫度上升，直到過熱而燒毀，這種現(xiàn)象就是熱擊穿。熱擊穿是不可逆的。半導(dǎo)體二極管2021/9/1

12、218PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)的VI 特性 IS ： 反向飽和電流e ： 自然對數(shù)底 VT ：溫度的電壓當(dāng)量 在常溫(300 K)下，VT 26 mV 二極管加反向電壓，即 V VT ，則 I - IS。二極管加正向電壓，即 V 0，且 V VT ，則 ，說明電流 I 與電壓 V基本上成指數(shù)關(guān)系。PN結(jié)的VI特性可表達為半導(dǎo)體二極管2021/9/1219半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。圖1-10 半導(dǎo)體二極管的典型結(jié)構(gòu)點接觸型二極管 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

13、 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形式。半導(dǎo)體二極管2021/9/1220半導(dǎo)體二極管 二極管的VI特性 圖1-11 二極管VI特性曲線(1) 正向特性（外加正偏電壓） 當(dāng) 0VVth時 外電場還不足以克服PN 結(jié)的內(nèi)電場， 正向擴散電流仍幾乎為零。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 外加電場足以克服內(nèi)電場，擴散運動迅速增加，開始產(chǎn)生正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增加。 半導(dǎo)體二極管2021/9/1221半導(dǎo)體二極管 二極管的VI特性 圖1-11 二極管VI特性曲線(2) 反向特性（外加反偏電壓） 當(dāng)

14、VBRV0時 反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流 。 當(dāng) V Vth時 反向電流急劇增大， 這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。 發(fā)生擊穿時的電壓稱作擊穿電壓VBR 。半導(dǎo)體二極管2021/9/1222半導(dǎo)體二極管 二極管的參數(shù) (1) 最大整流電流IFM二極管允許通過的最大正向平均電流。 (2) 反向擊穿電壓VBR指管子反向擊穿時的電壓值。一般手冊上給出 的最高反向工作電壓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工作電壓時的反向電流，其 值越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?(4) 最高工作頻率fM fM反映了PN結(jié)電容的影響。當(dāng)工作電壓

15、超過fM 后，二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹０雽?dǎo)體二極管2021/9/1223二極管基本電路及其分析方法 二極管正向VI特性的建模 (1) 理想模型：相當(dāng)于一個理想開關(guān)，正偏時二極管導(dǎo)通管壓降為0V，反偏時電阻無窮大，電流為零。vDiD0D圖1-12 理想模型(a) VI 特性(b) 代表符號vDiD+-半導(dǎo)體二極管2021/9/1224二極管基本電路及其分析方法 二極管正向VI特性的建模 (2) 恒壓降模型：二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)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。注意：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) VI

16、 特性(b) 代表符號vDiD+-半導(dǎo)體二極管2021/9/1225二極管基本電路及其分析方法 二極管正向VI特性的建模 （3）折線模型：認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，模型中用一個電池和電阻 rD來作進一步的近似，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) VI 特性(b) 代表符號vDiD+-VthrD半導(dǎo)體二極管2021/9/1226二極管基本電路及其分析方法 二極管正向VI特性的建模 （4）小信號模型：如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作，例如Q點（此時有vD=VD、iD=ID）

17、附近工作，則可把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號模型的微變電阻rd。vD0圖1-15 小信號模型(a) VI 特性(b) 代表符號iDvDiDiD+-vDrd半導(dǎo)體二極管VDIDQ2021/9/1227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)壓管工作于反向擊穿區(qū)(a)穩(wěn)壓管符號(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半導(dǎo)體二極管2021/9/1228 穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項： 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，管子兩端的反 向擊穿電壓。 4. 動態(tài)電阻 rZ 穩(wěn)壓管處于反向

18、擊穿時，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 測定VZ時所規(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)。2021/9/1229半導(dǎo)體二極管1. 若輸入電壓為正弦信號，請畫出以下電路的輸出電壓波形思考題2. 當(dāng)vi1和vi2的值為0V或5V時,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5V6sintD1D2D1、D2為硅管2021/9/12303. 二極管電路如圖所示，試判斷圖中的二極管是導(dǎo)

19、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=3k，設(shè)vi=15sintV，試畫出vO的波形。半導(dǎo)體二極管2021/9/1231半導(dǎo)體二極管內(nèi)容回顧半導(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價元素施主雜質(zhì)失去電子后留下帶正電的離子摻入3價元素受主雜質(zhì)得到電子后留下帶負電的離子多子：空穴少子：電子多子：電子少子：空穴2021/9/1232半導(dǎo)體二極管N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)1. 擴散運動 多子的運動，產(chǎn)生內(nèi)電場，阻礙擴散運動。2. 漂移運動 少子在內(nèi)電場作用下的運動，削弱內(nèi)電場，

20、使擴散運動容易進行無外加電場時擴散運動和漂移運動處于平衡狀態(tài)外加正向偏壓（P N）時PN結(jié)正向?qū)?，由擴散運動產(chǎn)生正向電流IF外加反向偏壓（P N）時PN結(jié)反向截止，由漂移運動產(chǎn)生反向飽和電流ISI - IS反向偏壓繼續(xù)增加 電擊穿（可逆），熱擊穿（不可逆）2021/9/1233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2021/9/1234半導(dǎo)體二極管vDiD0vDiD0vDiD0vD0iDvDiDVDIDQ理想模型恒壓降模型折線模型小信號模型2021/9/1235特殊二極管穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)I/mAU/VO+ 正向 +反向UI半導(dǎo)體二極管動態(tài)電阻rZ小的管子穩(wěn)壓性能較好

21、2021/9/1236第二部分 半導(dǎo)體三極管 BJT的結(jié)構(gòu)簡介 BJT的電流分配與放大作用 BJT的特性曲線2021/9/1237半導(dǎo)體三極管BJT的結(jié)構(gòu)簡介 半導(dǎo)體三極管 半導(dǎo)體三極管(Bipolar Junction Tra-nsistor: BJT)是指通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件。圖1-17 半導(dǎo)體三極管器件PPNNNPNPN 型 BJT(2) PNP 型 BJT2021/9/1238半導(dǎo)體三極管圖1-18 NPN型BJT的結(jié)構(gòu)示意圖 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)反偏收集電子發(fā)射結(jié)集電結(jié)EBCBJT的

22、結(jié)構(gòu)簡介發(fā)射電子2021/9/1239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2021/9/1240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)射電子收集電子 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)載流子電子不斷通過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，形成發(fā)射級電流IE。 另外，基區(qū)的空穴也擴散到發(fā)射區(qū)，但由于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠高于基區(qū)，這部分空穴流與電子流相比可忽略不計。VEEVCCIE2021/9/1241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

23、發(fā)射電子收集電子 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)中的擴散與復(fù)合 由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后，就在基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的邊界積累起來，在基區(qū)中形成一定的濃度梯度。因此，電子就要向集電結(jié)方向擴散，在擴散過程中又會與基區(qū)中的空穴復(fù)合。VEEVCCIE2021/9/1242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)射電子收集電子 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)中的擴散與復(fù)合 同時，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)的空穴濃度保持不變。這樣就形成了基極電流IB，所以基極電流就是電

24、子在基區(qū)與空穴復(fù)合的電流。VEEVCCIEIB2021/9/1243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)射電子收集電子 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)中的擴散與復(fù)合 也就是說，注入基區(qū)的電子有一部分未到達集電結(jié)，如復(fù)合越多，則到達集電結(jié)的電子越少，對放大是不利的。所以為了減小復(fù)合，通常把基區(qū)做的很?。ㄎ⒚琢考墸?，并使基區(qū)的摻雜濃度很低，使大部分電子都能到達集電極。VEEVCCIEIB2021/9/1244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)射電子收集電子 管內(nèi)載流子的

25、傳輸發(fā)射結(jié)集電結(jié)(3) 集電極收集擴散過來的電子 由于集電結(jié)反偏，集電結(jié)的勢壘很高，集電區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結(jié)。但是這個勢壘對基區(qū)擴散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強的吸引力，可使電子很快地漂移過集電結(jié)為集電區(qū)所收集，形成集電極電流IC。VEEVCCIEIBIC發(fā)射電子思考：PNP型BJT應(yīng)該如何連接？2021/9/1245半導(dǎo)體三極管BJT的電流分配與放大作用NPN型VCVBVEVCVBVEIE的方向由管內(nèi)流向管外IE的方向由管外流進管內(nèi) |VB-VE|的值較小，一般硅管 取0.50.7V，鍺管取0.20.3V 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏PNP型2021/9/1246半導(dǎo)體三極管BJT的電

26、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)收集的電子流是發(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 12021/9/1247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，將會有更多的電子從射區(qū)擴散到基區(qū)（iE 增大），同時到達集電極的電子也會增加（iC 增大），基區(qū)內(nèi)復(fù)合的電子數(shù)也會增加（ iB 增大）。 iE 、 iC 和 iB三者之間的比例基本不變。 故對于一只特定的三極管， 和 的值可以近似地

27、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。2021/9/1248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 簡單的放大電路 BJT 最基本的一種應(yīng)用，是把微弱的電信號加以放大。一簡單的放大電路如圖2-3所示。 PN結(jié)的正向電壓對電流的控制作用很靈敏，因此 vI 的微小變化就可以引起 IE 很大的變化。 IC=IE，若=0.98，IC=0.98mA IC通過集電極的負載電阻RL產(chǎn)生一個變化電壓 vO ,若RL 取1k，則vO=ICRL=0.98V。 vO隨時間的變化規(guī)律與vI 相同，但幅度卻大了許多倍。所增大的倍數(shù)稱為電壓增益，即2021/9/1249半導(dǎo)體三極管BJT

28、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)部載流子運動的外部表現(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，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)2021/9/1250半導(dǎo)體三極管BJT的

29、特性曲線圖1-21 NPN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 的特性向右移動了一段距離，這是由于當(dāng)vCE=1V時，集電結(jié)吸引電子的能力加強，使得從發(fā)射區(qū)進入基區(qū)的電子更多地流向集電區(qū)，因此對應(yīng)于相同的 vBE，流向基極的電流 iB比原來 vCE=0時減小了。 當(dāng) vCE1V 以后，只要 vBE 保持不變，則從發(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，以至 vCE 再增加，iB 也不再明顯減小，故vCE1V后的輸入特性基本重合。2021/9/1251半導(dǎo)體三極管BJT的特性曲線(2

30、) 輸出特性 輸出特性的起始部分很陡。這是由于在vCE 很小時，集電結(jié)的反向電壓很小，對到達基區(qū)的電子吸引力不夠，這時vCE稍有增加，從基區(qū)到集電區(qū)的電子也增加，故iC 隨之增大。 當(dāng) vCE 超過某一數(shù)值后（約1V），特性曲線變得平坦。這是因為這時集電結(jié)的電場已經(jīng)足夠強，能使發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子絕大部分都到達集電區(qū)。由于iC=iB，在vCE大于約1V后，輸出特性是一組間隔基本均勻，比較平坦的平行直線。圖1-22 NPN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=02021/9/1252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增加時，由

31、于vBE變化較少（例如硅管的vBE0.7V），因此 vCB（集電結(jié)反向偏壓）隨之增加。vCB的增加使集電結(jié)的空間電荷區(qū)的寬度增加，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)合機會減少，使電流放大系數(shù)增大，在iB不變的情況下，iC將隨vCE增大，特性曲線向上傾斜，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。圖1-23 NPN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)2021/9/1253半導(dǎo)體三極管思考題1. 測得某放大電路中BJT的三個電極A、B、C的對地電位分別為VA=-9V,VB=-6V，VC=-6.2V，試分析A、B、C中哪個是基極b，發(fā)射極e、集電極c，并說明此BJT是NPN管還是PNP

32、管。2. 某放大電路中BJT三個電極A、B、C的電流如圖所示，用萬用表直流電流檔測得IA=-2mA,IB=-0.04mA，IC=2.04mA，試分析A、B、C中哪個是基極b，發(fā)射極e、集電極c，并說明此BJT是NPN管還是PNP管。2021/9/1254半導(dǎo)體三極管內(nèi)容回顧PNPNPN三個極、三個區(qū)和兩個結(jié)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏發(fā)射區(qū)發(fā)射電子，形成 iE；電子在基區(qū)中的擴散與復(fù)合，則形成 iB；集電區(qū)收集電子，形成iC。iE=iB+iC； iC= iE; iC= iB 1電流分配關(guān)系VCVBVEVCVB0vGS0 N溝道JFET工作時，在柵極與源極間需加一負電壓，使柵極、溝道間的PN結(jié)反偏，柵

33、極電流iG0，場效應(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）在電場作用下由源極向漏極運動，形成電流iD。iD2021/9/1259場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 工作原理(1) vGS對iD的控制作用圖1-26 vDS=0時，柵源電壓vGS改變對導(dǎo)電溝道的影響(a) vGS=0(b) VPvGS0(c) vGSVP 在反偏電壓 vGS 作用下，兩個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。2021/9/1260場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)

34、管圖1-27 vGS=0時，漏源電壓vDS改變對導(dǎo)電溝道的影響 工作原理(2) vDS對iD的控制作用(a) vDS=0(b) vDS|VP|(b) 隨著vDS逐漸增加，一方面溝道電場強度加大，有利于漏極電流iD增加；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)生了一個沿溝道的電位梯度。離源極越遠，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 2021/9/1261場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管圖1-27 vGS=0時，漏源電壓vDS改變對導(dǎo)電溝道的影響 工作原理(2) vDS對iD的控制作用(a) vDS=0(b) vDS|VP|(b) 越大，耗盡層也越向N型半導(dǎo)體中心

35、擴展，使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道比靠近源極處要窄，導(dǎo)電溝道呈楔形。從這方面說，增加vDS，又產(chǎn)生了阻礙漏極電流iD提高的因素。但在vDS較小時，導(dǎo)電溝道靠近漏端區(qū)域仍較寬，阻礙因素是次要的。故iD迅速增大。 2021/9/1262場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管圖1-27 vGS=0時，漏源電壓vDS改變對導(dǎo)電溝道的影響 工作原理(2) vDS對iD的控制作用(a) vDS=0(b) vDS|VP|(c) 繼續(xù)增加vDS，當(dāng)耗盡層在A點相遇時，稱為預(yù)夾斷。(d) 溝道在A點預(yù)夾斷后，隨著vDS上升，夾斷長度會略有增加。但由于夾斷處場強也增大，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)電場基本上不隨

36、vDS改變而變化。所以，iD飽和。 2021/9/1263場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 特性曲線(1) 輸出特性(vGS一定時，vDS對iD的影響)圖1-28 N溝道JFET的輸出特性2021/9/1264場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 特性曲線(2) 轉(zhuǎn)移特性(vDS 一定時， vGS對iD的影響)圖1-29 N溝道JFET的轉(zhuǎn)移特性2021/9/1265場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管思考題1. 一個JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示，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 / V02021/9/1266場效應(yīng)管金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管圖1-30 N溝