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1、第一章第一章半导体器件半导体器件1.1半导体的特性半导体的特性1.2半导体二极管半导体二极管1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管场效应三极管1.1半导体的特性半导体的特性1.导导体体：电电阻阻率率 109 cm 物物质质。如如橡橡胶胶、塑料等。塑料等。3.半半导导体体：导导电电性性能能介介于于导导体体和和半半导导体体之之间间的的物物质质。大大多多数数半半导导体体器器件件所所用用的的主主要要材材料料是是硅硅(Si)和和锗锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅原子结构硅原子结构图图 1.1.1硅原子结构硅原子结构(a)硅的原子结
2、构图硅的原子结构图最外层电子称最外层电子称价电子价电子 价电子价电子锗原子也是锗原子也是 4 价元素价元素4 价价元元素素的的原原子子常常常常用用+4 电电荷荷的的正正离离子子和和周周围围 4个价电子表示。个价电子表示。+4(b)简化模型简化模型1.1.1本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体称为本征半导体。体称为本征半导体。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共共价价键键结结构。构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.2单晶体中的共价
3、键结构单晶体中的共价键结构当当温温度度 T=0 K 时时，半半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.3本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。1.半导体中两种载流子半导体中两种
4、载流子带带负电的负电的自由电子自由电子带带正电的正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关
5、，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。1.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半半导导体体)。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子
6、子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中 4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多多余余一一个个电电子子只只受受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自自由由电电子子浓浓度度远远大大于于空空穴穴的的浓浓度度，即即 n p。电电子子称称为为多多数数载载流流子子(简简称称多多子子)，空空穴穴称称为为少少数数载载流流子子(简称少子简称少子)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.4N 型型半导体的晶体结构半导体的晶体结构二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗
7、锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少数载流子。少数载流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主原子。主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.5P 型型半导体的晶体结构半导体的晶体结构说明：说明：1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半
8、导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 1.1.6杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特
9、殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层
10、。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩
11、散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。二、二、二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性1.PN PN 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.2.2PN在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一
12、个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN PN 结结结结外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。空间电荷区空间电荷区图图 1.2.3
13、反相偏置的反相偏置的 PN 结结反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结结处处于于截截止止状态状态。可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。1.2.2二极管的伏安特性二极管
14、的伏安特性将将 PN 结结封封装装在在塑塑料料、玻玻璃璃或或金金属属外外壳壳里里，再再从从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：二极管的结构：(a)外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号符号图图 1.2.4二极管的外形和符号二极管的外形和符号半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。点点接接触触型型管管子子中中不不允允许许通通过过较较大大的的电电流流，因因结结电电容容小，可在高频下工作。小，可在高频下工作。面面接接
15、触触型型二二极极管管 PN 结结的的面面积积大大，允允许许流流过过的的电电流流大，但只能在较低频率下工作。大，但只能在较低频率下工作。按按用用途途划划分分：有有整整流流二二极极管管、检检波波二二极极管管、稳稳压压二二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流，I=f(U)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.0255
16、0I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相相应应的的电电压压叫叫死死区区电电压压。范范围围称称死死区区。死死区区电电压压与与材材料料和和温温度度有有关关，硅硅管管约约 0.5 V 左左右右，锗锗管约管约 0.1 V 左右左右。正向特性正向特性死区死区电压电压6040200
17、0.4 0.8I/mAU/V当当正正向向电电压压超超过过死死区区电电压压后后，随随着着电电压压的的升升高高，正正向向电电流流迅迅速速增大。增大。2.反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当当电电压压超超过过零零点点几几伏伏后后，反反向向电电流流不不随随电电压压增增加加而而增增大，即饱和；大，即饱和；二二极极管管加加反反向向电电压压，反反向电流很小；向电流很小；如如果果反反向向电电压压继继续续升升高高，大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电
18、压反向击穿电压。击击穿穿并并不不意意味味管管子子损损坏坏，若若控控制制击击穿穿电电流流，电电压压降降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)3.伏安特性表达式伏安特性表达式(二极管方程二极管方程)IS：反向饱和电流反向饱和电流UT：温度的电压当量温度的电压当量在常温在常温(300 K)下，下，UT 26 mV二二极极管管加加反反向向电电压压，即即 U UT，则则 I IS。二极管加正向电压，即二极管加正向电压，即 U 0，且且 U UT，则，则，可得，可得 ，说明电流，说明电流 I 与电压与电压 U 基本上成指数关系。基本上成指数关系。结论：结论：二二极极管管具具有有
19、单单向向导导电电性性。加加正正向向电电压压时时导导通通，呈呈现现很很小小的的正正向向电电阻阻，如如同同开开关关闭闭合合；加加反反向向电电压压时时截截止止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从从二二极极管管伏伏安安特特性性曲曲线线可可以以看看出出，二二极极管管的的电电压压与与电电流流变变化化不不呈呈线线性性关关系系，其其内内阻阻不不是是常常数数，所所以以二二极极管管属于非线性器件。属于非线性器件。1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流
20、。2.最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工工作作时时允允许许加加在在二二极极管管两两端端的的反反向向电电压压值值。通通常常将将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR。3.反向电流反向电流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4.最高工作频率最高工作频率 fMfM 值值主主要要 决决定定于于 PN 结结结结电电容容的的大大小小。结结电电容容愈愈大大，二极管允许的最高工作频率愈低。二极管允许的最高工作频率愈低。*1.2.4二极管的电容效应二极管的电容效应当二极管上的电压发生变化时，当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，
21、使二极管具有电容效应。量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1.势垒电容势垒电容是由是由 PN 结的结的空间电荷区变化形成的。空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加结加正向电压正向电压（b)PN 结加结加反向电压反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+UV空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，如如同同电电容容的的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：由由于于 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 U 而而
22、变变化化，因因此此势势垒垒电电容容 Cb不不是是一一个个常常数数。其其 Cb=f(U)曲线如图示。曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S：结面积；结面积；l：耗尽层宽度。耗尽层宽度。OUCb图图 1.2.82.扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在在某某个个正正向向电电压压下下，P 区区中中的的电电子子浓浓度度 np(或或 N 区区的的空穴浓度空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x=0 处处为为 P 与与 N 区的交界处区的交界处当当电电压压加加大大，np(或或
23、pn)会会升升高高，如如曲线曲线 2 所示所示(反之浓度会降低反之浓度会降低)。OxnPQ12 Q当当加加反反向向电电压压时时，扩扩散散运运动动被被削削弱弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。Q正正向向电电压压时时，变变化化载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生变变化化，相相当当于于电电容容器器充充电电和和放放电电的过程的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.2.9综上所述：综上所述：PN 结结总总的的结结电电容容 Cj 包包括括势势垒垒电电容容 Cb 和和扩扩散散电电容容 Cd 两两部部分分。一一般般来来说说，当当二二极极管管正正向向偏偏置置时时，扩扩散散电电容容起起主主要
24、要作作用用，即即可可以以认认为为 Cj Cd；当当反反向向偏偏置置时时，势势垒垒电容起主要作用，可以认为电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值值都都很很小小，通通常常为为几几个个皮皮法法 几几十十皮皮法法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。1.2.5稳压管稳压管一一种种特特殊殊的的面面接接触触型型半半导体硅二极管。导体硅二极管。稳稳压压管管工工作作于于反反向向击击穿穿区区。I/mAU/VO+正向正向 +反向反向 U(b)稳压管符号稳压管符号(a)稳压管伏安特性稳压管伏安特性+I图图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号
25、稳压管的参数主要有以下几项：稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压稳定电压 UZ3.动态电阻动态电阻 rZ2.稳定电流稳定电流 IZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正正常常工工作作的的参参考考电电流流。I IZ，只要不超过额定功耗即可。只要不超过额定功耗即可。rZ 愈愈小小愈愈好好。对对于于同同一一个个稳稳压压管管，工工作作电电流愈大，流愈大，rZ 值值愈小。愈小。IZ=5 mA rZ 16 IZ=20 mA rZ 3 IZ/mA4.电压温度系数电压温度系数 U 稳压管的参数主要有以下几项：稳压管的参数主要有以下几项：稳稳压压管管电电流流不不变
26、变时时，环环境境温温度度每每变变化化 1 引引起起稳稳定定电压变化的百分比。电压变化的百分比。(1)UZ 7 V,U 0；UZ 4 V，U 0；(2)UZ 在在 4 7 V 之间，之间，U 值比较小，性能比较稳定。值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ =9 10.5 V，U =0.09%/2CW11：UZ =3.2 4.5 V，U =(0.05 0.03)%/(3)2DW7 系系列列为为温温度度补补偿偿稳稳压压管管，用用于于电电子子设设备备的的精密稳压源中。精密稳压源中。2DW7 系列稳压管结构系列稳压管结构(a)2DW7 稳压管外形图稳压管外形图(b)内部结构示意图内部结构示意图管管子子
27、内内部部包包括括两两个个温温度度系系数相反的二极管对接数相反的二极管对接在一起。在一起。温温度度变变化化时时，一一个个二二极极管管被被反反向向偏偏置置，温温度度系系数数为为正正值值；而而另另一一个个二二极极管管被被正正向向偏偏置置，温温度度系系数数为为负负值值，二二者者互互相相补补偿偿，使使 1、2 两两端端之之间间的的电电压压随随温温度度的的变变化化很很小小。例例：2DW7C，U =0.005%/图图 1.2.122DW7 稳压管稳压管5.额定功耗额定功耗 PZ额额定定功功率率决决定定于于稳稳压压管管允允许许的的温升。温升。PZ=UZIZPZ 会转化为热能，使稳压管发热。会转化为热能，使稳压
28、管发热。电工手册中给出电工手册中给出 IZM，IZM=PZ/UZ 例例 求求通通过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ 等等于于多多少少？R 是是限限流流电电阻，其值是否合适？阻，其值是否合适？IZVDZ+20 VR=1.6 k+UZ=12 V IZM=18 mA例题电路图例题电路图IZ IZM，电阻值合适。电阻值合适。解解 VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：图图 1.2.13稳压管电路稳压管电路UOIO+IZIRUI+1.外外加加电电源源的的正正极极接接管管子子的的 N 区区，电电源源的的负负极极接接 P 区区，保证管子工作在反向击穿区；保证管子工作在反向击穿区
29、；RL2.稳稳压压管管应应与与负负载载电电阻阻 RL 并联并联；3.必必须须限限制制流流过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ，不不能能超超过过规规定定值值，以以免免因因过热而烧毁管子。过热而烧毁管子。1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三三极极管管有有两两种种类类型型：NPN 和和 PNP 型型。主主要要以以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形1.3.1三极管
30、的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图图1.3.2三极管的结构三极管的结构(a)平面型平面型(NPN)(b)合金型合金型(PNP)NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发发射射极极，b基基 极极，c 集电极。集电极。平面型平面型(NPN)三极管制作工艺三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散e磷磷杂质扩散杂质扩散磷磷杂质扩散杂质扩散磷磷杂质扩散杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在在 N 型型硅硅片片(集集电电区区)氧氧化化膜膜上上刻刻一一个个窗窗口口，将将硼硼杂杂质质进进行行扩扩散散形
31、形成成 P 型型(基基区区)，再再在在 P 型型区区上上刻刻窗窗口口，将将磷磷杂杂质质进进行行扩扩散散形形成成N型型的的发发射射区区。引引出三个电极即可。出三个电极即可。合合金金型型三三极极管管制制作作工工艺艺：在在 N 型型锗锗片片(基基区区)两两边边各各置置一一个个铟铟球球，加加温温铟铟被被熔熔化化并并与与 N 型型锗锗接接触触，冷冷却却后后形形成成两两个个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集
32、电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型1.3.2三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不不具具备备放大作
33、用放大作用三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基基区区做做得得很很薄薄。通通常常只只有有几几微微米米到到几几十十微微米米，而而且且掺掺杂杂较较少少。三三极极管管放放大大的的外外部部条条件件：外外加加电电源源的的极极性性应应使使发发射射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。becRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程I EIB1.发发射射发发射射区区的的电电子子越越过过发发射射结结扩扩散散到到基基区区，基基区区的的空空穴穴扩扩
34、散散到到发发射射区区形形成成发发射射极极电电流流 IE(基基区区多多子子数数目目较较少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略)。2.复复合合和和扩扩散散电电子子到到达达基基区区，少少数数与与空空穴穴复复合合形形成成基基极极电电流流 Ibn，复复合合掉的空穴由掉的空穴由 VBB 补充补充。多多数数电电子子在在基基区区继继续续扩扩散，到达集电结的一侧。散，到达集电结的一侧。图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动becI EI BRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3.收收集集集集电电结结反反偏偏，有有利利于于收收集集基基区区扩扩散散过过来来的的电电子子而而形形成成集集
35、电电极极电电流流 Icn。其其能能量量来来自自外外接接电电源源 VCC。I C另另外外，集集电电区区和和基基区区的的少少子子在在外外电电场场的的作作用用下下将将进进行行漂漂移移运运动动而而形形成成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。ICBO图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动beceRcRb三极管的电流分三极管的电流分配关系配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp一一般般要要求求 ICn 在在 IE 中中占占的的比比例例尽尽量量大大。而而二二者者之之比比称称直直流流电电流放大系数流放大
36、系数，即，即一般可达一般可达 0.95 0.99三个极的电流之间满足节点电流定律，即三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IB代入代入(1)式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示表示，ICEO 称穿透电流。称穿透电流。当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略 ICEO，则由上式可得则由上式可得共共射射直直流流电电流流放放大大系系数数 近近似似等等于于 IC 与与 IB 之之比比。一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系
37、典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961.任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB IC 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时时，这这个个电电压压有有利利于于将将发发射射区区扩扩散散到到基基区区的的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。三极管处于放大状态。*特性右移特性右移(因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子)
38、OIB/AUCE 1 时的时的输入特性具有实用意义。输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321划划分分三三个个区区：截截止止区区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1
39、.截截止止区区IB 0 的的区域。区域。两两个个结结都都处处于于反反向向偏偏置。置。IB=0 时时，IC=ICEO。硅硅管管约约等等于于 1 A，锗锗管管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。截止区截止区截止区截止区2.放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特特点点：各各条条输输出出特特性性曲曲线线比比较较平平坦坦，近近似似为为水水平平线线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321放放大大区区集集电电极极电电流流和和基基极极电电流流体现放大作用，即体现放大作用，即放
40、放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特特点点：IC 基基本本上上不不随随 IB 而而变变化化，在在饱饱和和区区三三极极管管失失去放大作用。去放大作用。I C IB。当当 UCE=UBE，即即 UCB=0 时时，称称临临界界饱饱和和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管)，UCES 0.2 V(锗管锗管)饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区1.3.4三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的连接方式三极管的连接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法共基极接法VCCRb+VBBC1
41、TICIBC2Rc+(a)共发射极接法共发射极接法图图 1.3.10NPN 三极管的电流放大关系三极管的电流放大关系一、电流放大系数一、电流放大系数是是表征管子放大作用的参数。有以下几个：表征管子放大作用的参数。有以下几个：1.共射电流放大系数共射电流放大系数 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数忽略穿透电流忽略穿透电流 ICEO 时，时，3.共基电流放大系数共基电流放大系数 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时，时，和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：二、反向饱和电流二、反
42、向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电测量电路路(b)ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小小功功率率锗锗管管 ICBO 约约为为几几微微安安；硅硅管管的的 ICBO 小小，有有的的为为纳纳安数量级。安数量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流。之间的电流。值值愈大，则该管的愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。图图 1.3.11反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路三、三、极限参数极限参数1.集电极
43、最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 IC 过过大大时时，三三极极管管的的 值值要要减减小小。在在 IC=ICM 时时，值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区 将将 IC 与与 UCE 乘乘积积等等于于规规定定的的 PCM 值值各各点点连连接接起起来来，可得一条双曲线。可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极
44、管的安全工作区3.极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基基 极极 开开 路路 时时，集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的反反向击穿电压。向击穿电压。U(BR)CBO：发发射射极极开开路路时时，集集电电极极和和基基极极之之间间的的反向击穿电压。反向击穿电压。安安全全工工作作区区同同时时要要受受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区1
45、.3.5PNP 型三极管型三极管放放大大原原理理与与 NPN 型型基基本本相相同同，但但为为了了保保证证发发射射结结正正偏，集电结反偏，外加电源的极性与偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型型VCCVBBRCRb+uoui PNP 三三极极管管电电流流和和电电压实际方向。压实际方向。UCEUBE+IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP 三三极极管管各各极极电电流流和电压的规定正方向。和电压的规定正方向。P
46、NP 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电电压压(UBE、UCE)实实际际方方向向与与规规定定正正方方向向相相反反。计计算算中中UBE、UCE 为为负负值值；输输入入与与输输出出特特性性曲曲线线横横轴轴为为(UBE)、(UCE)。1.4场效应三极管场效应三极管只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型结型场效应管场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载
47、流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管
48、图图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变 UGS 大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减
49、减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流 ID 减减小小，反反之之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。*耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。1.设设UDS=0，在在栅栅源源之之间间加加负负电电源源 VGG，改改变变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时时，耗耗尽尽层层比比较较窄窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由由零零逐逐渐渐增增大大，耗耗尽尽层层逐逐渐渐加加宽宽，导导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS=UP，耗耗尽尽层层合合拢拢，导导电电沟
50、沟被被夹夹断断，夹断电压夹断电压 UP 为负值。为负值。ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b)UGS 0，在在栅栅源源间间加加负负电源电源 VGG，观察观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID。UGS=0，UDG ，ID 较大。较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS|UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改改变变 UGS ，改改变变了了 PN 结结中中电电场场，控控制制了了 ID，故故称称场场效效应应管管；(2