第1章晶体管开关

1、1 第一章 晶体管开关 2 1.1 半导体二极管 1.1.1 半导体基本知识 一、什么是半导体？ 导体 (金属原子的外层电子受原子核的束缚 力很小，自由电子成为导电的“载流子”) 绝缘体可运动的带电粒子 3 半导体：导电性能介于导体和绝缘 体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。 硅和锗的原子结构模型 (a)硅原子 (b)锗原子 简化模型 硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个 价电子。 4 1.本征半导体（纯净的半导体晶体） 硅和锗的晶体结构 （）点阵结构 （）共价键结构 点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子 之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的 价电子不仅围绕两个相邻原

2、子共用一对电子 5 热激发产生自由电子和空穴 室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚 u成为自由电子，同时在 共价键中留下一个空位 这个空位称为“空穴” 。失去价电子的原子成 为正离子，就好象空穴 带正电荷一样。 u在电子技术中,将空穴看 成带正电荷的载流子。 6 空穴运动 有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补 u这个空穴，这样空穴便 转移到邻近共价键中。 新的空穴又会被邻近的 价电子填补。带负电荷 的价电子依次填补空穴 的运动，从效果上看， 相当于带正电荷的空穴 作相反方向的运动。 （与自由电子的运动不同） 7 结论： 本征半导体中有两种载流子： u带负电荷的自由电子 带正电荷

3、的空穴 热激发产生的自由电子 和空穴是成对出现的， 电子和空穴又可能重新 结合而成对消失，称为 “复合”。在一定温度 下自由电子和空穴维持 一定的浓度。 8 2.N型和P型半导体 (1)N型半导体 在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有 四个多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很 u容易成为自由电子。磷原子 失去一个电子成为正离子（ 在晶体中不能移动） 每个磷原子都提供一个自由 电子，自由电子数目大大增 加，远远超过空穴数。这种 半导体主要依靠电子导电， 称为电子型或N型半导体。 9 N型半导体的特点： 自由电子 空 穴 多数载流子（简称多子） 少数载流子（简称少子） 只要掺入极少量

4、的杂质元素（1106），多子的 浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106倍。 掺入的杂质元素的浓度 越高，多数载流子的数 量越多。 10 (2)P型半导体 在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅 原子由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个 空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子 u得到一个电子成为负离子（ 在晶体中不能移动），失去 价电子的共价键中出现一个 空穴，每个硼原子都产生一 个空穴，空穴数目大大增加 ，远远超过自由电子数。这 种半导体主要依靠空穴导电 ，称为空穴型或P型半导体 11 P型半导体的特点： 空 穴 自由电子 多数载流子（简称多子） 少数载流子（简称少子） 掺入

5、的杂质元素的浓度 越高，多数载流子的数 量越多。 少数载流子是热激发而 产生的，其数量的多 少决定于温度。 12 3. PN结的形成 预备知识: u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方 式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓 度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域 运动，这种运动称为扩散运动。 u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂 成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一 个特殊的薄层 PN结 13 多子扩散运动形成空间电荷区 u由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向 扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而

6、留下不 能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的 正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P 区的内电场EIN。 PN结 14 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移 多子 扩散 空间电荷区加宽 内电场EIN增强 少子 漂移 促使 阻止 EIN EIN 空间电荷区变窄 内电场EIN削弱 u扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结 15 小结： PN结中同时存在多子的扩散运动和 少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散 运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂 移互相抵消，PN结中总的电流为零。 16 4. PN结的单向导电性 外加正向电压（也叫正向

7、偏置） u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运 动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P 区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这 时称PN结处于“导通”状态。 17 4. PN结的单向导电性 外加反向电压（也叫反向偏置） u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子 扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR ，因为是少子漂移运动产生的， IR很小，这时称PN 结处于“截止”状态。 18 PN结伏安特性 a. 外加正向电压较小时，外电场不足以克服内 电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。 Uo

8、nUon0.5V(0.5V(硅硅) ) UonUon0.1V(0.1V(锗锗) ) 19 c. 外加反向电压时， PN结处于截止状态，反 向电流 IR 很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向 电流 IR 急剧增加。 20 1.1.2 二极管符号及主要参数 A阳极 K阴极 二极管主要参数： 1.最大正向电流 IF 2.反向击穿电压U（BR） 3.反向电流 IR 4.最高工作频率 21 1.1.3 二极管应用举例 二极管的伏安特性是一个 非线性的曲线，在实际分 析电路中，导通时管压降 视为一个固定值：UD0.7V （硅） UD0.3V（锗） p42 或视为一个理想开关，即 导通时

9、视为“短路”，截 止时视为“开路”。这就 是电子线路中经常采用的 近似估算法。 p44 22 U Ui周期性矩形脉冲 23 1.2 半导体三极管 三极管的结构及工作原理 u(a)管芯结构图 (b)结构示意图 (c) 电路符号 u三极管内部结构的特点： 基区很薄，掺杂浓度最低. 发射区掺杂浓度很高，远 大于基区和集电区的掺杂 浓度. 发射区和基区之间的PN结 称为发射结，集电区和基 区之间的PN结称为集电结 NPN型三极管 b 基极 e 发射极 c 集电极 24 PNP型三极管 25 三极管电流的形成及分配 u1.电流的形成 发射区向基区发射电子，形成发射极电流 IE 发射结 正向偏置。 u电子

10、在基区复合形成基极电流 IB 由于基区很薄且空穴 浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复 合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。 u 集电结反向偏置， 基区中扩散到集电结 附近的电子，在电场 作用下漂移到集电区 ，形成集电极电流 IC 。 26 三极管电流的形成及分配三极管电流的形成及分配 u1.电流的分配关系 u发射区电子在基区 每复合一个，就要 向集电区供给个电 子，这是三极管内 固定不变的电流分 配原则。 BC II u 称为电流放大系数， 值通常在20200之间 27 1.2.1 三极管的特性曲线 输入特性曲线 输出特性曲线 BEB ui CEC ui 28 uBE Uon

11、(0.5V) IB=0 IC0 截止区截止区 u截止条件： uBE Uon(0.5V) 特点：特点： IB=0， IC0 c e 之间相当于断开的开之间相当于断开的开 关。关。 29 uBE Uon 放大区放大区 uCE uBE + u放大条件： uBE Uon uCE uBE 特点：特点： IC= IB， c e 之间之间 相当于受控电流源。相当于受控电流源。 B C I I P48 电流放大倍数 B C I I 30 uBE Uon 饱和区饱和区 uCE uBE + 饱和条件： uBE Uon uCE uBE 特点：特点： IC IB ， uCE UCES0.3V， c e 之间相之间相

12、当于闭合的开关。当于闭合的开关。 31 u饱和条件： uBE Uon uCE uBE 特特 点：点： IC IB ，uCEUCES0.3V， c e 之间相之间相 当于闭合的开关。当于闭合的开关。 u截止条件： uBE Uon(0.5V) 特点：特点： IB=0， IC0 c e 之间相当于断开的之间相当于断开的 开关。开关。 截止和饱和两个状态通称为开关状态。 32 1.2.2 三极管的主要参数及应用 Ib Ic 1 共发射极电流放大系数 = = 20-200 B C I I B C I I 33 三极管的主要参数 2 击穿电压 Ucbo,Uceo,Uebo 例如：Uebo=6V UeboU

13、ebo 34 三极管的主要参数三极管的主要参数 Ib Ic 3 最大电流ICM, 最大功率PCM Icm=600mA;PcM=625mW 设工作电流设工作电流Ic=200mA Uce625/200=3V 35 uI 周期性矩形脉冲 (1) uI = 0 时,三极管截止，iB = 0 , iC = 0 uO = UCiC RC = UC = 12V (2) uI = 5V 时， ARuuRUi bBEIbRbB 20210)7 . 05()( 36 uI 周期性矩形脉冲 mARUURUI CCESCCRCC 2 . 110)25. 012()( 条件成立VUu CESO 25. 0 BC II

14、假设三极管处于饱和状态 mAAI B 5 . 220125 VUU CESCE 25. 0 37 38 uPN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩 散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的 空穴积累，形成梯度分布；同理， N区的电子 扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电 子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及 空穴称为存储电荷。 u PN结正向导通时，PN结两侧出现的电子空穴积 累的现象叫做电荷存储效应。 预备知识: 39 1.2.3 三极管的开关时间和极间电容 u由于三极管内部电荷建立 和消失均需一定的时间， 截止和饱和两种状态的转 换不可能瞬间完成。 延迟时间 td 上升时间

15、 tr 开启时间 ton （几十到几百纳秒） 存储时间 ts 下降时间 tf 关闭时间 toff（几十到几百纳秒） 40 1.3 MOS场效应管场效应管 P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极 (s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层 上再制作一层金属铝，引出栅极(g)，衬底也引出 一个电极B。 MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应 来控制输出电流的，输入端不需要供给电流 金属-氧化物-半导 体场效应管 （Metal-Oxide- Semiconductor) 41 uGS= 0 时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结， 无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。 u u

16、GS 为正时，产生一个电 场，把P型衬底少子电子 吸引到衬底表面，当uGS 增大到一定值UT时，电子 在衬底表面形成一个N型 层即N型导电沟道。 42 IG=0ID=gmUGS 小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件 uGSUT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止 uGSUT时，D-S间才会形成导电沟道， 故称为 N沟道增强型MOS管。 uGS增大，导电沟道变宽。 即改变uGS可以控制iD的大小。 43n pp 注意PMOS管S D 电流从S流入，D流出 44 UGS(th)N:开启电压开启电压 转移特性转移特性 输出特性输出特性 uGSUGS(th)N， 管子处于截止状 态,D、S之间相当于断开的开关 uGS UGS(th)N ，u