第二章 常用半导体器件原理_201303_

1、 1 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 1 模拟电子技术基础 2 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 2 2.1半导体物理基础半导体物理基础 导体导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。 绝缘体绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 1020 m。 半导体半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗、锗 (Ge) 和砷化镓和砷化镓 (GaAs) 半导体

2、的导电能力随半导体的导电能力随温度、光照和掺杂温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，等因素发生显著变化， 这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。 2.1.1 半导体与绝缘体、导体的区别半导体与绝缘体、导体的区别 3 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 3 2.1.2本征半导体本征半导体 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。 硅和锗都是四价元素，硅和锗的原子最外层轨道上都有四硅和锗都是四价元素，硅和锗的原子最外层轨道上都有四 个电子，称为价电子，其物理化学性质很大程度上取决于最个电子，称为价电子，

3、其物理化学性质很大程度上取决于最 外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 。 由于原子呈中性，在图中原子核用带圆圈的由于原子呈中性，在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。符号表示。 + 4 带 一 个 单 位 负 电 荷 的 价 电 子 最 外 层 轨 道 带 四 个 单 位 正 电 荷 的 原 子 核 部 分 + 1 4 + 3 2 硅 原 子 简 化 模 型 锗 原 子 图 4 .1 .1 硅 和 锗 的 原 子 模 型 (b ) (c ) (a ) 4 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 4 (1-4) 共价

4、键中的两个电子被束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被束缚在共价键中，称为束缚束缚 电子电子。共价键中的束缚电子是。共价键中的束缚电子是不能导电的不能导电的。 形成共价键后，每个原子的最外层形成共价键后，每个原子的最外层 电子是八个，构成稳定结构。电子是八个，构成稳定结构。 共价键的结合力使原子规则排列，共价键的结合力使原子规则排列， 形成晶体。形成晶体。 +4+4 +4+4 5 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 5 (1-5) 在绝对在绝对0 0度（度（T T=0K=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时, ,价电子完全被共价键束缚着，价电子完全被共价键束缚着， 本征半

5、导体中没有可以运动的带电粒子本征半导体中没有可以运动的带电粒子, ,即即载流子载流子(Carrier)(Carrier) ，它没有导电能，它没有导电能 力，相当于绝缘体。力，相当于绝缘体。 本征半导体共价键中的价电子接受外界能量激发，获得足够的能量本征半导体共价键中的价电子接受外界能量激发，获得足够的能量 挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象称为，叫挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象称为，叫本征激发本征激发。本征激发产生。本征激发产生 电子电子- -空穴对空穴对。 如如: :在常温下，由于获得热能，使一些价电子获得足够的能在常温下，由于获得热能，使一些价电子获得足够的能 量而脱离共价键的束缚

6、，成为量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子(Free electron)(Free electron) ( (带负电），同时共带负电），同时共 价键上留下一个空位，称为价键上留下一个空位，称为空穴空穴(Hole)(Hole)（带正电）。（带正电）。 空位空穴是一个带正电的粒子其电量与电子相等，符号相空位空穴是一个带正电的粒子其电量与电子相等，符号相 反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体体中运动，从而和自由电子一样反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体体中运动，从而和自由电子一样 可以可以参加导电。参加导电。 载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 自由电子和空穴在自由移动过程中相

7、遇时，自由电子填入空穴，释放自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放 出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合复合。 6 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 6 + 4 价 电 子 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 共 价 键 图 4 .1 .2 本 征 半 导 体 的 空 间 晶 格 结 构 本征激发本征激发 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 电 子 图 4 .1 .3 本 征 激 发 成 对 产 生 自 由 电 子 和 空 穴 共价键共价键 + 4 + 4 + 4 +

8、 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 图 4.1.4 价 电 子 反 向 递 补 运 动 相 当 于 空 穴 移 动 空 穴 移 动 方 向 价 电 子 移 动 方 向 图 4 .1 .5 复 合 消 失 一 对 自 由 电 子 和 空 穴 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 电 子 二种载流子二种载流子 复合复合 7 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 7 本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。 分别用分别用ni和和pi

9、表示自由电子和空穴的浓度表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) kT E eTApn 22 3 0ii 0G 其中其中 T 为为绝对绝对温度温度 (K) ；EG0 为为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗为，锗为0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数； 为玻尔兹曼常数；A0为常数为常数 。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓温度越高，载流子的浓 度越高度越高,因此本征半导体的导电能力越强。因此本征半导体的导电能力越强。 2.1.3N 型半导体和型半导体和 P

10、 型半导体型半导体 本征半导体的导电能力很弱本征半导体的导电能力很弱。人工少量掺杂某些元素的原子，人工少量掺杂某些元素的原子，可可显著提显著提 高半导体的导电能力，杂质半导体分为高半导体的导电能力，杂质半导体分为 N N 型半导体型半导体和和 P P 型半导体。型半导体。 8 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 8 一、一、N N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑），或锑）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的 最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子最外

11、层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子 形成共价键，形成共价键，必定多出一个电子，必定多出一个电子，这个电子很容易被这个电子很容易被 激发而成为自由电子，从而大量增加了自由电子的浓激发而成为自由电子，从而大量增加了自由电子的浓 度。这样磷原子就成了不能移动的度。这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子带正电的离子。每。每 个磷原子给出一个电子，磷原子称为个磷原子给出一个电子，磷原子称为施主原子。施主原子。 多数载流子一一自由电子多数载流子一一自由电子 少数载流子一一空穴少数载流子一一空穴 热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子

12、浓度的乘积恒等于本征半导体中载流 子浓度子浓度 ni 的平方，所以的平方，所以少子少子空穴的浓度空穴的浓度 pn为为 Dn Nn D 2 i n 2 i n N n n n p 自由电子浓度自由电子浓度 (杂质浓度杂质浓度) 少子浓度与温度关系极大少子浓度与温度关系极大 多余多余 电子电子 磷原子磷原子 9 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 9 二、二、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻

13、的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空位。产生一个空位。这个这个 空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为 不能移动的不能移动的带负电的离子带负电的离子。由于硼原子接受电子，。由于硼原子接受电子， 所以称为所以称为受主原子受主原子 多数载流子一一空穴多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子少数载流子一一自由电子 而而少子少子-自由电子的浓度自由电子的浓度 np 为为 环境温度也明显影响环境温度也明显影响 np 的取值。的取值。 Ap Np A 2 i p 2 i p N n p n

14、n 空穴浓度空穴浓度(掺杂掺杂浓度浓度) +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空 位 受 主 原 子 图 4.1.7 P 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的 平 面 示 意 10 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 10 2.1.4漂移电流和扩散电流漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。 半导体电流半导体电流 半导体电流半导体电流 漂移电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场在电场的作用下，自由电子会逆着电场 方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，方向漂移，而空

15、穴则顺着电场方向漂移， 这样产生的电流称为漂移电流，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的该电流的 大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和 电场强度。电场强度。 扩散电流：扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载半导体中载流子浓度不均匀分布时，载 流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而 形成扩散电流，形成扩散电流，该电流的大小正比于载流该电流的大小正比于载流 子的浓度差即浓度梯度的大小。子的浓度差即浓度梯度的大小。 Pn III 11 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 11 2.2PN 结结 在同一片半导体

16、基片上，通过掺杂工在同一片半导体基片上，通过掺杂工 艺，一边做成艺，一边做成 P P 型半导体，另一边做成型半导体，另一边做成 N N 型半导体，则型半导体，则 P P 型半导体和型半导体和 N N 型半型半 导体的交接面处会形成一个有特殊物理导体的交接面处会形成一个有特殊物理 性质的薄层，称为性质的薄层，称为 PN PN 结结。 2.2.1PN 结的形成结的形成 + + + + P 区 N 区 (a) + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 (b) 空 间 电 荷 区 内建电场 0 UB UB 图 4.2.1 P N 结 的 形 成 (a) 多 子 的

17、 扩 散 ； (b) 空 间 电 荷 区 ， 内 建 电 场 和 内 建 电 位 差 的 产 生 + + + + + + + + + + + + 多子扩散多子扩散 空间电荷区，内建电场空间电荷区，内建电场 和内建电位差的产生和内建电位差的产生 少子漂移少子漂移动态平衡动态平衡 12 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 12 空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。空间电荷区中没空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。空间电荷区中没 有载流子有载流子 在掺杂浓度不对称的在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边结中，耗尽区在重掺杂一边 延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。延伸较小，而在轻掺

18、杂一边延伸较大。 耗 尽 区 耗 尽 区 + + + + + + + + + + + + + + + + (a) (b) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 P 区 N 区 图 4.2.2 掺 杂 浓 度 不 对 称 的 PN 结 (a) P +N 结 ； (b) PN+ 结 13 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 13 2.2.2PN 结的单向导电特性结的单向导电特性 + + + + + + + + +

19、+ + + + + + + P 区 N 区 耗尽区 0 UB U UB E R U 内建电场 外加电场 正向电流 图 4.2.3 正向偏置的 PN 结 一一、正、正向偏置的向偏置的 PN 结结 正向偏置正向偏置耗尽区变窄耗尽区变窄 扩散运动加强，扩散运动加强， 漂移运动减弱漂移运动减弱 正向电流正向电流 二二、反、反向偏置的向偏置的 PN 结结 P 区 耗 尽 区 0 UB U UB E R U 内 建 电 场 外 加 电 场 N 区 反 向 电 流 图 4.2.4 反 向 偏 置 的 PN 结 + + + + + + + + + + + + + + + + 反向偏置反向偏置 耗尽区变宽耗尽区

20、变宽 扩散运动减弱，扩散运动减弱， 漂移运动加强漂移运动加强 反向电流反向电流 14 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 14 PN 结的单向导电特性：结的单向导电特性： PN 结只需要较小的正向电压，结只需要较小的正向电压，就能就能产生较大的正向电流，产生较大的正向电流， 而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变(指数特性指数特性) 而在反偏时，少子只能提供很小而在反偏时，少子只能提供很小很小很小的漂移电流，并且基本的漂移电流，并且基本 上不随反向电压而变化。上不随反向电压而变化。 15 第四章第四章 常用半导体器件原理常用

21、半导体器件原理 15 2.2.3PN 结的击穿特性结的击穿特性 当当 PN 结上的反向电压足够大时，反向电流急结上的反向电压足够大时，反向电流急 增，这种现象称为增，这种现象称为 PN 结的击穿结的击穿。发生反向击。发生反向击 穿时的电压穿时的电压UBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压 雪崩击穿雪崩击穿： 反偏的反偏的 PN 结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功， 动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞 电离，把价电子击出共价键，产生一对新的自由电子和空穴，电离，把价电子击出共价

22、键，产生一对新的自由电子和空穴， 连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧 增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的 PN 结中。结中。 齐纳击穿齐纳击穿：在重掺杂的在重掺杂的 PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中 产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生 场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增 大，这种击穿称为齐纳击穿。大，这种击穿

23、称为齐纳击穿。 一般来说，对硅材料的一般来说，对硅材料的PNPN结，结，U UBR7V7V时为雪崩击穿；时为雪崩击穿； U UBR 5V UD(on) 时，时，iD 明显明显增大增大，二极管导通，二极管导通，UD(on) 称为导通电称为导通电 压压 (死区电压死区电压) ；uD 0 时，二极管是截止的；当反向电压足够大时，时，二极管是截止的；当反向电压足够大时， 二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。 19 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 19 二、二极管的管压降二、二极管的管压降 u D iD U D ( o n ) 0 伏安

24、特性曲线 Q E E R 负载线 U D ID E iD uD ( a ) ( b ) R 图 4 . 3 . 3 二极管的管压降 ( a ) 电路；( b ) 伏安特性和负载特性 D 当电源电压当电源电压 E 变化时，负载线平移到新的位置，变化时，负载线平移到新的位置， ID 有比较大的变有比较大的变 化，化，而而UD 变化不大，仍然近似等于变化不大，仍然近似等于 UD(on) ，所以认为，所以认为 UD(on) 是导通二是导通二 极管极管的近似的近似管压降管压降(硅管约硅管约0.6-0.7v,锗管约锗管约0.2-0.3v) 。 三、二极管的电阻三、二极管的电阻 Q ( U D, ID) u

25、D iD 0 Q ( U D, ID) ID U D ( a ) uD iD 0 ( b ) i u D 1 R D 1 r 图 4 . 3 . 4 二极管电阻的几何意义 ( a ) 直流电阻R D； ( b ) 交流电阻rD Q D D D I U R Q D i u r 直流电阻直流电阻交流电阻交流电阻 20 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 20 RD 和和 rD 随工作点的位置变化而改变随工作点的位置变化而改变 D T S T Q S T QQ D T D T d d I U eI U eI U i u i u r U U U u 2.3.2温度对二极管伏安特性的影响

26、温度对二极管伏安特性的影响 T 增大增大； Is 增大，增大，T增大增大10倍，倍，Is增大一倍。增大一倍。 减小减小， 雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。 )on(D U O )on(D C/mV. dT dU 52 21 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 21 2.3.3二极管的近似伏安特性和简化电路模型二极管的近似伏安特性和简化电路模型 uD iD UD(on) 0 一般二极管 uD iD UD(on) 0 交流电阻为零的二极管 uD iD 0 理想二极管 D 1 r I II II I II I rD 0 UD(on) 0 rD

27、0 UD(on) rD uD UD(on) uD UD(on) UD(on) uD UD(on) uD UD(on) uD 0 uD 0 I II I II I II 22 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 22 【例【例 2.3.1】电路如图电路如图 (a) 所示，计算二极管中的电流所示，计算二极管中的电流 ID 。已。已 知二极管的导通电压知二极管的导通电压UD(on) = 0.6 V，交流电阻，交流电阻 rD 近似为零。近似为零。 图 4 . 3 . 7 计算二极管电流 ( a ) 原电路；( b ) 等效电路 ( b ) 0 . 6 V 6 V 6 V R 1 2 k

28、 R 2 1 k I1 I2 ( a ) 6 V 6 V R 1 2 k R 2 1 k A ID ID D E E E E 解：解：可以判断二极管处于导通状态，将相应的电路模型可以判断二极管处于导通状态，将相应的电路模型 代入，得到图代入，得到图 (b) 。节点。节点 A 的电压的电压 UA E I1R1 I2R2 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 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 23 工作电流工作电流I IZ Z可以在可以在I IZmin Zmin到 到I IZmax

29、 Zmax的较大范围内调节，两端的反向 的较大范围内调节，两端的反向 电压成为电压成为稳定电压稳定电压U UZ Z。I IZ Z应大于应大于I IZmin Zmin以保证较好的稳压效果。 以保证较好的稳压效果。 同时，外电路必须对同时，外电路必须对I IZ Z进行限制，防止其太大使管耗过大，甚进行限制，防止其太大使管耗过大，甚 至烧坏至烧坏PNPN结，如果稳压二极管的最大功耗为结，如果稳压二极管的最大功耗为P PM M，则，则I IZ Z应小于应小于 I IZmax Zmax = = P PM M / / U UZ Z。 uD iD 0 IZ m in IZ m a x U Z iD IZ U

30、 Z uD (a ) (b ) 图 4 .3 .8 稳 压 二 极 管 (a ) 电 路 符 号 ； (b ) 伏 安 特 性 2.3.4稳压二极管稳压二极管 24 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 24 工作条件： IZmin IZ IZmax 1、Vi=Vi min，RL=RLMin时IZ最小： min min VVV izz Z L I RR minZ I min min minmin VV V iz L LZz RR RI max R IZ DZ IL RL V0 Vi R 25 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 25 工作条件： IZmin IZ

31、0.7 V时，时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo = ui - 0.7；当；当ui 0时，时，D1和和D2导通，而导通，而D3和和D4截止截止,故故uo = ui； 当当ui 2.7 V时，时，D导通，所以导通，所以 uo = 2.7 V；当；当ui 2.7 V时，时，D截止，其支路等效为开路，截止，其支路等效为开路，uo = ui。于是。于是 得到得到uo的波形，如图的波形，如图 (c) 所示，该电路把所示，该电路把ui超出超出2.7 V的部分削去后输出，的部分削去后输出， 是是上限幅上限幅电路。电路。 37 第四章第四章 常用半导体器件原

32、理常用半导体器件原理 37 例例2.3.6二极管限幅电路如图二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管所示，其中二极管D1和和D2的导通电压的导通电压 UD(on) = 0.3 V，交流电阻，交流电阻rD 0。输入电压。输入电压ui的波形在图的波形在图 (b) 中给出，作出中给出，作出 输出电压输出电压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 首先判断二极管是导通或截止首先判断二极管是导通或截止. 解：当解：当ui - 2.3 V时，时，

33、D1截止，截止， 支路等效为开路，支路等效为开路，uo = ui。所以。所以D1实现了下限幅；当实现了下限幅；当ui 2.3 V时，时，D2导导 通，通，uo = 2.3 V；当；当ui 2.3 V时，时，D2截止，支路等效为开路，截止，支路等效为开路，uo = ui。所。所 以以D2实现了上限幅。综合实现了上限幅。综合uo的波形如图的波形如图 (c) 所示，该电路把所示，该电路把ui超出超出 2.3 V的部分削去后进行输出，完成的部分削去后进行输出，完成双向限幅双向限幅。 38 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 38 三、电平选择电路三、电平选择电路 例例2.3.7图图 (

34、a) 给出了一个二极管电平选给出了一个二极管电平选 择电路，其中二极管择电路，其中二极管D1和和D2为理想二极管，输入信号为理想二极管，输入信号ui1和和ui2波形如图波形如图 (b) 所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。的波形。 R E ui2 uo t ui1 0 (a ) D 1 ui1 D 2 t ui2 0 t uo 0 (b ) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 解解:当当tT1时时,D2比比D1正偏压更大正偏压更大,则则D2首先导通，首先导通，uo = ui2=0， 导致导致D2反偏而截止；反之，当反偏而截止；

35、反之，当T1tT3时时,D1,D2也同时导通，也同时导通， uo = ui1 = ui2=0。该电路完成低电平选择功能，。该电路完成低电平选择功能， 并实现了并实现了逻辑逻辑“与与”运算。运算。 39 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 39 2.4双极型晶体管双极型晶体管 N 发射区 N 集电区 P 基区 发射结(e结) 集电结(c结) 发射极 e 集电极 c 基极 b P 发射区 P 集电区 N 基区 发射结(e结) 集电结(c结) 发射极 e 集电极 c 基极 b b c e b c e NPN型晶体管型晶体管 PNP型晶体管型晶体管 40 第四章第四章 常用半导体器件原

36、理常用半导体器件原理 40 (4-40) 结构特点：结构特点： 管芯结构剖面图管芯结构剖面图 发射极和集电 极不能互换。 1 1、发射区相对于基区掺杂浓度大；、发射区相对于基区掺杂浓度大； 2 2、基区很薄、基区很薄; ; 3 3、集电区掺杂浓度低，且集电结面积大于发射结、集电区掺杂浓度低，且集电结面积大于发射结 41 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 41 (4-41) B E C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 发射结发射结 集电结集电结 两种结构两种结构 两个结两个结 三个区三个区 三个极三个极 三种组态三种组态 四种组合四种组合( (状态状态) )

37、结构特点：结构特点： 42 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 42 (4-42) 开关工作开关工作 BE结结 BC结结 工作状态工作状态 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 饱和饱和 截止截止 放大放大 倒置倒置 四种工作状态四种工作状态 43 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 43 (4-43) 三极管放大的条件三极管放大的条件 内部内部 条件条件 发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大集电结面积大 外部外部 条件条件 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 44

38、 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 44 一、发射区向基区注入电子一、发射区向基区注入电子 电子注入电流电子注入电流IEN， 空穴注入电流空穴注入电流IEP 二、基区中自由电子边扩散二、基区中自由电子边扩散 边复合边复合 基区复合电流基区复合电流IBN 三、集电区收集自由电子三、集电区收集自由电子 收集电流收集电流ICN 反向饱和电流 反向饱和电流ICBO 2.4.1晶体管的工作原理晶体管的工作原理 CNBNENENEPE IIIIII CBOBNEPCBOBNB IIIIII CBOCNC III 45 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 45 (4-45)

39、 B E C N N P EB RB EC IE 进入进入P P区的电子少部区的电子少部 分与基区的空穴复分与基区的空穴复 合，形成电流合，形成电流I IBN BN ， ， 多数扩散到集电结。多数扩散到集电结。 直流偏置直流偏置 发射结加正向电压发射结加正向电压 集电结加反向电压集电结加反向电压 RC 发射结正偏，发射结正偏， 发射区电子发射区电子 不断向基区不断向基区 扩散，形成扩散，形成 发射极电流发射极电流 I IEN EN。 。 IBN 从基区扩散来从基区扩散来 的电子作为集的电子作为集 电结的少子，电结的少子， 漂移进入集电漂移进入集电 结而被收集，结而被收集， 形成形成I ICN

40、CN。 。 ICN IEN 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 46 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 46 (4-46) RC B E C N N P EB RB EC IE 集电结反偏，有集电结反偏，有 少子形成的反向少子形成的反向 电流电流I ICBO CBO。 。 ICBO IC=ICN+ICBO IBN ICN 从基区扩从基区扩 散来的电散来的电 子作为集子作为集 电结的少电结的少 子，漂移子，漂移 进入集电进入集电 结而被收结而被收 集，形成集，形成 I ICN CN。 。 IB=IBN -ICBO IB 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 47 第四

41、章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 47 (4-47) IB=IBN -ICBO IB B E C N N P EB RB EC IE ICBO ICN IC=ICN+ICBO IBN IE IEN =IBN+ICN RC 基区空穴基区空穴 向发射区向发射区 的扩散形的扩散形 成成I IEP EP , ,可可 忽略。忽略。 I IEP EP 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 48 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 48 (4-48) 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空自由电子和空 穴穴)参与导电，故称为双极型三极管。

42、或参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的 半导体器件，它由两个半导体器件，它由两个 PN PN 结组合而成，是一种电流控结组合而成，是一种电流控 制电流源器件（制电流源器件（CCCSCCCS）。）。 u 双极型半导体三极管双极型半导体三极管(BJT) 双极型的含义双极型的含义： 两种载流子参与导电两种载流子参与导电 49 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 49 共发射极直流电流放大倍数：共发射极直流电流放大倍数： 共基极直流电流放

43、大倍数：共基极直流电流放大倍数： 换算关系：换算关系： CBOB CBOC BN CN II II I I E CBOC EN CN I II I I 1 ENEN EN CNEN CN BN CN II I II I I I 1 BNBN BN CNBN CN EN CN II I II I I I 晶体管的放大能力参数晶体管的放大能力参数 50 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 50 晶体管晶体管各各极电流关系极电流关系 CEB III BC II BE )1 (II EC II EB )1 (II BCE III 描述：描述： 描述：描述： b c e b c e IB

44、 IC IE IB IC IE 51 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 51 (4-51) B E C IB IE IC NPN型三极管型三极管 B E C IB IE IC PNP型三极管型三极管 52 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 52 2.4.2晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 一、输出特性一、输出特性 0 5 10 15 20 uCE (V) iC (mA) IB 0 30 A 20 A 10 A IB 40 A 临界饱和线 放 大 区 饱和区 截止区 1 2 3 4 放大区放大区(发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 ) 共发射极交流电

45、流放大倍数：共发射极交流电流放大倍数： 共基极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数： 近似关系：近似关系： 恒流输出恒流输出和和基调效应基调效应 饱和区饱和区(发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏 ) 饱和压降饱和压降 uCE(sat) 截止区截止区(发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏 ) 各各极电流绝对值很小极电流绝对值很小 B C i i E C i i 53 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 53 二、输入特性二、输入特性 0 uBE (V) iB (A) 30 60 90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 当当uBE大于导通电压大于导通电压

46、 UBE(on) 时，晶体管导通，时，晶体管导通， 即处于放大状态或饱和状即处于放大状态或饱和状 态。这两种状态下态。这两种状态下uBE近近 似等于似等于UBE(on) ，所以也可，所以也可 以认为以认为UBE(on) 是导通的晶是导通的晶 体管输入端固定的管压降；体管输入端固定的管压降； 当当uBE 1 B C I I 三极管的三种组态三极管的三种组态 56 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 56 (4-56) Rs 放放大大电电路路 IoIi + Vo + Vs + Vi RL 信号源信号源 负载负载 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示

47、。表示。 E C I I 为共基电流放大系为共基电流放大系 数，一般数，一般 = 0.9 0.99 三极管的三种组态三极管的三种组态 57 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 57 (4-57) Rs 放放大大电电路路 IoIi + Vo + Vs + Vi RL 信号源信号源 负载负载 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示; IE=IB（1） 三极管的三种组态三极管的三种组态 58 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 58 (4-58) 共集电极接法，共集电极接法，集电极作为公共电极，用集电极作为公共电极，用CC

48、CC表示表示; ; 共基极接法，共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CBCB表示。表示。 共发射极接法，共发射极接法，发射极作为公共电极，用发射极作为公共电极，用CECE表示；表示； BJT的三种组态的三种组态 三极管的三种组态三极管的三种组态 59 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 59 2.4.3晶体管的近似伏安特性和简化直流模型晶体管的近似伏安特性和简化直流模型 0 uCE iC I III II 0 uBE iB III I，II UCE(sat) UBE(on) IB UBE(on) b c e B I I UBE(on) b c e b c e I

49、I III UCE(sat) 近似伏安特性近似伏安特性 简化直流模型简化直流模型 II放大区放大区 IIII饱和区饱和区 IIIIII截止区截止区 60 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 60 2.4.4直流偏置下晶体管的工作状态分析直流偏置下晶体管的工作状态分析 确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤：确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤： 1根据外电路电源极性判断发射结是正偏还是反偏。如果发射结根据外电路电源极性判断发射结是正偏还是反偏。如果发射结 反偏或正偏电压不到反偏或正偏电压不到 | UBE(on) | ，则晶体管处于截止状态，则晶体管处于截止状态，IB、IC和和

50、IE均均 为零，再由外电路计算极间电压为零，再由外电路计算极间电压UBE、UCE和和UCB； 2如果第如果第1步判断发射结正偏电压达到步判断发射结正偏电压达到 | UBE(on) | ，则晶体管处于放，则晶体管处于放 大状态或饱和状态，再判断集电结是正偏还是反偏。如果集电结反偏，大状态或饱和状态，再判断集电结是正偏还是反偏。如果集电结反偏， 则晶体管处于放大状态，这时则晶体管处于放大状态，这时UBE = UBE(on) 。根据外电路和。根据外电路和UBE(on) 计算计算IB ，接下来，接下来IC = IB，IE = IB + IC。再由这三个极电流和外电路计算。再由这三个极电流和外电路计算U

51、CE和和 UCB； 3如果第如果第2步判断集电结正偏，则晶体管处于饱和状态。这时步判断集电结正偏，则晶体管处于饱和状态。这时 UBE = UBE(on) ，UCE = UCE(sat) ，UCB = UCE - UBE，再由这三个极间电压和外电，再由这三个极间电压和外电 路计算路计算IB、IC和和IE。 61 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 61 4 k 60 k RC RB UO UI UCC IB IC IE V 12 V 例例2.4.12.4.1晶体管直流偏置电路如图所示，晶体管直流偏置电路如图所示， 已知晶体管的已知晶体管的U UBE(on) BE(on) = 0.

52、6 V = 0.6 V， = 50= 50。当输。当输 入电压入电压U UI I分别为分别为0 V0 V、3 V3 V和和5 V5 V时，判断晶体时，判断晶体 管的工作状态，并计算输出电压管的工作状态，并计算输出电压U UO O。 解：晶体管三个极电流的正方向如图中所示。当解：晶体管三个极电流的正方向如图中所示。当UI = 0 V时，晶体管处于截时，晶体管处于截 止状态，止状态，IC = 0，UO = UCC - ICRC = 12 V；当；当UI = 3 V时，晶体管处于放大或时，晶体管处于放大或 饱和状态，假设晶体管处于放大状态，饱和状态，假设晶体管处于放大状态，IB = UI - UBE

53、(on) / RB = 40 A，IC = IB = 2 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - UBE(on) = 3.4 V 0，所以集电结反，所以集电结反 偏，假设成立，偏，假设成立，UO = UC = 4 V；当；当UI = 5 V时，计算得到时，计算得到UCB = - 3.28 V 0， 所以晶体管处于饱和状态，所以晶体管处于饱和状态，UO = UCE(sat) 。 62 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 62 2 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例例2.4.22.4.2晶体管直流偏置电路

54、如图所示，晶体管直流偏置电路如图所示， 已知晶体管的已知晶体管的U UBE(on) BE(on) = - 0.7 V = - 0.7 V， = 50= 50。判。判 断晶体管的工作状态，并计算断晶体管的工作状态，并计算I IB B、I IC C和和U UCE CE。 。 解：图中晶体管是解：图中晶体管是PNP型，型，UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+ )IBRE = - 0.7 V，得到，得到IB = - 37.4 A 0，所以晶体管处于放大或饱和状，所以晶体管处于放大或饱和状 态。态。IC = IB = - 1

55、.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V UGS(th) 电场电场 反型层反型层 导电沟道导电沟道 ID 0 UGS控制控制ID的大小的大小 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 72 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 72 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET在在UGS 0时就存在时就存在ID ID0。UGS 的增大将增大的增大将增大ID。当。当UGS 0时，且时，且| UGS | 足够大时，导电沟足够大时，导电沟 道消失，道消失，ID 0，此时的，此时的UGS为夹断电压为夹断电压UGS(off)

56、 。 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 二、特性曲线二、特性曲线 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 5 V 4 V UDG UGS(th) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(th) 击穿区 UGS 7 V G D N N P 衬底 S B UGS UDS ID 预夹断预夹断 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 73 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 73 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 n为导电沟道中自由电子运动的迁移率；为导电沟道中自由电子运动的迁移率

57、； Cox为单位面积的栅极电容；为单位面积的栅极电容； W 和和 L分别为导电沟道的宽度和长度，分别为导电沟道的宽度和长度，W / L为宽长比。为宽长比。 2 GS(th)GS oxn D )( 2 Uu L WC i )1 ()( 2 DS 2 GS(th)GS oxn D uUu L WC i 74 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 74 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 3 V 0 UDG UGS(off) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(off) 击穿区 UGS

58、 = 9 V 0 3 6 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 2 3 4 3 9 6 1 2 GS(off) GS D0D 1 u u Ii 2 GS(off) oxn D0 2 U L WC I 75 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 75 (4-75) 关于场效应管符号的说明：关于场效应管符号的说明： D G S B D G S B D G S B S G D N沟道增强沟道增强 型型MOS管，管， 衬底箭头向衬底箭头向 里。漏、衬里。漏、衬 底和源、分底和源、分 开，表示零开，表示零 栅压时沟道栅压时沟道 不通。不通。 表示衬底表示衬底 在内部没在内部没

59、有与源极有与源极 连接。连接。 N沟道耗尽沟道耗尽 型型MOS管。管。 漏、衬底和漏、衬底和 源不断开表源不断开表 示零栅压时示零栅压时 沟道已经连沟道已经连 通。通。 N沟道结沟道结 型型MOS管。管。 没有绝缘没有绝缘 层。层。 如果是如果是P沟道，箭头则向外。沟道，箭头则向外。 76 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 76 2.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比 G D S G D S G D S B G D S B G D S B G D S B JF ET N 沟 道 P 沟 道 N 沟 道 P 沟 道 N

60、 沟 道 P 沟 道 增 强 型 耗 尽 型 M O SF ET 电路符号电路符号 0 UGS iD IDSS UGS(off) UGS(th) JFET N 沟道 ID0 MOSFET 耗尽型 N 沟道 增强型 N 沟道 UGS(th) UGS(off) JFET P 沟道 增强型 P 沟道 耗尽型 P 沟道 IDSS ID0 0 UDS iD JFET N 沟道 MOSFET 耗尽型 N 沟道 增强型 N 沟道 0 2 7 4 2 3 3 1 4 2 0 5 1 1 6 5 3 2 UGS (V) 耗尽型 P 沟道 JFET P 沟道 增强型 P 沟道 UGS (V) 7 2 0 6 1