四章　常用半导体器件原理2ppt课件

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4.1半导体物理根底半导体物理根底 本章从半导体器件的任务机理出发，简单引见半导体物理根底知识，包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型运用电路，双极型晶体管和场效应管的构造、任务机理、特性和运用电路，重点是掌握器件的特性。 媒媒质质导体：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。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。绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于绝缘体：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：导电才干

2、介于导体和绝缘体之间，如硅半导体：导电才干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) 。半导体的导电才干随温度、光照和掺杂等要素发生显著变化，这些特点使它们成为制造半导体元器件的重要资料。 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24.1.1本征半导体本征半导体 纯真的硅和锗单晶体称为本征半导体。纯真的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。由于整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研讨中硅和锗原子可以用简化模型代表 。 + 4 带 一

3、 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 ) 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每个原子最外层轨道上每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核的四个价电子为相邻原子核所共有，构成共价键。共价所共有，构成共价键。共价键中的价电子是不能导电的键中的价电子是不能导电的束缚电子。束缚电子。 +4 价 电 子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共 价 键

4、 图 4.1.2 本 征 半 导 体 的 空 间 晶 格 结 构 价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自在电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发产生成对的自在电子和空穴，所以本征半导体中自在电子和空穴的数量相等。 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 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 +4 +4 +4 +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

5、空 穴 移 动 方 向 价 电 子 移 动 方 向 价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自在挪动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自在电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。 自在电子和空穴在自在挪动过程中相遇时，自在电子填入空穴，释放出能量，从而消逝一对载流子，这个过程称为复合， 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 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平衡形状时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自在电子和空穴的浓度 (cm-3) ，实际上

6、kTEeTApn2230ii0G其中其中 T 为绝对温度为绝对温度 (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，硅资料为为常数，硅资料为3.87 1016 cm- 3 K- 3 / 2，锗为，锗为1.76 1016 cm- 3 K- 3 / 2。 4.1.2N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 本征激发产生的自在电子和空穴的数量相对很少，这阐明本征半导体的导电才干很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的

7、导电才干，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。 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6一、一、N 型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价原子，在本征半导体中掺入五价原子，即构成即构成 N 型半导体。型半导体。N 型半导体中型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自在电子，从而大量添加了供一个自在电子，从而大量添加了自在电子的浓度一一施主电离自在电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自在电子多数载流子一一自在电子少数载流子一一空穴少数载流子一一空穴但半导体仍坚持电中性但半导体仍坚持电

8、中性 + 4 + 4 + 4 + 4 + 5 + 4 + 4 + 4 + 4 键 外 电 子 施 主 原 子 图 4 .1 .6 N 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的平 面 示 意 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子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为 由于 ni 容易遭到温度的影响发生显著变化，所以 pn 也随环境的改动明显变化。 DnNnD2in2inNnnnp自在电子浓度自在电子浓度杂质浓度杂质浓度 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7二、二、P 型半导体型半导体在本征半导体中掺入三价原子，在本征半导体中掺入三价原子

9、，即构成即构成 P 型半导体。型半导体。P 型半导体中每型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量添加了空穴的浓度个空穴，从而大量添加了空穴的浓度一一受主电离一一受主电离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在电子少数载流子一一自在电子但半导体仍坚持电中性但半导体仍坚持电中性 +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 而自在电子的浓度 np 为环境温度也明显影响 np 的取值。 ApNpA2ip2ipNnpnn空穴浓度

10、空穴浓度掺杂浓庹掺杂浓庹 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84.1.3漂移电流和分散电流漂移电流和分散电流 半导体中载流子进展定向运动，就会构成半导体中的电流。半导体电流半导体电流半导体电流漂移电流：在电场的作用下，自在电子会逆着电场漂移电流：在电场的作用下，自在电子会逆着电场方向漂移，而空穴那么顺着电场方向漂移，方向漂移，而空穴那么顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的这样产生的电流称为漂移电流，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。分散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载分散电流：半导体

11、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分散，从而流子会从高浓度区向低浓度区分散，从而构成分散电流，该电流的大小正比于载流构成分散电流，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。PnIII 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94.2PN 结结 经过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，那么 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会构成一个有特殊物理性质的薄层，称为 PN 结。 4.2.1PN 结的构成结的构成 + + + + P 区 N 区 (a) + + + + + + + + + +

12、+ + + + + + 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 扩 散 ； (b) 空 间 电 荷 区 ， 内 建 电场 和 内 建 电 位 差 的 产 生 + + + + + + + + + + + + 多子分散多子分散空间电荷区，内建电场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 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空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 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。 耗 尽 区 耗 尽 区 + + +

13、+ + + + + + + + + + + + + (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 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114.2.2PN 结的单导游电特性结的单导游电特性 + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 耗尽区 0 UB U

14、 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、正向偏置的一、正向偏置的 PN 结结正向偏置正向偏置耗尽区变窄耗尽区变窄分散运动加强，分散运动加强，漂移运动减弱漂移运动减弱正向电流正向电流二、反向偏置的二、反向偏置的 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 P N 结 + + + + + + + + + + + + + + + + 反向偏置反向偏置耗尽区变宽耗尽区变宽分散运动减弱，分散运动减弱，漂移运动加强漂移运动加强反向电流反向电流

15、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12PN 结的单导游电特性：PN 结只需求较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而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动。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且根本上不随反向电压而变化。4.2.3PN 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，其中的反向电流会急剧增大，这种景象称结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种景象称为为 PN 结的击穿。结的击穿。 雪崩击穿：反偏的雪崩击穿：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

16、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，产生一对自在电子和空穴，连锁电离，把价电子击出共价键，产生一对自在电子和空穴，连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。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。雪崩击穿出如今轻掺杂的雪崩击穿出如今轻掺杂的 PN 结中。结中。齐纳击穿：在重掺杂的齐纳击穿：在重掺杂的 PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产结中，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，发生场生较强的电场。电场

17、强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自在电子和空穴，使得反向电流急剧增大，致激发，产生大量的自在电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。这种击穿称为齐纳击穿。PN 结击穿时，只需限制反向电流不要过大，就可以维护 PN 结不受损坏。PN 结击穿结击穿 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134.2.4PN 结的电容特性结的电容特性 PN 结可以存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这阐明 PN 结具有电容效应。 一、势垒电容一、势垒电容 P 区 N 区 耗 尽 区 |u | P 区 N 区 耗 尽 区 |u | ( a ) ( b )

18、 图 4 .2 .5 耗 尽 区 中 存 贮 电 荷 的 情 况 ( a ) u 增 大 时 存 贮 电 荷 减 少 ； ( b ) u 减 小 时 存 贮 电 荷 增 加 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + dSUuCuQCnB0TT1CT0为为 u = 0 时的时的 CT，与，与 PN 结的构造和掺杂浓度等要素结的构造和掺杂浓度等要素有关；有关；UB为内建电位差；为内建电位差；n 为变容指数，取值普通在为变容指数，取值普通在 1 / 3 6 之间。当反向电压之间。当反向电压 u 绝对值增大时，绝对值

19、增大时，CT 将减小。将减小。 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14二、分散电容二、分散电容 P区 N区 耗尽区 u P区 N区 耗尽区 u u 0 0 np0 pn0 pnnn nppp Qn Qp uQQuQCpnDPN 结的结电容为势垒电容和分散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和 CD 都随外加电压的变化而改动，所以都是非线性电容。当 PN 结正偏时，CD 远大于 CT ，即 Cj CD ；反偏的 PN 结中，CT 远大于 CD，那么 Cj CT 。 15 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理154.3晶体二极管晶体二极管 P N iD

20、 uD ( b ) ( a ) 引线 管壳 图 4 . 3 . 1 二极管 ( a ) 结构；( b ) 电路符号 二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。 4.3.1二极管的伏安特性一一二极管的伏安特性一一 指数特性指数特性) 1() 1(TDD/S/SDUukTqueIeIiIS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，q 为电子电为电子电量量 (1.60 10- 19C) ；UT = kT/q，称为热电压，在室温称为热电压，在室温 27 即即 300 K 时，时，UT = 26 mV。 uD iD UD (on) 0 图 4.3.2 二 极 管 的 伏 安 特 性 IS 击 穿 TD

21、SDUueIiT2 T1 一、二极管的导通，截止和击穿一、二极管的导通，截止和击穿当当 uD 0 且超越特定值且超越特定值 UD(on) 时，时，iD 变得明显，此时以为二变得明显，此时以为二极管导通，极管导通，UD(on) 称为导通电压称为导通电压 (死区电压死区电压) ；uD 0.7 Vui 0.7 V时，时，D D处于导通形状，等效成短路，所以输处于导通形状，等效成短路，所以输出电压出电压uo = ui - 0.7uo = ui - 0.7；当；当ui 0.7 Vui 0ui 0时，时，D1D1和和D2D2上加的是正向电压，处于导通形状，上加的是正向电压，处于导通形状，而而D3D3和和D

22、4D4上加的是反向电压，处于截止形状。输出电压上加的是反向电压，处于截止形状。输出电压uouo的正的正极与极与uiui的正极经过的正极经过D1D1相连，它们的负极经过相连，它们的负极经过D2D2相连，所以相连，所以uo = uo = uiui；当；当ui 0ui 0ui 0时，二极管时，二极管D1D1截止，截止，D2D2导通，电路等效为导通，电路等效为图图 (b) (b) 所示的反相比例放大器，所示的反相比例放大器，uo = - (R2 / R1)uiuo = - (R2 / R1)ui；当；当ui 0ui 0ui 0时，时，uo1 = - uiuo1 = - ui，uo = uiuo = u

23、i；当；当ui 0ui 2.7 Vui 2.7 V时，时，D D导通，所以导通，所以uo = 2.7 Vuo = 2.7 V；当；当ui 2.7 Vui 2.7 V时，时，D D截止，其支路等效为开路，截止，其支路等效为开路，uo = uiuo = ui。于是可以根据。于是可以根据uiui的波形得到的波形得到uouo的波形，如图的波形，如图 (c) (c) 所示，该电路把所示，该电路把uiui超出超出2.7 V2.7 V的部分削去后进展输出，是上的部分削去后进展输出，是上限幅电路。限幅电路。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2 V D 5 5 2.7 t uo (V)

24、 0 (c) 5 2.7 32 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理32例例4.3.74.3.7二极管限幅电路如图二极管限幅电路如图 (a) (a) 所示，其中二极管所示，其中二极管D1D1和和D2D2的导通电压的导通电压UD(on) = 0.3 VUD(on) = 0.3 V，交流电阻，交流电阻rD rD 0 0。输入电。输入电压压uiui的波形在图的波形在图 (b) (b) 中给出，作出输出电压中给出，作出输出电压uouo的波形。的波形。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2 V D2 5 5 E 2 V D1 33 第四章第四章 常用半导体器件原理常

25、用半导体器件原理33解：解：D1D1处于导通与截止之间的临界形状时，其支路两端电压处于导通与截止之间的临界形状时，其支路两端电压为为 - E - UD(on) = - 2.3 V- E - UD(on) = - 2.3 V。当。当ui - 2.3 Vui - 2.3 Vui - 2.3 V时，时，D1D1截止，支路等效为开截止，支路等效为开路，路，uo = uiuo = ui。所以。所以D1D1实现了下限幅；实现了下限幅；D2D2处于临界形状时，处于临界形状时，其支路两端电压为其支路两端电压为 E + UD(on) = 2.3 VE + UD(on) = 2.3 V。当。当ui 2.3 Vui

26、 2.3 V时，时，D2D2导通，导通，uo = 2.3 Vuo = 2.3 V；当；当ui 2.3 Vui 2.3 V时，时，D2D2截止，支路截止，支路等效为开路，等效为开路，uo = uiuo = ui。所以。所以D2D2实现了上限幅。综合实现了上限幅。综合uouo的波的波形如图形如图 (c) (c) 所示，该电路把所示，该电路把uiui超出超出 2.3 V 2.3 V的部分削去后的部分削去后进展输出，完成双向限幅。进展输出，完成双向限幅。 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.

27、3 2.3 34 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理34限幅电路的根本用途是控制输入电压不超越允许范围，限幅电路的根本用途是控制输入电压不超越允许范围，以维护后级电路的平安任务。设二极管的导通电压以维护后级电路的平安任务。设二极管的导通电压UD(on) = 0.7 V，在图中，当，在图中，当 - 0.7 V ui 0.7 V时，时，D1导通，导通，D2截止，截止，R1、D1和和R2构成回路，对构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在分压，集成运放输入端的电压被限制在UD(on) = 0.7 V；当；当ui - 0.7 V时，时，D1截止，截止，D2导通，导通， R1、

28、D2和和R2 ui D1 D2 R2 R1 uo A 构成回路，对构成回路，对uiui分压，集成分压，集成运放输入端的电压被限制在运放输入端的电压被限制在 - UD(on) = - 0.7 V- UD(on) = - 0.7 V。该电。该电路把路把uiui限幅到限幅到 0.7 V0.7 V到到 - - 0.7 V0.7 V之间，维护集成运放。之间，维护集成运放。 35 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理35 图中，当图中，当 - 0.7 V ui 5.7 V - 0.7 V ui 5.7 Vui 5.7 V时，时，D1D1导通，导通，D2D2截截止，止，A / DA / D的输

29、入电压被限制在的输入电压被限制在5.7 V5.7 V；当；当ui - 0.7 Vui - 0.7 V时，时，D1D1截止，截止，D2D2导通，导通，A / DA / D的输入电压被限制在的输入电压被限制在 - 0.7 V - 0.7 V。该。该电路对电路对uiui的限幅范围是的限幅范围是 - 0.7 V - 0.7 V到到 5.7 V 5.7 V。 ui A / D 5 V D1 D2 R E 36 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理36例例4.3.84.3.8稳压二极管限幅电路如图稳压二极管限幅电路如图 (a) (a) 所示，其中稳压所示，其中稳压二极管二极管DZ1DZ1和和

30、DZ2DZ2的稳定电压的稳定电压UZ = 5 VUZ = 5 V，导通电压，导通电压UD(on) UD(on) 近近似为零。输入电压似为零。输入电压uiui的波形在图的波形在图 (b) (b) 中给出，作出输出电中给出，作出输出电压压uouo的波形。的波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 DZ1 DZ2 1 k R2 37 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理37解：当解：当 | ui | 1 V| ui | 1 V| ui | 1 V时，时，DZ1DZ1和和DZ2DZ2一个导通，另一个击穿，此时反响电流主要流过稳一个导通，另一

31、个击穿，此时反响电流主要流过稳压二极管支路，压二极管支路，uouo稳定在稳定在 5 V 5 V。由此得到图。由此得到图 (c) (c) 所示的所示的uouo波形。波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 1 1 t uo (V) 0 (c) 5 5 DZ1 DZ2 1 k R2 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 uo R A DZ1 t uo , uC 0 UOH R3 DZ2 R1 R2 C uC UZ UTH UTL UOL uo uC 图示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相图示电路为单运放弛张振荡器。其

32、中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压迟滞比较器，输出电源电压UCC或或 - UEE，R3隔离输出的电隔离输出的电源电压与稳压二极管源电压与稳压二极管DZ1和和DZ2限幅后的电压。依然以为限幅后的电压。依然以为DZ1和和DZ2的稳定电压为的稳定电压为UZ，而导通电压，而导通电压UD(on) 近似为零。近似为零。经过限幅，输出电压经过限幅，输出电压uo可以是高电压可以是高电压UOH = UZ或低电压或低电压UOL = - UZ。 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39三、电平选择电路三、电平选择电路 例例4.3.94.3.9图图 (a) (a) 给出了一个二给出了一个二

33、极管电平选择电路，其中二极管极管电平选择电路，其中二极管D1D1和和D2D2为理想二极管，输入为理想二极管，输入信号信号ui1ui1和和ui2ui2的幅度均小于电源电压的幅度均小于电源电压E E，波形如图，波形如图 (b) (b) 所示。所示。分析电路的任务原理，并作出输出信号分析电路的任务原理，并作出输出信号uouo的波形。的波形。 R E ui2 uo t ui1 (a) D1 ui1 D2 t ui2 0 t uo 0 (b) 0 40 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理40解：由于解：由于ui1ui1和和ui2ui2均小于均小于E E，所以，所以D1D1和和D2D2至少

34、有一个处于导通形至少有一个处于导通形状。无妨假设状。无妨假设ui1 ui2ui1 ui2ui1 ui2时，时，D2D2导导通，通，D1D1截止，截止，uo = ui2uo = ui2；只需当；只需当ui1 = ui2ui1 = ui2时，时，D1D1和和D2D2才同时导才同时导通，通，uo = ui1 = ui2uo = ui1 = ui2。uouo的波形如图的波形如图 (b) (b) 所示。该电路完成所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑1 1和逻辑和逻辑0 0时，就时，就实现了逻辑实现了逻辑“与运算。与运算。 R E ui2 uo

35、t ui1 0 (a) D1 ui1 D2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 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 ui uo1 D uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 四、峰值检波电路四、峰值检波电路 例例4.3.104.3.10分析图示峰值检波电路的任务原理。分析图示峰值检波电路的任务原理。 解：电路中集成运放解：电路中集成运放A2A2起电压跟随器作用。当起电压跟随器作用。当ui uoui uo时，时，uo1 uo1 0 0，二极管，二极管D D导通，导通，uo

36、1uo1对电容对电容C C充电，此时集成运放充电，此时集成运放A1A1也成为也成为跟随器，跟随器，uo = uC uo = uC ui ui，即，即uouo随着随着uiui增大；当增大；当ui uoui uo时，时，uo1 uo1 0 0，D D截止，截止，C C不放电，不放电，uo = uCuo = uC坚持不变，此时坚持不变，此时A1A1是电压比较是电压比较器。波形如图器。波形如图 (b) (b) 所示。电路中场效应管所示。电路中场效应管V V用作复位开关，当用作复位开关，当复位信号复位信号uGuG到来时直接对到来时直接对C C放电，重新进展峰值检波。放电，重新进展峰值检波。 42 第四章

37、第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理424.4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 晶体管的物理构造有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区晶体管的物理构造有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只需零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。很薄，只需零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。 43 第四章第四章 常用半导体器件

38、原理常用半导体器件原理43一、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、基区中自在电子边分散二、基区中自在电子边分散 边复合边复合 基区复合电流基区复合电流IBN 三、集电区搜集自在电子三、集电区搜集自在电子 搜集电流搜集电流ICN 反向饱和电流反向饱和电流ICBO4.4.1晶体管的任务原理晶体管的任务原理 e N P N ICN IEN IBN ICBO IEP b c IB IC IE RB UBB RC UCC 44 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 e N P N ICN IEN IBN I

39、CBO IEP b c IB IC IE RB UBB RC UCC 载流子电流的关系：晶体管三个载流子电流的关系：晶体管三个极电流与内部极电流与内部CNBNENENEPEIIIIIICBOBNEPCBOBNBIIIIIICBOCNCIII 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：共基极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：换算关系：CBOBCBOCBNCNIIIIIIECBOCENCNIIIII1ENENENCNENCNBNCNIIIIIIII1BNBNBNCNBNCNENCNIIIIIIII晶体管的放大才

40、干参数晶体管的放大才干参数 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晶体管的极电流关系晶体管的极电流关系 CEBIIIBCIIBE)1 (IIECIIEB)1 (IIBCEIII 描画：描画： 描画：描画： b c e b c e IB IC IE IB IC IE 47 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理474.4.2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

41、(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： 恒流输出和基调效应恒流输出和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 ) 极电流绝对值很小极电流绝对值很小BCiiECii 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(o

42、n) 当当uBE大于导通电压大于导通电压 UBE(on) 时，晶体管导通，时，晶体管导通，即处于放大形状或饱和形即处于放大形状或饱和形状。这两种形状下状。这两种形状下uBE近近似等于似等于UBE(on) ，所以也，所以也可以以为可以以为UBE(on) 是导通是导通的晶体管输入端固定的管的晶体管输入端固定的管压降；当压降；当uBE 0UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - UBE(on) = 3.4 V 0，所以集电结反偏，假设成立，所以集电结反偏，假设成立，UO = UC = 4 VUO = UC = 4 V；当；当UI = 5 VUI = 5 V时，时，计算得到计算得到

43、UCB = - 3.28 V 0UCB = - 3.28 V 0，所以晶体管处于饱和形状，所以晶体管处于饱和形状，UO UO = UCE(sat) = UCE(sat) 。 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 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例例4.4.24.4.2晶体管直流偏置电路如晶体管直流偏置电路如下图，知晶体管的下图，知晶体管的UBE(on) = - 0.7 UBE(on) = - 0.7 V V， = 50 = 50。判别晶体管的任务形状，。判别晶体管的任务形状，并计算并计算IBIB、ICIC和和UCEU

44、CE。 解：图中晶体管是解：图中晶体管是PNPPNP型，型，UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = - 0.7 V- IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = - 0.7 V，得到，得到IB = - IB = - 37.4 37.4 A 0A 0，所以晶体管处于放大或饱和形状。，所以晶体管处于放大或饱和形状。IC = bIB = - IC = bIB = - 1.87 mA1.87 mA，UCB = UC - UB

45、 = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V 0- 3.74 V | UGS(off) | ) uGS和和iD为平方率关系。预夹断为平方率关系。预夹断导致导致uDS对对iD的控制才干很弱。的控制才干很弱。可变电阻区可变电阻区(| uGS | | UGS(off) |且且 | uDG | | UGS(off) |) iD = 0 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60三、转移特性三、转移特性 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(o

46、ff) 0 1 2 3 4 IDSS N G D S UGS uDS iD P+ P+ 预夹断预夹断2GS(off)GSDSSD1UuIi 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614.5.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管记为绝缘栅场效应管记为MOSFETMOSFET，根据构造上能否存在原始导，根据构造上能否存在原始导电沟道，电沟道，MOSFETMOSFET又分为加强型又分为加强型MOSFETMOSFET和耗尽型和耗尽型MOSFETMOSFET。 G D S 栅极 G 漏极 D N N P 衬底 源极 S B PN 结 B G D S 栅极 G 漏极 D P P

47、 N 衬底 源极 S B PN 结 B N 沟道增强型 MOSFET P 沟道增强型 MOSFET G D S B G D S 栅极 G 漏极 D N 衬底 源极 S B PN 结 B P P 栅极 G 漏极 D P 衬底 源极 S B PN 结 N N N 沟道耗尽型 MOSFET P 沟道耗尽型 MOSFET 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62一、任务原理一、任务原理 G D N P衬底 S B UGS UDS G D N P衬底 S B UGS G D N N P衬底 S B UGS UDS ID ID ID N N UGS = 0 ID 0UGS UGS(th

48、) 电场电场 反型层反型层 导电沟道导电沟道 ID 0UGS控制控制ID的大小的大小N沟道加强型沟道加强型MOSFET 63 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理63N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 - UGS(off) ，所以该场效应管任务在恒流区。图，所以该场效应管任务在恒流区。图 (b) 中是中是P沟道加沟道加强型强型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所以该场效应管任务在可变电阻区。，所以该场效应管任务在可变电阻区。 解：图解：图 (a) (a

49、) 中是中是N N沟道沟道JFETJFET，UGS UGS = 0 UGS(off) = 0 UGS(off) ，所以该场效应管所以该场效应管任务在恒流区或任务在恒流区或可变电阻区，且可变电阻区，且IDID 68 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理68一、方波，锯齿波发生器一、方波，锯齿波发生器 4.5.5场效应管运用电路举例场效应管运用电路举例 uo C1 uo1 t 0 A1 R4 R3 R2 R1 UZ R6 C2 A2 E V uo t 0 R5 uo1 D uo2 uo2 t UGS(off) 0 DZ1 DZ2 集成运放集成运放A1A1构成弛张振荡器，构成弛张振荡器

50、，A2A2构成反相积分器。振荡器构成反相积分器。振荡器输出的方波输出的方波uo1uo1经过二极管经过二极管D D和电阻和电阻R5R5限幅后，得到限幅后，得到uo2uo2，控制，控制JFETJFET开关开关V V的形状。当的形状。当uo1uo1为低电平常，为低电平常，V V翻开，电源电压翻开，电源电压E E经过经过R6R6对电容对电容C2C2充电，输出电压充电，输出电压uouo随时间线性上升；当随时间线性上升；当uo1uo1为高电平为高电平常，常，V V闭合，闭合，C2C2经过经过V V放电，放电，uouo瞬间减小到零。瞬间减小到零。 69 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理69二、取样坚持电路二、取样坚持电路 ui , uo t 0 C V uS t 0 UGS(off) ui A1 uS uC A2 uo1 uo ui uo A1A1和和A2A2都构成跟随器，起传送电压，隔离电流的作用。取都构成跟随器，起传送电压，隔