第4章新第2章常用半导体器件原理

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半导体物理基础半导体物理基础 本章从半导体器件的工作机理出发，简单介绍半导体物理基础知识，本章从半导体器件的工作机理出发，简单介绍半导体物理基础知识，包括本征半导体，杂质半导体，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结；分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路，应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路，重点是掌握器件的特性。重点是掌握器件的特性。 媒媒质质导体导体：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。：

2、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：导电能力介于导体和绝缘体之间，如Si 、Ge 和和GaAs等。等。半导体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。变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。 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4.1.1本征半导体本征半导体 纯净

3、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。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，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。因为整个原子呈电中性，而每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，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，硅其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以，硅和锗原子可以用和锗原子可以用简化模型简化模型代表代表 。 + 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

4、 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每个原子最外层轨道上的四每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。是不能导电的束缚电子。 +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 价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游

5、离出去，成为自由电子，并在共键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这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。个过程称为本征激发。 本征激发产生成对的自由电子和空穴，所本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。以本征半导体中自由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 图 4.1.4

6、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 价电子的反向递补运动等价为空穴在价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。者都可以参与导电，统称为载流子。 自由电子和空穴在自由移动过程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，这个出能量，从而

7、消失一对载流子，这个过程称为复合。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平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和和pi表示表示自由电子和空穴的浓度自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上，理论上 kTEeTApn2230ii0G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，锗为为0.78 eV；k = 8

8、.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为为常数，硅材料为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 本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们可以人为地少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，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一、一、N 型半导体（掺磷）型半导体（掺

9、磷）在本征半导体中掺入五价原子，即构成在本征半导体中掺入五价原子，即构成 N 型半导体。型半导体。N 型半导体中每掺杂一个杂质元素型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度了自由电子的浓度施主电离施主电离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但半导体仍保持电中性但半导体仍保持电中性 +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

10、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，所以空穴的浓度的平方，所以空穴的浓度 pn为为 DnNnD2in2inNnnnp自由电子浓度自由电子浓度杂质浓度杂质浓度因为因为n ni i容易受到温度的影响发生显著变化，所以容易受到温度的影响发生显著变化，所以p pn n也随环境的改变明显变化。也随环境的改变明显变化。 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二、二、P 型半导体（掺硼）型半导体（掺硼）在本征半导体中掺入三价原子，即构成在本征半导体中掺入三价原子，即构成 P 型半导体。型半导体

11、。P 型半导体中每掺杂一个杂质型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度加了空穴的浓度受主电离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由电子少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性但半导体仍保持电中性 +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 而自由电子的浓度而自由电子的浓度 np 为为ApNpA2ip2ipNnpnn空穴浓度空穴浓度掺杂浓庹掺杂浓庹环境温度也明显影响环境温度也明显影响 n

12、 np p 的取值。的取值。 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4.1.3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（电子与空穴）进行定向运动，就会形成半导半导体中载流子（电子与空穴）进行定向运动，就会形成半导体中的电流。体中的电流。半半导导体体电电流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方向漂移，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，这样产生的电流称为漂而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流。移电流。该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。移率和电场

13、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，载流子会从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，从而形成扩散电流。高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流。该电该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。PnIII电子电流与空穴电流电子电流与空穴电流半导体电流半导体电流 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4.2PN 结结 通过掺杂工艺，把本征半导体的通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成一边做成 P 型半导体，另一边做成型半导体，另一边做成 N 型半导体，则型半导体，则 P 型半导体和型

14、半导体和 N 型型半导体的交接面处会形成一个有特半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为殊物理性质的薄层，称为 PN 结。结。 4.2.1PN 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 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

15、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 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空间电荷区又称耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的空间电荷区又称耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 结结中，耗尽区在重掺杂一侧延伸较小，在轻掺杂一侧延伸较大。中，耗尽区在重掺杂一侧延伸较小，在轻掺杂一侧延伸较大。 耗 尽 区 耗 尽 区 + + + + + + + + + + + + + + + + (a) (b) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

16、+ + + + + + + + + + + + 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4.2.2PN 结的单向导电特性结的单向导电特性 + + + + + + + + + + + + + + + + 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

17、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 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PN 结的单向导电特性：结的单向导电特性：PN 结只需较小的正向电压，就可使耗尽区变得很薄，结只需较小的正向电压，就可使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，且该电流

18、随电压的微小变化会发生明显改变。在反从而产生较大的正向电流，且该电流随电压的微小变化会发生明显改变。在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，且基本上不随反向电压变化。偏时，少子只能提供很小的漂移电流，且基本上不随反向电压变化。4.2.3PN 结的击穿特性结的击穿特性 PN 结反向电压足够大时，反向电流急剧增大，这种现象称为结反向电压足够大时，反向电流急剧增大，这种现象称为 PN 结的击穿。结的击穿。 雪崩击穿：雪崩击穿：PN 结反偏，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。结反偏，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击少

19、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，产生一对自由电子和空穴，连锁碰撞使尽区内载流子数量出共价键，产生一对自由电子和空穴，连锁碰撞使尽区内载流子数量剧增，剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的在轻掺杂的 PN 结结中。中。齐纳击穿齐纳击穿：在重掺杂在重掺杂PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场。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，量的自由电子和空穴，使反向电流急

20、剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。PN 结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护 PN 结不受损坏。结不受损坏。 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4.2.4PN 结的电容特性结的电容特性 PN 结能存贮电荷，且电荷变化与外加电压变化有关，说明结能存贮电荷，且电荷变化与外加电压变化有关，说明 PN 结有电容效应。结有电容效应。 一、势垒电容（反偏）一、势垒电容（反偏） P 区 N 区 耗 尽 区 |u | P 区 N 区 耗 尽 区 |u | ( a ) ( b ) 图 4 .2 .

21、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 结的结构和掺杂浓度等因素有关；结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在为变容指数，取值一般在 1 / 3 6 之间。之间。当反向电压当反向电压- u的绝对值增大时，的绝对值增大时，CT

22、将减小（变容管）将减小（变容管）。 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 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扩散电容之和，即结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和和 CD 都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当当PN 结正偏时，结正偏时，CD 远大于远大于 CT ，即，即 Cj CD ；当当PN 结反偏时，结反偏时，CT 远大于远大于 CD，则，则 Cj CT 。二

23、、扩散电容（正偏）二、扩散电容（正偏） 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4.3晶体二极管晶体二极管 二极管可分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。二极管可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二极管的伏安特性：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 =1.60 10 19C ；UT = kT/q，称热电压，称热电压， 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 TDSDU

24、ueIiT2 T1 1、二极管的导通，截止和击穿、二极管的导通，截止和击穿当当 uD 0 且超过特定值且超过特定值 UD(on) 时，时，iD 变得明显，此时认为二极管导通，变得明显，此时认为二极管导通，UD(on) 称为导通电压称为导通电压 (开启电压开启电压) ；uD 0.7V时，时，VD处于导通状态，等效成短路，所以输出处于导通状态，等效成短路，所以输出电压电压uo=ui-0.7； RL D ui uo t ui 0 t 0 (a) (b) 0.7 V uo (c) uo ui 0 0.7 V 1 当当ui0时，时，D1和和D2上加的是正向电压，处于导通状态，而上加的是正向电压，处于导通

25、状态，而D3和和D4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极的正极与与ui的正极通过的正极通过D1相连，它们的负极通过相连，它们的负极通过D2相连，所以相连，所以uo=ui； RL D1 ui uo t ui 0 t uo 0 (a) (b) D3 D4 D2 (c) uo ui 0 1 1 当当ui0时，二极管时，二极管D1截止，截止，D2导通，电路等效为导通，电路等效为(b)所示的反相比例放大器，所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；当；当ui 0时，时，uo1 = - ui，uo = ui；当；当ui 2.7V时，时，VD导通

26、，所以导通，所以uo=2.7V；当当ui2.3V时，时，D2导通，导通，uo=2.3V；当；当ui2.3V时，时，D2截止，支路等截止，支路等效为开路，效为开路，uo=ui。所以。所以D2实现了上限幅；实现了上限幅；解：解：D1处于导通与截止的临界状态时，其支路两端电压为处于导通与截止的临界状态时，其支路两端电压为-E-UD(on)=-2.3V。当。当ui-2.3V时，时，D1截止，支路等效为开路，截止，支路等效为开路，uo=ui。所以。所以D1实现了下限幅；实现了下限幅； 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图中图中,设设二极管二极管的的交流电阻交流电阻rD 0,导通电压

27、导通电压UD(on)=0.7 V ui VD1 VD2 R2 R1 uo A 限幅电路的基本用途是控制输限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，以保入电压不超过允许范围，以保护后级电路的安全工作。护后级电路的安全工作。当当-0.7Vui0.7 V时，时，VD1导通，导通，VD2截止截止，R1、VD1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)=0.7V；当当ui-0.7V时，时，VD1截止，截止，VD2导通，导通，R1、VD2和和R2构成回路，对构成回路，对u ui i分压，集成运放输入端的电压被限制在分压，集成运

28、放输入端的电压被限制在-UD(on)=-0.7 V。该电路把该电路把u ui i限幅到限幅到0.7V0.7V到到-0.7V-0.7V之间，保护集成运算放大器。之间，保护集成运算放大器。 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图中图中,设二极管的设二极管的交流电阻交流电阻rD 0,导通电压导通电压UD(on)=0.7 V ui A / D 5 V D1 D2 R E 当当-0.7Vui5.7V时，时，VD1导通，导通，VD2截止，截止，A/D的输入电压被限制在的输入电压被限制在5.7V；当当ui-0.7V时，时，VD1截止，截止，VD2导通，导通，A/D的输入电压被限制在的输入

29、电压被限制在-0.7V。该电路对该电路对ui的限幅范围是的限幅范围是-0.7V到到 5.7V。 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例例4.3.8稳压二极管限幅电路如图稳压二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中稳压二极所示，其中稳压二极管管DZ1和和DZ2的稳定电压的稳定电压UZ=5V，导通电压，导通电压UD(on) 近似为零。输近似为零。输入电压入电压ui的波形在图的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压中给出，作出输出电压uo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

30、章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理解：当解：当 | ui | 1 V时，时，DZ1和和DZ2一个一个导通，另一个击穿，此时反馈电流主要流过稳压二极管支路，导通，另一个击穿，此时反馈电流主要流过稳压二极管支路，uo稳定在稳定在 5 V。由此得到图。由此得到图 (c) 所示的所示的uo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 uo R A DZ1 t uo , uC 0 UOH R3 DZ2 R1 R2 C

31、 uC UZ UTH UTL UOL uo uC 图示电路为图示电路为单运放弛张振荡器单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相迟滞。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压比较器，输出电源电压UCC或或 - UEE，R3隔离输出的电源电压隔离输出的电源电压与稳压二极管与稳压二极管DZ1和和DZ2限幅后的电压。仍然认为限幅后的电压。仍然认为DZ1和和DZ2的的稳定电压为稳定电压为UZ，而导通电压，而导通电压UD(on) 近似为零。经过限幅，输近似为零。经过限幅，输出电压出电压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

32、理常用半导体器件原理3、电平选择电路、电平选择电路 例例4.3.9(a)是二极管电平选择电路，其中二极管是二极管电平选择电路，其中二极管VD1和和VD2均均为为理想二极管，输入信号理想二极管，输入信号ui1和和ui2的幅度均小于电源电压的幅度均小于电源电压E，波形，波形如如(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 (a) VD1 ui1 VD2 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解：因为解：因为ui1和和ui2均小于均小于E，所以所

33、以VD1和和VD2至少有一个处于导通状态。至少有一个处于导通状态。 R E ui2 uo t ui1 0 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 假设假设ui1ui2时，时，VD2导通，导通，VD1截止，截止，uo=ui2；只有当只有当ui1=ui2时，时，VD1和和VD2才同时导通，才同时导通，uo=ui1=ui2。uo的波形如的波形如(b)所示。该电路完成所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑逻辑1和逻辑和逻辑0时，就实现了逻辑时，就实现了逻辑“与与”运算。运

34、算。 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 ui uo1 D uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 4、峰值检波电路、峰值检波电路 例例4.3.10分析图分析图示示峰值检波电路的工作原理。峰值检波电路的工作原理。 解：电路中集成运放解：电路中集成运放A2起起电压跟随器电压跟随器作用。当作用。当uiuo时，时，uo10，二极管二极管D导通，导通，uo1对电容对电容C充电，此时集成运放充电，此时集成运放A1也成为也成为跟随器跟随器，uo=uC ui，即，即uo随着随着ui增大；当增大；当uiuo时，时，uo1UBE(on)时，

35、时，e结正偏，晶结正偏，晶体管导通，即处于放大状态或体管导通，即处于放大状态或饱和状态。饱和状态。此两种状态下，此两种状态下，uBEUBE(on)，所以也可以认为所以也可以认为UBE(on)是导通的是导通的晶体管输入端固定的管压降；晶体管输入端固定的管压降；当当uBEu uBE(on)BE(on)，则晶体管处于放大状态或饱和状态，再判断，则晶体管处于放大状态或饱和状态，再判断c结结是正偏还是反偏。如果是正偏还是反偏。如果c结反偏，则晶体管处于放大状态，这时结反偏，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，

36、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UCE和和UCB；实际应用中，通过控制实际应用中，通过控制e结和结和c结的正偏与反偏，可使晶体管处于放结的正偏与反偏，可使晶体管处于放大状态、饱和状态或截止状态，来实现不同的功能。大状态、饱和状态或截止状态，来实现不同的功能。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判断判断e结是正偏还是反偏。若结是正偏还是反偏。若uBE 0，所以，所以c结结反偏，假设成立，反偏，假设成立，UO=UC=4V；当当UI=5V时，因为，时，因为，UCB=-3.28V0，所以晶体管处于饱和状态，所以晶体

37、管处于饱和状态，UO=UCE(sat) 。 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 2 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例例4.4.2晶体管直流偏置电路如图晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管所示，已知晶体管V的的UBE(on)=-0.7V， =50。判断。判断V的的工作状态，并计算工作状态，并计算IB、IC和和UCE。 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=-0.7V，得到得到IB=-37.4 A0，所以，所以V处于放

38、大处于放大或饱和状态或饱和状态。假设处于放大状态，则假设处于放大状态，则IC= IB=-1.87mA，验证：因为，验证：因为，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74VUSUG栅极电流：栅极电流：IG 0夹断电压：夹断电压：UGS(off) 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2 2、输出特性、输出特性(iD-uDS) 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 2 V 0.5 V 1 V 1.5 V 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 0 （1）

39、恒流区）恒流区 (|uGS| |UGS(off)|且且|uDG| |uDS uGS| |UGS(off)|) （2）可变电阻区）可变电阻区 (|uGS| |UGS(off)|且且|uDG| |UGS(off)|)uGS和和iD为平方率关系。为平方率关系。预夹断预夹断导致导致uDS对对iD的控制能力很弱。的控制能力很弱。（3）截止区截止区 ( (|uGS| |UGS(off)|)uDS的变化明显改变的变化明显改变iD的大小。的大小。导电沟道全部夹断导电沟道全部夹断，iD 0。 N G D S UGS uDS iD P+ P+ 另外，若另外，若|uDS|足够大，则足够大，则PN结在结在靠近漏极的局

40、部会击穿，靠近漏极的局部会击穿，iD急剧急剧增大，相应的区域成为击穿区。增大，相应的区域成为击穿区。 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3 3、转移特性、转移特性(iD-UGS) 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 2GS(off)GSDSSD1UuIi恒流区内，恒流区内，i iD D与与u uGSGS的平方率关系的平方率关系可以描述为：可以描述为： 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4.5.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管（M

41、OSFET），根据结构上是否存在原始导电沟道，分为增强，根据结构上是否存在原始导电沟道，分为增强型型（normally-off）和耗尽型和耗尽型(normally-on)。 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 N 衬底 源极 S B PN 结 B N 沟道增强型 M OSFET P 沟道增强型 M OSFET 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 M OSFET P 沟道耗尽型 M

42、 OSFET 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1 1、工作原理、工作原理 G D N P 衬底 S B UGS UDS G D N P 衬底 S B UGS UDS G D N N P 衬底 S B UGS UDS ID ID ID N N UGS = 0 ID 0N沟道增强型沟道增强型MOSFETUGS UGS(th) 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UDUGUS=UB，IG = 0 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在在UGS 0时就存在时就存在ID ID0。UGS增大增大ID增大。增大。当当UG

43、S 0时，且时，且|UGS| 足够大时，导电沟道消失，足够大时，导电沟道消失，ID 0，此时，此时的的UGS称称为夹断电压为夹断电压UGS(off) 。 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2 2、输出特性、输出特性 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各区划分各区划分140页页44页页 63 第四章第四章 常用半导体器件原理

44、常用半导体器件原理 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；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。2GS(th)GSoxnD)(2UuLWCi)1 ()(2DS2GS(th)GSoxnDuUuLWCiN沟道增强型沟道增强型MOSFET3 3、转移特性、转移特性 恒流区内，恒流区内，iD与与uGS的的平方率关系平方率关系可以描述为：可以描述为：如果计入如果计入uDS对对iD的

45、微弱影响，则需要用沟道调制系数的微弱影响，则需要用沟道调制系数修正公式。修正公式。 64 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET（类似（类似N沟道沟道JFET） 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 = 9 V 0 3 6 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 2 3 4 3 9 6 1 2GS(off)GSD0D1uuIi2GS(off)oxnD02ULWCI恒流区电流方程

46、恒流区电流方程 65 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.5.3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 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

47、增强型 P 沟道 耗尽型 P 沟道 MOSFET 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 1 5 0 2 4 1 3 2 2 3 3 4 5 MOSFET 特性曲线特性曲线 66 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理场效应管和晶体管的主要区别包括：场效应管和晶体管的主要区别包括：晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，晶体管处

48、于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端的输入端PN结反偏，结反偏，MOSFET则用则用SiO2隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。极电流很小，输入电阻极大。晶体管中自由电子和空穴同时参与导电，主要依靠基区中非晶体管中自由电子和空穴同时参与导电，主要依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力易受外界因素如温度的影响平衡少子的扩散运动，所以导电能力易受外界因素如温度的影响。场效应管只依靠自由电子和空穴之一在导电沟道中作漂移运动。场效应管只依靠自由电子和空穴之

49、一在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰。实现导电，导电能力不易受环境的干扰。场效应管结构对称，场效应管结构对称，源极和漏极源极和漏极可互换使用。可互换使用。 晶体管发射区和集电区虽是同型杂质半导体，但因制作工艺晶体管发射区和集电区虽是同型杂质半导体，但因制作工艺不同，二者不能互换使用。不同，二者不能互换使用。 67 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 UDD RG 100 k RD 2 k 12 V UGS(off) 4 V IDSS 3 mA (a) UDD RG 100 k RD 3 k 10 V UGS(th) 2 V ID 3 mA (b) E V V 5 V 例例4.5.1判断图中场效判断图中场效应管的工作状态。应管的工作状态。 解解: :图图(a)是是N沟道沟道JFET，UG S=0UG S (off)，故该，故该JFET工作在恒流区或可工作在恒流区或可变电阻区，且变电阻区，且ID=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，故故该该JFE