计算机逻辑电路第5章

第5章半导体器件5.1半导体的基本知识5.2半导体二极管5.3半导体三极管半导体二极管半导体三极管5.3.1半导体三极管5.1半导体的基本知识5.1.1半导体的导电特性

1.本征半导体在近代电子学中，用得最多的半导体是Ge和Si。其外层都只有4个电子，属4价元素。为便于讨论，采用图5.1所示的简化原子模型。图5.1Ge和Si原子的简化模型

纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。Si原子生成晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态，原子间的距离都是相等的。研究一块纯净的Si晶体时，可发现每个原子有4个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子间共有一对电子(称为价电子)，组成共价键结构，如图5.2所示。其本征半导体晶体结构如图5.3所示。图5.2Si晶体的共价键结构图5.3本征半导体晶体结构示意图

束缚电子挣脱后，在原子外层上留下的一个空位子，称为空穴。空穴显示出的功效类似阳电荷(严格地说，空穴不是阳电荷)，所以，空穴也是一种载流子。当半导体处于外加电压作用下时，通过它的电流可看作由两部分组成：一部分是自由电子进行定向运动形成的电子电流；另一部分是束缚电子在共价键上填补空穴形成的空穴电流。但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为复合，补充图半导体特性:光敏特性、热敏特性、掺杂特性

2.杂质半导体

掺杂的半导体称为杂质半导体。掺杂的方法是将少量的杂质元素加入到加热了的Si晶体中。如果在Si晶体中掺入少量的五价杂质元素，例如磷(P)元素，则P原子将全部扩散到加热了的Si晶体中。因为P原子比Si原子数目少得多，所以当冷却后形成固态晶体时，整个晶体结构不变，只是某些位置上的Si原子被P原子代替了。因为每个P原子有5个外层子，所以组成共价键后就自然而然地多出一个电子，此电子受原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子。

因为这种掺杂后的半导体主要靠电子导电，电子是带负电的，所以掺入五价元素的杂质半导体称为N型半导体，也称电子半导体。在N型半导体中，自由电子是多数载流子，简称“多子”，空穴是少数载流子，简称“少子”。每个P原子在释放一个自由电子后便成为不能移动的正离子，由此产生了正离子—电子对。同样，如果在Si晶体中掺入少量的三价杂质元素，例如硼(B)元素，可以获得过多的空穴。多子是空穴，少子是自由电子。5.1.2PN结及其单向导电特性

1.PN结的形成

物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散。当P型半导体和N型半导体结合在一起时，因为空穴在P区中是多子，在N区中是少子；同样，电子在N区中是多子，在P区中是少子，所以在P、N两区交界处，由于载流子浓度的差异，要发生电子和空穴的扩散运动，多子都要向对方区域移动。当电子和空穴相遇时会复合消失。假设扩散运动的方向由正指向负(P区指向N区)，则空穴将顺扩散运动方向移动，电子将逆扩散运动方向移动，如图5.8所示。

扩散的结果在两区交界处的P区一侧，出现了一层带负电荷的粒子区(即不能移动的负离子)；在N区一侧，出现了一层带正电荷的粒子区(即不能移动的正离子)，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结，如图5.9所示。2.PN结的单向导电特性

1)外加正向电压Uf促使PN结转化为导通状态

正向电压又称正向偏置电压，简称正偏电压。当PN结外加正向电压Uf(外电源的正极接P区，负极接N区)时，如图5.10(a)所示，则外电场的方向与扩散运动方向一致，加强了扩散运动，削弱了漂移运动。(1)当0≤Uf＜UT时，UT为死区电压，或称门坎电压。这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，所以正向电流If几乎为零，PN结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎，如图5.10(b)所示。

(2)当Uf≥UT后，这时在外电场的作用下，内电场被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且进入空间电荷区后，一部分空穴会与负离子中和，一部分电子会与正离子中和，使空间电荷量减少，PN结变窄，如图5.10(a)所示。

空间电荷区中载流子数量的增加，相当于PN结电阻的减小。这样，载流子就能顺利地越过PN结，形成闭合的回路，产生较大的正向电流If。因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子，所以使电流If得以维持。PN结的正向特性曲线如图5.10(b)所示。2)外加反向电压UR促使PN结转化为截止状态

反向电压又称为反向偏置电压，简称反偏电压。当PN结外加反向电压UR(外电源的正极接N区，负极接P区)时，如图5.11(a)所示，外电场方向与自建电场方向一致，加强了漂移运动，削弱了扩散运动。这时在外电场的作用下，空间电荷量增加，PN结变宽，如图5.11(a)所示。

空间电荷区中几乎无载流子，近似于电路的开路状态，扩散电流趋于零，见图5.11(a)。这时由热激发产生的少子，可以在结电场的作用下通过PN结，形成反向电流IR，但因为少子数量有限，IR很小，所以这时仍可认为PN结是截止的。

图5.11PN结的反向特性(a)外加反向电压截止；(b)反向特性曲线(b)

因此，PN结处于反偏时，电阻是很大的。PN结的反向特性曲线如图5.11(b)所示。

IR也称为反向饱和电流IS。这是因为当温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的电压范围内，IR几乎不随反偏电压的增加而变大，见图5.11(b)。4.PN结的击穿特性当PN结反偏电压UR超过某一数值时，反向电流IR会突然增大，出现反向电压击穿现象，简称为反向击穿。发生反向击穿所需的电压称为反向击穿电压UB。5.2半导体二极管5.2.1半导体二极管的结构与分类半导体二极管又称晶体二极管，简称为二极管。它是由一个PN结加上相应的电极引线和管壳做成的。从P区引出的电极称为阳极(正极)，从N区引出的电极称为阴极(负极)。PN结的基本属性，也就是二极管的基本属性。二极管的符号如图5.14(C)所示，用字母VD表示。半导体二极管图5.14半导体二极管的结构及符号(a)点接触型；(b)面接触型；(C)符号5.2.2二极管的伏安特性曲线

二极管的电压—电流关系曲线称伏安特性曲线。此特性曲线就是PN结的正向、反向及反向击穿特性曲线。图5.15(a)和(b)分别是Si和Ge二极管的特性曲线。在室温下，Si管、Ge管的死区电压UT、正向导通电压UD及反向饱和电流IS的数值如表5.1所示。表5.1Si和Ge二极管的UT、UD及IS值5.2.3二极管的主要参数

1)最大整流电流IF

最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。当二极管电流I＞IF时，PN结会因为太热而烧坏。

2)最高反向工作电压URM

最高反向工作电压URM通常取二极管反向击穿电压UB的一半。3)反向电流IR

反向电流IR即为反向饱和电流IS。其值越小，二极管的单向导电性能越好。

4)最高工作频率fM

这主要取决于PN结的结电容。若工作频率f＞fM，则二极管的单向导电性能将变坏。为便于读者了解半导体器件的命名方法，将我国的命名有关规定介绍如下：表5.25.2.4二极管应用举例二极管的应用范围很广，利用二极管的单向导电特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。利用二极管的其它特性，可使其应用在稳压、变容、温度补偿等方面。整流、钳位、开关电路将在后面有关章节中提到，现简单介绍一下限幅电路。限幅器又称削波器，主要是限制输出电压的幅度。为讨论方便起见，假设二极管VD为理想二极管，即正偏导通时，忽略VD的正向压降，近似认为VD短路；反偏截止时，近似认为VD开路。

例1电路及输入电压UI的波形如图5.17所示。画出输出电压Uo的波形如图5.17(b)所示。图5.17二极管单向限幅电路

(a)电路；(b)波形解：当ui＞+5V时，uo=+5V(VD正偏短路)；当ui

≤+5V时，uo=UI

(VD反偏开路)。故可画出输出uo的波形，如图5.17(b)所示。图5.18二极管双向限幅电路

(a)电路；(b)波形例2电路及输入电压UI的波形如图5.18所示，画出输出电压uo的波形。

解：①当ui＞+10V时：

VD1正偏短路，VD2反偏开路，uo=+10V。②当ui

＜-10V时：

VD1反偏开路，VD2正偏短路，uo=-10V。③当-10V＜UI≤+10V时：

VD1、VD2均反偏开路，uo=ui。

uo波形如图5.18(b)所示。5.2.5稳压管

1.稳压管:稳压管用字母VDZ表示依据的条件是：

(1)工艺上通过控制半导体内所掺杂的成份。

(2)外电路中所串联的限流电阻。图5.19稳压管符号及特性曲线

(a)符号；(b)伏安特性曲线

值得指出的是：稳压管必须工作在反向偏置(利用正向稳压的除外)，即阴极接电源正极，阳极接电源负极，另外，稳压管可以串联使用，一般不能并联使用，因为并联有时会因电流分配不匀而引起管子过载损坏。2.稳压管的主要参数

1)稳定电压UZ

UZ就是稳压管的反向击穿电压。由于制造工艺不易控制，即使同一型号的管子，UZ的值也会稍有不同。

2)稳定电流IZ和最大稳定电流IZMIZ的稳压管正常工作时的反向电流，这是一个参考值。IZM是稳压管允许通过的最大反向电流。当稳压管工作电流I＜IZ时，没有稳压效果；正常工作时，

IZ＜I＜IZM。4)电压温度系数αα是UZ受温度变化的系数，常用温度每增加1℃时，UZ改变的百分数来表示。一般来说，硅稳压管的UZ＜4V时，α＜0；UZ＞7V时，α＞0;4V≤UZ≤7V时，α最小，这时温度稳定性最好。

5)最大耗散功率PMPM是保证管子不发生热击穿的极限值。3)动态电阻rZ

rZ相当于二极管的微变等效电阻，因此rZ越小(ΔIZ越大)，稳压性能越好。半导体三极管5.3.1半导体三极管5.3.1BJT的结构及放大原理

半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号5.3.1半导体三极管

结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图1.内部载流子的传输过程

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子

以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

5.3.2电流放大原理发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子5.3.2三极管的电流放大作用（1）电源EB向发射结提供正向偏置，UBE>0。发射结有明显的电流流过，锗管正向电压应>(0.2~0.3)V，硅管正向电压应>(0.6~0.8)V，

(正向导通压降)。（2）电源EC向集电结提供反向偏置，UCB>0。三极管(NPN为例)要实现放大的条件：如图所示1、发射区发射多数载流子形成IE1)发射区中多子—电子向基区扩散形成电流IEN

2)基区中多子—空穴，向发射区扩散形成电流IEP

3)两者的电流方向相同，形成发射极电流IE

IE=IEN+IEP≈IEN

E区掺杂的浓度远高于B区掺杂的浓度(1)发射区向基区扩散的电子少数在基区与空穴复合形成复合电流IBN,绝大多数都能穿越基区到达集电结附近。(2)集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方飘移，形成飘移电流ICB0，称为反向电流。(3)上已知：基区中多子—空穴，向发射区扩散形成电流IEP(4)

组成基极电流IB有：

IB=IBN+IEP

-ICB0

≈IBN

-ICB0

(5-2) 3、集电区收集载流子形成集电极电流IC(1)

集结在集电结附近接收发射区发射过来的大量电子,

被EC正极吸引到集电区，流向EC的正极，形成ICN

(2)上已知:基区和集电区中少子飘移，产生飘移电流ICB0(3)

集电极电流IC为：

IC

=

ICN

+ICB0=

IEN

-

IBN

+ICB0(5-3) 2、基区复合形成基极电流IB4、三极管电流分配关系：

已知：式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下：

IE=IEN+IEP (5-1) IB=IBN+IEP

-ICB0

(5-2) IC

=

IEN

-

IBN

+ICB0(5-3)

而(5-2)+(5-3)得IB+IC

=

IEN+IEP

即：

IE=IB+IC

分析可看出：

发射极电流IE等于集电极电流IC和基极电流IB之和

把三极管看成一个结点，根据基尔霍夫电流定律，则可写成：

IE=IB+IC5、电流放大倍数将IC和IB的关系写成：由于IC比IB的电流大得多,称为直流放大倍数

同样可写成电流变化量比：称为交流放大倍数

在实际中，两个放大倍数在数值上很接近，常相互替换.

IC比IB的电流关系写成：

可看出：当IB(ΔIB)有很小的变化时，就会控制IC(ΔIC)的很大变化。

IEIBIC6、共发射极电路

在上述分析的图(a)电路中： 发射极是基极回路(输入回路)和集电极回路(输出回路)共有，此电路的接法称为共发射极电路。

所以这里的电流放大系数的全称应为共发射极电流放大系数，简称为电流放大系数。

对于具体的某个三极管，它一旦制作完成，其电流放大系数就确定了而不会改变。BJT的三种组态IE=(1+β)IB晶体三极管组成放大电路：一个电极作为信号输入端，一个电极作输出端，另一个电极作输入、输出回路的共同端。三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；

综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。1.输入特性曲线5.3.3BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。输入特性是指当集电极与发射极之间的电压vCE为某一常数时，输入回路中加在BJT基极与发射极之间的电压vBE与基极电流iB之间的关系曲线。vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE

-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE

1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）(3)输入特性曲线的三个部分①死区

②非线性区③线性区

1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)

iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:3.1.3BJT的特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。iC=βiB三个工作区域具体讨论如下。

(1).截止区

e结、C结均为反偏，BJT无放大作用。这时

IB≈0;IC≈0

UCE=UCC-ICRC≈UCC(2).放大区

e结正偏、C结反偏(对于NPN型管，UC＞UB、

UB＞UE。对于PNP型管，UC＜UB、UB＜UE)，BJT有放大作用。这时

IB＞0;IC=βIB

UCE=UCC-ICRc(3).饱和区

e结、C结均为正偏，UCE=UCES很小。UCE的减小使C结收集电子的能力减弱，也即e区发射有余，而C极收集不足，以致IC几乎不再随IB的增大而增大，BJT失去放大作用。因为UCES最小只能接近于零，所以由可求出集电极饱和电流为

基极临界饱和电流为

当基极注入电流IB超过其临界值时，晶体管呈饱和状态。故判断管子饱和状态的方法为：若例5-2在图5.19中，已知三极管的型号以及三个电极的对地电位，试判断三极管是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型，并判断管子的工作状态。解（a）图为NPN型三极管，因为UB>UE，所以发射结正向偏置。UC<UB，集电结正向偏置，因此三极管工作在饱和状态。UBE=UB-UE=0.7V，因此是硅管。3DK2+2.3V+2.7V+2V3AG2-6V-0.3V0V（b）图为PNP型三极管，因为UC<UB<UE，所以发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管工作在放大状态。UBE=UB-UE=0.3V，因此是锗管。

(a)(b)例5-3在图5.20中，判断各三极管的工作状态。（设三极管的UBE=0.7V）图5.20例5-3电路β=50Rb50kΩRc2kΩUCC12VUBB5Vβ=40Rb50kΩRc2kΩUCC12VUBB10Vβ=50Rb40kΩRc2kΩUCC12VUBB6V图5.20对图(a)0<IB<IBS，所以三极管工作在放大状态。例5-3在图5.20中，判断各三极管的工作状态。（设三极管的UBE=0.7V）图5.20例5-3电路β=50Rb50kΩRc2kΩUCC12VUBB5Vβ=40Rb50kΩRc2kΩUCC12VUBB10Vβ=50Rb40kΩRc2kΩUCC12VUBB6V图5.20对图(b)IB>IBS，所以三极管工作在饱和状态。图(c)工作在截止状态5.3.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=const1.电流放大系数

（直流工作状态）静态(2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=const5.3.4BJT的主要参数1.电流放大系数

（交流工作状态）动态在特性曲线的线性部分，β和β常混用。例下图Q点：

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流ICEO (1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。3.极限参数

1)集电极最大允许电流ICM

当iC超过一定值时，BJT的参数会发生变化，特别是β将下降。ICM是指BJT的参数变化不超过允许值时，C极允许的最大电流。使用时，若iC＞ICM，管子不仅性能会下降，甚至可能会烧坏。

2)集电极最大允许耗散功率PCM

这是指C结上允许耗散的最大功率，表示如下：iC/mA0uCE/VICMU(BR)CEOPCM安全工作区过损耗区图5.23

三极管的安全工作区

（3）反向击穿电压BJT有两个PN结，如果PN结上的反向电压超过规定值，也会发生反向击穿现象。晶体三极管的反向击穿电压有如下几种：U(BR)CBO：是发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。U(BR)EBO：是集电极开路时，发射极与基极之间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。U(BR)CEO：是基极开路时，集电极与发射