半導(dǎo)體二極管及其基本電路

1、1,第一章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ),教學(xué)時數(shù)：8學(xué)時重點與難點：1、PN結(jié)的原理和二極管的等效電路。2、半導(dǎo)體內(nèi)部載流子運動規(guī)律。3、晶體二極管、晶體三極管、結(jié)型場效應(yīng)管、絕緣柵型場應(yīng)管的工作原理和特性曲線。,2,§1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1.1 本征半導(dǎo)體純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體.導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。2. 絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物體。,3,3. 半導(dǎo)體,３．半導(dǎo)體是導(dǎo)

2、電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。 半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109 ??cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,半導(dǎo)體特點： 1) 在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變 化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。 2) 在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯 著增加。二極管、三極管屬于此類。,4,1.1.2 本征半導(dǎo)體,1. 本征半導(dǎo)體

3、——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。,硅和鍺都是4價元素，它們的外層電子都是4個。其簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖：,外層電子受原子核的束縛力最小，成為價電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的 。,5,2.本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu),本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四

4、個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：,6,共價鍵性質(zhì),共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。 束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。 因此，在絕對溫度T=0?K（-273 ?C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子，不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下，本征半導(dǎo)

5、體才能導(dǎo)電。,,7,3. 電子與空穴,當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0?K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,8,４．電子與空穴,自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。,9,５．電子與空穴的復(fù)合,可見因熱

6、激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。,,本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫）,10,６．空穴的移動,由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。,空穴在晶體中的移動（動畫）,

7、電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導(dǎo)體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴。由于空穴數(shù)量有限，所以其電阻率很大。,11,1.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,(1) N型半導(dǎo)體(2) P型半導(dǎo)體,12,1. N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷可形成 N型

8、半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會產(chǎn)生少量的電子空穴對，所以空穴是少數(shù)載流子。,13,N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因失去一個電子而帶單位正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所

9、示。,所以，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子有兩種： 自由電子—多數(shù)載流子（由兩部分組成） 空穴——少數(shù)載流子,14,2. P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。 因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。當(dāng)相鄰共價鍵上的電子因受激發(fā)獲得能量時，就可能填補這個空穴，而產(chǎn)生新的空穴。空穴是其主要載流子。,,15,P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),在

10、P型半導(dǎo)體中，硼原子很容易由于俘獲一個電子而成為一個帶單位負(fù)電荷的負(fù)離子，三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。 而硅原子的共價鍵由于失去一個電子而形成空穴。所以P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。,P型半導(dǎo)體中：空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。,16,本節(jié)中的有關(guān)概念,本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體,自由電子、空穴,N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,多數(shù)載流

11、子、少數(shù)載流子,施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì),17,2.2 PN結(jié)及其特性,,PN結(jié)的形成,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的電容效應(yīng),,,18,PN結(jié)的形成,當(dāng)擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產(chǎn)生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結(jié)的電流為0。,19,PN結(jié)的形成,對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為P

12、N結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。由于耗盡層的存在，PN結(jié)的電阻很大。,PN結(jié)的形成過程（動畫）,PN結(jié)的形成過程中的兩種運動： 多數(shù)載流子擴散 少數(shù)載流子飄移,,20,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。如果外加電壓使PN結(jié)中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

13、 P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。,21,(1) PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況,外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。,低電阻 大的正向擴散電流,22,(2) PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況,外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。

14、內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。,PN結(jié)的伏安特性,在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。,高電阻 很小的反向漂移電流,23,（3） PN結(jié)的伏安特性,PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流

15、；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?24,3. PN結(jié)方程,根據(jù)理論分析，PN結(jié)兩端的電壓V與流過PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為：,其中：IS為PN結(jié)的反向飽和電流；UT稱為溫度電壓當(dāng)量，在溫度為300K(27°C)時，UT約為26mV；,所以上式常寫為：,25,PN結(jié)方程,PN結(jié)正偏時，如果V> VT 幾倍以上，上式可改寫為：即I隨V按指數(shù)規(guī)律

16、變化。,PN結(jié)反偏時，如果│V │> VT幾倍以上，上式可改寫為： 其中負(fù)號表示為反向。,26,4. PN結(jié)的擊穿特性,如圖所示，當(dāng)加在PN結(jié)上的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然急劇增大，PN結(jié)產(chǎn)生電擊穿—這就是PN結(jié)的擊穿特性。 發(fā)生擊穿時的反偏電壓稱為PN結(jié)的反向擊穿電壓VBR。,PN結(jié)被擊穿后，PN結(jié)上的壓降高，電流大，功率大。當(dāng)PN結(jié)上的功耗使PN結(jié)發(fā)熱，并超過它的耗散功率時，PN結(jié)將發(fā)生熱擊穿。這時

17、PN結(jié)的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。,27,5 . PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)除了具有單向?qū)щ娦酝?，還有一定的電容效應(yīng)。按產(chǎn)生電容的原因可分為： 勢壘電容CB ， 擴散電容CD 。,28,(1) 勢壘電容CB,勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充

18、放電。勢壘電容的示意圖如下圖。,勢壘電容示意圖,29,(2) 擴散電容CD,擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。,擴散電容示意圖,反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖所示。,30,擴散電容CD,當(dāng)外加正

19、向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。,擴散電容示意圖,PN結(jié)在反偏時主要考慮勢壘電容。,PN結(jié)在正偏時主要考慮擴散電容。,31,1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型,在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。,(1) 點接觸型二極管—,P

20、N結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,點接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖,32,二極管的結(jié)構(gòu),,平面型,(3) 平面型二極管—,往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,(2) 面接觸型二極管—,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,面接觸型,33,1.2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線,半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安

21、特性曲線。,34,二極管的伏安特性曲線,根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示,式中IS 為反向飽和電流，V 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300 K），則有VT=26 mV。,35,硅二極管的開啟電壓Von=0.5 V左右， 鍺二極管的開啟電壓Von=0.1 V左右。,當(dāng)0＜V＜Von時，正向電流為零，Von稱

22、為死區(qū)電壓或開啟電壓。,當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：,當(dāng)V＞Von時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。,(1) 正向特性,36,當(dāng)V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：,當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS 。,當(dāng)V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。,(2) 反向特性,37,反向特性,在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管

23、的特性有所不同。 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很?。绘N二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。,從擊穿的機理上看，硅二極管若|VBR|≥7V時,主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時, 則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點。,38,2.3.4 半導(dǎo)體二極管的溫度特性,溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每

24、增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。近似認(rèn)為二極管管溫度每增加10℃，反向電流大約增加一倍,另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從所示二極管的伏安特性曲線上看出。,39,1.2.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù),半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓UR、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容

25、Cj等。幾個主要的參數(shù)介紹如下：,(1) 最大整流電流IF——,二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。,(2) 反向擊穿電壓UBR———和最大反向工作電壓UR,40,半導(dǎo)體二極管的參數(shù),,(3) 反向電流IR : 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA;10-9A)級；鍺二極管在微安(?A)級。,(4) 正向壓降UF：在規(guī)定的正向電流下，二極管

26、的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。,(5) 動態(tài)電阻rd：反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然， rd與工作電流的大小有關(guān)，即 rd =?VF /?IF,41,2.3.6 二極管電路及其分析方法,簡單的二極管電路如圖所示，由二極管、電阻和電壓源組成，其分析方法一般有兩種： 圖解法、模型法（等效電路法）。,42,1. 圖解法,圖示電路可分

27、為A、B兩部分。,A部分的電壓與電流關(guān)系：VD=V - IR,B部分的電壓與電流關(guān)系就是二極管的伏安特性。,在二極管的伏安特性上畫出VD=V - IR ，如圖所示：,最后得出二極管兩端的電壓VD和流過二極管的電流I，如圖所示。,43,2. 模型分析法,(1) 二極管的大信號模型：根據(jù)二極管伏安特性，可把它分成導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。,44,大信號模型,所以二極管導(dǎo)通時，其上的電壓和流過它的電流可表示為：,一般硅二極管正向?qū)▔航禐?

28、.6V~0.8V 鍺二極管正向?qū)▔航禐?.1V~0.3V以0.7或0.2計算將引入10%的誤差。但如果V足夠大，則VD實際引入的誤差并不大。,如果V >>0.7V(0.3V):,45,理想模型,46,1.2.4 二極管及二極管特性的折線近似,一、理想二極管,特性,,,符號及等效模型,正偏導(dǎo)通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = ?,二、二極管的恒壓降模型,UD(on),uD

29、= UD(on),,0.7 V (Si),0.2 V (Ge),三、二極管的折線近似模型,,UD(on),,斜率1/ rD,rD,UD(on),,,47,小信號模型,(2) 二極管的小信號模型：從二極管伏安特性上看出，二極管導(dǎo)通后，其電壓變化量與電流變化量之比近似于常數(shù)：此時的二極管相當(dāng)于一個動態(tài)電阻，其阻值是正向特性曲線在工作點上的斜率的倒數(shù)，如圖所示。,48,2.3.7 二極管基本應(yīng)用,vo,vi,49,二極管基本應(yīng)用

30、,|vi |<0.7V時，D1、D2截止，所以vo=vi,| vi |>0.7V時， D1、D2中有一個導(dǎo)通，所以vo =0.7V,vo,vi,50,二極管基本應(yīng)用,2. 利用單向?qū)щ娦詷?gòu)成整流和開關(guān)電路,不管輸入信號處于正或負(fù)半周，負(fù)載上得到的都是正向電壓。,vi,vo,51,2.4 穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲

31、線的反向區(qū)、符號和典型應(yīng)用電路如圖所示。,符號,應(yīng)用電路,伏安特性,52,2.4.1 穩(wěn)壓二極管參數(shù),從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。,(1) 穩(wěn)定電壓VZ ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所 對應(yīng)的反向工作電壓。,(2) 動態(tài)電阻rZ ——其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

32、 rZ =?VZ /?IZ,(3)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——?VZ。溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)?VZ? ＞7 V時，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。當(dāng)?VZ?＜4 V時， VZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當(dāng)4 V＜?VZ? ＜7 V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。,53,穩(wěn)壓二極管參數(shù),(4) 最大耗散功率 PZM ——穩(wěn)壓管的最大功率

33、損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時PN結(jié)的功率損耗為 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以決定IZmax。,(5) 最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流IZmin ——穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin對應(yīng)VZmin。 若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。,54,2.4.2 穩(wěn)壓管應(yīng)用,穩(wěn)壓管正常工作的兩個條件：a. 必須工作在反向擊穿狀態(tài)（利用其正向

34、特性除外）；b. 流過管子的電流必須介于穩(wěn)定電流和最大電流之間。,典型應(yīng)用如圖所示：當(dāng)輸入電壓vi和負(fù)載電阻RL在一定范圍內(nèi)變化時，流過穩(wěn)壓管的電流發(fā)生變化，而穩(wěn)壓管兩端的電壓Vz變化很小，即輸出電壓vo基本穩(wěn)定。,問題：不加R可以嗎？ 穩(wěn)壓條件是什么？,電阻R的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。,55,穩(wěn)壓

35、管應(yīng)用,如果輸入電壓Vi （ Vi >VZ）確定，穩(wěn)壓管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。,負(fù)載電阻RL太大，IL減小，IZ增大，只要IZ IZmin，穩(wěn)壓管仍能正常工作。,56,1.3　雙極型半導(dǎo)體三極管,1.3.1 晶體三極管,1.3.2 晶體三極管的特性曲線,1.3.3 晶體三極管的主要參數(shù),57,(Semiconductor Transistor),,,1.3.1 晶體三極管,一、結(jié)構(gòu)、符號和分類,發(fā)射極 E,基極 B,集電極 C

36、,發(fā)射結(jié),集電結(jié),— 基區(qū),— 發(fā)射區(qū),— 集電區(qū),emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分類：按材料分： 硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分： NPN、 PNP按使用頻率分： 低頻管、高頻管按功率分：小功率管 1 W,58,二、電流放大原理,1. 三極管放大的條件,內(nèi)部條件,,發(fā)射區(qū)摻雜濃度高,基區(qū)薄且摻雜濃度低,集電結(jié)面積大,外部條件,,發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏,2. 滿足放

37、大條件的三種電路,共發(fā)射極,共集電極,共基極,實現(xiàn)電路,,59,3. 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程,1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子， 形成發(fā)射極電流 IE。,I CN,多數(shù)向 BC 結(jié)方向擴散形成 ICN。,IE,,,少數(shù)與空穴復(fù)合，形成 IBN 。,,I BN,基區(qū)空穴來源,,基極電源提供(IB),集電區(qū)少子漂移(ICBO),,I CBO,,IB,IBN ? IB + ICBO,即：,IB = IBN – ICBO,3) 集電區(qū)

38、收集擴散過來的載流子形成集電極電流 IC,,IC,I C = ICN + ICBO,,2)電子到達基區(qū)后,三極管內(nèi)載流子運動,60,4. 三極管的電流分配關(guān)系,當(dāng)管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：,IB = I BN ? ICBO,IC = ICN + ICBO,,IE = IC + IB,穿透電流,,,,,,,61,1.3.2 晶體三極管的特性曲線,一、輸入特性,,,輸入回路,

39、輸出回路,與二極管特性相似,,,特性基本重合(電流分配關(guān)系確定),特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子),導(dǎo)通電壓 UBE(on),,硅管： (0.6 ? 0.8) V,鍺管： (0.2 ? 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,,,62,二、輸出特性,截止區(qū)： IB ? 0 IC = ICEO ? 0條件：兩個結(jié)反偏,2. 放大區(qū)：,3. 飽和區(qū)：,uCE ? u BE,uCB =

40、uCE ? u BE ? 0,條件：兩個結(jié)正偏,特點：IC ? ? IB,臨界飽和時： uCE = uBE,深度飽和時：,,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (鍺管),放大區(qū),截止區(qū),飽和區(qū),條件：發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏特點：水平、等間隔,,ICEO,,輸 出 特 性,63,三、溫度對特性曲線的影響,1. 溫度升高，輸入特性曲線向左移。,溫度每升高 1?C，UBE ? (2 ? 2.5

41、) mV。,溫度每升高 10?C，ICBO 約增大 1 倍。,2. 溫度升高，輸出特性曲線向上移。,,,T1,T2 >,,,溫度每升高 1?C，? ?(0.5 ? 1)%。,輸出特性曲線間距增大。,O,64,1.3.3 晶體三極管的主要參數(shù),一、電流放大系數(shù),1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù),— 直流電流放大系數(shù),? — 交流電流放大系數(shù),一般為幾十 ? 幾百,2. 共基極電流放大系數(shù),? ? 1 一般在 0.98 以上。,,,,,

42、,Q,,,,二、極間反向飽和電流,CB 極間反向飽和電流 ICBO，,CE 極間反向飽和電流 ICEO。,65,三、極限參數(shù),1. ICM — 集電極最大允許電流，超過時 ? 值明顯降低。,U(BR)CBO — 發(fā)射極開路時 C、B 極間反向擊穿電壓。,2. PCM — 集電極最大允許功率損耗,PC = iC ? uCE。,3. U(BR)CEO — 基極開路時 C、E 極間反向擊穿電壓。,U(BR)EBO — 集電極極開路時 E

43、、B 極間反向擊穿電壓。,U(BR)CBO,> U(BR)CEO,> U(BR)EBO,(P34 2.1.7)已知:ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V，當(dāng) UCE = 10 V 時，IC < mA當(dāng) UCE = 1 V，則 IC < mA當(dāng) IC = 2 mA，則 UCE < V,10,20,

44、20,,,66,1.4　單極型半導(dǎo)體三極管,引　言,1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管,1.4.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù),1.4.2 MOS 場效應(yīng)管,,,67,引 言,場效應(yīng)管 FET (Field Effect Transistor),類型：,,結(jié)型 JFET (Junction Field Effect Transistor),絕緣柵型 IGFET(Insulated Gate FET),特點：,1. 單極性器件(一種載

45、流子導(dǎo)電),3. 工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低,2. 輸入電阻高(107 ? 1015 ?，IGFET 可高達 1015 ?),,68,1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu)與符號,N 溝道 JFET,P 溝道 JFET,,69,2. 工作原理,uGS ? 0，uDS > 0,此時 uGD = UGS(off)；,溝道楔型,耗盡層剛相碰時稱預(yù)夾斷。,,預(yù)夾斷,當(dāng) uDS ?，預(yù)夾斷點下移。,3. 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

46、,UGS(off),,當(dāng) UGS(off) ? uGS ? 0 時,,,O,O,70,一、增強型 N 溝道 MOSFET (Mental Oxide Semi— FET),1.4.2 MOS 場效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu)與符號,,P 型襯底,(摻雜濃度低),用擴散的方法制作兩個 N 區(qū),,在硅片表面生一層薄 SiO2 絕緣層,用金屬鋁引出源極 S 和漏極 D,在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極 G,S — 源極 Source,G —

47、柵極 Gate,D — 漏極 Drain,,71,2. 工作原理,1)uGS 對導(dǎo)電溝道的影響 (uDS = 0),a. 當(dāng) UGS = 0 ，DS 間為兩個背對背的 PN 結(jié)；,b. 當(dāng) 0 < UGS < UGS(th)(開啟電壓)時，GB 間的垂直電 場吸引 P 區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；,c. 當(dāng) uGS ? UGS(th) 時，襯底中電子被吸引到表面，形 成導(dǎo)電溝道。 uGS 越大溝道越厚。,反

48、型層(溝道),,,72,2) uDS 對 iD的影響(uGS > UGS(th)),DS 間的電位差使溝道呈楔形，uDS?，靠近漏極端的溝道厚度變薄。,預(yù)夾斷(UGD = UGS(th))：漏極附近反型層消失。,預(yù)夾斷發(fā)生之前： uDS? iD?。,預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDS? iD 不變。,,73,3. 轉(zhuǎn)移特性曲線,UDS = 10 V,,UGS (th),當(dāng) uGS > UGS(th) 時：,uGS = 2UGS(t

49、h) 時的 iD 值,,,4. 輸出特性曲線,可變電阻區(qū),uDS < uGS ? UGS(th),uDS?? iD ?，直到預(yù)夾斷,飽和(放大區(qū)),uDS?，iD 不變,?uDS 加在耗盡層上，溝道電阻不變,截止區(qū),uGS ? UGS(th) 全夾斷 iD = 0,,,開啟電壓,,,截止區(qū),飽和區(qū),可變電阻區(qū),放大區(qū),恒流區(qū),,O,O,74,,二、耗盡型 N 溝道 MOSFET,Sio2 絕緣層中摻入正離子在 uGS

50、= 0 時已形成溝道；在 DS 間加正電壓時形成 iD，,uGS ? UGS(off) 時，全夾斷。,輸出特性,轉(zhuǎn)移特性,IDSS,UGS(off),夾斷電壓,飽和漏極電流,當(dāng) uGS ? UGS(off) 時，,O,75,三、P 溝道 MOSFET,增強型,耗盡型,,76,N 溝道增強型,P 溝道增強型,N 溝道耗盡型,P 溝道耗盡型,IDSS,N 溝道結(jié)型,P 溝道結(jié)型,FET 符號、特性的比較,,,77,1.6.3 場效應(yīng)

51、管的主要參數(shù),開啟電壓 UGS(th)(增強型) 夾斷電壓 UGS(off)(耗盡型),指 uDS = 某值，使漏極電流 iD 為某一小電流時的 uGS 值。,,,UGS(th),2. 飽和漏極電流 IDSS,耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng) uGS = 0 時所對應(yīng)的漏極電流。,3. 直流輸入電阻 RGS,指漏源間短路時，柵、源間加反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。,JFET：RGS > 107 ?,MOSFET：RGS = 109 ?