1、第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 1. .2 半導體二極管半導體二極管 1.3 1.3 晶體三極管晶體三極管 1.4 1.4 場效應管場效應管1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識一、本征半導體一、本征半導體二、雜質半導體二、雜質半導體三、三、PNPN結的形成及單向導電性結的形成及單向導電性四、四、PNPN結的伏安特性結的伏安特性五、五、PNPN結的電容效應結的電容效應一、一、本征半導體本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質為半導體。無雜質無雜質穩定的結構穩定的結構本征半導體是本征半導體

2、是純凈，晶體結構的半導體。純凈，晶體結構的半導體。1、什么是半導體？什么是本征半導體？、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度才可能導電。核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度才可能導電。 半導體硅（半導體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們

3、原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。1、本征半導體的結構、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產生使共價鍵中自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與

4、空穴對熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。的濃度加大。載流子載流子 外加電場時，帶負電的自由外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載電，且運動方向相反。由于載流子數目很少，導電性很差。流子數目很少，導電性很差。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。流子濃度增大，導電性增強。 絕對溫度絕對溫度0K時不導電。時不導電。2、本征半導體中的兩種載流子、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。二、雜質半導體 1、N型半導體型半導體5磷（磷（P）

5、 雜質半導體主要靠多數載雜質半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質越多，流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，多子濃度越高，導電性越強，實現導電性可控。實現導電性可控。多數載流子多數載流子2、P型半導體型半導體3硼（硼（B）多數載流子多數載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強，三、三、PN結的形成及其單向導電性結的形成及其單向導電性 物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區空穴區空穴濃

6、度遠高濃度遠高于于N區。區。N區自由電區自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區。區。擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區的空穴濃度降低、靠近接觸面區的空穴濃度降低、靠近接觸面N區區的自由電子濃度降低，產生內電場，不利于擴散運動的進行。的自由電子濃度降低，產生內電場，不利于擴散運動的進行。PN結的形成結的形成 因電場作用所產生因電場作用所產生的運動稱為漂移運動。的運動稱為漂移運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態平衡，就形成了達到動態平衡，就形成了PN結。結。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區與區與N區的交界面缺少多數

7、載流子，形成區的交界面缺少多數載流子，形成內電場，而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從內電場，而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區向區向P區、區、自由電子從自由電子從P區向區向N 區運動。區運動。PNPN結加正向電壓導通：結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，成擴散電流，PNPN結處于導通結處于導通狀態。狀態。PNPN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可

8、近似認為其截止。認為其截止。PN結的單向導電性結的單向導電性 所謂所謂PN結的伏安特性既是結的伏安特性既是指指PN結兩端電壓與電流的結兩端電壓與電流的關系。關系。（1）當）當 稱為正向特性。稱為正向特性。 （i與與u按指數規律變化）按指數規律變化）（2）當）當 ， 稱為反向特性。稱為反向特性。TUu TUu四、四、PNPN結的伏安特性結的伏安特性Is為反向飽和電流； UT約為26mV) 1(TUuSeIiSIiTUuSeIi 五、五、PNPN結的電容效應結的電容效應1、勢壘電容、勢壘電容 PN結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生變化，有電荷的積累和釋

9、放的過程，與電容的充放變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容為勢壘電容電相同，其等效電容為勢壘電容Cb。2、擴散電容、擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容為擴散電容釋放的過程，其等效電容為擴散電容Cd。dbjCCC結電容：結電容： 結電容不是常量！若結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！程度，則失去單向導電性！1. 2 半導體二極管一、二極管的組成二、二極管

10、的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數五、穩壓二極管 一、二極管的組成一、二極管的組成將將PN結封裝，引出兩個電極，就構成二極管。結封裝，引出兩個電極，就構成二極管。點接觸型：點接觸型：結面積小，結電容小結面積小，結電容小故結允許的電流小故結允許的電流小最高工作頻率高最高工作頻率高面接觸型：面接觸型：結面積大，結電容大結面積大，結電容大故結允許的電流大故結允許的電流大最高工作頻率低最高工作頻率低平面型：平面型：結面積可小、可大結面積可小、可大小的工作頻率高小的工作頻率高大的結允許的電流大大的結允許的電流大 二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程 二極

11、管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當量電壓當量從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1、單向導電性、單向導電性。，則若反向電壓；，則若正向電壓SSTeIiUuIiUuTUuT) 1e (TSUuIi2 2、伏安特性受溫度影響、伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況

12、下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數曲線指數曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路 1 1、將伏安特性折線化、將伏安特性折線化理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開關理想開關導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止截止時時IS0導通時導通時i與與u成成線性關系線性關系應根據不同情況選擇不同的等效電路！應根據不同情況選擇不同的等效電路！三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路DTDD

13、dIUiur根據電流方程，Q越高，越高，rD越小。越小。 當二極管靜態基礎上有一動態信號作用，則可將二極管當二極管靜態基礎上有一動態信號作用，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻。也就是微變等效電路。等效為一個電阻，稱為動態電阻。也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用時直流電源作用小信號作用小信號作用靜態電流靜態電流2 2、微變等效電路、微變等效電路四、二極管的主要參數四、二極管的主要參數 最大整流電流最大整流電流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR：最大瞬時值：最大瞬時值 反向電流反向電流 IR：即：即IS 最高工作頻率最高工作頻率fM：因：因PN結有電

14、容效應結有電容效應結電容為結電容為擴散電容（擴散電容（Cd）與與勢壘電容（勢壘電容（Cb）之和。之和。擴散路程中擴散路程中電荷的積累電荷的積累與釋放與釋放空間電荷區空間電荷區寬窄的變化寬窄的變化有電荷的積有電荷的積累與釋放累與釋放例例1.2.1已知二極管的導通電壓已知二極管的導通電壓UD約約為為0.7V，試求開關斷開和閉，試求開關斷開和閉合時的輸出電壓值。合時的輸出電壓值。例例1.2.1已知二極管的導通電壓已知二極管的導通電壓UD約約為為0.7V，試求開關斷開和閉，試求開關斷開和閉合時的輸出電壓值。合時的輸出電壓值。解：開關斷開時，解：開關斷開時，UO=VI-VD=6-0.7=5.3V；開關閉

15、合時，開關閉合時，UO=V2=12V。五、穩壓二極管五、穩壓二極管1、伏安特性、伏安特性進入穩壓區的最小電流進入穩壓區的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結組結組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內端電壓基本圍內端電壓基本不變，為穩定電不變，為穩定電壓。壓。2、主要參數、主要參數穩定電壓穩定電壓UZ、穩定電流、穩定電流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動態電阻動態電阻rzUZ /IZ討論一 判斷電路中二極管的工作狀態，求解輸出電壓。判斷電路中二極管的工作狀態，求解輸出電壓。判斷二極管工作狀態的方法？判斷二極管工作狀態的方法？例例1.

16、2.2 已知已知UI=10V，UZ=6V，Izmin=5mA，RL=2K ,求求R=500和和R=2K時時UO的值。的值。 例例1.2.2已知已知UI=10V，UZ=6V，Izmin=5mA，RL=2K ，求求R=500和和R=2K時時UO的值。的值。解：（解：（1）假設穩壓管穩壓，則）假設穩壓管穩壓，則mAIIImAImAILZLRRDRR5388500610326VUO6mAIIImAImAILZLRRDRUO522210DZ穩壓，穩壓，（2）假設穩壓管穩壓，則）假設穩壓管穩壓，則DZ截止，截止，1.3 晶體三極管一、晶體管的結構和符號二、晶體管的放大原理三、晶體

17、管的共射輸入、輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數一、三極管的結構和符號一、三極管的結構和符號多子濃度高多子濃度高多子濃度很多子濃度很低，且很薄低，且很薄面積大面積大晶體管有三個極、三個區、兩個晶體管有三個極、三個區、兩個PN結。結。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管二、晶體管的放大原理二、晶體管的放大原理（集電結反偏），即（發射結正偏）放大的條件BECECBONBE0uuuUu 擴散運動形成發射極電流擴散運動形成發射極電流IE，復合運動形成基極，復合運動形成基極電流電流IB，漂移運形成集電極電流，漂移運形成集電極電流IC。少數載少數載流子的流子的運動運動因發射區多子濃

18、度高使大量因發射區多子濃度高使大量電子從發射區擴散到基區電子從發射區擴散到基區因基區薄且多子濃度低，使極少因基區薄且多子濃度低，使極少數擴散到基區的電子與空穴復合數擴散到基區的電子與空穴復合因集電區面積大，在外電場作用下大因集電區面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區的電子漂移到集電區部分擴散到基區的電子漂移到集電區基區空穴基區空穴的擴散的擴散 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴散運動形成的電流擴散運動形成的電流 I IB B復合運動形成的電流復合運動形成的電流 I IC C漂移運動形成的電流漂移運動形成的電流 三、晶體管的共射放大電流系數 對一個高質量

19、的放大管子要求：對一個高質量的放大管子要求：I ICN CN I IEPEP， I ICN CN I IBNBN 用參數用參數表示表示I ICNCN / I / IE E，其值小于，其值小于1 1，此，此稱為共基極稱為共基極直流電流放大系數直流電流放大系數 所以所以I IC C=* * I IE E +I +ICBOCBO-（* *） 將式將式I IE E =I =IB B+I+IC C代入上式中整理得代入上式中整理得 三、晶體管的共射放大電流系數則則: :IC=*IB+（1+）*ICBO所以所以: :IE=IC+IB=（1+）*IB+（1+）ICBO一般情況下一般情況下 ICBO很小，可忽略

20、。很小，可忽略。則得則得: :IC*IB IE（1+）*IB稱為三極管的放大倍數。稱為三極管的放大倍數。1令令CBOBCIII111四、晶體管的共射特性 （一）輸入特性（一）輸入特性iB=f(uBE） UCE=常數常數1.UCE=0V時，相當于兩個二極管并聯，與二極管特性相同。2隨UCE輸入特性曲線右移。（原因：大部分電子被吸引到集電區，為保證IB不變，需增大UBE。）3當UCE1V，輸入特性曲線靠得很近，幾乎是同一條曲線。（電場強到使集電區吸引電子的能力達到最大，即IC基本不變，所以IB也基本不變。曲線不在右移。）圖:晶體管的輸入特性曲線（二）輸出特性（二）輸出特性電流與電壓的函數關系：ic

21、=f(uCE ） IB=常數1截止區：IB=0， IC=IE=0此時各極電壓關系如下：e，c結均反偏對NPN管uCuB，uBE uBuE，（uBE0.7V） 3 飽和區：ICIB此時各極電壓關系如下：e 結c結均正偏對NPN管uBuE uBuC臨界狀態（線）：uB=uC，放大與飽和的分界線。晶體管的輸出特性曲線晶體管的三個工作區域晶體管的三個工作區域 晶體管工作在放大狀態時，輸出回路電流晶體管工作在放大狀態時，輸出回路電流 iC幾乎僅僅決幾乎僅僅決定于輸入回路電流定于輸入回路電流 iB；即可將輸出回路等效為電流；即可將輸出回路等效為電流 iB 控制控制的電流源的電流源iC 。狀態狀態UBEIC

22、UCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE飽和飽和 UoniB uBE五、溫度對晶體管特性的影響五、溫度對晶體管特性的影響BEBBBECEO )(uiiuIT不變時，即不變時六、主要參數 直流參數直流參數： 、 、ICBO、 ICEOc-e間擊穿電壓間擊穿電壓最大集電最大集電極電流極電流最大集電極耗散功最大集電極耗散功率，率，PCMiCuCE安全工作區安全工作區 交流參數：交流參數：、fT（使（使1的信號頻率）的信號頻率） 極限參數極限參數：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii討論一1、分別分析、分別分析uI=0V、5V時時T是工作在截止狀態還是導通狀態；是工

23、作在截止狀態還是導通狀態；2、已知、已知T導通時的導通時的UBE0.7V，若當，若當uI=5V，則，則在什么范圍在什么范圍內內T處于放大狀態，在什么范圍內處于放大狀態，在什么范圍內T處于飽和狀態？處于飽和狀態？ 通過通過uBE是否大于是否大于Uon判斷管子判斷管子是否導通。是否導通。A431007 . 05bBEIBRUuimA4 . 2512cCCCmaxRVi56BCmaxii臨界飽和時的臨界飽和時的 例：電路如圖所示，VCC15V，100，UBE0.7V。試問： （1）Rb50k時，UO？ （2）若T臨界飽和，則Rb？ 解：解：（1）Rb50k時，基極電流、集電極電流和管壓降分別為 A

24、所以輸出電壓UO UCE2V。 2）設臨界飽和時UCESUBE0.7V，所以 26bBEBBBRUVIk4 .45A6 .28mA86. 2BBEBBbCBcCESCCCIUVRIIRUVIV2mA6 . 2 CCCCCEBCRIVUII1.4 1.4 場效應管場效應管一、場效應管一、場效應管二、場效應管放大電路靜態工作點的設置方法二、場效應管放大電路靜態工作點的設置方法三、場效應管放大電路的動態分析三、場效應管放大電路的動態分析四、復合管四、復合管 三極管由于良好的放大性能得到了廣泛的應用,但它有較嚴重的缺點: (1)必須有輸入電流才能產生輸出信號。 (2)由于各區的存儲電荷的存在,影響到快

25、速性,在高頻信號作用下受局限. 而場效應管場效應管是利用電場效應來控制電流的一種半導體器件 。它僅靠半導體中的多數載流子導電，又稱單極型晶體管。單極型晶體管。 其控制端基本不需要電流,這樣可大大降低電路的功耗,節省能源,此外它本身沒有存儲電荷,適用高頻情況. 根據結構不同,場效應管可分為結型和絕緣柵型場效應管可分為結型和絕緣柵型,從制造工藝來看絕緣柵型場效應管易于高度集成化而被廣泛應用,所以我們主要學習絕緣柵型場效應管。1.4.1結型場效應管結型場效應管（以（以N溝道為例）溝道為例） 場效應管有三個極：源極（場效應管有三個極：源極（s）、柵極（、柵極（g）、漏極（）、漏極（d），對），對應于晶

26、體管的應于晶體管的e、b、c； 有三個工作區域：截止區、恒流區、可變電阻區，對應于三有三個工作區域：截止區、恒流區、可變電阻區，對應于三極管的截止區、放大區和飽和區。極管的截止區、放大區和飽和區。導電導電溝道溝道源極源極柵極柵極漏極漏極符號符號結構示意圖結構示意圖柵柵- -源電壓對導電溝道寬度的控制作用源電壓對導電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道最寬溝道變窄溝道變窄溝道消失溝道消失稱為夾斷稱為夾斷 uGS可以控制導電溝道的寬度。為什么可以控制導電溝道的寬度。為什么g-s必須必須加負電壓？加負電壓？UGS（off）漏漏- -源電壓對漏極電流的影響源電壓對漏極電流的影響uGSUGS（off）且不變且

27、不變，VDD增大，增大，iD增大增大。預夾斷預夾斷uGDUGS（off）VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，的電阻，iD幾乎不變，進入恒流區，幾乎不變，進入恒流區，iD幾乎僅僅決定于幾乎僅僅決定于uGS。場效應管工作在恒流區的條件？場效應管工作在恒流區的條件？uGDUGS（off）uGDUGS（off）常量DS)(GSDUufi夾斷夾斷電壓電壓漏極飽漏極飽和電流和電流轉移特性轉移特性場效應管工作在恒流區，因而場效應管工作在恒流區，因而uGSUGS（off）且且uDSUGS（off）2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi在恒流區時 為什么必須用轉移特性為什

28、么必須用轉移特性描述描述uGS對對iD的控制作用？的控制作用？常量GS)(DSDUufig-s電壓控電壓控制制d-s的等的等效電阻效電阻輸出特性輸出特性常量DSGSDmUuig預夾斷軌跡，預夾斷軌跡，uGDUGS（off）可可變變電電阻阻區區恒恒流流區區iD幾乎僅決幾乎僅決定于定于uGS擊擊穿穿區區夾斷區（截止區）夾斷區（截止區）夾斷電壓夾斷電壓IDSSiD 不同型號的管子不同型號的管子UGS（off）、IDSS將不同。將不同。低頻跨導：低頻跨導：1.4.2 絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管 一、分類一、分類 絕緣柵型場效應管中目前常用的是MOS管管,根據導電溝道不同,它又分為NMOS(N溝道

29、)PMOS(P溝道),根據工作特性又分為增強型和耗盡型 。 N溝道增強型場效應管（MOS管） N溝道耗盡型場效應管 P溝道增強型場效應管 P溝道耗盡型場效應管二、二、N溝道增強型溝道增強型MOS管管 1、結構、結構 源極：源極：s 柵極：柵極：g 漏極：漏極：d P襯底：襯底：B（多（多子為空穴）子為空穴） 符號：符號：符號中：柵極的畫法：虛線為增強型，實線為耗盡型。 箭頭的指向：指向內部為N溝道，指向外部為P溝道。2、絕緣柵型場效應管工作原理、絕緣柵型場效應管工作原理 uGS增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當反型層將兩個反型層將兩個N區相接時，形成導

30、電溝道。區相接時，形成導電溝道。增強型管增強型管SiO2絕緣層絕緣層襯底襯底耗盡層耗盡層空穴空穴高參雜高參雜反型層反型層大到一定大到一定值才開啟值才開啟增強型增強型MOS管管uDS對對iD的影響的影響 用場效應管組成放大電路時應使之工作在恒流區。用場效應管組成放大電路時應使之工作在恒流區。N溝道增強型溝道增強型MOS管工作在恒流區的條件？管工作在恒流區的條件？ iD隨隨uDS的增的增大而增大，可大而增大，可變電阻區變電阻區 uGDUGS（th）,預夾斷預夾斷 iD幾乎僅僅幾乎僅僅受控于受控于uGS，恒，恒流區流區剛出現夾斷剛出現夾斷uGS的增大幾乎全部用的增大幾乎全部用來克服夾斷區的電阻來克服夾斷區的電阻3、N溝道增強型溝道增強型MOS管的特性曲線管的特性曲線 a、轉移特性、轉移特性：輸出電流iD與控制電壓UGS的關系。b、輸出特性、輸出特性：區：可變電阻區（非飽和狀態）ID隨UDS增加而增加。區：恒流區（放大區、飽和狀態）IDS=IDM不變。區：夾斷區，由于UGS很小，無導電溝道，IDS=0DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi時的為式中在恒流區時，三、三、MOS管的主要參數（管的主要參數（50頁）頁） 1、直流參數