1、第二章第二章 半導體器件基礎半導體器件基礎 vPN結的形成和單向導電性結的形成和單向導電性 v二極管的伏安特性二極管的伏安特性 v半導體三極管的基本結構、工作原理半導體三極管的基本結構、工作原理 v三極管的伏安特性三極管的伏安特性 vMOS場效應管的結構、工作原理和伏安特性曲線場效應管的結構、工作原理和伏安特性曲線 v結型場效應管的結構、工作原理和伏安特性曲線結型場效應管的結構、工作原理和伏安特性曲線 導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體 導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為自然界中很容易導電的物質稱為導體導體，金屬，金屬 一般都是導體。一般都是導體。 絕緣體：絕緣體：有的物質幾乎不導

2、電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 半導體：半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣 體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵 和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 1. 熱敏性：熱敏性：半導體的電阻率隨溫度升高而顯著減小。半導體的電阻率隨溫度升高而顯著減小。 常用于檢測溫度的變化。常用于檢測溫度的變化。 對其他工作性能有不利的影響。對其他工作性能有不利的影響。 2. 光敏性：光敏性：在無光照時電阻率很高，但一有光照電阻率則在無光照時電阻率很高

3、，但一有光照電阻率則 顯著下降。顯著下降。 利用這個特性可以制成光敏元件。利用這個特性可以制成光敏元件。 3. 雜敏性：雜敏性：在純凈的半導體中加入雜質，導電能力猛增幾在純凈的半導體中加入雜質，導電能力猛增幾 萬倍至百萬倍。萬倍至百萬倍。 利用這個特性可以制造出具有不同性能用途的半利用這個特性可以制造出具有不同性能用途的半 導體器件。導體器件。 硅、鍺等半導體材料之所以得到廣泛的應用，主要硅、鍺等半導體材料之所以得到廣泛的應用，主要 是因為它們的導電能力具有一些特殊的方面。是因為它們的導電能力具有一些特殊的方面。 一、本征半導體的結構特點一、本征半導體的結構特點 Ge Si 通過一定的工藝可以

4、將半導體制成通過一定的工藝可以將半導體制成晶體晶體。 現代電子學中用的最多的半導體是硅和鍺，它現代電子學中用的最多的半導體是硅和鍺，它 們的最外層電子（價電子）都是四個。們的最外層電子（價電子）都是四個。 本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體。 在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體 點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其 它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原 子之間形成子之間形成共價鍵共價鍵，共用

5、一對價電子。，共用一對價電子。 硅和鍺的硅和鍺的 晶體結構晶體結構 硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構 共價鍵共共價鍵共 用電子對用電子對 +4+4 +4+4 +4+4表示除表示除 去價電子去價電子 后的原子后的原子 形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結 構。構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。 共價鍵結構、共價鍵結構、 由于熱激發而由于熱激發而 產生的自由電子產生的自由電子 自由電子移走后自由電子移走后 而留下的空穴而留下的空穴 共價鍵共價鍵 共有價電子所形共

6、有價電子所形 成的束縛作用成的束縛作用 v共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱 為為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成 為為自由電子自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，因此本征半導體中的自由電子很少， 所以本征半導體的導電能力很弱。所以本征半導體的導電能力很弱。 v在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠 的能量而脫離共價鍵的束縛，成為的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同，同 時共價鍵上留下一個空位，稱為時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空

7、穴。 v本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自自 由電子由電子和和空穴空穴。空穴帶。空穴帶正電正電，運動相當于正電荷，運動相當于正電荷 的運動。的運動。 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，在其它力的作用下， 空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子 來填補，這樣的結果來填補，這樣的結果 相當于空穴的遷移，相當于空穴的遷移， 而空穴的遷移相當于而空穴的遷移相當于 正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此 可以認為空穴是載流可以認為空穴是載流 子。子。 v本征半導體的載流子濃度受溫度的影響很大，是本征半導體的載流子濃度受溫度的影響很大，是 影響半導體導電性能

8、的重要因素。影響半導體導電性能的重要因素。 v在本征半導體中有在本征半導體中有電子電子和和空穴空穴2種載流子，而種載流子，而金屬金屬 導體中只有電子一種載流子導體中只有電子一種載流子，但在本征半導體中，但在本征半導體中 載流子的濃度遠遠低于后者，所以導電能力不如載流子的濃度遠遠低于后者，所以導電能力不如 金屬。金屬。 v雜質半導體：雜質半導體：在純凈的半導體單晶體中有選擇地在純凈的半導體單晶體中有選擇地 摻入微量雜質元素，并控制摻入的雜質元素摻入微量雜質元素，并控制摻入的雜質元素 的種的種 類和數量。類和數量。 雜質可以提高半導體的導電能力，并可以精準的雜質可以提高半導體的導電能力，并可以精準

9、的 控制半導體的導電能力。控制半導體的導電能力。 v根據加入的雜質不同可以分為根據加入的雜質不同可以分為N型半導體型半導體和和P型半型半 導體導體。 在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或 銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代， 磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的 半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個 電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子， 這樣磷原

10、子就成了不能移動的帶正電的離子。每個這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個 磷原子給出一個電子，因此也稱為磷原子給出一個電子，因此也稱為施主原子施主原子。 雜質原子提供的多雜質原子提供的多 余電子余電子 雜質原子失去一個雜質原子失去一個 電子成為正離子電子成為正離子 N型半導體的共價鍵結構型半導體的共價鍵結構 N N 型半導體中的載流子是什么？型半導體中的載流子是什么？ 因為摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，因為摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度， 所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。 自由電子稱為自由電子稱為多數載流子多數載流子（多子多子） 空穴稱

11、為空穴稱為少數載流子少數載流子（少子少子）。）。 v在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或 銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代， 硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體 原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可 能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移 動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，因此動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，因此 也稱為也稱為受主原子受主原子

12、。 鄰近電子只空位留鄰近電子只空位留 下可移動空穴下可移動空穴 可移動的空穴可移動的空穴 雜質原電子接受一雜質原電子接受一 個電子成為負離子個電子成為負離子 P型半導體的共價鍵結構型半導體的共價鍵結構 P P 型半導體中的載流子是什么？型半導體中的載流子是什么？ P 型半導體中型半導體中空穴空穴是是多子多子，電子電子是是少子少子。 雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。 但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。 近似認為多子與雜質濃度相等。近似認為多子與雜質濃度相等。 v載流子的漂移運動和擴散運動。載流子

13、的漂移運動和擴散運動。 v漂移運動：漂移運動： 在電場力的作用下，半導體中的載流子產生在電場力的作用下，半導體中的載流子產生 定向運動。形成的電流叫漂移電流。電場越強，定向運動。形成的電流叫漂移電流。電場越強， 載流子漂移速度越高；載流子的濃度越大，參與載流子漂移速度越高；載流子的濃度越大，參與 漂移運動的載流子數目越多，漂移電流就越大。漂移運動的載流子數目越多，漂移電流就越大。 v擴散運動：擴散運動： 當半導體受光照射或有載流子從外界注入時，當半導體受光照射或有載流子從外界注入時， 半導體內載流子濃度分布不均勻。這時載流子從半導體內載流子濃度分布不均勻。這時載流子從 濃度高的區域向濃度低的區

14、域運動。載流子擴散濃度高的區域向濃度低的區域運動。載流子擴散 運動所形成的電流稱為擴散電流。運動所形成的電流稱為擴散電流。 P型區型區 空間空間 電荷區電荷區 N型區型區 自建電場自建電場 空穴是多數載流子空穴是多數載流子自由電子是多數載流子自由電子是多數載流子 空間電荷區是個載流子缺少的地區，所以電阻率很高，是高空間電荷區是個載流子缺少的地區，所以電阻率很高，是高 阻區。也把它叫做耗盡層、勢壘區、阻擋層等。阻區。也把它叫做耗盡層、勢壘區、阻擋層等。 P型半導體型半導體 N型半導體型半導體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴散運動

15、擴散運動 內電場內電場E 漂移運動漂移運動 擴散的結果是使空間電擴散的結果是使空間電 荷區逐漸加寬，空間電荷區逐漸加寬，空間電 荷區越寬。荷區越寬。 內電場越強，就使漂移內電場越強，就使漂移 運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空 間電荷區變薄。間電荷區變薄。 空間電荷區，空間電荷區， 也稱耗盡層。也稱耗盡層。 漂移運動漂移運動 P型半導體型半導體 N型半導體型半導體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴散運動擴散運動 內電場內電場E 所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡， 相當于

16、兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚 度固定不變。度固定不變。 1 1、空間電荷區中沒有載流子。、空間電荷區中沒有載流子。 2 2、空間電荷區中內電場阻礙、空間電荷區中內電場阻礙P P中的空穴、中的空穴、N區區 中的中的 電子（電子（都是多子都是多子）向對方運動（）向對方運動（擴散運動擴散運動）。）。 3 3、P 區中的電子和區中的電子和 N區中的空穴（區中的空穴（都是少都是少），數），數 量有限，因此由它們形成的電流很小。量有限，因此由它們形成的電流很小。 + + + + RE PN 結正向偏置結正向偏置 內電場內電場 外電場外電場 變薄變薄 P

17、N + _ 內電場被削弱，多子內電場被削弱，多子 的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成 較大的擴散電流。較大的擴散電流。 PN 結反向偏置結反向偏置 + + + + 內電場內電場 外電場外電場 變厚變厚 NP + _ 內電場被被加強，多子內電場被被加強，多子 的擴散受抑制。少子漂的擴散受抑制。少子漂 移加強，但少子數量有移加強，但少子數量有 限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反 向電流。向電流。 RE PN 結結加正向電壓（正向偏置加正向電壓（正向偏置)的意思就是的意思就是： P 區接電區接電 壓正極和壓正極和N 區接電壓負極。區接電壓負極。 PN 結結加反向電壓（反向偏置）加反向電壓（反

18、向偏置）的意思就是：的意思就是： P 區接電區接電 壓負極和壓負極和N 區接電壓正極。區接電壓正極。 PN結結單向導電性的結論：單向導電性的結論： 外加正向電壓時，空間電荷區變窄，流過一個較大外加正向電壓時，空間電荷區變窄，流過一個較大 的正向電流。的正向電流。 外加反向電壓時，空間電荷區變寬，流過一個很小外加反向電壓時，空間電荷區變寬，流過一個很小 的反向飽和電流。的反向飽和電流。 1.結電容結電容 在外加反向電壓時作用顯著，而外加正向電壓在外加反向電壓時作用顯著，而外加正向電壓 時作用不明顯。時作用不明顯。 無線電接收設備中的自動頻率控制，就是應用無線電接收設備中的自動頻率控制，就是應用

19、結電容大小的變化來達到自動調諧的目的。結電容大小的變化來達到自動調諧的目的。 2. 擴散電容擴散電容 與通過其中的電流成正比。與通過其中的電流成正比。 在在PNPN結正向導通時擴散電容的數值較大，反向結正向導通時擴散電容的數值較大，反向 截止時擴散電容的數值較小可以忽略。截止時擴散電容的數值較小可以忽略。 陽極陽極 N型鍺片型鍺片 陰極陰極 引線引線 引線引線 陽極陽極 陰極陰極 引線引線 引線引線 陽極a k陰極 陽極引線陽極引線 PN結結 金銻合金金銻合金 底座底座 陰極引線陰極引線 (a)(a) 觸絲觸絲 外殼外殼 鋁合金鋁合金 小球小球 （b） N型硅 P N P型支持襯底型支持襯底

20、（c） （d） 陽極陽極a ka k陰極陰極 （a）點接觸型；（點接觸型；（b）面接觸型；（面接觸型；（c）平面型；（平面型；（d）符號符號 由一個由一個PN結外加電極引線組成結外加電極引線組成結構和類型。結構和類型。 正向特性正向特性 死區電壓死區電壓 （硅：（硅：0.5V；鍺；鍺0.1V） 反向特性反向特性 加反向電壓，反向電流很小。加反向電壓，反向電流很小。 反向擊穿特性反向擊穿特性 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR一般在幾十一般在幾十 伏以上。伏以上。 VT 正向特性正向特性 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線 反向特性反向特性 0 V I I 正向電流正向電流反向電流反向電流 正

21、向電壓正向電壓 反向電壓反向電壓 未導通未導通 未完全導通未完全導通 硅管：硅管：0.7V 鍺管：鍺管：0.3V 正向導通電壓正向導通電壓 E R D 正向電流正向電流 E R D 反向電流反向電流 - -+ + - -+ + 二極管的基本特性：二極管的基本特性：單向導電性單向導電性 在二極管兩端加正向電壓在二極管兩端加正向電壓在二極管兩端加反向電壓在二極管兩端加反向電壓 可忽略不可忽略不 計計 單向導電性單向導電性 二極管的單向導通性二極管的單向導通性 1. 最大整流電流最大整流電流IFM 二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正 向平均電流。向平均電

22、流。 2. 最高反向工作電壓最高反向工作電壓 UBR 二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流 劇增，二極管的單向導電性被破壞。手冊上給出的劇增，二極管的單向導電性被破壞。手冊上給出的 最高反向工作電壓最高反向工作電壓UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。 3. 最大反向電流最大反向電流 IRM 反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響， 溫度越高反向電流越大。硅二極管的反向飽和電流溫度越高反向電流越大。硅二極管的反向飽和電流 一般為一般為nA數量級，而鍺二極管的反向飽和電流一般數量級，而鍺二極管的反向飽和電流一

23、般 為為uA數量級。數量級。 當二極管的工作頻率超過這個數值時，二極管當二極管的工作頻率超過這個數值時，二極管 將失去單向導電性。它主要由將失去單向導電性。它主要由PN結的結電容和擴散結的結電容和擴散 電容的大小來決定。電容的大小來決定。 4. 最高工作頻率最高工作頻率FM 5. 微變電阻微變電阻 rD iD uD ID UD Q iD uD rD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工 作點作點Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與 電流的變化之比：電流的變化之比： D D D i u r 顯然，顯然，rD是是Q附近的微小變附近的微小變 化區域內的電阻。化區域內的電阻。 6. 二極管的極間電

24、容二極管的極間電容 二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成： 勢壘電容勢壘電容CB和和擴散電容擴散電容CD。 勢壘電容：勢壘電容：勢壘區是積累空間電荷的區域，當電壓變化時，勢壘區是積累空間電荷的區域，當電壓變化時， 就會引起積累在勢壘區的空間電荷的變化，這樣所表現出就會引起積累在勢壘區的空間電荷的變化，這樣所表現出 的電容是的電容是勢壘電容勢壘電容。 擴散電容：擴散電容：為了形成正向電流為了形成正向電流 （擴散電流），注入（擴散電流），注入P 區的少子區的少子 （電子）在（電子）在P 區有濃度差，越靠區有濃度差，越靠 近近PN結濃度越大，即在結濃

25、度越大，即在P 區有電區有電 子的積累。同理，在子的積累。同理，在N區有空穴的區有空穴的 積累。正向電流大，積累的電荷積累。正向電流大，積累的電荷 多。多。這樣所產生的電容就是擴散這樣所產生的電容就是擴散 電容電容CD。 P +- N CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置 時，由于載流子數目很少，擴散電容可忽略。時，由于載流子數目很少，擴散電容可忽略。 PN結高頻小信號時的等效電路：結高頻小信號時的等效電路： 勢壘電容和擴散電勢壘電容和擴散電 容的綜合效應容的綜合效應 rd 二極管：死區電壓二極管：死區電壓=0 .5V，正向壓降正向壓降 0.7V

26、(硅二極管硅二極管) 理想二極管：死區電壓理想二極管：死區電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RL uiuo ui uo t t 二極管的應用舉例：二極管的應用舉例：二極管半波整流二極管半波整流 D D K U (a)(b) D K 理想二極管等效電路理想二極管等效電路 考慮正向壓降的等效考慮正向壓降的等效 U I IZ IZmax UZ IZ 穩壓穩壓 誤差誤差 曲線越陡，曲線越陡， 電壓越穩電壓越穩 定。定。 + - UZ 動態電阻：動態電阻： Z Z I U Z r rz越小，穩壓越小，穩壓 性能越好。性能越好。 穩壓二極管是在反向擊穿狀態下工作的二極管。穩壓二極管是在反向擊穿狀態下工作

27、的二極管。 Z 穩壓二極管電路符號穩壓二極管電路符號 穩壓二極管實物圖穩壓二極管實物圖 在電路中穩壓管只有與適當的電阻連接才能起到穩壓作用。在電路中穩壓管只有與適當的電阻連接才能起到穩壓作用。 (1) 穩定電壓穩定電壓UZ (2) 動態電阻動態電阻rZ 在規定的穩壓管反向工作電流在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓下，所對應的反向工作電壓 。 rZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。 愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。 (3) (3) 最小穩定工作最小穩定工作 電流電流IZmin 保證穩壓管擊穿所對應的電流，若保證穩壓管擊穿所對應的電流，若IZIZmin則不能穩壓。則不能穩壓。 超

28、過超過Izmax穩壓管會因功耗過大而燒壞穩壓管會因功耗過大而燒壞 。 (4) (4) 最大穩定工作電流最大穩定工作電流IZmax Z Z I U Z r （5 5）電壓溫度系數）電壓溫度系數 U U（%/） 穩壓值受溫度變化影響的的系數。穩壓值受溫度變化影響的的系數。 （6 6）最大允許功耗）最大允許功耗 maxZZZM IUP 負載電阻負載電阻 。要求要求當輸入電壓由正常值發當輸入電壓由正常值發 生生 20%波動時，負載電壓基本不變。波動時，負載電壓基本不變。 uo iZDZ R iL i ui RL 5mA 20mA, V,10 min max z zzW I IU 穩壓管的技術參數穩壓管

29、的技術參數: 2k L R 解：解：令輸入電壓達到上限時，流過穩壓管的電流為令輸入電壓達到上限時，流過穩壓管的電流為Izmax 求：電阻求：電阻R和輸入電壓和輸入電壓 ui 的的正常值。正常值。 mA25 max L ZW z R U Ii 102521RUiRu. zWi 方程方程1 令令輸入電壓降到下限時，流輸入電壓降到下限時，流 過穩壓管的電流為過穩壓管的電流為Izmin mA10 min L ZW z R U Ii 101080RUiRu. zWi 方程方程2 uo iZDZ R iL i ui RL 聯立方程聯立方程1、2，可解得：，可解得： k50V7518.R,.ui v肖特基二

30、極管肖特基二極管：金屬半導體結。具有單向導電性。：金屬半導體結。具有單向導電性。 特點：儲存電荷時間小，開關時間短特點：儲存電荷時間小，開關時間短 死區電壓很小，死區電壓很小，0.3V左右。左右。 v變容二極管變容二極管：反向偏置時電阻很大。：反向偏置時電阻很大。 特點：電容數值很小，用于高頻電路。特點：電容數值很小，用于高頻電路。 v發光二極管發光二極管：多用于工程中。：多用于工程中。 特點：光的頻率較高，波長較短呈綠色。特點：光的頻率較高，波長較短呈綠色。 死區電壓比普通二極管高，死區電壓比普通二極管高，1.6V以上。以上。 應用時在二極管加正向電壓，并接入相應的限流電阻，應用時在二極管加

31、正向電壓，并接入相應的限流電阻， 發光強度基本上和正向電流大小成線性關系。發光強度基本上和正向電流大小成線性關系。 v光電二極管光電二極管：工作在反向電壓下。：工作在反向電壓下。反向電流隨光照強度反向電流隨光照強度 的增加而上升。的增加而上升。 用于光控器件和光電轉換器件，又叫光敏二極管。用于光控器件和光電轉換器件，又叫光敏二極管。 兩個兩個PN結構成：結構成： e：發射區 b：基區 c：集電區 集電集電結結發射結發射結 基區基區 集電區集電區 發射區發射區 三極三極: 三區三區: 兩結兩結: 發射極發射極e e(Emitter), , 基極基極b b(Base), , 集電極集電極c c(C

32、ollector) 發射結發射結 集電結集電結 NNP B E C 兩種類型兩種類型:NPN和和PNP PNP電路符號電路符號 NPN電路符號電路符號 B E C IB IE IC B E C IB IE IC v發射區摻雜濃度遠大于集電區摻雜濃度，集電區摻發射區摻雜濃度遠大于集電區摻雜濃度，集電區摻 雜濃度大于基區摻雜濃度。雜濃度大于基區摻雜濃度。 v基區必須很薄，一般只要幾個微米，雜質濃度低。基區必須很薄，一般只要幾個微米，雜質濃度低。 v集電區的面積較大，利于收集載流子。集電區的面積較大，利于收集載流子。 v上面說的這上面說的這3個特點是晶體管有放大作用的基礎。個特點是晶體管有放大作用的

33、基礎。 作為一個具有放大能力的元件，晶體管在結作為一個具有放大能力的元件，晶體管在結 構上必須：構上必須： 晶體管的電流分配關系和放大作用晶體管的電流分配關系和放大作用: 為了實現放大作用必須給晶體管的發射結加正向電壓為了實現放大作用必須給晶體管的發射結加正向電壓(P區接區接 正正)，集電結加反向電壓，集電結加反向電壓(N區接正區接正)。有以下幾種接法。有以下幾種接法: 圖圖3-13 三極管在放大電路中的三種連接方式三極管在放大電路中的三種連接方式 （a）共基極；（共基極；（b）共發射極；（共發射極；（c）共集電極共集電極 (a) (b) (c) b c c e b b ce V V V e

34、以以共射接法為例來分析晶體管內部載流子運動規律共射接法為例來分析晶體管內部載流子運動規律 和電流分配。和電流分配。 1.發射結處于正向偏置：發射結處于正向偏置： （Vbb正極接基極正極接基極b，負極接發射極）負極接發射極） 2.集電結處于反向偏置：集電結處于反向偏置： （Vcc正極接集電極正極接集電極c，負極接發射極）負極接發射極） 其中其中Vcc的數值比的數值比Vbb的數值大很多的數值大很多 基區很薄、發射區的雜質濃度遠高于基區、集電區基區很薄、發射區的雜質濃度遠高于基區、集電區 的面積較大。的面積較大。 電流放大原理電流放大原理 B E C N N P EB RB EC IE 基區空穴基區

35、空穴 向發射區向發射區 的擴散可的擴散可 忽略。忽略。 IBE 進入進入P區的電子區的電子 少部分與基區的少部分與基區的 空穴復合，形成空穴復合，形成 電流電流IBE ，多數多數 擴散到集電結。擴散到集電結。 發射結正發射結正 偏，發射偏，發射 區電子不區電子不 斷向基區斷向基區 擴散，形擴散，形 成發射極成發射極 電流電流IE。 B E C N N P EB RB EC IE 集電結反偏，有集電結反偏，有 少子形成的反向少子形成的反向 電流電流ICBO。 ICBO IC=ICE+ICBO ICE IBE ICE 從基區擴從基區擴 散來的電散來的電 子作為集子作為集 電結的少電結的少 子，漂移

36、子，漂移 進入集電進入集電 結而被收結而被收 集，形成集，形成 ICE。 IB=IBE-ICBO IBE IB B E C N N P EB RB EC IE ICBO ICE IC=ICE+ICBO ICE IBE 1. 發射發射 發射結正偏，發射區有大量的自由電子越過發射結向發射結正偏，發射區有大量的自由電子越過發射結向 基區擴散，而基區中的空穴向發射區擴散，形成發射極電基區擴散，而基區中的空穴向發射區擴散，形成發射極電 流流IE 。 由于基區空穴濃度很低，基區的多子對發射區的擴散 由于基區空穴濃度很低，基區的多子對發射區的擴散 可以忽略不計。可以忽略不計。 2.復合復合 在擴散過程中，有

37、部分電子遇到基區的空穴并和它復在擴散過程中，有部分電子遇到基區的空穴并和它復 合。而在基區的電源的正極又不斷從基區拉走電子，也就合。而在基區的電源的正極又不斷從基區拉走電子，也就 是不斷的給基區供給空穴。形成了基極電流是不斷的給基區供給空穴。形成了基極電流IB 。 3. 收集收集 由發射區進入基區的電子，開始時都聚集在靠近發射由發射區進入基區的電子，開始時都聚集在靠近發射 結的一邊，而靠近集電結一邊的自由電子很少，由于濃度結的一邊，而靠近集電結一邊的自由電子很少，由于濃度 上的差別，自由電子將繼續向集電結一方擴散。上的差別，自由電子將繼續向集電結一方擴散。 由于集電結反偏，外電場的方向將阻止集

38、電區的多子由于集電結反偏，外電場的方向將阻止集電區的多子 向基區運動，有利于將擴散到集電結的自由電子收集到集向基區運動，有利于將擴散到集電結的自由電子收集到集 電極，形成集電極電流電極，形成集電極電流IC 。 4.少數載流子的運動少數載流子的運動 在外電場的作用下，漂移運動形成的反向電流，稱為反在外電場的作用下，漂移運動形成的反向電流，稱為反 向飽和電流。數值很小向飽和電流。數值很小,可以忽略不計。可以忽略不計。 1、晶體管的電流分配關系：、晶體管的電流分配關系： IE = IC + IB 重要的關系：重要的關系： iC / iB 代表代表 iC 對對 iB 的控制作用，的控制作用， 越大，控

39、制作用越強。越大，控制作用越強。 IE = (1 + ) IB 晶體管的放大作用：晶體管的放大作用：本質就是它對電流的控制作用。本質就是它對電流的控制作用。 PNP型晶體管：型晶體管：電源極性不同，電流方向不同于電源極性不同，電流方向不同于NPN型。型。 e b c 兩個二極管能否代兩個二極管能否代 替一個三極管？替一個三極管？ 不能！不能！ 2. 放大條件放大條件 內部內部條件？條件？ 三區摻雜不同！三區摻雜不同！ 發射結正發射結正偏，偏，集電結反偏。集電結反偏。 對對NPN型：型：VC VB VE 對對PNP型：型：VC VB VE 外部外部條件：條件： iR/ A c b IE e V

40、IC IB UBB UCE RB R C 80 60 40 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 uBE/V uCE=0V uCE1V 25 iC/mA 4 3 2.3 2 1.5 1 0 2 4 6 8 uBE/V iB=20 A 25 飽和區飽和區 放大區放大區 100 60 40 截止區截止區 i C i B 80 Q （a） （b） （c） NPN管的共射極特性曲線管的共射極特性曲線 （輸入、輸出回路共基極）（輸入、輸出回路共基極） （a）電路圖；（電路圖；（b）輸入特性曲線；（輸入特性曲線；（c）輸出特性曲線輸出特性曲線 一、一、輸入特性輸入特性 UCE 1V IB( A) UB

41、E(V) 20 40 60 80 0.40.8 工作壓降：工作壓降： 硅管硅管 UBE 0.60.8V,鍺鍺 管管UBE 0.20.3V UCE=0V UCE =0.5V 死區電死區電 壓，硅管壓，硅管 0.5V，鍺鍺 管管0.1V UCE不變時，呈指數關系曲線不變時，呈指數關系曲線 UCE增大時，曲線右移增大時，曲線右移 iB=f(uBE) UCE=const (2) (2) 當當UCE1V時，時， UCB= UCE - UBE0，集電結已進入反偏狀集電結已進入反偏狀 態，開始收集電子，基區復合減少，同樣的態，開始收集電子，基區復合減少，同樣的UBE下下iB減小，特減小，特 性曲線右移。性曲

42、線右移。 (1) (1) 當當UCE=0V時，相當于發射結的正向伏安特性曲線。時，相當于發射結的正向伏安特性曲線。 共射極連接共射極連接 二、二、輸出特性輸出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此區域滿此區域滿 足足IC= IB 稱為線性稱為線性 區（放大區（放大 區）區） 當當UCE大于一大于一 定的數值時，定的數值時， IC只與只與IB有關，有關， IC= IB iC=f(uCE) IB=const IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80

43、 A 100 A 此區域中此區域中UCE UBE, 集電結正偏，集電結正偏， IBIC， ，UCE 0.3V 稱為飽和區稱為飽和區 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此區域中此區域中 : IB=0,IC=ICEO, UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止區截止區：UBE 死區電壓且集電結反偏，死區電壓且集電結反偏， 此時此時 IB=0 ， IC=ICEO 0 應當指出，當應當指出，當uCE增大到某一值時，增大到某一值時，iC將急劇增加，將急劇增加， 這時三極管發生擊穿。這時三極管發生擊穿。 例例：測量三極

44、管三個電極對地電位如圖。試判斷：測量三極管三個電極對地電位如圖。試判斷 三極管的工作狀態。三極管的工作狀態。 放大截止飽和 1.1.電流放大系數電流放大系數 共射直流放大系數共射直流放大系數 共射交流電流放大系數 constU B C CE I I 當當ICBO和和ICEO很小時，很小時， B C I I 537 040 51 B C . . . I I 40 040060 5132 B C . . I I ICBO A + EC 指發射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時產生的電流指發射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時產生的電流 是基極開路，集電極與發射極間加反向電壓時的集電極電流是基極

45、開路，集電極與發射極間加反向電壓時的集電極電流 B E C N N P ICBO ICEO= IBE+ICBO IBE IBE ICBO進入進入N區，區， 形成形成IBE。 根據放大關系，由根據放大關系，由 于于IBE的存在，必有的存在，必有 電流電流 IBE。 集電結反集電結反 偏有偏有ICBO 當集當集-射極之間的電壓射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三超過一定的數值時，三 極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25 C、基基 極開路時的擊穿電壓極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。 3 2 ICM U(BR)CEO 安全工作區安全工作區 IC UCE O

46、溫度對晶體管參數的影響溫度對晶體管參數的影響 溫度對溫度對ICBO的影響的影響 這個電流是少數載流子形成的電流，大小與電子濃度有關這個電流是少數載流子形成的電流，大小與電子濃度有關 溫度對溫度對 的影響的影響 溫度升高時溫度升高時 隨之增大隨之增大 溫度對基射極間正向電壓的影響溫度對基射極間正向電壓的影響 溫度升高時，對于同樣的發射極電流，晶體管所需溫度升高時，對于同樣的發射極電流，晶體管所需UBE減少減少 三極管工作于放大區三極管工作于放大區：具有電流放大作用，是放大電路的：具有電流放大作用，是放大電路的 核心元件。等效電路下一章學習。核心元件。等效電路下一章學習。 三極管工作于飽和區與截止

47、區三極管工作于飽和區與截止區：具有開關作用，在脈沖數：具有開關作用，在脈沖數 字電路中可以構成各種開關電路。字電路中可以構成各種開關電路。 飽和等效飽和等效 截止等效截止等效 v肖特基三極管肖特基三極管 一個雙極型三極管的基極與集電極間并聯一個肖特基二一個雙極型三極管的基極與集電極間并聯一個肖特基二 極管。可以使三極管的開關時間大為縮短。極管。可以使三極管的開關時間大為縮短。 v光敏三極管光敏三極管 電流受外部光照控制。基區的面積較大，發射區面積較電流受外部光照控制。基區的面積較大，發射區面積較 小。小。 v光電耦合管光電耦合管 由發光二極管和光電二極管或光電三極管組成。優點是由發光二極管和光

48、電二極管或光電三極管組成。優點是 信號回路與輸出回路完全隔離，可以各自采用獨立的電信號回路與輸出回路完全隔離，可以各自采用獨立的電 源系統。適合于長距離信號傳輸。源系統。適合于長距離信號傳輸。 場效應管是電壓控制元件場效應管是電壓控制元件, ,多子導電，輸入阻抗高，多子導電，輸入阻抗高， 溫度穩定性好。溫度穩定性好。 三極管是電流控制元件，多數載流子和少數載流三極管是電流控制元件，多數載流子和少數載流 子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。 增強型增強型 耗盡型耗盡型 N溝道溝道 P溝道溝道 N溝道溝道 P溝道溝道 N溝道溝道 P溝道溝道 場效應管場效應管 絕

49、緣柵場效應管絕緣柵場效應管 結型場效應管結型場效應管 絕緣型場效應管：金屬氧化物半導體場效應管簡稱絕緣型場效應管：金屬氧化物半導體場效應管簡稱MOS管。管。 P NN GSD P型基底型基底 兩個兩個N區區 SiO2絕緣層絕緣層 導電溝道導電溝道 金屬鋁金屬鋁 G S D N溝道增強型溝道增強型 S DG P N+N+ SiO 型襯底 DS U GS U 2 =0 空穴正離子電子負離子 + uGS0時，沒有導電溝道。時，沒有導電溝道。 令漏源電壓令漏源電壓uDS=0，加入柵源電壓加入柵源電壓uGS。 uGS排斥空穴，形成一層負離子層排斥空穴，形成一層負離子層 （耗盡層）。（耗盡層）。 感生電子

50、電荷，在漏源之間形成導電感生電子電荷，在漏源之間形成導電 溝道。稱為溝道。稱為反型層反型層。 若加上若加上uDS ，就會有漏極電流就會有漏極電流 iD產生。產生。 反型層反型層 0 DS U S DG P N+N+ SiO 型襯底 DS U GS U 2 =0 空穴正離子電子負離子 + 0 DS U 當當uGS較小時，較小時， iD0 當當uGS增加到一定數值使增加到一定數值使 iD 剛剛 剛出現，對應的剛出現，對應的UGS稱為稱為開啟開啟 電壓電壓，用，用UGS(th)或或UT表示。表示。 改變改變uGS改變溝道影響改變溝道影響iD ： uGS對對iD有控制作用。有控制作用。 設設uGSUG

51、S(th)，增加增加uDS，溝道變化如下：溝道變化如下： S DG P N+N+ SiO2 型襯底 DS U + GS U GS(th) U 空穴正離子電子負離子 uDS從漏到源逐漸降落在溝道內，漏從漏到源逐漸降落在溝道內，漏 極和襯底之間反偏最大，極和襯底之間反偏最大，PN結的寬結的寬 度最大。度最大。 漏源之間會形成一個傾斜的漏源之間會形成一個傾斜的PN結區結區 預夾斷 D I 預夾斷預夾斷 uDS UDS再，再， iD基本不變基本不變，增加的增加的UDS 基本上降落在夾斷區。基本上降落在夾斷區。 uDS較大出現較大出現 夾斷時，夾斷時，iD趨于飽和。趨于飽和。 uDS較小時，較小時，iD

52、迅速增大；迅速增大； iD/mA 區區 區區 區區 5V 4V uGS=3V uDS=10V 4 iD/mA 3 0 4 8 12 16 20 uDS/V 0 2 4 6 uGS/V 2 3 1 2 1 （a） （b） N溝道增強型絕緣柵場效應管的特性曲線溝道增強型絕緣柵場效應管的特性曲線 （a）輸出特性曲線；（輸出特性曲線；（b）轉移特性曲線轉移特性曲線 可變電阻區：當可變電阻區：當 uGSVT，工作于工作于 這個區域這個區域 夾斷夾斷區：當區：當uGSVT時，時， 管子不導電。管子不導電。 恒流區：當恒流區：當uGS升高升高 到一定大小時，漏極到一定大小時，漏極 電流不再增加。電流不再增加

53、。 擊穿區：由于漏極與襯底之擊穿區：由于漏極與襯底之 間的間的PN結反向偏置，電壓結反向偏置，電壓 過高而擊穿所致。過高而擊穿所致。 轉移特性：因為沒有輸入電流，所以用輸入電壓和輸出電流轉移特性：因為沒有輸入電流，所以用輸入電壓和輸出電流 來表示，故叫轉移特性。來表示，故叫轉移特性。 N N溝道增強型溝道增強型MOSMOS管的基本特性管的基本特性 u uGS GS U UT T，管子截止管子截止 u uGS GS U UT T，管子導通管子導通 u uGS GS 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓 u uDS DS作用下，漏極電流 作用下，漏極電流I ID D越

54、大越大 N 溝道耗盡型溝道耗盡型 P NN GSD 預埋了導預埋了導 電溝道電溝道 G S D 在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以 當uGS=0時，這些正離子已經感應出了溝道。只要有漏源 電壓，就有漏極電流存在。 N PP GSD G S D P 溝道增強型溝道增強型 P 溝道耗盡型溝道耗盡型 N PP GSD G S D 預埋了導預埋了導 電溝道電溝道 P P N g d s Rd iD較大較大 UDD P P N g d s Rd iD減小減小 UDD U G G PP g d s Rd iD0 UDD U G G （a） （b） （c） N溝道結型場效應管的工作原理溝道結型場效應管的工作原理 （a）uGS0時；（時；（b）uGS0時；（時；（c）uGS為某一負值時，導電溝道被為某一負值時，導電溝道被“夾斷夾斷 ” S為載流子的發射源為載流子的發射源 d為載流子由此處流出為載流子由此處流出 由于在柵極和源極間加入了一個負電壓由于在柵極和源極間加入了一個負電壓