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，如硅：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗、锗 (Ge) 和砷化镓和砷化镓 (GaAs) 。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、光照和掺杂等因等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。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
3、24.1.1本征半导体本征半导体 纯净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，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，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 。 +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 +14 +32 3 第四章第四章 常用半导
4、体器件原理常用半导体器件原理3每个原子最外层轨道上每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的键中的价电子是不能导电的束缚电子。束缚电子。 +4 价电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键 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
5、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 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 +4 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，在穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统的空穴，二者都可以参
6、与导电，统称为载流子。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，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，过程称为复合， 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5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表示自由电子和空穴的浓度表示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) ；E
7、G0 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 = 8.63 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。我们可以人工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
8、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6一、一、N 型半导体型半导体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，从而大元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度量增加了自由电子的浓度一一一一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 热平衡
9、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 因为因为 ni 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 pn 也随环境的改变明显变化。也随环境的改变明显变化。 DnNnD2in2inNnnnp自由电子浓度自由电子浓度杂质浓度杂质浓度 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7二、二、P 型半导体型半导体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
10、体。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一一一一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 而自由电子的浓度而自由电子的浓度 np 为为环境温度也明显影响环境温度也明显影响 np 的取值。的取值。 ApNpA2ip2ipNnpnn空穴浓度空穴浓度掺杂浓庹掺杂浓庹 8 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原
11、理84.1.3漂移电流和扩散电流漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流半导体电流半导体电流半导体电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，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移电流，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。电场强度。扩散电流：扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载半导体中载流子浓度不均匀分布
12、时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，形成扩散电流，该电流的大小正比于载流该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。子的浓度差即浓度梯度的大小。PnIII 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94.2PN 结结 通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，则 P 型半导体和 N 型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 PN 结。 4.2.1PN 结的形成结的形成 + + + + P 区 N 区 (a) + + + + + + + + + + + + + + + +
13、P 区 N 区 (b) 空间电荷区 内建电场 0 UB UB + + + + + + + + + + + + 多子扩散多子扩散空间电荷区，内建电场空间电荷区，内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10空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。掺杂一边延伸较大。 耗尽区 耗尽区 + + + + + + + + + + + + + + +
14、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P区 N区 P区 N区 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114.2.2PN 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 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
15、运动减弱正向电流正向电流二二、反、反向偏置的向偏置的 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 + + + + + + + + + + + + + + + + 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12PN 结的单向导电特性：结的单向导电特性：PN 结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发
16、得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。向电压而变化。4.2.3PN 结的击穿特性结的击穿特性 当当 PN 结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称为为 PN 结的击穿。结的击穿。 雪崩击穿雪崩击穿：反偏的反偏的 PN 结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足以使其在与价电
17、子碰撞时发生动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞碰撞电离电离，把，把价电子击出共价键，产生一对自由电子和空穴价电子击出共价键，产生一对自由电子和空穴，连锁，连锁碰撞碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现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：在重掺杂的在重掺杂的 PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和
18、空穴，使价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。得反向电流急剧增大，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。PN 结击穿结击穿 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134.2.4PN 结的电容特性结的电容特性 PN 结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明说明 PN 结具有电容效应。结具有电容效应。 一、势垒电容一、势垒电容 P 区 N 区 耗
19、尽区 |u| P 区 N 区 耗尽区 |u| + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 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结的结构和掺杂浓度等因素有关；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 绝对值增大时，绝对值增大时，CT 将减小将减小。 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14二、扩散电容二、扩散电容 P区 N区
20、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，所以都都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当是非线性电容。当 PN 结正偏时，结正偏时，CD 远大于远大于 CT ，即，即 Cj CD ；反偏的；反偏的 PN 结中，结中，CT 远大于远大于 CD，则，则 Cj CT 。 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154.3晶体二极管晶体二极管 P N iD
21、 uD 引线 管壳 二极管可以分为硅二极管二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和和锗二极管，简称为硅管和锗管。锗管。 4.3.1二极管的伏安特性二极管的伏安特性一一一一 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 为电子电量为电子电量 (1.60 10 19C) ；UT = kT/q，称为，称为热电压，在室温热电压，在室温 27 即即 300 K 时，时，UT = 26 mV。 uD iD UD(on) 0 IS 击穿 TDSDUueIiT2 T1 一、二极管的导通，截止和击穿一、二极管的导通，截止和击穿当当 uD 0
22、 且超过特定值且超过特定值 UD(on) 时，时，iD 变得明显，此时认为二极管变得明显，此时认为二极管导通，导通，UD(on) 称为导通电压称为导通电压 (死区电压死区电压) ；uD 0.7 V时，时，D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；当；当ui 0时，时，D1和和D2上加的是正向电压，处于导通状态，上加的是正向电压，处于导通状态，而而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的正的正极与极与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
23、，所以相连，所以uo = ui；当；当ui 0时，二极管时，二极管D1截止，截止，D2导通，电路等效为图导通，电路等效为图 (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 2.7 V时，时，D导通，所以导通，所以uo = 2.7 V；当；当ui 2.7 V时，时，D截止，其支路等效为开路，截止，其支路等效为开路，uo = ui。于。于是可以根据是可以根据ui的波形得到的波形得到uo的波形，如图的波形，如图 (c) 所示，该电路把所示，该电路把ui超出超出2.7 V的部分削去后进行输
24、出，是的部分削去后进行输出，是上限幅上限幅电路。电路。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2 V D 5 5 2.7 t uo (V) 0 (c) 5 2.7 32 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理32例例4.3.7二极管限幅电路如图二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管所示，其中二极管D1和和D2的导通电压的导通电压UD(on) = 0.3 V，交流电阻，交流电阻rD 0。输入电压。输入电压ui的的波形在图波形在图 (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。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2
25、 V D2 5 5 E 2 V D1 33 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理33解：解：D1处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为为 - E - UD(on) = - 2.3 V。当。当ui - 2.3 V时，时，D1截止，支路等效为开路，截止，支路等效为开路，uo = ui。所。所以以D1实现了下限幅；实现了下限幅；D2处于临界状态时，其支路两端电压为处于临界状态时，其支路两端电压为 E + UD(on) = 2.3 V。当。当ui 2.3 V时，时，D2导通，导通，uo = 2.3 V；当；当ui 2.3 V时，时，
26、D2截止，支路等效为开路，截止，支路等效为开路，uo = ui。所以。所以D2实实现了上限幅。综合现了上限幅。综合uo的波形如图的波形如图 (c) 所示，该电路把所示，该电路把ui超出超出 2.3 V的部分削去后进行输出，完成的部分削去后进行输出，完成双向限幅双向限幅。 R E ui uo t ui (V) 0 (a) (b) 2 V D2 5 5 2.3 t uo (V) 0 (c) E 2 V D1 2.3 2.3 2.3 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34限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，以保护后级电
27、路的安全工作。设以保护后级电路的安全工作。设二极管的导通电压二极管的导通电压UD(on) = 0.7 V，在图中，当，在图中，当 - 0.7 V ui 0.7 V时，时，D1导通，导通，D2截止，截止，R1、D1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) = 0.7 V；当；当ui - 0.7 V时，时，D1截止，截止，D2导通，导通， R1、D2和和R2 ui D1 D2 R2 R1 uo A 构成回路，对构成回路，对ui分压，集成分压，集成运放输入端的电压被限制在运放输入端的电压被限制在 - UD(on) = - 0
28、.7 V。该电路把。该电路把ui限幅到限幅到 0.7 V到到 - 0.7 V之间，之间，保护集成运放。保护集成运放。 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35 图中，当图中，当 - 0.7 V ui 5.7 V时，时，D1导通，导通，D2截止，截止，A / D的输入电压被限制在的输入电压被限制在5.7 V；当；当ui - 0.7 V时，时，D1截止，截止，D2导导通，通，A / D的输入电压被限制在的输入电压被限制在 - 0.7 V。该电路对。该电路对ui的限幅范的限幅范围是围是 - 0.7 V到到 5.7 V。ui A / D 5 V D1 D2 R E 36 第四章第四
29、章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理36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，其中稳压二所示，其中稳压二极管极管DZ1和和DZ2的稳定电压的稳定电压UZ = 5 V，导通电压，导通电压UD(on) 近似为零近似为零。输入电压输入电压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 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理37解：当解：当 | ui | 1 V时，时，DZ1和和DZ2一
30、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38 uo R A DZ1 t uo , uC 0 UOH R3 DZ2 R1 R2 C 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
31、振荡器。其中集成运放用作反相。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压迟滞比较器，输出电源电压UCC或或 - UEE，R3隔离输出的电源隔离输出的电源电压与稳压二极管电压与稳压二极管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的稳定电压为的稳定电压为UZ，而导通电压，而导通电压UD(on) 近似为零。经过限幅，近似为零。经过限幅，输出电压输出电压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 常用半导体器件原理常用半导体器件原理39三、电平选择电路三、电平选择电路 例例4.3.9图图 (a) 给出了一个
32、二极管给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管电平选择电路，其中二极管D1和和D2为理想二极管，输入信号为理想二极管，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，波形如图，波形如图 (b) 所示。分析电所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。的波形。 R E ui2 uo t ui1 (a) D1 ui1 D2 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40解：因为解：因为ui1和和ui2均小于均小于E，所以，所以D1和和D2至少有一个处于导通状至少有一个处于导通状态。不妨假
33、设态。不妨假设ui1 ui2时，时，D2导通，导通，D1截截止，止，uo = ui2；只有当；只有当ui1 = ui2时，时，D1和和D2才同时导通，才同时导通，uo = ui1 = ui2。uo的波形如图的波形如图 (b) 所示。该电路完成低电平选择功能，当高、所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑低电平分别代表逻辑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。运算。 R E ui2 uo t ui1 0 (a) D1 ui1 D2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 41 第四章第四章 常用半导体器件原理常
34、用半导体器件原理41 ui uo1 D uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 四、峰值检波电路四、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ui uo时，时，uo1 0，二极管二极管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ui uo时，时，uo1 0，D截止，截止，C不放电，不放电，uo =
35、uC保持不变，此时保持不变，此时A1是是电压比较器电压比较器。波形如图。波形如图 (b) 所示。电路中场效应管所示。电路中场效应管V用作复位开关，当复位信号用作复位开关，当复位信号uG到来时到来时直接对直接对C放电，重新进行峰值检波。放电，重新进行峰值检波。 42 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理424.4双极型晶体管双极型晶体管 N 发射区 N 集电区 P 基区 发射结(e结) 集电结(c结) 发射极 e 集电极 c 基极 b P 发射区 P 集电区 N 基区 发射结(e结) 集电结(c结) 发射极 e 集电极 c 基极 b b c e b c e NPN型晶体管型晶体管
36、PNP型晶体管型晶体管 晶体管的物理结构有如下特点：晶体管的物理结构有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。 43 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理43一、发射区向基区注入电子一、发射区向基区注入电子 电子注入电流电子注入电流IEN， 空穴注入电流空穴注入电流IEP 二、基区中自由电子边扩散二、基区中自由电子边扩散 边复合边复合 基区复合电流基区复合电流IBN 三、集电区收集自由电子三、集电区收集自由电子 收集电流收集电流ICN 反向饱和电流反向饱和
37、电流ICBO4.4.1晶体管的工作原理晶体管的工作原理 e N P N ICN IEN IBN ICBO IEP b c IB IC IE RB UBB RC UCC 44 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理44 e N P N ICN IEN IBN ICBO IEP b c IB IC IE RB UBB RC UCC 晶体管三个极电流与内部载流子晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系：电流的关系： CNBNENENEPEIIIIIICBOBNEPCBOBNBIIIIIICBOCNCIII 45 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理45共发射极直流电流放大倍数
38、：共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：换算关系：CBOBCBOCBNCNIIIIIIECBOCENCNIIIII1ENENENCNENCNBNCNIIIIIIII1BNBNBNCNBNCNENCNIIIIIIII晶体管的放大能力参数晶体管的放大能力参数 46 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理46晶体管的极电流关系晶体管的极电流关系 CEBIIIBCIIBE)1 (IIECIIEB)1 (IIBCEIII 描述：描述： 描述：描述： b c e b c e IB IC IE IB IC IE 47 第四章第四章 常用半导体器件原理
39、常用半导体器件原理474.4.2晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 一、输出特性一、输出特性 0 5 10 15 20 uCE (V) iC (mA) IB 0 30 A 20 A 10 A IB 40 A 临界饱和线 放 大 区 饱和区 截止区 1 2 3 4 放大区放大区(发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 ) 共发射极交流电流放大倍数：共发射极交流电流放大倍数： 共基极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数： 近似关系：近似关系： 恒流输出恒流输出和和基调效应基调效应饱和区饱和区(发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏 ) 饱和压降饱和压降 uCE(sat) 截止区截止区
40、(发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏 ) 极电流绝对值很小极电流绝对值很小BCiiECii 48 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理48二、输入特性二、输入特性 0 uBE (V) iB (A) 30 60 90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 当当uBE大于导通电压大于导通电压 UBE(on) 时，晶体管导通，时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下态。这两种状态下uBE近近似等于似等于UBE(on) ，所以也可，所以也可以认为以认为UBE(on) 是导通的晶是导通的晶体管输入端固定的管压降；体管输入端固定的管压降；当当u
41、BE 0，所以集电结反偏，假设成立，所以集电结反偏，假设成立，UO = UC = 4 V；当；当UI = 5 V时，计算得到时，计算得到UCB = - 3.28 V 0，所，所以晶体管处于饱和状态，以晶体管处于饱和状态，UO = UCE(sat) 。 52 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理52 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，已知晶体管的所示，已知晶体管的UBE(on) = - 0.7 V， = 50。判断晶体管的工作状态，并。判断晶体管的工作状态，并计算计算
42、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 = - 0.7 V，得到，得到IB = - 37.4 A 0，所以，所以晶体管处于放大或饱和状态。晶体管处于放大或饱和状态。IC = IB = - 1.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V 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N沟道增强型沟道增强型MOSF
43、ET 63 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理63N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET在在UGS 0时就存在时就存在ID ID0。UGS的增大将增大的增大将增大ID。当。当UGS 0时，且时，且| UGS | 足够大时，导电沟足够大时，导电沟道消失，道消失，ID 0，此时的，此时的UGS为夹断电压为夹断电压UGS(off) 。 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET二、特性曲线二、特性曲线 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 U
44、GS 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 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64 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)GSoxnDuUuLWCi 65 第四章第四
45、章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理65N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 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 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664.5.3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
46、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 增强型 P 沟道 耗尽型 P 沟道 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
47、 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 特性曲线特性曲线 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67 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。 =
48、IDSS，UDG = UDS - UGS = UDS = UDD - IDRD = 6 (V) - UGS(off) ，所以该场效应管工作在恒流区。图所以该场效应管工作在恒流区。图 (b) 中是中是P沟道增强型沟道增强型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所，所以该场效应管工作在可变电阻区。以该场效应管工作在可变电阻区。 解：图解：图 (a) 中是中是N沟道沟道JFET，UGS = 0 UGS(off) ，所，所以该场效应管工以该场效应管工作在恒流区或可作在恒流区或可变电阻区，且变电阻区，且ID 68 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理68一、方波，
49、锯齿波发生器一、方波，锯齿波发生器 4.5.5场效应管应用电路举例场效应管应用电路举例 uo C1 uo1 t 0 A1 R4 R3 R2 R1 UZ R6 C2 A2 E V uo t 0 R5 uo1 D uo2 uo2 t UGS(off) 0 DZ1 DZ2 集成运放集成运放A1构成弛张振荡器，构成弛张振荡器，A2构成反相积分器。振荡器构成反相积分器。振荡器输出的方波输出的方波uo1经过二极管经过二极管D和电阻和电阻R5限幅后，得到限幅后，得到uo2，控制，控制JFET开关开关V的状态的状态。当。当uo1为低电平时，为低电平时，V打开，电源电压打开，电源电压E通过通过R6对电容对电容C
50、2充电，输出电压充电，输出电压uo随时间线性上升；当随时间线性上升；当uo1为高电平为高电平时，时，V闭合，闭合，C2通过通过V放电，放电，uo瞬间减小到零。瞬间减小到零。 69 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理69二、取样保持电路二、取样保持电路 ui , uo t 0 C V uS t 0 UGS(off) ui A1 uS uC A2 uo1 uo ui uo A1和和A2都构成跟随器，起传递电压，隔离电流的作用。取都构成跟随器，起传递电压，隔离电流的作用。取样脉冲样脉冲uS控制控制JFET开关开关V的状态。当取样脉冲到来时，的状态。当取样脉冲到来时，V闭合。闭合。此时
