1、 第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 BJT1.4 BJT模型模型1.5 1.5 场效应管场效应管1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个
2、电子称为四个电子称为价电子价电子。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一.本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。这一现象称为这
3、一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越
4、多。动画演示动画演示 与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104.1锗：锗：313cm105.2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流动画演示动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导
5、体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少
6、数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空空穴穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2.P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关内电场E因多子浓度差
7、因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三.PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1.PN结的形成结的形成 动画演示少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡：扩散电流扩
8、散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电
9、场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有很
10、小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。动画演示动画演示1 1 动画演示动画演示23.PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆)1(eTSUuIi 根据理论分析：根据理论分析：u 为为PN
11、结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流UT=kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26 mV。当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T|时时1eTUuSIi4.PN结的电容效应结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之
12、变化结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。(1)势垒电容势垒电容CB空空间间电电荷荷区区W+R+E+PN(2)扩散电容扩散电容CD 当外加正向电压当外加正向电压不同时，不同时，PN结两结两侧堆积的少子的侧堆积的少子的数量及浓度梯度数量及浓度梯度也不同，这就相也不同，这就相当电容的充放电当电容的充放电过程过程。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）极间电容（结电容）1.2 1.2 半导体二极管半导体二极
13、管 二极管二极管=PN结结+管壳管壳+引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝(3)平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。Si
14、O2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge，C为为N型型Si，D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。一一、半导体二极管的、半导体二极管的VA特性曲
15、线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗：0.1 V(1)正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2)反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V二二.二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：例：IR10VE1k)1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件Riu 二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V
16、。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型mA3.9K1V)7.010(I测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差00002.010032.99.332.9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032.932.9100.7V例：例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。(1)若若 ui
17、为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别
18、采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管串联采用理想二极管串联电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形如图所示。如图所示。+-+UIuREFRiuO三三.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。
19、电流的平均值。(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。(3)反向电流反向电流I IRR 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安(A)级。级。当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压四、
20、稳压二极管四、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZIUIzminIzmax正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)(3)最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流
21、，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZIUIzminIzmax 1.3 半导体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为参与运行，因此，还被称为双极型晶体双极型晶体管管（Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT）。）。BJT是由两个是由两个PN结组成的。结组成的。一一.BJT的结
22、构的结构NPN型PNP型符号符号:-bce-ebc 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极二二 BJT的内部工作原理的内部工作原理（NPN管）管）三极管在工作时要三极管在工作时要加上适当的直流偏加上适当的直流偏置电压。置电压。若在放大工作状态：若在放大工作状态：发射结正偏：发射结正偏：+UCE UBEUCB集电结反偏：集电结反偏：由由VBB保证保
23、证由由VCC、VBB保证保证UCB=UCE-UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区 （1 1）因为发射结正偏，所以发）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子射区向基区注入电子 ，形成了扩形成了扩散电流散电流IEN。同时从基区向发射区。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电也有空穴的扩散运动，形成的电流为流为IEP。但其数量小，可忽略。但其数量小，可忽略。所以发射极电流所以发射极电流I E I EN。（2）发射区的电子注）发射区的电子注入基区后，变成了少数载入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成复合掉
24、，形成IBN。所以。所以基基极电流极电流I B I BN。大部分到。大部分到达了集电区的边缘。达了集电区的边缘。1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（3）因为集电结）因为集电结反偏，收集扩散到反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，集电区边缘的电子，形成电流形成电流ICN。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外，集电结区另外，集电结区的少子形成漂移的少子形成漂移电流电流ICBO。2电流分配关系电流分配关系三个电极上的电流关系三个电极上的电流关系:IE=IC+IBNNPBBVCCVRbRCebcIEN
25、EPIIEBICNICICBOI定义：定义：ECNII ECBOECIIII(1)(1)IC与与I E之间的关系之间的关系:所以所以:ECII其值的大小约为其值的大小约为0.90.90.990.99。(2)IC与与I B之间的关系：之间的关系：NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIECNICICBOI联立以下两式联立以下两式：CBOECIII BCEIII得：得：CBOBCCBOECIIIIII）（所以所以：CBOBC111III BCEOBCIIII 得：得：1令令：CBOCEO11II BI三三.BJT.BJT的特性曲线（的特性曲线（共发射极接法）共发射极接法）(1)(1)输入特性
26、曲线输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const+i-uBE+-uBTCE+Ci（1）uCE=0V时，相当于两个时，相当于两个PN结并联。结并联。0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。再增加时，曲线右移很不明显。（2）当）当uCE=1V时，时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，合减少，在同一在同一uBE 电压下，电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V
27、导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3V(2)输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=const 现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说明。（1）当）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE Ic 。（3）当当uCE 1V后，后，收集电子的能力足够强。收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形子都被集电极收集，形成成iC。所以。所以uCE再增加，再增加，iC基本保持不变。基本保持不变。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲线。其他值的曲线。iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BB
28、II=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB 输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。该区中有：该区中有：BCII iCIBIB=0uCE(V)(mA)
29、=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区四四.BJTBJT的主要参数的主要参数1.电流放大系数电流放大系数（2 2）共基极电流放大系数：）共基极电流放大系数：BCII BCii ECII ECii iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取一般取20200之间之间2.31.538A60mA3.2BCII40A40)-(60mA)5.13.2(BCii（1 1）共发射极电流放大系数：）共发射极电流放大系数：2.极间反向电流极间反向电流（2）集电极发射极间的穿
30、）集电极发射极间的穿透电流透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射基极开路时，集电极到发射极间的电流极间的电流穿透电流穿透电流。其大小与温度有关。其大小与温度有关。（1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是它实际上就是一个一个PNPN结的反向电流。结的反向电流。其大小与温度有关。其大小与温度有关。锗管：锗管：I CBO为微安数量级，为微安数量级，硅管：硅管：I CBO为纳安数量级。为纳安数量级。CBOCEO)1(II+ICBOecbICEO 3.极限参数极
31、限参数 Ic增加时，增加时，要下降。当要下降。当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值值的的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流电流ICM。（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允）集电极最大允许功率损耗许功率损耗PCM 集电极电流通过集集电极电流通过集电结时所产生的功耗，电结时所产生的功耗，PC=ICUCE BICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM PCM（3）反向击穿电压）反向击穿电压 BJT有两个有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：
32、结，其反向击穿电压有以下几种：U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。反向电压。其值一般几伏十几伏。U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。反向电压。其值一般为几十伏几百伏。U（BR）CEO基极开路基极开路时，集电极与发射极之间时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。允许的最大反向电压。在实际使用时，还有在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。等击穿电压。-(BR)CEOU(BR)CBOU(BR
33、)EBOU 1.4 三极管的模型及分析方法0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6BuiCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非线性器件非线性器件BCIIUD=0.7VUCES=0.3ViB0 iC0一一.BJT的模型的模型+i-uBE+-uBCE+Cibeec截止状态截止状态ecb放大状态放大状态UDIBICIBecb发射结导通压降发射结导通压降UD硅管硅管0.7V锗管锗管0.3V饱和状态饱和状态ecbUDUCES饱和压降饱和压降UCES硅管硅管0.3V锗管锗管0.1V直流模型直流模型二二.BJT电路的分析方法（直流
34、）电路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）模型分析法（近似估算法）(模拟p5859)VCCVBBRbRc12V6V4K150K+UBE+UCEIBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4K150K+UBE+UCEIBIC例：共射电路如图，已知三极管为硅管，例：共射电路如图，已知三极管为硅管，=40，试，试求电路中的直流量求电路中的直流量IB、IC、UBE、UCE。+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4K150K+UBE+UCEIBIC0.7VIBecbIC+VCCRc(+12V)4K+UBEIB+VBBRb(+6V)150K+UCE解：设三极管工作在放大状态，用
35、放大模型代替三极管。解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。UBE=0.7VA40K150V6K150V)7.06(bBEBBBRUVI mA6.1A4040BCII V6.546.112CCCCCERIVU 2.图解法图解法 模拟(p5456)VCCVBBRbRc12V6V4K150K+uCEIB=40AiC非线性部分非线性部分线性部分线性部分iC=f(uCE)iB=40ACCCCCERiVuM(VCC,0)(12,0)(0,3),0(CCCRVNiCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流负载线直流负载线斜率：斜率：
36、CCCCCC1RVRVtgKUCEQ6VICQ1.5mAIB=40AIC=1.5mAUCEQ=6V 直流直流工作点工作点Q 半导体三极管的型号半导体三极管的型号第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管
37、国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B 1.5 场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控）是一种电压控制器件制器件(uGS iD)，工作
38、时，只有一种载流子参与导电，因此它，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。一.绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET。分为：分为：增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管（1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅
39、极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。
40、栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 定义：定义：开启电压（开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性：uGS UT，管子截止，管子截止，uGS UT，管子导通。，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电，且固
41、定为某一值时，来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UT=2V，uGS=4V）（a）uds=0时，时，id=0。（b）uds id；同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时，沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长，uds增加的部分基本降增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。基本不变。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid-二氧化硅NisdNVb+DDdVP衬底GGg-GGbVd二氧化硅siN
42、gDD+dP衬底VN+-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg（3 3）特性曲线）特性曲线 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区 转移特性曲线转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输
43、出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const (单位单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=
44、5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点：当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：定义：夹断电压（夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uG
45、S。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+-sbgdN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的的特性曲线特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2VUPGSuUP 3、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有同双极型三极管有NPN型和型和PNP
46、型一样。型一样。4.MOS4.MOS管的主要参数管的主要参数（1）开启电压）开启电压UT（2）夹断电压）夹断电压UP（3）跨导）跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const（4）直流输入电阻）直流输入电阻RGS 栅源间的等效栅源间的等效电阻。由于电阻。由于MOS管管栅源间有栅源间有sio2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达1091015。本章小结本章小结1半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和型半导体和P型半导体
47、。型半导体。2采用一定的工艺措施，使采用一定的工艺措施，使P型和型和N型半导体结合在一起，就形成了型半导体结合在一起，就形成了PN结。结。PN结的基本特点是单向导电性。结的基本特点是单向导电性。3二极管是由一个二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4BJT是由两个是由两个PN结构成的。工作时，有两种载流子参与导电，称为双结构成的。工作时，有两种载流子参与导电，称为双极性晶体管。极性晶体管。BJT是一种
48、电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。止区。6FET分为分为JFET和和MOSFET两种。工作时只有一种载流子参与导电，因两种。工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性晶体管。此称为单极性晶体管。FET是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。就可以改变其漏极电流。FET的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。描述。其性能可以用一系列参数来表征。
