1、第四章常用半导体器件原理第四章常用半导体器件原理第四章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4.2PN结结4.3晶体二极管晶体二极管4.4双极型晶体管双极型晶体管4.5场效应管场效应管第四章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自然界的各种媒质从导电性能上可以大致分为导体、绝缘体和半导体。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。绝缘体如玻璃和橡胶，它们对电信号起阻断作用，其电阻率介于1081020 m。另外，还有一类媒质称为半导体，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等，其导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照和掺杂等因素
2、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。第四章常用半导体器件原理4.1.1本征半导体本征半导体图4.1.1(a)和(c)所示分别为硅和锗的原子结构。作为四价元素，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，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，如图4.1.1(b)所示。第四章常用半导体器件原理图 4.1.1硅和锗的原子模型(a)硅原子；(b)简化模型；(c)锗原子第四章常用半导体器件原理纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体，图4.1.2给出了其原子晶格结构的平面示意。在晶
3、格结构中，每个原子最外层轨道上的四个价电子可以围绕本原子核运动，也可以围绕邻近原子核运动，从而为相邻原子核所共有，形成共价键。每个原子四周有四个共价键，决定了硅和锗晶体稳定的原子空间晶格结构。共价键中的价电子在两个原子核的吸引作用下，不能在晶体中自由移动，是不能导电的束缚电子。第四章常用半导体器件原理图 4.1.2本征半导体的空间晶格结构第四章常用半导体器件原理吸收外界能量，如受到加热、光照和电击时，本征半导体中一部分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，并在共价键处留下空位，称为空穴。空穴相当于一个单位的正电荷，如图4.1.3所示，这个过程称为本征激发。本征激
4、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。第四章常用半导体器件原理图 4.1.3本征激发产生成对的自由电子和空穴第四章常用半导体器件原理自由电子可以在本征半导体的晶格结构中自由移动，而空穴的正电性可以吸引相邻共价键的束缚电子过来填补，而在相邻位置产生新的空穴，相当于空穴移动到了新的位置，这个过程继续下去，空穴也可以在半导体中自由移动，如图4.1.4所示。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。第四章常用半导体器件原理图 4.1.4价电子反向递补运动相当于空穴移动第四章常用半导体器件原理本征激发使半
5、导体中的自由电子和空穴增多，因而二者在自由移动过程中相遇的机会也加大。相遇时自由电子填入空穴，并释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，如图4.1.5所示。第四章常用半导体器件原理图 4.1.5 复合消失一对自由电子和空穴第四章常用半导体器件原理不难想象，随着本征激发的进行，复合的几率也不断加大，所以本征半导体在某一温度下，本征激发和复合最终会进入平衡状态，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm3)，理论上kTEeTApn2230ii0G(4.1.1)第四章常用半导体器件原理式中：T为热力学温度(K)；EG0为T=0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 e
6、V，锗为0.78 eV；k=8.63 10 5 eV/K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87 1016 cm 3K 3/2，锗为1.76 1016 cm3K 3/2。第四章常用半导体器件原理式(4.1.1)表明了载流子浓度与温度近似为指数关系，所以本征半导体的导电能力对温度变化很敏感。在室温27，即T=300 K时，可以计算出本征半导体硅中的载流子浓度为1.431010 cm 3，而硅原子的密度为5 1022 cm 3，所以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。第四章常用半导体器件原理4.1.2N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体鉴于本征半导体
7、的导电性能较差，在其材料基础上，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型半导体和P型半导体。第四章常用半导体器件原理1.N型半导体型半导体N型半导体是在本征半导体中掺入了五价元素的原子，如磷、砷、锑等原子。如图4.1.6 所示，这些原子的最外层轨道上有五个电子，取代晶格中的硅或锗原子后，其中四个电子与周围的原子构成共价键，剩下一个电子便成为键外电子。第四章常用半导体器件原理图 4.1.6N型半导体空间晶格结构的平面示意第四章常用半导体器件原理键外电子只受到杂质原子的微弱束缚，受到很小的能量激发，如室
8、温下的热能，就能游离出去，成为自由电子。这样N型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就给半导体提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度。提供自由电子的杂质原子称为施主原子，在失去一个电子后成为正离子。正离子是带电的原子核，不能移动，无法参与导电。第四章常用半导体器件原理杂质半导体中仍然存在本征激发，产生少量的自由电子和空穴。由于掺杂产生了大量的自由电子，大大增加了空穴被复合的机会，因此空穴的浓度比本征半导体中要低很多。所以，在N型半导体中，自由电子浓度远远大于空穴浓度。由于自由电子占多数，故称它为多数载流子，简称多子；而空穴占少数，故称它为少数载流子，简称少子。第四章常用半导体器件原理N型
9、半导体中，虽然自由电子占多数，但是考虑到施主正离子的存在，使正、负电荷保持平衡，所以半导体仍然呈现电中性。虽然只进行了少量掺杂，但是N型半导体中因掺杂产生的自由电子的数量远远大于本征激发产生的自由电子的数量，因此N型半导体中的自由电子浓度nn近似等于施主原子的掺杂浓度ND，即nnND (4.1.2)第四章常用半导体器件原理所以可以通过人工控制掺杂浓度来严格控制nn。因为热平衡时，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ni的平方，所以根据掺杂浓度得nn后，空穴的浓度pn就可以计算出来，即D2in2inNnnnp(4.1.3)因为ni容易受到温度的影响而发生显著变化，所以
10、pn也随环境的改变而明显变化。第四章常用半导体器件原理2.P型半导体型半导体在本征半导体中掺杂了三价元素的原子，如硼、铝、铟等原子，就得到P型半导体。如图4.1.7所示，由于最外层轨道上只有三个电子，因此掺杂的原子只与周围三个原子构成共价键，剩下一个共价键因为缺少一个价电子而不完整，存在一个空位。在很小的能量激发时，邻近共价键内的电子就能过来填补空位形成完整的共价键，而在原位置留下一个空穴。杂质原子因为接受了一个电子而成为负离子，所以又称为受主原子。第四章常用半导体器件原理图 4.1.7P型半导体空间晶格结构的平面示意第四章常用半导体器件原理室温下，P型半导体中每掺杂一个杂质原子，就提供一个空
11、穴，从而半导体中空穴的浓度大量增加。此外，本征激发也产生一部分空穴和自由电子，因为自由电子被大量空穴复合的机会增大，所以其浓度远低于本征半导体中的浓度。在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。P型半导体呈电中性，虽然其中带正电的空穴很多，但是带负电的受主负离子起到了平衡作用。第四章常用半导体器件原理P型半导体中空穴的浓度pp近似等于受主原子的掺杂浓度NA，即ppNA (4.1.4)而自由电子的浓度np为A2ip2ipNnpnn(4.1.5)环境温度也明显影响np的取值。第四章常用半导体器件原理4.1.3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。
12、其中，自由电子的定向运动形成电子电流In，因为电子带负电，所以In的正方向与电子的运动方向相反；空穴的定向运动则形成空穴电流Ip，因为空穴带正电，所以Ip的正方向就是空穴的运动方向。第四章常用半导体器件原理半导体电流I则是这两股电流的叠加，即I=In+Ip (4.1.6)载流子的定向运动有两种起因，一个是电场的作用，另一个是载流子浓度分布不均匀，它们引起的半导体电流分别称为漂移电流和扩散电流。第四章常用半导体器件原理1.漂移电流漂移电流在电场的作用下，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，这样产生的电流称为漂移电流。该电流的大小主要取决于载流子的浓度、迁移率和电场强度。2.扩散
13、电流扩散电流半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流。该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。第四章常用半导体器件原理4.2PN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。PN结是制作半导体器件(包括二极管、晶体管和场效应管)的基本单元。第四章常用半导体器件原理4.2.1PN结的形成结的形成如果把有机结合在一起的P型半导体和N型半导体视为一个整体，则该半导体中的载流子是不均匀分布的。P型一侧空穴多，自由电子少，而N型一侧则是自由电子多，
14、空穴少。由于载流子浓度差而在两种半导体的交界面处存在多子的扩散运动。P区的空穴向N区扩散，并被自由电子复合，而N区的自由电子则向P区扩散，并被空穴复合。于是在交界面两侧产生了由等量的受主负离子和施主正离子构成的空间电荷区。第四章常用半导体器件原理空间电荷区中存在从正离子区指向负离子区的内建电场，该电场沿其方向积分得到内建电位差UB。内建电场对扩散运动起阻挡作用。这个过程如图4.2.1所示，为了简明，图中只画出了多子，包括P区的空穴和N区的自由电子，以及受主负离子和施主正离子。第四章常用半导体器件原理图 4.2.1PN结的形成(a)多子的扩散；(b)空间电荷区、内建电场和内建电位差的产生第四章常
15、用半导体器件原理空间电荷区的内建电场又会引起少子的漂移运动，包括P区中的少子自由电子进入N区，以及N区中的少子空穴进入P区，结果减少了空间电荷区的范围。这个过程继续下去，载流子浓度差减小，而内建电场增强，于是扩散运动逐渐减弱，而漂移运动渐趋明显。最后，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，即单位时间内通过交界面扩散的载流子和反向漂移过交界面的载流子数相等。第四章常用半导体器件原理此时,空间电荷区中的内建电场以及内建电位差都不再继续变化。由于空间电荷区内部基本上没有载流子，同时其中的电位分布又对载流子的扩散运动起阻挡作用，因此该区域又称为耗尽区或势垒区。耗尽区的宽度和PN结的掺杂浓度有关，在掺杂浓度不
16、对称的PN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。图4.2.2显示了P区重掺杂的P+N结，以及N区重掺杂的PN+结中耗尽区的范围。第四章常用半导体器件原理 图 4.2.2掺杂浓度不对称的PN结(a)P+N结；(b)PN+结第四章常用半导体器件原理4.2.2PN结的单向导电特性结的单向导电特性如图4.2.3所示，通过外电路给PN结加正向电压U，使P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置，简称正偏。在整个半导体上，因为耗尽区的电阻明显高于P区和N区，所以，该电压的大部分都加在了耗尽区上，结果耗尽区两端的电压减小为UBU。P区中的少部分电压产生的电场把空穴推进耗尽区，N区中的少部分电
17、压产生的电场也把自由电子推进耗尽区，结果耗尽区变窄。第四章常用半导体器件原理 变窄的耗尽区导致多子的浓度梯度变大，同时又因为内部电场减小，所以扩散运动加强，而少子的漂移运动则显著减弱，结果扩散运动和漂移运动不再平衡，扩散电流大于漂移电流，多出来的电流流过半导体，在电路中形成正向电流。第四章常用半导体器件原理 图 4.2.3正向偏置的PN结第四章常用半导体器件原理将外加电压源反方向接入，则可以使P区的电位低于N区的电位，称为反向偏置，简称反偏。同样，该反向电压大部分加在了耗尽区上，结果耗尽区两端的电压变为UB+U。P区中电场把空穴推离耗尽区，露出了受主负离子，加入耗尽区，而N区中电场则把自由电子
18、推离耗尽区，露出了施主正离子，也加入耗尽区，结果耗尽区变宽。变宽的耗尽区导致多子的浓度梯度减小，同时又因为内部电场增强，所以扩散运动减弱，而少子的漂移运动则增强，因而扩散电流小于漂移电流，漂移电流多出的部分流过半导体，在电路中形成反向电流，如图4.2.4所示。第四章常用半导体器件原理 图 4.2.4反向偏置的PN结第四章常用半导体器件原理正偏时，因为UB很小，所以PN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生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的反向电流，并且基本上不随反向电压而变化。这就是PN结的单向导电特性。第四章常用半导
19、体器件原理4.2.3 PN结的击穿特性结的击穿特性1.雪崩击穿雪崩击穿当反向电压足够大时，少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击出共价键，产生一对自由电子和空穴。新产生的自由电子和空穴又可以继续发生这样的碰撞，连锁反应使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大，这种击穿机理被形象地称为雪崩击穿。雪崩击穿需要少子能够在耗尽区内运动足够长的距离，从而获得足够大的动能，同时长距离运动中碰撞的几率会增加，这就要求耗尽区应该较宽，所以这种击穿出现在轻掺杂的PN结中。第四章常用半导体器件原理2.齐纳击穿齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。当
20、反向电压足够大时，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空穴，使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PN结不受损坏。第四章常用半导体器件原理4.2.4PN结的电容特性结的电容特性1.势垒电容势垒电容耗尽区中，PN结的交界面一边是受主负离子，带负电，另一边是施主正离子，带正电，相当于存储了电荷。以PN结反偏为例，反向电压u变大，PN结变宽，存储电荷增加，如图4.2.5(a)、(b)所示。可见，耗尽区中存储的电荷随外加电压而变化，表现为一个电容，称为势垒电容，其表达式为第四章常用半导体器件原理dSUuCuQCnB
21、0TT1(4.2.1)式中:CT0为u=0时的CT，与PN结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n为变容指数，取值一般在1/36之间。根据式(4.2.1)，当反向电压u增大时，CT将减小。势垒电容类似于平板电容，式（4.2.1）中为介电系数，S为PN结面积，d为耗尽层宽度，u增大，耗尽层变宽(d变大），相当于结电容变小，利用这一特性，可构成变容管，其特性如图4.2.5(c)所示。第四章常用半导体器件原理图 4.2.5耗尽区中存储电荷的情况(a)原先u对应的存储电荷；(b)|u|增大时，存储电荷增加；(c)势垒电容CT与反向电压u的关系第四章常用半导体器件原理2.扩散电容扩散电容如图4
22、.2.6所示，当PN结正偏时，从P区扩散过来的空穴通过耗尽区进入N区时，并不马上被自由电子全部复合掉，而是在向N区纵深的扩散中逐渐被复合，称为非平衡空穴，形成了图中虚线所示的浓度分布曲线pn，最终等于N区中作为少子的空穴的浓度pn0。为了维持电中性，N区中的自由电子在非平衡空穴的吸引下，出现浓度变化nn，并呈同样的分布。第四章常用半导体器件原理图 4.2.6 P区和N区中存储电荷的情况以及u引起的 存储电荷变化第四章常用半导体器件原理图中的浓度分布曲线的积分代表N区存储的电荷Qn。当外加电压有u的变化时，浓度分布发生变化，如实线所示。新的浓度分布曲线和原浓度分布曲线之间所夹的面积就是存储电荷的
23、变化量Qn。同理，自由电子从N区扩散到P区后，成为非平衡电子，在P区形成浓度分布np，并吸引空穴产生同样的浓度变化分布pp，从而产生电荷存储Qp。第四章常用半导体器件原理u的变化也引起P区存储电荷的变化量Qp。这样u导致的N区和P区总的存储电荷的变化量Q=Qn+Qp，用扩散电容CD表示这种电容效应，CD与PN结正向电流I成正比：KIuQQuQCpnD(4.2.2)第四章常用半导体器件原理PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当PN结正偏时，CD远大于CT，即CjCD；反偏的PN结中，CT远大于CD，则CjCT。第四章
24、常用半导体器件原理4.3晶晶 体体 二二 极极 管管在PN结的外面接上引线，用管壳封装，就制作出了晶体二极管，简称二极管，其结构如图4.3.1(a)所示。二极管的电路符号如图4.3.1(b)所示。根据使用的半导体材料，二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。第四章常用半导体器件原理 图 4.3.1二极管(a)结构；(b)电路符号第四章常用半导体器件原理4.3.1二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性与PN结的伏安特性很接近，仅因为引线的接触电阻、P区和N区的体电阻以及表面漏电流等造成二者稍有差异。如果忽略这个差异，则可以用PN结的电流方程对二极管的伏安特性进行描述。图4.
25、3.2所示的伏安特性曲线可以表示为第四章常用半导体器件原理)1()1(TDD/S/SDUukTqueIeIi(4.3.1)式中：IS为反向饱和电流，取决于半导体材料、制作工艺和温度等因素；q为电子电量(1.601019C)；UT=kT/q，称为热电压(在室温27即300 K时，UT=26 mV)第四章常用半导体器件原理 图 4.3.2二极管的伏安特性第四章常用半导体器件原理1.二极管的导通、二极管的导通、截止和击穿截止和击穿从图4.3.2中可以看出，当uD0，即给二极管加正向电压时，如果uD较小，则正向电流iD很小，而当uD超过特定值UD(on)时，iD才变得明显，此时认为二极管导通，UD(o
26、n)称为导通电压(死区电压)。一般硅管，UD(on)0.50.6V，锗管UD(on)=0.10.2V。第四章常用半导体器件原理正向偏置下的二极管在小电流工作时，iD与uD呈指数关系。当电流很大时，引线的接触电阻、P区和N区的体电阻的作用开始变得明显，结果iD与uD近似表现为线性关系。第四章常用半导体器件原理当二极管反偏，即uDUZ，R为限流电阻，RL为负载电阻。当Ui有波动，或RL改变时，工作电流IZ相应发生变化，但是只要不超出从IZmin到IZmax的范围，就可保证稳压二极管VDZ两端的电压仍然是稳定电压UZ，结果电路的输出电压Uo=UZ基本不发生变化。第四章常用半导体器件原理图 4.3.9
27、 稳压二极管电路第四章常用半导体器件原理例如，当Ui不变而RL减小时，流向RL的负载电流IL增大，而IZ相应减小，只要不小于IZmin，则UZ的变化很小，Uo基本不变。又如，当RL不变而Ui增大时，IZ相应增大，只要不超过IZmax，则UZ的变化很小，IL和Uo基本不变。为了保证Ui波动和RL改变时，IZ变化不超过IZmin和IZmax，需要在一个合适的范围内选择限流电阻R的取值，以保证稳压二极管电路正常工作。从图中可以看出第四章常用半导体器件原理LZZiZRURUUI(4.3.6)当Ui取其最小值Uimin，RL也取其最小值RLmin时，IZ最小，但是应该大于IZmin，即ZminLminZ
28、ZiminIRURUU第四章常用半导体器件原理得maxminLZminLZminZiminRRURIUUR当Ui取其最大值Uimax，RL也取其最大值RLmax时，IZ最大，但是应该小于IZmax，即ZmaxLmaxZZimaxIRURUU第四章常用半导体器件原理解得minmaxLZmaxLZmaxZimaxRRURIUUR于是R的取值范围为minLZminLZminZiminmaxLZmaxLZmaxZimaxRURIUURRURIUU第四章常用半导体器件原理如果计算出来的RminRmax，则说明该稳压二极管的IZ范围过小，应该换用 IZmax更大的稳压二极管，以满足Rmin0.7V时，VD
29、处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo=ui0.7；当ui0时，VD1和VD2上加的是正向电压，处于导通状态，而VD3和VD4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极与ui的正极通过VD1相连，它们的负极通过VD2相连，所以uo=ui；当ui0时，二极管VD1截止，VD2导通，电路等效为图4.3.13(b)所示的反相比例放大器，uo=(R2/R1)ui；当ui0时的等效电路；(c)ui0 时，uo1=ui，uo=ui；当uiUiH时，uo被限制在最大值Uomax上，这种限幅称为上限幅；又如图4.3.15(b)所示 第四章常用半导体器件原理当ui大于下门限电压UiL时，uo正比于u
30、i变化，而当uiUiL时，uo被限制在最小值Uomin上，这种限幅称为下限幅；如果只有在UiLui2.7V时，VD导通，所以uo=2.7V；当ui2.3V时，VD1截止，支路等效为开路，uo=ui。所以VD1实现了下限幅。VD2处于临界状态时，其支路两端电压为E+UD(on)=2.3V。当ui2.3V时，VD2导通，uo=2.3 V；当ui2.3V时，VD2截止，支路等效为开路，uo=ui。所以VD2实现了上限幅。综合uo的波形如图4.3.17(c)所示，该电路把ui超出2.3V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。第四章常用半导体器件原理分析二极管限幅电路时，可以首先确定使二极管处于临界状态的
31、输入电压的临界值，再考虑输入电压大于或小于该值时二极管的状态，最后得到输出电压的结果。输入电压的临界值就是上门限电压或下门限电压。第四章常用半导体器件原理限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，以保护后级电路的安全工作。设二极管的导通电压UD(on)=0.7V，在图4.3.18(a)中，当0.7Vui0.7V时，VD1导通，VD2截止，R1、VD1和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在UD(on)=0.7V；当ui0.7V时，VD1截止，VD2导通，R1、VD2和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在UD(on)=0.7V。第四章常用半导体器件原理该电
32、路把ui限幅到 0.70.7V之间，保护集成运放。图4.3.18(b)中，当0.7Vui5.7V时，VD1导通，VD2截止，A/D的输入电压被限制在5.7 V；当ui0.7V时，VD1截止，VD2导通，A/D的输入电压被限制在0.7V。该电路对ui的限幅范围为5.70.7 V。第四章常用半导体器件原理图 4.3.18二极管限幅保护电路(a)保护集成运放；(b)保护A/D第四章常用半导体器件原理稳压二极管也经常应用于限幅电路。一般二极管依靠导通电压UD(on)限幅，而稳压二极管则是通过其反向击穿时的稳定电压UZ实现限幅。【例例4.3.8】稳压二极管限幅电路如图4.3.19(a)所示，其中稳压二极
33、管VDZ1和VDZ2的稳定电压UZ=5V，导通电压UD(on)0,输入电压ui的波形见图4.3.19(b），作出输出电压uo的波形。第四章常用半导体器件原理 图 4.3.19稳压二极管限幅(a)电路；(b)ui的波形；(c)uo的波形第四章常用半导体器件原理解解当|ui|1V时，VDZ1和VDZ2一个导通，另一个击穿，此时反馈电流主要流过稳压二极管支路，uo稳定在5 V。由此得到图4.3.19(c)所示的uo波形。第四章常用半导体器件原理图4.3.20(a)所示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压UCC或UEE，电阻R3隔离输出的电源电压与VDZ1和VDZ2限幅
34、后的电压。仍然认为VDZ1和VDZ2的稳定电压为UZ，而导通电压UD(on)近似为零。经过限幅，输出电压uo可以是高电压UoH=UZ或低电压UoL=UZ，电阻R1和R2对其分压，获得参考电压UTH或UTL。假设t=0时电容电压uC=0，而电压比较器输出UCC，此时uo=UoH，参考电压为UTH。UoH通过R对电容C充电，uC上升。第四章常用半导体器件原理图 4.3.20弛张振荡器(a)单运放弛张振荡器；(b)单运放弛张振荡器的波形；第四章常用半导体器件原理当uCUTH时，电压比较器输出变为UEE，于是uo=UoL，参考电压则变为UTL。接下来UoL将通过R对C放电，uC开始下降，一直到uCUT
35、L时，电压比较器输出又恢复成UCC，完成一次状态循环。该电路可以得到方波uo和近似三角波uC两种输出，如图4.3.20(b)所示。调节R1和R2改变参考电压，或者调节R和C改变电容充放电速率，都可以调节振荡频率。第四章常用半导体器件原理因为上述单运放弛张振荡器电容充放电是时间的指数函数，所以输出三角波的线性较差。作为改进，可以使用图4.3.20(c)所示的双运放弛张振荡器。其中集成运放A1构成同相迟滞比较器，输出方波uo，A2构成反相积分器，对uo积分得到三角波输出uC，如图4.3.20(d)所示。因为实现了对电容的恒流充放电，所以该三角波的线性较好。图4.3.21(a)给出的弛张振荡器可以通
36、过调节电位器改变输出矩形波uo的占空比。图4.3.21(b)所示输出中，电容充电和放电时间分别为第四章常用半导体器件原理21w121ln)(RRCRRT21w221ln)1(RRCRRT周期21w2121ln)2(RRCRRTTT所以该电路调节占空比时不会改变振荡频率。第四章常用半导体器件原理 图 4.3.21占空比可调的弛张振荡器(a)电路；(b)波形第四章常用半导体器件原理占空比可调的双运放脉冲与锯齿波产生器电路及仿真波形如图4.3.22所示，其原理读者可自行分析。第四章常用半导体器件原理图 4.3.22占空比可调的双运放弛张振荡器及仿真波形第四章常用半导体器件原理3.电平选择电路电平选择
37、电路从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路称为电平选择电路。电平选择电路又分为低电平选择电路和高电平选择电路，在数字电路中分别实现数字量的“与”和“或”运算。【例例4.3.9】图4.3.23(a)给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管VD1和VD2为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如图4.3.23(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。第四章常用半导体器件原理 图 4.3.23二极管电平选择(a)电路；(b)ui1、ui2和uo的波形第四章常用半导体器件原理解解因为ui1和ui2均小于E，所以VD1和VD2至少有一个处于导通状态。不妨假设
38、ui1ui2时，VD2导通，VD1截止，uo=ui2；只有当ui1=ui2时，VD1和VD2才同时导通，uo=ui1=ui2。第四章常用半导体器件原理uo的波形如图4.3.23(b)所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表数字量1和0时，就实现了逻辑“与”运算。如果将图4.3.23(a)中的二极管及电源E反向接入，请读者分析该电路完成什么逻辑功能。第四章常用半导体器件原理4.峰值检波电路峰值检波电路峰值检波电路把输入电压的峰值作为输出。实现方法是设计电路对电容只充电不放电，使电容电压保持为输入电压峰值。【例例4.3.10】分析图4.3.24(a)给出的峰值检波电路的工作原理。解解电
39、路中集成运放A2起电压跟随器作用。第四章常用半导体器件原理当uiuo时，uo10，二极管VD导通，uo1对电容C充电，此时集成运放A1也成为跟随器，uo=uCui，即uo随着ui增大；当uiuo 时，uo10，VD截止，C不放电，uo=uC保持不变，此时A1是电压比较器。图4.3.24(b)所示为ui1、ui2和uo的波形。电路中场效应管V用作复位开关，当复位信号uG到来时直接对C放电，重新进行峰值检波。第四章常用半导体器件原理图 4.3.24峰值检波(a)电路；(b)波形第四章常用半导体器件原理4.4双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管又称三极管，是由三层杂质半导体构成的有源器件，其原理结构
40、和电路符号如图4.4.1所示。第四章常用半导体器件原理图 4.4.1晶体管的原理结构和电路符号(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管第四章常用半导体器件原理三层杂质半导体可以是两个N型半导体中间夹一层P型半导体，组成N型P型N型的结构，称为NPN型晶体管；也可以是两个P型半导体中间夹一层N型半导体，组成P型N型P型的结构，称为PNP型晶体管。无论是哪种类型，晶体管的中间层称为基区，两侧的异型层分别称为发射区和集电区。三个区各自引出一个电极与外电路相连，分别叫做基极(b)、发射极(e)和集电极(c)。基区和发射区之间的PN结称为发射结(e结)，而基区和集电区之间的PN结称为集电结(c结)。第
41、四章常用半导体器件原理目前普遍使用平面工艺制造晶体管，包括氧化、光刻和扩散等工序。制作时应该保证晶体管的物理结构有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。上述基本要求都是制造性能优良的晶体管所必需的。第四章常用半导体器件原理4.4.1晶体管的工作原理晶体管的工作原理通过合适的外加电压进行直流偏置，可以使得晶体管的发射结正偏，而集电结反偏，此时的晶体管工作在放大状态，符合晶体管放大器的工作要求。我们首先观察此时晶体管内部载流子的定向运动情况，得到内部载流子电流的分布，研究它们和晶体管三个极电流的关系，在此基础上分析晶体管放大交流信号的原理。第四章常
42、用半导体器件原理以图4.4.2(a)所示的放大状态下的NPN型晶体管为例，载流子的定向运动基本上可以分为以下三个阶段。(1)发射区向基区注入电子。正偏的发射结上以多子扩散运动为主，包括发射区的自由电子扩散到基区，形成电子注入电流IEN，以及基区的空穴扩散到发射区，形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区重掺杂，发射区的自由电子浓度远大于基区的空穴浓度，所以IEN远大于IEP。第四章常用半导体器件原理图 4.4.2晶体管的内部载流子电流和极电流(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管第四章常用半导体器件原理(2)基区中自由电子边扩散边复合。自由电子注入基区后，成为基区中的非平衡少子，在发射结
43、处浓度最大，而在反偏的集电结处浓度几乎为零。所以基区中存在明显的自由电子浓度差，导致自由电子继续从发射结向集电结扩散。扩散中，部分自由电子被基区中的空穴复合掉，形成基区复合电流IBN。因为基区很薄，又不是重掺杂，所以被复合的自由电子很少，绝大多数自由电子都能扩散到集电结的边缘。第四章常用半导体器件原理(3)集电区收集自由电子。反偏的集电结内部较强的电场使扩散过来的自由电子发生漂移运动，进入集电区，形成收集电流ICN。另外，基区自身的自由电子和集电区的空穴也参与漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。根据图4.4.2(a)所示的NPN型晶体管的内部载流子电流的分布及其方向，可以得到晶体管的三个极电流
44、与内部载流子电流的关系：第四章常用半导体器件原理CNBNENENEPEIIIIIICBOBNEPCBOBNBIIIIIICBOCNCIII不难看出，晶体管三个极电流并不彼此独立，它们之间的关系可以通过共发射极直流电流放大倍数和共基极直流电流放大倍数来描述。第四章常用半导体器件原理CBOBCBOCBNCNIIIIII共发射极直流电流放大倍数记为，反映基区中非平衡少子的扩散与复合的比例，即收集电流ICN与基区复合电流IBN之比：共基极直流电流放大倍数记为，反映收集电流ICN与电子注入电流IEN的比例关系第四章常用半导体器件原理ECBOCENCNIIIII也间接反映了基区中非平衡少子的扩散与复合的比
45、例，所以与有必然的换算关系:1ENENENCNENCNBNCNIIIIIIII1BNBNBNCNBNCNENCNIIIIIIII(4.4.1)(4.4.2)第四章常用半导体器件原理和的取值取决于基区的宽度，掺杂浓度等因素，每个晶体管制作完成后，这两个表征其放大能力的参数就基本确定了，值一般在20 200之间，而的取值大约在0.97 0.99之间。在近似分析中，和通常用来描述晶体管极电流之间的比例关系：CEOBCBOBCBOCBOBC)1()(IIIIIIII第四章常用半导体器件原理CBOCEO)1(II其中，ICEO称为穿透电流，取值很小，如果将其忽略，则有BCII(4.4.3)BBCE)1(
46、IIII(4.4.4)式(4.4.3)和式(4.4.4)是用描述的晶体管极电流的关系。经过类似推导我们也可以将晶体管极电流的关系用进行描述:第四章常用半导体器件原理ECII(4.4.5)EB)1(II(4.4.6)BCEIII(4.4.7)以上是对放大状态下NPN型晶体管的电流分析。PNP型晶体管中两个PN结的方向与NPN型晶体管中PN结的方向相反，为使其也工作在发射结正偏、集电结反偏的放大状态，需要相应地将外加直流偏置电压反一个方向，如图4.4.2(b)所示。第四章常用半导体器件原理PNP型晶体管的载流子电流分布也类似于NPN型晶体管中的情况，只是自由电子和空穴互换了角色，电流的流向也反向。
47、因为图中极电流正方向与NPN型晶体管一致，所以PNP型晶体管的IB、IC和IE都取负值。对NPN型晶体管的分析结果，包括和的换算关系，以及分别用它们描述的极电流的关系仍然适用于PNP型晶体管。第四章常用半导体器件原理下面仍用NPN型晶体管来说明晶体管放大交流信号的基本原理，对PNP型晶体管，读者可以自行分析。在图4.4.2(a)电路的基础上，忽略空穴注入电流IEP和反向饱和电流ICBO，以简化分析。给晶体管的输入端叠加上交流电压ub，如图4.4.3(a)所示。ub使得发射结电压在原来的基础上发生变化，但是因为ub的振幅远小于UBB，所以变化过程中发射结始终处在正偏状态。发射极电流iE主要是电子
48、注入电流iCN，它与正偏电压uBE有类似于式(4.3.1)给出的指数关系，即晶体管电流方程第四章常用半导体器件原理TUuIiiiBEeSCCNE所以会随正偏电压的微小变化产生明显改变。或者说，扩散过发射结的自由电子数量随ub显著变化。数量时变的自由电子经过基区时被少部分复合，产生一个时变的基区复合电流iBN，以其为主构成的基极电流iB也是时变的，但振幅很小，考虑到ub的振幅也很小，则晶体管的输入交流功率很少。第四章常用半导体器件原理大多数未被复合的自由电子到达反偏的集电结时，开始跨越集电结的漂移运动。漂移过程中，UCC产生的强电场对其作功，这就把UCC提供的直流功率通过电场作功变为了自由电子携
49、带的功率。因为自由电子的数目是时变的，所以得到的是交流功率，这就实现了直流功率向交流功率的转移。所以收集电流iCN可以有较大的振幅，以它为主构成的集电极电流iC能够在电阻RC上输出比较大的交流功率。因为UCC取值较大，所以漂移过程中虽然RC上电压变化较大，但是集电结始终保持在反偏状态。从这个过程可以看出，晶体管是通过把直流功率转换成交流功率来放大交流信号的。第四章常用半导体器件原理4.4.2晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性构成放大器时，需要在晶体管的两个极之间加上交流输入信号，在两个极上获得交流输出信号，所以晶体管的三个极有一个必然同时出现在电路的输入回路和输出回路中。如果是共用发射极，这种电
50、路设计就称为共发射极组态。图4.4.3所示电路就是一个共发射极放大器。我们就以这一代表性设计来讨论晶体管的伏安特性，即极电流与极间电压的关系。第四章常用半导体器件原理图 4.4.3晶体管放大交流信号(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管第四章常用半导体器件原理在共发射极组态中，基极电流iB是晶体管的输入电流，基极和发射极之间的电压uBE是晶体管的输入电压，而晶体管的输出电流和输出电压则分别是集电极电流iC和集电极与发射极之间的电压uCE。第四章常用半导体器件原理1.输出特性输出特性输出特性描述晶体管的输出电流与输出电压，即iC与uCE之间的关系。如图4.4.4所示，可以发现，iC与uCE之
