第1章晶体管开关

1、1第一章 晶体管开关 21.1 半导体二极管1.1.1 半导体基本知识一、什么是半导体？导体 (金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”)绝缘体可运动的带电粒子3半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。硅和锗的原子结构模型(a)硅原子 (b)锗原子 简化模型硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个价电子。41.本征半导体（纯净的半导体晶体）硅和锗的晶体结构（）点阵结构 （）共价键结构点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕两个相邻原子共用一对电子5热激发产生自由电子和空穴室

2、温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚u成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。u在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。6空穴运动有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补u这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。（与自由电子的运动不同）7结论：本征半导体中有两种载流子：u带负电荷的自由电子带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。

3、在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。82.N型和P型半导体(1)N型半导体 在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很u容易成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动） 每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。9N型半导体的特点：自由电子 空 穴 多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子） 只要掺入极少量的杂质元素（1106），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106倍。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。10(2)P型半

4、导体 在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子u得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体11P型半导体的特点：空 穴 自由电子 多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子） 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。123. PN结的形成预备知识:u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式

5、。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层PN结13 多子扩散运动形成空间电荷区u由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。PN结14 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移 多子扩散

6、 空间电荷区加宽内电场EIN增强 少子漂移促使阻止EINEIN 空间电荷区变窄内电场EIN削弱 u扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结15小结：PN结中同时存在多子的扩散运动和 少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。164. PN结的单向导电性外加正向电压（也叫正向偏置）u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于“导通”状态。174. PN结的单向导电性外加反向电压（也叫反向偏置）u外加电场与内电场方向相同，增强了

7、内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的， IR很小，这时称PN结处于“截止”状态。18 PN结伏安特性 a. 外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。UonUon0.5V(0.5V(硅硅) ) UonUon0.1V(0.1V(锗锗) )19 c. 外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 IR 很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流 IR 急剧增加。201.1.2 二极管符号及主要参数A阳极 K阴极 二极管主要

8、参数： 1.最大正向电流 IF 2.反向击穿电压U（BR） 3.反向电流 IR 4.最高工作频率 211.1.3 二极管应用举例 二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：UD0.7V（硅） UD0.3V（锗） p42 或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。 p4422U Ui周期性矩形脉冲231.2 半导体三极管 三极管的结构及工作原理u(a)管芯结构图 (b)结构示意图 (c) 电路符号u三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低.发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度. 发射

9、区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结NPN型三极管b 基极e 发射极c 集电极24PNP型三极管25三极管电流的形成及分配u1.电流的形成 发射区向基区发射电子，形成发射极电流 IE 发射结正向偏置。u电子在基区复合形成基极电流 IB 由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。u 集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流 IC 。26三极管电流的形成及分配三极管电流的形成及分配u1.电流的分配关系 u发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给个电子，这是

10、三极管内固定不变的电流分配原则。BCIIu 称为电流放大系数， 值通常在20200之间271.2.1 三极管的特性曲线输入特性曲线输出特性曲线BEBui CECui 28 uBE Uon(0.5V)IB=0IC0截止区截止区u截止条件： uBE Uon(0.5V)特点：特点： IB=0， IC0 c e 之间相当于断开的开之间相当于断开的开关。关。29uBE Uon放大区放大区uCE uBE +u放大条件： uBE Uon uCE uBE 特点：特点： IC= IB， c e 之间之间相当于受控电流源。相当于受控电流源。BCIIP48电流放大倍数BCII30 uBE Uon饱和区饱和区uCE

11、uBE + 饱和条件： uBE Uon uCE uBE 特点：特点： IC IB ， uCEUCES0.3V， c e 之间相之间相当于闭合的开关。当于闭合的开关。31u饱和条件： uBE Uon uCE uBE 特特点：点： IC IB ，uCEUCES0.3V， c e 之间相之间相当于闭合的开关。当于闭合的开关。u截止条件： uBE Uon(0.5V) 特点：特点： IB=0， IC0 c e 之间相当于断开的之间相当于断开的开关。开关。截止和饱和两个状态通称为开关状态。321.2.2 三极管的主要参数及应用IbIc1 共发射极电流放大系数 = = 20-200BCIIBCII33三极管

12、的主要参数2 击穿电压 Ucbo,Uceo,Uebo例如：Uebo=6VUeboUebo34三极管的主要参数三极管的主要参数IbIc3 最大电流ICM, 最大功率PCMIcm=600mA;PcM=625mW设工作电流设工作电流Ic=200mA Uce625/200=3V35uI 周期性矩形脉冲 (1) uI = 0 时,三极管截止，iB = 0 , iC = 0 uO = UCiC RC = UC = 12V (2) uI = 5V 时，ARuuRUibBEIbRbB20210)7 . 05()(36uI 周期性矩形脉冲mARUURUICCESCCRCC2 . 110)25. 012()(条件

13、成立VUuCESO25. 0BCII假设三极管处于饱和状态mAAIB5 . 220125VUUCESCE25. 03738uPN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理， N区的电子扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为存储电荷。u PN结正向导通时，PN结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做电荷存储效应。预备知识:391.2.3 三极管的开关时间和极间电容u由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。延迟时间 td 上升时间 tr 开启

14、时间 ton（几十到几百纳秒）存储时间 ts下降时间 tf关闭时间 toff（几十到几百纳秒）401.3 MOS场效应管场效应管 P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极(g)，衬底也引出一个电极B。 MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流 金属-氧化物-半导体场效应管 （Metal-Oxide-Semiconductor)41 uGS= 0 时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。u uGS 为正时，产生一个电场，把P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当uGS 增大到一定值UT时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。42IG=0ID=gmUGS 小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件 uGSUT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止 uGSUT时，D-S间才会形成导电沟道， 故称为N沟道增强型MOS管。 uGS增大，导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。43npp 注意PMOS管S D 电流从S流入，D流出44UGS(th)N:开启电压开启电压转移特性转移特性输出特性输出特性 uGSUGS(th)N， 管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关uGS UGS(th)N ，uDS较