chapter-1半导体及三极管

1、根据物体导电能力（电阻率）的不同，物质可分为导体(109 cm)和半导体(10-1UT时，iD=IS(e uD /UT)； 由此说明：1) 加正向电压时，电流与电压基本上成指数关系；2) 加正向电压时导通，加反向电压时截止，即具有单向导电性。当uD 0，且| uD | UT 时，iD-IS0。iD=IS(e uD /UT-1)指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，它是由结的结面积和外界散热条件决定的。实际应用时，二极管的平均电流不能超过此值，并要满足散热条件，否则会烧坏二极管。主要由结的结电容大小决定。结电容越大,则其允许的最高工作频率越低。指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。该电

2、流越小，管子的单向导电性能就越好。另由于反向电流是由少数载流子形成，所以温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使用时要注意温度的影响。1.3二极管的主要参数器件的参数是对其特性的定量描述，也是我们正确使用和合理选择器件的依据。半导体二极管主要参数有： 1. 最大整流电流I2. 最高反向工作电压UR3. 反向电流I4. 最高工作频率fM指二极管使用时所允许加的最大反向电压,超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。通常取反向击穿电压UBR的一半作为UR 。1.4稳压二极管稳压管又称齐纳二极管，其符号如图1.2.7 (a)所示。稳压二极管稳压时工作在反向稳压二极管稳压时工作在反向电击穿电击穿状态。状态。

3、它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅二极管，这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，容易形成强电场。其特性如图1.2.7 (b)的所示，其正向特性曲线与普通二极管相似，而反向击穿特性曲线则很陡。图中的VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压原理在于：电流有很大增量时,只引起很小的电压变化。反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。稳压管的参数主要有以下几项：1. 稳定电压稳定电压UZ指稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。2. 稳定电流稳定电流IZ(IZmin IZmax)指稳压管正常工作时的参考电流。若工作电流小于IZmin，则不能稳压；若工作电流大于

4、IZmax ，则会因功耗过大而烧坏。3. 动态电阻动态电阻rZ指稳压管两端电压和电流的变化量之比。 rZ = U / I rZ愈小愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压性越好稳压性越好.4. 电压的温度系数稳定电压电压的温度系数稳定电压aU指稳压的电流保持不变时，环境温度每变化所引起的稳定电压变化的百分比。一般：一般： UZ 7V， aU为正值；UZ UZ 7V， aU值较小，稳压性能稳定。5. 额定功率额定功率Z指稳压管工作电压UZ与最大工作电流IZmax的乘积.Z= UZ IZmax 额定功率决定于稳压管允许的温升。稳压管电路分析：1. 限流电阻的计算限流电阻的计算(

5、1) 当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出限流电阻的最大值。即LmaxZminZIminmax=IIUUR +UDziLRz-oU-+RUIZILI稳压管工作在反向击穿区必须限制稳压管电流,以免烧坏管子负载与稳压管并联(2) 当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出限流电阻的最小值。即LminZmaxZImaxmin=IIUUR +UDziLRz-oU-+RUIZILI所以：所以：minRRmax2. 负载电阻的计算负载电阻的计算(1) 当输入电压最小时，只有负载电阻足够大(

6、分流足够小)才能保证IZ不小于IZmin，由此可计算出负载电阻的最大值。即ZmaxminLminZLmaxIRUUUIURZIZ+UDziLRz-oU-+RUIZILI(2) 当输入电压最大时，只有负载电阻足够小(分流足够大)才能保证IZ不大于IZmax，由此可计算出负载电阻的最小值。即ZminZmaxLmaxZLminIRUUUIURZZ+UDziLRz-oU-+RUIZILI所以：所以：LminRRLmax1.5变容二极管普通二极管(整流二极管，检波二极管)是利用二极管的单向导电特性； 稳压管是利用二极管的击穿特性； 而变容二极管是利用二极管的电容效应。一、一、PN结的电容效应结的电容效应

7、它包括势垒电容和扩散电容两部分。1. 势垒电容势垒电容是由PN结的空间电荷区(耗尽层)形成的，又称为结电容。势垒电容的大小可用下式表示：lsdUdQCb ：半导体材料的介电系数；其中： s ：PN结面积； l ：耗尽层宽度。)1 (DyjobUUCCUD：PN结的势电位差,锗管0.20.3V,硅管0.60.7VU ：加到二极管上的反向电压；Cjo：为=0时的势垒(结)电容；y ：为电容变化指数，与掺杂浓度和管结构有关。U0CbCjo势垒电容Cb与外加反向电压的关系(如左图)2. 扩散电容扩散电容是由多数载流子在扩散过程中和积累而引起的。当外加正向电压变化时，PN结两侧堆积的少子数量及浓度梯度也

8、也跟着变化，相当于电容的充放电过程，这就是扩散电容效应。(如右图)+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综上所述，综上所述，PN结总的结电容结总的结电容Cj包括势垒电包括势垒电容容Cb和扩散电容和扩散电容Cd两部分。两部分。一般来说，当二极管一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容正向偏置时，扩散电容起主要作用起主要作用，即可以认为，即可以认为CjCd； 当当反向偏置时，反向偏置时，势垒电容起主要作用势垒电容起主要作用，可以认为，可以认为CjCb。二、变容二极管二、变容二极管电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。是利用PN结的

9、(反向偏置)势垒电容效应而构成的另一种特殊二极管。三极管从所用材料来分：硅管和锗管；三极管从结构来分：NPN管和PNP管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，称为双极型晶体管(Bipolar Junc-tion Transistor,简称BJT)。也叫半导体三极管或晶体三极管。1.3.1三极管的结构NPNNPN型型PNPPNP型型符号符号:-bce-ebc-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发射极集电极基极三极管的结构特点：三极管的结构特点：(1) 包含：三区、三极、二结；(2)发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。

10、(3)基区要制造得很薄且浓度很低。箭头的方向代表电流的方向箭头的方向代表电流的方向1.3.2三极管的放大作用和载流子的运动三极管内部存在两个PN结，表面看来，似乎相当于两个二极管背靠背地串联在一起，如右图(以NPN型为例)。但是将两个单独的二极管这样连接起来后它们并不具有放大作用。三极管的放大作用,必须由其内部结构和外部电压条件来保证。1. 内部结构内部结构a) 发射区掺杂浓度最高，因而其中的多数载流子浓度很高。b) 基区做得很薄，而且掺杂浓度最低，即基区中多子浓度很低。c) 集电结结面积比较大，且集电区多子浓度远比发射区多子浓度低。发射载流子传送和控制载流子收集载流子b) 集电结反偏：NNP

11、BBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区+UCE UBEUCB 02. 外部条件外部条件由VBB保证。由VCC、 VBB保证。三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。(放大状态)：a) 发射结正偏：BBEBBEUUUUBECECBUUU 0一、一、BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程(1) 因为发射结正偏,所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IEIEN 。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIE(2) 发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。

12、少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IBIBN 。大部分到达了集电区的边缘。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI(3) 因为集电结反偏,收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN。另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI（动画演示）(1) 三电流之间的关系三电流之间的关系NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI二、二、BJT三个电极上的电流分配关系三个电极上的电流分配关系EPENEIIIEPBNCNIIICBOCNCIIICBOEPBNBIIIICBEIIIBNCN

13、EIII当忽略IEP时可得到：IE在B极和E极之间的分 配比例取决于基区宽度、 基区多子浓度和外加电源VCC的极性及大小。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI(2) 电流分配关系电流分配关系BECIII定义：(忽略各区少子产生的电流IEP、ICBO。)ECII 称为共基极直流电流放大系数。显然小于1而接近1.BCCIII1BCII定义：1共发射极直流电流放大倍数。称为当UCE不变时，输入回路中的电流IB与电压UBE之间的关系曲线称为，用下式表示：1.3.31.3.3 BJT的特性曲线的特性曲线（共发射极接法共发射极接法）一、输入特性曲线：一、输入特性曲线：+i

14、-uBE+-uBTCE+Ci(1) UCE=0V时，相当于两个PN结并联。0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCEconstUCE)f(UIBEB0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3V(3) UCE1V再增加时，曲线右移很不明显。(2) 当UCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一UBE电压下，IB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。=1VCEu 当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为，其表达

15、式为二、二、输出特性曲线：输出特性曲线：现以现以IB=60uA一条加以说明一条加以说明.(1) 当UCE=0 V时，因集电极无收集作用，IC=0。iCCE(V)(mA)=60uAIBuconstIB)f(UICEC(3) 当UCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成IC。所以UCE再增加，IC基本保持不变。同理同理，可作出IB为其它值的曲线。iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB(2) UCE IC 。 IC接近零的区域，相当IB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区截

16、止区截止区iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI =40uABI=60uABI=80uABI =100uA IC受UCE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。 曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏.该区中有：饱和区饱和区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：截止区：截止区：放大区放大区：BCII（动画演示）三、温度对晶体管特性的影响三、温度对晶体管特性的影响1. 温度对输入特性的影响温度升高，少子数目增加，变薄，发射结势垒电压下降，在维持IB不变的情况下，需要输入电压UBE下降。输入特性曲线随温度升高向左

17、移。2. 温度对的影响温度升高，少子数目增加，多子数目基本不高，由于复合作用，基区多子浓度下降，导致提高。3. 温度对ICBO、ICEO的影响ICBO是集电结反向饱和电流，由少子的漂移形成，随温度提高呈指数规律增加；4. 温度对输出特性的影响温度升高，使ICBO、ICEO和增加，使输出特性曲线向上移，且间距拉大。因ICEO=(1+ )ICBO，故温度升高，ICEO也升高。（动画演示）四、例题四、例题例1.3.1 三极管工作状态的判定NPN三极管VT组成的共射电路图如下所示.设VT的UBE=0.7V,饱和压降为UCES=0.7V。试判定三极管处于何种工作状态(放大、饱和、截止)。解：通常判定三极

18、管处于何种工作状态可用下述三种方法。1. 三极管结偏置判定法2. 三极管电流关系判定法3. 三极管结电位判定法+VCCRbRcIBICIE+VBBVO正偏或零偏正偏反偏正偏反偏反偏或零偏饱和放大截止集电结发射结1. 三极管结偏置判定法三极管结偏置判定法结偏置工作状态(1+)IB00002. 三极管电流关系判定法三极管电流关系判定法饱和放大截止IEICIB电流工作状态流关系电表中:IBS称为三极管临界饱时基极应注入的电流.CCESCCBSRUVI)(3. 三极管电位判定法三极管电位判定法UCES0.7UCESUCVCC0.7VCC0饱和放大截止UB位电位工作状态电值三种判定方法中，第二种常用于解

19、题过程中,第三种则常用于实验测定。例1.3.2 三极管工作状态的分析计算NPN三极管接成如下图所示两种电路。试分析电路中三极管VT处于何种工作状态。设VT的UBE=0.7V。解： (a) BBECCBRUVI基极偏置电流IB为：K1007 . 05)(043. 0mA临界饱和时的基极偏置电流IBS为：CCESCCBSRUVIK2407 . 05)(054. 0mA由于IBRC时，VT为放大状态；RBRC时，VT为饱和状态。解： (b) EBBECCBRRUVI)1 (基极偏置电流IB为：1 . 0511007 . 012)(11. 0mA临界饱和时的基极偏置电流IBS为：)(ECCESCCBS

20、RRUVI) 1 . 05 . 1 (507 . 012)(14. 0mA由于IBIBS，故三极管VT处于放大状态。1.3.4 1.3.4 BJT的主要参数的主要参数1. 电流放大系数电流放大系数(2)共基极电流放大系数：共基极电流放大系数：BCII BCiiECIIECiiiCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi2.31.538A60mA3 . 2BCII40A40)-(60mA)5 . 13 . 2(BCii(1)共发射极电流放大系数：共发射极电流放大系数：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

21、就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。2. 极间反向电流极间反向电流(2)集电极发射极间的穿透电流集电极发射极间的穿透电流ICEO(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ICBOCBOCEO)1 (II+ICBO+ecbICEO锗管：I CBO为微安数量级，硅管：I CBO为纳安数量级。基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。其大小与温度有关。IC增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。(1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功集电极最大允许功率损耗率损耗PCMBICEui(V)IB

22、C=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM3. 极限参数极限参数集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE0时：VGS越负，沟道越窄VGD越负，沟道越窄（动画演示）三、特性曲线三、特性曲线JFET的特性曲线有两条：转移特性曲线和输出特性曲线。图1.4.6 N沟道结型场效应管的特性曲线(a)输出特性 (b)转移特性1. 转移特性转移特性描述栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用。 转移特性有两个重要参数：夹断电压UP和饱和漏极电流IDSS。结型场效应管转移特性曲线可用以下公式表示：饱和漏极电流IDSS夹断电压UP)0()1 (2时当GS

23、PPGSDSSDUUUUII(动画演示)场效应管输出特性曲线可分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。2. 输出特性输出特性描述当栅源电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源电压UDS的关系，即：|)(constUDSDGSUfI（动画演示）绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为：增强型 N沟道、P沟道耗尽型 N沟道、P沟道一、一、N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管(1) 结构结构 四个电极：漏极D，源极S, 栅极G和 衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底1.4.2 1.4.2 绝缘栅型场效

24、应管绝缘栅型场效应管(IGFET)（动画演示）当UGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。 (2) 工作原理工作原理当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加UGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可栅源电压栅源电压UGS的控制作用的控制作用-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid以形成漏极电流Id。（动画演示）定义：开启电压(UT)-刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：UGSUT，管子截止；UGSUT，管子导通。UGS 越大，沟道越宽，在

25、相同的漏源电压UDS作用下，漏极电流ID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UGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。(设UT=2V，UGS=4V)(a) UDS=0时， ID=0。(b) UDSID；同时沟道靠漏区变窄。(c) 当UDS增加到使UGD=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。(d) UDS再增加，预夹断区 加长，UDS增加的部分基本 降落在随之加长的夹断沟道上，ID不变。-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg(3) (3) 特性曲线特性曲线输出特性曲线：输出特性曲线：ID=f(UDS) UGS=con

26、sti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS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四个区：(a)可变电阻区(预夹断前)。(b)恒流区也称饱和区(预夹断后)。(c)夹断区(截止区)。(d)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转移特性曲线。例：作UDS=10V的一条转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT(4) 重要参数重要参数-跨导跨导gm： gm= iD/ uGS uDS=const

27、(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.在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD特点：特点：在栅极下方的SiO2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。 定义：定义： 夹断电压(UP)-沟道刚刚消失所需的栅源电压UGS.-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +-sbgd二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET当UGS=0时,就有沟道，加入UDS，就有ID。当UGS0时，沟

28、道增宽，ID进一步增加。当UGS0时，沟道变窄，ID减小。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)= -2VUPGSuUPN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的特性曲线的特性曲线P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET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。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。三、三、P沟道沟道MOSFET四、例题四、例题例1.4.1 绝缘栅场效应管工作状态分析绝缘栅场效应管组成下图(a)所示电路，图(

29、b)为其输出特性曲线。试问：1.图中VT管为哪种导电沟道的场效应管？2.要使电路正常工作，VT管应为何种类型的场效应管？3.在图示曲线和参数条件下，电路能否正常工作？此时VT管处在何种工作状态？4.若将图中VT管改为同样沟道的另一种类型管，电路应作何改动才能正常工作？解：1. 导电沟道类型衬底B箭头方向N型。2. 场效应管类型上图属自给栅偏压电路，要使输入交流信号正负向都有输入，该场效应管必须选用耗尽型结构。3. VT管工作状态的判定在输出特性曲线上，经过(UDS，ID)为(18，0)和(0，0.45)的两个坐标点作直流负载线，如下图红线所示。 当UDS为电源电压18V时，ID电流为零当UDS

30、为零时，ID电流为18V(35K+5K) 当ID分别取不同的值时得到相对应的UGS，连接各点，得到输入回路直流负载线(如蓝线所示)，从图(a)电路可得：UGS=-RSIS =-RSID， 它与转移特性曲线的交点即为输入回路的静态工作点Q。Q点对应的UGS UGSQ ID IDQ 0.32mA过Q点作横坐标的平行线与输出特性图上直流负载线交点即为输出回路的静态工作点Q。Q点对应的UDS UDSQ ID IDQ 0.32mA按场效应管工作区域的划分法可得知其处于饱和区范围内。起放大作用。4. VT为N沟道增加型管时电路的改动由于电路中栅极静态电位UG=0V，如是增强型管就不能正常工作,只有当UGS

31、UT时漏极电流ID才会出现。因此可考虑在+VDD和栅极G间增加一合适电阻,使静态情况下UGS值大于开启电压UT。1.4.31.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管，当VGS=0时所对应的漏极电流。2.夹断电压夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时，漏极电流为零。3. 开启电压开启电压UT 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。4.直流输入电阻直流输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是ms(毫西门子)。constUDSGSDmUIG2.极间电容极间电容 管子三个电极之间的等效电容，越小越好。 三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率