半导体器件课件

半導體器件

1.1半導體的特性

1.導體：電阻率

<10-4

·

cm的物質。如銅、銀、鋁等金屬材料。

2.絕緣體：電阻率

>109

·

cm物質。如橡膠、塑膠等。

3.半導體：導電性能介於導體和半導體之間的物質。大多數半導體器件所用的主要材料是矽(Si)和鍺(Ge)。半導體導電性能是由其原子結構決定的。矽原子結構圖1.1.1矽原子結構(a)矽的原子結構圖最外層電子稱價電子

價電子鍺原子也是4價元素

4價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型1.1.1

本征半導體

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純淨的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。將矽或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結構為共價鍵結構。價電子共價鍵圖1.1.2單晶體中的共價鍵結構當溫度T=0

K時，半導體不導電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.3本征半導體中的自由電子和空穴自由電子空穴

若T

，將有少數價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱。空穴可看成帶正電的載流子。1.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現，稱為電子-空穴對。

3.本征半導體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni

=pi

。

4.由於物質的運動，自由電子和空穴不斷的產生又不斷的複合。在一定的溫度下，產生與複合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數規律增加。ni=

pi=

K1T3/2e-EGO/(2kT)1.1.2雜質半導體雜質半導體有兩種N型半導體P型半導體一、N型半導體(Negative)在矽或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成N型半導體(或稱電子型半導體)。常用的5價雜質元素有磷、銻、砷等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.4

N型半導體的晶體結構

本征半導體摻入5價元素後，原來晶體中的某些矽原子將被雜質原子代替。雜質原子最外層有5個價電子，其中4個與矽構成共價鍵，多餘一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。

自由電子濃度遠大於空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數載流子(簡稱少子)。二、P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在矽或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成P型半導體。+3空穴濃度多於電子濃度，即p>>n。空穴為多數載流子，電子為少數載流子。

3價雜質原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.5

P型半導體的晶體結構說明：

1.摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。3.雜質半導體總體上保持電中性。4.雜質半導體的表示方法如下圖所示。

2.雜質半導體載流子的數目要遠遠高於本征半導體，因而其導電能力大大改善。(a)N型半導體(b)P型半導體圖1.1.6雜質半導體的的簡化表示法1.2半導體二極體1.2.1

PN結及其單向導電性

在一塊半導體單晶上一側摻雜成為P型半導體，另一側摻雜成為N型半導體，兩個區域的交界處就形成了一個特殊的薄層(不能移動的正、負離子)，稱為PN結。PNPN結圖1.2.1

PN結的形成一、PN結中載流子的運動耗盡層空間電荷區PN1.擴散運動

2.擴散運動形成空間電荷區電子和空穴濃度差形成多數載流子的擴散運動。——PN結，耗盡層。圖1.2.1PN3.空間電荷區產生內電場PN空間電荷區內電場UD空間電荷區正負離子之間電位差UD

——電位壁壘；

4.漂移運動內電場有利於少子運動—漂移。

少子的運動與多子運動方向相反

阻擋層內電場阻止多子的擴散——

阻擋層。5.擴散與漂移的動態平衡擴散運動使空間電荷區增大，擴散電流逐漸減小；隨著內電場的增強，漂移運動(電流)逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN結總的電流空間電荷區的寬度約為幾微米~幾十微米；等於零，空間電荷區的寬度達到穩定。即擴散運動與漂移運動達到動態平衡。電壓壁壘UD，矽材料約為(0.6~0.8)V,鍺材料約為(0.2~0.3)V。二、PN結的單向導電性1.PN外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內電場方向空間電荷區VRI空間電荷區變窄，有利於擴散運動，電路中有較大的正向電流。圖1.2.2PN在PN結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。2.PN結外加反向電壓(反偏)反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；外電場使空間電荷區變寬；不利於擴散運動，有利於漂移運動，漂移電流大於擴散電流，電路中產生反向電流I

；由於少數載流子濃度很低，反向電流數值非常小。空間電荷區圖1.2.3反相偏置的PN結反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內電場方向VRIS綜上所述：當PN結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，PN結處於導通狀態；當PN結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等於零，PN結處於截止狀態。可見，PN結具有單向導電性。1.2.2

二極體的伏安特性將PN結封裝在塑膠、玻璃或金屬外殼裏，再從P區和N區分別焊出兩根引線作正、負極。二極體的結構：半導體二極體又稱晶體二極體。(b)符號(a)外形圖圖1.2.4二極體的外形和符號半導體二極體的類型：按PN結結構分：有點接觸型和麵接觸型二極體。點接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結電容小，可在高頻下工作。面接觸型二極體

PN結的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低頻率下工作。按用途劃分：有整流二極體、檢波二極體、穩壓二極體、開關二極體、發光二極體、變容二極體等。按半導體材料分：有矽二極體、鍺二極體等。二極體的伏安特性在二極體的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，I=f

(U

)之間的關係曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性矽管的伏安特性2CP31死區電壓擊穿電壓U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02鍺管的伏安特性2AP260圖1.2.4二極體的伏安特性1.正向特性當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。相應的電壓叫死區電壓。範圍稱死區。死區電壓與材料和溫度有關，矽管約0.5V左右，鍺管約0.1V左右。正向特性死區電壓60402000.40.8I/mAU/V當正向電壓超過死區電壓後，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性當電壓超過零點幾伏後，反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和；二極體加反向電壓，反向電流很小；如果反向電壓繼續升高，大到一定數值時，反向電流會突然增大；反向飽和電流

這種現象稱擊穿，對應電壓叫反向擊穿電壓。擊穿並不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低後，還可恢復正常。擊穿電壓U(BR)3.伏安特性運算式(二極體方程)IS：反向飽和電流UT：溫度的電壓當量在常溫(300K)下，

UT

26mV二極體加反向電壓，即U<0，且|U|

>>UT，則I

-IS。二極體加正向電壓，即U>0，且U>>UT

，則，可得，說明電流I與電壓U

基本上成指數關係。結論：二極體具有單向導電性。加正向電壓時導通，呈現很小的正向電阻，如同開關閉合；加反向電壓時截止，呈現很大的反向電阻，如同開關斷開。從二極體伏安特性曲線可以看出，二極體的電壓與電流變化不呈線性關係，其內阻不是常數，所以二極體屬於非線性器件。＊溫度對二極體伏安特性的影響在環境溫度升高時，二極體的正向特性將左移，反向特性將下移。二極體的特性對溫度很敏感，具有負溫度係數。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加1.2.3二極體的主要參數1.最大整流電流IF

二極體長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UR工作時允許加在二極體兩端的反向電壓值。通常將擊穿電壓UBR的一半定義為UR。3.反向電流IR通常希望IR

值愈小愈好。4.最高工作頻率fM

fM值主要決定於PN結結電容的大小。結電容愈大，二極體允許的最高工作頻率愈低。*1.2.4二極體的電容效應當二極體上的電壓發生變化時，PN結中儲存的電荷量將隨之發生變化，使二極體具有電容效應。電容效應包括兩部分勢壘電容擴散電容1.勢壘電容是由PN結的空間電荷區變化形成的。(a)PN結加正向電壓（b)PN結加反向電壓-N空間電荷區PVRI+UN空間電荷區PRI+-UV空間電荷區的正負離子數目發生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：由於PN結寬度l隨外加電壓U而變化，因此勢壘電容Cb不是一個常數。其Cb=f(U)

曲線如圖示。

：半導體材料的介電比係數；S：結面積；l：耗盡層寬度。OUCb圖1.2.82.擴散電容Cd

Q是由多數載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P區中的電子濃度np(或N區的空穴濃度pn)分佈曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P與N區的交界處當電壓加大，np(或pn)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12

Q當加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。

Q正向電壓時，變化載流子積累電荷量發生變化，相當於電容器充電和放電的過程——擴散電容效應。圖1.2.9綜上所述：

PN結總的結電容Cj

包括勢壘電容Cb

和擴散電容Cd

兩部分。一般來說，當二極體正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為Cj

Cd；當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為Cj

Cb。

Cb

和Cd

值都很小，通常為幾個皮法~幾十皮法，有些結面積大的二極體可達幾百皮法。應用舉例例2：P56習題1.5解：採用理想電路模型ui和uo的波形如圖所示

二極體的電流波形如何？例1：P55習題1.1解：二極體的正向電阻愈小愈好，反向電阻愈大愈好。根據二極體的單向導電性可判斷二極體的陽極和陰極。1.2.5穩壓管一種特殊的面接觸型半導體矽二極體。穩壓管工作於反向擊穿區。

I/mAU/VO+

正向

+反向

U(a)穩壓管符號(b)穩壓管伏安特性+

I圖1.2.10穩壓管的伏安特性和符號+

穩壓管的參數主要有以下幾項：1.穩定電壓UZ3.動態電阻rZ2.穩定電流IZ穩壓管工作在反向擊穿區時的穩定工作電壓。

正常工作的參考電流。I<IZ時，管子的穩壓性能差；I>IZ

，只要不超過額定功耗即可。

rZ愈小愈好。對於同一個穩壓管，工作電流愈大，rZ值愈小。IZ=5mArZ

16

IZ=20mArZ

3IZ/mA4.電壓溫度係數

U

穩壓管的參數主要有以下幾項：穩壓管電流不變時，環境溫度每變化1℃引起穩定電壓變化的百分比。

(1)

UZ>7V,

U>0；UZ<4V，

U<0；

(2)

UZ

在4~7V之間，

U

值比較小，性能比較穩定。

2CW17：UZ=9~10.5V，

U=0.09

%/℃

2CW11：UZ=3.2~4.5V，

U=-(0.05~0.03)%/℃

(3)2DW7系列為溫度補償穩壓管，用於電子設備的精密穩壓源中。

2DW7系列穩壓管結構(a)2DW7穩壓管外形圖(b)內部結構示意圖管子內部包括兩個溫度係數相反的二極體對接在一起。溫度變化時，一個二極體被反向偏置，溫度係數為正值；而另一個二極體被正向偏置，溫度係數為負值，二者互相補償，使1、2兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。例：

2DW7C，

U

=0.005

%/℃圖1.2.12

2DW7穩壓管5.額定功耗PZ額定功率決定於穩壓管允許的溫升。PZ=UZIZPZ會轉化為熱能，使穩壓管發熱。電工手冊中給出IZM，IZM=PZ/UZ

[例1]

求通過穩壓管的電流IZ等於多少？R是限流電阻，其值是否合適？IZVDZ+20VR=1.6k

+

UZ=12V-

IZM=18mA例題電路圖IZ

<IZM

，電阻值合適。[解]VDZR使用穩壓管需要注意的幾個問題：圖1.2.13穩壓管電路UOIO+IZIRUI+

1.

外加電源的正極接管子的N區，電源的負極接P區，保證管子工作在反向擊穿區；RL

2.

穩壓管應與負載電阻RL

並聯；

3.

必須限制流過穩壓管的電流IZ，不能超過規定值，以免因過熱而燒毀管子。[例2]：穩壓二極體的應用RLuiuORDZiiziLUZ穩壓二極體技術數據為：穩壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k

，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200，求iZ。若負載電阻變化範圍為1.5k--4k

，是否還能穩壓？RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩壓管仍能起穩壓作用1.3雙極型三極管(BJT)又稱半導體三極管、電晶體，或簡稱為三極管。(BipolarJunctionTransistor)三極管的外形如下圖所示。三極管有兩種類型：NPN和PNP型。圖1.3.1三極管的外形主要以NPN型為例進行討論X：低頻小功率管D：低頻大功率管G：高頻小功率管A：高頻大功率管1.3.1三極管的結構常用的三極管的結構有矽平面管和鍺合金管兩種類型。圖1.3.2三極管的結構(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化矽becPNPe發射極，b基極，c集電極。集電區基區發射區集電區發射區基區平面型(NPN)三極管製作工藝NcSiO2b硼雜質擴散e磷雜質擴散磷雜質擴散磷雜質擴散硼雜質擴散硼雜質擴散PN在N型矽片(集電區)氧化膜上刻一個窗口，將硼雜質進行擴散形成P型(基區)，再在P型區上刻窗口，將磷雜質進行擴散形成N型的發射區。引出三個電極即可。合金型三極管製作工藝：在N型鍺片(基區)兩邊各置一個銦球，加溫銦被熔化並與N型鍺接觸，冷卻後形成兩個P型區，集電區接觸面大，發射區摻雜濃度高。圖1.3.3三極管結構示意圖和符號(a)NPN型ecb符號集電區集電結基區發射結發射區集電極c基極b發射極eNNP集電區集電結基區發射結發射區集電極c發射極e基極b

cbe符號NNPPN圖1.3.3三極管結構示意圖和符號(b)PNP型1.3.2三極管的放大作用和載流子的運動以NPN型三極管為例討論圖1.3.4三極管中的兩個PN結cNNPebbec表面看三極管若實現放大，必須從三極管內部結構和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用三極管內部結構要求：NNPebcNNNPPP

1.發射區高摻雜。

2.基區做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。

三極管放大的外部條件：外加電源的極性應使發射結處於正向偏置狀態，而集電結處於反向偏置狀態。3.集電結面積大。becRcRb三極管中載流子運動過程IEIB

1.發射發射區的電子越過發射結擴散到基區，基區的空穴擴散到發射區—形成發射極電流

IE

(基區多子數目較少，空穴電流可忽略)。

2.複合和擴散電子到達基區，少數與空穴複合形成基極電流Ibn，複合掉的空穴由VBB

補充。多數電子在基區繼續擴散，到達集電結的一側。圖1.3.5三極管中載流子的運動becIEIBRcRb三極管中載流子運動過程

3.收集集電結反偏，有利於收集基區擴散過來的電子而形成集電極電流

Icn。其能量來自外接電源VCC

。IC

另外，集電區和基區的少子在外電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖1.3.5三極管中載流子的運動beceRcRb三極管的電流分配關係IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO

IE=IEn+IEp=ICn+IBn+IEp

一般要求ICn在IE中占的比例儘量大。而二者之比稱共基直流電流放大係數，即一般可達0.95~0.99三個極的電流之間滿足節點電流定律，即IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流電流放大係數。上式中的後一項常用ICEO表示，ICEO稱穿透電流。當ICEO<<IC

時，忽略ICEO，則由上式可得共射直流電流放大係數近似等於IC

與IB

之比。一般值約為幾十~幾百。三極管的電流分配關係一組三極管電流關係典型數據IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.

任何一列電流關係符合IE=IC+IB，IB<IC<IE,IC

IE。

2.

當IB有微小變化時，

IC

較大。說明三極管具有電流放大作用。

3.

共射電流放大係數共基電流放大係數IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.

在表的第一列數據中，IE=0時，IC=0.001mA=ICBO，ICBO稱為反向飽和電流。

在表的第二列數據中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO，稱為穿透電流。根據

和

的定義，以及三極管中三個電流的關係，可得故

與

兩個參數之間滿足以下關係：直流參數與交流參數

、

的含義是不同的，但是，對於大多數三極管來說，

與，

與的數值卻差別不大，計算中，可不將它們嚴格區分。輸出回路輸入回路+UCE-1.3.3三極管的特性曲線特性曲線是選用三極管的主要依據，可從半導體器件手冊查得。IBUCE圖1.3.6三極管共射特性曲線測試電路ICVCCRbVBBcebRcV

+V

+

A

++

mA

輸入特性：輸出特性：+UCE-+UCE-IBIBIBUBE一、輸入特性

(1)UCE=0時的輸入特性曲線RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A

當UCE=0時，基極和發射極之間相當於兩個PN結並聯。所以，當b、e之間加正向電壓時，應為兩個二極體並聯後的正向伏安特性。圖1.3.7(上中圖)

圖1.3.8(下圖)

(2)

UCE>0時的輸入特性曲線

當UCE>0時，這個電壓有利於將發射區擴散到基區的電子收集到集電極。UCE>UBE，三極管處於放大狀態。

*

特性右移(因集電結開始吸引電子)OIB/AUCE≥1時的輸入特性具有實用意義。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV

+V

+

A

++

mAUBE

*UCE

≥1V，特性曲線重合。圖1.3.6三極管共射特性曲線測試電路圖1.3.8三極管的輸入特性UCE=1V二、輸出特性圖1.3.9

NPN三極管的輸出特性曲線IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321劃分三個區：截止區、放大區和飽和區。截止區放大區飽和區放大區

1.截止區IB≤0的區域。兩個結都處於反向偏置。

IB=0時，IC=ICEO。

矽管約等於1A，鍺管約為幾十~幾百微安。截止區截止區2.放大區：條件：發射結正偏集電結反偏

特點：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。二、輸出特性IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321放大區集電極電流和基極電流體現放大作用，即放大區放大區對NPN管UBE>0，UBC<0圖1.3.9

NPN三極管的輸出特性曲線3.飽和區：條件：兩個結均正偏IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321對NPN型管，UBE>0UBC>0。

特點：IC基本上不隨IB而變化，在飽和區三極管失去放大作用。IC

IB。

當UCE=UBE，即UCB=0時，稱臨界飽和，UCE

<

UBE時稱為過飽和。飽和管壓降UCES<0.4V(矽管)，UCES<

0.2V(鍺管)飽和區飽和區飽和區[例1]:三極管工作狀態的判斷例：測量某矽材料NPN型BJT各電極對地的電壓值如下，試判別管子工作在什麼區域？（1）

VC

＝6V

VB

＝0.7V

VE

＝0V（2）VC

＝6V

VB

＝4V

VE

＝3.6V（3）VC

＝3.6V

VB

＝4V

VE

＝3.4V解：原則：正偏反偏反偏集電結正偏正偏反偏發射結飽和放大截止對NPN管而言，放大時VC

＞VB

＞VE

對PNP管而言，放大時VC

＜VB

＜VE

（1）放大區（2）截止區（3）飽和區UCE

＜UBE

1.3.4三極管的主要參數三極管的連接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基極接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共發射極接法圖1.3.10

NPN三極管的電流放大關係一、電流放大係數是表徵管子放大作用的參數。有以下幾個：1.共射電流放大係數

2.共射直流電流放大係數忽略穿透電流ICEO時，3.共基電流放大係數

4.共基直流電流放大係數忽略反向飽和電流ICBO時，

和

這兩個參數不是獨立的，而是互相聯繫，關係為：二、反向飽和電流1.集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO2.集電極和發射極之間的反向飽和電流ICEO(a)ICBO測量電路(b)ICEO測量電路ICBOceb

AICEO

Aceb

小功率鍺管ICBO約為幾微安；矽管的ICBO小，有的為納安數量級。當b開路時，c和e之間的電流。值愈大，則該管的ICEO也愈大。圖1.3.11反向飽和電流的測量電路三、極限參數1.集電極最大允許電流ICM

當IC過大時，三極管的

值要減小。在IC=ICM

時，

值下降到額定值的三分之二。2.集電極最大允許耗散功率

PCM過損耗區安全工作區

將IC與UCE乘積等於規定的PCM值各點連接起來，可得一條雙曲線。ICUCE<PCM

為安全工作區ICUCE>PCM為過損耗區ICUCEOPCM=ICUCE安全工作區安全工作區過損耗區過損耗區圖1.3.11三極管的安全工作區3.極間反向擊穿電壓外加在三極管各電極之間的最大允許反向電壓。

U(BR)CEO：基極開路時，集電極和發射極之間的反向擊穿電壓。

U(BR)CBO：發射極開路時，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。

安全工作區同時要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。過電壓ICU(BR)CEOUCEO過損耗區安全工作區ICM過流區圖1.3.11三極管的安全工作區1.3.5

PNP型三極管放大原理與NPN型基本相同，但為了保證發射結正偏，集電結反偏，外加電源的極性與NPN正好相反。圖1.3.13三極管外加電源的極性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP+

+uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~+

+uouiPPNPNP三極管電流和電壓實際方向。UCEUBE+

+

IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三極管各極電流和電壓的規定正方向。PNP三極管中各極電流實際方向與規定正方向一致。電壓(UBE、UCE)實際方向與規定正方向相反。計算中UBE

、UCE

為負值；輸入與輸出特性曲線橫軸為(-UBE)

、(-UCE)。[例2]某放大電路中BJT三個電極的電流如圖所示。

IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,試判斷管腳、管型。解：電流判斷法。電流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC

IAIBICC為發射極B為基極A為集電極。管型為NPN管。管腳、管型的判斷法也可採用萬用表電阻法。參考實驗。[例3]:測得工作在放大電路中幾個電晶體三個電極的電位U1、U2、U3分別為：

（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V

（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V

（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V

（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判斷它們是NPN型還是PNP型？是矽管還是鍺管？確定e、b、c（1）U1b、U2e、U3cNPN矽（2）U1b、U2e、U3cNPN鍺（3）U1c、U2b、U3ePNP矽（4）U1c、U2b、U3ePNP鍺原則：發射結正偏，集電結反偏。NPN管UBE＞0，UBC＜0。先求UBE，若等於0.6-0.7V，為矽管；若等於0.2-0.3V，為鍺管。

PNP管自己分析。解：復習:1.BJT放大的外部和內部條件？2.BJT的特性曲線如何？3.BJT三個工作區如何劃分？4.如何用電位法判斷BJT的管型、管腳和管材？OIB/AIC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321如：V1=3V、V2=9V、V3=3.2V鍺管、NPN、其中1-e，2-c,3-b.1.4場效應三極管只有一種載流子參與導電，且利用電場效應來控制電流的三極管，稱為場效應管，也稱單極型三極管。場效應管分類結型場效應管絕緣柵場效應管特點單極型器件(一種載流子導電)；

輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應管分類：DSGN符號1.4.1結型場效應管JunctionFieldEffectTransistor一、結構圖1.4.1

N溝道結型場效應管結構圖N型溝道N型矽棒柵極(gate)源極(source)漏極(drain)P+P+P型區耗盡層(PN結)在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導體中多數載流子電子可以導電。導電溝道是N型的，稱N溝道結型場效應管。P溝道場效應管圖1.4.2

P溝道結型場效應管結構圖N+N+P型溝道GSDP溝道場效應管是在P型矽棒的兩側做成高摻雜的N型區(N+)，導電溝道為P型，多數載流子為空穴。符號GDS二、工作原理

N溝道結型場效應管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的(VCCS)。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層

*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區。

1.設UDS=0，在柵源之間加負電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時，耗盡層比較窄，導電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導電溝相應變窄。當UGS=UP，耗盡層合攏，導電溝被夾斷，夾斷電壓UP為負值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG

2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負電源VGG，觀察UDS變化時耗盡層和漏極ID

。UGS=0，UGD>UP

，ID

較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UGD>UP

，ID更小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當UDS>0時，耗盡層呈現楔形。(a)(b)設：UGD=UGS-UDS

GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UGD=UP,預夾斷UGS<0

,UGD<UP,

夾斷,ID基本不變。GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)

改變UGS，改變了PN結中電場，控制了ID

，故稱場效應管；(2)結型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應管輸入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線轉移特性(transfercharacteristics)以N溝道結型場效應管為例O

UGSIDIDSSUP圖1.4.6轉移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈負，ID愈小；UGS=UP，ID

0。兩個重要參數飽和漏極電流

IDSS(UGS=0時的ID)夾斷電壓pinchoffvoltageUP

(ID=0時的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV

+V

+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+

mA

轉移特性公式OuGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉移特性2.漏極(輸出)特性(outputcharacteristics)當柵源之間的電壓UGS不變時，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS

的關係，即

結型場效應管轉移特性曲線的近似公式：≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預夾斷軌跡恒流區擊穿區

可變電阻區漏極特性也有三個區：可變電阻區、恒流區和擊穿區。

漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV

+V

+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+

mA圖1.4.6(b)漏極特性夾斷區場效應管的兩組特性曲線之間互相聯繫，可根據漏極特性用作圖的方法得到相應的轉移特性。UDS=常數ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結型場效應管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達107

以上。如希望得到更高的輸入電阻，可採用絕緣柵場效應管。圖1.4.7在漏極特性上用作圖法求轉移特性1.4.2絕緣柵型場效應管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

由金屬、氧化物和半導體製成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應管，或簡稱MOS場效應管。特點：輸入電阻可達109

以上。類型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型UGS=0時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管；UGS=0時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。一、N溝道增強型MOS場效應管1.結構P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖1.4.8

N溝道增強型MOS場效應管的結構示意圖SGDB2.符號2.工作原理

絕緣柵場效應管利用UGS

來控制“感應電荷”的多少，改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0

漏源之間相當於兩個背靠背的PN結，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導電。SBD圖1.4.9(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型襯底中的電子被吸引靠近SiO2

與空穴複合，產生由負離子組成的耗盡層。增大UGS

耗盡層變寬。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UT由於吸引了足夠多的電子，會在耗盡層和SiO2之間形成可移動的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因為UDS=0，所以ID=0。UT

為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓(thresholdvoltage)。(4)

UDS對導電溝道的影響(UGS>UT)導電溝道呈現一個楔形。漏極形成電流ID

。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預夾斷。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由於夾斷區的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時，導電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+B