1、 第第2 2篇篇 模擬電子技術模擬電子技術 第第5章章 半導體器件基礎半導體器件基礎u 5.1 半導體半導體基礎知識基礎知識 u 5.2 半導體二極管半導體二極管 u 5.3 晶體三極管晶體三極管 u 5.4 場效應管場效應管 （不講）（不講）u 本章小結本章小結 本章內容提要本章內容提要重點：重點：（1）二極管的單向導電性；）二極管的單向導電性；（2）三極管的三種工作狀態(tài)；）三極管的三種工作狀態(tài)；難點：難點：（1）整流電路的特點及應用；）整流電路的特點及應用；（6）放大器的靜態(tài)分析及動態(tài)分析；）放大器的靜態(tài)分析及動態(tài)分析；（7）晶體管三種組態(tài)放大電路比較。）晶體管三種組態(tài)放大電路比較。 5.

2、1 半導體基礎知識半導體基礎知識5.1.1 本征半導體本征半導體1、半導體、半導體物質按導電性能可分為導體：導電能力良好的物質。如陶瓷干木半導體：是一種導電能力介于導體和絕緣體之間的物質.如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。 半導體的物理特性半導體的物理特性半導體的導電能力具有獨特的性質光敏性熱敏性慘雜性絕緣體：導電能力很差的物質。如銅鋁等溫度升高時，純凈的半導體的導電能力顯著增加；光敏性：熱敏性：慘雜性：半導體為什么具有以上的導電性質？在純凈半導體材料中加入微量的“雜質”元素，它的電導率就會成千上萬倍地增長；純凈的半導體受到光照時，導電能力明顯提高。半導體的晶體結構半導體的晶體結構n原

3、子的組成：n 帶正電的原子核n 若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子n 且整個原子呈電中性。n半導體器件的材料：n 硅（Silicon-Si）：四價元素，硅的原子序數是14，外層有4個電子。n 鍺（Germanium-Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數是32，外層也是4個電子。 硅和鍺外層都是4個電子硅和鍺簡化原子結構模型本征半導體共價鍵晶體結構示意圖物質導電能力的大小取決于其中能參與導電的粒子載流子多少。共價鍵共價鍵:由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成價電子對所構成的聯系本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。即純凈的、結構完整的單晶半導體空穴共價鍵中的空位。電子空穴對由熱

4、激發(fā)而產生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿涌昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生空穴電子對空穴電子對2.半導體的導電原理半導體的導電原理 本征半導體在絕對零度（T=0K 相當于T=-273）時，相當于絕緣體在室溫條件下，本征半導體便具有一定的導電能力本征半導體的特點 完全純凈完全純凈的具有晶體的具有晶體結構的半導結構的半導體稱為體稱為本征本征半導體半導體 。它它具有共價鍵具有共價鍵結構。結構。 共價鍵共價鍵硅原子硅原子 在半導在半導體中，同體中，同時存在著時存在著電子導電電子導電和空穴導和空穴導電?？昭姟?/p>

5、空穴和自由電和自由電子都稱為子都稱為載流子。載流子。它們成對它們成對出現，成出現，成對消失。對消失。在常溫下自由電子和空穴的形成在常溫下自由電子和空穴的形成復合自由電子自由電子本征本征激發(fā)激發(fā)電子空穴電子電子電子空穴電子電子電子電子電子空穴空穴原理圖P自由電子自由電子結構圖結構圖磷原子磷原子正離子正離子P+ 在硅或鍺中摻在硅或鍺中摻入少量的五價元入少量的五價元素，如磷或砷、素，如磷或砷、銻，則形成銻，則形成N型型半導體。半導體。多余價電子多余價電子電子電子少子少子多子多子正離子正離子在在N N型半導體中，電子是多子，空穴是少子型半導體中，電子是多子，空穴是少子 在本征半導體中加入微量的五價（三

6、價）元素，可使半導體中自由電子（空穴）濃度大為增加，形成雜質半導體。 2 2、P P型半導體型半導體 在硅或鍺中在硅或鍺中摻入三價元素，摻入三價元素，如硼或鋁、鎵，如硼或鋁、鎵，則形成則形成P P型型半導半導體。體。原理圖原理圖B B- 硼原子硼原子負離子負離子空穴空穴填補空位填補空位結構圖結構圖在在P P型半導體中，空穴是多子，電子是少子。型半導體中，空穴是多子，電子是少子。空穴電子電子電子電子電子多子多子少子少子負離子負離子 用專門的制用專門的制造工藝在同一造工藝在同一塊半導體單晶塊半導體單晶上，形成上，形成P P型半型半導體區(qū)域和導體區(qū)域和N N型型半導體區(qū)域，半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域在

7、這兩個區(qū)域的交界處就形的交界處就形成一個成一個PNPN結結 。P 區(qū)區(qū)N N 區(qū)區(qū)P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復合區(qū)擴散并與電子復合N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合區(qū)擴散并與空穴復合空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場方向內電場方向空穴空穴電子電子空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場方向內電場方向 在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)多子擴散多子擴散少子漂移少子漂移 在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定。形成了度基本上穩(wěn)定。形成了PN

8、PN結結空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)阻擋層阻擋層耗盡層耗盡層內內電場電場內電場阻擋多子的擴散運動，加強了少子的漂移運動。內電場阻擋多子的擴散運動，加強了少子的漂移運動?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場方向內電場方向PN少子漂移少子漂移結結 論論 ：在在PN結中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動。結中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動。上頁下頁返回多子擴散多子擴散 因濃度差因濃度差內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散內電場阻止多子擴散 總之總之PN結的形成過程結的形成過程多子的擴散運動多子的擴散運動由由雜質離子形成空間電荷區(qū)雜質離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內電場空間電荷區(qū)形成

9、內電場最后最后, ,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡（擴散多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡（擴散= =漂移）漂移）PNPN結的形成結的形成漂移運動： 由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。P多數載流子的擴散運動NP平衡時阻擋層形成N耗盡層空間電荷區(qū)內電場P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)內電場內電場外電場外電場EI空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 P P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)和一部分負離子中和和一部分負離子中和 N N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)電子進入空間電荷 區(qū)和一部分正離子中和區(qū)和一部分正離子中和擴散運動增強，形成較大的正向電流。擴散運

10、動增強，形成較大的正向電流。1、外加正向電壓、外加正向電壓外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的小外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的小子（空穴或自由電子）運動稱為子（空穴或自由電子）運動稱為漂移運動（增強）漂移運動（增強）空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 內電場內電場外電場外電場少子越過少子越過PN結形成結形成很小的反向電流很小的反向電流IRE 2、外加反向電壓外加反向電壓N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)擴散受阻擴散受阻由上述分析可知由上述分析可知：PN結具有單向導電性結具有單向導電性 即即在在PNPN結上加正向電壓時，結上加正向電壓時，PNPN結電阻很低，結電阻很低，正向電流較大。（正向電流較大。（PNPN結處于導通狀態(tài)）結處于導通狀

11、態(tài)） 加反向電壓時，加反向電壓時，PNPN結電阻很高，反向電結電阻很高，反向電流很小。（流很小。（PNPN結處于截止狀態(tài)）結處于截止狀態(tài)）切記切記(3)PN結的伏安特性結的伏安特性 n定量描繪PN結兩端電壓和流過結的電流的關系的曲線PN結的伏安特性。n根據理論分析，PN結的伏安特性方程為(1)qUkTSIIe外加電壓外加電壓流過流過PN結結的電流的電流電子電荷量電子電荷量q =1.610-19C反向飽和電流反向飽和電流絕對溫度絕對溫度(K)玻耳茲曼常數玻耳茲曼常數k =1.3810-23J/K自然對數的底自然對數的底n令令 (1)qUkTSIIeTkTUq在常溫下，在常溫下，T = 300K，

12、 則則(1)TUUSIIe23191.38 10300261.6 10TkTUmVq當當U大于大于UT數倍數倍TUUSII e1TUUe即正向電流隨正向電壓的增加以指數規(guī)律迅速增大。即正向電流隨正向電壓的增加以指數規(guī)律迅速增大。n外加反向電壓時，U為負值，當|U|比UT大幾倍時， 1TUUe(1)TUUSIIeIIS即加反向電壓時，PN結只流過很小的反向飽和電流。n曲線OD段表示PN結正向偏置時的伏安特性，稱為正向特性；n曲線OB段表示PN結反向偏置時的伏安特性，稱為反向特性。U（mV）I（mA）0DT=25B-IS（V）0.25 50 75100(uA)0.511.52畫出PN結的理論伏安特

13、性曲線用UD(on)表示導通電壓或死區(qū)電壓。室溫下，硅管的UD(on) =(0.50.6)V，鍺管的 UD(on) =(0.10.2)V。反向硅管的電流一般小于0.1A，鍺管的一般小于幾十微安。(4) PN結的反向擊穿結的反向擊穿 n加大PN結的反向電壓到某一值時，反向電流突然劇增，這種現象稱為PN結擊穿，發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓，如圖所示。 n反向擊穿的特點：反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。UBRU（V）I（mA）0圖圖 PN結反向擊穿結反向擊穿熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆 雪崩擊穿n由倍增效應引起的擊穿。當PN結外加的反向電

14、壓增加到一定數值時，空間電荷數目較多，內電場很強，使流過PN結的少子漂移速度加快，可獲得足夠大的動能，它們與PN結中的中性原子碰撞時，能把價電子從共價建中碰撞出來，產生新的電子空穴對。n雪崩擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結中。 齊納擊穿n強電場破壞共價健引起的。n齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結中。n雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。一般來說，對硅材料的PN結，UBR7V時為雪崩擊穿； UBR 5V時為齊納擊穿； UBR介于57V時，兩種擊穿都有。 當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。(5) PN結的電容效應

15、結的電容效應 n除了單向導電性之外，PN結還存在電容效應。n 勢壘電容CB 多子的充放電引起的。是指外加電壓的變化導致空間電荷區(qū)存儲電荷的變化，從而顯示出電容效應。幾皮法幾百皮法。n 擴散電容CD 多子的積累引起的。是指PN結兩側積累的非平衡載流子數量隨外加電壓改變所產生的電容效應。nPN結的電容很小，是針對高頻交流小信號而考慮。nPN結反向工作時，勢壘電容起主要作用，正向工作時擴散電容起主要作用。PN結的面積增大時，PN結的電容也增大。(a)(a)點接觸型點接觸型 二極管的結構示意圖二極管的結構示意圖5.2 半導體二極管5.2.1 二極管的結構和符號二極管的結構和符號n半導體二極管的結構和類

16、型n在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。n(1) 點接觸型二極管 PN結面積小，結結面積小，結電容小，用于檢波和電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。變頻等高頻電路。 PN結面積大，用于工結面積大，用于工頻大電流整流電路。頻大電流整流電路。(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底 往往用于集成電路往往用于集成電路制造中。制造中。PN 結面積可結面積可大可小，用于高頻整流大可小，用于高頻整流和開關電路中。和開關電路中。n (3) 平面型二極管平面型二極管n (2)面接觸型二極管面接觸型二極管n(4)

17、 二極管的代表符號二極管的代表符號(b)(b)面接觸型面接觸型陽極陽極陰極陰極半導體二極管圖片 小電流二極管常用玻璃殼塑料殼封裝，為便于散熱，大電流二極管一般使用金屬外殼。通過電流在1A以上的二極管常加散熱片以幫助散熱。二極管的伏安特性曲線可用下式表示D/DS(1)TUUiI e(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲線伏安特性曲線iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲線伏安特性曲線iD（mA）uD（V）00. 4

18、-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.85.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性二極管特性曲線二極管特性曲線 正向特性n死區(qū)電壓：硅管 0.5V 鍺管 0.1Vn線性區(qū)：硅管 0.6V1V 鍺管 0.2V0.5V n對溫度變化敏感：n溫度升高正向特性曲線左移n溫度每升高1正向壓降減約2mV。正向正向特性特性(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiDn 反向特性n反向電流：很小。n 硅管 0.1微安n 鍺管 幾十個微安n受溫度影響大：n 溫度每升高10n 反向電流增加約1倍。n 反向擊穿特性n反向擊穿UBR:幾十伏以上。反向擊反向擊穿特性穿特性反向反

19、向特性特性(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD108642120.80.48400.40.81.2602090902060I / mAU / V806040202010200 1005020757550I / mAU / V20300300200 100(a) 2AP22(鍺管)的伏安特性曲線(b) 2CP1020 (鍺管)的伏安特性曲線01給出了實際二極管隨著溫度變化的伏安特性曲線給出了實際二極管隨著溫度變化的伏安特性曲線 n5.2.3 二極管的主要參數及應用二極管的主要參數及應用n 器件參數是定量描述器件性能質量和安全工作范圍的重要數據，是我們合理選擇和正確使

20、用器件的依據。參數一般可以從產品手冊中查到，也可以通過直接測量得到。下面介紹晶體二極管的主要參數及其意義。n1、二極管的主要參數、二極管的主要參數n （1）、直流電阻RDn RD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即DDDIUR 二極管直流電阻RD的幾何意義n RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。RD的幾何意義見圖 ，即Q(ID,UD)點到原點直線斜率的倒數。顯然，圖中Q1點處的RD小于Q2點處的RD 。 n（2）、交流電阻）、交流電阻rDn rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即

21、DQDQDQDQUIUIDdiduIUr, rD的幾何意義見左圖 ，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數。 /26TTTDQQu USDQDQUUdurdiI eII/DS(1)Tu UiI erD可以通過對式 求導得出，即二極管交流電阻rD的幾何意義室溫條件下(T=300K):26TUVn（3）、最大整流電流IF n IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實際應用時，流過二極管的平均電流不能超過此值。n（4）、最大反向工作電壓URMn URM指二極管工作時所允許加的最大反向電壓，超過此值容易發(fā)生反向擊穿。通常取UBR的一半作為URM 。 n 通過對二極管交、直流電阻

22、的分析可知，由于二極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點處的交、直流電阻不同，同一點處交流和直流電阻也不相同。 n（5）、反向電流）、反向電流IR n IR指二極管未擊穿時的反向電流。 IR越小，單向導電性能越好。IR與溫度密切相關，使用時應注意IR的溫度條件。n（6）、最高工作頻率）、最高工作頻率fM n fM是與結電容有關的參數。工作頻率超過fM時，二極管的單向導電性能變壞。 n 需要指出，由于器件參數分散性較大，手冊中給出的一般為典型值；必要時應通過實際測量得到準確值。另外，應注意參數的測試條件，當運用條件不同時，應考慮其影響。n2、二極管基本應用電路二

23、極管基本應用電路n 利用二極管的單向導電特性，可實現整流、限幅及電平選擇等功能。n（1）、二極管整流電路、二極管整流電路n 把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖 (a)所示。若二極管為理想二極管，當輸入一正弦波時，由圖可知：正半周時，二極管導通(相當開關閉合)，uo=ui；負半周時，二極管截止(相當開關打開)， uo =0。其輸入、輸出波形見圖 (b)。整流電路可用于信號檢測，也是直流電源的一個組成部分。 ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a) 圖 二極管半波整流電路及波形 (a)電路； (b)輸入、輸出波形關系 n（2）、二極管限幅電路）、二極管限幅電路n 限幅

24、電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性如圖所示 .ui0UILuoUomaxUominUIH 一個簡單的上限幅電路如圖 (a)所示。利用二極管的模型可知，當uiE +UD(on)=2.7V時，V導通，uo=2.7 V，即將ui的最大電壓限制在2.7V上；當ui 2.7V時，V截止，二極管支路開路，uo= ui 。圖 (b)畫出了輸入一5V的正弦波時，該電路的輸出波形?？梢?，上限幅電路將輸入信號中高出2.7 V的部分削平了。 (b)輸入、輸出波形關系 tui/V05tuo/V02.7VuiuoRE2V (a)電路 V, 限幅電平

25、為V。u時二極管導通, uoV； uiV, 二極管截止, uou。波形如圖所示。 VDuiuoRE討論 并聯二極管上限幅電路 如果Um, 則限幅電平為。u, 二極管截止, uou；u, 二極管導通, uo。波形圖如圖所示。 VDuiuoRE討論 并聯二極管上限幅電路 如果m, 則限幅電平為-E, 波形圖如圖所示。VDuiuoRE討論 并聯二極管上限幅電路 VDuiuoER并聯下限幅電路 VDuiuoRE并聯上限幅電路 VD 1uiuoRE1VD 2E2雙向限幅電路 同學自行畫出下限幅和雙限幅電路的波形圖w tuiUmUmO輸入波形圖n（3）、二極管電平選擇電路）、二極管電平選擇電路n 從多路輸

26、入信號中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。一種二極管低電平選擇電路如圖 (a)所示。設兩路輸入信號u1, u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能導通，但實際上若u1 u2 ，則V1導通后將把uo限制在低電平u1上，使V2截止。反之，若u2 UZ。R為限流電阻，RL為負載。 下面來說明限流電阻R的選擇方法。由圖可知，當Ui，RL變化時，IZ應始終滿足Izmin IZRmax的結果，則說明在給定條件下，已超出了VZ管的穩(wěn)壓工作范圍。這時，需要改變使用條件或重新選擇大容量穩(wěn)壓二極管，以滿足 Rmin Rmax 。 minmaxRRRminminmaxminminiZLLZZUURRRRIUmaxmaxminmaxmaxiZLLZZUURRRRIU下面介紹如何合理選擇限流電阻R。 例：例：在圖5.14所示電路中，已知輸入電壓UI = 12 V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ = 6 V，穩(wěn)定電流IZ = 5mA，額定功耗PZM = 90 mW，試問輸出電壓Uo能否等于6 V。 已知輸入電壓UI = 12 V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ = 6 V，穩(wěn)定