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书名：模拟电子技术 ISBN：7-111-19596-5 作者：刘振庭 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件,本章首先简要介绍了半导体的基础知识以及半导体器件的核心部分-PN结，然后重点介绍了半导体二极管、晶体管和场效应晶体管的物理结构、工作原理、特性曲线及主要参数；在此基础上还介绍了二极管和晶体管基本电路、分析方法与实际应用。,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体管,1.4 场效应晶体管,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般由低价元素构成，绝缘体一般由高价元素或高分子物质构成，半导体一般最外层电子为4。由于其导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体。,硅原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,化学成分纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体,本征半导体的正离子核,被共价键紧紧束缚的价电子,在绝对温度或没有外界激发时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,本征半导体共价键结构,在获得一定能量(温度增高、受光照等)后，价电子即可摆脱原子核的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见，自由电子和空穴总是伴随着本征激发成对出现的，也叫电子空穴对。,空穴,自由电子,在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子做定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。,1.1.2 杂质半导体,本征半导体中由于本征激发所产生的载流子数目极少，导电能力依然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。,杂质半导体：利用一定的掺杂工艺制成的半导体,掺杂的目的：为了显著改变载流子浓度，以提高导电能力,施主杂质：掺杂后失去电子，提供多余的自由电子的物质,受主杂质：掺杂后获得电子，提供多余的空位的物质,按照掺入杂质的作用不同，可以将杂质分为两类：,施主原子提供的多余电子,施主正离子,N型半导体的共价键结构,1 N型半导体,N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。,受主原子缺少电子产生的空穴,受主获得一个电子形成受主负离子,P型半导体的共价键结构,2 P型半导体,P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子,而自由电子则成为少数载流子。,1.1.3 PN结,1 PN结的形成,浓度差,多子的扩散,空间电荷区,内电场,P、N结合,阻碍多子扩散，产生少子漂移,扩散漂移动态平衡,PN结,2 PN结的单向导电性,PN结正向偏置时，内电场削弱，正向电流增大，呈现低电阻，处于导通状态。,PN结反向偏置时，内电场增强，反向电流增大，呈现高电阻，处于截止状态。,1.2.1 二极管的结构和分类,1.2 半导体二极管,半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。,1 二极管的结构,点接触型半导体二极管的结构,半导体二极管的符号,按结构分：点接触型、面接触型和平面型,2 二极管的种类,按材料分：硅二极管和锗二极管,1.2.2 二极管的伏安特性,二极管伏安特性图,图中Uon称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。正向电压低于死区电压时，正向电流很小，只有当正向电压高于死区电压后，才有明显的正向电流。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.8V，锗管约为0.20.3V。通常认为，当正向电压UUon时，二极管导通。,图中UBR称为反向击穿电压，当外加反向电压低于UBR时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过UBR后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上。 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般会造成“热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。 二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1，正向电压减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大约1倍。 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。,1.2.3 二极管的主要参数,描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。 二极管的主要参数有：,（1）最大整流电流IF,（2）最大反向工作电压UR,（3）反向电流IR,（4）最高工作频率fM,（5）二极管的直流电阻RD,（6）二极管的交流电阻rd,注意：用万用表测量出的电阻值为RD，用不同档测量出的RD值显然是不同的。,1.2.4 二极管的基本应用电路,运用二极管主要是利用它的单向导电性。二极管导通时，可用短线来代替它；二极管截止时，可认为它断路。,限幅电路利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。,【例1】试分析图16所示的限幅电路,输入电压的波形为已知,画出它的限幅电路的波形。,解:当E=0时限幅电平为0V。ui0时二极管导通，uo=0；ui+E时,二极管导通, uo=E,它的波形如图(b)所示;当UME0时,限幅电平为负数,它的波形如图(c)所示,1.2.5 稳压二极管,1 稳压二极管工作原理,稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管。,正向特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。,稳压二极管正常工作是在反向击穿状态。,1 稳压二极管主要参数,(1)稳定电压UVS 稳定电压是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压。由于稳定电压随工作电流的不同而略有变化，因而测试UVS时应使稳压管的电流为规定值。 稳定电压UVS是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管，其稳定电压值不同。同一型号的管子，由于制造工艺的分散性，各个管子的UVS值也略有差别。,(2)稳定电流IVS 稳定电流是指使稳压管正常工作时的最小电流，低于此值时稳压效果较差，工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是，工作电流较大时，稳压性能较好，但电流要受管子的功耗限制，即最大稳定电流IVSmax=PVS/UVS。,(3)动态电阻rVS rVS是稳压管工作在稳压区时，两端电压变化量与电流变化量之比，即rVS=U/I。rVS越小，则稳压性能越好。同一稳压管，一般工作电流越大时，rVS值越小。通常手册上给出的rVS值是在规定的稳定电流之下测得的。,(4)额定功耗PVS 由于稳压管两端的电压值为UVS，而管子中又流过一定的电流，因此要消耗一定的功率，这部分功耗转化为热能，会使稳压管发热。PVS取决于稳压管允许的温升。,1.3 晶体管,1.3.1 晶体管的结构、分类及基本特性,1 晶体管的结构和分类,晶体管有三个电极，通俗来讲，晶体管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构,由两个PN结组成，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。,晶体管内部结构示意图,2 晶体管的三种连接方式,因为放大器一般为4端网络，而晶体管只有3个电极，所以组成放大电路时，有一个电极作为输入与输出信号的公共端。根据所选公共端电极的不同，有以下三种连接方式:共基极、共发射极和共集电极。,晶体管的三种连接方式,3 晶体管的电流放大作用,(1)晶体管实现放大的结构要求是：,发射区高掺杂，多数载流子自由电子的浓度远大于基区多数载流子空穴的浓度。,基区做的很薄，通常只有几微米到几十微米，而且是低掺杂。,集电极面积大，以保证尽可能收集到发射区发射的电子。,(2)晶体管实现放大的外部条件是：,外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态；集电结处于反向偏置状态。,(3)晶体管内部载流子的运动规律和电流放大,发射区向基区扩散电子,电子在基区扩散和复合,集电区收集从发射区扩散过来的电子,(4)电流分配,集电极电流：IC=ICn+ICBOICn=IB,发射极电流：IE=IEn+IEpIEn=ICn+IBn=IC+IB=(1+)IB,基极电流： IB=IBn-ICBOIBn,晶体管各极电流的关系,1.3.2 晶体管的特性曲线,当UCE不变时，输入回路中的电流与IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入特性曲线，即,其中UCE0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE 1V时，UCB= UCEUBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，使基区复合减少，IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但UCE再增加时，曲线右移很不明显。因为UCE1V时，集电结已把绝大多数电子收集过去，收集电子数量不再明显增大。工程实践上，就用UCE1V的输入特性曲线代替UCE 1V以后的输入特性曲线。,共发射极接法的输入特性曲线,1 输入特性曲线,2 输出特性曲线,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输出特性，即,共射极接法输出特性曲线,通常把输出特性曲线分为三个工作区： (1)截止区 IC接近零的区域（即IB0的区域），相当IB=0的曲线的下方。在截止区，集电结和发射结均处于反向偏置 (2)放大区 IC平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏 (3)饱和区 在靠近纵轴附近，各条输出曲线的上升部分属于饱和区，它是IC受UCE显著控制的区域，该区域内UCE 的数值较小，一般UCE0.7 V(硅管)。发射结和集电结都处于正向偏置状态。,1.3.3 晶体管的主要参数,晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。,1 直流参数,(1)直流电流放大系数,共发射极直流电流放大系数,共基极直流电流放大系数,(2)极间反向电流,集-基间反向饱和电流ICBO,集-射间反向饱和电流ICEO,ICEO和ICBO有如下关系：,2 交流参数,（1）交流电流放大系数,交流共基集-射电流放大系数,交流共射集-基电流放大系数,在放大区，值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于横轴的直线求取ICIB。,（2）特征频率fT,晶体管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,3 极限参数,极限参数是指为了保证晶体管在放大电路中能正常地、安全地工作而不能逾越的参数。,（1）集电极最大允许损耗功率PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICUCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。管子工作时，集电结功耗PCPCM，否则使集电结温升过高而烧坏。,（3）反向击穿电压,U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。,U(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,U(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。,几个击穿电压在大小上有如下关系：,U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEO,由于晶体管的电流放大系数值与工作电流有关，工作电流太大，就下降，使晶体管的性能下降，也使放大的信号产生严重失真。一般定义当值下降为正常值的1/32/3时的IC值为ICM。,（2）集电极最大允许电流ICM,U(BR)CERBE间接有电阻时的击穿电压,U(BR)CESBE短路时的击穿电压,由最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压U(BR)CEO，在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区、过流区、击穿区和安全工作区见下图,输出特性曲线上的过损耗区、过流区、击穿区和安全工作区,1.3.4 晶体管的选用原则,（1）在同一型号的管子中，应选反向电流小的，这样的管子温度稳定性能较好。 值不宜选得过高，否则管子性能不稳定。,（2）若要求管子的反向电流小，工作温度高，则应选硅管；而当要求导通电压较低时，则应选锗管。,（3）若要求工作频率高，必选用高频管或超高频管；若用于开关电路，则应选用开关管。,（4）必须使管子工作在安全区：注意PCM、ICM、U(BR)CEO值不要超过极限范围。,1.4 场效应晶体管,由于晶体管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以晶体管是电流控制器件，因而晶体管组成的放大器，其输入电阻不高。 场效应晶体管是通过改变输入电压(即利用电场效应)来控制输出电流的，属于电压控制器件，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应晶体管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。 场效应晶体管分为结型场效应晶体管(JFET)和绝缘栅型场效应晶体管(IGFET)，目前最常用的是绝缘栅型场效应晶体管，又称为MOS管。 由于晶体管参与导电的是两种极性的载流子电子和空穴，所以又称晶体管为双极型器件。场效应晶体管仅仅依靠一种极性的载流子导电，属于单极型器件。,1.4.1 场效应晶体管的分类,场效应晶体管从参与导电的载流子来划分，它分为由电子作为载流子的N沟道器件和由空穴作为载流子的P沟道器件两类。从场效应晶体管的结构来划分，它有结型场效应晶体管JFET(Junction type Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应晶体管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。绝缘栅型场效应晶体管通常由金属-氧化物和半导体构成，所以IGFET也称金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET）。,场效应晶体管的具体分类：,1.4.2 结型场效应晶体管,1 结型场效应晶体管的结构,2 结型场效应晶体管的工作原理简介（以N沟道结型场效应晶体管为例）,从结型场效应晶体管的结构可看出，我们在D、S间加上漏源电压UDS，则在源极和漏极之间形成电流ID。我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，则可以改变两个PN结阻挡层(耗尽层)的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要是在沟道区。故|UGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流ID。如|UGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，ID下降。反之亦然。所以改变UGS的大小，可以控制漏极电流。这是场效应晶体管工作的基本原理，也是核心部分。,结论：N沟道结型场效应晶体管工作时栅极电压始终为负，因此无栅极电流，故管子的输入阻抗很大。同时，UGS愈负，导电沟道愈窄，漏极电流愈小。实现了栅极电压UGS对漏极电流ID的控制作用，即压控电流作用。,1.4.3 绝缘栅型场效应晶体管,结型场效应晶体管的直流输入电阻（栅源间的电阻）是反偏PN结的电阻，由于存在饱和反向电流，故输入电阻不可能达到很高，一般只能达到107以上，若要求更高，则需采用绝缘栅型场效应晶体管。,MOS管分耗尽型和增强型两大类，而每类又分N沟道和P沟道。,耗尽型是指在UGS=0时，管内已建立沟道，加上漏源电压UDS，便会产生漏极电流ID。以后，加上适当极性的UGS，ID逐渐减小。,增强型是指在UGS=0时，管内无沟道，加上漏源电压UDS，不会产生漏极电流ID。只有当UGS具有一定极性且达到一定数值之后，管子内才会产生导电沟道（增强）。,1 N沟道增强型MOS管,（1）结构,把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，然后在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2层上刻出两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示)，并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极、漏极和控制栅极。衬底上也引出一根引线，通常情况下将它和源极在内部相连。,N沟道增强型MOS管的结构示意图及符号,（2）工作原理,对N沟道增强型的MOS管，当UGS=0时，在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。所以无论漏、源之间加上何种极性的电压，总是不导通的，即ID=0。,当UGS0时，(为方便假定UDS=0)，则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGSUT时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应晶体管在UGS=0时，ID=0，只有在UGSUT后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。,2 N沟道耗尽型MOS管,（1） 结构,耗尽型MOS管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道，如图所示。,衬底通常在内部与源极相连。,N沟道耗尽型MOS管的结构示意图及符号,（2）工作原理,当UDS0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UGS(off)表示。UGSUGS(off)沟道消失，称为耗尽型。,1.4.4 场效应晶体管的主要参数,1 直流参数,（1）开启电压UGS(th) 开启电压是增强型绝缘栅场效应晶体管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应晶体管不能导通。,（2）夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型场效应晶体管的参数，当UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。,（3）饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应晶体管，当UGS =0时所对应的漏极电流。,（4）直流输入电阻RGS(DC) 场效应晶体管的栅源电压与栅极电流之比。对于结型场效应晶体管，反偏时RGS(DC) 略大于107，对于绝缘栅型场型效应晶体管，RGS(DC) 约为1091015。,2 交流参数,（1）低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。,gm可以在转移特性曲线上求取，为转移特性曲线的斜率。,rds反映了uDS对iD的影响，它是输出特性曲线上静态工作点处切线斜率的倒数。在恒流区，漏极电流基本上不受漏源电压的影响，因此，rds很大，一般在几十千欧几百千欧范围内。,3 极限参数,（2）交流输入电阻,（1）最大漏极电流IDM,（2）最大漏源电压U(BR)DS,（3）最大栅源电压U(BR)GS,（4）最大耗散功率PDM,1 场效应晶体管是一种电压控制器件,2 场效应晶体管输入端几乎没有电流,3 场效应晶体管利用一种载流子导电,4 场效应晶体管的源漏极有时可以互换使用,5 场效应晶体管的制造工艺简单，便于大规模集成,6 MOS管输入电阻高，栅源极容易被静电击穿,7 场效应晶体管的跨导较小,1.4.4 场效应晶体管的特点,
