电子技术与数字电路(第二版)01-半导体器件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章,半导体器件,本章主要内容,(1)半导体基础知识,(2）半导体二极管,（3）双极型晶体管,（4）场效应晶体管,1.1,半导体基础知识,1.1.1 半导体的导电特性,自然界中的物质，按其导电能力的强弱可分为,导体、半导体和绝缘体,三种类型。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。,导体一般为低价元素，例如银、铜等金属材料都是良好的,导体,，它们的原子结构中的最外层电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。,高价元素（如隋性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的原子结构中的最外层电子极难挣脱原子核的束缚成为自由电子，其导电性极差，称为,绝缘体,。,常用的,半导体,材料有硅（,Si,）,和锗（,Ge,）,等，硅原子中共有14个电子围绕原子核旋转，最外层轨道上有4个电子，,如图1.1（,a）,所示,。,原子最外层轨道上的电子通常称为价电子，因此硅为4价元素。锗原子中共有32个电子围绕原子核旋转，最外层轨道上的电子数也为4个，,如图1.1（,b）,所示,，所以锗也为4价元素。,为了简便起见，常用带+4电荷的正离子和周围的4个价电子来表示一个4价元素的原子，,如图1.1（,c）,所示,。,图 1.1 硅和锗的原子结构示意图,硅和锗的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核所紧紧束缚，所以其导电性介于导体和绝缘体之间，,呈现出典型的半导体导电特性。,1.本征半导体,将硅和锗这样的半导体材料经一定的工艺高纯度提炼后，其原子排列将变成非常整齐的状态，称为单晶体，也称本征半导体。,在本征半导体中，每个原子与相邻的4个原子结合，每一原子的4个价电子分别为相邻的4个原子所共有，组成所谓共价键结构，,如图1.2所示。,图1.2 共价键结构示意图,共价键中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚得那样紧。一些价电子获得一定能量（如温度升高或被光照）后，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，这种现象称为电子,“激发”,。,此时，本征半导体具有了一定的导电能力，但由于自由电子的数量很少，所以它的导电能力比较微弱。同时，在原来的共价键中留下一个空位，这种空位称为,空穴,。,空穴因失掉一个电子而带正电。由于正负电的相互吸,引作用，空穴附近共价键中的价电子会来填补这个空位，,于是又会产生新的空穴，又会有相邻的价电子来填补，,如此进行下去就形成了空穴移动，,如图1.3所示,图1.3 空穴和自由电子,半导体中存在着两种运载电荷的粒子，称为,载流子,，即,带负电的自由电子,和,带正电的空穴,。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对产生，成为,电子,-空穴对,，所以两种载流子浓度是相等的。,在室温条件下，本征半导体中载流子的数目很少，所以导电性能较差。温度升高时，载流子浓度将按指数规律增加。,2.杂质半导体,若在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就能显著地改善半导体的导电性能。根据所掺杂质的不同，掺杂后的半导体可分为,N（Negative）,型半导体和,P（Positive）,型半导体两种。,（1）,N,型半导体,如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的5价杂质元素（如磷,P、,砷,As、,锑,Sb,等），则原来晶格中的某些硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了,N,型半导体。,由于这种杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与周围硅原子形成共价键，因此还多出一个电子。这个多出的电子由于不受共价键的束缚便成为可以导电的自由电子，而杂质原子成为不可移动的正离子，如图1.4所示。,图1.4,N,型半导体结构,在,N,型半导体中，自由电子的浓度将远远高于空穴的浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），而其中的空穴称为少数载流子（简称少子）。,由于杂质原子可以提供电子，故称为,施主原子,。,N,型半导体主要靠施主原子提供的电子导电，掺入的杂质原子越多，自由电子的浓度也就越高，导电性能就越强。,（2）,P,型半导体,如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的3价杂质元素（如硼,B、,铝,Al、,镓,Ga,等），则原来晶格中的某些硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了,P,型半导体。由于这种杂质原子最外层有3个价电子，在与周围4个硅原子形成共价键时，就产生了一个空穴，如图1.5所示。,当相邻硅原子的外层电子由于热运动填补此空穴时，杂质原子成为不可移动的负离子，同时在硅原子的共价键中又产生了一个新的空穴。,图1.5,P,型半导体结构,在,P,型半导体中，空穴的浓度将远远高于自由电子的浓度，因此空穴为多子，而其中的自由电子为少子。由于杂质原子中形成的空穴可以吸收电子，故称这样的杂质原子为,受主原子,。,P,型半导体主要靠受主原子提供的空穴导电，掺入的杂质原子越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。,N,型半导体和,P,型半导体虽然各自都有一种多数载流子，但在整个半导体中正、负电荷数是相等的，即从总体上看，仍然保持着电中性。,1.1.2,PN,结及其单向导电特性,在一块本征半导体上，一边掺入施主杂质，使之成为,N,型半导体，另一边掺入受主杂质，使之成为,P,型半导体，那么在,N,型和,P,型半导体的交界面附近，就会形成具有特殊物理性能的,PN,结,。,PN,结是构成各种半导体器件的基础。,1.,PN,结的形成,在,N,型半导体和,P,型半导体的交界处存在着较大的电子和空穴浓度差。,N,型区中的电子要向,P,型区扩散，,P,型区中的空穴要向,N,型区扩散。如图1.6所示，靠近交界处的箭头表示了两种载流子的扩散方向。,图1.6 多子的扩散运动,带电粒子的扩散不会无限制地进行下去，因为带电粒子一旦扩散到对方就会发生,复合现象,，从而使电子和空穴因复合而消失。,N,型区的电子向,P,型区扩散，并与,P,型区的空穴复合，使,P,型区失去空穴而留下不能移动的带负电的离子。,P,型区的空穴也要向,N,型区扩散，并与,N,型区的电子复合，使,N,型区失去电子而留下带正电的离子。这些正、负离子所占的空间称作“空间电荷区”。,由于,空间电荷区,内缺少可以自由运动的载流子，所以又称“耗尽层”，如图1.7所示。,图1.7,PN,结的形成,空间电荷区中的正、负离子之间形成一个内电场，方向是由,N,型区指向,P,型区。内电场对两边多子的进一步扩散起阻挡作用，所以空间电荷区也称为,“阻挡层”,。,内电场可以使两边的少子产生漂移运动。漂移运动的方向与扩散运动相反。扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，于是扩散阻力增大；漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，使扩散容易进行。,当扩散运动和漂移运动作用相等时，便处于动态平衡状态，空间电荷区不再扩大，,这种动态平衡状态下的空间电荷区就是,PN,结。,2.,PN,结的单向导电性,如果在,PN,结两端外加电压，将破坏其原来的平衡状态。当外加电压极性不同时，,PN,结表现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电性。,当电源的正极接,P,区，负极接,N,区，称为“加正向电压”或“正向偏置”，,如图1.8所示,。这时外加电场方向与内电场方向相反，外电场将,P,区和,N,区的多数载流子推向空间电荷区，使其空窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，而漂移运动减弱。,由于电源的作用，扩散运动源源不断地进行，从而形成正向电流，,PN,结导通。,图1.8,PN,结外加正向电压时导通,PN,结导通时的结压降只有零点几伏，所以应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路中的电流，防止,PN,结因正向电流过大而损坏。,当电源的正极接,N,区，负极接,P,区，称为“加反向电压”或“反向偏置”，,如图1.9所示,。,反向偏置时，外加电场与内电场方向相同，外电场将,N,区和,P,区的多数载流子拉向电源电极方向，使空间电荷区变宽，内电场增加，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流（,也称漂移电流,）。,图1.9,PN,结外加反向电压时截止,反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的，当温度不变时，少数载流子的浓度不变，反向电流在一定范围内将不随外加电场的大小而变化，所以常把反向电流称为,“反向饱和电流”,。,由于少数载流子数目极少，所以反向电流近似为零，可以认为,PN,结反向偏置时处于截止状态。,PN,结加正向电压时，呈现较小的正向电阻，形成较大的正向电流，,PN,结处于导通状态；,PN,结加反向电压时，呈现很大的反向电阻，流过很小的反向电流，,PN,结近似于截止状态。,这种只允许一个方向电流通过的特性称为,PN,结的,单向导电性。,3.,PN,结的伏安特性,式1-1给出了流过,PN,结的电流,I,与,PN,结两端电压,U,之间的关系式,I=I,S,(,eU,/UT-1)（1-1）,式中，,I,S,为反向饱和电流；,UT,是温度的电压当量，在常温（300,K）,下，,UT=26mV。,把式（1-1）绘成曲线，如图1.10所示，称为,PN,结的伏安特性曲线。,图1.10,PN,结的伏安特性曲线,当,PN,结加正向电压时，在,U,大于,UT,几倍以后，式（1-1）中,eU,/UT1，,于是,I,ISeU,/UT，,表明正向电流,I,随电压,U,呈指数规律增加，如图中,OA,段，这段曲线称为,PN,结的,正向伏安特性,。,当,PN,结加反向电压时，,U0，,在|,U|,大于,UT,几倍后，式（1-1）中的,eU,/UT0，,于是,I-IS，,即反向电流基本上是一个不随外加电压变化而变化的常数，如图中的,OB,段，这段曲线称为,PN,结的,反向伏安特性,。,4.,PN,结的击穿,当加于,PN,结的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然急剧增大，如图1.10中的,BE,段所示，这种现象称为,PN,结的反向击穿。对应于电流开始剧增的反向电压,U,BR,，,称为击穿电压。,PN,结的击穿分为,“雪崩击穿”和“齐纳击穿”,两种类型。,雪崩击穿,是指,PN,结内作漂移运动的少数载流子受强电场的加速作用可获得很大的能量，当它与,PN,结内的原子碰撞时，把其中的价电子碰撞出来，产生新的电子-空穴对。新的电子-空穴对在强电场的作用下，再去碰撞其他原子，产生更多的电子-空穴对，如同雪崩一样。,齐纳击穿,发生在高浓度掺杂的,PN,结中。由于杂质浓度高，所以形成的,PN,结很窄，即使外加反向电压并不很高，结内电场强度就很强，它可以把结内的束缚电子从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。,需要指出，发生上述两种击穿后，只要反向电流的热效应不致损坏,PN,结，当反向电压降到击穿电压以下时，,PN,结的性能仍可恢复。,1.2半导体二极管,1.2.1 二极管的结构与分类,如果在一个,PN,结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，便构成一只半导体二极管，简称二极管。,由,P,区引出的电极称为阳极或正极，由,N,区引出的电极为阴极或负极。常见的二极管的结构及符号表示如图1.11所示。,图1.11 二极管的结构和符号,二极管的类型很多，按制造材料来分，有硅二极管和锗二极管；按二极管的结构来分，主要,有点接触型和面接触型,。,1.点接触型,其结构如图1.11（,a）,所示。它是用一根细金属丝压在晶片上，在接触点形成,PN,结。由于它的结面积小，因而不能通过较大的电流，但结电容小，适用于高频检波及小电流高速开关电路中。,2.面接触型,其结构如图1.11（,b）,所示。它用合金法做成较大接触面积，允许通过较大电流，但结电容较大，只适用于低频及整流电路中。,3.平面型,其结构如图1.11（,c）,所示。它用二氧化硅作保护层，使,PN,结不受污染，从而大大地减小了,PN,结两端的漏电流，因此，它的质量较好。其中结面积大的作大功率整流管，结面积小的作高频管或高速开关管。,1.2.2二极管的伏安特性,二极管的特性实际上是,PN,结特性，考虑到引线电阻及表面漏电流等因素的影响，实测的二极管伏安特性与,PN,结伏安特性存在一定偏差。,图1.12是实测二极管伏安特性曲线，该特性曲线可以分为,正向特性,和,反向特性,两部分。,图1.12 二极管伏安特性,1.正向特性,当二极管两端加很低的正向电压时（如图1.12中所指部分），外电场还不能克服,PN,结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，因此这时的正向电流仍很小，二极管呈现的电阻较大。,当二极管两端的电压超过一定数值即,阈值电压,后（如图1.12中所指部分），内电场被大大削弱，二极管的电阻变得很小，于是电流增长很快。,阈值电压,又称开启电压或死区电压，随管子的材料和温度的不同而改变，硅管约为0.6,V，,锗管约为0.2,V。,2.反向特性,当二极管两端加上反向电压时（如图1.12中所指部分），由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度的增长而增长；二是当反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，因此这个电流称为反向饱和电流。,当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大（如图1.12中所指部分），二极管失去单向导电特性，这种现象称为反向击穿。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压,U,BR,。,3.,温度对二极管特性的影响,温度对二极管特性有较大影响，随着温度的升高，将使正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。正向特性曲线左移，表明在相同的正向电流下，二极管正向压降随温度升高而减小。,实验表明，温度每升高1，,正向压降,约减小2,mV。,反向特性曲线下移，表明温度升高时，反向电流增大。,实验表明，温度每升高10，,反向电流,约增大一倍。,4.理想二极管特性,在电路中，如果二极管正向压降远小于和它串联的电压，反向电流远小于和它并联的电流，则二极管可用理想二极管来等效。,对于理想二极管，正向偏置时，二极管管压降为零，相当于短路；反向偏置时，反向电流为零，二极管相当于开路。,例1.1,在如图1.13所示的电路中，已知输入端,A,的电位,UA=3V，,输入端,B,的电位,UB=0V，,电阻,R,接+5,V,电源，设二极管,D1,和,D2,均为理想二极管，试求输出端,F,的电位,UF。,图1.13 例1.1的电路图,解,因为,U,B,U,A,，,所以二极管,D,2,优先导通，又由于二极管为理想元件，则输出,F,的电位为,U,F,=U,B,=0V。,当,D,2,导通后，,D,1,上加的是反向电压，因而,D,1,截止。,在本例中，二极管,D,2,起钳位作用，把,F,端的电位钳制在0,V；D,1,起隔离作用，把输入端,A,和输出端,F,隔离开来。,1.2.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流,I,FM,I,FM,是指二极管长期运行时，允许通过的最大平均电流。其大小主要取决于,PN,结的结面积，并且受结温的限制。使用时，二极管的平均电流不要超过此值，否则可能使二极管因过热而损坏。,2.最高反向工作电压,U,DRM,U,DRM,是指二极管使用时允许加在二极管上的最大反向电压，通常取反向击穿电压,U,RB,的1/2。,3.反向电流,I,R,I,R,是指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过二极管的反向电流。,I,R,越小，管子的单向导电性能越好。,4.最高工作频率,f,M,f,M,值主要决定于,PN,结的结电容大小，结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。,1.2.4 特殊二极管,1.稳压二极管,（1）稳压管的工作特性,稳压二极管是一种具有特殊用途的面接触型二极管，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能够起稳定电压的作用，故称稳压管（也称齐纳二极管）。,稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，,如图1.14（,a）,所示,，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。图1.14（,b）,是稳压管的符号表示。,图1.14 稳压管的伏安特性曲线与符号,稳压管工作于反向击穿状态，利用其反向电流变化量,I,Z,很大时而管子两端电压的变化量,U,Z,却很小的特点，在电路中达到稳压的目的。,与一般二极管不同的是，稳压管的反向击穿是可逆的。当反向电压去掉之后，稳压管又可恢复正常。这一特性是由制造工艺来达到的。,需注意的是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将因过热而损坏。,（2）稳压管的主要参数,（,a）,稳定电压,U,Z,它是稳压管在正常工作下管子两端的电压。这一参数随工作电流和温度的不同略有改变，且不同管子的参数值存在一定的分散性。例如，手册中给出2,CW14,的,U,Z,=（67.5）V，,是指有的管子是6,V，,有的是7,V,等等，而不是指每只管子的稳定电压变化有如此之大。,（,b）,稳定电流,I,Z,它是稳压管正常工作时的电流值，原则上应选,I,Z,min,I,Z,I,Z,max,。,I,Z,min,是稳压管能够正常稳压的最小工作电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至不稳压。,I,Z,max,是稳压管能够正常稳压的最大工作电流，电流高于此值时会因,PN,结温度过高而损坏,。,（,c）,动态电阻,r,Z,它是指稳压管两端电压的变化量与相应的电流变化量的比值，即,r,Z,=U,Z,/I,Z,。,稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。,（,d）,最大耗散功率,P,ZM,它是指保证稳压管安全工作所允许的最大功率损耗，,P,ZM,=U,Z,I,Z,max,。,2.光电二极管,光电二极管也是一种特殊二极管，又称,光敏二极管,。其管壳上备有一个玻璃窗口,以便接受光照。,它利用光粒子激发共价键中的束缚电子而获取光生电子，从而把光能转变为电能,其灵敏度的典型值为0.1,A/Lx(Lx,光照强度单位，勒克斯)。,光电二极管的伏安特性曲线及符号表示如图1.15所示，其主要特点是反向电流与光照强度成正比。,人们日常生活中使用的太阳能电池正是由若干这种光电二极管组成的储能电路。,图1.15 光电二极管的伏安特性曲线及符号,3.发光二极管,发光二极管简写为,LED（Light Emitting Diode），,其符号表示及正向导通发光时的工作电路,如图1.16所示,。,在正向偏置的二极管中，多数载流子扩散到对方要被复合，复合过程是载流子释放能量的过程，在每个复合的晶格上辐射成一粒光子。,硅（锗）半导体发射光的波长不在可见光谱内，故不能做成发光二极管。,砷化镓（,GaAs,）、,磷化镓（,GaP,）,等化合物半导体材料制成的,PN,结复合时可以发射可见光，光的颜色视具体的半导体材料而定。,图1.16 发光二极管的符号及其工作电路,当发光二极管正向偏置时，其发光亮度随注入电流的增大而提高。为限制其工作电流，通常都要串接限流电阻,R。,由于发光二极管的工作电压低（1.5,V3V）、,工作电流小（5,mA,10mA），,所以用发光二极管做为显示器件具有响应速度快、功率小、驱动简单和寿命长等优点。,常见的发光二极管除可以单个使用外，还有七段数码管，它可以显示09的10个字形符号。,发光二极管广泛应用于数字钟、计算机及各种数字化仪器的数字显示中。,1.2.5 二极管的应用,1.单相半波整流电路,单相半波整流电路是一种最简单的整流电路。,图1.17（,a）,所示电路为纯电阻负载的单相半波整流电路。,图中,Tr,为电源变压器，它的作用是将交流电网电压,u1,变换为整流电路所需要的交流电压,u2，,即变压器原边电压为,u1，,副边电压为,u2；D,为整流二极管，,R,L,为负载电阻。,图1.17 单相半波整流电路及其波形图,设变压器副边电压,u2=U2msint。,当,u2,为正半周时，其极性为上正下负，即,a,点电位高于,b,点电位，二极管因承受正向电压而导通。,此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等。忽略二极管上的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即,uo,=u2，,输出电压,uo,的波形与变压器副边电压,u2,的波形相同。,当,u2,为负半周时，其极性为上负下正，即,a,点电位低于,b,点电位，二极管因承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压,uo,=0，,变压器副边电压,u2,全部加在二极管,D,上。,综上所述，在负载电阻,RL,上呈现的电压波形如,图1.17（,b）,所示,。由于这种电路只在整个交流周期的半个周期二极管导通，才有电流流过负载，输出电压是单方向的脉动电压，故称此种电路为,单相半波整流电路,。,2.限幅电路,所谓限幅，是指输出电压的幅度受到规定电压（限幅电压）的限制。,图1.18（,a）,是一个二极管限幅电路，,U,L,为限幅电压。在实际电路的分析中，通常把二极管看成理想器件，即当其正向通导时，相当于短路，反向截止时，相当于开路。对于图1.18（,a）,的电路，当输入电压,ui,高于限幅电压,U,L,时，加在二极管上的电压（,u,i,-U,L,）,为正，二极管导通，相当于短路，输出电压,u,o,被限定在,U,L,值上；反之，当输入电压,u,i,低于限幅电压,U,L,时，加在二极管上的电压（,u,i,-U,L,）,为负，二极管截止，,u,o,=,u,i,。,即,u,o,与,u,i,的关系为,uo,=U,L,(,ui,U,L,),u,i,(,u,i,U,L,)（1-2）,由此得到输出电压,u,o,的波形如图1.18（,b）,所示。显然，当限幅电压,U,L,取不同极性和数值时，输出电压波形也将不同。,由此得到输出电压,u,o,的波形,如图1.18（,b）,所示,。显然，当限幅电压,U,L,取不同极性和数值时，输出电压波形也将不同。,图1.18 二极管限幅电路及其工作波形,3.稳压电路,最简单的直流稳压电源是采用稳压管来稳定电压的。,如图1.19所示，,将稳压管与适当数值的限流电阻,R,相配合即组成了稳压管直流稳压电路。,稳压管,D,Z,工作在反向击穿状态，电阻,R,起限流和调压作用。稳压电路的输入电压,U,I,通常是整流滤波电路的输出电压，稳压电路的输出电压,Uo,即为负载电阻,R,L,两端的电压，它等于稳压管的稳定电压,U,Z,。,由图1.19可知,Uo,=U,I,-IR=U,I,-R(I,Z,+Io),图1.19 稳压管稳压电路,当交流电网电压波动或者负载电流变化而引起,Uo,变化时，该电路的稳压过程是:只要,Uo,略有增加，,I,Z,便会显著增加，总电流,I=I,Z,+Io,随之增加，电阻,R,上的压降,IR,同时增加，从而使得,Uo,自动降低，近似保持不变；如果,Uo,降低，则稳压过程与上述相反。,稳压管直流稳压电路结构简单，但其性能受稳压管最大电流限制，而且输出电压不能根据需要进行调节，所以,这种稳压电路只适用于输出电压不需要调节、负载电流小、稳压要求不太高的场合。,例1.2,在图1.19所示的稳压电路中，若稳压管的稳定电压,U,Z,=6V,其最小工作电流,I,Zmin,=10mA，,最大工作电流,I,Zmax,=30mA；,负载电阻,R,L,=1k；,输入电压,U,I,=10V。,求限流电阻,R,的取值范围。,解,当稳压管中的电流为最大工作电流时，有,(,U,I,-U,Z,)/,R,min,=,I,Zmax,+U,Z,/R,L,代入相关数值后得,(10,V-6V)/,R,min,=30mA+6V/1k,R,min,=4V/36mA111,当稳压管中的电流为最小工作电流时，有,(,U,I,-U,Z,)/,R,max,=,I,Zmin,+U,Z,/R,L,代入相关数值后得,(10,V-6V)/,R,max,=10mA+6V/1k,R,max,=4V/16mA=250,所以限流电阻,R,的取值范围为111250,。,1.3双极型晶体管,常用的半导体器件按照参与导电的载流子情况可分为电子和空穴两种载流子参与导电的,“双极型”,和只涉及一种载流子的,“单极型”,两大类。,双极型晶体管（,bipolar,transister,）,又称半导体三极管，简称晶体管。它是电子线路中的核心器件。,图1.20所示为晶体管的几种常见外形，其中图1.20（,a）,所示为低频小功率管，图1.20（,b）,所示为高频小功率管，图1.20（,c）,所示为低频大功率管。,图1.20 几种晶体管的外形,1.3.1 晶体管的结构,晶体管由两个,PN,结和三个电极构成，按,PN,结的组成方式分为,NPN,型,和,PNP,型,两种类型，,如图1.21所示,。,由图可见，无论是,NPN,型还是,PNP,型的晶体管，它们都具有三个区：集电区、基区和发射区，并相应地引出三个电极:,集电极、基极,和,发射极,，分别用,c、b、e,来表示。,基区与发射区之间的,PN,结称为发射结，基区与集电区之间的,PN,结称为集电结。,晶体管符号中的箭头表示管内正向电流的方向。箭头指向管外的为,NPN,管,，箭头指向管内的为,PNP,管,。,图1.21 晶体管结构示意图和图形符号,晶体管的结构在工艺上具有以下特点：,（1）发射区进行重掺杂，以便于产生较多的载流子；,（2）基区很薄且掺杂浓度低，有利于发射区载流子穿过基区到达集电区；,（3）集电区轻掺杂，但面积大，以保证尽可能多地收集到从发射区发出的载流子。,正是由于晶体管结构的上述特点，才使它产生了电流控制和放大作用。,1.3.2 晶体管的电流控制作用,对信号进行放大是模拟电路的基本功能之一。晶体管是放大电路的核心器件。,晶体管结构上的特点决定了它的电流放大作用的内部条件，为了实现电流放大，还必须具备一定的外部条件，这就是要使它的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。,如图1.22,所示为,NPN,型晶体管的电源接法:,U,BB,是基极电源，其极性使发射结处于正向偏置；,U,CC,是集电极电源，其极性使集电结处于反向偏置。,图1.22给出了晶体管内部载流子的运动情况以及各电极电流分配示意图。,图1.22 晶体管内部载流子运动情况及电流分配示意图,1.晶体管内部载流子的运动情况,（1）发射区向基区发射电子,由于发射结正向偏置，从而使多子（自由电子）的扩散运动加强，发射区的自由电子通过发射结不断扩散到基区，并不断从电源,U,CC,的负极补充进电子，形成发射极电流,I,E,。,（2）,电子在基区的扩散和复合,从发射区扩散到基区的自由电子开始都聚集在发射结附近，而靠近集电结的自由电子很少，形成了浓度上的差别，因而自由电子向集电结继续扩散。由于基区掺杂浓度很低且做得很薄，所以自由电子只有很少一部分与基区中的空穴复合，所形成的电流记为,I,BE,。,（3）集电区收集电子,由于集电结反向偏置，它有利于该,PN,结两边半导体中少子的运动（漂移运动），而对多子的扩散运动起阻挡作用，即阻挡集电区的自由电子向基区扩散，但可以将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成电流,I,CE,，I,CE,是集电极电流,IC,的主要成分。,此外，还有集电区和基区的少子漂移运动所形成的反向电流，称为集电极基极反向饱和电流，记作,I,CBO,。I,CBO,的数值很小，它是构成集电极电流,I,C,和基极电流,I,B,的一小部分。,2.晶体管的电流分配关系及电流放大系数,由图1.22可得晶体管各电极的电流分别为,集电极电流,I,C,=I,CE,+I,CBO,（1-3）,基极电流,I,B,=I,BE,-I,CBO,（1-4）,发射极电流,I,E,=I,CE,+I,BE,（1-5）,纵合上述3式，可得晶体管3个电极的电流关系为,I,E,=I,B,+I,C,，,且,I,B,I,C,。,表明由晶体管发射区发射的电子绝大多数通过基区到达集电区，只有少数电子在基区与空穴复合，这就是晶体管的电流分配关系。,当基极电流,I,B,有一变化量,I,B,时，集电极电流,I,C,和发射极电流,IE,也有相应的变化量,I,C,和,I,E,，I,E,=I,B,+I,C,，,且,I,B,I,C,。,这表明当晶体管的基极电流有一个小的变化量,IB,时，会引起集电极电流有一个较大的变化量,I,C,。,这体现了晶体管的电流放大作用。,集电极电流的变化量,I,C,与基极电流的变化量,I,B,之比称为共射交流电流放大系数,:,=I,C,/I,B,（1-6）,集电极电流,I,C,与基极电流,I,B,之比称为共射直流电流放大系数,:,=I,C,/I,B,（1-7）,从定义上来看，,和,是不相同的，但在晶体管的输出特性曲线（下面将介绍）近于平行的情况下，两者数值较为接近，所以常用,这个近似关系进行估算。,1.3.3 晶体管的特性曲线,晶体的特性曲线和它的连接方式及结构类型有关。以,NPN,晶体管为例，有共基极、共发射极和共集电极三种连接方式，如图1.23所示。,图1.23 晶体管的三种连接方式,这里，仅以应用较广的共发射极接法为例，讨论晶体管的输入和输出特性曲线。这些特性曲线可以用晶体管特性图示仪直接测出，也可以通过如图1.24所示的实验电路测试绘制出来。,图1.24 晶体管特性曲线测试电路,1.输入特性曲线,输入特性曲线是指当晶体管的集电极-发射极电压,U,CE,为常数时，输入回路中基极电流,I,B,与发射结电压,U,BE,之间的关系曲线。其函数关系式为,I,B,=f(U,BE,),UCE=,常数,（1-8）,图1.25所示为实测的输入特性曲线。由图可见，晶体管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。,和二极管一样，晶体管输入特性也有开启电压，硅管的开启电压约为0.5,V，,锗管约为0.2,V。,晶体管导通时,NPN,型硅管的发射结电压,U,BE,=0.60.7V，PNP,型锗管的,U,BE,=-0.2-0.3V。,图1.25 晶体管输入特性曲线,从理论上说，对应于不同的,U,CE,值，可做出一簇,I,B,-U,BE,关系曲线，但实际上，当,U,CE,1V,以后，集电结已反向偏置，并且内电场已足够强，而基区又很薄，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。此时，只要,U,BE,保持不变，即使,U,CE,增加，,I,B,也不会再有明显的减小。,也就是说，,U,CE,1V,以后的输入特性曲线基本上是重合的。所以，通常在器件手册中只给出,U,CE,1V,的一条输入特性曲线。,2.输出特性曲线,输出特性曲线是指当晶体管的基极电流,I,B,为常数时，输出回路中集电极电流,I,C,与集电极-发射极电压,U,CE,之间的关系曲线。其函数关系式为,I,C,=f(U,CE,),I,B,=,常数,（1-9）,固定一个,I,B,值对应一条输出特性曲线，改变,I,B,值可得到一簇输出特性曲线，如图1.26所示。,图1.26 晶体管输出特性曲线,在输出特性曲线上可划分三个区域：截止区、放大区和饱和区。,1.3.4 晶体管的主要参数,共射电流放大系数,和,极间反向电流,I,CBO,和,ICEO,集电极最大允许电流,I,CM,集-射极反向击穿电压,U,(BR)CEO,集电极最大允许耗散功率,P,CM,1.4,场效应晶体管,1.4.1 场效应晶体管的主要特点与分类,场效应晶体管（,Field Effect Transistor，FET）,是另一种常用的半导体器件，其外形与双极型晶体管相似，但两者的控制特性却有很大的不同。,场效应晶体管是电压控制器件，它是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，它的输出电流决定于输入电压的高低，基本上不需要信号源提供电流，因此它的输入电阻很高，可高达,10,9,10,14,。,与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电少、制造工艺简单等优点。,场效应晶体管按其结构可分为,结型场效应晶体管,（,JFET）,和,绝缘栅型场效应晶体管,（,Insulated Gate FET,IGFET）,两大类。,绝缘栅型场效应晶体管也称金属-氧化物-半导体场效应晶体管（,Metal-Oxide-,SemiconductorFET,，MOSFET），,简称,MOS,管。,1.4.2 绝缘栅型场效应晶体管的结构,根据导电沟道（,channel）,的不同，绝缘栅型场效应晶体管有,N,沟道,和,P,沟道,两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种。如图1.28（,a）,所示为,N,沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构示意图。,图1.28,N,沟道,MOS,管的结构和电路符号,它是用一块轻掺杂的,P,型硅片作衬底，在上面扩散两个重掺杂的,N+,区，并分别用金属铝各引出一个电极，称为源极,S,和漏极,D。,在硅片表面氧化一层很薄的二氧化硅（,SiO,2,）,绝缘层，在漏极和源极之间的绝缘层上也引出一个电极，称为栅极,G。,由于栅极和其他两个电极以及硅片之间是绝缘的，所以栅极电流几乎为零，栅极和源极之间的电阻,RGS,很高，可达,10,14,.,如果在制造,N,沟道,MOS,管时，在,SiO,2,绝缘层中掺入大量正离子，就会在两个,N+,型区之间的,P,型硅衬底表面形成足够强的电场，,P,型硅衬底中的空穴被排斥到远端，衬底中的电子被吸引到表面，形成一个,N,型薄层，从而将,N+,型区即漏极和源极沟通。这个,N,型薄层称为,N,型导电沟道，如图1.28（,a）,所示。,这样，即使栅极和源极之间不加电压（,U,GS,=0），,漏极和源极之间就已经存在原始导电沟道，这种,MOS,管称为耗层型,MOS,管。,N,沟道耗尽型,MOS,管的电路符号如图1.28（,b）,所示。,如果在制造,N,沟道,MOS,管时，在,SiO,2,绝缘层中没有掺入正离子，或掺入的正离子数量较少而不足以形成原始导电沟道，只有在栅极和源极之间加一个正电压（,U,GS,0）,时才能形成导电沟道，这种,MOS,管称为增强型,MOS,管。,N,沟道增强型,MOS,管的电路符号如图1.28（,c）,所示。,如果在制作场效应晶体管时采用,N,型硅片作衬底，扩散形成两个,P+,区作为漏极和源极，则导电沟道为,P,型，如图1.29（,a）,所示。,P,沟道耗尽型,MOS,管和,P,沟道增强型,MOS,管的电路符号分别如图1.29（,b）,和图1.29（,c）,所示。,图1.29,P,沟道,MOS,管的结构和电路符号,1.4.4 绝缘栅型场效应晶体管的主要参数,（1）,跨导,g,m,。,跨导是在,U,DS,为某一固定值时，漏极电流的微小变化,I,D,与引起这个变化的栅-源电压,U,GS,的变化量,U,GS,之比，即,g,m,=(I,D,/U,GS,),U,DS,=,常数,（1-11）,跨导,g,m,表示场效应晶体管栅-源电压,U,GS,对漏极电流,I,D,控制作用的大小，是反映场效应晶体管放大作用的重要参数，单位是,A/V,或,mA,/V。,它的大小是转移特性曲线在工作点处的斜率，工作点的位置不同，其数值也不同。,（2）,漏极最大耗散功率,P,DM,。,它是场效应晶体管正常工作时，其漏极耗散功率（,P,D,=U,DS,I,D,）,的最大允许值，受场效应晶体管最高工作温度的限制。,（3）,最大漏极电流,I,DM,。I,DM,是场效应晶体管工作时允许流过漏极的最大电流。,（4）,通态电阻,。在确定的栅-源电压,U,GS,下，场效应晶体管进入饱和导通时，漏极和源极之间的电阻称为通态电阻。它的大小决定了管子的开通损耗。,由于绝缘栅场效应晶体管的输入电阻很高，致使栅极上积累的电荷不易泄放，由此容易产生较高的静电电压将绝缘层击穿而损坏管子。,因此，存放时，应将各电极引线短接起来；焊接时，应使电烙铁外壳良好接地。,第1章 作业,P26 P27,1.1 1.2 1.3 1.5 1.10,