模电第四章常用半导体器件原理2课件

1第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.1半导体物理基础半导体物理基础本本章章从从半半导导体体器器件件的的工工作作机机理理出出发发，简简单单介介绍绍半半导导体体物物理理基基础础知知识识，包包括括本本征征半半导导体体，杂杂质质半半导导体体，PN结结；分分别别讨讨论论晶晶体体二二极极管管的的特特性性和和典典型型应应用用电电路路，双双极极型型晶晶体体管管和和场场效效应应管管的的结结构构、工工作作机机理理、特特性性和和应应用用电电路路，重点是掌握器件的特性。重点是掌握器件的特性。导体导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于1081020 m。半半导导体体：导导电电能能力力介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间，如如硅硅(Si)、锗锗(Ge)和和砷砷化化镓镓(GaAs)。导半体的导电能力随导半体的导电能力随温度、光照和掺杂温度、光照和掺杂等因等因素发生显著变化，素发生显著变化，导半体是导半体是制作半导体元器件的制作半导体元器件的重要材料。重要材料。2第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.1.1本征半导体本征半导体纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅硅和和锗锗的的原原子子最最外外层层轨轨道道上上都都有有四四个个电电子子，称称为为价价电电子子，每每个个价价电电子子带带一一个个单单位位的的负负电电荷荷。因因为为整整个个原原子子呈呈电电中中性性，而而其其物物理理化化学学性性质质很很大大程程度度上上取取决决于于最最外外层层的的价价电电子子，所所以以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。23第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理每每个个原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个价价电电子子为为相相邻邻原原子子核核所所共共有有，形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子是是不不能能导导电电的的束缚电子。束缚电子。价价电电子子可可以以获获得得足足够够大大的的能能量量，挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚，游游离离出出去去，成成为为自自由由电电子子，并并在在共共价价键键处处留留下下带带有有一一个个单单位位的的正正电电荷荷的的空空穴穴。这这个过程称为本征激发。个过程称为本征激发。本本征征激激发发产产生生成成对对的的自自由由电电子子和和空空穴穴，所所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。34第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理价价电电子子的的反反向向递递补补运运动动等等价价为为空空穴穴在在半半导导体体中中自自由由移移动动。因因此此，在在本本征征激激发发的的作作用用下下，本本征征半半导导体体中中出出现现了了带带负负电电的的自自由由电电子子和和带带正正电电的的空空穴穴，二二者者都都可可以以参参与与导导电电，统统称为载流子。称为载流子。自自由由电电子子和和空空穴穴在在自自由由移移动动过过程程中中相相遇遇时时，自自由由电电子子填填入入空空穴穴，释释放放出出能能量量，从从而而消消失失一一对对载载流流子子，这这个个过程称为复合，过程称为复合，45第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理平平衡衡状状态态时时，载载流流子子的的浓浓度度不不再再变变化化。分分别别用用ni和和pi表示自由电子和空穴的浓度表示自由电子和空穴的浓度(cm-3)，理论上理论上其其中中T 为为绝绝对对温温度度(K)；EG0为为T=0K时时的的禁禁带带宽宽度度，硅硅原原子子为为1.21eV，锗锗为为0.78eV；k=8.63 10-5eV/K为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数；A0为为常常数数，硅硅材材料料为为3.87 1016cm-3K-3/2，锗为锗为1.76 1016cm-3K-3/2。4.1.2N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。56第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理一、一、N型半导体型半导体在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入五五价价原原子子，即即构构成成N型型半半导导体体。N型型半半导导体体中中每每掺掺杂杂一一个个杂杂质质元元素素的的原原子子，就就提提供供一一个个自自由由电电子子，从从而而大大量增加了自由电子的浓度量增加了自由电子的浓度-施主电离施主电离多数载流子多数载流子-自由电子自由电子少数载流子少数载流子-空穴空穴但半导体仍保持电中性但半导体仍保持电中性热热平平衡衡时时，杂杂质质半半导导体体中中多多子子浓浓度度和和少少子子浓浓度度的的乘乘积积恒恒等等于于本本征征半半导导体体中中载载流流子浓度子浓度ni的平方，所以空穴的浓度的平方，所以空穴的浓度pn为为因为因为ni容易受到温度的影响发生显著变化，所以容易受到温度的影响发生显著变化，所以pn也随环境的改变明显变化。也随环境的改变明显变化。自由电子浓度自由电子浓度杂质浓度杂质浓度67第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、二、P型半导体型半导体在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入三三价价原原子子，即即构构成成P型型半半导导体体。P型型半半导导体体中中每每掺掺杂杂一一个个杂杂质质元元素素的的原原子子，就就提提供供一一个个空空穴穴，从从而而大大量量增增加了空穴的浓度加了空穴的浓度-受主电离受主电离多数载流子多数载流子-空穴空穴少数载流子少数载流子-自由电子自由电子但半导体仍保持电中性但半导体仍保持电中性而自由电子的浓度而自由电子的浓度np为为环境温度也明显影响环境温度也明显影响np的取值。的取值。空穴浓度空穴浓度掺杂浓庹掺杂浓庹78第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.1.3漂移电流和扩散电流漂移电流和扩散电流半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流半导体电流半导体电流半导体电流漂移电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。电场强度。扩散电流：扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，形成扩散电流，该电流的大小正比于载流该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。子的浓度差即浓度梯度的大小。89第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.2PN结结通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，则P型半导体和N型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为PN结。4.2.1PN结的形成结的形成多子扩散多子扩散空空间间电电荷荷区区，内内建建电电场场和内建电位差的产生和内建电位差的产生 少子漂移少子漂移动态平衡动态平衡910第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理空空间间电电荷荷区区又又称称为为耗耗尽尽区区或或势势垒垒区区。在在掺掺杂杂浓浓度度不不对对称称的的 PN结结中中，耗耗尽尽区区在在重重掺掺杂杂一一边边延延伸伸较较小小，而而在在轻轻掺杂一边延伸较大。掺杂一边延伸较大。1011第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.2.2PN结的单向导电特性结的单向导电特性 一一、正、正向偏置的向偏置的PN结结正向偏置正向偏置耗尽区变窄耗尽区变窄扩扩散散运运动动加加强强，漂移运动减弱漂移运动减弱正向电流正向电流二二、反、反向偏置的向偏置的PN结结反向偏置反向偏置耗尽区变宽耗尽区变宽扩扩散散运运动动减减弱弱，漂移运动加强漂移运动加强反向电流反向电流1112第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PN结的单向导电特性：结的单向导电特性：PN结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。向电压而变化。4.2.3PN结的击穿特性结的击穿特性当当PN结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称为为PN结的击穿。结的击穿。雪雪崩崩击击穿穿：反反偏偏的的PN结结中中，耗耗尽尽区区中中少少子子在在漂漂移移运运动动中中被被电电场场加加速速，动动能能增增大大。当当少少子子的的动动能能足足以以使使其其在在与与价价电电子子碰碰撞撞时时发发生生碰碰撞撞电电离离，把把价价电电子子击击出出共共价价键键，产产生生一一对对自自由由电电子子和和空空穴穴，连连锁锁碰碰撞撞使使得得耗耗尽尽区区内内的的载载流流子子数数量量剧剧增增，引引起起反反向向电电流流急急剧剧增增大大。雪崩击穿出现雪崩击穿出现在轻掺杂的在轻掺杂的PN结结中。中。齐齐纳纳击击穿穿：在在重重掺掺杂杂的的PN结结中中，耗耗尽尽区区较较窄窄，所所以以反反向向电电压压在在其其中中产产生生较较强强的的电电场场。电电场场强强到到能能直直接接将将价价电电子子拉拉出出共共价价键键，发发生生场场致致激激发发，产产生生大大量量的的自自由由电电子子和和空空穴穴，使使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。PN结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护PN结不受损坏。结不受损坏。PN结击穿结击穿1213第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.2.4PN结的电容特性结的电容特性PN结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明说明PN结具有电容效应。结具有电容效应。一、势垒电容一、势垒电容 CT0为为u=0时的时的CT，与与PN结的结构和掺杂浓度等因素结的结构和掺杂浓度等因素有关；有关；UB为内建电位差；为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在为变容指数，取值一般在1/36之间。之间。当反向电压当反向电压u 绝对值增大时，绝对值增大时，CT将减小将减小。1314第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、扩散电容二、扩散电容 PN结结的的结结电电容容为为势势垒垒电电容容和和扩扩散散电电容容之之和和，即即Cj=CT+CD。CT和和CD都都随随外外加加电电压压的的变变化化而而改改变变，所所以以都都是是非非线线性性电电容容。当当PN结结正正偏偏时时，扩扩散散电电容容CD远远大大于于势势垒垒电电容容CT，即即Cj CD；反反偏偏的的PN结结中中，CT远远大大于于CD，则则Cj CT。1415第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.3晶体二极管晶体二极管二极管可以分为硅二极管二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和和锗二极管，简称为硅管和锗管。锗管。4.3.1二极管的伏安特性二极管的伏安特性一一一一指数特性指数特性IS为反向饱和电流，为反向饱和电流，q 为电子电量为电子电量(1.60 10-19C)；UT=kT/q，称称为热电压，在室温为热电压，在室温27即即300K时，时，UT=26mV。一、二极管的导通，截止和击穿一、二极管的导通，截止和击穿当当uD0且超过特定值且超过特定值UD(on)时，时，iD变化明显，此时认为二极管变化明显，此时认为二极管导通，导通，UD(on)称为导通电压称为导通电压(死区电压死区电压)；uD0.7V时时，D处处于于导导通通状状态态，所所以以输输出出电电压压uo=ui-0.7；当当ui0时时，D1和和D2上上加加的的是是正正向向电电压压，处处于于导导通通状状态态，而而D3和和D4上上加加的的是是反反向向电电压压，处处于于截截止止状状态态。输输出出电电压压uo的的正正极极与与ui的的正正极极通通过过D1相相连连，它它们们的的负负极极通通过过D2相相连连，所所以以uo=ui；当当ui0时时，二二极极管管D1截截止止，D2导导通通，电电路路等等效效为为图图(b)所所示示的的反反相相比比例例放放大大器器，uo=-(R2/R1)ui；当当ui2.7V时时，D导导通通，所所以以uo=2.7V；当当ui2.7V时时，D截截止止，其其支支路路等等效效为为开开路路，uo=ui。于于是是可可以以根根据据ui的的波波形形得得到到uo的的波波形形，如如图图(c)所所示示，该该电电路路把把ui超出超出2.7V的部分削去后进行输出，是的部分削去后进行输出，是上限幅上限幅电路。电路。3132第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.3.7二极管限幅二极管限幅电路如路如图(a)所示，其中二极管所示，其中二极管D1和和D2的的导通通电压UD(on)=0.3V，交流交流电阻阻rD 0。输入入电压ui的的波形在波形在图(b)中中给出，作出出，作出输出出电压uo的波形。的波形。3233第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理解解：D1处处于于导导通通与与截截止止之之间间的的临临界界状状态态时时，其其支支路路两两端端电电压压为为-E-UD(on)=-2.3V。当当ui-2.3V时时，D1截截止止，支支路路等等效效为为开开路路，uo=ui。所所以以D1实实现现了了下下限限幅幅；D2处处于于临临界界状状态态时时，其其支支路路两两端端电电压压为为E+UD(on)=2.3V。当当ui2.3V时时，D2导导通通，uo=2.3V；当当ui2.3V时时，D2截截止止，支支路路等等效效为为开开路路，uo=ui。所所以以D2实实现现了了上上限限幅幅。综综合合uo的的波波形形如如图图(c)所所示示，该该电电路路把把ui超超出出 2.3V的部分削去后进行输出，完成的部分削去后进行输出，完成双向限幅双向限幅。3334第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理限限幅幅电路路的的基基本本用用途途是是控控制制输入入电压不不超超过允允许范范围，以以保保护后后级电路路的的安安全全工工作作。设二二极极管管的的导通通电压UD(on)=0.7V，在在图中中，当当-0.7Vui0.7V时，D1导通通，D2截截止止，R1、D1和和R2构构成成回回路路，对ui分分压，集集成成运运放放输入入端端的的电压被被限限制制在在UD(on)=0.7V；当；当ui-0.7V时，D1截止，截止，D2导通，通，R1、D2和和R2构构成成回回路路，对ui分分压，集集成成运运放放输入入端端的的电压被被限限制制在在-UD(on)=-0.7V。该电路路把把ui限限幅幅到到0.7V到到-0.7V之之间，保保护集成运放。集成运放。3435第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理 图中中，当当-0.7Vui5.7V时，D1导通通，D2截截止止，A/D的的输入入电压被被限限制制在在5.7V；当当ui-0.7V时，D1截截止止，D2导通通，A/D的的输入入电压被被限限制制在在-0.7V。该电路路对ui的的限限幅幅范范围是是-0.7V到到5.7V。3539第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理作业：作业：4-3、6、7、83940第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理三、电平选择电路三、电平选择电路 例例4.3.9图(a)给出了一个二极管出了一个二极管电平平选择电路，其中路，其中二极管二极管D1和和D2为理想二极管，理想二极管，输入信号入信号ui1和和ui2的幅度均小于的幅度均小于电源源电压E，波形如波形如图(b)所示。分析所示。分析电路的工作原理，并作路的工作原理，并作出出输出信号出信号uo的波形。的波形。选出最高或最低电平选出最高或最低电平4041第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4142第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理解解：因因为为ui1和和ui2均均小小于于E，所所以以D1和和D2至至少少有有一一个个处处于于导导通通状状态态。不不妨妨假假设设ui1ui2时时，D2导导通通，D1截截止止，uo=ui2；只只有有当当ui1=ui2时时，D1和和D2才才同同时时导导通通，uo=ui1=ui2。uo的的波波形形如如图图(b)所所示示。该该电电路路完完成成低低电电平平选选择择功功能能，当当高高、低低电电平平分分别别代代表表逻逻辑辑1和和逻逻辑辑0时时，就就实实现现了了逻逻辑辑“与与”运运算。算。4244第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4双极型晶体管双极型晶体管NPN型晶体管型晶体管PNP型晶体管型晶体管晶晶体体管管的的物物理理结结构构有有如如下下特特点点：发发射射区区相相对对基基区区重重掺掺杂杂；基基区区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。4445第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理一、发射区向基区注入电子一、发射区向基区注入电子电子注入电流电子注入电流IEN，空穴注入电流空穴注入电流IEP二、基区中自由电子边扩散二、基区中自由电子边扩散边复合边复合基区复合电流基区复合电流IBN三、集电区收集自由电子三、集电区收集自由电子收集电流收集电流ICN反向饱和电流反向饱和电流ICBO4.4.1晶体管的工作原理晶体管的工作原理4546第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理晶晶体体管管三三个个极极电电流流与与内内部部载载流流子子电电流的关系：流的关系：4647第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理IC=ICN+ICBOICN=IC-ICBO定义：定义：，称为穿透电流，称为穿透电流IB=0ICIB=IBN-ICBO4748第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理共发射极直流电流放大倍数：共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：换算关系：晶体管的放大能力参数晶体管的放大能力参数4849第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理晶体管的极电流关系晶体管的极电流关系 描述：描述：描述：描述：4950第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4.2晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 一、输出特性一、输出特性测试线路测试线路RB保持不变，则保持不变，则IB保持不变，保持不变，增大增大RC或减小或减小UCC,得到一得到一条输出特性曲线。改变条输出特性曲线。改变IB，增大增大RC或减小或减小UCC,得到另得到另外一条输出特性曲线外一条输出特性曲线5051第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC=IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。5152第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UBE 0,UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏，IBIC，UCE（sat）称为饱和压降称为饱和压降。临界饱和临界饱和BE结正偏结正偏BC结零偏结零偏5253第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:UBE0，UBCIC，深饱和时，深饱和时，UCE（sat）0.3V(3)截止区：截止区：BE结反偏，结反偏，BC结反偏，结反偏，iB-ICBO极电流绝对值很小极电流绝对值很小5556第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、二、输入特性输入特性UCE 1ViB(A)uBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗锗管管0.2V。5657第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理基区调宽效应基区调宽效应当当UCE0时，由于时，由于BC结反偏，结反偏，随着随着UCE增增大，大，BC结空间电荷区变厚，基区变薄，结空间电荷区变厚，基区变薄，内部复合减弱，致使基极电流变小，称内部复合减弱，致使基极电流变小，称为基区调宽效应。为基区调宽效应。5758第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4.3晶体管的近似伏安特性和简化直流模型晶体管的近似伏安特性和简化直流模型 近似伏安特性近似伏安特性简化直流模型简化直流模型I I放大区放大区IIII饱和区饱和区IIIIII截止区截止区5859第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4.4直流偏置下晶体管的工作状态分析直流偏置下晶体管的工作状态分析实实际际应应用用需需要要使使晶晶体体管管处处于于放放大大状状态态、饱饱和和状状态态或或截截止止状状态态，从从而而实现不同的功能。这是通过控制发射结和集电结的正偏与反偏来实现的。实现不同的功能。这是通过控制发射结和集电结的正偏与反偏来实现的。确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤：确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤：1根根据据外外电电路路电电源源极极性性判判断断发发射射结结是是正正偏偏还还是是反反偏偏。如如果果发发射射结结反反偏偏或或正正偏偏电电压压不不到到|UBE(on)|，则则晶晶体体管管处处于于截截止止状状态态，IB、IC和和IE均均为为零，再由外电路计算极间电压零，再由外电路计算极间电压UBE、UCE和和UCB；2如如果果第第1步步判判断断发发射射结结正正偏偏电电压压达达到到|UBE(on)|，则则晶晶体体管管处处于于放放大大状状态态或或饱饱和和状状态态，再再判判断断集集电电结结是是正正偏偏还还是是反反偏偏。如如果果集集电电结结反反偏偏，则则晶晶体体管管处处于于放放大大状状态态，这这时时UBE=UBE(on)。根根据据外外电电路路和和UBE(on)计计算算IB，接接下下来来IC=IB，IE=IB+IC。再再由由这这三三个个极极电电流流和和外外电电路路计计算算UCE和和UCB；3如如果果第第2步步判判断断集集电电结结正正偏偏，则则晶晶体体管管处处于于饱饱和和状状态态。这这时时UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)，UCB=UCE-UBE，再再由由这这三三个个极极间间电电压压和和外外电路计算电路计算IB、IC和和IE。5960第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.4.1晶体管直流偏置晶体管直流偏置电路如路如图所示，已知晶体管的所示，已知晶体管的UBE(on)=0.6V，=50。当当输入入电压UI分分别为0V、3V和和5V时，判断晶体管的工作状，判断晶体管的工作状态，并并计算算输出出电压UO。解解：晶晶体体管管三三个个极极电电流流的的正正方方向向如如图图中中所所示示。当当UI=0V时时，晶晶体体管管处处于于截截止止状状态态，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；当当UI=3V时时，晶晶体体管管处处于于放放大大或或饱饱和和状状态态，假假设设晶晶体体管管处处于于放放大大状状态态，IB=UI-UBE(on)/RB=40 A，IC=IB=2mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V0，所所以以集集电电结结反反偏偏，假假设设成成立立，UO=UC=4V；当当UI=5V时时，计计算算得得到到UCB=-3.28V0，所以晶体管处于饱和状态，所以晶体管处于饱和状态，UO=UCE(sat)。6061第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.4.2晶体管直流偏置晶体管直流偏置电路如路如图所示，已知晶体管的所示，已知晶体管的UBE(on)=-0.7V，=50。判断晶体管的工作状判断晶体管的工作状态，并并计算算IB、IC和和UCE。解解：图图中中晶晶体体管管是是PNP型型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+)IBRE=-0.7V，得得到到IB=-37.4 A0，所所以以晶晶体体管管处处于于放放大大或或饱饱和和状状态态。IC=IB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V0，所所以以集集电电结结反反偏偏，晶晶体体管管处处于于放放大大状状态态，IB=-37.4 A，IC=-1.87mA，UCE=UCB+UBE(on)=-4.44V。6162第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB=-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC(sat)临界饱和电流：临界饱和电流：Q位于截止区位于截止区6263第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICIC(sat)(=1.88mA)，Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB=2V时：时：6364第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理USB=5V时时:例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB已不是已不是 倍的关系。倍的关系。6465第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4.5晶体管应用电路举例晶体管应用电路举例一、对数和反对数运算电路一、对数和反对数运算电路晶体管的电流方程晶体管的电流方程图中，图中，UO=-UBE=-UTln(IC/IS)，又又IC=UI/R，所以所以这样就实现了对数运算。这样就实现了对数运算。6566第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理图图中中，输输出出电电压压UO=ICR=-ISR exp(-UBE/UT)，而而输入电压输入电压UI=-UBE，因此因此从而实现了从而实现了UO和和UI之间的反对数之间的反对数(指数指数)运算。运算。6667第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、二、值测量电路值测量电路图图示示电电路路用用以以测测量量晶晶体体管管的的共共发发射射极极电电流流放放大大倍倍数数 。因因为为IC=(U1-U2)/R1，IB=UO/R2，所以所以据据此此可可以以根根据据电电压压表表的的读读数数UO，结结合合预预设设电电压压U1和和U2以以及及电电阻阻R1和和R2计算计算 。6768第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理三、恒流源电路三、恒流源电路如如图图所所示示，稳稳压压二二极极管管DZ的的稳稳定定电电压压UZ=6V。UZ通通过过集集成成运运放放A传传递递到到电电阻阻R2上上端端，于于是是有有IO=IC IE=UZ/R2=20mA。6869第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理作业：作业：4-10、11、12、166970第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理双极型晶体管双极型晶体管输入电阻小输入电阻小 输入电流输入电流 少子扩散导电少子扩散导电 易受温度易受温度 射线的影响射线的影响 集成度低集成度低结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管场效应管（Fieldeffecttransistor）输入电阻极大输入电阻极大 输入电流几乎为零输入电流几乎为零 多子漂多子漂移导电移导电 温度稳定性好温度稳定性好 便于集成便于集成4.5场效应管场效应管7071第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极一、结构一、结构导电沟道导电沟道4.5.1结型场效应管结型场效应管(JFET-JunctiontypeFieldEffectTransister)7172第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS7273第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS7374第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理工作原理（以工作原理（以P沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。7475第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。7576第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压UGSoff）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，间被夹断，这时，这时，即使即使UDS 0V，漏极漏极电流电流ID=0AID7677第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PGSDUDSUGSUGS UGSoff且且UDS0、UGD UGSoff时耗尽区的形状（沟道未夹断）时耗尽区的形状（沟道未夹断）NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID7778第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PGSDUDSUGSUGSUGSoff且且UDS较大时较大时UGDUGSoff时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。ID7879第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理GSDUDSUGSUGSUGSoff UGD=UGSoff时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为预夹断。预夹断。UDS增大则被夹断增大则被夹断区向下有所延伸。区向下有所延伸。ID7980第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理GSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSUGSth）感应出足够多电感应出足够多电子，这里出现以子，这里出现以电子导电为主的电子导电为主的N型导电沟道。型导电沟道。感应出电子感应出电子UGSth称为开启电压称为开启电压9192第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGS9293第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PNNGSDUDSUGS当当UDS较小较小时，时，导电沟道在导电沟道在两个两个N区间是区间是均匀的。均匀的。当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。9394第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PNNGSDUDSUGS夹断后，即使夹断后，即使UDS 继续增加，继续增加，ID仍呈恒流特仍呈恒流特性性。IDUDS增加，增加，UGD0可变电阻区可变电阻区恒恒流流区区夹断区夹断区9698第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理四、耗尽型四、耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0iDuGSUGSoff9899第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理输出特性曲线输出特性曲线iDu DS0UGS=0UGS099100第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理双极型晶体管双极型晶体管场效应晶体管场效应晶体管结构结构NPN型型结型结型N沟道沟道P沟道沟道PNP型型绝缘栅增强型绝缘栅增强型N沟道沟道P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型N沟道沟道P沟道沟道C、E不可倒置不可倒置D、S一般可倒置一般可倒置载流子载流子多子扩散、少子漂移多子扩散、少子漂移多子漂移多子漂移输入量输入量电流电流电压电压控制控制电流控制型电流控制型()电压控制型电压控制型(gm)噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大较小较小输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成双极型和场效应晶体管的比较双极型和场效应晶体管的比较100101第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比电路符号电路符号特性曲线特性曲线101102第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.5.1判断判断图中中场效效应管的工作状管的工作状态。=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，所所以以该该场场效效应应管管工工作作在在恒恒流流区区。图图(b)中中是是P沟沟道道增增强强型型MOSFET，UGS=-5(V)-UGS(th)，所以该场效应管工作在可变电阻区。所以该场效应管工作在可变电阻区。解解：图图(a)中中是是N沟沟道道JFET，UGS=0UGS(off)，所所以以该该场场效效应应管管工工作作在在恒恒流流区区或或可可变变电电阻阻区区，且且ID102107第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理作业：作业：4-17、4-18、4-19、4-23、4-24、4-25107