【正文】 半導(dǎo)體有兩種 N 型半導(dǎo)體 P 型半導(dǎo)體 一、 N 型半導(dǎo)體 (Negative) 在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價 雜質(zhì)元素 ， 如 磷 、 銻 、 砷等 ， 即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體 (或稱電子型 半導(dǎo)體 )。 15 本征半導(dǎo)體摻入 5 價元素后 ， 原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替 。 自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度 ， 即 n p 。 5 價雜質(zhì)原子稱為 施主原子。 空穴濃度多于電子濃度 ， 即 p n。 3 價雜質(zhì)原子稱為 受主原子 。 3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 載流子的數(shù)目 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體 ， 因而其導(dǎo)電能力大大改善 。 P N PN結(jié) 圖 PN 結(jié)的形成 一、 PN 結(jié)的形成 PN結(jié) 21 PN 結(jié)中載流子的運動 耗盡層 空間電荷區(qū) P N 1. 擴(kuò)散運動 2. 擴(kuò)散運動形成空間電荷區(qū) 電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動 。 P N （ 動畫 13） 22 3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 P N 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 Uho 空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 Uho —— 電位壁壘 ； —— 內(nèi)電場 ；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散 —— 阻擋層 。 少子的 運 動 與多 子 運 動方向相反 阻擋層 23 5. 擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡 擴(kuò)散運動使空間電荷區(qū)增大 ， 擴(kuò)散電流逐漸減??； 隨著內(nèi)電場的增強(qiáng) ， 漂移運動逐漸增加； 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時 ， PN 結(jié)總的電流等于零 ， 空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定 。 P N 不對稱結(jié) 24 二、 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦? 1. PN結(jié) 外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài) 又稱正向偏置，簡稱正偏。 圖 P N 什么是 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕? 有什么作用？ 第四版童詩白 25 在 PN 結(jié)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。 26 耗盡層 圖 PN 結(jié)加反相電壓時截止 反向電流又稱 反向飽和電流 。 P N 外電場方向 內(nèi)電場方向 V R IS 27 當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時 ， 回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流 ， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài) ； 當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時 ， 回路中反向電流非常小 ， 幾乎等于零 ， PN 結(jié)處于 截止?fàn)顟B(tài) 。 28 )1e(S ?? TUuIiIS ：反向飽和電流 UT ：溫度的電壓當(dāng)量 在常溫 (300 K)下， UT ? 26 mV 三、 PN 結(jié)的電流方程 PN結(jié)所加端電壓 u與流過的電流 i的關(guān)系為 )1e(S ?? ktuqIi公式推導(dǎo)過程略 29 四、 PN結(jié)的伏安特性 i = f (u )之間的關(guān)系曲線 。 電容效應(yīng)包括兩部分 勢壘電容 擴(kuò)散電容 1. 勢壘電容 Cb 是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。 勢壘電容的大小可用下式表示： lSUQC ???ddb 由于 PN 結(jié) 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(shù) 。 ? ：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)； S ：結(jié)面積； l ：耗盡層寬度 。 在某個正向電壓下 ， P 區(qū)中的電子濃度 np(或 N 區(qū)的空穴濃度 pn)分布曲線如圖中曲線 1 所示 。 O x nP Q 1 2 ? 當(dāng)加反向電壓時 ， 擴(kuò)散運動被削弱 ， 擴(kuò)散電容的作用可忽略 。 圖 P N PN 結(jié) 33 綜上所述： PN 結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢壘電容 Cb 和擴(kuò)散電容 Cd 兩部分 。 當(dāng)反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為 Cj ? Cb。 34 半導(dǎo)體二極管 在 PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。 36 3 平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中。 2 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。 二極管的特性對溫度很敏感， 具有負(fù)溫度系數(shù)。 第四版童詩白 40 二極管 等效電路 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 1. 理想模型 第四版童詩白 41 二極管 等效電路 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 2. 恒壓降模型 第四版童詩白 42 二極管 等效電路 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 3. 折線模型 第四版童詩白 43 二、二極管的微變等效電路 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。 rZ =?VZ /?IZ (3)最大耗散功率 PZM (4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin (5)溫度系數(shù) ——?VZ 二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 第四版童詩白 47 ↓ 穩(wěn)壓電路 正常穩(wěn)壓時 UO =UZ 不加 R可以嗎？ 上述電路 UI為正弦波，且幅值大于 UZ ， UO的波形是怎樣的？ （ 1） .設(shè)電源電壓波動 (負(fù)載不變 ) UI ↑→UO↑→UZ↑→ IZ↑ ↓ UO↓←UR ↑ ← IR ↑ （ 2） .設(shè)負(fù)載變化 (電源不變 ) IO P25例 +RIR+RLIOVOV IIZDZUO UI 第四版童詩白 RL → ↑ 如電路參數(shù)變化？ 48 例 1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用 RL ui uO R DZ i iz iL UZ 穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值 UZ=10V， Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻 RL=2k?，輸入電壓 ui=12V，限流電阻R=200 ?，求 iZ。 有光照時，分布在第三、四象限。 (Bipolar Junction Transistor) 三極管的外形如下圖所示 。 主要以 NPN 型為例進(jìn)行討論 。 圖 三極管的結(jié)構(gòu) (a)平面型 (NPN) (b)合金型 (PNP) N e c N P b 二氧化硅 b e c P N P e 發(fā)射極，b基極，c 集電極。 三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號 (b)PNP 型 58 晶體管的電流放大作用 以 NPN 型三極管為例討論 c N N P e b b e c 表面看 三極管若實現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和 外部所加電源的極性 來保證。 2. 基區(qū)做得很薄 。 三極管放大的外部條件 ：外加電源的極性應(yīng)使 發(fā)射結(jié)處于正向偏置 狀態(tài) ， 而 集電結(jié)處于反向偏置 狀態(tài) 。 60 b e c Rc Rb 一、晶體管內(nèi)部載流子的運動 I E IB 1. 發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運動形成發(fā)射極電流 發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū) —形成發(fā)射極電流 IE (基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略 )。 多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。 其能量來自外接電源 VCC 。 ICBO 晶體管內(nèi)部載流子的運動 62 b e c e Rc Rb 二、晶體管的電流分配關(guān)系 IEp ICBO IC IB IEn IBn ICn IC = ICn + ICBO IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp IB=IEP+ IBN－ ICBO IE =IC+IB 圖 63 三、晶體管的共射電流放大系數(shù) C B OBC B OCIIII????C E OBC B OBC )1( IIIII ????? ???整理可得： ICBO 稱反向飽和電流 ICEO 稱穿透電流 共射直流電流放大系數(shù) BC II ??BE I1I ）（ ???共射交流電流放大系數(shù) BCΔΔII???? ?VCC Rb + VBB C1 T IC IB C2 Rc + 共發(fā)射極接法 64 共基直流電流放大系數(shù) ECnII?? C BOEC BOCnC IIIII ???? ?????? 1 ????? 1或 共基交流電流放大系數(shù) ECΔΔii?? 直流參數(shù) 與交流參數(shù) ?、 ? 的含義是不同的 ，但是 ， 對于大多數(shù)三極管來說 ， ? 與 ， ? 與 的數(shù)值卻差別不大 ， 計算中 ， 可不將它們嚴(yán)格區(qū)分 。 (1) 當(dāng) uCE=0V時，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。此時， 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小 。此時， uBE小于死區(qū)電壓，集電結(jié)反偏 。此時， 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 。 ? U EBO——集電極開路時發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。 幾個擊穿電壓有如下關(guān)系 UCBO＞ UCEO＞ UEBO 第四版童詩白 70 由 PCM、 ICM和 UCEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。 反之，當(dāng)溫度降低時 ICBO減少。 二、溫度對輸入特性的影響 溫度升高時正向特性左移， 反之右移 60 40 20 0 I / mA U / V 溫度對輸入特性的影響 200 600 三、溫度對輸出特性的影響 溫度升高將導(dǎo)致 IC 增大 iC uCE O iB 200 600 溫度對輸出特性的影響 第四版童詩白 72 三極管工作狀態(tài)的判斷 [例 1]： 測量某 NPN型 BJT各電極對地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)域？ （ 1） VC ＝ 6V VB ＝ VE ＝ 0V （ 2） VC ＝ 6V VB ＝ 4V VE ＝ （ 3） VC ＝ VB ＝ 4V VE ＝ 解： 原則： 正偏 反偏 反偏 集電結(jié) 正偏 正偏 反偏 發(fā)射結(jié) 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(qū) （ 2）截止區(qū) （ 3）飽和區(qū) 第四版童詩白 73 [例 2] 某放大電路中 BJT三個電極的電流如圖所示。 解：電流判斷法。 IE=IB+ IC A B C IA IB IC C為發(fā)射極 B為基極 A為集電極。 管 腳、管型的判斷法也可采用萬用表電阻法。 第四版童詩白 74 例 [3]： 測得工作在 放大電路中 幾個晶體管三個電極的電位U U U3分別為： （ 1） U1=、 U2=、 U3=12V （ 2） U1=3V、 U2=、 U3=12V （ 3） U1=6V、 U2=、 U3=12V （ 4） U1=6V、 U2=、 U3=12V 判斷它們是 NPN型還是 PNP型 ？ 是硅管還是鍺管 ？ 并確定 e、b、 c。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 PNP管 UBE＜ 0， UBC＜ 0， 即 UC ＜ UB ＜ UE 。 場效應(yīng)管分類 結(jié)型場效應(yīng)管 絕緣柵場效應(yīng)管 特點 單極型器件 (一種載流子導(dǎo)電 )； 輸入電阻高； 工藝簡單 、 易集成 、 功耗小 、 體積小 、成本低 。 導(dǎo)電溝道是 N 型的 ，稱 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管 。 符號 G D S 第四版童詩白 81 一、結(jié)型場效應(yīng)管工作原理 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管 用改變 UGS 大小來控制漏極電流 ID 的 。 *耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū) 。 ID = 0 G D S