數(shù)電模電課件全集匯總

1 第 一 章 半 導 體 器 件軟 件 學 院侯 剛 2 主 要 內 容 1.1 半 導 體 基 礎 知 識 1.2 二 極 管 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管 1.4 其 它 類 型 二 極 管 1.5 半 導 體 三 極 管 1.6 場 效 應 管 3 1.1 半 導 體 基 礎 知 識 導 體 ： 自 然 界 中 很 容 易 導 電 的 物 質 稱 為 導體 ， 金 屬 一 般 都 是 導 體 。 絕 緣 體 ： 有 的 物 質 幾 乎 不 導 電 ， 稱 為 絕 緣體 ， 如 橡 皮 、 陶 瓷 、 塑 料 和 石 英 。 半 導 體 ： 另 有 一 類 物 質 的 導 電 特 性 處 于 導體 和 絕 緣 體 之 間 ， 稱 為 半 導 體 ， 如 鍺 、 硅 、砷 化 鎵 和 一 些 硫 化 物 、 氧 化 物 等 。 4 1.1 半 導 體 基 礎 知 識 半 導 體 的 導 電 機 理 不 同 于 其 它 物 質 ， 所以 它 具 有 不 同 于 其 它 物 質 的 特 點 。 半 導 體 的 特 點 ： 熱 敏 性 光 敏 性 摻 雜 性 5 1.1.1 本 征 半 導 體 完 全 純 凈 的 、 結 構 完 整 的 半 導 體 材 料 稱 為本 征 半 導 體 。 本 征 半 導 體 的 原 子 結 構 及 共 價 鍵 。共 價 鍵 內 的 兩 個 電 子由 相 鄰 的 原 子 各 用 一個 價 電 子 組 成 ， 稱 為束 縛 電 子 。 6 1.1.1 本 征 半 導 體 本 征 激 發(fā) 和 兩 種 載 流 子 自 由 電 子 和 空 穴 溫 度 越 高 ， 半 導 體 材 料 中 產 生 的 自 由 電 子 便 越 多 。 束縛 電 子 脫 離 共 價 鍵 成 為 自 由 電 子 后 ， 在 原 來 的 位 置 留 有 一 個空 位 ， 稱 此 空 位 為 空 穴 。 本 征 半 導 體 中 ， 自 由 電 子 和 空 穴 成對 出 現(xiàn) ， 數(shù) 目 相 同 。 7 1.1.1 本 征 半 導 體 空 穴 出 現(xiàn) 以 后 ， 鄰 近 的 束 縛 電 子 可 能 獲 取 足 夠 的 能 量 來填 補 這 個 空 穴 ， 而 在 這 個 束 縛 電 子 的 位 置 又 出 現(xiàn) 一 個 新 的 空位 ， 另 一 個 束 縛 電 子 又 會 填 補 這 個 新 的 空 位 ， 這 樣 就 形 成 束縛 電 子 填 補 空 穴 的 運 動 。 為 了 區(qū) 別 自 由 電 子 的 運 動 ， 稱 此 束縛 電 子 填 補 空 穴 的 運 動 為 空 穴 運 動 。 8 1.1.1 本 征 半 導 體 結 論(1) 半 導 體 中 存 在 兩 種 載 流 子 ， 一 種 是 帶 負 電 的 自 由 電 子 ，另 一 種 是 帶 正 電 的 空 穴 ， 它 們 都 可 以 運 載 電 荷 形 成 電 流 。 (2) 本 征 半 導 體 中 ， 自 由 電 子 和 空 穴 結 伴 產 生 ， 數(shù) 目 相 同 。(3) 一 定 溫 度 下 ， 本 征 半 導 體 中 電 子 空 穴 對 的 產 生 與 復 合 相對 平 衡 ， 電 子 空 穴 對 的 數(shù) 目 相 對 穩(wěn) 定 。(4) 溫 度 升 高 ， 激 發(fā) 的 電 子 空 穴 對 數(shù) 目 增 加 ， 半 導 體 的 導 電能 力 增 強 。 空 穴 的 出 現(xiàn) 是 半 導 體 導 電 區(qū) 別 導 體 導 電 的 一 個 主要 特 征 。 9 1.1.2 雜 質 半 導 體 在 本 征 半 導 體 中 加 入 微 量 雜 質 ， 可 使 其 導 電 性能 顯 著 改 變 。 根 據(jù) 摻 入 雜 質 的 性 質 不 同 ， 雜 質 半 導體 分 為 兩 類 ： 電 子 型 （ N型 ） 半 導 體 和 空 穴 型 （ P型 ） 半 導 體 。N 型 半 導 體 ： 自 由 電 子 濃 度 大 大 增 加 的 雜 質 半 導體 ， 也 稱 為 電 子 半 導 體 。P 型 半 導 體 ： 空 穴 濃 度 大 大 增 加 的 雜 質 半 導 體 ， 也稱 為 空 穴 半 導 體 。 10 1.1.2 雜 質 半 導 體1、 N型 半 導 體 在 硅 （ 或 鍺 ） 半 導 體 晶 體 中 ， 摻 入 微 量 的 五 價 元 素 ， 如磷 （ P） 、 砷 （ As） 等 ， 則 構 成 N型 半 導 體 。 五 價 的 元 素 具 有 五 個 價 電 子 ， 它 們 進 入 由 硅 （ 或 鍺 ） 組成 的 半 導 體 晶 體 中 ， 五 價 的 原 子 取 代 四 價 的 硅 （ 或 鍺 ） 原子 ， 在 與 相 鄰 的 硅 （ 或 鍺 ） 原 子 組 成 共 價 鍵 時 ， 因 為 多 一 個價 電 子 不 受 共 價 鍵 的 束 縛 ， 很 容 易 成 為 自 由 電 子 ， 于 是 半 導體 中 自 由 電 子 的 數(shù) 目 大 量 增 加 。 自 由 電 子 參 與 導 電 移 動 后 ，在 原 來 的 位 置 留 下 一 個 不 能 移 動 的 正 離 子 。 每 個 五 價 原 子 給出 一 個 電 子 ， 稱 為 施 主 原 子 。 11 1.1.2 雜 質 半 導 體N型 半 導 體 的 共 價 鍵 結 構 N型 半 導 體 中 的 載 流 子 ：(1) 由 施 主 原 子 提 供 的 電 子 ，濃 度 與 施 主 原 子 相 同 。(2) 本 征 半 導 體 中 成 對 產 生的 電 子 和 空 穴 。 摻 雜 濃 度 遠 大 于 本 征 半導 體 中 載 流 子 濃 度 ， 所 以 ，自 由 電 子 濃 度 遠 大 于 空 穴 濃度 。 自 由 電 子 稱 為 多 數(shù) 載 流子 (多 子 )， 空 穴 稱 為 少 數(shù) 載 流 子 (少 子 )。 12 1.1.2 雜 質 半 導 體2、 P型 半 導 體 在 硅 （ 或 鍺 ） 半 導 體 晶 體 中 ， 摻 入 微 量 的 三 價 元 素 ，如 硼 （ B） 、 銦 （ In） 等 ， 則 構 成 P型 半 導 體 。 三 價 的 元 素 只 有 三 個 價 電 子 ， 在 與 相 鄰 的 硅 （ 或 鍺 ） 原子 組 成 共 價 鍵 時 ， 由 于 缺 少 一 個 價 電 子 ， 在 晶 體 中 便 產 生 一個 空 位 ， 鄰 近 的 束 縛 電 子 如 果 獲 取 足 夠 的 能 量 ， 有 可 能 填 補這 個 空 位 ， 使 原 子 成 為 一 個 不 能 移 動 的 負 離 子 。 由 于 三 價 原子 接 受 電 子 ， 所 以 稱 為 受 主 原 子 。 13 1.1.2 雜 質 半 導 體 P型 半 導 體 中 的 共 價 鍵 結 構 P 型 半 導 體 中 空 穴 是多 子 ， 電 子 是 少 子 。 14 1.1.2 雜 質 半 導 體 雜 質 半 導 體 的 示 意 表 示 P 型 半 導 體 + + + + + +N 型 半 導 體雜 質 型 半 導 體 多 子 和 少 子 的 移 動 都 能 形 成 電 流 。 但 由 于 數(shù)量 的 關 系 ， 起 導 電 作 用 的 主 要 是 多 子 。 近 似 認 為 多 子 與 雜 質 濃 度 相 等 。 15 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性 利 用 半 導 體 的 制 作 工 藝 ， 在 同 一 片 半 導 體基 片 上 ， 分 別 制 造 P型 半 導 體 和 N型 半 導 體 ，經(jīng) 過 載 流 子 的 擴 散 ， 在 它 們 的 交 界 面 處 就形 成 了 PN結 。 PN結 具 有 單 一 型 半 導 體 所 不 具 有 的 新 特 性 ，利 用 這 種 新 特 性 可 以 制 造 出 各 種 半 導 體 器件 。 如 二 極 管 、 三 極 管 和 場 效 應 管 等 。 16 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性1、 PN結 的 形 成 多 數(shù) 載 流 子 因 濃 度 上 的 差 異 而 形 成 的 運動 稱 為 擴 散 運 動 。 17 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性 擴 散 運 動 的 結 果 ， 在 交 界 面 P區(qū) 一 側 因 失 去 了 空 穴 而 出 現(xiàn)負 離 子 區(qū) ； 而 N區(qū) 一 側 因 失 去 自 由 電 子 出 現(xiàn) 了 正 離 子 區(qū) 。 正 負 離 子 都 被 束 縛 在 晶 格 內 不 能 移 動 ， 于 是 在 交 界 面 兩 側形 成 了 正 、 負 空 間 電 荷 區(qū) 。 在 空 間 電 荷 區(qū) 內 可 以 認 為 載 流子 已 被 “ 耗 盡 ” ， 故 又 稱 耗 盡 區(qū) 或 耗 盡 層 。 18 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性 空 間 電 荷 區(qū) 出 現(xiàn) 后 ， 因 為 正 負 電 荷 的 作 用 ， 將產 生 一 個 從 N區(qū) 指 向 P區(qū) 的 內 電 場 。 內 電 場 的 方 向 ，會 對 多 數(shù) 載 流 子 的 擴 散 運 動 起 阻 礙 作 用 。 同 時 ， 內電 場 則 可 推 動 少 數(shù) 載 流 子 （ P區(qū) 的 自 由 電 子 和 N區(qū) 的空 穴 ） 越 過 空 間 電 荷 區(qū) ， 進 入 對 方 。 少 數(shù) 載 流 子 在內 電 場 作 用 下 有 規(guī) 則 的 運 動 稱 為 漂 移 運 動 。 漂 移 運動 和 擴 散 運 動 的 方 向 相 反 。 無 外 加 電 場 時 ， 通 過 PN結 的 擴 散 電 流 等 于 漂 移 電 流 ， PN結 中 無 電 流 流 過 ，PN結 的 寬 度 保 持 一 定 而 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。 19 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性2、 PN結 的 單 向 導 電 性 處 于 平 衡 狀 態(tài) 下 的 PN結 沒 有 實 用 價 值 。如 果 在 PN結 兩 端 加 上 不 同 極 性 的 電 壓 ， PN結 會 呈 現(xiàn) 出 不 同 的 導 電 性 能 。 當 PN結 在 一 定 的 電 壓 范 圍 內 外 加 正 向 電壓 時 ， 處 于 低 電 阻 的 導 通 狀 態(tài) 。 當 外 加 反 向電 壓 時 ， 處 于 高 電 阻 的 截 止 狀 態(tài) ， 這 種 導 電特 性 ， 就 是 PN結 單 向 導 電 性 。 20 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性(1) PN結 外 加 正 向 電 壓 ： PN結 P端 接 高 電位 ， N端 接 低 電 位 ， 稱 PN結 外 加 正 向 電 壓 ，又 稱 PN結 正 向 偏 置 ， 簡 稱 為 正 偏 。 21 1.1.3 PN結 及 其 單 向 導 電 性(2) PN結 外 加 反 向 電 壓 ： PN結 P端 接 低 電位 ， N端 接 高 電 位 ， 稱 PN結 外 加 反 向 電 壓 ，又 稱 PN結 反 向 偏 置 ， 簡 稱 為 反 偏 。 22 1.2 二 極 管1.2.1 二 極 管 的 結 構 及 符 號 半 導 體 二 極 管 是 由 一 個 PN結 加 上 相 應 的 電 極 和 引 線 及 管殼 封 裝 而 成 的 。 由 P區(qū) 引 出 的 電 極 稱 為 陽 極 （ 正 極 ） ， N區(qū) 引 出 的 為 陰 極（ 負 極 ） 。 因 為 PN結 的 單 向 導 電 性 ， 二 極 管 導 通 時 的 電 流 方 向 是 由陽 極 通 過 管 子 內 部 流 向 陰 極 。 電 流 方 向 23 1.2.1 二 極 管 的 結 構 及 符 號 二 極 管 按 半 導 體 材 料 的 不 同 可 以 分 為 硅 二極 管 、 鍺 二 極 管 和 砷 化 鎵 二 極 管 等 。 按 結 構 不 同 可 分 為 點 接 觸 型 、 面 接 觸 型 和平 面 型 二 極 管 等 。 24 1.2.1 二 極 管 的 結 構 及 符 號 常 見 的 二 極 管 有 金 屬 、 塑 料 和 玻 璃 三 種封 裝 形 式 。 按 照 應 用 的 不 同 ， 二 極 管 分 為 整流 、 檢 波 、 開 關 、 穩(wěn) 壓 、 發(fā) 光 、 光 電 、 快 恢復 和 變 容 二 極 管 等 。 根 據(jù) 使 用 的 不 同 ， 二 極管 的 外 形 各 異 。 25 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 參 數(shù)1、 二 極 管 的 伏 安 特 性 曲 線 二 極 管 兩 端 的 電 壓 U及 其 流 過 二 極 管 的 電 流 I之 間 的 關系 曲 線 ， 稱 為 二 極 管 的 伏 安 特 性 曲 線 。 用 實 驗 的 方 法 ， 在 二極 管 的 正 極 和 負 極 加 上 不 同 極 性 和 不 同 數(shù) 值 的 電 壓 ， 同 時 測量 流 過 二 極 管 的 電 流 值 ， 就 得 到 二 極 管 的 伏 安 特 性 。 26 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 參 數(shù)伏 安 特 性 曲 線 27 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 參 數(shù)(1) 正 向 特 性 二 極 管 外 加 正 向 電 壓 時 ， 電 流 和 電 壓 的 關 系 稱為 二 極 管 的 正 向 特 性 。 當 二 極 管 所 加 正 向 電 壓 比 較小 時 （ 0UU T時 ： Te 1UU 當 外 加 反 向 電 壓 |U|UT時 Te 1UU I= Is 33 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 參 數(shù)4、 主 要 參 數(shù)（ 1） 最 大 整 流 電 流 IF 最 大 整 流 電 流 IF是 指 二 極 管 長 期 連 續(xù) 工 作 時 ，允 許 通 過 二 極 管 的 最 大 正 向 電 流 的 平 均 值 。（ 2） 反 向 擊 穿 電 壓 UBR 反 向 擊 穿 電 壓 是 指 二 極 管 擊 穿 時 的 電 壓 值 。（ 3） 反 向 飽 和 電 流 IS 它 是 指 管 子 沒 有 擊 穿 時 的 反 向 電 流 值 。 其 值 愈小 ， 說 明 二 極 管 的 單 向 導 電 性 愈 好 。 34 1.2.3 二 極 管 電 路 的 分 析 方 法 及 應 用（ 1） 二 極 管 理 想 模 型 如 果 二 極 管 正 向 壓 降 遠 小 于 和 它 串 聯(lián) 的電 路 的 電 壓 ， 反 向 電 流 遠 小 于 和 它 并 聯(lián) 的 電路 的 電 流 ， 則 可 忽 略 二 極 管 的 正 向 壓 降 和 反向 電 流 對 電 路 的 影 響 ， 即 認 為 二 極 管 具 有 理想 的 伏 安 特 性 。 理 想 的 二 極 管 可 以 用 一 個 理想 的 開 關 來 等 效 ， 正 偏 時 開 關 閉 合 ， 反 偏 時開 關 斷 開 。 35 1.2.3 二 極 管 電 路 的 分 析 方 法 及 應 用（ 2） 二 極 管 恒 壓 源 模 型 若 二 極 管 的 工 作 電 流 處 于 伏 安 特 性 曲 線 的 近 似 指 數(shù) 部分 ， 即 使 電 流 變 化 ， 二 極 管 的 端 電 壓 也 基 本 不 變 。 因 此 可 用一 條 與 實 際 伏 安 特 性 曲 線 基 本 重 合 的 垂 直 曲 線 來 代 替 原 特 性曲 線 。 相 應 的 電 路 模 型 叫 恒 壓 源 模 型 。 電 路 模 型 中 UD(on)是二 極 管 的 恒 定 導 通 電 壓 ， 對 硅 管 可 取 0.7V， 對 鍺 管 可 取0.3V。 利 用 二 極 管 的 恒 壓 源 模 型 時 ， 只 有 當 二 極 管 兩 端 正 向電 壓 大 于 U D(on)時 ， 二 極 管 才 有 電 流 流 過 ， 小 于 UD(on)時 ， 二極 管 截 止 。 這 個 模 型 與 二 極 管 的 伏 安 特 性 較 為 接 近 。 36 1.2.3 二 極 管 電 路 的 分 析 方 法 及 應 用 例 1-1 37 1.2.3 二 極 管 電 路 的 分 析 方 法 及 應 用 例 1-2 38 1.2.3 二 極 管 電 路 的 分 析 方 法 及 應 用 39 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管 穩(wěn) 壓 管 是 利 用 半 導 體 特 殊 工 藝 制 成 ， 實 質上 也 是 一 個 半 導 體 二 極 管 ， 外 形 也 相 似 ，因 為 具 有 穩(wěn) 定 電 壓 的 作 用 ， 稱 它 為 穩(wěn) 壓 管 。 在 電 子 電 路 中 ， 穩(wěn) 壓 管 工 作 于 反 向 擊 穿 狀態(tài) 。 擊 穿 電 壓 從 幾 伏 到 幾 十 伏 ， 反 向 電 流也 較 一 般 二 極 管 大 。 在 反 向 擊 穿 狀 態(tài) 下 正常 工 作 而 不 損 壞 ， 是 穩(wěn) 壓 管 的 特 點 。 40 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管1、 穩(wěn) 壓 管 的 伏 安 特 性 和 符 號 41 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管2、 穩(wěn) 壓 管 的 主 要 參 數(shù) 穩(wěn) 定 電 壓 UZ： 它 是 指 當 穩(wěn) 壓 管 中 的 電 流 為 規(guī) 定 值 時 ， 穩(wěn) 壓 管 在 電 路 中 其 兩 端產 生 的 穩(wěn) 定 電 壓 值 。 穩(wěn) 定 電 流 IZ： 它 是 指 穩(wěn) 壓 管 工 作 在 穩(wěn) 壓 狀 態(tài) 時 ， 穩(wěn) 壓 管 中 流 過 的 電 流 ， 有 最 小穩(wěn) 定 電 流 I Zmin和 最 大 穩(wěn) 定 電 流 IZmax之 分 。 動 態(tài) 電 阻 rZ： 指 穩(wěn) 壓 管 在 正 常 的 工 作 范 圍 內 ， 管 子 兩 端 電 壓 UZ的 變 化 量 和 管中 電 流 IZ的 變 化 量 之 比 ， 穩(wěn) 壓 管 反 向 特 性 曲 線 越 陡 ， rZ越 小 穩(wěn) 壓 性 能 越 好 。 rZ = UZ / IZ 42 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管3、 穩(wěn) 壓 管 的 典 型 穩(wěn) 壓 電 路 43 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管4、 例 題 ：負 載 電 阻 uoiZDZR iLiui RL5mA 20mA, V,10min max z zzWI IU穩(wěn) 壓 管 的 技 術 參 數(shù) : k2LR解 ： 令 輸 入 電 壓 達 到 上 限 時 ， 流 過 穩(wěn) 壓 管 的 電 流 為 I zmax 。求 ： 電 阻 R和 輸 入 電 壓 ui 的 正 常 值 。 mA25max LZWz RUIi 102521 RUiRu. zWi 方 程 1要 求 當 輸 入 電 壓 由 正 常 值 發(fā) 生 20%波 動 時 ， 負 載 電 壓 基 本 不 變 。 44 1.3 穩(wěn) 壓 二 極 管令 輸 入 電 壓 降 到 下 限 時 ，流 過 穩(wěn) 壓 管 的 電 流 為 Izmin 。mA10 min LZWz RUIi 101080 RUiRu. zWi 方 程 2 uoiZDZR iLiui RL聯(lián) 立 方 程 1、 2， 可 解 得 ： k50V7518 .R,.u i 45 1.4 其 它 類 型 二 極 管1、 發(fā) 光 二 極 管 發(fā) 光 二 極 管 是 一 種 光 發(fā) 射 器 件 ， 英 文 縮 寫 是 LED。此 類 管 子 通 常 由 鎵 （ Ga） 、 砷 （ As） 、 磷 （ P）等 元 素 的 化 合 物 制 成 ， 管 子 正 向 導 通 ， 當 導 通 電流 足 夠 大 時 ， 能 把 電 能 直 接 轉 換 為 光 能 ， 發(fā) 出 光來 。 目 前 發(fā) 光 二 極 管 的 顏 色 有 紅 、 黃 、 橙 、 綠 、白 和 藍 6種 ， 所 發(fā) 光 的 顏 色 主 要 取 決 于 制 作 管 子的 材 料 。 發(fā) 光 二 極 管 應 用 非 常 廣 泛 ， 常 用 作 各 種 電 子 設 備如 儀 器 儀 表 、 計 算 機 、 電 視 機 等 的 電 源 指 示 燈 和信 號 指 示 等 ， 還 可 以 做 成 七 段 數(shù) 碼 顯 示 器 等 。 發(fā)光 二 極 管 的 另 一 個 重 要 用 途 是 將 電 信 號 轉 為 光 信號 。 46 1.4 其 它 類 型 二 極 管 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D 87654321 D C B A Title Number RevisionSize D Date: 27-Sep-2007 Sheet of File: F:新知源講課白線檢測.DDB Drawn By: LED 47 1.4 其 它 類 型 二 極 管2、 光 電 二 極 管 光 電 二 極 管 又 稱 為 光 敏 二 極 管 ， 它 是 一 種 光 接 受 器 件 ， 其PN結 工 作 在 反 偏 狀 態(tài) ， 可 以 將 光 能 轉 換 為 電 能 ， 實 現(xiàn) 光電 轉 換 。 48 1.4 其 它 類 型 二 極 管3、 激 光 二 極 管 激 光 二 極 管 是 在 發(fā) 光 二 極 管 的 PN結 間 安 置 一 層 具有 光 活 性 的 半 導 體 ， 構 成 一 個 光 諧 振 腔 。 工 作 時接 正 向 電 壓 ， 可 發(fā) 射 出 激 光 。 激 光 二 極 管 的 應 用 非 常 廣 泛 ， 在 計 算 機 的 光 盤 驅動 器 ， 激 光 打 印 機 中 的 打 印 頭 ， 激 光 唱 機 ， 激 光影 碟 機 中 都 有 激 光 二 極 管 。 49 1.5 半 導 體 三 極 管 半 導 體 三 極 管 又 稱 晶 體 三 極 管 （ 下 稱 三極 管 ） ， 一 般 簡 稱 晶 體 管 ， 或 雙 極 型 晶 體管 。 它 是 通 過 一 定 的 制 作 工 藝 ， 將 兩 個 PN結結 合 在 一 起 的 器 件 ， 兩 個 PN結 相 互 作 用 ， 使三 極 管 成 為 一 個 具 有 控 制 電 流 作 用 的 半 導 體器 件 。 50 1.5.1 基 本 結 構 和 類 型 三 極 管 可 以 是 由 半 導 體 硅 材 料 制 成 ， 稱 為 硅 三 極 管 ； 也 可以 由 鍺 材 料 制 成 ， 稱 為 鍺 三 極 管 。 三 極 管 從 應 用 的 角 度 講 ， 種 類 很 多 。 根 據(jù) 工 作 頻 率 分 為 高頻 管 、 低 頻 管 和 開 關 管 ； 根 據(jù) 工 作 功 率 分 為 大 功 率 管 、 中功 率 管 和 小 功 率 管 。 51 1.5.1 基 本 結 構 和 類 型 三 極 管 從 結 構 上 來 講 分 為 兩 類 ： NPN型 三極 管 和 PNP型 三 極 管 。 52 1.5.1 基 本 結 構 和 類 型 符 號 中 發(fā) 射 極 上 的 箭 頭 方 向 ， 表 示 發(fā) 射 結正 偏 時 電 流 的 流 向 。 三 極 管 制 作 時 ， 通 常 它 們 的 基 區(qū) 做 得 很 薄（ 幾 微 米 到 幾 十 微 米 ） ， 且 摻 雜 濃 度 低 ；發(fā) 射 區(qū) 的 雜 質 濃 度 則 比 較 高 ； 集 電 區(qū) 的 面積 則 比 發(fā) 射 區(qū) 做 得 大 ， 這 是 三 極 管 實 現(xiàn) 電流 放 大 的 內 部 條 件 。 53 1.5.2 電 流 分 配 與 放 大 要 實 現(xiàn) 三 極 管 的 電 流 放 大 作 用 ， 首 先 要 給 三 極 管 各 電極 加 上 正 確 的 電 壓 。 三 極 管 實 現(xiàn) 放 大 的 外 部 條 件 是 ： 其 發(fā) 射結 必 須 加 正 向 電 壓 （ 正 偏 ） ， 而 集 電 結 必 須 加 反 向 電 壓 （ 反偏 ） 。1、 實 驗 在 電 路 中 ， 要 給 三 極 管 的 發(fā) 射 結 加 正 向 電 壓 ， 集 電 結 加反 向 電 壓 ， 保 證 三 極 管 能 起 到 放 大 作 用 。 改 變 可 變 電 阻 R b的值 ， 則 基 極 電 流 IB、 集 電 極 電 流 IC和 發(fā) 射 極 電 流 IE都 發(fā) 生 變化 ， 電 流 的 方 向 如 圖 中 所 示 。 54 1.5.2 電 流 分 配 與 放 大 實 驗 電 路 圖 55 1.5.2 電 流 分 配 與 放 大 由 實 驗 及 測 量 結 果 可 以 得 出 以 下 結 論 ：（ 1） 實 驗 數(shù) 據(jù) 中 的 每 一 列 數(shù) 據(jù) 均 滿 足 關 系 ：IE=IC+IB；（ 2） IEIC IB ， 而 且 有 IC與 IB的 比 值 近 似相 等 ， 設 為 ， 則 為 電 流 放 大 系 數(shù) ；（ 3） IB的 的 微 小 變 化 會 引 起 IC較 大 的 變 化 ； 56 1.5.2 電 流 分 配 與 放 大2、 三 極 管 實 現(xiàn) 電 流 分 配 的 原 理 上 述 實 驗 結 論 可 以 用 載 流子 在 三 極 管 內 部 的 運 動 規(guī) 律 來解 釋 。（ 1） 發(fā) 射 區(qū) 向 基 區(qū) 發(fā) 射 自 由 電 子 ，形 成 發(fā) 射 極 電 流 IE。（ 2） 自 由 電 子 在 基 區(qū) 與 空 穴 復 合 ，形 成 基 極 電 流 I B。（ 3） 集 電 區(qū) 收 集 從 發(fā) 射 區(qū) 擴 散 過來 的 自 由 電 子 ， 形 成 集 電 極 電流 IC。 57 1.5.2 電 流 分 配 與 放 大 結 論 ：（ 1） 要 使 三 極 管 具 有 放 大 作 用 ， 發(fā) 射 結 必 須正 向 偏 置 ， 而 集 電 結 必 須 反 向 偏 置 。（ 2） 一 般 有 1；（ 3） 三 極 管 的 電 流 分 配 及 放 大 關 系 式 為 ：IE=IC+IB IC=IB 58 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)1.三 極 管 的 特 性 曲 線 三 極 管 的 特 性 曲 線 是 指 三 極 管 的 各 電 極電 壓 與 電 流 之 間 的 關 系 曲 線 ， 它 反 映 出 三 極管 的 特 性 。 它 可 以 用 專 用 的 圖 示 儀 進 行 顯示 ， 也 可 通 過 實 驗 測 量 得 到 。 以 NPN型 硅 三極 管 為 例 ， 其 常 用 的 特 性 曲 線 有 以 下 兩 種 。 59 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)(1) 輸 入 特 性 曲 線 ： 它 是 指 一 定 集 電 極 和 發(fā) 射極 電 壓 UCE下 ， 三 極 管 的 基 極 電 流 IB與 發(fā) 射結 電 壓 UBE之 間 的 關 系 曲 線 。 60 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)(2) 輸 出 特 性 曲 線 ： 它 是 指 一 定 基 極 電 流 IB下 ， 三 極 管 的 集電 極 電 流 IC與 電 壓 UCE之 間 的 關 系 曲 線 。 61 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù) 一 般 把 三 極 管 的 輸 出 特 性 分 為 3個 工 作 區(qū) 域 ，下 面 分 別 介 紹 。 截 止 區(qū) 三 極 管 工 作 在 截 止 狀 態(tài) 時 ， 具 有 以 下 幾 個 特 點 ：（ a） 發(fā) 射 結 和 集 電 結 均 反 向 偏 置 ；（ b） UCUEUB， 有 IB、 IC近 似 為 0；（ c） 三 極 管 的 集 電 極 和 發(fā) 射 極 之 間 電 阻 很 大 ， 三極 管 相 當 于 一 個 開 關 斷 開 。 62 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù) 放 大 區(qū) ： 輸 出 特 性 曲 線 近 似 平 坦 的 區(qū) 域 稱 為 放 大區(qū) 。 三 極 管 工 作 在 放 大 狀 態(tài) 時 ， 具 有 以 下 特 點 ：（ a） 三 極 管 的 發(fā) 射 結 正 向 偏 置 ， 集 電 結 反 向 偏 置 ；對 NPN型 的 三 極 管 ， 有 電 位 關 系 ： UCUBUE； （ b） 基 極 電 流 IB微 小 的 變 化 會 引 起 集 電 極 電 流 IC較大 的 變 化 ， 有 電 流 關 系 式 ： IC=IB； 63 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù) 飽 和 區(qū) 三 極 管 工 作 在 飽 和 狀 態(tài) 時 具 有 如 下 特 點 ：（ a） 三 極 管 的 發(fā) 射 結 和 集 電 結 均 正 向 偏 置 ， 有 電 位 關 系UBUCUE（ b） 三 極 管 的 電 流 放 大 能 力 下 降 ， 通 常 有 ICIB；（ c） UCE的 值 很 小 ， 稱 此 時 的 電 壓 UCE為 三 極 管 的 飽 和 壓 降 ，用 UCES表 示 。 一 般 硅 三 極 管 的 UCES約 為 0.3V， 鍺 三 極 管的 UCES約 為 0.1V；（ d） 三 極 管 的 集 電 極 和 發(fā) 射 極 近 似 短 接 ， 三 極 管 類 似 于 一個 開 關 導 通 。 三 極 管 作 為 開 關 使 用 時 ， 通 常 工 作 在 截 止 和 飽 和 導 通 狀態(tài) ； 作 為 放 大 元 件 使 用 時 ， 一 般 要 工 作 在 放 大 狀 態(tài) 。 64 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)3、 主 要 參 數(shù) ：（ 1） 共 發(fā) 射 極 電 流 放 大 系 數(shù) (交 流 放 大 系 數(shù) )和 (直 流 放 大 系 數(shù) ) 它 是 指 從 基 極 輸 入 信 號 ， 從 集 電 極 輸 出 信 號 ， 此 種 接 法 （ 共 發(fā) 射極 ） 下 的 電 流 放 大 系 數(shù) 。（ 2） 極 間 反 向 電 流 集 電 極 基 極 間 的 反 向 飽 和 電 流 I CBO 集 電 極 發(fā) 射 極 間 的 穿 透 電 流 ICEO (衡 量 管 子 質 量 的 指 標 ) 65 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)（ 3） 極 限 參 數(shù) 集 電 極 最 大 允 許 電 流 ICM 集 電 極 最 大 允 許 功 率 損 耗 PCM 反 向 擊 穿 電 壓 U(BR)CEO 66 1.5.3 三 極 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)（ 4） 溫 度 對 三 極 管 參 數(shù) 的 影 響 ： 對 的 影 響 ： 隨 溫 度 的 升 高 而 增 大 。 對 反 向 飽 和 電 流 ICBO的 影 響 ： ICBO隨 溫 度上 升 會 急 劇 增 加 。 對 發(fā) 射 結 UBE的 影 響 ： 溫 度 升 高 ， UBE將下 降 。 67 1.6 場 效 應 管 場 效 應 管 是 比 較 新 型 的 半 導 體 器 件 ， 利 用電 場 效 應 來 控 制 晶 體 管 的 電 流 ， 因 而 得 名 。 場 效 應 管 具 有 很 高 的 輸 入 電 阻 ， 幾 乎 不 取信 號 源 的 輸 出 電 流 ， 因 而 功 耗 小 ， 體 積 小 ，易 于 集 成 化 。 場 效 應 管 被 廣 泛 應 用 于 模 擬 集 成 電 路 和 數(shù)字 集 成 電 路 中 。 68 1.6 場 效 應 管 場 效 應 管 按 其 結 構 可 分 為 結 (J)型 和 絕 緣 柵(MOS)型 場 效 應 管 ； 從 工 作 性 能 可 分 為 耗 盡 型 和 增 強 型 兩 類 ； 根 據(jù) 所 用 基 片 (襯 底 )材 料 不 同 ， 又 可 分 P溝道 和 N溝 道 兩 種 導 電 溝 道 ； 因 此 ， 有 結 型 P溝 道 和 N溝 道 ， 絕 緣 柵 耗 盡型 P溝 道 和 N溝 道 ， 及 增 強 型 P溝 道 和 N溝道 六 種 類 型 場 效 應 管 。 69 1.6.1 結 型 場 效 應 管 結 型 場 效 應 管 分 為 N溝 道 結 型 管 和 P溝 道 結型 管 ， 它 們 都 具 有 3個 電 極 ： 柵 極 、 源 極 和漏 極 ， 分 別 與 三 極 管 的 基 極 、 發(fā) 射 極 和 集電 極 相 對 應 。 70 1.6.1 結 型 場 效 應 管1、 結 型 場 效 應 管 的 結 構 與 符 號 (以 N溝 道 為 例 )漏 極 源 極柵 極 場 效 應 管 電 路 符號 上 的 箭 頭 總 是 P指 向 N的 。 71 1.6.1 結 型 場 效 應 管2、 N溝 道 結 型 場 效 應 管 的 工 作 原 理（ 1） 當 柵 源 電 壓 UGS=0時 ， 兩 個 PN結 的 耗盡 層 比 較 窄 ， 中 間 的 N型 導 電 溝 道 比 較 寬 ，溝 道 電 阻 小 。 72 1.6.1 結 型 場 效 應 管（ 2） 當 UGS0時 ， 兩 個 PN結 反 向 偏 置 ， PN結 的 耗 盡 層 變 寬 ， 中 間 的 N型 導 電 溝 道 相 應變 窄 ， 溝 道 導 通 電 阻 增 大 。 73 1.6.1 結 型 場 效 應 管U GS UP時 的 導 電 溝 道 74 1.6.1 結 型 場 效 應 管（ 3） 當 UP0時 ， 可 產 生 漏 極 電 流 ID。ID的 大 小 將 隨 柵 源 電 壓 UGS的 變 化 而 變 化 ， 從 而 實 現(xiàn) 電壓 對 漏 極 電 流 的 控 制 作 用 。 UDS的 存 在 ， 使 得 漏 極 附 近 的 電 位 高 ， 而 源 極附 近 的 電 位 低 ， 即 沿 N型 導 電 溝 道 從 漏 極 到 源 極 形成 一 定 的 電 位 梯 度 ， 這 樣 靠 近 漏 極 附 近 的 PN結 所 加的 反 向 偏 置 電 壓 大 ， 耗 盡 層 寬 ； 靠 近 源 極 附 近 的 PN結 反 偏 電 壓 小 ， 耗 盡 層 窄 ， 導 電 溝 道 成 為 一 個 楔 形 。 75 1.6.1 結 型 場 效 應 管 76 1.6.1 結 型 場 效 應 管 為 實 現(xiàn) 場 效 應 管 柵 源 電 壓 對 漏 極 電 流 的 控制 作 用 ， 結 型 場 效 應 管 在 工 作 時 ， 柵 極 和源 極 之 間 的 PN結 必 須 反 向 偏 置 。 77 1.6.1 結 型 場 效 應 管3.結 型 場 效 應 管 的 特 性 曲 線 及 主 要 參 數(shù)（ 1） 輸 出 特 性 曲 線 輸 出 特 性 曲 線 是 指 柵 源 電 壓 UGS一 定 時 ， 漏 極 電 流 ID與 漏源 電 壓 UDS之 間 的 關 系 曲 線 78 1.6.1 結 型 場 效 應 管 可 變 電 阻 區(qū) ： 在 UDS較 小 靠 近 特 性 曲 線 縱 軸 處 ， ID幾 乎 隨著 UDS線 性 增 加 。 隨 著 UGS的 改 變 ， ID隨 UDS線 性 增 加 的 比值 也 相 應 改 變 ， 因 此 ， 此 區(qū) 可 把 場 效 應 管 的 漏 、 源 極 之 間看 作 受 UGS控 制 的 可 變 電 阻 。 恒 流 區(qū) (飽 和 區(qū) )： 此 區(qū) 的 特 點 是 ID只 受 UGS的 控 制 而 幾 乎與 UDS無 關 ， 具 有 恒 流 特 點 。 因 為 ID不 隨 UDS增 大 而 增 大 ，達 到 飽 和 狀 態(tài) ， 故 又 稱 飽 和 區(qū) 。 擊 穿 區(qū) ： 當 UDS增 大 到 某 一 值 時 ， 柵 、 漏 間 PN結 會 發(fā) 生反 向 擊 穿 ， I D急 劇 增 加 ， 如 不 加 限 制 會 造 成 管 子 損 壞 。 截 止 區(qū) ： 當 UGS UP靠 近 特 性 曲 線 橫 軸 處 為 夾 斷 區(qū) ， 此時 管 子 處 于 截 止 狀 態(tài) 。 79 1.6.1 結 型 場 效 應 管（ 2） 轉 移 特 性 曲 線 在 場 效 應 管 的 UDS一 定 時 ， ID與 UGS之 間的 關 系 曲 線 稱 為 場 效應 管 的 轉 移 特 性 曲線 ， 它 反 映 了 場 效 應管 柵 源 電 壓 對 漏 極 電流 的 控 制 作 用 。 80 1.6.1 結 型 場 效 應 管 當 UGS=0時 ， 導 電 溝 道 電 阻 最 小 ， ID最 大 ，稱 此 電 流 為 場 效 應 管 的 飽 和 漏 極 電 流 IDSS。 當 UGS=UP時 ， 導 電 溝 道 被 完 全 夾 斷 ， 溝 道電 阻 最 大 ， 此 時 ID=0， 稱 UP為 夾 斷 電 壓 。 81 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管 絕 緣 柵 場 效 應 管 是 由 金 屬 （ Metal） 、 氧 化物 （ Oxide） 和 半 導 體 （ Semiconductor）材 料 構 成 的 ， 因 此 又 叫 MOS管 。 絕 緣 柵 場 效 應 管 分 為 增 強 型 和 耗 盡 型 兩 種 ，每 一 種 又 包 括 N溝 道 和 P溝 道 兩 種 類 型 。 82 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管1、 結 構 與 符 號 以 N溝 道 增 強 型 MOS管 為 例 ， 它 是 以 P型 半 導體 作 為 襯 底 ， 用 半 導 體 工 藝 技 術 制 作 兩 個 高 濃 度 的N型 區(qū) ， 兩 個 N型 區(qū) 分 別 引 出 一 個 金 屬 電 極 ， 作 為MOS管 的 源 極 S和 漏 極 D； 在 P形 襯 底 的 表 面 生 長 一層 很 薄 的 SiO2絕 緣 層 ， 絕 緣 層 上 引 出 一 個 金 屬 電 極稱 為 MOS管 的 柵 極 G。 B為 從 襯 底 引 出 的 金 屬 電極 ， 一 般 工 作 時 襯 底 與 源 極 相 連 。 83 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管 N溝 道 增 強 型 MOS管 的 結 構 與 符 號 84 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管2、 N溝 道 增 強 型 MOS管 的 工 作 原 理 在 柵 極 G和 源 極 S之 間 加 電 壓 UGS， 漏 極 D和 源 極S之 間 加 電 壓 UDS， 襯 底 B與 源 極 S相 連 。 85 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管3、 特 性 曲 線 輸 出 特 性 （ 漏 極 特 性 ） 曲 線 86 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管 轉 移 特 性 曲 線 87 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管 耗 盡 型 絕 緣 柵 場 效 應 管（ 1） 結 構 、 符 號 與 工 作 原 理 88 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管（ 2） 特 性 曲 線 89 1.6.2 絕 緣 柵 型 場 效 應 管 與 晶 體 管 的 比 較(1) 場 效 應 管 是 電 壓 控 制 器 件 ， 基 本 不 取 信 號 電 流 ， 在 只 允許 向 信 號 源 索 取 極 小 電 流 的 情 況 下 ， 應 采 用 場 效 應 管 ； 而三 極 管 是 電 流 控 制 器 件 ， 取 用 一 定 的 信 號 電 流 。(2) 場 效 應 管 為 單 極 型 器 件 ， 只 有 多 子 參 與 導 電 ； 三 極 管 既有 多 子 參 與 導 電 也 有 少 子 參 與 導 電 ， 因 此 為 雙 極 型 器 件 。場 效 應 管 具 有 較 好 的 溫 度 穩(wěn) 定 性 ， 且 輸 入 電 阻 高 ， 抗 輻 射 、抗 干 擾 能 力 強 。(3) 由 于 場 效 應 管 結 構 對 稱 ， 源 極 和 漏 極 可 互 換 ， 且 耗 盡 型的 MOS管 的 控 制 電 壓 U GS可 正 、 可 負 ， 具 有 一 定 靈 活 性 。(4) 場 效 應 管 還 具 有 工 藝 簡 單 、 易 集 成 和 占 用 芯 片 面 積 小 的優(yōu) 點 ， 尤 其 適 用 于 大 規(guī) 模 的 集 成 電 路 。 90 作 業(yè)書 后 習 題 ：1.1、 1.2、 1.3、 1.4、 1.6、 1.7、 1.8、 1.9