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第一章 电路和电路元件,上海大学 自动化系2009.10,1.4 电子器件,1.4.1 半导体的导电特性,1.4.2 杂质半导体,1.4.3 PN 结及其单向导电性,第一章 电路和电路元件,1.4.4 半导体二极管,1.4.5 双极型晶体管,1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管,半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、耗电少等特点，是组成各种电子电路的核心器件，在当今的电子技术中占有主导地位。因此，了解半导体器件是学习电子技术的基础。,1.4 电子器件,引言,1.4.1 半导体物理基础知识,半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化，这些特点决定了半导体在电子线路中的广泛用途。,1.4 电子器件,1.4.1 半导体物理基础知识-本征半导体,一、本征半导体,指纯单晶，理想化的。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,结构：,1.4 电子器件,A、纯,B、单晶,只有一种元素，没有杂质的东西（材料）常用Si,溶化后结晶，晶体的形状结构相同。,特征：,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子,共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而形成的相互作用力。,1.4 电子器件,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,1.4 电子器件,辐射方法,加热,本征半导体导电性能比金属导体差很多。但它具有热敏、光敏的特性。,如何导电？,强能量的量子撞击共价键,?,光照是一般采用的方法。,分子振动,破坏结构,电子掉下来，引起自由电子空穴,动画,1.4 电子器件,几个概念,（1）本征激发：当本征半导体的温度升高或受到光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子空穴。这种现象称为本征激发。本征激发形成:电子-空穴对（2）自由电子：价电子获得外部能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电荷。（3）空 穴：价电子成为自由电子后在共价键中留下的空位，带正电荷。（4）电子-空穴对：本征激发形成电子-空穴对。,1.4 电子器件,（5）漂移电流：自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移电流。（6）空穴电流：空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流。因为 相对于电子电流，价电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在与价电子运动相反的方向运动，因而空穴相对来说带正电荷，故其运动形成空穴电流。（7）复 合：自由电子在热运动过程中和空穴相遇而释放能量，造成电子-空穴对消失，这一过程称为复合。,1.4 电子器件,结论,一般来说：本征半导体，在热力学温度T=0k（开尔文）和没有外界影响如：光照、加热、外加电场等的条件下，其价电子均被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，所以不带电。,1.4 电子器件,在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）即：自由电子带负电；空 穴带正电。在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，而空穴的运动则形成空穴电流，在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的。电子电流与空穴电流的总和即半导体中的电流。,当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为,从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中非常重要。注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百分数，比如：硅的原子密度为 4.961022cm-3 因此，nisi仅为它的三万亿分之一，可见本征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率约为2.2105cm）。,杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。,N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子(施主原子)提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。,P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。,N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。,P型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，为多数载流子(多子)，自由电子为少数载流子(少子)。,1.4 电子器件,1.4.2 半导体物理基础知识-杂质半导体,1.4 电子器件,杂质半导体的示意表示法：,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,结论,不论P型或N型半导体，掺杂越多，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少，其浓度也小。掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力显著增大。在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的本征半导体。,注意：在今后的分析中，我们会遇到这样的问题：少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性变差的主要原因。而掺入不同的杂质，就能改变杂质半导体的导电类型，这也是制造PN结和半导体器件的一种主要方法。,本节小结,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,思考题：1.电子导电与空穴导电有什么区别？空穴电流是不是自由电子递补空穴所形成的？2.杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎么产生的？为什么杂质半导体中的少数载流子比本征半导体中的浓度还小。3.N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？,P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图(b)所示。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结形成,1.4 电子器件,PN结形成时，其内部载流子的运动主要是由于浓度差引起的，,开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图(b)所示。由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结形成,1.4 电子器件,几个重要概念：扩散运动 P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。漂移运动 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区在内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。,空间电荷区 在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。内部电场由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。耗尽层在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。,PN结内部载流子的运动过程如下：（无外加电场作用时）,N 区电子P 区 IDPN结两端掺杂浓度不均 扩散运动 P 区空穴N 区 P 区：电子 与空穴复合 空间电荷区宽复合 N 区：空穴 与电子复合 内部电场Uho P 区电子 N区空间电荷区窄 漂移 少子的漂移运动 N 区空穴 P区内部电场Uho,扩散 ID=IT 是动态平衡 趋于平衡 电场 扩散电流 ID 等于漂移电流 IT 流过空间电荷区的总电流为 0 即：PN 结中的净电流为 0。结论：在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，PN结内部的扩散与漂移运动达到动态平衡，扩散电流 ID=漂移电流 IT，但方向相反，故此时PN结中无电流通过，形成一定的宽度的耗尽层。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结形成,1.4 电子器件,实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，见上图(b)。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图18(a)，(b)所示。,P,N+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,耗尽区,图18不对称的PN结,(b),P+,N,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,耗尽区,(a),使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1-9所示。,+,使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图1-10所示。,图110 反向偏置的PN结,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结导电特性,1.4 电子器件,动画,理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，UT=26mV。这是一个今后常用的参数。,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结导电特性,由式可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/UT，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。因此，式(14)的结果与上述的结论完全一致。由式(14)可画出PN结的伏安特性曲线，如图所示。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结导电特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,PN结的伏安特性,一、PN结的击穿特性 由图111看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,1 雪崩击穿 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。,2 齐纳击穿 在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR 5V时为齐纳击穿；UBR介于57V时，两种击穿都有。,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性,二、PN结的电容特性 PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。1 势垒电容 从PN结的结构看，在导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似。当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的电荷量增加。,因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表示为,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性,(15),式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。,2 扩散电容 正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用图1-12中P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性,同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。如果引起Qn,Qp的电压变化量为u，则,(16),对PN+结，可以忽略Qp/u项。经理论分析可得,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性,式中：n为P区非平衡电子的平均命；I为PN结电流，由式(14)确 由式(15)、(16)可知，CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=CT+CD。正偏时以CD为主，Cj CD，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主，Cj CT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性,三、PN结的温度特性 PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图111中虚线所示。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV，即 u/T-(22.5)mV/(17)温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时，IS=IS1；温度为T2时，IS=IS2，则,(18),当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约为(75100)。,1.4 电子器件,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性,晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如图1-13(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。,利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管,普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点：,一、正向特性 正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用UD(on)表示。室温下，硅管的UD(on)=(0.50.6)V，锗管的 UD(on)=(0.10.2)V。二、反向特性 于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多。而且反向电压加大时，反向电流也略有增大。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-伏安特性,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-伏安特性,伏安特性（VAR）：与PN结的VAR差不多，二极管的VAR也服从PN结方程：I=IS(eU/UT-1)其他特性：由于一只二极管就是一个PN结，故二极管的特性与PN结的特性差不多，也同样具有：单向导电性、温度特性、反向击穿特性,下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义：一、直流电阻RD RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即,RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。RD的几何意义见图115(a)，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD。,(19),1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-参数,二、交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即,(110),rD的几何意义见图115(b)，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。rD可以通过对式(14)求导得出，即,(111),1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-参数,可见rD与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K):通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。,(112),1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-参数,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-参数,三、最大整流电流IF IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。四、最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取UBR的一半作为URM。五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。,六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-参数,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管-参数,二极管的选择,要求导通电压低时选锗管，要求反向电流小时选硅管。要求导通电流大时选平面型，要求反向工作频率高时选点接触型。要求反向击穿电压高时选硅管；要求耐高温时选硅管。,稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图121所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体稳压二极管,二、稳压二极管的主要参数 1.稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。2.额定功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体稳压二极管,3.稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。4.动态电阻rZ rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。rZ随工作电流增大而减小。rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。5.温度系数 是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常，UZ 7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数)；而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小,1.4 电子器件,1.4.4 半导体稳压二极管,三、稳压二极管稳压电路 稳压二极管稳压电路如图122所示。图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。R为限流电阻，RL为负载。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体稳压二极管,下面来说明限流电阻R的选择方法。由图121可知，当Ui,RL变化时，IZ应始终满足Izmin IZIZmax。设Ui的最小值为Uimin，最大值为Uimax；RL最小时IL的最大值为UZ/RLmin,RL最大时IL的最小值为UZ/RLmin。由图122可知，当Ui=Uimin,RL=RLmin时，IZ最小。这时应满足,即,当Ui=Uimax,RL=RLmax时，IZ最大。这时应满足,(113),1.4 电子器件,1.4.4 半导体稳压二极管,1.4 电子器件,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,1.4.4 稳压二极管的应用举例,1.4 电子器件,1.4.4 稳压二极管的应用举例,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,二极管的最重要的应用是作为“开关”。由此而引申出来的有整流、限幅及电平选择等诸多方面的应用。在任何应用电路中，最核心的问题是如何判断二极管是处于导通或是截止状态。如果是导通的，二极管即可视为短路或0.7V(锗材料为0.3V)，反之，是截止的，即可视为为开路。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图117(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输出波形见图117(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,动画,二、二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图118所示.,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,动画,一个简单的上限幅电路如图119(a)所示。利用图116(c)的二极管模型可知，当uiE+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui 2.7V时，V截止，二极管支路开路，uo=ui。图119(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,三、二极管电平选择电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图120(a)所示。设两路输入信号u1,u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1 u2，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2 u1，则V2导通，使V1截止。只有当u1=u2时，V1,V2才能都导通。可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图120(b)画出了当u1,u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作为逻辑0，由图120(b)可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,1.4 电子器件,1.4.4 半导体二极管应用,一、变容二极管 如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图123所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系由式(15)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。,1.4 电子器件,1.4.4 其他二极管简介,二、肖特基二极管 当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对应的电路符号如图124所示。,1.4 电子器件,1.4.4 其他二极管简介,三、光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图125示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。,1.4 电子器件,1.4.4 其他二极管简介,1N型半导体和P型半导体是本征半导体分别加入五价元素和三价元素的杂质半导体。N型半导体中，电子是多子而空穴是少子；P型半导体中，空穴是多子而电子是少子。多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。2P型和N型半导体结合，在交界面处形成PN结。PN结是构成半导体器件的基本单元，它具有单向导电特性、击穿特性和电容特性。3晶体二极管由PN结构成。大信号运用时表现为开关特性，即正偏时导通，反偏时截止。理想情况下，相当于开关闭合与断开。二极管的主要应用电路有整流、限幅及电平选择等。4 利用PN结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另外必须串接限流电阻。当输入电压波动或负载电阻改变时，稳压二极管通过调整自身电流的大小以维持其端电压基本稳定。,1.4 电子器件,1.4.4 小结,1.4 电子器件,1.4.5 双极性晶体管,双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-结构,晶体管的原理结构如图21(a)所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型P型N型结构，所以称为NPN管。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用图2-2说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,一、发射区向基区注入电子 由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP IEN，可忽略不计。因此，发射极电流IEIEN，其方向与电子注入方向相反。二、电子在基区中边扩散边复合 注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,三、扩散到集电结的电子被集电区收集 由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC、IB的另一部分电流。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：,(21a),(21b),(21c),式(21)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。,为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,(22),其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。值一般在20200之间。,确定了 值之后，由式(21)、(22)可得,(23a),(23b),(23c),式中：,(24),称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,(25a),(25b),式(25)是今后电路分析中常用的关系式。,为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为,(26),显然，1，一般约为0.970.99。,由式(26)、(21)，不难求得,(27a),(27c),(27b),1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,现在用图22来说明晶体管的放大作用。若在图中UBB上叠加一幅度为100mV的正弦电压ui，则正向发射结电压会引起相应的变化。由于e结正向电流与所加电压呈指数关系，所以发射极会产生一个较大的注入电流iE，例如为1mA。,动画,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-工作原理,小结,1.在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化2.晶体管放大的外部条件发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置3.放大作用的内部条件基区很薄且掺杂浓度很低。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-伏安特性,三极管的伏安特性反映了三极管电极之间电压和电流的关系。要正确使用三极管必须了解其伏安特性。输入特性 输出特性,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-输入特性,三极管的输入特性是在三极管的集电极与发射极之间加一定电压，即：UCE=常数时，基极电流IB和基极与发射极之间的电压UBE之间的关系。,与二极管正向特性一致。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-输入特性,放大状态时，硅NPN管UBE=0.60.7V；锗PNP管UBE=0.2 0.3V。,对硅管来说，当 UCE 1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流，但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。(当UCE更小，IB才会明显增加),硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.2V。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-输出特性,输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线(见下图)。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-输出特性,当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，当UCE继续增加时，IC 的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性。,当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB 增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。,通常将晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：,1.4 电子器件,(1)放大区,特性曲线进于水平的区域。在放大区，也称线性区。,此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。,(2)截止区,IB=0曲线以下的区域。IB=0时IC=ICEO。对于硅管当UBE 0.5V时即开始截止。为了可靠截止常使UBE0。,(3)饱和区,当UCE UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB的变化对IC影响较小，失去放大作用。,即：饱和时，晶体管的发射结处于正偏、集电结也处于正偏,即截止时两个PN结都反向偏置,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-伏安特性,各态偏置情况,放大区此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。,截止区即截止时两个PN结都反向偏置,饱和区饱和时，晶体管的发射结处于正偏、集电结也处于正偏,1.4 电子器件,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,晶体管的特性不仅可用特性曲线表示，还可用一些数据进行说明，即晶体管参数。它是设计电路和选用器件的依据。电流放大系数，集-基极反向截止电流 ICBO集-射极反向截止电流 ICEO集电极最大允许电流 ICM集-射极反向击穿电压 U(BR)EOC集电极最大允许耗散功率PCM,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,电流放大系数,当三极管接成共发射极电路时，在静态（无输入信号）时，集电极电流（输出电流）与基极电流（输入电流）的比值称为共发射极静态电流（直流）放大系数。,当三极管工作在动态（有输入信号）时，由基极电流的变化量引起的集电极电流的变化量与基点电流的变化量的比值成为动态电流（交流）放大系数。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同，但大多数情况下近似相等，可以借用进行定量估算。晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系，IC与IB成正比，也可认为是基本恒定的由于制造工艺的原因，晶体管的参数具有一定的离散性，即使是同一型号的晶体管，也不可能具有完全相同的参数。常用晶体管的值在20 100之间。近年来由于生产工艺的提高，值在100300之间的晶体管也具有很好的特性。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是当发射极开路时，C-B间PN结反向偏置的截止电流。它受温度影响很大，在室温下锗管的ICBO约为10A数量级、硅管的ICBO在1A以下数量级。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,集-射极反向截止电流 ICEO,ICEO是当基极开路时，集电结反偏和发射结正偏时C-E间通过的集电极电流，常称为穿透电流。尽管基极开路，由于集电结反偏仍有ICBO形成，它将通过发射结到发射极，这时将有IC=(1+)ICBO=ICEO,处于放大状态的晶体管有IC=IB+ICEO,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,集电极最大允许电流 ICM,在IC很大时，输出待性曲线变密，值减小。一般把减小到额定值的23时的IC值，称为集电极最大允许电流ICM。当IC超过ICM时，值显著下降，甚至有烧坏管子的可能。,1.4 电子器件,1.4.5 双极型晶体管-主要参数,集-射极反向击穿电压U(BR)EOC,它是基极开路时，C-E间的最大允许电压。当UCEU(BR)CEO时，ICEO突变，晶体管会被击穿损坏。,1.4 电子器件,