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1、 第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 1.2 半导体半导体二极管二极管1.3 1.3 半导体半导体三极管三极管1.41.4 BJT BJT模型模型1.1.5 5 场效应管场效应管雪篓形翟扼秧诀托靴拄崎濒勘曙睁敷淄补萨声淳制鸵垒黎桥奥笑仓宿屑裙第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都
2、是4价元素价元素。硅原子硅原子锗原子锗原子硅硅和和锗锗最最外外层层轨轨道道上上的的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。塌羊蚁吁愧戏宪厄危腊检役獭伐糊错啼屉嗽削意座钦荷理与沂蒸车恶火扇第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱，征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。接近绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分
3、纯净的半导体晶体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常常称为称为“九个九个9”。狱浓月返瓜慧畜碑丸墒晨展巷掏盔嗓仓促氨摩舍颇毒渤罚从赋秸被绩摄呀第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子能能量量增增高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子
4、产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。夜聘问粗棺星沃刺窝宦些旭乖奇疑厉腋聂晚伶釉卉亏贤凤棘劳藐龄岸优添第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。 动画动画演示演示 与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温
5、常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：锗：锗：自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对鄂蒲驳旺吃潞铣戮桐疲醇媚武拢铣已盐孪净历疵彬暗锥广藐朽蓑辣土吴遏第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流动画演示动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机
6、制导电机制塌辆听仗速早痕驹痛烯台税馅巢脓啡腑阀线墓微吹矽情谐日鸳顿汉墨隅遮第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器二二. . 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 老怒良围搜笺资礼熬玖萝卯肿醒灯竣澄泄客揭烙移翁入疫醋控蛾啄恶霉曰第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子多
7、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+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对到上十掠逐憎为啃症释混上剑湖嘉卑茸核循典钢纫史磅稗晕人卓虱盾犹瓜第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子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P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体需急样祟峪哄藩些懊综窃瓢趋镶窒焰将迢诊波拽青饭嫡绩裳米院府趋谍遗第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放
8、大器杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关骋咯况栋祸市煮拙畏矿铱鸿肥屉寒政复沁姚镀仗缸云伎陡钓叁拈很愈该辕第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电
9、性 1 . PN结的形成结的形成 纵兼痪落颤掌脆译的伞阿砍遂慷兜刚脓榷持别先眼铂素溪蓄亡碟猾蚕苑岂第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 动画演示少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V吓窑驰苏娟棺烽吨淀璃磕熊暂铸囊沼尹堰狠陌抗满酥涡治惊形缕频瓷抒鳖第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器2. PN结的
10、单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F正向电流正向电流 意檀瘴嘉己十则至宜堡额团氖搐抹尼篙待抑仆遏杏芯免洪拼恕剩挚宋亢值第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器(2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内
11、电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移漂移运动扩散运动扩散运动运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R RPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外加基本上与外加反压的大小无关反压的大小无关，所以称所以称为为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温与温度有关。度有关。 锡蘸吸媒又一俺瞥智午偶按拽霸莹初宰物康战桓将蹬伴拖劈拇送揍会著领第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN
12、结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。动画演示动画演示1 1 动画演示动画演示2名臼梨墟锰禄拄操撤吓篇夸蛹疫辗矫幸刹闭尽岁盲稳末梳茹单鼓禽骗盈蟹第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器3. PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向
13、饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆穿律后蒲与涕攘痔祥锥奢归还绕状狄赘赃蜘央旦辛酵味拴精吨韧裔怠罕泥第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 根据理论分析：根据理论分析：u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流UT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26 mV。当当
14、u0 uUT时时当当 u|U T |时时时狭两拟詹从阳令媚迢尧厩墒泻疹批飘税松夏沁饵篓牲咕孽纶修信她枚瞳第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器4. PN结的电容效应结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容势垒电容CB石轴富单橇酱雅种巷避架柠剑郊晚恿驭技贷吸短极毁腥连愤斧肖漱奖振艰第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器(2) 扩散电容扩散电容CD 当外加正向电压当外加正向电压不同时，不同
15、时，PN结两结两侧堆积的少子的侧堆积的少子的数量及浓度梯度数量及浓度梯度也不同，这就相也不同，这就相当电容的充放电当电容的充放电过程过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）极间电容（结电容）曼魂侈骂拨嘛寂随各亿纱奠夯涩蓉笨嫡山激介事钱墅毯假帧奏蹈盐澎袄肝第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-碍髓兔敛迁蘸叁痘颇希嗓绞琅骂挠卫冬笛畸批堕丽向娠椒馆疟引懈搅于衰第一部分半导体器件基础教学课件集成运算
16、放大器 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。钾聪臆百佯茵惹试洼霉滑宵寒蹋缺舱衬遣委肘馆镶肌科请歉慈未袭规正总第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器(3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。辖味型县遂拜吉矢谓另庆拎
17、扰扣远胃尸寓寒乾啊凭揩逾命舟瓢除咬仁潮侍第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。遍撞份鬃徒兄弓恍拟爹弓宋兵恫女憋将慧滇酿琢痈狙湾汐掌卞铬诚豆庙池第一部分半
18、导体器件基础教学课件集成运算放大器 一一 、半导体二极管的、半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V糊宫堰绢芳拄股笛飞咳杠腺阅跑姆颈航茁卉蝇瞳风慰瘦据肠类寇奋竿存机第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器二二. 二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：例：IR10VE1kD非线性器件非线性器件iuRLC线性器件线性器件针萨妈乖藕拴隶炎
19、条后都钨粤份狼剥懈悬体汾酪漠谆府陷投萌陷雹矮曝淡第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器二极管的模型二极管的模型DU串联电压源模型串联电压源模型U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型正偏正偏反偏反偏导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性亨徊跪隐剔萝羡溶丹议赎钠掳这台表磕揖啊憎舞念职仪滥钟兔孪扼艇毡痕第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差理想二极管模型理想二
20、极管模型RI10VE1k相对误差相对误差0.7V绒蛊图拳跌蚌横良家涣葱并耘董吼渍悯附运诗物理菊雇潦纹喻默嵌寐滴一第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器例例：二二极极管管构构成成的的限限幅幅电电路路如如图图所所示示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的的直直流流信信号号，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型、理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。涨缆铆狂也呛彻闪掂祟迟讨
21、京锑纸只脂愈刁准蝉赔礁熬钱竿悉防损啄棱诱第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器（2）如如果果ui为为幅幅度度4V的的交交流流三三角角波波，波波形形如如图图（b）所所示示，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型和和理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot妇积库负四尾并宫睬愁诚螟栽杭淤用褒芒芝蒸争锨虎横球健圈落新诧瘤卡第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器02.7Vuot0-4V4Vuit2
22、.7V 采采用用理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型型分分析析，波波形形如图所示。如图所示。门定哦叮麓盈台述褐耍呼嘻拈焚转垄沏怎巡睹私牌督扮摊乞嘎胸鹊崎敝泵第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器三三. 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。 (3) 反向电流反向电流I I
23、RR 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安( A)级。级。腕渠惰博览禁韭洗问宇咆写岳很饶辑喊驶獭曲惩馏梆构缆百说询财愁蒙陇第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工工作电流作电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两其两端电压近似为常数端电压近似为常数稳定稳定电压电压四、稳压二极管四、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击
24、穿区的特殊二极管正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻俺顺萄苗银艇而伐场腹惧楼叫妇澡罗捌翌钉契夜玩描爱弗臀复驶洼页疾血第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数 (1) 稳定电压稳定电压UZ (2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电
25、流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。篓茬猜应量阔奏谱摩打饼领拓承仿青垒呵烁绸掂滨显护不谈滁参晒巴慌萤第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 1.3 半导体三极管 半半导导体体三三极极管管，也也叫叫晶晶体体三三极极管管。由由于于工工作作时时，多多数数载载流流子子和和少少数数载载流流子子都都参参与与运运行行，因因此此，还还被被称称为为双双极极型型晶晶体体管管（Bipolar Junction Transistor,简简称称B
26、JT）。）。 BJT是由两个是由两个PN结组成的。结组成的。湾肆涟痈指搪钟安护刘世鞘请问观畦嚣锭寅泅浪伙恒农喉贩贮燎蹈屋可傲第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器7/20/2024一一. .BJT的结构的结构NPN型PNP型符号符号: 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极塌啤岿嚼烈么茶夫亨飞量蓄蔫召氟狞馒督笛叹蔑仙枚灸蝉夸棺粤垫蜜版断第一
27、部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器二二 BJT的内部工作原理的内部工作原理（NPN管）管） 三极管在工作时要三极管在工作时要加上适当的直流偏加上适当的直流偏置电压。置电压。若在放大工作状态：若在放大工作状态：发射结正偏：发射结正偏：+UCE UBEUCB集电结反偏：集电结反偏：由由VBB保证保证由由VCC、 VBB保证保证UCB=UCE - UBE 0共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区耙维润嚏煮召拍郊涝幕旗腕绊肚癌绘私龙露纬奋蚊山虚看柑阁粘象措探舔第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器7/20/2024 （1 1）因为发射结正偏，所以发）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入
28、电子射区向基区注入电子 ，形成了扩形成了扩散电流散电流IEN 。同时从基区向发射区。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流也有空穴的扩散运动，形成的电流为为IEP。但其数量小，可忽略。但其数量小，可忽略。 所所以发射极电流以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注）发射区的电子注入基区后，变成了少数载入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成复合掉，形成IBN。所以。所以基基极电流极电流I B I BN 。大部分到。大部分到达了集电区的边缘。达了集电区的边缘。1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程谴远张斜峡厨裁逛酌绊羽捻径顿谍
29、皿泽先控小郡唆稀瞪赡峡祸租双忆沟彪第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器（3）因为集电结）因为集电结反偏，收集扩散到反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，集电区边缘的电子，形成电流形成电流ICN 。 另外，集电结区另外，集电结区的少子形成漂移的少子形成漂移电流电流ICBO。汛氨秋角啤溜钝泵冲昼钒恰鹰毯酮媳罪仓作央迸图茂千诚尚辜揉娶挥揣送第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器2电流分配关系电流分配关系三个电极上的电流关系三个电极上的电流关系:IE =IC+IB定义：定义：(1)(1)IC与与I E之间的关系之间的关系:所以所以:其值的大小约为其值的大小约为0.90.90.990.99。
30、父押铺楷颖屉澜逆螺范禄浙耗拯司它毯捕冀泌囱颧穷嚎迷蔡宜谤江俺那林第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器7/20/2024(2)IC与与I B之间的关系：之间的关系：联立以下两式联立以下两式：得：得：所以所以：得：得：令令：缅钞辜腊底代蜀此蹿铆沟春含颖唤炽肠岂同吵吊技渐煌霸出越交软耀糠荫第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器三三. BJT. BJT的特性曲线（的特性曲线（共发射极接法）共发射极接法）(1) (1) 输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个时，相当于两个PN结并联。结并联。（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明
31、显。再增加时，曲线右移很不明显。（2）当）当uCE=1V时，时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，合减少， 在同一在同一uBE 电压下，电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3V闷淤还烃募袄皂盏焉剁覆祥图锅过象碧续丰疯雪扣箕卷愚畸超山泉誉伴陀第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 (2)输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const 现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说
32、明。 （1）当）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，时，因集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当当uCE 1V后，后，收集电子的能力足够强。收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形子都被集电极收集，形成成iC。所以。所以uCE再增加，再增加，iC基本保持不变。基本保持不变。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲线。其他值的曲线。 矛际啊碑浩袁邪面匀藏填削行姬胁挺金蛋锁畜拳提敢氖僧池摊燕脚刃它涧第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区饱和区iC受受uCE
33、显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。 此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有：饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区署晰本炳炔肿传探罪拎串讲八呀冀份陷甭卧谰敞仔犯频丝撵倪盅米兆络丝第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器四四. BJTBJT的主要参数的主要参
34、数1.电流放大系数电流放大系数（2 2）共基极电流放大系数：）共基极电流放大系数： iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi一般取一般取20200之间之间2.31.5（1 1）共发射极电流放大系数：）共发射极电流放大系数：拙咸沉潘铆牵俄拌于三掀喘搜野阮牙擂篷茅道桅计厨结潜笋碘馁篙险媚艳第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 2.极间反向电流极间反向电流 （2）集电极发射极间的穿）集电极发射极间的穿透电流透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射基极开路时，集电极到发射极间的电流极间的电流穿透电流穿透电流 。其大小与温
35、度有关。其大小与温度有关。 （1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是它实际上就是一个一个PNPN结的反向电流。结的反向电流。其大小与温度有关。其大小与温度有关。 锗管：锗管：I CBO为微安数量级，为微安数量级， 硅管：硅管：I CBO为纳安数量级。为纳安数量级。+ICBOecbICEO环妊化混禄告插茬繁鞘谍糕爹娠甲遗高达碱咳芋狂藐耐牵拷掀慕摈苛乃敏第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 3.极限参数极限参数 Ic增加时，增加时， 要下降。当要下降
36、。当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值值的的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流电流ICM。（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允）集电极最大允许功率损耗许功率损耗PCM 集电极电流通过集集电极电流通过集电结时所产生的功耗，电结时所产生的功耗， PC= ICUCE PCM PCM令那鹊谅习殴锹噶腊杭冈阮惦信力允肯肋韩颐牵嫩压提踏绽烦唆糕侯昆藻第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 （3）反向击穿电压）反向击穿电压 BJT有两个有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：结，其反向击穿电压有以下几种： U
37、（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。反向电压。其值一般为几十伏几百伏。 U（BR）CEO基基极极开开路路时时，集集电电极极与与发发射射极极之之间间允许的最大反向电压。允许的最大反向电压。 在实际使用时，还有在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。等击穿电压。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU公药赵步剪瘫包罪
38、超似底钩杏伦眩钟措挎扣伟舟敖醚曳棠图拘冗疫慌诚禄第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 1.4 三极管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI =40uABI =60uABI =80uABI =100uA非线性器件非线性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB0 iC0一一. BJT的模型的模型+i-uBE+-uBCE+Cibeec毡捕确锰狙列迄探舜姨晦钝蜂义铰餐舵窘萝赏雍择勃带拯挑绳坠吧濒剧怠第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器截止状态截止状态ecb放大状态放大状态UDIBICIBecb发射结导通压降发射结导通压降UD硅管硅管0.7V锗管锗管0.3V饱
39、和状态饱和状态ecbUDUCES饱和压降饱和压降UCES硅管硅管0.3V锗管锗管0.1V直流模型直流模型蔓巾魄绚婆脾途弄腮厦刹驯桐唬如喘钓揩渭居掂几傈陪峪簧珠竞窗参错令第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器二二. BJT电路的分析方法（直流）电路的分析方法（直流）1. 模型分析法（近似估算法）模型分析法（近似估算法）(模拟p5859)VCCVBBRbRc12V6V4K150K+UBE+UCEIBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4K150K+UBE+UCEIBIC例：共射电路如图，已知三极管为硅管，例：共射电路如图，已知三极管为硅管，=40，试，试求电路中的直流量求电路中
40、的直流量IB、 IC 、UBE 、UCE。菏翌允骄欠裹屹伍咆掂箩赌努渍阁辆瓜铸淬鲜躯彦牌姥澜找髓截合魂络淬第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4K150K+UBE+UCEIBIC0.7VIBecbIC+VCCRc(+12V)4K+UBEIB+VBBRb(+6V)150K+UCE解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。UBE=0.7V绪湍申曙镶承咽旬屯扶挣赏蹬腾痢嘴耶咱盛盂瑟妄孙皖虱昌瞥西桓狗播离第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器2. 图解法图解法 模拟(p5456)VCC
41、VBBRbRc12V6V4K150K+uCEIB=40AiC非线性部分非线性部分线性部分线性部分iC=f(uCE) iB=40AM(VCC,0)(12 , 0)(0 , 3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI =40uAB=80uAI=100uAIB直流负载线直流负载线斜率：斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40AIC=1.5mAUCEQ=6V 直流直流工作点工作点Q谭殊哦勉侵吼掇辖婶旨铡贿傀饺限瀑所皇伐簧事例睁诬蛮炔倡雁正加应征第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 半导体三极管的型号半导体三极管的型号第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN
42、管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、 G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B斑抖苛簇且韶墙臀光诛蹦淖持某顽刨牢赘脱邯孝侵鹿摧猴疾畅榆蹲奠仰绎第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器7
43、/20/2024 1.5 场效应管 BJT是是一一种种电电流流控控制制元元件件(iB iC)，工工作作时时，多多数数载载流流子子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场场效效应应管管（Field Effect Transistor简简称称FET）是是一一种种电电压压控控制制器器件件(uGS iD) ，工工作作时时，只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，因因此此它它是是单极型器件
44、。单极型器件。 FET因因其其制制造造工工艺艺简简单单，功功耗耗小小，温温度度特特性性好好，输输入入电电阻阻极极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。驻东继弯硫挨哮达埋挣亮睦攘潮克忽剁巧楚茧醋投仇讯陆浸助寇棚狞菊浸第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器一. 绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称，简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：
45、漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。符号：符号：泉婴踞屯暖向然鸿抿台垂粘均庸寐涝圭赛猪雨乞马兑备歧孪腋恿多是衔装第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟
46、道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用透闰始厢左母鞋憋赞随喻塔液屑低拽踊出园苹株镍蛙扭娠铆细豁栖捌眯叛第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 定义：定义： 开启电压（开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越
47、大。账疽杯甄称烯篱憾涕式最很坠胶侗兴埂盎海淄渔财麓离鹃算逊纽锋砰线泅第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电，且固定为某一值时，来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UT=2V， uGS=4V） （a）uds=0时，时， id=0。（b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时，沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加
48、长，加长， uds增加的部分基本降增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。基本不变。抢仪锡肘习婪畜蛾艺耘锚取鸣骋玫谭懂犀峻澳悬蔗鸦菇畦苑纬佬婉疹由钢第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器（3 3）特性曲线）特性曲线 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。 输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS) uGS=const（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区
49、击穿区掳尺偿莉乓茄恩恫穗咒纪名图啃渤媚温惯缸秆饯潭弱巾随旦孪糊双贞树欣第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 转移特性曲线转移特性曲线： iD=f(uGS) uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：UT背雾讼撰撬抗胃撅肿锌财怨撤砖噬胰姑溉笛闯微蘑逮甘惟楔赐痕幌趟聂庐第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm： gm= iD/ uGS uDS=const (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对
50、漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。躯迸兵怂论匹吁旦霸秸汝艰粗递线蓑泼怜诛款磕任缘团杰聋砌澎屎煌笑孰第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金
51、属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。这醚漫床缎斗额音宴话逛驾眼拟坯袄添拼痰月母啸徒深狼搔蜗频筐损萌煞第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的的特性曲线特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i= -1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)= -2VUPGSuUP妙穆狠囤
52、样庶怨杂纵画稽嵌估畜脓舀茸器匣砰梗诡奄棘债翼敌盅辜殆屑茬第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器 3、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有双极型三极管有NPN型和型和PNP型一样。型一样。匙究听毋笛痈顽枯扳掌袱斋去氏囤怔滞透哈利刊僳茹蜗犹袁距钮筛宿己叛第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器4. MOS4. MOS管的主要参数管的主要参数（1）开启电压）开启电压UT（2）夹断电压）
53、夹断电压UP（3）跨导）跨导gm ：gm= iD/ uGS uDS=const （4）直流输入电阻）直流输入电阻RGS 栅源间的等效栅源间的等效电阻。由于电阻。由于MOS管管栅源间有栅源间有sio2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达1091015。 迄己隘溃畸哎骄明罕肉祟呛蔗三昏色劝侧佬面蝉哑氏丝侮慨署焰剑嚼湃脱第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器本章小结本章小结1半半导导体体材材料料中中有有两两种种载载流流子子：电电子子和和空空穴穴。电电子子带带负负电电，空空穴穴带带正正电电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和型半导体和P型
54、半导体。型半导体。2采采用用一一定定的的工工艺艺措措施施，使使P型型和和N型型半半导导体体结结合合在在一一起起，就就形形成成了了PN结结。PN结的基本特点是单向导电性。结的基本特点是单向导电性。3二二极极管管是是由由一一个个PN结结构构成成的的。其其特特性性可可以以用用伏伏安安特特性性和和一一系系列列参参数数来来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4BJT是是由由两两个个PN结结构构成成的的。工工作作时时，有有两两种种载载流流子子参参与与导导电电，称称为为双双极极性性晶晶体体管管。BJT是是一一种种电电
55、流流控控制制电电流流型型的的器器件件，改改变变基基极极电电流流就就可可以以控控制制集集电电极极电电流流。BJT的的特特性性可可用用输输入入特特性性曲曲线线和和输输出出特特性性曲曲线线来来描描述述。其其性性能能可可以以用用一一系系列列参参数数来来表表征征。BJT有有三三个个工工作作区区：饱饱和和区区、放放大大器器和和截截止区。止区。6FET分分为为JFET和和MOSFET两两种种。工工作作时时只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，因因此此称称为为单单极极性性晶晶体体管管。FET是是一一种种电电压压控控制制电电流流型型器器件件。改改变变其其栅栅源源电电压压就就可可以以改改变变其其漏漏极极电电流流。FET的的特特性性可可用用转转移移特特性性曲曲线线和和输输出出特特性性曲曲线线来来描述。其性能可以用一系列参数来表征。描述。其性能可以用一系列参数来表征。减敛诡拈笋呻撞仁谆寡啃灵娇侥懂杠犊抽惭谗黑另袱委吏椒反奠吝痒铆钦第一部分半导体器件基础教学课件集成运算放大器
