山东理工大学模电第一章2X.ppt

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1、参考书u1、模拟电子技术基础习题集u随书u2、电子技术基础u康华光 主编u高等教育出版社u3、模拟电子技术基础u余孟尝 主编u高等教育出版社1第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 半导体器件是近代电子学的重要半导体器件是近代电子学的重要组成部分组成部分. . 体积小、重量轻、使用寿命长、体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点输入功率小、功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。而得到广泛的应用。2复习复习1. 1. 半导体及特半导体及特性性2. 2. 名词解释（名词解释（6 6个）个）4. 4. * 重点与考点：重点与考点：3-3-判断、选择判断、选择题题3. 23.

2、2个个* *（* *1 1、电流与载流子的关系；、电流与载流子的关系；* *2 2、N N、P P、本征半导体呈中性）、本征半导体呈中性）3N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，

3、这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。4+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子5N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。

4、自由电子称为子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载少数载流子流子（少子少子）。）。6P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于

5、硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。7+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子8总总 结结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，

6、电子是少子。9杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体101.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。11P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动12扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电

7、荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。13漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。14+空间空间电荷电荷区区N N型区型区P P型区型区电

8、位电位V VV V0 015161、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很数量有限，因此由它们形成的电流很小。小。请注意请注意171.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是： P区区加正、加正、N区加负电压。区加负电压。 PN结结加上反向电压加上反

9、向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是： P区区加负、加负、N区加正电压。区加正电压。18PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。19PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，内电场被被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。20PN结结加上正向电压加上正向电压2122PN结伏安特性 在在PNPN结结的两端加的

10、两端加上电压后，上电压后，通过管子通过管子的电流的电流I I随随管子两端管子两端电压电压V V变化变化的曲线的曲线- -伏伏安特性。安特性。其中其中 I IPNPN结二极管的电流结二极管的电流( (安安) ) I IS S反向饱和电流反向饱和电流( (安安) ) u u -外加电压外加电压( (伏伏) ) U UT T-温度的电压当量温度的电压当量 ee自然对数的底自然对数的底231.2.3 PN结的反向击穿特性1 1、反向电压小，、反向电压小，很小很小的反向饱和电流。的反向饱和电流。2 2、加加到到PNPN结结两两端端的的反反向向电电压压增增大大到到一一定定数数值值时时，反向电流突然反向电流

11、突然增加增加，PNPN结的反向击穿结的反向击穿( (电击穿电击穿) ) 、发发生生击击穿穿所所需需的的反反向向电电压压U UB B 称称为为反反向向击击穿穿电压电压。、PNPN结结电电击击穿穿可可分分为为“雪雪崩崩击击穿穿”和和“齐齐纳纳击击穿穿”两种类型。两种类型。24PNPN结反向电压增加时，空间电荷区中电场增结反向电压增加时，空间电荷区中电场增强，电子和空穴获得很大的能量，在运动中不强，电子和空穴获得很大的能量，在运动中不断与晶体原子发生断与晶体原子发生“碰撞碰撞”，当电子空穴能量，当电子空穴能量足够大时，足够大时，“碰撞碰撞”可使价电子激发，形成电可使价电子激发，形成电子空穴对，称为子

12、空穴对，称为“碰撞电离碰撞电离”。新产生的电子。新产生的电子和空穴，在电场作用下也向相反的方向运动，和空穴，在电场作用下也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子空重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子空穴对，这就是载流子的穴对，这就是载流子的“倍增效应倍增效应” ” 。当反向。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就象在陡峻的积雪山坡上发生象在陡峻的积雪山坡上发生雪崩雪崩一样，载流子一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PNPN结就发生雪崩击穿。结就发生雪崩击穿。雪崩击穿的物理过程

13、雪崩击穿的物理过程2526较高的反向电压下，较高的反向电压下，PNPN结空间电结空间电荷区中存在一个荷区中存在一个强电场强电场，它能够直接，它能够直接破坏共价键破坏共价键，将束缚电子拉出来形成，将束缚电子拉出来形成电子电子- -空穴对，因而形成较大的反向电空穴对，因而形成较大的反向电流。齐纳击穿一般发生在流。齐纳击穿一般发生在杂质浓度大杂质浓度大的的PNPN结中。因为杂质浓度大，空间电结中。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很区很窄窄， 即使反向电压不太高，在即使反向电压不太高，在PNPN结内就可形成很强的电场，容易形成结内就可形成很强的电

14、场，容易形成齐纳击穿。齐纳击穿。齐纳击穿的物理过程齐纳击穿的物理过程27一般整流二极管掺杂浓度一般整流二极管掺杂浓度不很高，它的电击穿多数是不很高，它的电击穿多数是雪雪崩击穿崩击穿。齐纳击穿多数出现在。齐纳击穿多数出现在特殊的二极管中，如稳压二极特殊的二极管中，如稳压二极管。由于击穿破坏了管。由于击穿破坏了PNPN结的单结的单向导电性，所以使用时应向导电性，所以使用时应尽量尽量避免出现击穿现象避免出现击穿现象。281.2.4 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。因素决定。 一是势垒电容一是势垒电容CT 二是扩散电容二是扩散电容CD

15、29 (1) 势垒电容CT 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容示意图30 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2) 扩散电容CD 反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。31 图 扩散电容示意图 当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就

16、不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。32 势垒、扩散电容都与结面积势垒、扩散电容都与结面积S S成正比成正比 点接触二极管的结面积很小，点接触二极管的结面积很小，C CT T、C CD D都很都很小，只有小，只有0.50.5几几pFpF。 面结合型二极管中的整流管，因结面积面结合型二极管中的整流管，因结面积大，大，C CT T、C CD D约在几约在几pFpF200pF200pF。 在等效电路中，在等效电路中，C CT T和和C CD D是并联的，总的结是并联的，总的结电容为两者之和，即电容为两者之和，即 C C= =

17、C CT T+ +C CD D。当。当PNPN结正偏结正偏时，扩散电容起主要作用，时，扩散电容起主要作用，C CC CD D，当，当PNPN结反结反偏时，势垒电容起主要作用，偏时，势垒电容起主要作用，C CC CT T。331.3 半导体二极管半导体二极管的结构类型半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的参数半导体二极管的温度特性半导体二极管的型号特殊二极管341.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 图 二极管的结构示意

18、图35 图 二极管的结构示意图(c)平面型(3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型36PN结结面接触型面接触型ak371.3.2 半导体二极管的伏安特性 式中IS 为反向饱和电流，u为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。 处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示

19、(1.1)38图 二极管的伏安特性曲线图示39(1) 正向特性 硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。 当0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。 当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段： 当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。40(2) 反向特性当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。 当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。41 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极

20、管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。42伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)431.3.3 半导体二极管的参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频

21、率fM和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下： (1) 最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。 为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。44 (3) 反向电流IR (4) 正向压降UF(5) 动态电阻rd 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压

22、降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF45iDvDIDVDQ iD vDrD是二极管特性曲线工是二极管特性曲线工作点作点Q附近电压的变化附近电压的变化与电流的变化之比：与电流的变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的附近的微小变化量的电阻。微小变化量的电阻。46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：47半导体二极管图片48半导体二极管图片49半导体二极管图片50半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加

23、，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。51 图 温度对二极管伏安特性曲线的影响图示521.3.4 二极管的模型 1. 理想模型 所谓理想模型，是指在正向偏置时，其管压降为零，相当于开关的闭合开关的闭合。当反向偏置时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开。具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。 在实际电路中，当电源电压远大于二极管的管压降时，利用此模型分析是可行的。ak53 2恒压降模型 所谓恒压降模型模型，是指二极所谓恒压

24、降模型模型，是指二极管在正向导通时，管在正向导通时，其管压降为恒定其管压降为恒定值，且不随电流而变化值，且不随电流而变化。硅管的管。硅管的管压降为压降为0.7V0.7V，锗管的管压降为锗管的管压降为0.3V0.3V。 只有当二极管的电流只有当二极管的电流I ID D大于等于大于等于1ma1ma时才是正确的。时才是正确的。 在实际电路中，此模型的应用非在实际电路中，此模型的应用非常广泛。常广泛。54例1.3.1 一限幅电路如图1.3.6（a）所示，R=1k,UREF=3V。（1）当ui=0V、6V时，用两种模型分别求输出uO的值；（2）当ui=6sint V时，画出输出电压uo的波形（用理想模型

25、）。55例：二极管的应用：例：二极管的应用：RRLuiuRuotttuiuRuo561.3.5 稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样图见下页(b)57 图 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路(b)(c)(a)图示58 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ 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。 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特

26、性愈陡。 rZ =VZ /IZ59 (3) 最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。 (4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin 稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。60(5)稳定电压温度系数VZ 温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当

27、4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。61 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。(c)62光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加照度增加63发光二极管发光二极管有正向电流流有正向电流流过时，发出一定过时，发出一定波长范围的光，波长范围的光，目前的发光管可目前的发光管可以发出从红外到以发出从红外到可见波段的光，可见波段的光，

28、它的电特性与一它的电特性与一般二极管类似。般二极管类似。641.4 半导体三极管半导体三极管1.4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型65BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高66BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结67 双极型半导体三极管的结构示意图如图双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。所示。它有两种类型它有两种类型:NPN型和型和

29、PNP型。型。 图图 两种极性的双极型三极管两种极性的双极型三极管e-b间的PN结称为发射结(Je) c-b间的PN结称为集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。68 双极型三极管的符号在图的下方给出，发双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个从外表上看两个N区区,(或两个或两个P区区)是对称是对称的，实际上的，实际上发射区的掺杂浓度大发射区的掺

30、杂浓度大，集电区掺杂集电区掺杂浓度低浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。其厚度一般在几个微米至几十个微米。691.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE基区空基区空穴向发穴向发射区的射区的扩散可扩散可忽略。忽略。IBE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数多数扩散到集电结。扩散到集电结。1 载流子传输过程载流子传

31、输过程70BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBO从基区扩散从基区扩散来的电子作来的电子作为集电结的为集电结的少子，漂移少子，漂移进入集电结进入集电结而被收集，而被收集，形成形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEIBE2ICE71IB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE7273 由载流子的传输过程可知，由于电子在由载流子的传输过程可知，由于电子在基区的复合，发射区注入到基区的电子并基区的复合，发射区注入到基区的电子并非全部到达集电极，管子制成后，复

32、合所非全部到达集电极，管子制成后，复合所占的比例就定了。也就是由发射区注入的占的比例就定了。也就是由发射区注入的电子传输到集电结所占的百分比是一定的，电子传输到集电结所占的百分比是一定的，这个百分比用这个百分比用表示，称为表示，称为共基极电流放大共基极电流放大系数系数。2 三极管内的电流分配关系三极管内的电流分配关系74IC=Inc+ICBO 75IE=IB+IC IC=IE+ICBO IB=IB-ICBO IB=(1-)IE76 双极型三极管有三个电极，其中两个可双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极

33、。三种接法也称三种有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态组态。 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示; 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；3 三极管的放大作用三极管的放大作用77共基极放大电路Ui=20mv IE l mA IC=IE 当=0.98 时，IC098mAUOIC RL098mAlK0.98V78三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电区而实现的。 79为了保证这一个传

34、输过程，一方面要满足内部条件内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置、集电结要反向偏置。80 三极管内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流(IE) 给定了，输出电流(IC)和输出电压便基本确定了。81 输入信号Ui 是首先 通过发射极的电压变化改变输入电流IE的，再利用IE 的变化去控制IC，而表征三极管电流控制作用的参数就是电流放大系数。824. 共射极连接方式设0.98，当Ui 变化20 mV时，能引起基极电流的变化IB =20AICIE=0.981mA=0.98mAUC=-ICRL=-0.981K=-0.

35、98V83 从三极管的输入电流控制输出电流这一点看来，这两种电路的基本区别是：共射极电路以基极电流IB作为输入控制电流84共基极电路是以发射极电流IE作为输入控制电流。用IB 作为输入控制电流的好处是信号源消耗的功率很小。85对于共射极电路，研究其放大过程主要是分析集电极电流(输出电流)与基极电 流(输入电流)之间的关系。共射极和共基极的接法不同。但它们放大信号的物理本质是相同的。通过共基极电流放大系数来导出表征三极管在共射极接法时放大能力的电流放大系数(以表示) 。8687共射极电路不但能得到电压放大，而且还可得到电流放大，所以共射极电路是目前应用最广泛的一种组态发射区每向基区供给一个复合用

36、的载流子，就要向集电区供给多个载流子881.4.3 特性曲线特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现。表现。 由于三极管和二极管一样也是非线性元件，不能用一个固定的数值或一个简单的方程式来表示各电极电压与电流之间的关系，所以要用伏安特性曲线对它进行描述。 伏安特性不象二极管那样简单。 工程上最常用到的是三极的输入特性和输出特性输入特性和输出特性曲线。89 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const1 共发

37、射极电路的特性曲线90 这里，这里，B表示输入电极，表示输入电极，C表示输出电极，表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。接法的特性曲线。 iB是输入电流，是输入电流，uBE是输入电压是输入电压，加在，加在B、E两电极之间。两电极之间。 iC是输出电流，是输出电流，uCE是输出电压是输出电压，从，从C、E 两电极取出。两电极取出。 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const91共射极电路的特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路92 简

38、单地看，输入特性曲线类似于发射简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论结的伏安特性曲线，现讨论iB和和uBE之间的之间的函数关系函数关系。因为有集电结电压的影响，。因为有集电结电压的影响，它它与一个单独的与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。结的伏安特性曲线不同。 为了排除为了排除uCE的影响，在讨论输入特性曲的影响，在讨论输入特性曲线时，应使线时，应使uCE=const(常数常数)。 uCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即uCE对iB的影响 。93 共发射极接法的输入特性曲线见图。其共发射极接法的输入特性曲线见图。其中中uCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线

39、。的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当当vCE1V时，时， vCB= vCE - - vBE0，集电结已进入反集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很不明显说明内部反馈很小。小。输入特性曲线的分输入特性曲线的分区：区：死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区 图共射接法输入特性曲线图共射接法输入特性曲线

40、94 (2)输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const95 共发射极接法的输出特性曲线如图所示，它是以共发射极接法的输出特性曲线如图所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，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。当。当uCE稍增大时，稍增大时，发射结虽处于正向电压发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电之下，但集电结反偏电压很小，如压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- - vBE= IC，UCE 0.3V称为饱和称为饱和区。区。100

41、IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区死区电压，称为电压，称为截止区。截止区。101 半导体三极管的参数分为三大类半导体三极管的参数分为三大类: 直流参数直流参数 交流参数交流参数 极限参数极限参数 (1)(1)直流参数直流参数 直流电流放大系数直流电流放大系数 1.1.共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1.4.4 半导体三极管的参数102 在放大区基本不变。在共发射极输出特性在放大区基本不变。在共发射极输

42、出特性曲线上，通过垂直于曲线上，通过垂直于X轴的直线轴的直线(uCE=const)来求来求取取IC / IB ，如图所示。在如图所示。在IC较小时和较小时和IC较大较大时，时， 会有所减小，这一关系见图会有所减小，这一关系见图02.08。图02.08 值与IC的关系图 在输出特性曲线上决定103 2.共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE 显然显然 与与 之间有如下关系之间有如下关系: = IC/IE= IB/ 1+ IB= / 1+ 104 极间反向电流极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Ope

43、n的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。 2.集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和和ICBO有如下关系有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应那条曲线所对应的的Y坐标的数值。坐标的数值。105 图图 ICEO在输在输出特性曲线上的位置出特性曲线上的位置106(2)(2)交流参数交流参数交流电流放大系数交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB

44、 vCE=const 在放大区在放大区 值基本不变，可在共射接法输出值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂特性曲线上，通过垂直于直于X 轴的直线求取轴的直线求取 IC/ IB。或在图上或在图上通过求某一点的通过求某一点的斜率得到斜率得到 。 图图 在输出特性曲线上求在输出特性曲线上求107 2.共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = IC/ IE VCB=const当当ICBO和和ICEO很小时，很小时， 、 ，可以不加区，可以不加区分。分。 特征频率特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到

45、1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。108 (3)极限参数 集电极最大允许电流ICM当集电极电流增加时，当集电极电流增加时， 就就要下降，当要下降，当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值的值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流流ICM。至于至于 值值下降多少，不同型号的三极管，下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有不同的厂家的规定有所差别。可见，当所差别。可见，当ICICM时，并不表时，并不表示三极管示三极管会损坏。会损坏。 图图02.08 值与值与IC的关系的关系109集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过

46、集电结时所产生的功耗，集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用在集电结上。在计算时往往用VCE取代取代VCB。110 反向击穿电压 反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图所示。压的能力，其测试时的原理电路如图所示。 图图 三极管击穿电压的测试电路三极管击穿电压的测试电路111 1.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。发射极开路时的集电结击穿电压。下标下标BR代表击穿之意，是代表击穿之

47、意，是Breakdown的字头，的字头，CB代表集电极和基极，代表集电极和基极，O代表第三个电极代表第三个电极E开路。开路。 2.V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。 3.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。 对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO112 由由PCM、 ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图。确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图。 图

48、图 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区1131.5 场效应晶体管场效应晶体管由于三极管工作时,总是从信号源吸取电流,它是一种电流控制器件,输入阻抗较低。效应管是通过改变输入电压（或电场）来控制输出电流，属于电压控制器件。它几乎不从信号源吸取电流，输入阻抗很高，可达1010以上。另外，它还具有稳定性好、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所以得到广泛的应用。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场效应管有两种场效应管有两种:114u N沟道增强型MOSFETu 的结构示意图和符号见图u 。其中：u D(Drain)为漏极，相当c；u

49、 G(Gate)为栅极，相当b；u S(Source)为源极，相当e。 u u 图 N沟道增强型u MOSFET结构示意图1.5.1 绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道115一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 (1)N沟道增强型MOSFET 结构 根据图， N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高

50、掺杂的N型区，从N型区引出电极，116117 当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。工作原理 1栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。118 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。 进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（ VG

51、S(th) 称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。119120图 VGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm

52、=ID/VGS VDS=const (单位mS) ID=f(VGS)VDS=const121 2 2漏源电压漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。图 (a) 漏源电压VDS对沟道的影响122 当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图，此时V

53、DS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。 当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。 当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。123124125126 (2)(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着

54、VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如下图所示。 N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。127 (a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线 128129 (3)(3)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET

55、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。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。1301.5.2 1.5.2 结型场效应三极管结型场效应三极管 (1)结型场效应三极管的结构 JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 图结型场效应三极管的结构）131132 (2) (2) 结型场效应三极管的工作原理结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效

56、应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。 133 栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用 当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。134图 VGS对沟道的控制作用(a)uGS=0 (b) uGS0 135 漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用 当VDS增加到使VGD=VG

57、S-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。 在栅极加上电压，且VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。136(a)uGS0, uDGUP (b) uGS0, uDGUP预夹断 (c) uGSUP, uDGUP夹断137138 (3)(3)结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线 JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相

58、同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。139(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 图 N沟道结型场效应三极管的特性曲线1401411421.5.3 1.5.3 场效应三极管的参数和型号场效应三极管的参数和型号(1) (1) 场效应三极管的参数场效应三极管的参数 开启电压VGS(th) (或VT) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 夹断电压VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效

59、应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。143 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。144 (2) 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第

60、二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。145几种常用的场效应三极管的主要参数见表 表 场效应三极管的参数146半导体三极管图片半导体三极管图片147半导体三极管图片半导体三极管图片148双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm)149 双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成150