模拟电子技术基础课件：1-半导体基础知识(new).ppt

1、第一章 常用半导体器件第一章 常用半导体器件1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 1.4 场效应管场效应管1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应 根据材料导电能力根据材料导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。 典型的半导体有典型的半导体有单质半导体单质半导体 硅硅( (Si) )和锗和锗( (Ge)以及以及

2、-族族化合物半导体化合物半导体 砷化镓砷化镓( (GaAs) )等等 。导导 体：体： 电阻率电阻率 109 cm，如惰性气体、橡胶等，其，如惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到强到相当相当程度时才可能导电。程度时才可能导电。半导体：半导体：电阻率电阻率 介于前两者之间。介于前两者之间。 半导体材料半导体材料SiGeSi：+142Ge：+48 4+322 8418价电子价电子最外层电子（价电子）都是四个最外层电子（价电子）都是四个惯性核表示：惯性核表示：惯性核：除价电子外的惯性核：除价电子外的内层稳定结构内

3、层稳定结构 当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光光敏二极管敏二极管可以用于可以用于光敏控制光敏控制。二二. . 半导体三大基本特性半导体三大基本特性1. .半导体的半导体的热敏性热敏性( (temperature sensitive) ) 环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成的的热敏电阻热敏电阻可以用于可以用于温度控制温度控制。T电导率电导率 s s 2. .半导体的半导体的光敏性光敏性( ( light sensitive) )IVmA半导体半导体T 1. 5光照度光照度 光

4、照光照3. .半导体的半导体的掺杂性掺杂性Doping impuritive) )在半导体中掺入一定浓度的杂质后，可改变半导体的在半导体中掺入一定浓度的杂质后，可改变半导体的导电类型，导电能力也会大幅度增加，利用这种特性可导电类型，导电能力也会大幅度增加，利用这种特性可以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路。以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路。高温掺杂高温掺杂晶体管晶体管纯净纯净的且具有的且具有完整晶体结构完整晶体结构的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。纯度：大于纯度：大于99.9999%，“六个六个9”通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制

5、成晶体晶体。1.1.1 本征半导体本征半导体硅和锗的晶体结构取决于硅和锗的晶体结构取决于原子结构原子结构。硅和锗的原子结构。硅和锗的原子结构为为金刚石结构金刚石结构：每个原子都处：每个原子都处在正四面体的中心，而四个其在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点。它原子位于四面体的顶点。硅和锗的晶体结构：硅和锗的晶体结构：1. 本征半导体的原子结构和共价键本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为束缚电子称为束缚电子l形成共价键后，每个原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成的最外层电子是八个，构成稳定结构。稳定结构。l共价键

6、有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。l在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没）和没有外界激发时有外界激发时, ,价电子完全价电子完全被共价键束缚着，本征半导被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒体中没有可以运动的带电粒子（即子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。2. 本征激发本征激发+4+4+4+4+4+4+4+4+4挣脱挣脱共价键的共价键的束缚束缚成为自由电子成为自由电子留下的空位称为空穴留下的空位称为空穴l本征半导体中存在数本征半导体中存在数量相等的两种量相等的两种载流子载流子

7、l随着温度升高，由于随着温度升高，由于热激发，使一些价电子获热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空同时共价键上留下一个空位，这一现象称为位，这一现象称为本征激本征激发发。自由电子自由电子空穴空穴外电场作用下空穴导电过程：外电场作用下空穴导电过程：两种载流子（动画）两种载流子（动画）1. 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流电子流和空穴流电子流和空穴流电子流：电子流： 自

8、由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反空穴流：空穴流： 价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同由此可以看出：由此可以看出：3.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。部因素，这是半导体的一大特点。l 载流子的复合载流子的复合: : 自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电

9、子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。载流子复合。l 动态平衡动态平衡: :复合是产生的相反过程，当产生等于复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。复合时，称载流子处于平衡状态。l 本征浓度本征浓度( (ni):): 平衡状态下，本征半导体单位体积内的平衡状态下，本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。它是温度的敏自由电子数（空穴数）。它是温度的敏感函数。感函数。3. 本征浓度本征浓度kTEGeTBpn223ii ni ：自由电子的浓度自由电子的浓度pi ：空穴的浓度空穴的浓度B ：系数系数T ：绝对温度

10、绝对温度式中：式中：k ：波尔兹曼常数波尔兹曼常数EG ：价电子挣脱共价键所需能量价电子挣脱共价键所需能量, , 又叫禁带宽度又叫禁带宽度平衡状态下本征半导体单位体积内平衡状态下本征半导体单位体积内自由电子数自由电子数（或空穴数）（或空穴数）3. 本征浓度本征浓度（1）相同温度下，相同温度下，Ge的的niSi的的ni（2）常温下本征浓度远小于原子密度。常温下本征浓度远小于原子密度。因此本征半导体的导电能力很弱。因此本征半导体的导电能力很弱。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五导体的导电性发

11、生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 (impurity semiconductor)N型半导体型半导体(N-type semiconductor) 掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体型半导体(P-type semiconductor) 掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。一般采用高温扩散工艺进行掺杂一般采用高温扩散工艺进行掺杂1.1.2 杂质半导体杂质半导体1. N 型半导体型半导体(Negative 负）负）+4+4+4+4+4

12、+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量的五价少量的五价元素（如磷）元素（如磷）施主电离：施主电离：产生产生自由电子和正离子对自由电子和正离子对N型半导体型半导体 磷原子的最外层有五个价电子，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不几乎不受束缚，很容易被激发而成为受束缚，很容易被激发而成为自由电子自由电子（常温下几乎完全电离）（常温下几乎完全电离），这样磷原子就成了不能移动的带正电这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。这一现象称为的离子。这一现象称

13、为“施主电离施主电离”。磷原子称为施主原子。磷原子称为施主原子。本征激发：本征激发：产生产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对载流子载流子自由电子自由电子空穴空穴施主电离施主电离本征激发本征激发自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子和正离子自由电子和正离子多数载流子多数载流子（多子）（多子） 少数载流子少数载流子（少子）（少子）电荷模型：电荷模型：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+51. N 型半导体型半导体(Negative 负）负） 空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？多了？少了？为什么？+2. P 型半导体（型半导体（ Positive 正）正）+4+4+

14、4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量的三价少量的三价元素（如元素（如硼硼）P 型半导体。型半导体。硼原子的最外层有三个价电子，与相硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。价电子因热运动很容易来一个空位。价电子因热运动很容易来填补这个空位，使空位转移到半导体填补这个空位，使空位转移到半导体原子上，产生空穴。同时使得硼原子原子上，产生空穴。同时使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。这一成为不能移动的带负电的离子。这一现象称为受主电离。现象称为受主电离。硼原子称为受主硼原子称为受主原子。原子。受主

15、电离：受主电离：产生空穴产生空穴和负离子对和负离子对本征激发：本征激发：产生产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对受主电离受主电离本征激发本征激发自由电子和空穴自由电子和空穴空穴和负离子空穴和负离子载流子载流子自由电子自由电子空穴空穴多数载流子多数载流子（多子）（多子） 少数载流子少数载流子（少子）（少子）电荷模型：电荷模型：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+32. P 型半导体（型半导体（ Positive 正）正） 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现度越高，导电性越强，实现导电导电性可控性可

16、控。漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。扩散电流 在半导体中，因某种在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布原因使载流子的浓度分布不均匀，载流子会从浓度不均匀，载流子会从浓度高的地方向浓度低的地方高的地方向浓度低的地方作作扩散运动扩散运动，这种因载流，这种因载流子子浓度差浓度差而产生的载流子而产生的载流子宏观定向运动形成的电流宏观定向运动形成的电流称为扩散电流。称为扩散电流。3.半导

17、体中的电流扩散电流( )dn xdx 半导体中某处的扩散电流半导体中某处的扩散电流主要取决于该处主要取决于该处载流子的浓度载流子的浓度差差（即（即浓度梯度浓度梯度），而与该处），而与该处的浓度值无关。即扩散电流与的浓度值无关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。电流也越大。浓度梯度：浓度梯度：( )dp xdx或或 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 小结小结 自由电子、空穴、自由电子、空穴、N型半导体、型半导体、P型半导体；型半导体； 多数载流子、少数载流子、漂移电流与扩散电流。多数载流子、

18、少数载流子、漂移电流与扩散电流。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。电的空穴。关键词：关键词：+1.1.3 PN结一一. PN结形成及特点结形成及特点P型半导体型半导体N型半导体型半导体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 型半导体和型半导体和N 型半型半导体导体 ？经过载流子的扩散，在它

19、们的经过载流子的扩散，在它们的交界面交界面处就形处就形成了成了PN 结结。1 PN结形成结形成P区区N区区多子多子扩散扩散浓度差浓度差多子的扩散多子的扩散杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内建电场空间电荷区形成内建电场内建电场促使少子漂移，内建电场促使少子漂移，阻止多子扩散阻止多子扩散多子扩散和少子漂移，多子扩散和少子漂移，达到动态平衡达到动态平衡离子薄层形成的空间电荷离子薄层形成的空间电荷区称为区称为PN结结空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。内电场内电场E少子少子漂移漂移扩散的结果是使扩散的结果是使空间电荷区逐渐空间电荷区逐渐加宽，空间电荷加宽，空间电荷

20、区越宽。区越宽。1.2 PN结内电场越强，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。2. PN结特点结特点: :（1） 空间电荷区是非中性区，内建电场和内建电位差空间电荷区是非中性区，内建电场和内建电位差o（内建电压）。（内建电压）。（2） PN结又称耗尽层、又称阻挡层（内建电场结又称耗尽层、又称阻挡层（内建电场E阻止阻止两区多子越结扩散）、又称势垒区。两区多子越结扩散）、又称势垒区。（3）不对称不对称PN结，结，空间电荷区主要向低掺杂区延伸。空间电荷区主要向低掺杂区延伸。P+N结结PN+结结二. PN结的单向导电性1. 正向偏置的正向偏置

21、的PN结结P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；区的电位，称为加正向电压，简称正偏；RE内电场内电场P P区区N N区区外电场外电场变薄变薄内电场被削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。呈现低阻的扩散电流。呈现低阻状态，即状态，即PN正偏导通正偏导通限流电阻，以免限流电阻，以免烧坏烧坏PN结结两者方向相两者方向相反，内电场反，内电场被被削弱削弱2. 反向偏置的反向偏置的PN结结P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；区的电位，称为加反向电压，简称反偏；RE内电场内电场P区区N区区变厚变厚外电场外电场

22、内电场被加强，多子的扩散内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较少子数量有限，只能形成较小的反向电流。即反偏时小的反向电流。即反偏时PN结几乎截止。结几乎截止。两者方向相两者方向相同，内电场同，内电场被被加强加强 PN结加正向电压结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；正向扩散电流；PN结加反向电压结加反向电压时，呈现高电阻，时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有结具有单向导电性。单向导电性。PNPN加正偏加正偏PN结导通结导通加

23、反偏加反偏PN结截止结截止结论：由半导体物理可推出：由半导体物理可推出：PN结方程结方程三三. . PN结的伏安特性结的伏安特性式中式中IS 反向饱和电流反向饱和电流 UT = kT/q 热电压热电压 T=300k（室温）时（室温）时 UT= 26mVk 波尔兹曼常数（波尔兹曼常数（1.3810-23J/K)；u的符号的符号正偏：正偏：反偏：反偏：)1e (TS UuIiu0u0u6V高掺杂，耗尽层窄，价电子被场致激发；高掺杂，耗尽层窄，价电子被场致激发； 通常通常UBR VA2 ;此时，此时，VA2= - - 6V，D2管截止。管截止。 此电路此电路D1导通，导通， D2管截止管截止VAB

24、= 0V。VAB = 0V 。D1D23K 6V12VAB12例例4，或门电路或门电路假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来分析输入信号分析输入信号VA，VB和输出信号和输出信号VF的关系：的关系：VAVBVFD2D15V5V5V5V0V0V0V0V导通导通导通导通导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止5V5V5V 如果定义如果定义 5V电平为逻辑电平为逻辑 1，0V电平为逻辑电平为逻辑 0，则，该，则，该电路实现逻辑电路实现逻辑“或或”的功能的功能 , , 即：即：F = A+B 。D1D2R- -12VVAVBVFDvsiDuD+5k

25、 例例5, , 图示电路中图示电路中 设设D导通时正向压降为导通时正向压降为 0.7V， 设设 vs=10V+2sin50t(mV) , , 求求iD 。解：根据叠加原理解：根据叠加原理 iDID+ idmA 86157010D.k.I二极管的二极管的交流等效电阻交流等效电阻rd 141.8626(mV)26 DTdIIUrD A)sin50t(40145sin50t(mV)2 d.ki A)sin50t(40(mA)861 D.i 由特殊工艺制造专门工作在反向击穿由特殊工艺制造专门工作在反向击穿状态下的二极管称为稳压二极管。状态下的二极管称为稳压二极管。1.稳压二极管稳压二极管( (Zene

26、r Diode) ) 普通二极管反向击穿电压普通二极管反向击穿电压越大越好，一般越大越好，一般VBR 100V。 普通稳压二极管工作电压普通稳压二极管工作电压VBRVZ = 2.5 30V。稳压二极管特点：稳压二极管特点： PN结面积大，散热条件好，结面积大，散热条件好，使反向击穿是可逆。使反向击穿是可逆。DZVZIZVD(V)ID(mA)ZI ZVZV OVBR五五 稳压二极管稳压二极管2. 稳压二极管的稳压二极管的伏安特性曲线伏安特性曲线正向特性和普通二极管相同正向特性和普通二极管相同反向击穿区曲线越陡，即反向击穿区曲线越陡，即动态电阻动态电阻 rZ 越小，稳压性越小，稳压性能越好。能越好

27、。ZZZ IVr理想稳压二极管特性：理想稳压二极管特性： 实际器件的实际器件的rZ一般都很小，可以忽略一般都很小，可以忽略; ; 加反向电压当加反向电压当IZ 0 时，时， VD VZ ; ; 加正向电压当加正向电压当IZ 0 时，时， VD 0.7V(si管管)。V(V)I(mA)Z I ZVZV OVBRDZVZIZ+- -1）稳定电压稳定电压VZ 2）最小最小稳定电流稳定电流 IZmin3）最大稳定电流最大稳定电流 IZMAX 不同型号的稳压管，都规定一个最大稳定电流，防止稳不同型号的稳压管，都规定一个最大稳定电流，防止稳压管过流发生热击穿而损坏。压管过流发生热击穿而损坏。3. 稳压二极

28、管的主要参数稳压二极管的主要参数保证稳压管稳压性能的保证稳压管稳压性能的最小工作电流。最小工作电流。IZmin很很小，常视为零。小，常视为零。VZ2.5 30VV(V)IZ (mA)0IZminIZmaxVZ4）最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZMmaxZZZMIUP稳压管不发生热击穿的最稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。大功率损耗。5）动态电阻动态电阻zzZIVr动态电阻越小稳压管稳压效果越好动态电阻越小稳压管稳压效果越好6）电压温度系数电压温度系数 U稳压管受温度变化的影响系数。稳压管受温度变化的影响系数。PZM = 0.25 2WVZrZ模型模型V(V)IZ (mA)0IZminIZm

29、axVZ4. 典型稳压管稳压电路典型稳压管稳压电路此时此时 VO =VZ稳压条件稳压条件: :IZmin IZ IZmaxR 限流电阻限流电阻RL负载电阻负载电阻ILVZIZDZRVi+VO+RLIRIZ = IR ILV(V)IZ (mA)0IZminIZmaxVZLZZRVRVV i当当IZmin0 , ,且且RL开路开路Vi VZ , IZ 0电路进入电路进入稳压状态稳压状态 VO = VZ 两种特殊稳压情况：两种特殊稳压情况：当当IZmin0 , ,且且 RL电路进入电路进入稳压状态稳压状态 VO = VZ 当当ILVZIZDZRVi+VO+RLIR0 ZZiLLIVVRRRiLLZZ

30、iLLVRRRVIVVRRR 0, 0例例1.图示电路中设图示电路中设R1 = RL = 500 , , DZ 的击穿电压的击穿电压VZ = 6V ; 求求: : 当当Vi = 10V 时时VO = _ ;当当 Vi=20V时时 IZ = _ 。Vi =10V 时时 VO =15LiLRVVRR 12066816500500500iOOZLVVVImARR Vi = 20V时时 IZ = IR - - IL 5V16mAILVZIZDZR1Vi+VO+RLIR例例2. 设设VZ =5V；PZM =1/4W；R =1K 。A).).当当RL=; ;VO=VZ 时时, ,求求Vi 的变化范围。的变

31、化范围。B).).当当Vi =20V; ; 保证保证VO =VZ 时时, , 求求RL的变化范围。的变化范围。解：解：A) Vi 5V时，时，DZ 反向击穿；反向击穿； VO = 5V PZM =250mW, IZmax = PZM /VZ = 250m/5 = 50mAVimax = RIZmax + VZ = 1k50m + 5 = 55V得：得：Vi = 5 55VILVZIZDZRVi+VO+RLIR解：解：B) 正常稳压时正常稳压时IZ 0 , , 必须满足必须满足ZLLVVRRRi5201KLminLmin RR由由得得: : RLmin = 1/3K 333 RL = 333 B

32、). ). 当当Vi =20V; ; 保证保证VO =VZ 时时, , 求求RL的变化范围。的变化范围。临界稳压时临界稳压时 RL= RLminILVZIZDZRVi+VO+RLIR稳压二极管的串并联等效稳压二极管的串并联等效设两只稳压二极管的稳压值分别为设两只稳压二极管的稳压值分别为VZ1=9V; ; VZ2=6V，正向压降均为正向压降均为0.7V , ,求串并联的等效稳压值求串并联的等效稳压值VZ 。串联：串联：IZ9V6VVZ=15VIZ9V6VVZ=6.7V9V6VVZ=9.7VIZ9V6VVZ=1.4V并联：并联：VZ=6VVZ=0.7V例例3, , 设硅稳压管设硅稳压管DZ1和和D

33、Z2的稳定电压分别为的稳定电压分别为5V和和8V, ,正向正向压降均为压降均为0.7V, , 求图求图1、图、图2电路的输出电压电路的输出电压 VO1 = _ ; VO2 = _ 。 5VVO2+-DZ11K DZ220VVO1+-DZ11K DZ220V 8.7V图图1图图2限幅电路限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时当输入信号电压在一定范围内变化时, , 输出电压随输入电压相输出电压随输入电压相应变化；应变化； 而当输入电压超出该范围时而当输入电压超出该范围时, , 输出电压保持不变。输出电压保持不变。vittvo3V0.7Vvi(t) 的的Vim=3V，D1、D2为为Si管管0.7V

34、-0.7Vi(t)0.7Vvo0.7Vv 时，时，D1导通，导通，i(t)0.7Vv o0.7Vv 时，时，D2导通，导通，i0.7VVB VEPNP VC VB 0，集电集电结已进入反偏状态，开结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合始收集电子，基区复合减少，同样的减少，同样的VBE下下IB减减小，特性曲线右移但移小，特性曲线右移但移动不明显（动不明显（whywhy？）。）。（1） 当当VCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。性曲线。2 共射输出特性曲线共射输出特性曲线iC=f ( vCE) IB=constVCE(V)oIC (mA)IBIB1IB2IB

35、3IB4IB5IB=0放大区放大区截止区截止区击穿区击穿区饱和区饱和区临界饱和线临界饱和线 为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变化很大？为什么变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？是横轴的平行线？对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。1) ) 截止区截止区(Cut off region)IB = 0 曲线以下的区域。曲线以下的区域。条件：发射结零偏或反偏条件：发射结零偏或反偏集电结反偏集电结反偏IB = 0, IC = IE = ICEO ( (穿透电流穿透电流) ) 由于由于ICEO很小，此时很小，此时VCE

36、近近似等于似等于VCC，C与与E之间相当之间相当于断路，称于断路，称BJT截止。截止。VBEVON截止区截止区ICEO= (1+ ) ICBO2468VCE(V)oIC (mA)IB1IB2IB3IB4IB5IB=0RCVCCRBVBBIB=0ICIEVCEVBE2) 饱和区饱和区(Saturation region)条件条件：发射结正偏，：发射结正偏， 集电结正偏。集电结正偏。 即：即：VBE 0，VBE VCE , VCVB。vCB=0（集电结零偏）情况。对应点轨迹为临界饱和线（集电结零偏）情况。对应点轨迹为临界饱和线 此时此时IB对对IC失去了控制作用，失去了控制作用， IC IB管子处

37、于饱和管子处于饱和导通状态。饱和时的导通状态。饱和时的VCE电压记为电压记为VCES 。输出特性曲线靠近纵输出特性曲线靠近纵轴边轴边VCE很小的区域。很小的区域。饱饱和和区区VCES饱和压降饱和压降2468VCE(V)oIC (mA)IB1IB2IB3IB4IB5IB=0临界饱和状态：临界饱和状态：2468VCE(V)oIC (mA)IB1IB2IB3IB4IB5IB=03）放大区放大区(Active region)条件条件: :发射结正偏；发射结正偏； 集电结反偏。集电结反偏。特点：特点：特性曲线中，接近特性曲线中，接近水平的部分。水平的部分。 IC= IB，集电极电流与基极集电极电流与基极

38、电流成正比。因此放大区又电流成正比。因此放大区又称为线性区、恒流区。称为线性区、恒流区。 VCES VCE VCC饱饱和和区区放放大大区区RCVCCRBVBBICIEVCEVBE+- -2468VCE(V)oIC (mA)IB1IB2IB3IB4IB5IB=04）击穿区击穿区(Active region)特点：特点：特性曲线右，曲线上翘部分特性曲线右，曲线上翘部分VCE增大到基极开路时，集电结被击穿，集电极电流急剧增大到基极开路时，集电结被击穿，集电极电流急剧增大。对应的集电结的反向击穿电压为增大。对应的集电结的反向击穿电压为BVCEO ，而且，而且反向击穿电压反向击穿电压BVCEO 随随IB

39、增加而减少。增加而减少。饱饱和和区区放放大大区区击击穿穿区区晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅几乎仅仅决定于输入回路的电流决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC 。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE四、温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO )(uiiuIT不变时，即不变时五、五、 BJT主要参数主要参数一）一） 直流参数直流参数1. 直流直流电流放大系数电流放大系数

40、和ECII BCII 1 11）C-B极反向饱和电流极反向饱和电流ICBO硅管小于锗管，受温度影响较大。硅管小于锗管，受温度影响较大。应用时选用应用时选用ICBO较小的较小的BJT。2. .极间反向电流极间反向电流 2）C-E极反向饱和电流极反向饱和电流ICEOB极开路时，极开路时，C-E极间的穿透电流极间的穿透电流有有ICEO=(1+) ICBO二）二） 交流参数交流参数1. 交流交流电流放大系数电流放大系数和和（1）共共基基交流交流电流放大系数电流放大系数0CBCBvECconstvECiididi（2）共共射射交流交流电流放大系数电流放大系数0CECEvBCconstvBCiididi（

41、3） 与与的关系的关系11 、和和的含义是不同的。但在分析交流小的含义是不同的。但在分析交流小信号时，信号时，BJT工作在线性放大区的同一工作点处，工作在线性放大区的同一工作点处，可以近似认为可以近似认为 ， 。和2. 频率参数频率参数 BJT的的 值不仅与工作电流有关，而且与工作频值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。率有关。由于由于BJT的的PN结具有电容效应，结具有电容效应，当信号频率当信号频率较高时，较高时， BJT的电流放大系数的电流放大系数 将随信号频率将随信号频率f的变的变化而变化，是频率化而变化，是频率f 的函数，两者之间关系为：的函数，两者之间关系为： ffjf 100

42、0：直流（低频）电流放大系数：直流（低频）电流放大系数（1）截止频率截止频率 f ：共射电：共射电流放大系数由流放大系数由0 0下降下降3dB3dB时时所对应的频率。所对应的频率。（2）特征频率特征频率 f T：当高频：当高频的模等于的模等于1（0dB）所对应所对应的频率。此时集电极电流增的频率。此时集电极电流增量与基极电流增量相等，共量与基极电流增量相等，共射接法的射接法的BJT失去电流放大失去电流放大能力。能力。应尽量选用应尽量选用fT T 较高的较高的BJT。 111200 ffffjfTTTfffT0201 三）三） 极限参数极限参数1. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICmax

43、 iC在较大范围内，在较大范围内， 基本不变，但基本不变，但 iC 增大到增大到一定数值时，一定数值时， 值会随着值会随着iC增大而减少。增大而减少。 ICmax一一般指般指下降到最大值的下降到最大值的2/3时所对应的集电极电流。时所对应的集电极电流。当当iC ICmax时，管子时，管子值将显著下降，甚至会损坏值将显著下降，甚至会损坏三极管。三极管。2. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCmax PCmax是是集电结时允许功耗的最大值，集电结时允许功耗的最大值，PCmax= iCvCE为常数为常数。因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在。因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在

44、集电结上；若集电结上；若PC PCmax管子性能变坏甚至烧毁。管子性能变坏甚至烧毁。PCmax还与环境温度有关，温度越高，则还与环境温度有关，温度越高，则 PCmax越小。根据越小。根据PCmax可分为小功率管和大功率管。可分为小功率管和大功率管。3. 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压的能力表示三极管电极间承受反向电压的能力 BVCBO：大小可从几十至上千伏。：大小可从几十至上千伏。BVEBO：一般只有几伏，三种反向击穿电压关系为：一般只有几伏，三种反向击穿电压关系为： BVEBO BVCEO BVCBO。因电源电压往往加在因电源电压往往加在C极和极和E极之间，只要保证

45、极之间，只要保证VCE BVCEO ，集电集电结不会被击穿，工作则安全。结不会被击穿，工作则安全。BVCEO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清华大学 华成英 讨论一由图示特性求出由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。CECCMuiP2.7CEBCUiiuCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO1.4 场效应管场效应管场效应管：场效应管：Field Effect Transistor， FETl 是继三极管之后发展起来的另一类具有放大作用的半是继三极管之后发展起来的另一类具有放大作用的半导体器件；导体器件；l FET特点：特点：输入阻抗

46、高、内部噪声小、耗电省、热稳定性好、抗辐输入阻抗高、内部噪声小、耗电省、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单，射能力强、制造工艺简单，便于集成便于集成，工作频率高等。，工作频率高等。l 按照场效应三极管的按照场效应三极管的结构划分，有结构划分，有结型场效应结型场效应管管和和金属氧化物半导体场金属氧化物半导体场效应管效应管两大类。两大类。 N沟道沟道P沟道沟道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JFET为耗尽型为耗尽型FETJunction FETl 从参与导电的载流子来划分，从参与导电的载流子来划分，FET有自由电子导电的有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的沟道

47、器件和空穴导电的P沟道器件。沟道器件。结型场效应管结型场效应管金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管Metal Oxide Semiconductor FET，JFETMOSFETl 沟道在施加外电压后才形成增强型沟道在施加外电压后才形成增强型l 沟道在施加外电压前就存在耗尽型沟道在施加外电压前就存在耗尽型1. 结构（以结构（以N沟道沟道JFET为例）为例）NPPDGS(Drain)(Gate)(Source)DGSDGS电路符号：电路符号：N沟道：沟道：P沟道：沟道：一、一、 JFET1. 结构（以结构（以N沟道沟道JFET为例）为例）NPPDGS(Drain)(Gate)(Sou

48、rce)FET名词：名词：l 沟道：沟道：D到到S之间的之间的电流通道。电流通道。l 沟道电流：沟道电流：D到到S之之间流动的电流，又称漏间流动的电流，又称漏极电流极电流iD ；iD =iS。l 沟道电阻：沟道电阻：D和和S之之间呈现的等效电阻。间呈现的等效电阻。一、一、 JFET2. 工作原理（以工作原理（以N沟道沟道JFET为例）为例）PPDGS VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时，时，当沟道当沟道全夹断时全夹断时，对应的，对应的栅源电压栅源电压VGS称为称为夹断电夹断电压压VGS(off) 。对于对于N沟道的沟道的JFET：PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。

49、沟道变窄。VGS继续减小，沟道继续变窄；继续减小，沟道继续变窄；VGSNVGS(off) 0沟道存在的条件：沟道存在的条件：VGS(off) vGS0 VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时， VDS ID l 形成一个非均匀的导电沟道形成一个非均匀的导电沟道 （呈楔形分布）。（呈楔形分布）。l 当当VDS 到使到使VGD= VGS(off) 时，在紧靠漏极时，在紧靠漏极处出现处出现预夹断预夹断。l此时此时VDS 夹断长度略有增加，夹断长度略有增加，称为称为部分夹断。部分夹断。ID基本不变基本不变2. 工作原理（以工作原理（以N沟道沟道JFET为例）为例）PPDGSVGSN

50、VDSIDABH VGS和和VDS同时作用时同时作用时导电沟道更容易夹断，导电沟道更容易夹断，即对于同样的即对于同样的VDS ， ID的的值比值比VGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处:VGD=VGS-VDS = VGS(off) l 当当VGS(off) VGSVGS-VTN0PGSVv综上分析可知：综上分析可知：l 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所所以场效应管也称为单极型三极管以场效应管也称为单极型三极管。l JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制控制l JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN