1、第一章第一章半导体器件半导体器件1.1半导体的特性半导体的特性1.2半导体二极管半导体二极管1.3双极型三极管双极型三极管( (BJT) )1.4场效应三极管场效应三极管 (FET)1.1半导体的特性半导体的特性1. 导体：导体：电阻率电阻率 109 cm 物质。如橡胶、物质。如橡胶、塑料等。塑料等。3. 半导体：半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅( (Si) )和锗和锗( (Ge) )。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅原子结构硅原子结构图
2、图 1.1.1硅原子结构硅原子结构( (a) )硅的原子结构图硅的原子结构图最外层电子称最外层电子称价电子价电子 价电子价电子锗原子也是锗原子也是 4 价元素价元素4 价元素的原子常常用价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围电荷的正离子和周围 4个价电子表示。个价电子表示。+4( (b) )简化模型简化模型1.1.1本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。体称为本征半导体。 将硅或锗材将硅或锗材料提纯便形成单料提纯便形成单晶体，它的原子晶体，它的原子结构为共价键结结
3、构为共价键结构。构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.2单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当温度当温度 T = 0 K 时，半时，半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.3本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将有，将有少数少数价价电子克服共价键的束缚成电子克服共价键的束缚成为为自由电子自由电子，在原来的共，在原来的共价键中留下一个空位价键中留下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。
4、空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni = pi 。4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到在一定的温度下，产生与复合运动会达
5、到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。1.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、 N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，如杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体( (或称电子型半导或称电子型半导体体) )。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。 本征半
6、导体掺入本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价个价电子，其中电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电电子称为多数载流子子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+
7、5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.4N 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构二、二、 P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，如杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓度多于电子空穴浓度多于电子浓度，即浓度，即 p n。空穴空穴为多数载流子为多数载流子，电子为，电子为少数载流子。少数载流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构说明：说明：1. 掺入杂质的
8、浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。 3. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图图 1.1.6杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为
9、P 型半导体，另型半导体，另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成一、一、 PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。 PN 结，耗结，耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区
10、空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1( (b) )5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电
11、流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为( (0.6 0.8) ) V, 锗材料约为锗材料约为( (0.2 0.3) ) V。1. 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运
12、动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.2.2PN在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I ；
13、由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。空间电荷区空间电荷区图图 1.2.3反相偏置的反相偏置的 PN 结结反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随随着温度升高，着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述：综上所述：当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态；当；当 PN 结反向偏置结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，时，回路中反向电流
14、非常小，几乎等于零， PN 结处结处于于截止状态截止状态。可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性将将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：二极管的结构：( (a) )外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。( (b) )符号符号图图 1.2.4二极管的外形和符号二极管的外形和符号半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管
15、。有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。小，可在高频下工作。面接触型二极管面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。大，但只能在较低频率下工作。按用途划分：按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的
16、两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f ( (U ) )之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性1. 正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫相应的电
17、压叫死区电压死区电压。范。范围称围称死区。死区电压死区。死区电压与材料和温与材料和温度有关，硅管约度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗左右，锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I / mAU / V当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速随着电压的升高，正向电流迅速增大。增大。2. 反向特性反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性当电压超过零点几伏后，当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增反向电流不随电压增加而增大，即饱和；大，即饱和；二极管加反向电压
18、，反二极管加反向电压，反向电流很小；向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)3. 伏安特性表达式伏安特性表达式( (二极管方程二极管方程) )1e (S- - TUUIIIS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温
19、( (300 K) )下，下， UT 26 mV二极管加反向电压，即二极管加反向电压，即 U UT ，则，则 I - - IS。二极管加正向电压，即二极管加正向电压，即 U 0，且，且 U UT ，则，则，可得，可得 ，说明电流，说明电流 I 与电压与电压 U 基本上成指数关系。基本上成指数关系。1eTUUTUUIIeS 结论：结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安
20、特性曲线可以看出，二极管的电压与从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。属于非线性器件。1.2.3二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 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2. 最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工作时允许加在二极管两端的反向电压值工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将。通常将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR 。3. 反向电流反向电流 IR通常
21、希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高工作频率最高工作频率 fMfM 值主要值主要 决定于决定于 PN 结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈大，结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。二极管允许的最高工作频率愈低。*1.2.4二极管的电容效应二极管的电容效应当二极管上的电压发生变化时，当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1. 势垒电容势垒电容是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化
22、形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压- -N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+- -UV空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随外加随外加电压电压 U 而变化，因此而变化，因此势垒电容势垒电容 Cb不是一个常数不是一个常数。其。其 Cb = f ( (U) ) 曲线如图示。曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导
23、体材料的介电比系数；S ：结面积；：结面积；l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OUCb图图 1.2.82. 扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，在某个正向电压下，P 区中的电子浓度区中的电子浓度 np( (或或 N 区的区的空穴浓度空穴浓度 pn) )分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x = 0 处为处为 P 与与 N 区的交界处区的交界处当电压加大，当电压加大，np ( (或或 pn) )会升高，如会升高，如曲线曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之浓度会降低) )。OxnPQ12
24、Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。 Q正向电压时，变化载流子积累电荷正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.2.9综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；当反向偏置时，势；当反向偏置时，
25、势垒电容起主要作用，可以认为垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。 1.2.5稳压管稳压管一种特殊的面接触型半一种特殊的面接触型半导体硅二极管。导体硅二极管。稳压管稳压管工作于反向击穿工作于反向击穿区区。 I/mAU/VO+ - -正向正向- - +反向反向 U( (b) )稳压管符号稳压管符号( (a) )稳压管伏安特性稳压管伏安特性+ I图图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号 稳压管的参数主要有以下几项：稳压管
26、的参数主要有以下几项：1. 稳定电压稳定电压 UZ3. 动态电阻动态电阻 rZ2. 稳定电流稳定电流 IZZZZIUr 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压(区间区间)。 正常工作的参考电流。正常工作的参考电流。I IZ ，只要不超过额定功耗即可。，只要不超过额定功耗即可。 IZmin I Z 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0； ( (2) ) UZ 在在 4 7 V 之间，之间， U 值比较小，性能比较稳值比较小，性能比较稳定。定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V， U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V， U
27、 = - -( (0.05 0.03) )%/( (3) ) 2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。精密稳压源中。 2DW7 系列稳压管结构系列稳压管结构( (a) )2DW7 稳压管外形图稳压管外形图( (b) )内部结构示意图内部结构示意图管子内部包括管子内部包括两个温度系两个温度系数相反的二极管对接数相反的二极管对接在一起。在一起。温度变化时，一个二极管被温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，系数为负值，二者
28、互相补偿，使使 1、2 两端之间的电压随温度的两端之间的电压随温度的变化很小。变化很小。例：例： 2DW7C， U = 0.005 %/图图 1.2.122DW7 稳压管稳压管5. 额定功耗额定功耗 PZ额定功率决定于稳压管允许的额定功率决定于稳压管允许的温升。温升。PZ = UZIZMPZ 会转化为热能，使稳压管发热。会转化为热能，使稳压管发热。在手册中给出在手册中给出 IZM，IZM = PZ/UZ 例例 求通过稳压管的电流求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流电是限流电阻，其值是否合适？阻，其值是否合适？IZVDZ+20 VR = 1.6 k + UZ = 12 V-
29、- IZM = 18 mA例题电路图例题电路图IZ IZM ，电阻值合适。，电阻值合适。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z - - - -IVDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：图图 1.2.13稳压管电路稳压管电路UOIO+IZIRUI+ 1. 外加外加电源的正极接管子电源的正极接管子的的 N 区区，电源的，电源的负极接负极接 P 区区，保证管子工作在反向击穿区；保证管子工作在反向击穿区；RL2. 稳压管稳压管应应与与负载电阻负载电阻 RL 并联并联；3. 必须限制流过稳压管的电必须限制流过稳压管的电流流 IZ，不能超过规定值，不能超过规定值，
30、以免因，以免因过热而烧毁管子。过热而烧毁管子。1.3双极型三极管双极型三极管( (BJT) )又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。( (Bipolar Junction Transistor) )三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：三极管有两种类型：NPN 和和 PNP 型。型。主要以主要以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形1.3.1三极管的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。型。图图1.3.2三极
31、管的结构三极管的结构( (a) )平面型平面型( (NPN) )( (b) )合金型合金型( (PNP) )NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发射极，发射极，b 基 极 ，基 极 ， c 集电极。集电极。平面型平面型( (NPN) )三极管制作工艺三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在在 N 型硅片型硅片( (集电区集电区) )氧化膜上刻一个窗口，将氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成硼杂质进行扩散形成 P 型型( (基区基区) )，再在，再在 P 型区上刻型区上
32、刻窗口，将磷杂质进行扩散窗口，将磷杂质进行扩散形成形成N型的发射区。引出型的发射区。引出三个电极即可。三个电极即可。合金型三极管制作工艺：合金型三极管制作工艺：在在 N 型锗片型锗片( (基区基区) )两边各置两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两型锗接触，冷却后形成两个个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号( (a) )NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极
33、发射极 eNNP集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号( (b) )PNP 型型1.3.2三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用三极管内部结构
34、要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1. 发射区高掺杂。发射区高掺杂。2. 基区做得很薄基区做得很薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米，而且几微米到几十微米，而且掺杂较掺杂较少少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使：外加电源的极性应使发射发射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。 3. 集电结面积大集电结面积大(掺杂浓度比掺杂浓度比发射区低发射区低)。becRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程I EIB1. 发射发射发射区的发射区的电子越过发射结扩散到电子越过发射结扩散到基区
35、，基区的空穴扩散基区，基区的空穴扩散到发射区到发射区形成发射极形成发射极电流电流 IE ( (基区多子数目较基区多子数目较少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略) )。2. 复合和扩散复合和扩散电子电子到达基区，少数与空穴复到达基区，少数与空穴复合形成基极电流合形成基极电流 Ibn，复合复合掉的空穴由掉的空穴由 VBB 补充补充。多数电子在基区继续扩多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。散，到达集电结的一侧。图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动becI EI BRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3. 收集收集集电结反偏，集电结反偏，有利于收集基区惯性作用
36、有利于收集基区惯性作用扩散过来的电子而形成集扩散过来的电子而形成集电极电流电极电流 Icn。其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC 。I C另外，集电区和基区另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成将进行漂移运动而形成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。ICBO图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动beceRcRb三极管的电流分三极管的电流分配关系配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC = Icn+ ICBO(漂移漂移)一般要求一般要求 ICn 在在 IE 中占的比例中占的比例尽量大。尽量大。而二者之
37、比称而二者之比称共基直共基直流电流放大系数流电流放大系数，即，即ECnII 一般可达一般可达 0.95 0.99三个极的电流之间满足节点电流定律，即三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE = IC + IBCBOBCBOBCBOBCC)1(111)(IIIIIIII - - - - ECCCBOCBOECBOCnC 1 IIIIIIIII 可可将将其其忽忽略略，则则时时，当当) )( (代入代入( (1) )式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。 - - 1则 IC CBOBC)1(III 上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示，表示，ICEO 称
38、穿透电流。称穿透电流。CEOBCCBOCEO )1( IIIII 则则当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略 ICEO，则由上式可得，则由上式可得BCII 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 近似等于近似等于 IC 与与 IB 之比。之比。 一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。 三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系BCEIII BC II BE )1(II 一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据IB/mA - -0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE
39、/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961. 任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB IC 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。，三极管处于放大状态。 * 特性右移特性右移( (因集电结开始因集电结开始吸引电子，与基区复合减少吸引电子，与基区复合减少) )。V2CE UV/BEUO0CE UIB/ AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IB
40、UCEICVCCRbVBBcebRCV- - V- - A- - - -mAUBE* UCE 1 V，特，特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB = 0O 5 10 154321划分三个区：截止区、划分三个区：截止区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1. 截止区截止区IB 0 的的区域。区
41、域。两个结都处于反向偏两个结都处于反向偏置。置。IB= 0 时，时，IC = ICEO，。 硅管约等于硅管约等于 1 A，锗管，锗管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。常数常数 B)(CECIUfI截止区截止区截止区截止区2. 放大区：放大区：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：各条输出特性曲各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 5 10 154321放放大大区区集电极电流和基极电流集电极电流和基极电流体现放大作用，
42、即体现放大作用，即BC II 放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0 。 特点特点：IC 基本上不随基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失而变化，在饱和区三极管失去放大作用。去放大作用。 I C IB。 当当 UCE = UBE，即，即 UCB = 0 时，称时，称临界饱和临界饱和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V( (硅管硅管) )，UCES UE ; UB UE ; UBUBUEE结正偏、结正偏、C结结 反反偏偏; UCUBUE ; UBUCE结、结、C结正偏结正偏; UBUE ; UBUCUCE
43、=UCES1.3.4三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的连接方式三极管的连接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc( (b) )共基极接法共基极接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+( (a) )共发射极接法共发射极接法图图 1.3.10NPN 三极管的电流放大关系三极管的电流放大关系一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1. 共射电流放大系数共射电流放大系数 BCII 2. 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 忽略穿透电流忽略穿透电流 ICEO 时，时，BCII 3. 共基电流放大系数共基电流放大系
44、数 ECII 4. 共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时，时，ECII 和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为： - - 1 1或或二、反向饱和电流二、反向饱和电流1. 集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO( (a) )ICBO测量电测量电路路( (b) )ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小功率锗管小功率锗管 ICBO 约为几微约为几微安；硅管的安；
45、硅管的 ICBO 小，有的为纳小，有的为纳安数量级。安数量级。当当 b 开路时，开路时， c 和和 e 之间的电流。之间的电流。CBOCEO)1(II 值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。 图图 1.3.11反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路三、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 ICM 当当 IC 过大时，三极管的过大时，三极管的 值要减小。在值要减小。在 IC = ICM 时，时， 值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作
46、 区区 将将 IC 与与 UCE 乘积等于乘积等于规定的规定的 PCM 值各点连接起值各点连接起来，可得一条双曲线。来，可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM = ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区3. 极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路：基极开路时，集电极和发射极之间时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。U(BR)CBO：
47、发射极开：发射极开路时，集电极和基极之间路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。安全工作区安全工作区同时要受同时要受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区1.3.5PNP 型三极管型三极管放大原理与放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加
48、电源的极性( (a) ) NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+- - -+uoui( (b) ) PNP 型型VCCVBBRCRb+- - -+uoui PNP 三极管电流和电三极管电流和电压实际方向。压实际方向。UCEUBE+- -+- -IEIBICebCUCEUBE( (+) )( (- -) )IEIBICebC( (+) )( (- -) ) PNP 三极管各极电流三极管各极电流和电压的规定正方向。和电压的规定正方向。PNP 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电压电压( (UBE、UCE) )实际方向与规定正方向相反。计算中实
49、际方向与规定正方向相反。计算中UBE 、UCE 为负值；输入与输出特性曲线横轴为为负值；输入与输出特性曲线横轴为( (- - UBE) ) 、( (- - UCE) )。发射极电流方向与发射极符号的箭头方向一致。发射极电流方向与发射极符号的箭头方向一致。1.4场效应三极管场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导
50、电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区高掺杂高掺杂耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场
