1、主讲：林昕主讲：林昕电子技术基础电子技术基础3.1 PN结与半导体二极管、稳压管3.2 半导体三极管3.3 场效应管第三章第三章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管3.1 PN结与半导体二极管、稳压管1 本征半导体2 N型半导体和P型半导体3 PN结及其单向导电性 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体、绝缘体和半导体的不同，来划分导体、绝缘体和半导体 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半导体有硅。典型的半导体有硅Si和锗和锗Ge以以及砷化镓及砷化镓GaAs等。等。3.1.1 3.1.1 本
2、征半导体本征半导体及其导电性及其导电性 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体化学成分纯净的半导体晶体。晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在物。它在物理结构上呈单晶体形态。理结构上呈单晶体形态。 (1）本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在
3、空间形成排列有序的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。晶体。这种结构的立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图。 图图 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图(c) （2）电子空穴）电子空穴对对 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱挣脱原子原子核的束缚，而参
4、与导电，成为自由电子。核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 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。 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去
5、，称为复合，如图所示子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 (3) (3) 空穴的移动空穴的移动 自由电子的定向运动形成了自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来价键中的价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力实现的，因此，空穴的导电能力不如自由电子不如自由电子空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动2
6、 杂质半导体(1) (1) N型半导体型半导体(2) (2) P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体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价元素。掺入的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质后的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 (1）N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，可形成如磷，可形成 N型半导体型半导体, ,也称电子型半导体。也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围因五价杂质原子中只有四
7、个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。电子。 在在N型半导体中自由电子是多数载流子型半导体中自由电子是多数载流子,它主它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发由热激发形成。形成。 提供自由电子的五价杂质原子因提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。子也被称为施主杂质。N型半导体的结构示意图型半导
8、体的结构示意图如图所示。如图所示。N型半导体结构示意图(2) P型半导体型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中空穴是多数载流子，型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原空穴很容易俘获电子，使
9、杂质原子成为负离子。三价杂质子成为负离子。三价杂质 因而也称为因而也称为受主受主杂质杂质。P型半导体的结构示意图如图所示型半导体的结构示意图如图所示。P 型 半 导 体 的 结 构 示 意 图P型半导体的结构示意图杂质对半导体杂质对半导体导电性的影响导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度
10、基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3杂质半导体简化模型杂质半导体简化模型PN3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN结的形成PN结的单向导电性PN结的电容效应PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半导体和导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成
11、空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成空间电荷区形成 内电场内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半型半导体和导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为 P N 结结 , 在空间在空间电荷区，由于缺电荷区，由于缺少多子，所以也少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 PN结的形成过程结的形成过程 PN 结形成的结形成的过程可参阅图。过程可参阅图。PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中
12、：P区的电位高于区的电位高于 N 区的区的电位，称为加正向电压，简称正偏；电位，称为加正向电压，简称正偏； PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区区流到流到 N 区，区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。性，电流小。 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，区的电位，称为加反向电压，简称反偏。简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降外加的正向电压有一部分降落在落在 PN 结区，方向与结区，方向与PN结内电结内电场方向相反
13、，削弱了内电场。内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响电流，可忽略漂移电流的影响, , PN 结呈现低阻性结呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图 （动画动画1-4） PN结加正向电压时的导电情况 (2) PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增
14、强，扩散电流大大减小同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时。此时PN结区的少子在内电场的作用结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很，由于漂移电流本身就很小，小，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定温度条件下，在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电
15、流。 PN结加反向电压时的导电情况如图所示。结加反向电压时的导电情况如图所示。图图 01.08 PN 结加反向电压时的结加反向电压时的导电情况导电情况 PN结外加正向电压时，结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流；PN结加反向电结加反向电压时，呈现高电阻，具有很压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可小的反向漂移电流。由此可以得出结论：以得出结论：PN结具有单向结具有单向导电性。导电性。PN结加反向电压时的导电结加反向电压时的导电情况情况 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）
16、有关。温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 。 （a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）有关。温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 。 （a. 减少、减少、b. 不变、不变、c. 增多）增多）abc 4. 在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要型半导体中的电流主要是是 ，N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、电子电流、b.空穴电流）空穴电流） ba思考题：思考题：半导体二极管1半导体二极管的基本结构2半导体二极管的伏安特性3 半导体二极管的主要参数半导体二极管的结构类型
17、半导体二极管的结构类型 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型和面接触型两大类。它们的结构极管按结构分有点接触型和面接触型两大类。它们的结构示意图如图所示。示意图如图所示。(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。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于
18、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。(b)面接触型二极管符号二极管符号 图图 01.11 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(c)(c)平面型平面型半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线 式中式中IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，q 为为电子电荷量，电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有
19、），则有VT=26 mV。) 1(eTSVVII 半导体二极管的伏安特性曲线如图半导体二极管的伏安特性曲线如图 01.12 01.12 所示。处于第一象所示。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据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示: :(1.1)二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线图示(1) 正向特性正向特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右， 锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。 当
20、当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死称为死区电压或开启电压。区电压或开启电压。 当当V0即处于正向即处于正向特性区域。特性区域。正向区又分为两段：正向区又分为两段： 当当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。律增长。(2) 反向特性反向特性当当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随时，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电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向反向饱和电流饱和电流I IS S 。 当当
21、VVBR时，反时，反向电流急剧增加，向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电称为反向击穿电压压 。 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小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，硅从击穿的机理上看，硅二极管若二极管若|VBR|7V时时,主要是雪主要是雪崩击穿；若崩击穿；若|VBR|4V时时, 则主要则主要是齐纳击穿。当在是齐纳击穿。当在4
22、V7V之间之间两种击穿都有。两种击穿都有。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半导体二极管的参数包括最大整流电流IOM、反向击穿电压、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压最大反向工作电压URM、最大反向电流最大反向电流IRM、最高工作频率最高工作频率fmax和和结电容结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：等。几个主要的参数介绍如下： (1) 最大整流电流最大整流电流IFM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VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM 二极管
23、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VBR。 为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。 (3) 最大最大反向电流反向电流I IRMRM (4) 最高工作频率最高工作频率fM 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大在室温下，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流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安(
24、A)级。级。 PN结内的正负离子随着外加电压的变化而变结内的正负离子随着外加电压的变化而变化，说明化，说明PN结具有电容特性。结具有电容特性。fM值主要取决于值主要取决于PN结结的结电容，结电容越大，二极管允许的最高工作频的结电容，结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。率越低。半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态定性分析：判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0 0.60.7V锗锗0.20.3V分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压
25、将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。的正负。若若 V阳阳 V阴阴或或 UD为正，二极管导通（正向偏置）为正，二极管导通（正向偏置）若若 V阳阳 V阴阴 ，二极管导通，若二极管导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V。 实际上实际上， UAB低于低于6V一个管压降，为一个管压降，为6.3或或6.7V例例1 1： 取取B 点作为参考点，断点作为参考点，断开二极管，分析二极管阳极和开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。阴极的电位。例例2: 2: 电路如图，求：电路如图，求：UAB 若忽略二极管正向若忽略二极管正向压降，二极管压降，二
26、极管VD2可看作可看作短路，短路，UAB = 0 V ，VD1截止。截止。VD6V12V3k BAVD2 取取 B 点作点作参考点参考点，V1 阳阳 =6 V，V2 阳阳 =0 V ，V1 阴阴 = V2 阴阴 ，由于，由于V2 阳阳电压高，因此电压高，因此VD2导通。导通。 ui 8V 二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线再增
27、加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显 说明内部反馈很小。说明内部反馈很小。输入输入 特性曲线的分区：特性曲线的分区： 死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区共射接法输入特性曲线共射接法输入特性曲线 (2)(2)输出特性曲线输出特性曲线 共发射极接法的输出特性曲线如图共发射极接法的输出特性曲线如图02.0602.06所示，它是以所示，它是以iB为参为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，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UC
28、E 稍增大时，发射结稍增大时，发射结 虽处于正向电压之下，虽处于正向电压之下， 但集电结反偏电压很小但集电结反偏电压很小 时，如：时，如： UCE 1 V UBE =0.7 V UCB= UCE- - UBE= 0.7 V 集电区收集电子的能力集电区收集电子的能力 很弱，很弱，iC主要由主要由UCE决定。决定。 共发射极接法输出特性曲线共发射极接法输出特性曲线 运动到集电结的电子基本上都运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后可以被集电区收集，此后vCE再增加，再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进电流也没有明显的增加，特性曲线进入与入与 vCE轴基本平行的区域轴基本平行的区域 (
29、这与输这与输入特性曲线随入特性曲线随 vCE增大而右移的原因增大而右移的原因是一致的是一致的) 。图。图02.06 02.06 共发射极接法共发射极接法输出特性曲线。输出特性曲线。当当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如：增加到使集电结反偏电压较大时，如：vCE 1 ， VBE 0.7 V共射极输出特性曲线共射极输出特性曲线 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 显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内UCE 的数值较小，一的数值较小，一般般UCE0.7 V(硅管硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。此时发射结正偏，集电
30、结正偏或反偏电压很小。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。此的曲线的下方。此 时，发射结时，发射结反偏，集电结反偏。反偏，集电结反偏。放大区放大区iC平行于平行于UCE轴的区域，曲线基本平行轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于，集电结反偏，电压大于0.7 V左右左右(硅管硅管) 。半导体三极管的参数半导体三极管的参数 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
31、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=const 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于线上，通过垂直于X轴的直线轴的直线(vCE=const)来求取来求取IC / IB ，如图所示。在，如图所示。在IC较小时和较小时和IC较大时，较大时， 会有所减会有所减小，这一关系见图。小，这一关系见图。值与值与IC的关系的关系 在输出特性曲线上决定在输出特性曲线上决定 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集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标的下标CB代表集电极和基极
32、，代表集电极和基极，O是是open的字头，的字头，代表第三个电极代表第三个电极E开开路。它相当于集电结的反向饱和电流。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饱和电流，相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图所坐标的数值。如图所示。示。 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 (2) 极限参数极限参数 集电极
33、最大允许电流集电极最大允许电流ICM 如图所示，集电极电流增加时，如图所示，集电极电流增加时， 就要下降，当就要下降，当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值的三分之二时，所对应的集电极值的三分之二时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电电流称为集电极最大允许电流流ICM 。至于。至于 值值下降多少下降多少不同型号的三极管，不同厂不同型号的三极管，不同厂家的规定有所差别。可见，家的规定有所差别。可见，当当ICICM时，并不表示三极时，并不表示三极管管会损坏。会损坏。集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过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，
34、 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。反向击穿电压反向击穿电压 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。压的能力。三极管击穿电压的测试电路三极管击穿电压的测试电路 1.V(BR)CBO发射极开路时集电结击穿电压。下发射极开路时集电结击穿电压。下标标BR代表击穿之意，是代表击穿之意，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开开路。路。 2
35、.V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。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基极开路时集电极和发射极间的的 击穿电压。击穿电压。 对于对于V( B R ) C E R表示表示 BE 间接有电阻，间接有电阻，V(BR)CES 表示表示 BE 间是短路的。几个击穿电压在间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系：大小上有如下关系： V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO 由由PCM、 ICM和和V(BR)CEO 在输出特性曲线上可以确定过损在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图耗区、过
36、电流区和击穿区，见图02.12。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半导体器件型号命名方法半导体器件型号命名方法国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下: : 3 D G 110 B 第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN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
37、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3.3 3.3 场效应管场效应管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3.3.1 3.3.1 场效应管场效应管 场效应管是利用电场效应来控制场效应管是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。将控制其电流大小的半导体器件。将控制电压转换为漏电流电压转换为漏电流互导放大器互导放大器件。件。 特点：特点：体积小，重量轻，耗电省，寿命长。体积小，重量轻，耗电省，寿命长。 具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声小、抗辐射、具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声小、抗辐射、制造工艺简单等优点。制造工艺简单等优点。 分类：分
38、类： 结型场效应管结型场效应管（JFETJFET） 金属金属氧化物氧化物半导体场效应管半导体场效应管（MOSFETMOSFET）场效应管 三极管是一种电流控制元件三极管是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控制器件）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺
39、简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。了广泛应用。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沟道沟道结型场效应管结型场效应管 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 二、二、 工作原理工作原理栅极与N沟道构成PN结，在N沟道栅极周围形成耗尽层。 (1) VGS对对i D的影响的影响当VGG 0，即反向偏置，PN结耗尽层加宽，N沟道变窄；当VGG 加大到一定值VGGVP，N沟道被夹断，i D =0， 此时
40、漏-源极间电阻。VP夹断电压。 (2) VDS对对i D的影的影响响 VGD = VG S - VD S = VP ，预夹断 ！ VGS =0，g连s。d,s加电压，此时g,d反偏。 绝缘栅场效应管 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：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬
41、底 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近将靠近栅极下方的空穴向下排斥栅极下方的空穴向下排斥耗尽耗尽层。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之间加上电之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。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区区少子电子聚集到少子电子聚集到P区表面区表面形成导形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，电沟道，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-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+
42、N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 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作用下，作用下，漏极电流漏极电流ID越大。越大。 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移特性曲线。可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：
43、的一条转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT 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。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiDN沟道耗
44、尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，加入时，就有沟道，加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进进一步增加。一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减减小。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属正离子。所以当uGS=0时，时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。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。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +-sbgdP
45、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，只不过导电的载流子不同，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供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有有NPN型和型和PNP型一样。型一样。MOSMOS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）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 栅源间的等栅源间的等效电阻。由于效电阻。由于MOS管栅源间有管栅源间有sio2绝缘绝缘层，输入电阻可达层，输入电阻可达1091015。 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双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成谢谢 谢！谢！
