课件：半导体基础知识.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一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁

2、、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到子核的束缚力很强，只有在外电场强到相当相当程度时才可能导程度时才可能导电。电。导导 体：体：电阻率电阻率 109 cm半导体：电阻率半导体：电阻率介于前两者之间。介于前两者之间。本征半导体是本征半导体是纯净纯净的的晶体结构晶体结构的半导体。的半导体。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原

3、子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构p 砷化镓(GaAs)属于半导体化合物。半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999999%，常称为“九个9”。硅单晶材料硅单晶材料2、本征半导体的结构 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电子。根据化学的知识可以知道，最外层的价电子受原子核的束缚力最小，容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。在半导体晶体中，一个原子最

4、外层的价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。半导体的原子结构为半导体的原子结构为每个原子都处每个原子都处在正四面体的中心，而四在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的个其它原子位于四面体的顶点。顶点。2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子的价电子挣脱挣脱共价键的束缚共价键的束缚而成为而成为自由电子自由电子(本征激发本征激发,热热激发）激发）自由电子的游离使共价键中自由电子的游离使共价键中留有一个空位置，称为留有一个空位置，称为空穴空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子

5、与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，动方向相反。由于载流子数目很少，故故本征半导体本征半导体导电性很差。导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。温度升

6、高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。本征浓度本征浓度 载流子复合载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。遇，使自由电子空穴对消失的现象。载流子的动态平衡载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半

7、导体中载流子的浓度一定。征半导体中载流子的浓度一定。本征载流子的浓度本征载流子的浓度322gEkTiinpBT e（1.11.1）式中ni、pi分别表示电子和空穴的浓度(cm-3),T为热力学温度(K),k为波尔兹曼常数(8.6310-5eV/K),Eg为T=0K时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度(eV),B是与半导体材料有关的常数(cm-3K-3/2)。二 杂质半导体 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，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，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。要注意，这里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺入一定浓度的三价或

8、五价元素而得到的，不是普通意义上的含有多种任意杂质的半导体。在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N N型半导体型半导体，也称电子型半导体。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P P型半导体型半导体，也称为空穴型半导体。N型半导体型半导体 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因失去了这个价电子而带正电荷，成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。多余电子多余电子施主杂质施主杂质P型半导体型半导体 P型半导体中空穴是多数载流子，其数量主要由掺杂的浓度确定；电子是少数载流子，由热激发形

9、成。三价杂质也称为受主杂质。空穴空穴受主杂质受主杂质 判断下面是属于何种半导体？SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi pSiSi pSiSiSiSiSiSiSiSiSi BSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi BSiSi+载流子的浓度问题 对于本征半导体，由于存在本征激发（热激发）和复合，在动态平衡下载流子的浓度趋于稳定值n=p=ni，也称为本征载流子浓度。想一想，ni 是如何计算的？杂质半导体载流子浓度 有杂质电离和本征激发两个产生载流子的过程。根据半导体物理理论，少量掺杂时，在产生载流子与载流子复合达到动态平衡条件下，多数载流子与少子浓度

10、的乘积等于同一温度时的本征载流子浓度的平方。杂质半导体的载流子浓度2ooinpnon热平衡条件下热平衡条件下自由电子的浓度自由电子的浓度 op热平衡条件下热平衡条件下空穴的浓度空穴的浓度 in本征浓度本征浓度 思考？本征半导体的热激发效率是很低的，所以本征载流子浓度远远小于本征半导体的原子浓度。若掺入很小比例的施主杂质，在室温下，可认为每个施主原子在半导体中产生一个多数载流子，这样，即使施主原子的浓度远小于本征半导体的原子浓度，但仍然远大于本征载流子的浓度。这时，本征激发产生的多数载流子虽然有，但数量很有限。估算 在室温下，Si的本征浓度ni=1.481010/cm3 Si的原子密度NSi=5

11、1022/cm3,若掺入百万分之一浓度的P原子形成N型半导体，估算一下杂质半导体中的多子和少子的浓度是多少？杂质半导体载流子浓度 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，因为多数载流子是由掺入的杂质的浓度决定的。典型的数据如下：T=300K 室温下,本征硅的原子浓度：4.961022/cm3 本征硅的电子和空穴浓度为:n=p=1.481010/cm3 掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为：n=51016/cm3 由这些数据可以看出，掺杂对半导体的导电性影响是多么大。1.1.3 半导体中的电流 。dLndvEdLndEv-1.1.漂移电流漂移电流nnJenE在电场作用下，半导体中的载流子受电

12、场力作宏观定在电场作用下，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，称为向漂移运动形成的电流，称为漂移电流漂移电流。它类似于金属导它类似于金属导体内的传导电流。体内的传导电流。电子的漂移电流密度电子的漂移电流密度为为n-电子的迁移率电子的迁移率,常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数E E是电场强度是电场强度e-e-电子的电量电子的电量n n-电子的浓度电子的浓度（1.7）而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，空穴的漂移电流密度空穴的漂移电流密度为为 ppJepEpnJpJp-p-空穴的浓度空穴

13、的浓度是空穴的迁移率。是空穴的迁移率。和和的方向是一致的，均为空穴流动的方向。的方向是一致的，均为空穴流动的方向。所以所以（1.8）npIIInpnpJJJenEepEEnpenep因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即总的总的漂移电流密度漂移电流密度其中其中式中式中是半导体的是半导体的电导率电导率，与载流子浓度迁移率有关。，与载流子浓度迁移率有关。（1.9）（1.10）（1.11）半导体中某处半导体中某处的扩散电流主要取的扩散电流主要取决于该处载流子的决于该处载流子的浓度差（即浓度差（即浓度梯浓度梯度度），而与该处的），而与该处的浓度值无关。即扩

14、浓度值无关。即扩散电流与载流子在散电流与载流子在扩散方向上的浓度扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电流差越大，扩散电流也越大。也越大。图图1.6 1.6 半导体中载流子的浓度分布半导体中载流子的浓度分布扩散电流扩散电流三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、

15、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。PN 结的形成 因电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂移生的运动称为漂移运动。运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加正向电压

16、导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止认为其截止(不导通不导通)。PN 结的单向导电性必要吗？必要吗？四、PN 结的电容效应清华大学 华成英 1.势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电

17、荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为同，其等效电容称为势垒电容势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为过程，其等效电容称为扩散电容扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容：结电容不是常量！结电容不是常量！（why?)由于由于Cj的存在，若的存在，若PN结外加电压频率高到一定程度，则失结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！去单向导电性！问

18、题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压

19、二极管五、稳压二极管 一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管 一、二极管的组成点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大

20、。流大。二、二极管的伏安特性及电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26()1e(TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性单向导电性STIiUu，则若反向电压TeSTUuIiUu，则若正向电压)1e(TSUuIi2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影

21、响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10三、二极管的等效电路理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？2.微变等效电路DTDDdI

22、Uiur根据电流方程，Q点点越高，越高，rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流四、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作电压最大反向工作电压UR：最大瞬时值：最大瞬时值 反向电流反向电流 IR：即：即IS 最高工作频率最高工作频率fM：因：因PN结有电容效应结有电容效应第四版第四版P20讨论：解决两

23、个问题解决两个问题 如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDRuViDDV与与uD可比，则需图解：可比，则需图解：实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模的模型有什么不同？型有什么不同？五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压围内端电压基本基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2.主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、

24、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ/IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？(2 2.5)DodvmVCdT211021()()2TTSSI TI T温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管正向特性的影响温度对二极管正向特性的影响 温度对二极管反向特性的影响温度对二极管反向特性的影响图图 温度对二极管伏安特性的

25、影响温度对二极管伏安特性的影响SiSi二极管与二极管与GeGe二极管的差别二极管的差别Si Si 二极管的开启电二极管的开启电压约压约0.5-0.7V0.5-0.7V，GeGe二极管的开启电压二极管的开启电压约约0.1-0.3V0.1-0.3V。SiSi二极管反向电流二极管反向电流比比GeGe二极管反向电二极管反向电流小得多，流小得多，Si Si 管是管是pApA量级，量级，GeGe管是管是AA量级。量级。图图 SiSi和和GeGe两种二极管伏安特性的差别两种二极管伏安特性的差别二极管的选择 二极管选择的几条基本原则：1.要求导通电压低时选择锗管，要求反向电流小时选硅管。2.要求导通电流大时选

26、平面型，要求工作频率高时选点接触型。3.要求反向击穿电压高时选硅管。4.要求耐高温时选硅管。例例1.1 硅二极管与恒压源硅二极管与恒压源E和限流电阻和限流电阻R构成的直构成的直流电路如图流电路如图 所示，求二极管工作点。所示，求二极管工作点。解解：将二极管用将二极管用恒压源模恒压源模型型近似后来估算二极近似后来估算二极管工作点。管工作点。0.7VDONVV30.77.67mA300DDEVIR例例1.21.2 若在例若在例1.11.1电路中串联一个正弦电压源，电路中串联一个正弦电压源，估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值 和和 （T T300K3

27、00K）。）。4()100sin210 mVv tdmVdmI（a a）电路图）电路图 （b b）交流等效电路）交流等效电路图图 二极管交流电路分析二极管交流电路分析解解：当未加正弦电压源，即：当未加正弦电压源，即 时，由例时，由例1.11.1可可知，二极管的工作点知，二极管的工作点 ，则，则可估算出该工作点处的交流电阻为可估算出该工作点处的交流电阻为()0Vv t 0.7VDV7.67mADI26mV3.397.67mATdDVrI 直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交流电流。直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交流电流。在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。在静态工作点

28、附近，非线性电路近似为线性电路。利用线性电路的利用线性电路的叠加原理叠加原理，可以画出只，可以画出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为之为交流等效电路交流等效电路，如图，如图(b)(b)所示，由此交流所示，由此交流通路可求出通路可求出 :1000.33mA3003.39mdmdVIRr1.12mVdmdm dVIrmA 86.157.010DkI 141.8626(mV)26DTDIIVrD A)sin50t(4.0145sin50t(mV)2 dki A)sin50t(4.0(mA)86.1 D i补充补充 二极管应用电路二极管应用电路1.1

29、.整流电路整流电路图图1.22 1.22 直流稳压电直流稳压电源方框图源方框图 图图1.23 1.23 半波整半波整流电路流电路+_u1+_u2 整整流流电电路路滤滤波波电电路路稳稳压压电电路路+_u3+_u4+_uO 整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。交流变直流交流变直流 整流整流直流变交流直流变交流 逆变逆变直流稳压电源系统框图直流稳压电源系统框图直流脉动电压波形直流脉动电压波形0tu1A).半波整流电路正半周时正半周时 u2 0 0，二极管

30、，二极管导通。导通。忽略二极管正向压降：忽略二极管正向压降：u0=u2负半周时负半周时 u2 2 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=0V。VAB=0V。D1D23K 6V12VAB12补充 稳压管及其应用 Z IZVZV2.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。VD(V)ID(mA)ZIZVZV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

31、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)。ZZZ IVr1）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保证稳压管稳压性能的最小工作电流。的最小工作电流。IZmin很小，常视为零。很小，常视为零。V(V)

32、IZ(mA)0IZminIZmaxVZVZ2.5 30V4）最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM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。zzZIVrmaxZZZMIUP 2 2）限流电阻）限流电阻R R的选取的选取 IzzzRLLVVVIIIRR稳压管正常工作范围：稳压管正常工作范围：minmaxzzzIII可以求得：可以求得：图图 稳压管稳压电路稳压管稳压电路ImaxIminmaxminmaxmi

33、nzzzzzzLLVVVVRVVIIRR例例1.5 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=Vi=20V时时 IZ =IR-IL 5V16mAILDZRVi+VO+RLVVRRRiLL5mARVRVVILooiZ165006500620例例1.6 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

34、)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 55VILDZRVi+VO+RL解：解：B)正常稳压时正常稳压时IZ 0,必须满足必须满足由由得得:RLmin=1/3K 333 RL=333 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。临界稳压时临界稳压时 RL=RLminILVZIZDZRVi+VO+RLIRZViVRRRLL5201KLminLminRR 例例1.71.7为汽车上的收音机设计一个稳压电

35、源。为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳压电源为汽车收音机提供一个要求该稳压电源为汽车收音机提供一个9V9V的电的电压，稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶压，稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围（电压的变化范围（111113.613.6）V V，收音机的电，收音机的电流介于流介于0(0(关掉关掉)100mA(100mA(最大音量最大音量)之间。之间。解：解：（1 1）当负载电流最大）当负载电流最大 ，输出电压，输出电压 最最小时，流过稳压管的电流最小，小时，流过稳压管的电流最小，则则 （2 2）当负载电流最小）当负载电流最小 ，输入电压最大，输入电压最大 时，流过稳压管的

36、电流最大时，流过稳压管的电流最大 ,则则maxLIIminVImminmaxinzzLVVIIRImminmaxinzzLVVRIIminLIImaxVImmaxaxzzVVIRImmaxaxzzVVRI令上两式相等，则令上两式相等，则:ImminmaxmaxIm()()()axzzLzinzVVIIIVV 只含两个未知量：只含两个未知量：和和 。取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即即maxzIminzIminmax0.1zzIIImaxImaxmaxmaxIminImaxIminImax300mA()0.1()0.90.1zzzLzzzVVVVI

37、IVVVVVVVImaxmax13.6 915.3300zzVVRI则限流电阻则限流电阻:例1.8(p27)：图示电路中稳压管2DW3的VZ=9V，rZ=4；如果输入电压的波动VI/VI=10%，求输出电压的波动VO/VO。+_+_15VDZVI60180 VO+VO解：画出直流通路，稳压管恒压源模型V9VO+_15V60180VO9V画出交流通路，二极管用小信号模型+_+_VI60180 VO4V0915.0)5.1(9.3609.3VO%101.090915.0VVOO 练习题 稳压二极管电路如图所示，已知稳压管的稳定电压Vz=6V,动态电阻rz=10,输入电压的标称值VI为10V,但有1

38、V的波动。（1）当RL=200 时，试求标称电压下流过稳压管的电流Iz和输出电压Vo。在输入电压波动时，输出电压的变化量Vo有多大？（2）当RL=200 时，试求Iz和Vo的值。+VIDZR=100 IzRLVo_1.3 1.3 晶体三极管一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数五、主要参数一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三

39、个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？二、晶体管的放大原理（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区电子从发射区扩散扩散到基区到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴数扩散到基区的电子与空穴复合复合因集电区面积大，

40、在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子部分扩散到基区的电子漂移漂移到集电区到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散 电流分配：电流分配：I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？路会有穿透电流？三、晶体管的共射输入特性和输

41、出特性CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明显了？右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性B)(CECIufi 是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?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。为什么为什么uCE较小时较小

42、时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii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 )(ui

43、iuIT不变时，即不变时五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功率，最大集电极耗散功率，PCMiCuCE=Constant安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii讨论一清华大学 华成英 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）CEO讨论二：利用利用Multisim测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性讨论三 利用

44、利用Multisim分析图示分析图示电路在电路在V2小于何值时晶小于何值时晶体管截止、大于何值时体管截止、大于何值时晶体管饱和。晶体管饱和。以以V2作为输入、以节作为输入、以节点点1作为输出，采用直流作为输出，采用直流扫描的方法可得！扫描的方法可得！约小于约小于0.5V时时截止截止约大于约大于1V时时饱和饱和 描述输出电压与输出电描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。称为电压传输特性。1.4 1.4 场效应管场效应管（以N N沟道为例）场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），），对应于晶体管的对

45、应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管符号符号结构示意图结构示意图栅极栅极漏极漏极源极源极导电导电沟道沟道单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作噪声小、抗辐射能力强、低电压工作栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加必须加负电压？负电压？UGS（off）漏-源电压对漏极电流的影响uGSUGS

46、（off）且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎几乎仅仅决定于仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）常量DS)(GSDUufi夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性GS(off)GSDSUuu场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uGDUGS（off）。uDGUGS（off）2G

47、S(off)GSDSSD)1(UuIi在恒流区时常量GS)(DSDUufig-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性常量DSGSDmUuig预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：2.绝缘栅型场效应管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导

48、电沟道。SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层增强型管增强型管大到一定大到一定值才开启值才开启增强型MOS管uDS对iD的影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？iD随随uDS的增的增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻耗尽型 MOS管

49、耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道MOS管的特性1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2)1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，利用Multisim测试场效应管的输出特性从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？3.场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？