1、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 场效应管场效应管作业：作业：1.3 1.4 1.6 1.7 1.9 1.11 1.12 1.13 1.15 1.16 1.1 1.1 半导体基础知识二、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、本征半导体一、本征半导体一、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。本征半导体是本征半导体是纯净纯净的
2、的晶体结构晶体结构的半导体。的半导体。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，其最外层电子导体：铁、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。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子核绝缘体：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电。程度时才可能导电。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硅、锗原子的结构硅、锗原子的结构 GeSi+4硅硅 Si 锗锗 Ge 是典型的半导体是典型的半导体 共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子硅、锗原子的共价键结构硅、锗原子的共价键结构形成共价键后每个原形成共价键后每个原子的最外层电子是八子的最外层电子是八个，构成稳定结构个，构成稳定结构共价键有很强的结共价键有很强的结合力，使原子规则合力，使原子规则排列，形成晶体排列，形成晶体+4+4+4+4共价键中
4、的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共，常温下束缚电子很难脱离共价键成为价键成为自由电子自由电子，因此半导体自由电子很，因此半导体自由电子很少少化学成分纯净化学成分纯净（99.999%以上）在物理结构上呈单晶体形态在物理结构上呈单晶体形态完全纯净的完全纯净的结构完整的结构完整的半导体晶体半导体晶体2.2.本征半导体本征半导体本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子)，它的导电能力为 0，相当于绝缘体+4
5、+4+4+4自由电子自由电子束缚电子束缚电子载流子载流子:自由电子和空穴自由电子和空穴在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴空穴电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，这种作定向运动的电子和空穴（载流子）参与导这种作定向运动的电子和空穴（载流子）参与导电，形成本征半导体中的电流电，形成本征半导体中的电流本征本征半导体中半导体中存在数量相等存在数量相等的两种载流子的两种载流子即即自由电子自由电子和和空穴空穴+4+4+4+4本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流本征半
6、导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。子的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。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:ni=pi=1.41010/cm31 本征硅本征硅Si 的原子浓度的原子浓度:4.961022/cm3 2本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。的升高，基本上按指数规律增加。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。因此，本征载流子的浓度对温度
7、十分敏感。（有敝有利）（有敝有利）本征浓度本征浓度 本征本征锗锗 GeGe 的的本征浓度是本征浓度是 Si 的的 103 倍倍 3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。共价键共价键温度一定，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热温度一定，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，自由电子与空穴对的运动加剧，
8、挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。浓度加大。动态平衡动态平衡 二、杂质半导体二、杂质半导体在本征半导体中掺入某微量元素作为杂质，可使在本征半导体中掺入某微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。半导体的导电性发生显著变化。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:ni=pi=1.41010/cm31 2某种掺杂半导体中的自由电子浓度某种掺杂半导体中的自由电子浓度:no=51016/cm3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本征硅本征硅Si 的原子浓度的原子浓度:4.961022/cm3 N 型半导体型半导体
9、 掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）的的 半导体半导体 P 型半导体型半导体 掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）的半导体的半导体为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入微量的价电子数接近的三价或五价元素。微量的价电子数接近的三价或五价元素。+5+3N 型半导体型半导体五价杂质原子在与五价杂质原子在与硅原子形成共价键硅原子形成共价键时，多的一个电子时，多的一个电子形成自由电子形成自由电子在在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由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杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由
10、热激发形成由热激发形成提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同2.2.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掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，自由电子浓度远掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称），空穴称为为少数
11、载流子少数载流子（少子少子）N 型半导体中的载流子包括型半导体中的载流子包括+N 型半导体型半导体模型模型 +4+4+5+4P 型半导体型半导体因三价杂质原子在因三价杂质原子在与硅原子形成共价与硅原子形成共价键时，缺少一个价键时，缺少一个价电子而在共价键中电子而在共价键中留下一个空穴留下一个空穴在在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成形成；自由电子是少数载流子，自由电子是少数载流子，由热激发形成由热激发形成空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子三价杂质三价杂质 因而也称为受主杂质因而也称为受主杂质+4+
12、4+3+4空穴空穴硼原子硼原子+4+4+3+4P 型半导体型半导体模型模型 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，电子是少子 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 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、少数载流子多数载流子、少数载流子思考：思考：P 型半导体带正电吗？N 型半导体带负电吗？Si 半导体比 Ge 半导体高温性能更好的原因？对掺杂半导体，温度变化主要影响少子还是多子浓度的变化？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 P 型半
13、导体和型半导体和 N N 型半导体，经过载流型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就会形子的扩散，在它们的交界面处就会形成成 PN PN 结。结。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。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。气体、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、靠近区的空穴浓度降低、靠近接触面接触面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。+P型半导体型
14、半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散使空间电扩散使空间电荷区逐渐加宽荷区逐渐加宽内电场越强，漂移内电场越强，漂移运动越强，漂移使运动越强，漂移使空间电荷区变薄空间电荷区变薄空间电荷区空间电荷区也称耗尽层也称耗尽层（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载流子，其厚度约为内几乎没有载流子，其厚度约为 0.5（2）内电场的大小：）内电场的大小：对硅半导体：对硅半导体：VD 0.60.8V 对锗半导体：对锗半导体：VD 0.20.4V（3）当两边的掺杂浓度相等时，）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的结是对称的
15、 当两边的掺杂浓度不等时，当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称结不对称（4）从宏观上看，自由状态下，）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流结中无电流+P区区N区区1.1.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍 P 区区中的空穴中的空穴 N 区区中的电子（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）2.2.P 区中的电子和区中的电子和 N 区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子）数量有限数量有限+P区区N区区PN PN 结的形成因电场作用因电场作用所产生的运所产生的运动称为漂移动称为漂移运动。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
16、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。漂移运动漂移运动扩散运动使扩散运动使 P 区与区与 N 区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，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、自由区、自由电子从电子从 P 区向区向 N 区运动。区运动。+当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，区的电位，称为加称为加正向电压正向电压，PN结正向偏置，简称结正向偏置，简称正偏正偏 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(1)PN结正偏
17、时结正偏时耗尽层变窄，扩散耗尽层变窄，扩散加剧，因外电源的加剧，因外电源的作用，形成作用，形成大的大的扩扩散电流，散电流，PN PN 结处于结处于导通状态，导通状态，低电阻。低电阻。PN 结的单向导电性+PN+E+_R 内电场内电场外电场外电场变薄变薄正向电流正向电流内电场被削弱，多子扩散加强，形成较大的扩散电流内电场被削弱，多子扩散加强，形成较大的扩散电流当外加电压使当外加电压使PN结中结中N区的电位高于区的电位高于P区的电位，区的电位，称为加称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 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(2)PN结反偏时结反偏时：耗尽层变宽，阻止扩耗尽层变
18、宽，阻止扩散运动，有利于漂移散运动，有利于漂移运动，形成很小的反运动，形成很小的反向漂移电流。由于电向漂移电流。由于电流很小，故可近似认流很小，故可近似认为其截止。为其截止。(不导通，不导通，高电阻高电阻)内电场内电场外电场外电场+_REPN+反偏使内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，反偏使内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流（但少子数量有限，只能形成较小的反向电流（pA）PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高
19、电阻，具有很小的反向漂移电流具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性结具有单向导电性 正偏导通，反偏截止正偏导通，反偏截止问题 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？四、PN 结的电容效应1.势垒电容 CT：正偏正偏 V 加大加大空间电荷区变窄空间电荷区变窄极
20、板距离减小极板距离减小 CT 反偏反偏 V 加大加大 空间电荷区变宽空间电荷区变宽极板距离变宽极板距离变宽CT 2.扩散电容 CD 两区在 PN 结正偏时，多子存在净的 越结扩散，进入对方区域中成为非平 衡少子，在空间电荷区两侧积累，形 成非平衡少子浓度分布nP(x)和pn(x)存在非平衡少子浓度分布的两个区域 扩散区CD PN 结正向直流电流PN 结反偏时扩散电容 CD 为零清华大学 华成英 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为充
21、放电相同，其等效电容称为势垒电容势垒电容Cb扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中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过程，其等效电容称为累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容扩散电容CddbjCCC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结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！1.1.2 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
22、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：点接触型：结面积小，结电容结面积小，结电容小，故结允许的电小，故结允许的电流小，最高工作频流小，最高工作频率高。率高。面接触型：面接触型：结面积大，结电容结面积大，结电容大，故结允许的电大，故结允许的电流大，最高工作频流大，最高工作频率低。率低。平面型：平面型：结
23、面积可小、可大，结面积可小、可大，小的工作频率高，小的工作频率高，大的结允许的电流大的结允许的电流大。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：1.1.单向导电性单向导电性TeSTUuIiUu
24、，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/10STIiUu，则若反向电压三、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
25、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，时，直流电源作用直流电源作用小信号作用小信号作用 小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性某一小范围内时，二极管工作在正向特性某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据
26、得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDdQVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则则DIVT常温下常温下T=300K)mA()mV(26DDdIIVrT 四、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流 I IF F：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 U UR R：最大瞬时值：最大瞬时值 反向电流反向电流 I IR R：即：即 I IS S 最高工作频率最高工作频率 f fMM：因：因 PN PN 结有电容效应结有电容效应第四版第四版P20讨论：1.1.如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？问：问：D1 D2 的工作状态如何？的工作状态如何？Uo
27、 等于多少？等于多少？D1 不通，不通，D2 导通导通 Uo =-1.3V2)图解法求二极管工作点求二极管工作点 （VD 和和 ID 的值）的值）1)估算法：估算法：对于导通的对于导通的 Si 管，管，取取 Von=0.7 v VD=0.7 V ID=(3-0.7)/300 =7.67 mAvDiDQ1037.60.72/mA/viD=(E vD)/R2)图解法讨论：2.2.什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？对对V(直流大信号）和直流大信号）和 ui (交流小信号）交流小信号）二极管二极管的模型有什么不同？的模型有什么不同？例：估算二极管上交流电压与电
28、流的振幅值 vdm 和 idm）（v 102sin100)(4mttvv 102sin100)(4mttviD7.60.72Q解 1）v(t)=0V 时：VD=0.72 V ID=7.6 mA 则：rd =VT/ID=26mv/7.6mA=3.42:v 102sin100)()24后加入mttvmV13.133.042.3mA33.0)42.3300/(100)/(100dmddmddmirvrRi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反向击穿后在反向击穿后在一定的电流范一定的电流范围内端电压围内端电压基基本本不变，为稳不变，
29、为稳定电压。定电压。2.主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、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电流太小则不稳压，电流太大会因功耗过大而损坏，因而电流太小则不稳压，电流太大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流的限流电阻！稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？六、变容二极管 利用反偏时,势垒电容 CT工作的二极管 变容二极管，简称变容管考虑 CT 和 CD 在Q点处二极管的小信号模型为下图:工工作作点点d dV Vd dC CQCT和CD均为非线性电容，按增量电容定义：CT 和 CD 对外电路并连
30、，总的等效电容：Cj=CT+CD Cj 称为 PN 结的结电容 一般CT在几个PF量级，CD在几十PF量级 极间电容极间电容 C 和和 最高工作频率最高工作频率C 的阻抗的阻抗 1/(C)高频时：二极管失去单向导电特性变容二极管广泛用于高频电路在压控振荡器(VCO)中作频率控制元件LC-R电路中各元件的作用？特殊二极管（了解）请阅读教材 太阳能电池 光电二极管 发光二极管 肖特基二极管电源插板指示灯电路电源插板指示灯电路课堂作业：课堂作业：设计设计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、
31、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、主要参数三三 极极 管管一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号两种类型的三极管两种类型的三极管+基区基区集电区集电区 发射区发射区发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极（Base）用B或b表示 发射极发射极（Emitter）用E或e表示集电极集电极（Collector）用C或c表示+两种类型的三极管两种类型的三极管三极管符号三极管符号+结构特点：结构特点：发射区的掺杂浓度最高；发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，几
32、微米至几十微米，掺杂浓度最低基区很薄，几微米至几十微米，掺杂浓度最低管芯结构剖面图管芯结构剖面图+1.BJTBJT放大状态及电流分配关系放大状态及电流分配关系1.内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。通过载流子传输体现出来的。外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 （以（以NPN为例）为例）二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理iEPi
33、BNiEN以上看出：以上看出：三极管内有两种载流子参与导电三极管内有两种载流子参与导电 (自由电子和空穴自由电子和空穴)Bipolar Junction TransistorBipolar Junction TransistoriEPiBNiENCBOEPBNBCBOCNCEPENEIiiiIiiiii BNCNENiii（内部关系）（内部关系）iEPiBNiENECBOCENCNiIiiiECii 通常通常 iC ICBOBCEiii（外部关系）（外部关系）ECii 为为共基极直流共基极直流电流放大系数，电流放大系数，与管子结构和掺与管子结构和掺杂浓度有关杂浓度有关，一般：一般：=0.9 0
34、.99iE=iB+iCCBECBEBCii iE=iB+iC 是是共发射极直流共发射极直流电流放大系数，它电流放大系数，它也与管子结构和掺也与管子结构和掺杂浓度有关杂浓度有关，通常：，通常：1 1 1=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解：解：和和 的方向和大小表明该管处于放大偏置，的方向和大小表明该管处于放大偏置，断开断开 E E 点时表读
35、数是集电结反向饱和电流点时表读数是集电结反向饱和电流 ，断开断开 B B 点时表读数是穿透电流点时表读数是穿透电流 ，即，即 例：图中例：图中 断开断开B B点时，表的读数点时，表的读数为为240240A A，断开，断开E E点时点时表的读数为表的读数为6 6A A，求该管的求该管的 和和 CCBBVVCCVBBVCBOICEOI6CBOIA(1)240CEOCBOIIA390.9751 1CB ii 1CEiiCBECBE 共基极交流共基极交流电流电流放大系数放大系数：=0.9 0.99 共射极交流共射极交流电流电流放大系数放大系数:：1 当当 BJT 工作工作 于放大区时：于放大区时：例：
36、例：VCE=6V 时时：IB=40 A,IC=1.5 mA IB=60 A,IC=2.3 mA5.3704.05.1_BCII4004.006.05.13.2BCII3.3806.03.2_BCIICBE放大的放大的外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏高高低低更高更高低低高高更低更低NPN 管管CBEE BCPNP 管管V+。V+。NPN 管管放大偏置放大偏置CBE PNP 管管放大偏置放大偏置V-。V-。EBC放大偏置放大偏置 BJT BJT 偏压与电流的关系偏压与电流的关系1.发射结正向电压VBE对各极 电流的控制作用:VBE 变化将控制ie,ib,ic 的变化
37、（可利用）CBE2.集电结反向电压VCB对各极 电流的影响:VCB 变化将使ie,ib,ic变化（量小,不希望,应避免）控制各极电流变化控制各极电流变化的真正原因是发射的真正原因是发射结正向电压的变化结正向电压的变化RvCE=0V+-bce共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const vCE 时，时，集电结反偏集电结反偏 ，集电结变宽，基区宽度变小，集电结变宽，基区宽度变小，同样同样 的的 vBE 下下 IB 减小，特性曲线右移减小，特性曲线右移vCE=1VvCE=10V1.共射共射输入特性曲线输入特性曲线三、晶体管的共射输入特性和输出
38、特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性 输入特性曲线输入特性曲线非线性区非线性区死区死区线性区线性区+-bce共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE2.2.共射输出特性曲线共射输出特性曲线+-bce共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEiC =f(vCE)iB=constiC=f(vCE)iB=const输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时，vBE小于死区电压，小于死区电压，集电结反偏集电结反偏。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE
39、轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。还有一个击穿区饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，vCE0.3V(硅管硅管)，发射发射结正偏，集电结正偏或结正偏，集电结正偏或反偏电压很小反偏电压很小。+-bceRL共射极放大电路共射极放大电路vI+-iCiBVCCVBB1.VCE 接近 0 V，IC 不可能再随 IB 增大2.此时 IC 明显受 VCE 控制3.这是放大电路不希望的关于饱和区的解释：晶体管的三个工作区域在放大状态时，输出回路的电流在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎
40、仅仅决定于输入回路几乎仅仅决定于输入回路的电流的电流 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 的主要参数的主要参数 2.极间反向电流极间反向电流1.电流放大系数电流放大系数 3.极限参数极限参数4 4.特征频率特征频率 f f T T =IC/IB vCE=const1.电流放大系数电流放大系数 1)1)共发射极共发射极直流直流电流放大系数电流
41、放大系数+-bceVBBVCCvBEiCiB+-vCE2)共发射极共发射极交流交流电流放大系数电流放大系数 =IC/IB vCE=constCBE 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=（1+）ICBO 2.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 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流路时，集电结的反向饱和电流 b c e uA Ie=0 VCC ICBO b c e VCC ICEO uA ICEO 即输出特性曲线即输出特性曲线IB=0那条曲线所对那条曲线所对应的应的Y坐标的数值，坐标的数值，IC
42、EO也称为集电极也称为集电极发射极间穿透电流发射极间穿透电流1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM2)集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗 PCM =ICVCE 3.极限参数极限参数+-bce共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE BVCEO 基极开路时集电极和发射极基极开路时集电极和发射极 间的击穿电压间的击穿电压3)反向击穿电压反向击穿电压 BVCBO 发射极开路时的集电结发射极开路时的集电结 反向击穿电压反向击穿电压BV EBO 集电极开路时发射结的集电极开路时发射结的 反向击穿电压反向击穿电压几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 BV
43、CBOBVCEOBVEBO4)4)特征频率特征频率 f f T T BJT 工作在高频时：工作在高频时：当：时此时的频率称为此时的频率称为 BJT BJT 的的特征频率特征频率f T1截止频率截止频率特特征征频频率率利用利用 Multisim Multisim 测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性 利用利用MultisimMultisim分析图示分析图示电路在电路在V2V2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
44、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。FET 与与BJT 不同，它是一种载流子不同，它是一种载流子（多子）参与导电（单极性）；（多子）参与导电（单极性）；温度稳定性好；温度稳定性好；输入阻抗高（输入阻抗高（109 以上）；以上）；功耗低；体积小，易于集成；功耗低；体积小，易于集成；内部噪声小，工作频率高。内部噪声小，工作频率高。1.4 1.4 场效应管场效应管GD()DSDGSvif v常数2off)1(VvIiGSDSSD),(DSGSDvvfi),(DSGSDvvfi1
45、 DDDGSDSGSDSQQmGSDSdsiididvdvvvg dvdvrdsdmgsdsvig vr则 dsdm gsdsvig vrconst.DSDGS)(vvfi2.转移特性转移特性 const.GSDDS)(vvfiVoff1.输出特性输出特性 )0(V )1(off2offDGSGSDSSvVvIi常数GSDSDfV)V(i i2)th()1(iGSGSDODVvIVi(v)DSDGSf常数DGS(th)GSDOi 2 时的为VvI耗尽型 MOS管 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，
46、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场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较(1)场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管 的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。(2)场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm 一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB 控制iC。(3)场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻
47、比三极管的输入电阻高。(4)场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。(5)场效应管在源极未与衬底连在一起时，源和漏极可 以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极 与发射极互换使用时，其特性差异很大。(6)场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输 入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。(7)场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电 路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热 稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而
48、被广 泛用于大规模和超大规模集成电路中。各种场效应管的符号和特性曲线各种场效应管的符号和特性曲线 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFETN沟道沟道增强型增强型MOSFET输出特性输出特性转移特性转移特性符号符号种类种类P沟沟道耗道耗尽型尽型MOSFETP沟沟道增道增强型强型MOSFET输出特性输出特性转移特性转移特性符号符号种类种类-结型P沟道结型N沟道输出特性输出特性转移特性转移特性符号符号种类种类N沟道增强型N沟道耗尽型N沟道 JFETP沟道 JFETP沟道耗尽型P沟道增强型虚线表示沟道在施加外电压后才形成虚线表示沟道在施加外电压后才形成 增强型增强型实线表示沟道在施加外电压前就存在实线表示沟
49、道在施加外电压前就存在 耗尽型耗尽型箭头朝里表示箭头朝里表示 N 沟道沟道 箭头朝外表示箭头朝外表示 P 沟道沟道 四种四种 MOS 管偏置的比较管偏置的比较 1.对于N沟道器件，VDS必为正值，衬底必须接在电路中的最低电位上。对于 P 沟道器件，VDS必为负值，衬底必须接在 电路中的最高电位上。2.VGS：增强型器件是单极性的，N沟道为正值，P沟道为负值，耗尽型器件可正可负。3.N沟道器件，VGS向正值方向增大，ID 越大；P沟道器件，VGS向负值方向增大，ID越大。使用场效应管的注意事项使用场效应管的注意事项 (1)(1)从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称从场效应管的结构上看，其源极
50、和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。效应管的源极和漏极就不能互换了。(2)(2)当当MOSMOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对路中的电位最低点（对N N沟道沟道MOSMOS管而言）或电位管而言）或电位最高点（对最高点（对P P沟道沟道MOSMOS管而言），以保证沟道与衬管而言），以保证沟道与衬底间的底间的PNPN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电结处于反向偏置
