数字电子技术基础简明教程课件——半导体器.ppt

半导体器件 肖合九 教授 1 一、半导体的特性 1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之 间的物质称为半导体，如硅(Si)、锗(Ge)。硅 和锗都是4价元素，原子的最外层轨道上有4个 价电子。 + 锗(32) Ge 硅(14) Si 1 半导体的基础知识 2 2、半导体中的两种载流子：若把纯净的半导 体材料制成单晶体，它们的原子将有序排列。 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通 过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用 一对电子。 共价键 3 在一定温度下，若受光 和热的激发，少数价电子 将会挣脱共价键的束缚成 为自由电子，在原来位置 留下一个空穴。原子失去 电子带正电，相当于空穴 带正电。半导体中的自由 电子和空穴都能参与导电 ，于是半导体中有两种载 流子，空穴为带正电荷的 载流子，电子为带负电荷 的载流子。自由电子和空 穴同时产生。 硅原子 共价键 价电子 4 3、半导体的导电特性 ： 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等） 。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 5 二、本征半导体 纯净的不含杂质、晶体结构排列整齐的半导体， 称为本征半导体。 晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子，称为价电子。 Si Si Si Si 价电子 6 Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能量（ 温度升高或受光照）后，即可 挣脱原子核的束缚，成为自由 电子（带负电），同时共价键 中留下一个空位，称为空穴（ 带正电）。 1、本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发。 空穴 温度愈高，晶体中产生 的自由电子便愈多。 自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子 来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当 于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。 7 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两 部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能 也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。 在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡， 半导体中载流子便维持一定的数目。 8 三、杂质半导体 掺杂后自由电子数目大掺杂后自由电子数目大 量增加，自由电子导电成量增加，自由电子导电成 为这种半导体的主要导电为这种半导体的主要导电 方式，称为电子半导体或方式，称为电子半导体或 N N（NegativeNegative）型半导体。）型半导体。 掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Si p+ 多 余 电 子 磷原子 在常温下即可 变为自由电子 失去一个 电子变为 正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, , 形成杂质半导体。形成杂质半导体。 在在N N 型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是 多数载流子，空穴是少数载多数载流子，空穴是少数载 流子。流子。 1、N型半导体 9 掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量 增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或式，称为空穴半导体或 P P（PositivePositive）型半导体）型半导体 。 掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在 P P 型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多 数载流子，自由电子是少数数载流子，自由电子是少数 载流子。载流子。 B 硼原子 接受一个接受一个 电子变为电子变为 负离子负离子 空穴 无论无论N N型或型或P P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。 2 2、P P型半导体型半导体 10 1、漂移运动与扩散运动 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种 运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称 为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分 布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高 的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩 散运动。 四、PN结及其单向导电性 11 2、PN结的形成 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导 体，当P型半导体和N型半导体相互“接触”后，由于两类半导体 中多子（电子和空穴）浓度差的存在，在它们的交界面附近便出 现了电子和空穴的扩散运动。 N区界面附近的多子电子将向P区 扩散，并与P区的空穴复合，在N区界面附近剩下了不能移动的施 主正离子，形成一个很薄的正电荷层。同样P区界面附近的多子空 穴将向N区扩散，并与N区的电子复合，在P区界面附近剩下了不能 移动的受主负离子，形成一个很薄的负电荷层。于是在两种半导 体的交界面附近便形成了一个空间电荷区，这就是PN结。 PN结内不能移动的正负离子称为空间电荷区，在PN结内载流 子的浓度远低于结外的中性区，载流子几乎全部扩散到对方并被 复合掉了，或者说载流子被消耗尽了，故又称为耗尽区。 12 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运 动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。电荷区变薄。 扩散的结果使 空间电荷区变宽 。 空间电荷区也称 PN 结 扩散和漂移扩散和漂移 这一对相反的这一对相反的 运动最终达到运动最终达到 动态平衡，空动态平衡，空 间电荷区的厚间电荷区的厚 度固定不变。度固定不变。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区 13 多子 扩散 形成空间电荷区 产生内电场 少子 漂移 促使促使 阻止阻止 扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结 14 3、 PN结的单向导电性 、PNPN 结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置） PN 结变窄 P接正、N接负 外电场 IF 内电场被内电场被 削弱，多子削弱，多子 的扩散加强的扩散加强 ，形成较大，形成较大 的扩散电流的扩散电流 。 PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。 内电场 PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 15 PN PN 结变宽结变宽 、PNPN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置） 外电场外电场 内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少 ，形成很小的 反向电流。IR P P接负、接负、N N接正接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 + PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。 内电场内电场 P P N N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 16 一、填空题 1、半导体中有( )和( )两种载流子。 空穴 自由电子 2、N型半导体是在本征半导体中掺入极微量的( ) 价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为( )，少数载流子为( )。 自由电子 五 空穴 3、PN结加正向电压时，外电场的方向与内电场的方 向( )，加负向电压时，外电场的方向与内电场的方 向( )。 相反 相同 二、单项选择题 1、纯净的半导体称为( )。 A、N型半导体 B、P型半导体 C、本征半导体 C 2、PN结加正向电压时，空间电荷区将( )。 A、变窄 B、基本不变 C、变宽 A 17 2 半导体二极管 一、二极管的结构及符号 1 1、 点接触型点接触型 2 2、面接触型、面接触型 结面积小、结电容小结面积小、结电容小 、正向电流小。用于检、正向电流小。用于检 波和变频等高频电路。波和变频等高频电路。 结面积大、正向电流结面积大、正向电流 大、结电容大，用于工大、结电容大，用于工 频大电流整流电路。频大电流整流电路。 3 3、 平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。PNPN结结面积可大可小结结面积可大可小 ，用于高频整流和开关电路中。，用于高频整流和开关电路中。 18 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 ( c ) 平面型 金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 阴极阳极 ( d ) 符号 D 19 二、二极管的伏安特性 硅管硅管0.5V,0.5V, 锗管锗管0 0.1V.1V 。 反向击穿 电压U(BR) 导通压降导通压降 外加电压大于死区外加电压大于死区 电压二极管才能导通电压二极管才能导通 。 外加电压大于反向击外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。失去单向导电性。 正向特性正向特性 反向特性 特点：非线性特点：非线性 硅硅0 0.60.8V.60.8V 锗锗0.20.3V0.20.3V U I 死区电压死区电压 P N + P N + 反向电流反向电流 在一定电压在一定电压 范围内保持范围内保持 常数。常数。 20 二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1. 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴 极接负极接负 ）时，）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。 2. 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴 极接正极接正 ）时，）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反 向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。 3. 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失 去单向导电性。去单向导电性。 4. 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反 向电流愈大。向电流愈大。 21 三、主要参数 1. 1. 最大整流电流最大整流电流 I I F F 2. 2. 最高反向工作电压最高反向工作电压U URM RM 3. 3. 反向电流反向电流I I R R 4. 4. 最大工作频率最大工作频率f fM M 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 是指允许加在二极管两端的反向电压的最大值，其值通常取二是指允许加在二极管两端的反向电压的最大值，其值通常取二 极管反向击穿电压的一半或三分之二。击穿后单向导电性被破坏极管反向击穿电压的一半或三分之二。击穿后单向导电性被破坏 ，甚至过热而烧坏。，甚至过热而烧坏。 指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。反向电流大，说指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。反向电流大，说 明管子的单向导电性差，明管子的单向导电性差，I I R R 受温度的影响，温度越高反向电流越受温度的影响，温度越高反向电流越 大。硅管的反向电流较小大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十锗管的反向电流较大，为硅管的几十 到几百倍。到几百倍。 指二极管正常工作时的上限频率值。它的大小与指二极管正常工作时的上限频率值。它的大小与PNPN结的结电结的结电 容有关。超过此值，二极管的单向导电性能变差。容有关。超过此值，二极管的单向导电性能变差。 22 1 1、整流：改变信号波形，正弦波变脉动波。改变信号波形，正弦波变脉动波。 已知：二极管理想化 求：uO波形 ui + - 四、二极管应用举例 uO tO uO - + ui tO + 分两个半周分析分两个半周分析 信号正半周时：信号正半周时：D D导通导通u uO O = =u u i i 信号负半周时：信号负半周时：D D截止截止u uO O=0 =0 RL 23 t 、检波作用：从载波信号中检出音频信号。 ui + - uO - + + RLC 旁路高频信号 载波信号经二极管 后负半波被削去 检出音频信号 t t 24 、限幅：把输出信号的幅度限制在某电平范围内把输出信号的幅度限制在某电平范围内 。 已知：二极管UD0.7V 求：uO波形 5 ui t o 3.7 + - 3 3V V + - uiuO - + + uO t o 25 下图中，已知uA=3V，uB=0V， DA、DB为锗管，求输出端F的电位 并说明二极管的作用。 、箝位与隔离 隔离作用隔离作用二极管二极管D D截止时，相当于断路，阳极与截止时，相当于断路，阳极与 阴极被隔离。阴极被隔离。 箝位作用箝位作用二极管二极管D D导通时，管压降小，强制阳导通时，管压降小，强制阳 极与阴极电位基本相同。极与阴极电位基本相同。 0V 3V 2.7V -12V R D DA A D DB B uA uB uO F A B DA管的嵌位作用：D D A A 管优管优 先导通，把先导通，把u uO O嵌位在 嵌位在3 30.30.3 2.7V2.7V。 DB管的隔离作用：D D B B 管加管加 上反向电压而截止，输入端上反向电压而截止，输入端 B B和输出端和输出端F F隔离开。隔离开。 26 六、特殊用途二极管 . . 符号符号 UZ IZ IZM UZ IZ . . 伏安特性伏安特性 稳压管正常工作时稳压管正常工作时 加反向电压加反向电压 使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后稳压管反向击穿后 ，电流变化很大，但其，电流变化很大，但其 两端电压变化很小，利两端电压变化很小，利 用此特性，稳压管在电用此特性，稳压管在电 路中可起稳压作用。路中可起稳压作用。 _ + U I O 1. 1. 稳压管稳压管 27 . . 主要参数主要参数 稳定电压稳定电压U UZ Z 稳压管正常工作稳压管正常工作( (反向击穿反向击穿) )时管子两端的电压。时管子两端的电压。 电压温度系数电压温度系数 环境温度每变化环境温度每变化1 1 C C引起引起稳压值变化的稳压值变化的百分数百分数。 动态电阻动态电阻 稳定电流稳定电流 I IZ Z 、 、最大稳定电流最大稳定电流 I IZM ZM 最大允许耗散功率最大允许耗散功率 P PZM ZM = = U UZ Z I I ZMZM r r Z Z 愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。 28 2. 2. 发光二极管发光二极管 VL 发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，它的符号发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，它的符号 如右下图所示。制作发光二极管的半导体中杂质浓度很高，当对如右下图所示。制作发光二极管的半导体中杂质浓度很高，当对 管子加正向电压时，多数载流子的扩散运动加强，大量的电子和管子加正向电压时，多数载流子的扩散运动加强，大量的电子和 空穴在空间电荷区复合时释放出的能量大部分转换为光能，从而空穴在空间电荷区复合时释放出的能量大部分转换为光能，从而 使发光二极管发光使发光二极管发光, ,并可根据不同化合物材料，并可根据不同化合物材料， 发出不同的颜色的光，如磷砷化钾发出红色、发出不同的颜色的光，如磷砷化钾发出红色、 磷化鎵发出绿色。它常用来作为显示器件。磷化鎵发出绿色。它常用来作为显示器件。 3. 3. 光电二极管光电二极管 VL 光电二极管又叫光敏二极管，它的管壳上有一个玻璃窗口，光电二极管又叫光敏二极管，它的管壳上有一个玻璃窗口， 以便接受光照，光电二极管工作在反偏状态，它的反向电流随以便接受光照，光电二极管工作在反偏状态，它的反向电流随 着光照强度而上升，它的符号如右图所示。着光照强度而上升，它的符号如右图所示。 当有光照时，光电二极管处于导通状态，当当有光照时，光电二极管处于导通状态，当 没有光照时，光电二极管处于截止状态。它没有光照时，光电二极管处于截止状态。它 可应用于光的测量。可应用于光的测量。 29 半导体三极管是由三层半导体材料组成的。有三个 区域：基区、发射区、集电区。有两个PN结，发射区 和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN 结叫集电结 。有三个电极：基极b、发射极e和集电极c 。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的 排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管 有两种类型：NPNNPN型型和PNPPNP型型。 3 半导体三极管及基本放大电路 一、三极管的结构及符号 半导体三极管又叫晶体管，主要由于放大电路和开 关电路，在电子电路中得到了广泛的应用。 30 NPN型 PNP型 箭头方向表示发射结加 正向电压时的电流方向 31 基区：最薄，基区：最薄， 掺杂浓度最低掺杂浓度最低 发射区：掺发射区：掺 杂浓度最高杂浓度最高 发射结发射结 集电结集电结 B B E E C C N N N N P P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 结构特点：结构特点： 集电区：面积最大，集电区：面积最大， 但掺杂浓度低但掺杂浓度低 电流放大作用的内部条件：这些结构上的特点是三 极管具有电流放大作用的内部条件。 32 二、三极管的电流分配关系和放大作用 1、电流放大作用的外部条件 从电位的角度看：从电位的角度看： 为了实现三极管的电流放大作用除了上述的内部条件外，还 必须具有一定的外部条件，即给发射结加上正向电压(偏置)， 集电结加上反向电压(偏置)。如图所示。 NPNNPN ： 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB 即即 VCVB VE 以NPN管为例来说明半导体三极管各极间电流分配关系及其 电流放大作用。 共发射极电路 输入回路输入回路输出回路输出回路 A IC mA IB VCC + + RC mA IE RB VBB 发射极E是输入回路和输出 回路的公共点，因此称这种接 法为共发射极电路。 33 2、各电极电流关系及电流放大作用 I I B B (mA(mA) ) I I C C (mA(mA) ) I I E E (mA(mA) ) 0 0 0.010.01 0.020.020.030.03 0.040.040.050.05 0.010.01 0.560.561.141.141.74 1.742.332.332.912.91 0.010.01 0.570.571.161.161.771.772.372.372.962.96 结论: 1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称 为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是 一个电流控制的电流源器件。 改变可变电阻RB，测基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流 IE，结果如下表所示。 34 3 3、三极管内部载流子的运动规律、三极管内部载流子的运动规律 B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 基区空穴 向发射区的 扩散可忽略 。 发射结正偏， 发射区电子不断 向基区扩散，形 成发射极电流IE 。 进入P 区的电 子少部分与基区 的空穴复合，形 成电流IBE ，多 数扩散到集电结 。 从基区扩散来的 电子作为集电结 的少子，漂移进 入集电结而被收 集，形成ICE。 集电结反偏， 有少子形成的 反向电流ICBO。 35 3 3、三极管内部载流子的运动规律、三极管内部载流子的运动规律 I I C C = = I ICE CE + +I I CBO CBO I I CECE IC IB B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO I I B B = = I IBE BE - - I I CBO CBO I I BEBE I ICE CE 与 与 I IBE BE 之比称为共 之比称为共 发射极电流放大倍数发射极电流放大倍数 集射极穿透电流集射极穿透电流, , 温度温度I ICEO CEO ( (常用公式常用公式) ) 若若I IB B =0, =0, 则则 I I C C I I CE0CE0 36 三、三极管的伏安特性 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部 载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分 析放大电路的依据。 共发射极电路 输入回路 输出回路 测量三极管特性的电路如下图所示。IC EB mA A V UCE UBE RB IB EC V + + + + 37 1、输入特性 输入特性如图所示 硅管：死区电压0.5V，发射结导通电压约为0.7V 锗管：死区电压0.1V，发射结导通电压约为0.3V IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 UCE1V O 特点： 1、输入特性也有一个“死区” 。在死区内，UBE虽已大于零，但 IB仍为零。 2、一般情况下，当UCE1V以 后，输入特性几乎与UCE1V的特 性重合，因此常用UCE1V的一条 曲线来代表所有输入特性曲线。 38 2、输出特性 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 36 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 912 O 放大区 输出特性曲线如图所示，通常分三个工作区： (1)放大区 输出特性曲线上IB0 和UCE 1V的区域为放大区。在这个区域， 发射结正偏、集电结反偏，即VC VBVE 。 放大区的特点是IC由IB决定，而 与UCE关系不大。即IB固定时，IC 基本不变，具有恒流的特性。 改 变IB，则可以改变IC ，而且IB远小 于IC，IC的大小受IB控制，IC IB ，表明IC是受基极电流控制 的受控电流源，有电流放大作用。 39 I I B B =0=0 2020 A A 4040 A A 6060 A A 8080 A A 100100 A A 3 3 6 6 I I C C ( (mmA A ) ) 1 1 2 2 3 3 4 4 U U CECE(V) (V) 9 9 1212 O （2）截止区 IB 0 特性曲线以下区域为截止区，有 IC 0 。 在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体 管工作于截止状态。三极管在电路中犹如一个断开的开关。 饱饱 和和 区区 截止区截止区 （3）饱和区 当UCEUBE时，发射结、集 电结均处于正偏，即VBVC VE晶体管工作于饱和状态。IC 随着UCE的增大基本成正比例 上升关系，管压降很小，UCES 称饱和压降。深度饱和时，硅 管 UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。由于深度饱和时UCES约 等于零，三极管在电路中犹如 一个闭合的开关。 40 四、主要参数 1. 1. 电流放大系数电流放大系数， 直流电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 当晶体管接成发射极电路时，当晶体管接成发射极电路时， 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体 管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。 注意：注意： 和和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等的含义不同，但在特性曲线近于平行等 距并且距并且I ICE0 CE0 较小的情况下，两者数值接近。 较小的情况下，两者数值接近。 常用晶体管的常用晶体管的 值在值在20 20020 200之间。之间。 41 例：在例：在U UCE CE= 6 V = 6 V时，时， 在在 QQ 1 1 点点I I B B =40=40 A, A, I I C C =1.5mA=1.5mA ； 在在 QQ 2 2 点点I I B B =60 =60 A, A, I I C C =2.3mA=2.3mA。 在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： = = 。 I I B B =0=0 2020 A A 4040 A A 6060 A A 8080 A A 100100 A A 3 3 6 6 I I C C ( (mmA A ) ) 1 1 2 2 3 3 4 4 U U CECE(V) (V) 9 9 1212 0 0 QQ 1 1 QQ 2 2 在在 QQ 1 1 点，有点，有 由由 QQ 1 1 和和QQ 2 2 点，得点，得 42 2. 2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流 I ICBO CBO I ICBO CBO是由少数载流子的 是由少数载流子的 漂移运动所形成的电流，漂移运动所形成的电流， 受温度的影响大。受温度的影响大。 温度温度I ICBO CBO ICBO A + EC 3. 3.集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流( (穿透电流穿透电流) )I ICEO CEO A ICEO IB=0 + I ICEO CEO受温度的影响大。 受温度的影响大。 温度温度I ICEO CEO ， ，所以所以I I C C 也也 相应增加。相应增加。三极管的温三极管的温 度特性较差。度特性较差。 43 4. 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 I ICM CM 5. 5. 集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO (BR)CEO 集电极电流集电极电流 I I C C 上升太大会导致三极管的上升太大会导致三极管的 值的下值的下 降，当降，当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电 流即为流即为 I ICM CM。 。 当集当集射极之间的电压射极之间的电压U UCE CE 超过一定的数值时， 超过一定的数值时， 三极管就会被击穿。手册上给出的数值是三极管就会被击穿。手册上给出的数值是2525 C C、 基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U U(BR) (BR) CEOCEO。 。 6. 6. 集电极最大允许耗散功耗集电极最大允许耗散功耗P PCM CM P PCM CM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大， 取决于三极管允许的温升，消耗功率过大， 温升过高会烧坏三极管。温升过高会烧坏三极管。 P P C C P PCM CM = =I I C C U U CECE 硅硅管允许结温约为管允许结温约为150150 C C，锗锗管约为管约为7070 9090 C C。 44 五、 共射极放大电路 、共射基本放大共射基本放大电路组成电路组成 共射放大电路共射放大电路 VCC RB RC C1 C2 VT + + ui + uo + b e c 三极管VT：放大元件, iC= iB。要 保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体 管工作在放大区 。 集电极直流电源VCC：放大电路的 总能源，同时兼作偏置电源。 基极偏置电阻RB ：使发射结处于 正偏，并提供大小适当的基极电流。 集电极电阻RC ：它与VCC配合， 使集电结反偏,保证三极管工作在放 大区。 耦合电容C1 、C2 ：分别接在放大 电路的输入端和输出端，起隔直通交 的作用。 由三极管、电阻、电容和直流电源组成。由三极管、电阻、电容和直流电源组成。 45 、放大放大电路中各电量的表示方法电路中各电量的表示方法 1、电压、电流的方向规定：规定电压都以输入、输出回路的 公共端为负，其他各点为正；电流方向以三极管各电极电流的实 际方向为参考方向 。 1、电压、电流符号的规定 、直流分量，用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的 直流电流。 、交流分量，用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的 交流电流。 、交直流分量，表示直流分量和交流分量之和，即交流叠加 在直流上，用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的 瞬时值，其数值为iBIBib 。 、交流有效值，用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极 的正弦交流的有效值。 、交流最大值，用交流有效值符号再增加小写m下标表示。 如Ibm表示基极交流电流最大值。46 、共射放大电路的电压放大作用、共射放大电路的电压放大作用 UBEIB IC UCE 无输入信号(ui = 0)时: uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE +UCC RB RC C1 C2 T + + ui + uo + + + uBE uCE iC iB iE uBE t O iB t O iC t O uCE t O 47 IC UCE O IB UBE O 结论： (1) (1) 无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流电压和电流: :I I B B 、U UBE BE和 和 I I C C 、U UCE CE 。 。 ( (I I B B 、U UBE BE) ) 和 和( (I I C C 、U UCE CE) )分别对应于输入、输出特 分别对应于输入、输出特 性曲线上的一个点，称为性曲线上的一个点，称为静态工作点静态工作点。 Q IB UBE Q UCE IC 48 UBEIB 无输入信号(ui = 0)时: uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE ？ 有输入信号有输入信号( (u u i i 0) 0)时时 uCE = UCC iC RC uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo IC +UCC RB RC C1 C2 T + + ui + uo + + + uBE uCE iC iB iE uBE t O iB t O iC t O uCE t O ui t O UCE uo t O 49 结论：结论： (2) (2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大 小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量。一个交流量。 + 集电极电流 直流分量 交流分量 动态分析 iC t O iC t IC O iC t ic O 静态分析 50 结论：结论： (3) (3) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，若参数选取得当，输出电压可比输入电压大， 即电路具有电压放大作用。即电路具有电压放大作用。 (4) (4) 输出电压与输入电压在相位上相差输出电压与输入电压在相位上相差180180， 即共发射极电路具有反相作用。即共发射极电路具有反相作用。 ui t O uo t O 51 用图解法分析动态工作情况用图解法分析动态工作情况 Q uCE/V t t iB/A IBQ t iC/mA ICQ iB/A uBE/V t uBE/V UBEQUCEQ iC/mA uCE/V O OO O O O Q ic Q1 Q2 ib ui uo R RL L= = 由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的 电压放大倍数。52 一、填空题 1、硅二极管的死区电压约为( )，导通管压降为( )。 0.5V 0.7V 2、三极管结构特点：基区( )， 发射区 ( ) ,集电区 ( ) 。面积最大，掺杂浓度低 3、三极管有( )区、( )区、( )区及( ) 结、( )结组成。 发射 基 二、单项选择题 1、如果三极管的( )，则该管工作在饱和区。 A、发射结反偏、集电结反偏 B、发射结正偏、集 电结反偏 C.发射结正偏、集电结正偏 C A 最薄，掺杂浓度最低 掺杂浓度最高 集电 发射 集电 2、如果三极管的( )，则该管工作在截止区。 A、发射结反偏、集电结反偏 B、发射结正偏、集 电结反偏 C.发射结正偏、集电结正偏 53 4 场效应管 晶体三极管是以很小输入电流控制输出电流的放大元件，在 放大状态工作时要有一定的输入电流，称为电流控制元件。 场效应管是以很小输入电压控制输出电流的放大元件，在放 大状态工作时要有一定的输入电压，无输入电流， 称为电压控 制元件。它具有输入电阻高（可高达108以上）、噪声低、热 稳定性好、抗辐射能力强、耗电省、易集成等优点，因此得到 广泛应用。 增强型 FET 场效应管 IGFET 绝缘栅型 JFET 结型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 场效应管的分类 54 MOSFET的结构及原理 一、结构及符号 绝缘栅场效应管是利用电压控制漏极电流的原理制成的，按 其工作方式不同可分为增强型和耗尽型两种类型，每种又各有 N沟道和P沟道的形式。 N沟道绝缘栅场效应管的内部结构如 图(a)所示。用一块P型硅片作衬底,在 上面生成两个掺杂浓度很高的N区，分 别引出一个金属电极作为源极S和漏极 D；再在P型硅片上覆盖二氧化硅绝缘 层，并引出金属电极作为栅极G。由于 栅极与源极、漏极及衬底绝缘，故名 绝缘栅场效应管，简称IGFET。又因 为金属、氧化物与半导体材料分层分 布，又称金属氧化物半导体场效 应管，简称MOS管。符号如图(b)、(c) 所示。 (c) S G D B P沟道 (b) S G D B N沟道 N+N+ SGD 二氧化硅 P型衬底 (a) 金属铝 B 55 二、工作原理 1UGS0，没有导电沟道 MOS管的源极和衬底通常是接在 一起的。从图可以看出，增强型 MOS管的漏极D和源极S之间有两个 背靠背的PN结。当栅源电压UGS 0时，即使加上漏源电压UDS，而且 不论UDS的极性如何，总有一个PN结 处于反偏状态，漏源极间没有导电 沟道，所以这时漏极电流iD 0。 2UGS UGS(th) 时，出现N型沟道 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS0，则栅极和衬底之间 的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底 的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型 衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成 耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。 GD P型衬底 S UGS=0 UDS 耗尽层 NN B 56 当UGS数值较小，吸引电子的能力 不强时，漏源极之间仍无导电沟道 出现。UGS增加时，吸引到P衬底表面 层的电子就增多，当UGS达到某一数 值时，这些电子在栅极附近的P衬底 表面便形成一个N型薄层，且与两个 N+区相连通，在漏源极间形成N型 导电沟道，其导电类型与P衬底相反， 故又称为反型层。 UGS越大，作用于 半导体表面的电场就越强，吸引到P 衬底表面的电子就越多，导电沟道越 厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅源极电压称为 开启电压，用UGS(th)表示。由上述分析可知，N沟道增强型MOS 管在UGSUGS(