《基本半导体分立器》PPT课件.ppt

第1章 基本半导体分立器件,1.1 半导体的基本知识与PN结 1.2 半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管 习题,1.1 半导体的基本知识与PN结,1.1.1 半导体的基本特性 在自然界中存在着许多不同的物质， 根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。 通常将很容易导电、 电阻率小于10-4cm的物质， 称为导体， 例如铜、 铝、 银等金属材料； 将很难导电、 电阻率大于1010cm的物质， 称为绝缘体， 例如塑料、 橡胶、 陶瓷等材料； 将导电能力介于导体和绝缘体之间、 电阻率在10-3109cm范围内的物质， 称为半导体。 常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。,1. 热敏性 所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。 半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。 例如纯净的锗从20 升高到30 时， 它的电阻率几乎减小为原来的1/2。,2. 光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。 一种硫化镉薄膜， 在暗处其电阻为几十兆欧姆， 受光照后， 电阻可以下降到几十千欧姆， 只有原来的1%。 自动控制中用的光电二极管和光敏电阻， 就是利用光敏特性制成的。 而金属导体在阳光下或在暗处， 其电阻率一般没有什么变化。,3. 杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。 在半导体硅中， 只要掺入亿分之一的硼， 电阻率就会下降到原来的几万分之一。 所以， 利用这一特性， 可以制造出不同性能、 不同用途的半导体器件， 而金属导体即使掺入千分之一的杂质， 对其电阻率也几乎没有什么影响。 半导体之所以具有上述特性， 根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。,1.1.2 本征半导体 在近代电子学中， 最常用的半导体材料就是硅和锗， 下面以它们为例， 介绍半导体的一些基本知识。 一切物质都是由原子构成的， 而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。 由于内层电子受原子核的束缚较大， 很难活动， 因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子， 也就是价电子来决定。 硅原子和锗原子的电子数分别为32和14， 所以它们最外层的电子都是四个， 是四价元素。 其原子结构可以表示成如图1-1所示的简化模型。,图1-1 硅和锗的原子结构简化模型,在实际应用中， 必须将半导体提炼成单晶体使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、 整齐地排列的晶体结构， 如图1-2所示， 称为单晶。 硅和锗等半导体都是晶体， 所以半导体管又称晶体管。 通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。,图1-2 本征硅（或锗）的晶体结构 （a） 结构图； （b） 平面示意图与共价键,从图1-2（b）的平面示意图可以看出， 硅和锗原子组成单晶的组合方式是共价键结构。 每个价电子都要受到相邻的两个原子核的束缚， 每个原子的最外层就有了八个价电子而形成了较稳定的共价键结构。 所以， 半导体的价电子既不像导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子， 也不像在绝缘体中被束缚的那样紧。 由于导电能力的强弱， 在微观上看就是单位体积中能自由移动的带电粒子数目的多少， 因此， 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。,1 本征激发与复合 在绝对零度（273 ）时， 半导体中的价电子不能脱离共价键的束缚， 所以在半导体中没有自由电子， 半导体呈现不能导电的绝缘体特性。,当温度逐渐升高或在一定强度的光照下， 本征硅或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量， 挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子。 同时， 在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空位， 称之为空穴， 也叫空位。 这种现象， 叫做本征激发。 在本征激发中， 带一个单位负电荷的自由电子和带一个单位正电荷的空穴总是成对出现的， 所以称之为自由电子空穴对， 如图1-3所示。,图1-3 本征激发产生自由电子空穴对,自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失， 叫做复合。 本征激发和复合总是同时存在、 同时进行的， 这是半导体内部进行的一对矛盾运动。 在温度一定的情况下， 本征激发和复合达到动态平衡， 单位时间本征激发出的自由电子空穴对数目正好等于复合消失的数目， 这样在整块半导体内， 自由电子和空穴的数目保持一定。 一般在室温时， 纯硅中的自由电子浓度n和空穴浓度p为 ni=n=p1.51010(个/cm3) （1-1）,对于纯锗来说， 这个数据约为2.51013个/cm3， 而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。 从数字上可以看出， 本征半导体的导电能力是很差的。 温度越高， 本征激发越激烈， 产生的自由电子空穴对越多， 当半导体重新达到动态平衡时的自由电子或空穴的浓度就越高， 导电能力就越强。 这实际上就是半导体材料具有热敏性和光敏性的本质原因。,2 自由电子运动与空穴运动 经过分析， 我们知道在本征半导体中， 每本征激发出一个自由电子， 就会留下一个空穴， 这时本来不带电的原子， 就相当于带正电的正离子， 或者说留下的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。 在热能或外加电场的作用下， 邻近原子带负电的价电子很容易跳过来填补这个空位， 这相当于此处的空穴消失了， 但却转移到相邻的那个原子处去了， 如图1-4所示， 价电子由B到A的运动， 就相当于空穴从A移动到B。,图1-4 空穴运动,图1-5 本征半导体中载流子的导电方式,因此， 半导体中有两种载流子： 一种是带负电荷的自由电子， 一种是带正电荷的空穴。 它们在外加电场的作用下都会出现定向移动。 微观上载流子的定向运动， 在宏观上就形成了电流。 自由电子逆电场方向移动形成电子电流IN， 空穴顺电场方向移动形成空穴电流IP， 如图1-5所示。 所以半导体在外加电场作用下， 电路中总的电流I是空穴电流IP和电子电流IN的和， 即 I=IN+IP （1-2）,1.1.3 杂质半导体 由于半导体具有杂敏性， 因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、 不同用途的半导体器件。 根据掺入杂质的不同， 又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。 1 N型半导体 在四价的本征硅（或锗）中， 掺入微量的五价元素磷（P）之后， 磷原子由于数量较少， 不能改变本征硅的共价键结构， 而是和本征硅一起组成共价键， 如图1-6所示。,图1-6 N型半导体,在N型半导体中， 由于掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度， 因此多子浓度约等于掺杂的杂质浓度， 远远高于少子空穴的浓度。 所以当外加电场时， 流过N型半导体的电流应为 I=IN+IPIN （1-3）,2 P型半导体 在四价的本征硅（或锗）中掺入微量的三价元素硼（B）之后， 参照上述分析， 硼原子也和周围相邻的硅原子组成共价键结构， 如图1-7所示。,图1-7 P型半导体,三价硼原子的最外层只有三个价电子， 和相邻的三个硅原子组成共价键后， 尚缺一个价电子不能组成共价键， 因此出现了一个空位， 即空穴。 这样邻近原子的价电子就可以跳过来填补这个空位。 所以硼原子掺入后一方面提供了一个带正电荷的空穴， 一方面自己成为了带负电的离子， 即掺入一个硼原子就相当于掺入了一个能接受电子的空穴， 所以称三价元素硼为受主杂质， 此时杂质半导体中的空穴浓度约等于掺杂浓度， 远远大于自由电子浓度， 称空穴为多子、 自由电子为少子。 这种杂质半导体叫做P型（空穴型）半导体。,同样， 这种P型半导体在外加电场的作用下， 总的电路电流应为 I=IN+IPIP （1-4） 整块半导体宏观上仍为电中性。,1.1.4 PN结的形成与单向导电性 几乎所有的半导体器件都是由不同数量和结构的PN结构成的， 因此， 我们先来了解PN结的结构与特点。 1 PN结的形成 在一块本征半导体上通过某种掺杂工艺， 使其形成N型区和P型区两部分后， 在它们的交界处就形成了一个特殊薄层， 这就是PN结。,1） 多子的扩散运动建立内电场 如图1-8（a）所示， 和 分别代表P区和N区的受主和施主离子（为了简便起见， 硅原子未画出）， 由于 P区的多子是空穴， N区的多子是自由电子， 因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。 这种载流子在浓度差作用下的定向运动， 叫做扩散运动。,多子扩散到对方区域后， 使对方区域的多子因复合而耗尽， 所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子， N区形成正离子区， P区形成负离子区， 形成了一个电场方向从N区指向P区的空间电荷区， 这个电场称为内建电场， 简称内电场， 如图1-8（b）所示。 在这个区域内， 多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽， 所以又称耗尽层。 在耗尽层以外的区域仍呈电中性。,图1-8 PN结的形成 （a） 多子的扩散运动; （b） PN结中的内电场与少子漂移,2） 内电场阻碍多子扩散、 帮助少子漂移运动， 形成平衡PN结由于内电场的方向是从N区指向P区， 因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反， 对多子的扩散起了一个阻碍的作用， 使多子扩散运动逐渐减弱。 内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。 由于P区的少子是自由电子， N区的少子是空穴， 因此内电场对少子的运动起到了加速的作用。 这种少数载流子在电场力作用下的定向移动， 称为漂移运动， 如图1-8（b）所示。,2 PN结的单向导电特性 未加外部电压时， PN结内无宏观电流， 只有外加电压时， PN结才显示出单向导电性。 1） 外加正偏电压时PN结导通 将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极）， N区接较低电位（比如电源的负极）， 称为给PN结加正向偏置电压， 简称正偏， 如图1-9所示。,PN结正偏时， 外加电场使PN结的平衡状态被打破， 由于外电场与PN结的内电场方向相反， 内电场被削弱， 扩散增强， 漂移几乎减弱为0， 因此， PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。 因为多子数量较多， 所以IF较大。 为了防止较大的IF将PN结烧坏， 应串接限流电阻R。 扩散电流随外加电压的增加而增加， 当外加电压增加到一定值后， 扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。 由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况）， 因此称之为正偏导通状态。,图1-9 PN结外加正偏电压,图1-10 PN结外加反偏电压,2） 外加反偏电压时PN结截止 将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极）， N区接较高电位（比如电源的正极）， 称为给PN结加反向偏置电压， 简称反偏， 如图1-10所示。 PN结反偏时， 外加电场方向与内电场方向相同， 内电场增强， 使多子扩散减弱到几乎为零。 而漂移运动在内电场的作用下， 有所增强， 在PN结电路中形成了少子漂移电流。 漂移电流和正向电流的方向相反， 称为反向电流IR。,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构与类型 导体二极管按其结构的不同， 可分为点接触型、 面接触型和平面型三种。 常见二极管的结构、 外形和电路符号如图1-11所示。 二极管的两极分别叫做正极或阳极（P区）， 负极或阴极（N区）。,图1-11 半导体二极管的结构、 外形与电路符号 （a） 点接触型; （b） 面接触型; （c） 平面型; （d） 电路符号; （e） 常见二极管的外形,1.2.2 二极管的伏安特性曲线与近似模型 1伏安特性曲线 二极管的伏安特性也就是PN结的伏安特性。 把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律， 称为二极管的伏安特性， 以曲线的形式描绘出来， 就是伏安特性曲线。 二极管的伏安特性曲线如图1-12所示， 下面分三部分对二极管的伏安特性曲线进行分析。,图1-12 二极管的伏安特性,1） 正向特性外加正偏电压UF 当UF0时， IF0， PN结处于平衡状态， 即图 1-12中的坐标原点。 当UF开始增加时， 即正向特性的起始部分。 由于此时UF较小， 外电场还不足以克服PN结的内电场， 正向扩散电流仍几乎为零。 只有当UF大于死区电压（锗管约0.1 V， 硅管约0.5 V）后， 外加电场才足以克服内电场， 使扩散运动迅速增加， 才开始产生正向电流IF。,2） 反向特性外加反向偏压UR 当外加反向偏压时， 宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。 当反向电压UR在一定范围内变化时， 反向电流IR几乎不变， 所以又称为反向饱和电流IS。 当温度升高时， 少子数目增加， 所以IS增加。 室温下一般硅管的反向饱和电流小于1 A， 锗管为几十到几百微安， 如图中B段所示。,3） 击穿特性外加反压增大到一定程度 击穿特性属于反向特性的特殊部分。 当UR继续增大， 并超过某一特定电压值时， 反向电流将急剧增大， 这种现象称之为击穿。 发生击穿时的UR叫击穿电压UBR， 如图1-12中C段所示。 如果PN结击穿时的反向电流过大（比如没有串接限流电阻等原因）， 使PN结的温度超过PN结的允许结温（硅PN结约为150200 ， 锗PN结约为75100 ）时， PN结将因过热而损坏。,图1-13 二极管的近似模型 （a） 理想模型; （b） 恒压降模型,2二极管的近似模型 1）理想模型 所谓理想模型就是将二极管的单向导电特性理想化， 认为正偏二极管的管压降为0 V， 忽略其0.7 V或0.3 V的导通电压， 相当于短路导线； 而当二极管处于反偏状态时， 认为二极管的等效电阻为无穷大， 反向电流为0， 如图1-13（a）的伏安特性曲线所示。 一般在电源电压远大于二极管的导通压降时， 利用理想模型来分析， 不会产生较大的误差。,2）恒压降模型 恒压降模型的伏安特性曲线如图1-13（b）所示， 其反偏模型还是理想的， 但认为二极管正偏导通后的管压降是一个恒定值， 对于硅管和锗管来说， 分别取0.7 V和0.3 V的典型值。 这个模型比理想模型更接近实际情况， 因此应用比较广泛， 一般在二极管电流大于1 mA时， 恒压降模型的近似精度还是相当高的。,1.2.3 二极管的主要参数 为了正确选用及判断二极管的好坏， 必须对其主要参数有所了解。 1 最大整流电流IF 指二极管在一定温度下， 长期允许通过的最大正向平均电流， 否则会使二极管因过热而损坏。 另外， 对于大功率二极管， 必须加装散热装置。 2 反向击穿电压UBR 管子反向击穿时的电压值称为反向击穿电压UBR。 一般手册上给出的最高反向工作电压URM约为反向击穿电压的一半， 以保证二极管正常工作的余量。,3 反向电流IR（反向饱和电流IS） 指在室温和规定的反向工作电压下（管子未击穿时）的反向电流。 这个值越小， 则管子的单向导电性就越好。 它随温度的增加而按指数上升。 4 结电容与最高工作频率fM PN结加电压后， 其空间电荷区会发生变化， 这种变化造成的电容效应称为结电容。,5 二极管的温度特性 半导体具有热敏性， 而电子电路又不可避免地要受到外界温度及电路本身发热的影响。 所以， 温度变化容易造成半导体器件工作不稳定， 研究温度对半导体器 件的影响是十分必要的。 图1-14所示的正向特性中， 对于同一电流， 温度每升高1 ， 二极管的正向压降将减小22.5 mV。 即二极管的正向特性曲线将随温度的升高而左移。 温度对二极管的反向特性影响更大： 当温度每升高10 ， 反向饱和电流IS将增加一倍。 二极管的反向击穿电压也受温度的影响。,图1-14 温度对二极管伏安特性的影响,1.2.4 二极管在电子技术中的应用 二极管在电子技术中广泛地应用于整流、 限幅、 钳位、 开关、 稳压、 检波等方面， 大多是利用其正偏导通、 反偏截止的特点。 1整流应用 利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电， 如图1-15所示。 这种方法简单、 经济， 在日常生活及电子电路中经常采用。 根据这个原理， 还可以构成整流效果更好的单相全波、 单相桥式等整流电路。,图1-15 二极管的整流应用 (a) 二极管整流电路; (b) 输入与输出波形,2限幅应用 利用二极管的单向导电性， 将输入电压限定在要求的范围之内， 叫做限幅。 图1-16（a）所示的双向限幅电路中， 交流输入电压ui和直流电压E1都对二极管VD1起作用； 相应的VD2也同时受ui和E2的控制。 在假设VD1、 VD2为理想二极管时， 有如下限幅过程发生： 当输入电压ui3 V时， VD1导通， VD2截止， uo3 V； 当ui-3 V时， VD2导通， VD1截止， uo3 V； 当ui在3 V与+3 V之间时， VD1和VD2均截止， 因此uoui， 输出波形如图1-16（b）所示。,图1-16 二极管的限幅应用 （a） 双向限幅电路; （b） 输入与输出波形,3稳压应用 在需要不高的稳定电压输出时， 可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。 还有一种稳压二极管， 可以专门用来实现稳定电压输出。 稳压二极管有不同的系列， 用以实现不同的稳定电压输出。,4开关应用 在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用， 因为二极管具有单向导电性， 可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。 如图1-17所示， 为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。 其中us是需要定期通过二极管VD加入记忆电路的信号， ui为控制信号。,图1-17 二极管的开关应用,当控制信号ui=10 V时， VD的负极电位被抬高， 二极管截止， 相当于“开关断开”， us不能通过VD； 当ui=0 V时， VD正偏导通， us可以通过VD加入记忆电路。 此时二极管相当于“开关闭合”情况。 这样， 二极管VD就在信号ui的控制下， 实现了接通或关断us信号的作用。,5 二极管的识别与简单测试 1） 二极管的极性判别 有的二极管从外壳的形状上可以区分电极； 有的二极管的极性用符号“ ”印在外壳上， 箭头指向的一端为负极； 还有的二极管用色环或色点来标志(靠近色环的一端是负极， 有色点的一端是正极)。,2） 性能测试 二极管正、 反向电阻的测量值相差愈大愈好， 一般二极管的正向电阻测量值为几百欧姆， 反向电阻为几十千欧姆到几百千欧姆。 如果测得正、 反向电阻均为无穷大， 说明内部断路； 若测量值均为零， 则说明内部短路； 如测得正、 反向电阻几乎一样大， 这样的二极管已经失去单向导电性， 没有使用价值了。,1.3 特 殊 二 极 管,1.3.1 稳压二极管 1稳压二极管的伏安特性曲线 稳压二极管简称稳压管， 是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管， 可以稳定地工作于击穿区而不损坏。 稳压二极管的外形、 内部结构均与普通二极管相似， 其电路符号、 伏安特性曲线如图1-18所示。,图1-18 稳压二极管的伏安特性曲线与电路符号 （a） 伏安特性曲线; （b） 电路符号,2 稳压管的主要参数 1） 稳定电压UZ UZ就是稳压管的反向击穿电压， 它的大小取决于制造时的掺杂浓度。 2） 最小稳定电流IZmin 稳压管正常工作时的最小电流值定义为最小稳定电流， 记为IZmin， 一般在几毫安以上。 稳压管正常工作时的电流应大于IZmin， 以保证稳压效果。,3） 最大稳定电流IZM和最大耗散功率PZM 稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定电流IZM和最大耗散功率PZM。 通过管子的电流太大， 会使管子内部的功耗增大， 结温上升而烧坏管子， 所以稳压管正常工作时的电流和功耗不应超过这两个极限参数。 一般有 PZM=UZIZM （1-5）,4） 动态电阻rz 稳压管反向击穿时的动态电阻， 定义为电流变化量IZ引起的稳定电压变化量UZ。,（1-6）,动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参 数， rz越小， 反向击穿区曲线越陡， 稳压效果就越好。,5） 稳定电压UZ的温度系数K 稳定电压UZ的温度系数K定义为温度变化1 引起的稳定电压UZ的相对变化量， 即,（1-7）,1.3.2 发光二极管与光电二极管 发光二极管和光电二极管都属于光电子器件， 光电子器件在电子系统中也有十分广泛地应用， 具有抗干扰能力强、 损耗小等优点。 1发光二极管 发光二极管属于电光转换器件的一种， 是可以将电能直接转换成光能的半导体器件， 简称“LED”， 是英文Light Emitting Diode的缩写， 其电路符号如图1-19所示。,图1-19 发光二极管的电路符号,发光二极管也具有单向导电性： 当外加反偏电压时， 二极管截止， 不发光； 当外加正偏电压导通时， 因流过正向电流而发光。 其发光机理是由于正偏时电子与空穴复合并释放出能量所致， 而颜色与发光二极管的材料和掺杂元素有关。 发光二极管可以分为发不可见光和发可见光两种。 前者有发红外光的砷化镓发光二极管等; 后者有发红光、 黄光、 绿光以及蓝光和紫光的发光二极管等。,发光二极管的工作电流一般约为几至几十毫安， 正偏电压比普通二极管要高， 约为1.53 V， 具有功耗小， 体积小， 可直接与集成电路连接使用的特点。 并且稳定、 可靠、 长寿（105106小时）、 光输出响应速度快（1100 MHz）， 应用十分方便和广泛， 除应用于信号灯指示（仪器仪表、 家电等）、 数字和字符指示（接成七段显示数码管）等发光显示方式以外， 另一种重要应用是将电信号转变为光信号， 通过光缆传输， 接受端配合光电转换器件再现电信号， 实现光电耦合、 光纤通信等应用。,2光电二极管 光电二极管也叫光敏二极管， 它的结构和一般二极管相似， 也具有单向导电性。 光电二极管的PN结被封装在透明玻璃外壳中， 其PN结装在管子的顶部， 可以直接受到光的照射。 光敏二极管的电路符号如图1-20所示。,图1-20 光电二极管的电路符号,图1-21 远距离光电传输的原理,*1.3.3 变容二极管 我们在讨论半导体二极管时已经知道： 二极管在高频应用时， 必须要考虑结电容的影响， 而所谓的变容二极管， 就是结电容随反向电压的增加而减小的二极管。 图1-22（a）所示为变容二极管的电路符号， 图1-22（b）为某种变容二极管的特性曲线。,图1-22 变容二极管 （a）电路符号; （b） 结电容与反偏电压的关系（纵坐标为对数刻度）,结电容由势垒电容CB和扩散电容CD两部分组成。 我们知道， 当PN结两端的电压发生改变时， 会使空间电荷区宽度发生改变， 空间电荷区存储电荷的多少发生变化就表现为PN结的电容效应。 在二极管正偏的多子扩散过程中， 多子扩散到对方区域后， 在对方区域形成一定的浓度梯度， 越靠近PN结处的浓度越大， 这个梯度随外加正向电压的大小而增减， 这也是一种存、 放电荷的作用。 所以我们可以得到图1-23所示的PN结（二极管）高频等效电路。,图1-23 PN结的高频等效电路,1.4 半导体三极管,1.4.1 三极管的结构与类型 半导体三极管又叫晶体三极管， 由于它在工作时半导体中的电子和空穴两种载流子都起作用， 因此属于双极型器件， 也叫做BJT（Bipolar Junction Transistor， 双极结型晶体管）。,半导体三极管的种类很多， 按照半导体材料的不同可分为硅管、 锗管； 按功率分有小功率管、 中功率管和大功率管； 按照频率分有高频管和低频管； 按照制造工艺分有合金管和平面管等。 通常， 按照结构的不同分为两种类型： NPN型管和PNP型管， 图1-24给出了NPN和PNP管的结构示意图和电路符号， 符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向。 图1-25所示为几种常见三极管的外形图， 三极管的型号命名方法参见附录A。,图1-24 三极管的结构与电路符号 （a） NPN型三极管; （b） PNP型三极管,图1-25 常见三极管的外形,1.4.2 三极管的基本工作原理 由于NPN管和PNP管的结构对称， 工作原理完全相同， 下面以NPN管为例， 讨论三极管的基本工作原理。 1 三极管内部载流子的传输过程 和二极管一样， 要使三极管能控制载流子的传输以达到电流放大的目的， 必须给三极管加上合适的偏置电压， NPN三极管的偏置情况如图1-26所示。,图1-26 三极管内的载流子运动规律,1）发射区向基区注入电子， 形成发射极电流IE 在图1-26中， 由于发射结正偏， 因此， 高掺杂浓度的发射区多子（自由电子）越过发射结向基区扩散， 形成发射极电流IE， 发射极电流的方向与电子流动方向相反， 是流出三极管发射极的（与此同时， 基区多子空穴也向发射区扩散， 但因基区掺杂浓度低， 数量和发射区的电子相比很少， 可以忽略不计）。,2） 电子在基区的扩散与复合， 形成基极电流IB 发射区来的电子注入基区后， 由于浓度差的作用继续向集电结方向扩散。 但因为基区多子为空穴， 所以在扩散过程中， 有一部分自由电子要和基区的空穴复合。 在制造三极管时， 基区被做得很薄， 只有微米数量级、 掺杂浓度又低， 因此被复合掉的只是一小部分， 大部分自由电子可以很快到达集电结。 而UBB的正极接三极管的基区， 所以不断地从基区抽走电子形成新的空穴以补充被复合掉的空穴， 维持基区空穴浓度不变，这些被抽走的电子形成了流入基极的基极电流IB。,3） 集电区收集电子形成集电极电流IC 大部分从发射区“发射”来的自由电子很快扩散到了集电结。 由于集电结反偏， 在这个较强的从N区（集电区）指向P区（基区）的内电场的作用下， 自由电子很快就被吸引、 漂移过了集电结， 到达集电区， 形成集电极电流的主要成分IC。 集电极电流的方向是流入集电极的。,2 电流分配关系 发射极电流IE在基区分为基区内的复合电流IB和继续向集电极扩散的电流IC两个部分， IC与IB的比例， 取决于制造三极管时的结构和工艺， 管子制成后， 这个比例基本上是个定值。 定义三极管的直流电流放大系数 为IC与IB的比值， 即,（1-8）,因为从发射区注入基区的载流子在基区复合掉的很少， 所以一般在几十到二百之间。 越大， 三极管的电流放大能力越强。 从式（1-8）中可以解出,（1-9）,式中， ICEO=(1+)ICBO叫做穿透电流。,将三极管看成是一个节点， 还可以得到发射极电流IE与IB、 IC的关系， 即 IE=IC+IB=（1+）IB （1-11） 由于较大， 通常认为IEIC。 一般小功率管基极电流通常是微安级别， 而IC和IE的数量级可以达到毫安级。,（1-10）,3 三极管的电流放大作用 如图1-27（a）所示称为三极管的共发射极放大电路。 因为这个电路中包含由三极管的基极与发射极构成的输入回路和由集电极与发射极构成的输出回路， 三极管的发射极作为输入和输出回路的公共端， 所以称为共发射极放大电路。 电源UBB接于输入回路， 使三极管的发射结正偏， UCC接于输出回路使集电结反偏。 在这种偏置下， 可以引起三极管内载流子有规律的传输， 产生IB、 IC、 IE电流， 并在集电极电阻上产生输出电压UO。 其中， IC为倍的IB， 即输出电流IC为输入电流IB的倍， 这是对直流电流的放大作用。,图1-27 三极管的电流放大作用 （a） 没加入交流信号时； （b） 加入交流信号后的电流放大作用,在电子电路中， 我们更关心的是三极管对微弱的变化信号的放大作用， 在电子电路中所说的放大指的是对变化的交流信号的放大， 而不是直流。 在图1-27（a）电路的输入回路中串入待放大的输入信号UI， 如图1-27（b）所示， 这样发射结的外加电压将等于UBB+UI。 外加电压的变化， 相应使发射极电流产生IE的变化。 由于三极管的电流分配关系是一定的， 因此IE将引起相应的IC和IB。 我们定义IC与IB的比值为晶体管的交流电流放大系数， 即,（1-12）,IC=IB （1-13） IE=(1+)IB (1-14) 输出电流IC是输入电流IB的倍， 可见三极管对变化的输入电流IB有放大作用， 一般为几十到二百之间。,1.4.3 三极管的特性曲线 三极管的伏安特性曲线是指三极管各极间电压与各电极电流之间的关系曲线， 它是管内载流子运动规律的外部体现， 可以指导我们在电路设计中合理地选择和使用三极管， 还可以在特性曲线上作图对三极管的放大性能进行分析。 三极管和二极管一样是非线性元件， 所以其伏安特性曲线也是非线性的。 常用三极管伏安特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。 这些曲线和电路的接法有关。 这里仍以最常用的NPN管构成的共发射极电路为例来分析三极管的特性曲线。,1 输入特性曲线 输入特性曲线是指当集电极与发射极之间电压uCE为一常数时， 输入回路中加在三极管基极与发射极之间的发射结电压uBE和基极电流iB之间的关系曲线。 用函数关系式表示为,（1-15）,图1-28 三极管的输入、 输出特性曲线 （a） 输入特性曲线; （b） 输出特性曲线,2 输出特性曲线 输出特性曲线是在基极电流iB一定的情况下， 三极管的集电极输出回路中， 集电极与发射极之间的管压降uCE和集电极电流iC之间的关系曲线。 用函数式表示为,（1-16）,图1-29 三极管的三个工作区域,1） 截止区 习惯上把iB0的区域称为截止区， 即iB0的输出特性曲线和横坐标轴之间的区域。 若要使iB0， 三极管的发射结就必须在死区以内或反偏， 为了使三极管能够可靠截止， 通常给三极管的发射结加反偏电压。 2） 放大区 在这个区域内， 发射结正偏， 集电结反偏。 iC与iB之间满足电流分配关系iC iBICEO， 输出特性曲线近似为水平线。,3） 饱和区 如果发射结正偏时， 出现管压降uCE0.7 V（对于硅管来说）， 也就是uCB0的情况， 我们称三极管进入饱和区。 所以饱和区的发射结和集电结均处于正偏状态。 饱和区中的iB对iC的影响较小， 放大区的也不再适用于饱和区。,1.4.4 三极管的主要参数 三极管的参数是表征管子的性能和它的适用范围的， 是电路设计和调整的依据。 了解这些参数对于合理使用三极管十分必要。 1 电流放大系数 根据工作状态的不同， 在直流和交流两种情况下， 分别有直流电流放大系数和交流电流放大系数。,1）共发射极直流电流放大系数 在共发射极电路没有交流输入信号的情况下， （ICICEO）与IB的比值称为直流电流放大系数， 这和式（1-8）的定义是一致的， 即,（1-17）,2）共发射极交流电流放大系数 指在共发射极电路中， 输出集电极电流的变化量与输入基极电流的变化量的比值， 即,（1-18）,式中， 值是衡量三极管放大能力的重要指标。,2 极间反向电流 1） 集电极基极间反向饱和电流ICBO 指在发射极断开时（IE0）， 基极和集电极之间的反向电流， 下标中的“O”代表发射极开路， 测量电路如图1-30所示。 ICBO的实质就是集电结反偏时集电区和基区的少子漂移电流， 所以受温度影响较大。 ICBO的值一般很小， 在室温下， 小功率硅管的 ICBO1 A； 小功率锗管约为10 A左右。 ICBO的大小标志集电结质量的好坏， ICBO越小越好， 一般在工作环境温度变化较大的场所都选择硅管。,图1-30 测量ICBO的电路,2） 集电极发射极间反向电流ICEO 指基极开路时， 集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。 由于这个电流从集电极穿过基区流到发射极， 因此又叫穿透电流， 测试电路如图1-31所示。 ICEO与反向饱和电流ICBO的关系为 ICEO=ICBO+ICBO=(1+)ICBO （1-19） ICEO与ICBO一样， 属于少子漂移电流， 受温度影响较大， 是衡量管子质量的一个标准。,图1-31 测量ICEO的电路,3 极限参数 三极管正常工作时， 管子上的电压和电流是有一定限度的， 否则会使三极管工作不正常， 使特性变坏， 甚至损坏。 因此要规定允许的最高工作电压、 流经三极管的最大工作电流和允许的最大耗散功率等。 这些电压、 电流和功率值称为三极管的极限参数。 选择和使用管子时， 必须保证三极管的工作状态不能超过这些极限值。,1） 基极开路时集电极与发射极之间的反向击穿电压U（BR）CEO 电源电压UCC使集电结反偏， 并产生管压降uCE。 当uCE增大到一定程度时， 会将集电结击穿， 使集电极电流iC迅速增加， 甚至损坏三极管。 基极开路时的 U（BR）CEO是各种情况下以及各电极间反向击穿电压的最小值， 所以使用时只要注意三极管各电极间的电压不要超过U（BR）CEO就可以了。,2） 集电极最大允许电流ICM 当集电极电流超过某一定值时， 三极管性能变差， 甚至损坏管子， 例如值将随IC的增加而下降。 集电极最大允许电流ICM， 就是表示下降到额定值的1/32/3时的IC值， 一般规定在正常工作时， 流过三极管的集电极电流iCICM。,图1-32 三极管的安全工作区,3） 集电极最大允许耗散功率PCM 这个参数表示集电结上允许损耗功率的最大值。 PCM与环境温度有关， 温度越高， PCM越小。 手册中给出的PCM值是在常温（25 ）并加规定尺寸散热器（大功率管）的情况下测得的。 一般有 PCM =iCuCE （1-20）,1.4.5 温度对三极管参数的影响 温度对晶体管的各种参数都有影响， 影响最大的是ICBO、 和发射结导通电压UBE。 1 温度对ICBO的影响 ICBO是由集电区少子向基区漂移及基区少子向集电区漂移而形成的电流。 由于少子的数量与环境温度有关， 当温度升高时， 少子急剧增加， 因此ICBO随着温度变化按指数规律变化。 无论硅管和锗管， 都可以近似地认为， 温度每升高10 ， ICBO就增大一倍， 即,（1-21）,2 温度对的影响 三极管的电流放大系数随着温度升高而增大。 这是由于温度升高时， 基区中载流子运动速度加快， 复合机会减少， 使IC/IB增大， 即值增大。 无论是硅管还是锗管， 温度每升高1 ， 相应地增大0.51。 在三极管的输出特性曲线上表现为曲线间隔变大。,3 温度对发射结正向压降UBE的影响 温度升高后， 三极管内部载流子运动加剧， 电流随温度升高而增加。 所以温度升高后， 在电流相同的条件下， 发射结电压UBE减小， 温度系数约为 2.5 mV， 同二极管的输入特性曲线类似， 温度升高时， 三极管输入特性曲线向左移动。,1.4.6 三极管在电子技术中的应用 半导体三极管是电子电路的核心元器件， 应用十分广泛。 尽管三极管可以组成运算放大电路、 功率放大电路、 振荡电路、 反相器、 数字逻辑电路等， 但可归纳为放大应用和开关应用两大类。 1 放大应用 在模拟电子电路中， 三极管主要工作于放大状态， 可以把输入基极电流IB 放大倍以IC 的形式输出。 因此三极管的放大应用， 就是利用三极管的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值。 利用三极管的电流放大作用， 可以得到各种形式的电子电路。,2 开关应用 和二极管的反偏截止、 正偏导通相似， 三极管也可以工作在开关状态， 是基本的开关器件之一， 主要应用于数字电路。 开关状态的三极管工作于截止区或饱和区， 分别相当于断开和闭合的开关， 而放大区只是出现在三极管饱和与截止的相互转换过程中， 是个瞬间的过渡过程。 图1-33为三极管构成的受输入ui控制的开关应用电路。,图1-33 三极管的开关应用,1） 截止条件 从前面的分析知道， 为保证三极管可靠截止， 要求uBE0， 所以图1-33中的三极管若工作于截止区， 必须有ui0。 截止区的三极管各电极电流近似为零， 各电极间看成是开路状态， 相当于断开的开关， 输出电压约为电源电压12 V， 其等效电路如图1-34所示。,图1-34 三极管截止时的等效电路,2） 饱和条件 从图1-33可以看出， iB的增大使iC随之增大， 导致管压降降低到接近于零， 从而造成三极管的饱和， 此时的集电极电流达到最大值。 三极管刚刚进入饱和区时称为临界饱和， 临界时的管压降uCE已经很小， 接近UCE(sat)， 并可近似为零， iC仍约为倍的iB。 定义临界饱和时的iC 和iB叫做临界饱和集电极电流IC(sat)和临界饱和基极电流IB(sat)， 所以有,（1-22）,对应的临界饱和基极电流为,（1-23）,在临界饱和的基础上， 如果iB继续增大， 由于管压降已经达到最小值UCE(sat)， 对应的集电极电流达到最大值IC(sat)， 不能继续随iB增大， 意味着三极管进入了饱和区， 因此三极管的饱和条件就是 iBIB(sat) （1-24）,式中的iB是电路中的实际基极电流， 从图1-33中可以看出,因此对于图1-33来说， ui越大， iB就越大， 管子就越向饱和的方向发展。 若iBIB(sat)， 说明相应的集电极电流iCIC(sat)， 三极管仍工作于放大区， 此时的集电极电流与基极电流成倍的关系，没有达到集电极电流饱和的程度。,图1-35 三极管饱和时的等效电路,表1-1 三极管三种工作状态的比较,3 三极管的测试 由于三极管内部是由两个PN结构成的， 因此， 和二极管类似， 也可以用万用表对三极管的电极、 好坏作大致的判断。 需要注意一点： 无论是基极和集电极之间的正向电阻， 还是基极与发射极之间的正向电阻， 都应在几千欧姆到十几千欧姆的范围内， 一般硅管的正向阻值为620 k， 锗管约为15 k， 而反向电阻则应趋近于无穷大。 若测出的电阻不论正向反向， 均为零， 说明此结已经击穿； 如测出的电阻均为无穷大， 说明此结已断。,对于数字万用表来说， 测试更加方便， 除可利用“ ”挡测量管内的PN结以外， 还有专门测量三极管值的插孔， 测量时只需将挡位拨至测量三极管的位置， 并将NPN管或PNP管的三个管脚插入对应的e、 b、 c插孔中， 就可以读出值的大小。 常见三极管的管脚排列位置见图1-36所示。,图1-36 常见三极管的管脚排列,1.5 场效应晶体管,晶体三极管的自由电子和空穴两种载流子均参与导电， 是双极型晶体管。 本节要介绍的场效应晶体管（FET， Field Effect Transistor）只有一种载流子多子（要么是自由电子， 要么是空穴）参与导电， 所以是一种单极型器件。,三极管是利用基极电流来控制集电极电流的， 是电流控制器件。 在正常工作时， 发射结正偏， 当有电压信号输入时， 一定要产生输入电流， 导致三极管的输入电阻较小， 一方面降低了管子获得输入信号的能力， 而且在某些测量仪表中将导致较大的误差， 这是我们所不希望的。 而场效应管是一种电压控制器件， 它只用信号源电压的电场效应， 来控制管子的输出电流， 输入电流几乎为零， 因此具有高输入电阻的特点； 同时场效应管受温度和辐射的影响也比较小， 又便于集成化， 因此场效应管已广泛地应用于各种电子电路中， 也成为当今集成电路发展的重要方向。,1.5.1 结型场效应管 结型场效应管是利用半导体内的电场效应进行工作的， 也称体内场效应器件。 1结型场效应管的结构和类型 结型场效应管（简称JFET）的结构示意图如图1-37（a）所示。 它是在一块掺杂浓度较低的N型硅片两侧， 制作两个高浓度的P型区（用P+表示）， 形成两个PN结。 两个P+区连接起来引出一个电极称为栅极g。 在中间的N型半导体材料两端各引出一个电极分别叫做源极s和漏极d。 它们分别相当于晶体三极管的基极b、 发射极e和集电极c， 不同的是场效应管的源极s和漏极d是对称的， 可以互换使用。,两个PN结中间的N型区域流过JFET的电流， 所以称为导电沟道。 把以上结构封装起来， 并引出相应的电极引线， 就是N沟道结型场效应管。 图1-37（b）为它的电路符号， 其中的箭头表示由P区（栅极）指向N区（沟道）的方向。,图1-37 N沟道JFET （a） 结构示意图; （b） 电路符号,图1-38 P沟道JFET (a) 结构示意图； (b) 电路符号,2 工作原理 N沟道JFET的偏置电路如图1-39（b）所示。 电源电压UGG使栅源之间的PN结反偏， 以产生栅源电压uGS， 起到电压控制作用； 漏极和源极之间的电源电压UDD用来产生漏源之间的电压uDS， 并由此产生沟道电流、 也就是漏极电流iD。 习惯上将N沟道JFET的漏极接电源电压正极。,从图中可以看出， JFET的输入PN结是反偏的， iG0， 几乎不从信号源处取电流， 所以JFET的输入电阻相当高。 因为JFET是用栅源电压uGS来控制漏极电流iD的， 下面分别考虑不同uGS情况下管子的工作情况。,1）uGS0 V uGS0 V时的电路如图1-39（a）所示。 N型硅中的多子自由电子在uDS的作用下， 由源极向漏极移动， 形成由漏极流入的漏极电流iD， 并且有iD=iS。 可见， 漏源电压uDS一定的情况下， 漏极电流iD只与沟道的掺杂浓度、 截面积、 长度等制造因素有关。 由于在uGS =0时沟道最宽， 因此此时的漏极电流最大， 叫做漏极饱和电流IDSS。,图1-39 N沟道JFET的电压控制作用,2）0uGSUGS(off) 栅源之间加上负的栅极电压UGG后， 如图1-39（b）所示。 此时的两个PN结均处于反向偏置， 空间电荷区的变宽（因为P+区为高掺杂浓度， 而耗尽层P+区和N区的正负离子电荷量是相等的， 所以这个耗尽层在P+区很薄， 而在N区较宽）使N型导电沟道变窄，漏极电流iD变小。,图1-40 场效应管对交流输入电压的放大作用,3） uGSUGS(off) 当uGS负到一定程度时， 两侧的耗尽区逐渐变宽而合拢， 使导电沟道消失， 漏极电流减小为0， 如图1-39（c)所示。 我们将此时的uGS称为夹断电压UGS(off)。 对于P沟道的结型场效应管， 为保证PN结反偏， 其正常工作时的uGS应该为正值， 习惯上将漏极接UDD负极。 此时沟道内的载流子为多子空穴， 形成的电流iD与空穴的流动方向相同， 由源极指向漏极， 与N沟道JFET的漏极电流方向相反。,总之， 我们可以知道： （1） 正常工作时， JFET的栅源之间的PN结是外加反偏电压的， 而反偏PN结的电流很小， 因此JFET的输入电阻很大， 栅极几乎不从信号源取电流。 （2） 在UDD不变的情况下（即uDS不变）， 栅源之间很小的电压变化可以引起漏极电流iD相当大的变化。,（3） 在UGG不变时， 若在栅源间加一个小的交流输入信号ui， 则漏极电流就会随ui做同样变化， 并通过Rd把漏极电流的变化转变成电压的变化输出， 这就是场效应管对交流