半导体器件基础

1、.1 第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础 1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.4 BJT1.4 BJT模型模型 1.5 1.5 场效应管场效应管 .2 1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。 sisi 硅原子硅原子 Ge 锗原子锗原子 Ge +4+4 硅和

2、锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为四个电子称为价电子价电子。 .3 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 束缚电子束缚电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4+4 在绝对温度在绝对温度T=0K时，时， 所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不 会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本 征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。，接近绝缘体。 一. 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体

3、材料的纯度要达到99.9999999%，常，常 称为称为“九个九个9”。 .4 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。 当温度升高或受到当温度升高或受到 光的照射时，束缚光的照射时，束缚 电子能量增高，有电子能量增高，有 的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参子核的束缚，而参 与导电，成为与导电，成为自由自由 电子电子。 自由电子自由电子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的 同时，在其原来的共同时，在其原来的共 价键中就出现了一个价键中就出现了一个 空位，称为空位，称为空穴空穴。 .5 可见本征激发同

4、时产生可见本征激发同时产生 电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度 越高），产生的电子空越高），产生的电子空 穴对越多。穴对越多。 动画动画演示演示 与本征激发相反的与本征激发相反的 现象现象复合复合 在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。对的浓度一定。 常温常温300K时：时： 电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度 硅：硅： 3 10 cm 104 . 1 锗：锗： 3 13 cm 105 . 2 自由电子自由电子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空

5、穴 电子空穴对电子空穴对 .6 自由电子自由电子 带负电荷 带负电荷 电子流 电子流 动画演示动画演示 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4+4 自由电子自由电子 E 总电流总电流载流子载流子 空穴空穴 带正电荷 带正电荷 空穴流 空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 导电机制导电机制 .7 二二. . 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后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。 1.1. N

6、型半导体型半导体 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，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 .8 N型半导体型半导体 多余电子多余电子 磷原子磷原子 硅原子硅原子 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +5 多数载流子多数载流子自由电子自由电子 少数载流子少数载流子 空穴空穴 + + + + + + + + + + + + N型半导体 施主离子施主离子 自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 .9 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 空穴空穴 硼原子硼原子 硅原子硅原子 +4 +4 +

7、4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 多数载流子多数载流子 空穴空穴 少数载流子少数载流子自由电子自由电子 P型半导体 受主离子受主离子 空穴空穴 电子空穴对电子空穴对 2.2. P型半导体型半导体 .10 杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图 + + + + + + + + + + + + N型半导体 多子多子电子电子 少子少子空穴空穴 P型半导体 多子多子空穴空穴 少子少子电子电子 少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关 多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关 .11 内电场E 因多子浓度差因多子浓度差 形成内电场形成内电场 多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子

8、漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。 PNPN结合结合 + + + + + + + P型半导体 + + N型半导体 + + 空间电荷区空间电荷区 多子扩散电流多子扩散电流 少子漂移电流少子漂移电流 耗尽层耗尽层 三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 .12 动画演示 少子飘移少子飘移 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E P型半导体 + + N型半导体 + + + + + + + 内电场E 多子扩散电流多子扩散电流 少子漂移电流少子漂移电流 耗尽层耗尽层 动态

9、平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0 势垒势垒 UO 硅硅 0.5V 锗锗 0.1V .13 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 (1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动 多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F + + + + + + + P型半导体 + + N型半导体 + + W E R 空间电荷区 内电场E 正向电流正向电流 .14 (2)

10、 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动 少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R + + 内电场 + + + + E + EW + 空 间 电 荷 区 + R + + I R PN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本 征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是 一定的，故一定的，故IR基本上与外加基本上与外加 反压的大小无关反压的大小无关，所以称所以称 为为反向饱和电流反向饱和电流。但。但I

11、R与温与温 度有关。度有关。 .15 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导 电性。电性。 动画演示动画演示1 1 动画演示动画演示2 .16 3. PN结的伏安特性曲线及表达式结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图 正偏正偏 IF（多子扩散

12、）（多子扩散） IR（少子漂移）（少子漂移） 反偏反偏 反向饱和电流反向饱和电流 反向击穿电压反向击穿电压 反向击穿反向击穿 热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结 电击穿电击穿可逆可逆 .17 ) 1(e T S U u Ii 根据理论分析：根据理论分析： u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降 i 为流过为流过PN结的电流结的电流 IS 为反向饱和电流为反向饱和电流 UT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量 其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.3810 23 q 为电子电荷量为电子电荷量1.610 9 T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）

13、 则有则有UT=26 mV。 当当 u0 uUT时时 1e T U u T e S U u Ii 当当 u|U T |时时 1e T U u S Ii .18 4. PN结的电容效应结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应 地随之改变，即地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化结中存储的电荷量要随之变化 ，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容势垒电容CB 空空间间电电荷荷区区 W + + + R + E + + P N .19 (2) 扩散电容扩散电容CD 当外加正向电压当外加正向电压 不同时，不同时，PN结两结

14、两 侧堆积的少子的侧堆积的少子的 数量及浓度梯度数量及浓度梯度 也不同，这就相也不同，这就相 当电容的充放电当电容的充放电 过程过程。 + N P pL x 浓浓度度分分布布 耗耗尽尽层层NP 区区 区区中中空空穴穴 区区中中电电子子 区区 浓浓度度分分布布 nL 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容（结电容）极间电容（结电容） .20 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线 NP 结构结构 符号符号 阳极阳极 + 阴极阴极 - .21 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：

15、(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。 N型 锗 正 极 引 线 负 极 引 线 外 壳 金 属 触 丝 .22 (3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。于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。 SiO2 正 极 引 线 负 极 引 线 N型 硅 P型 硅 负 极 引 线 正 极 引 线 N

16、型 硅 P型 硅 铝 合 金 小 球 底 座 .23 半导体二极管的型号半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2AP9 用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。 代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N 型型Si， D为为P型型Si。 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 .24 一一 、半导体二极管的、半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V

17、锗：锗： 0.1 V (1) 正向特性正向特性 导通压降导通压降 反向饱和电流反向饱和电流 (2) 反向特性反向特性 死区死区 电压电压 i u 0 击穿电压击穿电压UBR 实验曲线实验曲线 u E i V mA u E i V uA 锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V .25 二二. 二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算 例：例： I R 10V E 1k ) 1(e T S U u Ii D非线性器件非线性器件 i u 0 i u RLC线性器件线性器件 Riu .26 二极管的模型二极管的模型 i u D U + - u i D U D U 串联电压源模型串联电压

18、源模型 D Uu D Uu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。 理想二极管模型理想二极管模型 u i 正偏正偏反偏反偏 - + iu 导通压降导通压降 二极管的二极管的VA特性特性 - + iu i u 0 .27 二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算 I R 10V E 1k I R 10V E 1k 例：例：串联电压源模型串联电压源模型 mA3 . 9 K1 V)7 . 010( I 测量值测量值 9.32mA 相对误差相对误差 0 0 0 0 2 . 0100 32. 9 9.332. 9 理想二极管模型理想二极管模型 R I 10

19、V E 1k mA10 K1 V10 I 相对误差相对误差 0 0 0 0 7100 32. 9 32. 910 0.7V .28 例：例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k， UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理的直流信号，分别采用理想二极管模型、理 想二极管串联电压源模型计算电流想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo + - - + U I u REF R i uO 解：解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串

20、联电压源模型分析。 mA2 k1 2VV4 REFi R Uu I V2 REFo Uu mA31 k1 V702VV4 DREFi . . R UUu I 2.7V0.7VV2 DREFo UUu .29 （2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所 示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模 型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。 + - - + U I u REF R i uO 解：解：采用理想二极管采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。模型分析

21、。波形如图所示。 0 -4V 4V ui t 2V 2V uo t .30 0 2.7V uo t 0 -4V 4V ui t 2.7V 采用理想二极管串联采用理想二极管串联 电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形 如图所示。如图所示。 + - - + U I u REF R i uO .31 三三. 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF 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UBR 二极管反向电流二极管反向电流 急剧增加时对应的反向急剧

22、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UBR。 (3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管级；锗二极管 在微安在微安( A)级。级。 .32 当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在 反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作 电流电流IZ在在Izmax和和Izmin 之间变化时之间变化时,其两端电其两端电 压近似为常数压近似为常数 稳定稳定 电压电压 四、稳压二极管四、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极

23、管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管 + - D Z i u UZ I U Izmin I zmax 正向同正向同 二极管二极管 反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿 UZ 限流电阻限流电阻 .33 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数 (1) 稳定电压稳定电压UZ (2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的

24、电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。 i u UZ I U Izmin I zmax .34 1.3 半导体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由半导体三极管，也叫晶体三极管。由 于工作时，多数载流子和少数载流子都于工作时，多数载流子和少数载流子都 参与运行，因此，还被称为参与运行，因此，还被称为双极型晶体双极型晶体 管管（Bipolar Junction Transistor,简称简称 BJT）。）。 BJT是由两个是由

25、两个PN结组成的。结组成的。 .35 一一. .BJT的结构的结构 NPN型PNP型 符号符号: - - - b c e - - - e b c 三极管的结构特点三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。 - - N N P 发射区 集电区基区 发射结 集电结 ec b 发射极 集电极 基极 - - P P N 发射区 集电区基区 发射结 集电结 ec b 发射极 集电极 基极 .36 二二 BJT的内部工作原理（的内部工作原理（NPN管）管） 三极管在工作时要三极管在工作时要

26、加上适当的直流偏加上适当的直流偏 置电压。置电压。 若在放大工作状态：若在放大工作状态： 发射结正偏：发射结正偏： + UCE UBE UCB 集电结反偏：集电结反偏： 由由VBB保证保证 由由VCC、 VBB保证保证 UCB=UCE - UBE 0 N N P BB V CC V R b R C e b c 共发射极接法共发射极接法 c区区 b区区 e区区 .37 （1 1）因为发射结正偏，所以发）因为发射结正偏，所以发 射区向基区注入电子射区向基区注入电子 ，形成了扩形成了扩 散电流散电流IEN 。同时从基区向发射区。同时从基区向发射区 也有空穴的扩散运动，形成的电也有空穴的扩散运动，形成

27、的电 流为流为IEP。但其数量小，可忽略但其数量小，可忽略。 所以发射极电流所以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注）发射区的电子注 入基区后，变成了少数载入基区后，变成了少数载 流子。少部分遇到的空穴流子。少部分遇到的空穴 复合掉，形成复合掉，形成IBN。所以。所以基基 极电流极电流I B I BN 。大部分到。大部分到 达了集电区的边缘。达了集电区的边缘。 1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程 N N P BB V CC V R b R C e b c I EN EP I I E B I .38 （3）因为集电结）因为集电结 反偏，收集扩散到反偏，收集扩散到 集

28、电区边缘的电子，集电区边缘的电子， 形成电流形成电流ICN 。 N N P BB V CC V R b R C e b c I EN EP I I E B I CN I C I CBO I 另外，集电结区另外，集电结区 的少子形成漂移的少子形成漂移 电流电流ICBO。 .39 2电流分配关系电流分配关系 三个电极上的电流关系三个电极上的电流关系:IE =IC+IB N N P BB V CC V R b R C e b c I EN EP I I E B I CN I C I CBO I 定义：定义： E CN I I E CBOEC I III (1)(1)IC与与I E之间的关系之间的关系

29、: 所以所以: E C I I 其值的大小约为其值的大小约为0.90.90.990.99。 .40 (2)IC与与I B之间的关系：之间的关系： N N P BB V CC V R b R C e b c I EN EP I I E CN I C I CBO I 联立以下两式联立以下两式： CBOEC III BCE III 得：得： CBOBCCBOEC IIIIII）（ 所以所以： CBOBC 1 1 1 III BCEOBC IIII 得：得： 1 令令： CBOCEO 1 1 II B I .41 三三. BJT. BJT的特性曲线（的特性曲线（共发射极接法）共发射极接法） (1) (

30、1) 输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const + + + + i - u BE + - u B T CE + C i （1）uCE=0V时，相当于两个时，相当于两个PN结并联。等同结并联。等同PN结的特性曲线结的特性曲线 0.4 0.2 i (V) (uA) BE 80 40 0.80.6 B u =0V u CE 1V CE u （3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。再增加时，曲线右移很不明显。 （2）当）当uCE=1V时，时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复 合减少，合减少， 在同一在同一uBE

31、 电压下，电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压死区电压 硅硅 0.5V 锗锗 0.1V 导通压降导通压降 硅硅 0.7V 锗锗 0.3V .42 (2)输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const 现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说明。 （1）当）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。 （2） uCE Ic 。 （3） 当当uCE 1V后，后， 收集电子的能力足够强。收集电子的能力足够强。 这时，发射到基区的电这时，发射到基区的电 子都被集电极收集，形子都被集电极收集，形 成

32、成iC。所以。所以uCE再增加，再增加， iC基本保持不变。基本保持不变。 同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲线。其他值的曲线。 i C CE(V) (mA) =60uA IB u =0 B B I I =20uA B I =40uA B=80uA I =100uA IB .43 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uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。 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。的曲线的下方。 此时，

33、发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。 放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。 此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有： BC II i C IB IB=0 u CE(V) (mA) =20uA B I =40uA B I =60uA B I =80uA B I =100uA 饱和区饱和区 放大区放大区 截止区截止区 .44 四四. BJTBJT的主要参数的主要参数 1.电流放大系数电流放大系数 （2 2）共基极电流放大系数：）共基极电流放大系数： B C I I B C i i E C I I E C i i i C

34、E =20uA (mA) B =40uA I C u =0 (V) =80uA I B B B I B i IB I =100uA C B I =60uA i 一般取一般取20200之间之间 2.3 1.5 38 A60 mA3 . 2 B C I I 40 A40)-(60 mA)5 . 13 . 2( B C i i （1 1）共发射极电流放大系数：）共发射极电流放大系数： .45 2.极间反向电流极间反向电流 （2）集电极发射极间的穿）集电极发射极间的穿 透电流透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射基极开路时，集电极到发射 极间的电流极间的电流穿透电流穿透电流 。 其大小与温度有关。其

35、大小与温度有关。 （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 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。 它实际上就是它实际上就是一个一个PNPN结的反向电流。结的反向电流。其大小与温度有关。其大小与温度有关。 锗管：锗管：I CBO为微安数量级，为微安数量级， 硅管：硅管：I CBO为纳安数量级。为纳安数量级。 CBOCEO )1 (II + + ICBO e c b ICEO .46 3.极限参数极限参数 Ic增加时，增加时， 要下降。当要下降。当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值值 的的70时，所

36、对应的集电极电流称为集电极最大允许时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许 电流电流ICM。 （1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM （2）集电极最大允）集电极最大允 许功率损耗许功率损耗PCM 集电极电流通过集集电极电流通过集 电结时所产生的功耗，电结时所产生的功耗， PC= ICUCE B I CE u i (V) I B C =100uA B=80uA =60uA (mA) I I B =0 B =40uA =20uA B I I PCM PCM .47 （3）反向击穿电压）反向击穿电压 BJT有两个有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：结，其反向击穿电压有以下几种： U（

37、 （BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大 集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大 反向电压。其值一般几伏十几伏。反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（ （BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大 发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大 反向电压。其值一般为几十伏几百伏。反向电压。其值一般为几十伏几百伏。 U（ （BR）CEO基极开路 基极开路 时，集电极与发射极之间时，集电极与发射极之间 允许的最大反向电压。允许的最大反向电压。 在实际使用时，还有在实际使用时，还有 U（ （BR）CER、 、U（ （BR）CES 等击穿电压。等击穿电压。 - - (BR)CEOU

38、 (BR)CBOU (BR)EBOU .48 1.4 三极管的模型及分析方法 0.4 0.2 i (V) (uA) BE 80 40 0.80.6 B u iC IB IB=0 u CE(V) (mA) =20uA B I =40uA B I =60uA B I =80uA B I =100uA 非线性器件非线性器件 BC II UD=0.7VUCES=0.3ViB0 iC0 一一. BJT的模型的模型 + + + + i - u BE + - u B CE + C i b ee c .49 截止状态截止状态 e c b 放大状态放大状态 UD IB ICIB e cb 发射结导通压降发射结导

39、通压降UD 硅管硅管0.7V 锗管锗管0.3V 饱和状态饱和状态 e cb UD UCES 饱和压降饱和压降UCES 硅管硅管0.3V 锗管锗管0.1V 直流模型直流模型 .50 二二. BJT电路的分析方法（直流）电路的分析方法（直流） 1. 模型分析法（近似估算法）模型分析法（近似估算法）(模拟p5859) VCC VBB Rb Rc 12V 6V 4K 150K + UBE + UCE IB IC +VCC +VBB Rb Rc (+12V) (+6V) 4K 150K + UBE + UCE IB IC 例：共射电路如图，已知三极管为硅管，例：共射电路如图，已知三极管为硅管，=40，试

40、，试 求电路中的直流量求电路中的直流量IB、 IC 、UBE 、UCE。 .51 +VCC +VBB Rb Rc (+12V) (+6V) 4K 150K + UBE + UCE IB IC 0.7V IB e c b IC +VCC Rc (+12V) 4K + UBE IB +VBB Rb (+6V) 150K + UCE 解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。 UBE=0.7V A40 K150 V6 K150 V)7 . 06( b BEBB B R UV I mA6 . 1A4040 BC II V6 . 546 . 11

41、2 CCCCCE RIVU .52 2. 图解法图解法 模拟(p5456) VCC VBB Rb Rc 12V 6V 4K 150K + uCE IB=40A iC 非线性部分非线性部分线性部分线性部分 iC=f(uCE) iB=40A CCCCCE RiVu M(VCC,0) (12 , 0) (0 , 3) ), 0( C CC R V N iC CE(V) (mA) =60uAIB u =0B B I I =20uA B I =40uA B=80uA I =100uAIB 直流负载线直流负载线 斜率：斜率： CCC C CC 1 RV R V tgK UCEQ 6V ICQ 1.5mA

42、IB=40A IC=1.5mA UCEQ=6V 直流直流 工作点工作点 Q .53 半导体三极管的型号半导体三极管的型号 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 国家标准对半导体器件型

43、号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 3DG110B .54 1.5 场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和，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。少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 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 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 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控制）是一种电压控制 器件器件(uGS

44、 iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是 单极型器件。单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极 高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。 .55 一. 绝缘栅场效应三极管 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 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结构结构 4个电

45、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。 - - - - g s d b 符号：符号： - - - - N+ + N P衬底 sgd b 源极栅极漏极 衬底 .56 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向 下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。 （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之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场 将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到 P区

46、表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道， 如果此时加有漏源电压，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 s g N+ b d VDD 二氧化硅 + N - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N VGG id .57 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

47、相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作 用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。 .58 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电，且固定为某一值时，来分析漏源电 压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UT=2V， uGS=4V） （a）uds=0时，时， id=0。 （b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。 （c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时， 沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。 （d）uds再增加，预夹断区再增加，预

48、夹断区 加长，加长， uds增加的部分基本降增加的部分基本降 落在随之加长的夹断沟道上落在随之加长的夹断沟道上 ， id基本不变。基本不变。 - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N VGG id - - - 二氧化硅 N i s d N V b + DD d V P衬底 GG g - - - GG b V d 二氧化硅 s i N g DD + d P衬底 V N+ - - - P衬底 d + d DD V s + 二氧化硅 NN b i GG V g .59 （3 3）特性曲线）特性曲线 四个区：四个区： （a）可变电阻区）可变电阻区 （预夹断前）。（预夹断前

49、）。 输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS) uGS=const i (V) (mA) D DS u GS=6V u u =5V GS =4V uGS u =3V GS （b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。）击穿区。 可变电阻区可变电阻区 恒流区恒流区 截止区截止区 击穿区击穿区 .60 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：的一条转移特性曲线

50、： i (mA) D GS=6V u u =5VGS =4V uGS u =3VGS u DS(V) D i (mA) 10V 1 2 3 4 1 4 3 2 (V) u GS 246 UT .61 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) DS u =6V =3V u uGS (V) 1 D 6 2 4 i 4 3 =5V (mA) 2 4 3 i D GS 2 10V (V) uGS i D GS u i D .62 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 特点：特点： 当当uGS