华大半导体基础知识培训常用半导体器件讲解

1、(1-1) 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 双极型双极型三极管三极管 1.5 单单结结晶体管和晶闸管晶体管和晶闸管 1.4 场效应管场效应管第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.6 集成电路中的元器件集成电路中的元器件(1-2)1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘

2、体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。1.1 半导体基础知识半导体基础知识(1-3) 半导体的导电机理不同于其它物质，所半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：以它具有不同于其它物质的特点。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。热敏性、光敏性、掺杂性。当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。(1

3、-4)1.1.2 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi(1-5)通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四

4、面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。(1-6)硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构(1-7)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导

5、体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。(1-8)在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁相当于空穴的迁移，而空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷移相当于正电荷的移动，因此可的移动，因此可以认为空穴是载以认为空穴是载流子。流子。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理(1-9)硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构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(1-10)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电

6、子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-11)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导

7、体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（即中没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），），它的导电能力为它的导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子在常温下，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，成获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。(1-12)+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(1-13)1.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征

8、半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为称为N型半导体型半导体（电子半导体），使空穴浓（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为度大大增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。(1-14)N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体

9、原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。(1-15)+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子(1-16)N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是

10、什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同相同。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。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载少数载流子流子（少子少子）。）。(1-17)P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的

11、某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。(1-18)+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子(1-19)总总 结结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产

12、生的电子只占少供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2、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。(1-20)杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体(1-21)一一. 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型型半导体和半导体和N型半导

13、体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。1.1.3 PN结结(1-22)P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动(1-23)扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。(1-

14、24)漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。(1-25)空间空间电荷电荷区区N N型区型区P P型区型区电位电位V VV V0 0(1-26)1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N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（

15、扩散运动扩散运动）。）。3、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很数量有限，因此由它们形成的电流很小。小。请注意请注意(1-27) 二二. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是： P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。 PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是： P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。(1-28)PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多

16、子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。(1-29)PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，内电场被被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。(1-30) (1-31)三三. PN结的电流方程结的电流方程( 1.1.2 )( 1.1.3 )(1-32)四四. PN结的伏安特性结的伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电

17、反向击穿电压压U(BR)(1-33)五五. PN结的电容效应结的电容效应二极管的两极之间有电容，此电容由两二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。(1-34) (a) 势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图(1-35)(b) 扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图(1-36)为了形成正向电流（扩散电

18、流），注入为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P区有电子的积累。区有电子的积累。同理，在同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。积累的电荷多。P+-N这样所产生的电容就是扩散电容这样所产生的电容就是扩散电容CD。(1-37)CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散势垒电容

19、和扩散电容的综合效应电容的综合效应rd(1-38) 1.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(1-39)点接触结构点接触结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引

20、线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型(1-40)(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，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。(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。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(1-41)PN结结面接触型面接触型PN(1-42)半导体二极管图片1.2 半导体二极管半导体二极管(1-43)(1-44)end(1-45) 1.2.2

21、二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性(1-46)温度对伏安特性的影响温度对伏安特性的影响UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)( 1.1.2 )(1-47) 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) 最大整流电流

22、最大整流电流IF(2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3) 反向电流反向电流I IR R(4) 最高工作频率最高工作频率 fM(1-48)补充参数补充参数: (电信专业电信专业)（5）最大整流电流）最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。 注意与注意与IF的关系的关系(6) 正向压降正向压降VF(7) 极间电容极间电容CB、 CD(1-49)1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 能够用简单、理想的模型来模拟电子能够用简单、理想的模型来模拟电子器件的复杂特性或行

23、为的电路称为器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路，等效电路，也称为也称为等效模型等效模型。 能够模拟二极管特性的电路称为二极管的能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，等效电路，也称为二极管的也称为二极管的等效模型等效模型。(1-50) 1. 理想模型理想模型3. 折线模型折线模型 2. 恒压降模型恒压降模型一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路(1-51)小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，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。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处

24、的微变电导则则常温下（常温下（T=300K） 二、二、 二极管二极管的的 微变等效电路微变等效电路(1-52) 应用举例应用举例补充补充 1. 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k ）VDD=10V 情况分析情况分析恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设(1-53)例例 VREF =2.8V Vi =6sin100tV 2. 限幅电路限幅电路end 应用举例应用举例补充补充(1-54)RRLuiuRuotttuiuRuo 应用举例应用举例补充补充 3. 脉冲识别电路脉冲识别电路请同学自

25、己分析教科书请同学自己分析教科书例例 1.2.1(1-55)1.2.5 稳压二极管稳压二极管1. 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性(a)符号符号(b) 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。压时工作在反向电击穿状态。UZrd(1-56)(1) 稳定电压稳定电压VZ 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，所对应下，所对应的反向工作电压。的反向工作电压。(3)(3)额定功耗额定功耗 PZM 功率高于此值时，二极管会因结温升高功率高于此值时，二极管会因结温升高 而损坏。而损坏。(2)(

26、2)稳定电流稳定电流 IZ ： IZmax 电流高于此值时，二极管会损坏电流高于此值时，二极管会损坏 Izmin 电流低于此值时，稳压性能变坏电流低于此值时，稳压性能变坏2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数(1-57)(4) 动态电阻动态电阻rZrZ = VZ / IZ(5) 温度系数温度系数 VZ(1-58) 稳压二极管稳压二极管UIUZIZIZmax UZ IZ稳压误差稳压误差曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。+-(1-59)稳压二极管应用稳压二极管应用3. 稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO =VZIZmin IZ IZmax同学自己计算例同学自己计算例 1.2.

27、2(1-60)光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加照度增加其它类型二极管其它类型二极管(1-61)发光二极管发光二极管有正向电流流有正向电流流过时，发出一定过时，发出一定波长范围的光，波长范围的光，目前的发光管可目前的发光管可以发出从红外到以发出从红外到可见波段的光，可见波段的光，它的电特性与一它的电特性与一般二极管类似。般二极管类似。(1-62)例例 1.2.3 已知发光二极管导通电压已知发光二极管导通电压UD=1.6V， 正向电流为正向电流为520mA时发光。时发光。+iDvD-RV6v发光二极管说明：发光二极管说明：1、正向压降

28、、正向压降UD不再是不再是0.6V；2、发光主要受电流控制，电流选择要适中、发光主要受电流控制，电流选择要适中 （一般手册会给出）（一般手册会给出）(1-63)作业：1.1 1.4 1.11(1-64) 半导体三极管的结构示意图如图半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有所示。它有两种类型两种类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极，用B或b表示（Base） 发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。 发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符

29、号1.3 双极型三极管双极型三极管(1-65) 1.3.1 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，一般在几个微米至几十个微米，且基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。掺杂浓度最低。管芯结构剖面图管芯结构剖面图(1-66)三极管的两种基本结构三极管的两种基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型（最常用）（最常用）BECIBIEICNPN型三极管型三极管(1-67)BECIBIEICPNP型三极管型三极管PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCE

30、PNP型型(1-68)BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高(1-69)IB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE(1-70)BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结(1-71)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，通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。过载流子传输体现出来的。 外部条件：外部

31、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：基区： 传送和控制传送和控制 载流子载流子 （以（以NPN为例）为例） 1.3.2 晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用+-bceRL1k(1-72) 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管。或极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 (1-73)电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏

32、，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE基区空基区空穴向发穴向发射区的射区的扩散可扩散可忽略。忽略。IBE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。(1-74)BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBO从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为集子作为集电结的少电结的少子，漂移子，漂移进入集电进入集电结而被收结而被收集，形成集，形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEIBE2ICE(1

33、-75)2. 电流分配关系电流分配关系根据传输过程可知根据传输过程可知 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常通常 IC ICBO 为电流放大系数，为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电掺杂浓度有关，与外加电压无关压无关。一般。一般 = 0.9 0.99IE=IB+ IC载流子的传输过程载流子的传输过程(1-76)根据根据 是另一个电流放大系数，是另一个电流放大系数，同样，它也只与管同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般一般 1IE=IB+ IC IC= InC+

34、 ICBO且令且令ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）（穿透电流）2. 电流分配关系电流分配关系(1-77)3. 三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态(1-78)+-bceRL1k共射极放大电路 图图 1.3.3 共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iB v

35、I = 20mV 设设若若则则电压放大倍数电压放大倍数 iB = 20 uA vO = - iC RL = -0.98 V， = 0.98使使4. 放大作用放大作用 共射共射(1-79)RLecb1k 图图 03.1.05 共基极放大电路共基极放大电路放大作用放大作用 共基共基 （电信常用）（电信常用）若若 vI = 20mV使使当则则电压放大倍数电压放大倍数VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iB iE = -1 mA， iC = iE = -0.98 mA， vO = - iC RL = 0.98 V， = 0.98 时，时，(1-80) 综上所述，三极管的

36、放大作用，主要是依综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。晶体管放大信号需要满足的条件晶体管放大信号需要满足的条件（请记录）（请记录）(1-81)ICmA AVVUCEUBERBIBECEB特性曲线特性曲线 实验线路实验

37、线路1.3.3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线(1-82)vCE = 0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=const(2) 当当vCE1V时，时， vCB= vCE - - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vCE = 0VvCE 1V(1) 当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 输入特性曲线输入特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共

38、射极放大电路为例）(1-83)输入特性输入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.2V。工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗锗管管UBE 0.20.3V。(1-84)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，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE) iB=const2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线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

39、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。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE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。(1-85) (1-86)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。饱和饱和(1-87)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60

40、 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电死区电压，称为截压，称为截止区。止区。截止截止(1-88)输出特性输出特性线性放大线性放大IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。(1-89)1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 1 1、共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=co

41、nst一一. 直流参数直流参数 2、 共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE (1-90) AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。 3. 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。 (1-91) (2) 集电极发射极间的反向穿透电流集电极发射极间的反向穿透电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO ICEO 即输出特性曲即输出特性曲线线IB=

42、0那条曲线所那条曲线所对应的对应的Y坐标的数值。坐标的数值。 ICEO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。(1-92)BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，区，形成形成IBE。根据放大关根据放大关系，由于系，由于IBE的存在，必的存在，必有电流有电流 IBE。集电结反偏集电结反偏有有ICBO两种反向电流之间的关系两种反向电流之间的关系(1-93)1、 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB vCE=const1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数二二. 交流参数交流参数 2、 共基极交流电

43、流放大系数共基极交流电流放大系数 = IC/ IE VCB=const(1-94) 当当ICBO和和ICEO很小时，很小时， 、 ，可以不，可以不加区分。加区分。 这种近似是产生计算误差的根源，当设计精这种近似是产生计算误差的根源，当设计精密放大器时注意修正。密放大器时注意修正。说明：说明：(1-95)2、 集电极最大集电极最大 允许电流允许电流ICM1、 集电极最大集电极最大允许功率损耗允许功率损耗PCM PCM= ICVCE 三三. 极限参数极限参数(1-96)3、 反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反发射极开路时的集电结反 向击穿电压。向击穿电压。 V(BR)

44、 EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO(1-97) 由由PCM、 ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。确定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区(1-98)半导体三极管机理综述：半导体三极管机理综述：(1-99) ICBO受温度影响很大，当温度上升时

45、，受温度影响很大，当温度上升时，ICBO增增加很快（加很快（1倍倍/10C），所以，所以IC也相应增加。当也相应增加。当三三极管参数随温度变化较大时称其特性较差。极管参数随温度变化较大时称其特性较差。1.3.5 温度对晶体管特性及其参数影响温度对晶体管特性及其参数影响一、温度对一、温度对ICBO的影响的影响要点：要点： 参数随温度变化趋势参数随温度变化趋势(1-100)IB( A)UBE(V)204060800.40.8T=27C二、温度升高使输入特性曲线左移二、温度升高使输入特性曲线左移T=60CT=0C(1-101)温度对温度对UBE的影响的影响iBuBE25 C50CTUBEIBIC(1

46、-102)三、温度升高使输出特性曲线上移三、温度升高使输出特性曲线上移IC(mA )1234UCE(V)369120C60C27C(1-103)温度对温度对 值及值及ICEO的影响的影响T 、 ICEOICiCuCEQQ 总的效果是：总的效果是：温度上升时温度上升时，输出特性，输出特性曲线上移，曲线上移，造成造成Q点上点上移。移。(1-104)ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区小结：三极管特性曲线小结：三极管特性曲线（特别记忆）（特别记忆）(1-105)作业1.15 1.16(1-106)场效应管与双极型晶体管场效应管与双极型晶体管导电机理导电机理不同，它是

47、完全不同，它是完全多子多子导电，输入阻抗高，导电，输入阻抗高，温度稳定性好。温度稳定性好。电信设备多利用其良好的电信设备多利用其良好的低噪声低噪声特特性，特别是高频低噪声前端。性，特别是高频低噪声前端。1.4 场效应管场效应管(1-107)N沟道沟道P沟道沟道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（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：场效应管分类：(1-108)(1-109) 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用

48、G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号一、一、 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 实际制作结构实际制作结构图图1.4.1(1-110)N基底基底 ：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极原理说明结构原理说明结构图图1.4.2导电沟道导电沟道(1-111)NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS(1-112)PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS(1-113)2. 工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当

49、当VGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄继续变窄 VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时，VDS ID G、D间间PN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。 当当VDS增加到使增加到使VG

50、D=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断。夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变 VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP VGS0 时，时， 导电沟导电沟道更容易夹断，道更容易夹断， 对于同样对于同样的的VDS ， ID的值比的值比VGS=0时时的值要小。的值要小。在预夹断处在预夹断处VGD=VGS- -VDS =VP (1-114) (1-115)PGSDUDSUGSNN2. 工作原理（以工作原理（以P沟道为例）沟道为例）NNPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗越大则耗尽区越宽，导尽区越宽，导电沟道越窄。电沟道越窄。UDS较小时

51、较小时(补充补充)UGS需要加正电压需要加正电压(1-116)UDS较小时较小时PGSDUDSUGSNNNN但当但当UGS较小时，耗较小时，耗尽区宽度有限，存尽区宽度有限，存在导电沟道。在导电沟道。DS间间相当于线性电阻。相当于线性电阻。UGS越大耗尽区越越大耗尽区越宽，沟道越窄，宽，沟道越窄，电阻越大。电阻越大。(1-117)PGSDUDSUGSNNUDS较小时较小时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，漏间被夹断，漏极电流是极电流是ID=0。(1-118)PGSDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的

52、形状时耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大(1-119)PGSDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电沟道中仍是电阻特性，但是阻特性，但是是非线性电阻。是非线性电阻。(1-120)GSDUDSUGSUGSVpUGD=VP时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。UDS增大则被夹增大则被夹断区向下延伸。断区向下延伸。(1-121)GSDUDSUGSUGS0(1-140)PNNGSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSVT）感应出足够多感应出足够多电子，这里以电子，这

53、里以电子导电为主电子导电为主出现出现N型的导型的导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS 管的工作原理管的工作原理(1-141)PNNGSDUDSUGSUGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，UGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。(1-142)PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当UDS较较大时，靠大时，靠近近D区的区的导电沟道导电沟道变窄。变窄。(1-143)PNNGSDUDSUGSUDS增加，增加，UGD

54、=VT时，时，靠近靠近D端的沟端的沟道被夹断，道被夹断，称为予夹断。称为予夹断。夹断后夹断后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID(1-144)耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。加反向电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT(1-145)输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0(1-146)三、三、P沟道沟道MOS管管同学自己结合PNP三极管与N沟道MOS管学习四、四、VMOS管管VMOS管N、P沟道增强、耗尽型MOS管都有无需特殊记忆。主要是功率与温度不同。(1-

55、147)1.4.3. 场效应管主要参数场效应管主要参数 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)：漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 。 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 开启电压开启电压VGS(th) 增强型增强型MOS的参数的参数一、直流参数一、直流参数 直流输入电阻直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。 输出电阻输出电阻rd：(1-148) 低频跨导低频跨导gm：或或 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求

56、得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。二、交流参数二、交流参数 极间电容极间电容 注意数量级(1-149)三、极限参数三、极限参数 最大耗散功率最大耗散功率PDM 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS 最大漏极电流最大漏极电流IDM 击穿电压击穿电压V(BR)(1-150)1.4.4. 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较一、一、 输入端控制方式输入端控制方式二、二、 载流子与特性关系载流子与特性关系三、三、 噪声特性噪声特性四、四、 使用灵活性使用灵活性五、五、 数量、品种数量、品种六、六、 应用领域应用领域(1

57、-151)1.20 1.21作业(1-152)1.5.1 单结晶体管单结晶体管结构结构等效电路等效电路E（发射极）（发射极）B2（第二基极）（第二基极）B1（第一基极）（第一基极）NPEB2B1RB2RB1管内基极管内基极 体电阻体电阻PN结结1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管(1-153)工作原理工作原理UAuE UP后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。UP- 峰点电压峰点电压（单结管由截止变导通（单结管由截止变导通 所需发射极电压。）所需发射极电压。）(1-155)单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路RR

58、2R1CUucuOEB1ucttuouvup振荡波形振荡波形(1-156)uE = uC UP 时时，单结管不导通，单结管不导通，uo 0。此时此时R1上的电流很小，其值为：上的电流很小，其值为：应用举例应用举例IR1R1、R2是外加的，不同于内是外加的，不同于内部的部的RB1、RB2。前者一般取。前者一般取几十欧几十欧几百欧；几百欧； RB1+RB2一般为一般为215千欧。千欧。uOR2R1RCUucE(1-157) 随电容的随电容的 充电，充电，uc逐渐升高。当逐渐升高。当 uC UP 时时，单结管导通。然后电容放电，单结管导通。然后电容放电，R1上便得上便得到一个脉冲电压到一个脉冲电压。

59、R2R1RCUucEuOR2起温度补偿作用起温度补偿作用ucUpUvuoUp-UDUP、UV- 峰点、谷点电压峰点、谷点电压UD -PN结正向导通压降结正向导通压降(1-158)注意：注意：R值不能选的太小，否则单结管不能值不能选的太小，否则单结管不能 关断，电路亦不能振荡。关断，电路亦不能振荡。 电容放电至电容放电至 uc uv时时，单结管重新关断，使，单结管重新关断，使 uo 0。脉冲宽度的计算：脉冲宽度的计算：Tuoucupuvtw振荡周期的计算：振荡周期的计算：(1-159)单结管符号单结管符号EB2B1单结管重单结管重要特点要特点UEUP时单结管导通。时单结管导通。小结小结(1-16

60、0)别名：别名：可控硅可控硅（SCR) （Silicon Controlled Rectifier） 它是它是一种一种大功率半导体器件，出现于大功率半导体器件，出现于70年代。年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域领域 。 体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容容量大（正向平均电流达千安、正向耐压量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。达数千伏）。 特点特点1.5.2 晶闸管晶闸管（Thyristor）(1-161)应用领域：应用领域： 逆变逆变 整流整流 （交流（交流直流）直流）斩波斩波（直流（直流交流）