第6章-放大电路分析 (6)

1、第5章 半导体器件1 1第第5章章 半导体器件半导体器件 5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识5.2 半导体二极管半导体二极管5.3 半导体三极管半导体三极管5.4 场效应晶体管场效应晶体管第5章 半导体器件2 2第第5章章 半导体器件半导体器件 第5章 半导体器件3 3半导体知识半导体知识 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体： 自然界中很容易导电的物质。金属一般都是导体。自然界中很容易导电的物质。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：几乎不导电的物质。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。几乎不导电的物质。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体： 导电特性处于导体和绝缘体之间的物质。如

2、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质。如 锗、锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第5章 半导体器件4 4共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子第5章 半导体器件5 5 Si Si Si Si价电子价电子这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子第5章 半导体器件6 6 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程因热激发而出现的自因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成由电子和空穴是同时成对出现的，称为对出现的，称为电子电子-空穴对空穴对。游离的部分游离的部分自由电子落入未饱和共自由电子落入未饱和共价键，电子空穴成对消价键，电子

3、空穴成对消失，称为失，称为复合复合。电子空穴对电子空穴对第5章 半导体器件7 7 自由电子的定向运自由电子的定向运动形成了动形成了电子电流电子电流，空穴的定向运动也可空穴的定向运动也可形成形成空穴电流空穴电流，它们，它们的方向相反。只不过的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻空穴的运动是靠相邻共价键中的共价键中的价电子价电子依依次充填次充填空穴空穴来实现的。来实现的。图 空穴在晶格中的移动空穴的移动空穴的移动自由电子和空穴都能够自由电子和空穴都能够搬运电荷，称其为搬运电荷，称其为带电带电粒子粒子或或载流子载流子。第5章 半导体器件8 8第5章 半导体器件9 9 在本征半导体中，通过热激发产生的自

4、由在本征半导体中，通过热激发产生的自由电子和空穴的数目，还远不能使半导体具有良电子和空穴的数目，还远不能使半导体具有良好的导电能力。然而，通过掺入有用的杂质好的导电能力。然而，通过掺入有用的杂质(称称为为掺杂掺杂)，却能使其导电特性得到很大的改善。，却能使其导电特性得到很大的改善。 2. 杂质半导体杂质半导体第5章 半导体器件1010 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子动画动画 2. 杂质半导体杂质半导体第5章 半导体器件1111 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴 2.

5、杂质半导体杂质半导体第5章 半导体器件1212多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使空间电扩散的结果使空间电荷区变宽。荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区第5章 半导体器件1313PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+第5章 半导体器件1414+第5章 半导体器件1515 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+第5章 半导体器件1616 (1)当当0

6、UfUT时，时，UT为死区电压，或称为死区电压，或称门坎电压门坎电压。这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，所以正向电流造成的阻力，所以正向电流If几乎为零，几乎为零，PN结呈现出结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎，如图一个大电阻，好像有一个门坎，如图5.10(b)所示。所示。 (2)当当UfUT后，这时在外电场的作用下，内电场后，这时在外电场的作用下，内电场被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且进入空被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且进入空间电荷区后，一部分空穴会与负离子中和，一部分电间电荷区后，一部分空穴会与负离子中

7、和，一部分电子会与正离子中和，使空间电荷量减少，子会与正离子中和，使空间电荷量减少，PN结变窄，结变窄，如图如图5.10(a)所示。所示。第5章 半导体器件1717 空间电荷区中载流子数量的增加，相当于空间电荷区中载流子数量的增加，相当于PN结电结电阻的减小。这样，载流子就能顺利地越过阻的减小。这样，载流子就能顺利地越过PN结，形成结，形成闭合的回路，产生较大的正向电流闭合的回路，产生较大的正向电流If。因为外电源不断。因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子，所以使电流地向半导体提供空穴和电子，所以使电流If得以维持。得以维持。PN结的正向特性曲线如图结的正向特性曲线如图5.10(b)所示。所

8、示。第5章 半导体器件1818 图图5.10 PN结的正向特性结的正向特性(a)外加正向电压导通；外加正向电压导通；(b)正向特性曲线正向特性曲线第5章 半导体器件1919 (1) 空间电荷区变窄的过程，相当于载流子充进了空间电荷区变窄的过程，相当于载流子充进了PN结。结。P区一侧充正电区一侧充正电(充入空穴充入空穴)，N区一侧充负电区一侧充负电(充充入电子入电子)，这现象如同一个电容器的充电，此电容称为，这现象如同一个电容器的充电，此电容称为耗尽层电容耗尽层电容Ct。 (2)PN结处于正偏时，还存在着结处于正偏时，还存在着电荷存储效应电荷存储效应。由。由于多子扩散到对方区域后，电子与空穴并不

9、一定会立于多子扩散到对方区域后，电子与空穴并不一定会立即相遇而复合消失，所以，必定会在扩散路程上有一即相遇而复合消失，所以，必定会在扩散路程上有一定数量的存储。即在定数量的存储。即在P区中积累电子，在区中积累电子，在N区中积累空区中积累空穴，建立起一定的浓度梯度。穴，建立起一定的浓度梯度。 第5章 半导体器件2020 图图5.11 PN结的反向特性结的反向特性(a)外加反向电压截止；外加反向电压截止；(b)反向特性曲线反向特性曲线第5章 半导体器件2121 因此，因此，PN结处于反偏时，电阻是很大的。结处于反偏时，电阻是很大的。 IR有时也称为反向饱和电流有时也称为反向饱和电流IS。这是因为当

10、。这是因为当温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的电压范围内，电压范围内，IR几乎不随反偏电压的增加而变大。几乎不随反偏电压的增加而变大。但温度升高会使少子增加，故但温度升高会使少子增加，故IR会随温度的上升会随温度的上升而增长很快，这就是而增长很快，这就是PN结的温度特性。结的温度特性。 由此可见，由此可见，PN结具有单向导电的特性及温结具有单向导电的特性及温度特性。度特性。第5章 半导体器件2222 注意：注意： (1)空间电荷区变宽的过程，相当于空间电荷区变宽的过程，相当于PN结结放出载流子的过程。这现象如同一个电容器的放出载流子的过程。这现象如

11、同一个电容器的放电，此电容称为耗尽电容放电，此电容称为耗尽电容Ct。 (2)PN结处于反偏时，载流子数目很少，结处于反偏时，载流子数目很少，故反向扩散电容故反向扩散电容Cd很小，可忽略。这时很小，可忽略。这时CtCd。第5章 半导体器件2323 3.PN结的结电容结的结电容Cj PN结上有结上有耗尽层电容耗尽层电容Ct和和扩散电容扩散电容Cd, 通常用通常用结电容结电容Cj来表征来表征PN结的电容效应：结的电容效应： Cj=Ct+Cd 结电容的充、放电效应与普通电容相似，不同结电容的充、放电效应与普通电容相似，不同的是结电容的容量大小要随外加电压的大小而改变。的是结电容的容量大小要随外加电压的

12、大小而改变。 当当PN结运用在高频时，要考虑到结电容的作用。结运用在高频时，要考虑到结电容的作用。第5章 半导体器件2424 4. PN结的击穿特性结的击穿特性 当当PN结反偏电压结反偏电压UR超过某一数值时，反超过某一数值时，反向电流向电流IR会突然增大，出现反向电压击穿现象，会突然增大，出现反向电压击穿现象，简称为简称为反向击穿反向击穿。发生反向击穿所需的电压称。发生反向击穿所需的电压称为反向击穿电压为反向击穿电压UB。第5章 半导体器件2525 反向击穿现象有两种类型：反向击穿现象有两种类型： (1)雪崩击穿。当反向电压太高时，载流子雪崩击穿。当反向电压太高时，载流子在阻挡层中将受到强烈

13、的电场加速作用，获得在阻挡层中将受到强烈的电场加速作用，获得足够的能量去碰撞原子，产生新的电子足够的能量去碰撞原子，产生新的电子空穴空穴对。被撞出的载流子获得能量后又可能再去碰对。被撞出的载流子获得能量后又可能再去碰撞别的原子，如此连锁反应造成了载流子的剧撞别的原子，如此连锁反应造成了载流子的剧增。这种击穿多发生在掺杂浓度不大的增。这种击穿多发生在掺杂浓度不大的PN结。结。雪崩击穿电压一般高于雪崩击穿电压一般高于6V。第5章 半导体器件2626 (2)齐纳击穿。当反向电压足够大时，阻挡齐纳击穿。当反向电压足够大时，阻挡层中的强电场会将电子从共价键中强行拉出，层中的强电场会将电子从共价键中强行拉

14、出，产生电子产生电子空穴对，使载流子剧增空穴对，使载流子剧增(其效果与其效果与温度升高相仿温度升高相仿)。这种击穿多发生在掺杂浓度。这种击穿多发生在掺杂浓度较高的较高的PN结。齐纳击穿电压一般低于结。齐纳击穿电压一般低于6V。第5章 半导体器件27275.2 5.2 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-第5章 半导体器件2828 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(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

15、锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝第5章 半导体器件2929(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型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座第5章 半导体器件3030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

16、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。第5章 半导体器件3131 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 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iu0击穿电压击穿电压

17、UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V第5章 半导体器件32321)(eIITUUS第5章 半导体器件33331.理想二极管等效电路理想二极管等效电路2.考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路0uDiD(a)理想二极管等效电路理想二极管等效电路(a)特性曲线的近似特性曲线的近似(b)等效电路等效电路0uDiD(a)UDK(b)(b)KUD考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路(a)特性曲线的近似特性曲线的近似(b)等效电路等效电路5.2.1、二极管的等效电路及应用、二极管的等效电路及应用（一）等效电路（一）等效电路 (将非线性器件转

18、化为线性器件将非线性器件转化为线性器件)第5章 半导体器件34341.直流参数直流参数 1)最大整流电流最大整流电流IF 最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。当二极管电流最大正向平均电流。当二极管电流IIF时，时，PN结会因结会因为太热而烧坏。为太热而烧坏。 2) 最高反向工作电压最高反向工作电压URM 最高反向工作电压最高反向工作电压URM通常取二极管反向击穿电压通常取二极管反向击穿电压UB的一半。的一半。 5.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 第5章 半导体器件3535 3)反向电流反向电流IR 反向电流反向电流

19、IR即为反向饱和电流即为反向饱和电流IS。其值越。其值越小，二极管的单向导电性能越好。小，二极管的单向导电性能越好。 4) 直流电阻直流电阻RD 直流电阻直流电阻RD是指二极管两端的直流电压与是指二极管两端的直流电压与流过的直流电流之比。即流过的直流电流之比。即DDDURI第5章 半导体器件3636 图5.16 二极管的电阻(a)直流电阻RD；(b)微变电阻rD 第5章 半导体器件37371) 微变微变(变流变流)电阻电阻rD 二极管工作在小信号时需要用到微变电阻二极管工作在小信号时需要用到微变电阻rD。rD的的定义是：二极管特性曲线上工作点定义是：二极管特性曲线上工作点Q附近的电压变化附近的

20、电压变化量量U与相应的电流变化量与相应的电流变化量I之比。即之比。即DUrI rD实际上就是特性曲线上实际上就是特性曲线上Q点处斜率的倒数。点处斜率的倒数。DUrI 2.交流参数交流参数第5章 半导体器件3838 5.2.4 二极管应用举例二极管应用举例 二极管的应用范围很广，利用二极管的单向导电二极管的应用范围很广，利用二极管的单向导电特性，可组成特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。等电路。利用二极管的其它特性，可使其应用在稳压、变容、利用二极管的其它特性，可使其应用在稳压、变容、温度补偿等方面。整流、钳位、开关电路将在后面有温度补偿等方面。整流、钳位

21、、开关电路将在后面有关章节中提到，关章节中提到，第5章 半导体器件3939例例1：D6V12V3k BAUAB+第5章 半导体器件4040例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+第5章 半导体器件4141例例3：二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、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理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+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理

22、想模型分析。 采用非理想二极管串联电压源模型分析。采用非理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu第5章 半导体器件4242（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非理想二极管串联电压源示，分别采用理想二极管模型和非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。模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO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

23、。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第5章 半导体器件434302.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用非理想二极管串采用非理想二极管串联电压源模型分析，波联电压源模型分析，波形如图所示。形如图所示。+-+UIuREFRiuO第5章 半导体器件4444例例4 电路及输入电压电路及输入电压UI的波形如图的波形如图5.18所示，画出输出电所示，画出输出电压压uo的波形。的波形。第5章 半导体器件4545解：解：当当ui+10V时：时： VD1正偏短路，正偏短路，VD2反偏开路，反偏开路，uo=+10V。 当当ui -10V时：时： VD1反偏开路，反偏开路，VD2正偏短

24、路，正偏短路，uo=-10V。 当当-10V ui +10V时：时： VD1、VD2均反偏开路，均反偏开路，uo=ui。 uo波形如图波形如图5.18(b)所示。所示。第5章 半导体器件4646桥式整流电路桥式整流电路Full-Wave Rectifier+-u2正半周时正半周时电流通路电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo第5章 半导体器件4747 5.2.5 稳压管稳压管 1. 稳压管稳压管 通常，我们不希望二极管工作在反向击穿区，因通常，我们不希望二极管工作在反向击穿区，因为一旦为一旦PN结反向击穿，反向电流结反向击穿，反向电流IR会猛增，使会猛增，使IRURPM，引起热击穿，烧毁二

25、极管。但是，利用，引起热击穿，烧毁二极管。但是，利用PN结的反结的反向击穿现象，却可以起到向击穿现象，却可以起到稳定电压稳定电压的作用，即通过管的作用，即通过管子的电流在很大的范围内变化，而管子两端的电压却子的电流在很大的范围内变化，而管子两端的电压却变化很小。变化很小。其依据的条件是：其依据的条件是： (1) 工艺上通过控制半导体内所掺杂的成份。工艺上通过控制半导体内所掺杂的成份。 (2) 外电路中所串联的限流电阻。外电路中所串联的限流电阻。第5章 半导体器件4848图图5.19 稳压管符号及特性曲线稳压管符号及特性曲线 (a)符号；符号；(b)伏安特性曲线伏安特性曲线 这种二极管具有稳定这

26、种二极管具有稳定电压的作用，所以要与电压的作用，所以要与用于整流、检波等用途用于整流、检波等用途的普通二极管区别开，的普通二极管区别开，称为稳压管。稳压管用称为稳压管。稳压管用字母字母VDZ表示，它的符号表示，它的符号如图如图5.19(a)所示。图所示。图5.19(b)是它的伏安特性曲是它的伏安特性曲线，由图线，由图(b)可知，稳压可知，稳压管在反向击穿时的曲线管在反向击穿时的曲线比较陡直。比较陡直。 第5章 半导体器件4949稳压管工作于反向击穿区。稳压管工作于反向击穿区。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。不变。 稳压管接入

27、电路以后，若由于电源电压发生波动，或其稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变基本保持不变 。稳压二极管的特点：稳压二极管的特点：U iRU oR L第5章 半导体器件50502. 工作原理工作原理 当直流输入电压当直流输入电压Ui 波动或负载改变引起波动或负载改变引起U0增大，此增大，此时时Uz亦增大，亦增大，Iz剧增，使剧增，使IR增大（增大（ ），使），使R两端的电压降增大，从而抑制了两端的电压降增大，从而抑制了U0的增大，达到稳定的增大，达到稳定U0的目的。的目的。 ZO

28、RIII RZoLIUiURU或或OU第5章 半导体器件5151稳压管必须工作在反向偏置稳压管必须工作在反向偏置(利用正向稳压的除外利用正向稳压的除外)，即阴，即阴极接电源正极，阳极接电源负极，极接电源正极，阳极接电源负极，如果极性接错，二极管就处于正向偏置状态，基本达不如果极性接错，二极管就处于正向偏置状态，基本达不到稳压效果的作用。到稳压效果的作用。稳压管可以串联使用，一般不能并联使用，因为并联有稳压管可以串联使用，一般不能并联使用，因为并联有时会因时会因电流分配不匀电流分配不匀而引起管子过载损坏。而引起管子过载损坏。注意事项：注意事项：第5章 半导体器件5252ZZ ZIUr第5章 半导

29、体器件5353 4. 稳压管应用举例稳压管应用举例 利用稳压管反向击穿时电压基本稳定的特性，可利用稳压管反向击穿时电压基本稳定的特性，可做成稳压电路。最简单的稳压电路如图所示。图中，做成稳压电路。最简单的稳压电路如图所示。图中，Ui和和Uo分别是输入和输出电压，分别是输入和输出电压，R是限流电阻，是限流电阻，RL是是负载电阻，负载电阻，Uo=Ui-IRR=UZ。下面通过例题来说明，只。下面通过例题来说明，只要稳压管是工作在击穿区，当负载要稳压管是工作在击穿区，当负载RL变化，或信号源变化，或信号源Ui有变化时，稳压管都能起到稳压的作用，使输出有变化时，稳压管都能起到稳压的作用，使输出Uo=UZ

30、不变。这就是稳压管的主要用途。不变。这就是稳压管的主要用途。第5章 半导体器件5454图图5.20 稳压管稳压电路稳压管稳压电路第5章 半导体器件5555 例例3 如图所示的电路中，分别求如图所示的电路中，分别求RL等于等于30k、4k和和3k时，流过稳压管的电流时，流过稳压管的电流IZ的值。的值。 解：解：当当RL=30k时：时： 因为因为VD两端的电压足以引起两端的电压足以引起VD击穿击穿(VD临界击穿时的临界击穿时的RL值，见本例值，见本例的解的解)，故，故VD近似为一个近似为一个30V的电压源。的电压源。5030102301301019RLZRLVVImVkVImAkIIImA 见图见

31、图5.20(b)中的中的C点。点。 第5章 半导体器件5656 当当RL=4k时：时： VD仍工作在击穿区，仍可将其近似为仍工作在击穿区，仍可将其近似为30V的电压源。的电压源。307.54107.52.5LZRLVImAkIIImA见图见图5.20(b)中的中的a点。点。 由图由图(b)看出，只要当看出，只要当VD工作在击穿区时，负载虽然工作在击穿区时，负载虽然有变化，使有变化，使VD的工作点从的工作点从c点移到点移到a点，点，IZ变化很大，但变化很大，但UZ却变化很小，却变化很小，Uo=UZ近似不变。近似不变。第5章 半导体器件5757 当当RL=3k时：时： 3010310100LZRL

32、VImAkIIImA这时，这时，VD工作在击穿的临界状态，如图工作在击穿的临界状态，如图5.20(b)所示。所示。 由此可求出，临界击穿时由此可求出，临界击穿时30310LRkmA第5章 半导体器件5858 例例4 如图所示的电路中，当负载如图所示的电路中，当负载RL开路开路(RL=)时，时，求求UI从从40V变化到变化到60V时，流过稳压管的电流时，流过稳压管的电流IZ的值。的值。 解：因为解：因为Ui=40V60V，均超过了，均超过了VD的反向击穿电的反向击穿电压，所以压，所以VD工作在击穿区，这时工作在击穿区，这时VD可近似为可近似为30V的电压的电压源。又因为源。又因为RL开路，所以开

33、路，所以IZ=IR。 当当Ui=40V时：时：403052ZRVVIImAk第5章 半导体器件5959 见图见图5.20(b)中的中的d点。点。 所以，所以，5mAIZ15mA。 由图看出，只要由图看出，只要VD工作在击穿区，当输入信号工作在击穿区，当输入信号Ui发生变化，使发生变化，使VD的工作点从的工作点从b点移到点移到d点时，虽然点时，虽然IZ变化很大，但变化很大，但UZ变化很小，变化很小，Uo=UZ近似不变。近似不变。当当Ui=60V时：时：6030152ZRVVIImAkV第5章 半导体器件60605.3 半导体三极管半导体三极管 BJT (Bipolar Junction Tran

34、sistor) 半导体三极管又称双极型晶体管，简称半导体三极管又称双极型晶体管，简称BJT。BJT的种类很多，按频率分，有高频管、的种类很多，按频率分，有高频管、低频管；按功率分，有大、中、小功率管；按低频管；按功率分，有大、中、小功率管；按半导体材料分，有半导体材料分，有Si管、管、Ge管；按结构分，有管；按结构分，有NPN型和型和PNP型等。目前生产的型等。目前生产的Si管多数为管多数为NPN型，型，Ge管多数为管多数为PNP型。型。第5章 半导体器件6161 图5.21 几种BJT的外形 第5章 半导体器件6262NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC第5章 半导体器件6363

35、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：面积较集电区：面积较大大, 掺杂较少掺杂较少发射区：掺杂发射区：掺杂浓度较高浓度较高集电结集电结Jc发射结发射结 JeBaseCollectorEmitter 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度基区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度基区掺杂浓度。（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。第5章 半导体器件6464 2. BJT的三种连接方式的三种连接方式 因为放大器一般是四端网络，而因为放大器一般是四端网络，而BJT只有三个电只有三个电极，所以组成放大电路时，势

36、必要有一个电极作为输极，所以组成放大电路时，势必要有一个电极作为输入与输出信号的公共端。根据所选择的公共端电极的入与输出信号的公共端。根据所选择的公共端电极的不同，不同，BJT有共发射极、共基极和共集电极三种不同有共发射极、共基极和共集电极三种不同的连接方式的连接方式(指对交流信号而言指对交流信号而言) 。第5章 半导体器件6565 图图5.23 BJT的三种连接方式的三种连接方式(a)共基极电路；共基极电路；(b)共发射极电路；共发射极电路；(C)共集电极电路共集电极电路第5章 半导体器件6666 3. 放大原理和电流关系放大原理和电流关系 BJT能把微弱的电信号加以放大，是载流子在三极管能

37、把微弱的电信号加以放大，是载流子在三极管内部的传输过程所致，如图内部的传输过程所致，如图5.24所示。所示。 下面我们分三个方面来讨论载流子在三极管内部的运下面我们分三个方面来讨论载流子在三极管内部的运动。动。 NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI第5章 半导体器件6767EEBRBRC第5章 半导体器件6868 3. 放大原理和电流关系放大原理和电流关系 1) e区向区向b区发射电子的过程区发射电子的过程 这个过程的条件是这个过程的条件是e结必须加结必须加正向电压正向电压(对于对于NPN型管，须型管，须UBUE)。这时。这时e结上外电场方向与结上外电场方向与扩散扩散运动方向运

38、动方向一致，加强了扩散运动，一致，加强了扩散运动，削弱了漂移运动，如图所示。削弱了漂移运动，如图所示。所以所以发射区向基区注入电子发射区向基区注入电子 ，形成了形成了扩散电流扩散电流IEN 。同时从基区向发射。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电区也有空穴的扩散运动，形成的电流为流为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 。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI第5章 半导体器件6969 2) 电子在电子在b区中的扩散和复合的过程区中的扩散和复合的过程 电子到达电子到达b区后，一方面因为区后，一方面因为e结结附近的

39、电子浓度最高，离附近的电子浓度最高，离e结越远，结越远，浓度越小，所以，由于浓度的差异，浓度越小，所以，由于浓度的差异，电子就要继续向电子就要继续向C结方向扩散。另一结方向扩散。另一方面，少部分电子又会与方面，少部分电子又会与b区中的空区中的空穴相遇而复合，穴相遇而复合，形成形成IBN，复合后又会复合后又会被被b区中的正电源拉走区中的正电源拉走(就好像正电源就好像正电源在不断地供给在不断地供给b区空穴区空穴)。电子复合的。电子复合的数量与被拉走的数量相等，即与一个数量与被拉走的数量相等，即与一个空穴复合，就被拉走一个电子。这样，空穴复合，就被拉走一个电子。这样，电子的流动就形成了基极电流电子的

40、流动就形成了基极电流 I B I BN ，如图所示。，如图所示。 NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI第5章 半导体器件70703) 电子被电子被C区收集的过程区收集的过程 这个过程的条件是这个过程的条件是C结必须结必须加反向电压加反向电压(对于对于NPN型管，须型管，须UCUB)。这时。这时C结上外电场方结上外电场方向与漂移运动方向一致，加强向与漂移运动方向一致，加强了漂移运动，削弱了扩散运动，了漂移运动，削弱了扩散运动，如图所示。所以，外电场不仅如图所示。所以，外电场不仅可使可使C区的多子区的多子电子向电子向C极极方向移动，而且还可以收集从方向移动，而且还可以收集从b区扩散

41、过来的电子到达区扩散过来的电子到达C区，形区，形成集电极电流成集电极电流IC。 当然，在当然，在C结反偏电压的结反偏电压的作用下，作用下，C区和区和b区的少子也都区的少子也都要向对方区域运动，形成反向要向对方区域运动，形成反向饱和电流饱和电流ICBO，如图所示，但，如图所示，但因为其数值很小，可忽略。因为其数值很小，可忽略。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI第5章 半导体器件7171 综上所述，电子按图中箭头方向运动，其中大部综上所述，电子按图中箭头方向运动，其中大部分渡过分渡过b区流向区流向C极，仅很小一部分流向极，仅很小一部分流向b极，电流则与电极，电流

42、则与电子运动方向相反。根据节点电流定律可知：子运动方向相反。根据节点电流定律可知： IE=IB+IC 晶体管一旦制成，从晶体管一旦制成，从e区发射的电子到达区发射的电子到达C区的比例区的比例也就定了，此比例称为电流放大系数。通常将也就定了，此比例称为电流放大系数。通常将IC与与IB的比的比值定义为共射直流电流放大系数，将变化量值定义为共射直流电流放大系数，将变化量IC与与IB的的比值定义为共射交流电流放大系数。即：比值定义为共射交流电流放大系数。即：CBCBIIII第5章 半导体器件7272 一般情况下，一般情况下， ，故可得：，故可得： IE=IB+IC=IB+IB=(1+)IB 同理，把同

43、理，把IC与与IE的比值定义为共基极直流电流放大系的比值定义为共基极直流电流放大系数数 ；把变量；把变量IC与与IE的比值定义为共基极交流电流的比值定义为共基极交流电流放大系数放大系数。即。即EECCIIII一般情况下，一般情况下， ，则，则第5章 半导体器件7373 由于由于与与是同一管子不同电极间的关系，二者之是同一管子不同电极间的关系，二者之间必存在一定的转换关系：间必存在一定的转换关系： ()1CECBCBBIIIIIII所以所以 ,11第5章 半导体器件7474 因为因为e结加正向电压，所以由结加正向电压，所以由PN结的正向特性可知，结的正向特性可知，BJT的的b、e极之间只要有较小

44、的变化量极之间只要有较小的变化量UBE，就可产生较大的，就可产生较大的IB，通，通过过BJT的电流放大，又可引起更的电流放大，又可引起更大的大的IC，而，而IC流过集电极负载流过集电极负载电阻电阻Rc后，在其两端产生的电压后，在其两端产生的电压UCE(对直流电源对直流电源UCC而言，其变而言，其变化量为零化量为零)，将会比，将会比UBE大很多倍，大很多倍，这样，这样，BJT的电流放大就被转换的电流放大就被转换为电压放大的形式了。为电压放大的形式了。 表示即：表示即：CEuBEUAUNNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI第5章 半导体器件7575 即管子各电极电压

45、与电流的关系曲线，是管子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，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。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线第5章 半导体器件7676特性曲线：特性曲线：iC = f(uCE) |IB =常数常数iB = f(uBE)| UCE =常数常数iCiBuCEuBEVBBRbRcVCCmAVAV输入特性输入特性输出特性输出特性第5章 半导体器件7777iB(A)uBE(V)204060800.40.8（一）输入特性（一）输入

46、特性iB = f(uBE)| UCE =常数UCE = 1V（2）0 UCE1V时，集电极时，集电极收集电子能力增强，使收集电子能力增强，使IB减小，减小，曲线右移。曲线右移。UCE = 0V（1）UCE=0时，相当于两个并时，相当于两个并联的二极管。联的二极管。（3） UCE1V时，集电结反偏时，集电结反偏足以将注入基区的电子都收集足以将注入基区的电子都收集到集电极，所以到集电极，所以UCE增大增大IB不变。不变。 所以常用所以常用UCE1V曲线来代表曲线来代表UCE更高的情况。更高的情况。UCE = 10V+i-uBE+-uBTCE+Ci第5章 半导体器件7878输入特性曲线特点：输入特性

47、曲线特点： (1) 类似于类似于PN结的正向特性曲线结的正向特性曲线(因为因为e结正偏结正偏)，所，所以也存在死区电压以也存在死区电压UT。 (2) uCE1V后，特性曲线基本接近于后，特性曲线基本接近于uCE=1V时的时的特性曲线。由于放大电路工作时特性曲线。由于放大电路工作时uCE0V，所以通常只，所以通常只需画出需画出uCE1V的一条输入特性曲线。的一条输入特性曲线。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 (3) 第5章 半导体器件7979 (2)输出特性曲线输出特性曲线现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说明。 （1）当）当uC

48、E=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。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIBiC = f(uCE) |IB =常数常数+i-uBE+-uBTCE+Ci第5章 半导体器件8080输出特性曲线

49、特点：输出特性曲线特点： (1)特性曲线除起始段外，近似平行。平坦的区域特性曲线除起始段外，近似平行。平坦的区域称为放大区，也称称为放大区，也称线性区线性区。 (2)每条曲线都有一个拐点，拐点电压称为集电极每条曲线都有一个拐点，拐点电压称为集电极饱和电压饱和电压UCES。uCEUCES的区域称为的区域称为饱和区饱和区。 (3)iB=0时，时，iC=ICEO。iB0的区域称为的区域称为截止区截止区。第5章 半导体器件8181 输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域: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

50、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，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。该区中有：结反偏。该区中有：BCII iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第5章 半导体器件8282 (3) PCM虚线是最大功耗线。虚线是最大功

51、耗线。 PC=iCuCEPCM的区域，称为过损耗区，如图的区域，称为过损耗区，如图(b)中右边阴中右边阴影线所示。使用时不允许超过此区域，否则会使影线所示。使用时不允许超过此区域，否则会使BJT性能变性能变坏，或过热烧毁。坏，或过热烧毁。 表表 5.3 第5章 半导体器件8383工作区域总结：工作区域总结： 1.截止区截止区: e结、结、C结均为反偏，结均为反偏，BJT无放大作用。无放大作用。 IB0; IC0 ； UCE=UCC-ICRCUCC 2. 放大区放大区: e结正偏、结正偏、C结反偏结反偏(对于对于NPN型管，型管，UCUB、 UBUE。对于。对于PNP型管，型管，UCUB、UBU

52、E)，放大作用，放大作用 IB0; IC=IB；UCE=UCC-ICRc+i-uBE+-uBTCE+Ci第5章 半导体器件8484 3.饱和区饱和区 e结、结、C结均为正偏，结均为正偏，UCE=UCES很小。很小。UCE的减小使的减小使C结收集电子的能力减弱，也即结收集电子的能力减弱，也即e区发射有余，而区发射有余，而C极极收集不足，收集不足，BJT失去放大作用。因为失去放大作用。因为UCES最小只能接最小只能接近于零，所以由近于零，所以由CECCCcUUI R可求出集电极饱和电流为可求出集电极饱和电流为 maxCCCESCCCSCccUUUIIRR(514) 第5章 半导体器件8585 基极

53、临界饱和电流为基极临界饱和电流为CSCCBScIUIR(515) 当基极注入电流当基极注入电流IB超过其临界值时，晶体管呈饱超过其临界值时，晶体管呈饱和状态。故判断管子饱和状态的方法为：和状态。故判断管子饱和状态的方法为：CCBBScUIIR(516) 第5章 半导体器件8686图5.27 BJT的几种工作状态第5章 半导体器件878710kui iB eRb b+VCC=+5ViC uo Rc1k c=40ui=0.3V时，因为时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状，三极管工作在截止状态，态，ic=0。因为。因为ic=0，所以输，所以输出电压：出电压：ui=1V时，三极管导通，

54、基极电流：时，三极管导通，基极电流：因为因为0iBIBS，三极管工作，三极管工作在饱和状态。输出电压：在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V第5章 半导体器件8888 BCII_ BCII 第5章 半导体器件898953704051BC.II 400400605132BC .II 第5章 半导体器件9090ICBO A+EC AICEOIB=0+第5章 半导体器件9191第5章 半导体器件9292ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO第5章 半导体器件9393第5章 半导体器件94945.4 场效应晶体管场效应晶体管 5.4.1 概述概述 场效应晶体管（场效应晶体管（Fie

55、ld Effect Transistor简称简称FET），），与与BJT特性大不相同，主要的不同点有：特性大不相同，主要的不同点有： (1)单极型晶体管。单极型晶体管。BJT中参与导电的载流子有多中参与导电的载流子有多子和少子两种极性，称为子和少子两种极性，称为双极型晶体管双极型晶体管。FET中参与中参与导电的载流子只有导电的载流子只有多子多子一种一种(或者是电子，或者是空穴或者是电子，或者是空穴)，所以称为所以称为单极型晶体管单极型晶体管。第5章 半导体器件9595 (2)电压型控制元件。电压型控制元件。BJT是电流型控制元件，即是电流型控制元件，即在一定的条件下，集电极电流只取决于基极电流

56、的大在一定的条件下，集电极电流只取决于基极电流的大小。而小。而FET则是电压型控制元件，即在一定的条件下，则是电压型控制元件，即在一定的条件下，漏极漏极(对应于对应于BJT中的集电极中的集电极)电流只取决于栅极电流只取决于栅极(对应对应于于BJT中的基极中的基极)电压。电压。 (3)输入电阻高。输入电阻高。FET栅极加上电压后，输入电流栅极加上电压后，输入电流接近于接近于0，所以它的输入电阻非常高，一般可达到上百，所以它的输入电阻非常高，一般可达到上百兆欧甚至几千兆欧。绝缘栅场效应管的输入电阻最高兆欧甚至几千兆欧。绝缘栅场效应管的输入电阻最高可达可达1015。第5章 半导体器件9696 (4)

57、 FET的噪声系数比的噪声系数比BJT小。小。 (5) FET制造工艺简单，芯片面积小，再加上其它制造工艺简单，芯片面积小，再加上其它一些优点，使其在大规模集成电路中取代了一些优点，使其在大规模集成电路中取代了BJT。第5章 半导体器件97975.4.2 结型场效应管工作原理结型场效应管工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽

58、度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。第5章 半导体器件98981. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗尽时，耗尽层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟比较宽比较宽UGS 由零逐渐减小，由零逐渐减小，耗尽耗尽层逐渐加宽，导电沟相层逐渐加宽，导电沟相应变窄。应变窄。当当 UGS = UGS（Off)，

59、耗尽层，耗尽层合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断.ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS UGS（Off) ，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off) ，iD 更小。更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )uGD uGS uDS 第5章 半导体器件100100GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD = UGS(off), ,沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 uGS 0 ,uGD 0n+n+p类型基底源

60、极栅极漏极VgsVdsn+第5章 半导体器件112112 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。第5章 半导体器件113113 漏源电压uDS对漏极电流id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