第1章半导体器件基础

1、第第1 1章章 半导体器件半导体器件1.1概述概述1.2半导体二极管半导体二极管小小 结结1.3双极型晶体三极管双极型晶体三极管1.4场效应管场效应管 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结结 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体。

2、如纯净的具有晶体结构的半导体。如硅硅(Si)(Si)、锗、锗(Ge(Ge) )单晶体。单晶体。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构简化模型简化模型硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子空空穴穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动共价键共价键本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。导电，这是半导体导电的特殊性质。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术自由电子在运动的过程中如果与空穴相自由电子

3、在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。象称为复合。在一定的温度下，本征激发所产生的自由电在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，就达到动态平衡。等，就达到动态平衡。半导体在热激发下产生自由电子和空穴半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。对的现象称为本征激发。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 结论结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2

4、. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型(Negative)+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子电子为为多多数载流数载流子子空穴空穴为为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术P 型型( (P Positive)ositive)+3+

5、4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、杂质半导体的导电作用二、杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、三、P 型与型与N 型半导体的简化示意图型半导体的简化示意图负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P型型N型型 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技

6、术术1.1.3 PN 1.1.3 PN 结结一、一、PN 结结( (PN Junction) )的形成的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2. 复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区( (耗尽层耗尽层) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子， 阻止扩散进行，阻止扩散进行， 利于少子的漂移。利于少子的漂移。内电场内电场3. 扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成PN结结。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 P

7、N 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1. 外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向偏置) ) forward bias 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2. 外加外加反向反向电压电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性结的单向导电性：外加

8、正向电压时处于导通状态，外加：外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。反向电压时处于截止状态。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子少子 0 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、三、PN 结的伏安特性结的伏安特性) 1e (/STUuII反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS 电电 子子 技

9、技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.1 二极管的结构和类二极管的结构和类型型1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.4 二极管常用电路模二极管常用电路模型型1.2.5 稳压二极管稳压二极管1.2.6 二极管的应用举例二极管的应用举例 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.1 二极管的结构和类型二极管的结构和类型构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号：A ( (anode) )C ( (cathode) )分类：分类：按材料分按材料分

10、硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安

11、特性一、一、PN 结的电流方程结的电流方程)1e (/SDD TUuIi反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300K( (27 C) )：UT = 26 mV 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(

12、0.2 0.4) V锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿U(BR) U 0 iD = IS U(BR) 反向电流急剧增大反向电流急剧增大 ( (反向击穿反向击穿) ) 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿击穿机理击穿机理： 齐纳击穿齐纳击穿：( (Zener) )在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，不大的反向电压在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子电

13、子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。增大，这种击穿称为齐纳击穿。 ( (击穿电压击穿电压 7V，正温度系数，正温度系数) )击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术

14、温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 C在室温附近，温度每升高在室温附近，温度每升高1 C ，正向压降减小，正向压降减小(2 2.5) mV。温度每升高温度每升高10 C ，反向电流约增大一倍。，反向电流约增大一倍。可见，二极管的特性对温度很敏感。可见，二极管的特性对温度很敏感。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. IF 最大整流电流最大整流电流( (最大正向平均电流最大正向平均电流) )2. URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为

15、 U(BR) / 2 3. IR 反向电流反向电流( (越小单向导电性越好越小单向导电性越好) )4. fM 最高工作频率最高工作频率( (超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差) )iDuDU (BR)I FURMO 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1. 低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。 高频高频时，因容抗减小，使时，因容抗减小，使结电容分流结电容分流，导致导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。结面

16、积小时结电容小，工作频率高。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.4 二极管的常用电路模型二极管的常用电路模型一、理想二极管模型一、理想二极管模型特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零。为零。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.3 V (Ge)表明二极管导通时正向压降为一个常量，表明二极管导通时正向压降为一个常量，截止时反向电流为零

17、。截止时反向电流为零。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、二极管的折线近似模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UIIUr D斜率斜率1/ rDrDUD(on) 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例一：例一：电路如图所示，二极管导通电压电路如图所示，二极管导通电压U UD D约为约为0.7V0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。分析：分析：开关断开时，D正向导通，UO5.3V开关闭合时，D反向截止，UO0V 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例二：例二：

18、分析图示各电路的输出电压值，设二极管导分析图示各电路的输出电压值，设二极管导通电压通电压UD=0.7V。UO1=1.3VUO2=0VUO3=1.3VUO4=2VUO5=1.3VUO1= 2V 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 半导体二极管的型号半导体二极管的型号(补充补充) 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： 2 A P 9 用数字代表同类型器件的不同型号用数字代表同类型器件的不同型号 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P代表普通管代表普通管 用字母代表器件的材料，用字母代表器件的材料，A代表代表N型型Ge B代

19、表代表P型型Ge，C代表代表N型型Si，D代表代表N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 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.5 稳压二极管稳压二极管一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmax UZ IZ IZ稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电

20、源与限幅电路之中。变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、主要参数二、主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ：是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。2. 稳定电流稳定电流 IZ：是稳压管工作在稳压状态下的参考电流，是稳压管工作在稳压状态下的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。只要不超电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。只要不超过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。3. 最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗

21、散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术5. 稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT%100ZZT TUUC一般，一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 ( (为雪崩击穿为雪崩击穿) )具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。很小。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例一：例一：已知稳压管的稳压值已知稳压管的稳压值UZ=6V，稳定电流的最小，稳定电流的最小值值I

22、Zmin=5mA。求图示电路中。求图示电路中UO1和和UO2各为多少伏？各为多少伏？分析：分析：UO1=6VUO2=5V 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例二：例二：在图示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压在图示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压U UZ Z=6V=6V，最小稳定电流，最小稳定电流I Izminzmin=5mA=5mA，最大稳定电流，最大稳定电流I Izmaxzmax=25mA=25mA；负载电阻负载电阻R RL L=600=600。求解限流电阻。求解限流电阻R R的取值范围。的取值范围。分析：分析：由由KCLLDRIIIZLZZIDRURUU

23、IZ而而mAImAZD255故故267114R 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术补充：补充： 发光二极管与光敏二极管发光二极管与光敏二极管一、发光二极管一、发光二极管 LED ( (Light Emitting Diode) )1. 符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA， 导通电压导通电压 (1 2) V符号符号u /Vi /mAO2特性特性 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2. 主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P

24、，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通普通 LED ，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED , 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、光敏二极管二、光敏二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2. 主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱

25、范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例例1 1：已知已知u ui i是幅值为是幅值为10V10V的正弦信号，试画出的正弦信号，试画出u ui i和和u uo o的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。1.2.6 二极管应用举例二极管应用举例 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例例2 2：已知已知u ui i是幅值为是幅值为5V5V的正弦信号，试画出的正弦信号，试画出u ui i和和u uo o的波形。设二极管正向导通电压的波形。设二极管正向导通

26、电压U UD D=0.7V=0.7V。3.7-3.7 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例例3：电路如图所示，其输入电压电路如图所示，其输入电压uI1和和uI2的波形的波形如图，二极管导通电压如图，二极管导通电压UD=0.7V。试画出输出电。试画出输出电压压uo的波形，并标出幅值。的波形，并标出幅值。Uo/Vt013.7 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：已知电路中稳压管的稳定电压已知电路中稳压管的稳定电压U UZ Z=6V=6V，最小稳定电流最小稳定电流I IZminZmin=5mA=5mA，最大稳定电流，最大稳定电流I Izmax

27、zmax=25mA=25mA。（1 1）分别计算）分别计算U UI I为为10V10V、15V15V、35V35V三种情况下三种情况下输出电压输出电压U UO O的值。的值。（2 2）若）若U UI I=35V=35V时负载开路，则会出现什么现时负载开路，则会出现什么现象？为什么？象？为什么？ 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为和，正向导通电压为和，正向导通电压为.7V。试问：。试问：（）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？（）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？各为多少？

28、（）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压（）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？值？各为多少？ 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：在图示电路中，发光二极管导通电压在图示电路中，发光二极管导通电压D=1.5V，正向电流在，正向电流在5 15mA时才能正常时才能正常工作。试问：工作。试问：（）开关在什么位置时发光二极管才能（）开关在什么位置时发光二极管才能发光？发光？（）的取值范围是多少？（）的取值范围是多少？ 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：电路如图所示，稳压管的稳定电压电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ=3

29、V，的取值合适，的取值合适，uI的波形如图的波形如图(c)所示。试分别画所示。试分别画出出uO1和和uO2的波形。的波形。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.1 BJT的结构及类型的结构及类型1.3.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用1.3.3 BJT的特性曲线的特性曲线1.3.4 BJT的主要参数的主要参数1.3.5 温度对温度对BJT的特性及参数的影响的特性及参数的影响( (Semiconductor Transistor) )晶体管的应用举例晶体管的应用举例 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.1 BJT的结构及类型的结构

30、及类型（Bipolar Junction Transistor）一、结构与符号一、结构与符号NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型ECBECB 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、分类二、分类按材料分：按材料分： 硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分： 小功率管小功率管 1 W中功率管中功率管 0.5 1 W 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用1.

31、晶体管放大的条件晶体管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度很高发射区掺杂浓度很高基区很薄且掺杂浓度很低基区很薄且掺杂浓度很低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2. 晶体管放大电路的三种接法晶体管放大电路的三种接法uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共射共射共集共集共基共基 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术实现电路实现电路: 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术3. 晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动1) ) 发射结加正向电压发射结加正向电压，扩散运扩散运动形成发射极电流动形成发射极

32、电流 IEI CN多数被集电结收集形成多数被集电结收集形成 ICNIE少数与空穴复合，形成少数与空穴复合，形成 IBN I BN基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供( (IB) )集电区少子漂移集电区少子漂移( (ICBO) )I CBOIBIBN IB + ICBO即：即：IB IBN ICBO 2) )扩散到基区的自由电子与空扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流穴的复合运动形成基极电流IB 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 3) ) 集电结加反向电压，漂集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流移运动形成集电极电流ICI C = ICN +

33、ICBO 由于集电结加反向电压且其结由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，但它的少子也参与漂移运动，但它的数量很小，近似分析中可忽略数量很小，近似分析中可忽略不计。可见，在集电极电源不计。可见，在集电极电源VCC的作用下，漂移运动形成的作用下，漂移运动形成集电极电流集电极电流IC。I CNIEI BNI CBOIBI CNIEI CBOIBIC 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟

34、电电 子子 技技 术术4. 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB I BN ICBO IC = ICN + ICBOBNCNII CEOBCBOBC)1(IIIII 穿透电流穿透电流CBOBCBOCIIII 电流放大系数电流放大系数: 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术IE = IC + IBCEOBCIII BCEIII BC II BE )1(II CEOBE )1(III 如果忽略如果忽

35、略ICEO 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路常数常数CE)(BEBuufi0CEu若：与二极管特性相似与二极管特性相似 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术BEuBiO0CEuV 1CE u0CE uV 1CE u曲线基本曲线基本重合重合( (电流分配关系确定电流分配关系确定) )曲线右移曲线右移( (因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子) )发射结压降发射结压降 UBE( (on) )硅管：硅管： (0.6 0.8) V锗管：锗管： (0.2

36、 0.4) V取取 0.7 V取取 0.3 V输入特性输入特性当当U UCECE增大时，曲线将右移。这是因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分增大时，曲线将右移。这是因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成集电极电流，而另一部分在基区参与复合运动的非平衡少越过基区和集电结形成集电极电流，而另一部分在基区参与复合运动的非平衡少子将随子将随U UCECE的增大（即集电结反向电压的增大）而减少。因此，要获得同样的基极的增大（即集电结反向电压的增大）而减少。因此，要获得同样的基极电流，就必须加大发射结压降，使发射区向基区注入更多的电子。电流，就必须加大发射结压降，使发射区向基

37、区注入更多的电子。实际上，对于确定的实际上，对于确定的U UBEBE，当，当U UCECE增大到一定值（如增大到一定值（如1V1V）以后，集电结的电场已足够）以后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大U UCECE ，集电极电流也不可能明显增大，也就是说，基极电流已基本不变。因此，集电极电流也不可能明显增大，也就是说，基极电流已基本不变。因此，起过一定数值后，曲线不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以近似地用起过一定数值后，曲线不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以

38、近似地用U UCECE大于大于1V1V的任何一条曲线来代表的任何一条曲线来代表U UCECE大于大于1V1V的所有曲线。的所有曲线。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、输出特性二、输出特性常数常数B)(CECIufiiC / mAuCE /V 50 A 40 A 30 A 20 A 10 A IB = 0O 2 4 6 8 43211. 截止区截止区 IB =0 IC = ICEO 0特征：特征：发射结电压小发射结电压小于开启电压且集于开启电压且集电结反向偏置。电结反向偏置。截止区截止区ICEO对于每一个确定的对于每一个确定的I IB B，都有一条曲线，所以输出特性

39、是一族曲线。对于某一，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，当条曲线，当u uCECE从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而的能力逐渐增强，因而i iC C也就逐渐增大。而当也就逐渐增大。而当u uCECE增大到一定数值时，集电结增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，u uCECE再增大，收集能再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即i i

40、C C几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于I IB B。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2. 放大区：放大区：CEOBCIII 放大区放大区特征：特征： 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止区截止区ICEOi iC C几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于I IB B，而，而与管压降与管压降u uCECE无关，表现无关，表现出出I IB B对对i iC C的控制作用。的控制作用。在理想情况下，当在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性按等差变化时，输出特性是一族与横轴

41、平等的等距离直线。是一族与横轴平等的等距离直线。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术3. 饱和区：饱和区：uCE u BEuCB = uCE u BE 0特征：特征：发射结正偏发射结正偏,集电结正偏集电结正偏.此时，此时，IC IB临界饱和时：临界饱和时： uCE = uBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V ( (硅管硅管) )UCE( (SAT) )= =0.1 V ( (锗管锗管) )饱饱和和区区iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区ICEO 电电 子子 技技 术术 模模

42、拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数1. 共射电流放大系数共射电流放大系数iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数直流电流放大系数BCCBOBCBOCBNCNIIIIIIII 交流电流放大系数交流电流放大系数 BiiC一般为几十一般为几十 几百几百Q82A1030A1045. 263 80108 . 0A1010A10)65. 145. 2(63 在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的 来取代在此基

43、来取代在此基础上加动态信号时的础上加动态信号时的 。因此在近似分析中不对二者加以区分。因此在近似分析中不对二者加以区分。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43212. 共基电流放大系数共基电流放大系数 11BCCECIIIII 1 一般在一般在 0.98 以上。以上。 Q988. 018080二、极间反向饱和电流二、极间反向饱和电流1. 3.4晶体三极管的主要参数（2）ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流。是发射极开路时集电结的反向饱和电流。 ICEO是基极开是基极

44、开路时，集电极与发射极间的穿透电流，路时，集电极与发射极间的穿透电流，ICEO=（1+ ）ICBO 。同一型号的管子反向电流愈小，性能愈稳定。同一型号的管子反向电流愈小，性能愈稳定。选用管子时，选用管子时， 应选几十到一百多倍，应选几十到一百多倍，ICBO与与ICEO应尽量小。应尽量小。硅管比锗管的极间反向电流小硅管比锗管的极间反向电流小23个数量级，因此温度稳定个数量级，因此温度稳定性也比锗管好。性也比锗管好。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、极限参数三、极限参数1. ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。2. P

45、CM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC = iC uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区3. U( (BR) )CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U( (BR) )CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。U( (BR) )EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。极限参数是指为使晶体管安全工作对它极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。的电压、电流和功率损耗的限制。 电电 子子 技技 术术 模模

46、 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.4 温度对温度对BJT特性曲线的影响特性曲线的影响1. 温度升高，输入特性曲线温度升高，输入特性曲线向左移。向左移。温度每升高温度每升高 1 C，UBE (2 2.5) mV。温度每升高温度每升高 10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。BEuBiOT2 T1 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2. 温度升高，输出特性曲线温度升高，输出特性曲线向上移。向上移。iCuCE T1iB = 0T2 iB = 0iB = 0温度每升高温度每升高 1 C， (0.5 1)%。输出特性曲线间距增大输出特性曲线间距增大O综合，综合，温度升高

47、时温度升高时，由于，由于ICEO、 增大，且输入增大，且输入特性左移，所以导致特性左移，所以导致集电极电流集电极电流iC增大增大。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 半导体三极管的型号半导体三极管的型号（补充）（补充）国家标准对半导体三极管的命名如下： 3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管 第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。 电电

48、 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例一：例一：现已测得某电路中几只晶体管三个极的直现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管流电位如表所示，各晶体管b-eb-e间开启电压间开启电压U Uonon均均为为0.5V0.5V。试分别说明各管子的工作状态。试分别说明各管子的工作状态。放大放大放大放大饱和饱和截止截止在电子电路中，可以通过直流电位来判断晶体管的工作状态。对于在电子电路中，可以通过直流电位来判断晶体管的工作状态。对于NPNNPN型管，当型管，当b-eb-e间电压间电压U UBEBEUUUonon且管压降且管压降U UCECEUUBEBE时，管子处于放大

49、状态；当时，管子处于放大状态；当U UBEBEUUonon且管压降且管压降U UCECEUUUB BUUE EPNPPNP型：型：U UC CUUB BUUE E若要放大，则若要放大，则 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例四：例四：已知两只晶体管的电流放大系数已知两只晶体管的电流放大系数分别为分别为100100和和5050，现测得放大电路中这两只管子两个电，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。出其实际方向，并在圆圈中画出管子。1.01mA5mA 电电 子子

50、 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例五：例五：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。硅管还是锗管。BEC硅管硅管 BEC锗管锗管 BEC硅管硅管 BEC硅管硅管 BEC锗管锗管 BEC锗管锗管 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例六：例六：电路如图所示，晶体管导通时电路如图所示，晶体管导通时U UBEBE=0.7V=0.7V， =50=50。试分析。试分析u uI I为为0 0、1V1V、1.85V1.85V三种情况下晶体三种

51、情况下晶体管的工作状态及输出电压管的工作状态及输出电压u uo o的值。的值。，VuI时0) 1 (，VuI时1)2(mAkRUuIbBEIB06. 057 . 01IBICVRIVRIVuCBCCCCCCCE9106. 05012V，uT，uuOBECE9放大故晶体管晶体管导通发射结也正偏时，VuI85. 1)3(mAkRUuIbBEIB23. 057 . 085. 1VRIVRIVuCBCCCCCCCE5 . 0123. 05012故晶体管饱和故晶体管饱和，uuBECEVUuSATCEo3 . 0)(发射结正偏，晶体管导通发射结正偏，晶体管导通晶体管晶体管T截止，截止，uO=12V不妨假设

52、晶体管放大，求出不妨假设晶体管放大，求出uCE，然后与，然后与uBE比较比较不妨假设晶体管放大，求出不妨假设晶体管放大，求出uCE，然后与，然后与uBE比较比较 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术方法二（常用于解题）方法二（常用于解题）V，uT，VuOI120) 1 (截止截止晶体管晶体管时时晶体管导通发射结正偏时，VuI1)2(mAkRUuIbBEIB06. 057 . 01mAkRUVIcCESCCBS226. 01507 . 012BSBII 晶体管放大晶体管放大VRIVucBCCo9晶体管导通晶体管导通发射结也正偏发射结也正偏时时，VuI85. 1)3(mAkR

53、UuIbBEIB23. 057 . 085. 1mAkRUVIcCESCCBS226. 01507 . 012BSBII晶体管饱和晶体管饱和VUuSATCEo3 . 0)( 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：电路如图所示，电路如图所示，V VCCCC=15V=15V， =100=100，U UBEBE=0.7V=0.7V。试问：试问：(1)R(1)Rb b=50k=50k 时，时，U UO O=?=?(2)(2)若若T T临界饱和，则临界饱和，则R Rb b？ARUVIbBEBBB26mAIIBC6 . 2VRIVUcCCCO2分析：分析： （）（）b=50

54、k 时时（）若临界饱和（）若临界饱和ARUVIcCESCCBS6 .28kIUVRBSBEBBb4 .45 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：判断下图各三极管的工作状态。判断下图各三极管的工作状态。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 引言引言1.4.1 结型场效应管结型场效应管1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 举举例例 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术引引 言言场效应管场效应管 FET ( (Field Effect Transistor) )类型

55、：类型：结型结型 JFET ( (Junction Field Effect Transistor) )绝缘栅型绝缘栅型 IGFET( (Insulated Gate FET) ) 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术特点：特点：q单极型器件单极型器件( (它仅靠半导体中的多子导电它仅靠半导体中的多子导电) )q工艺简单、易集成、功耗小、工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低体积小、成本低q输入电阻高输入电阻高 ( (107 1015 ，绝缘栅型可高达，绝缘栅型可高达 1015 ) ) 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.4.1 结型场效应管

56、结型场效应管1. 结构与符号结构与符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET结型管是利用外加电压结型管是利用外加电压uGS控制半导体内的电场效应，通过控制半导体内的电场效应，通过改变改变PN结耗尽层的宽窄，从而改变导电沟道的电阻来控制结耗尽层的宽窄，从而改变导电沟道的电阻来控制漏极电流漏极电流iD。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2. 工作原理工作原理1）当）当uDS=0（即（即d、s短路）时，短路）时，uGS对导电沟道对导电沟道的控制作用的控制作用虽然在图（虽然在图（a a）存在由）存在由u uGSGS所确定的一定宽度的导电沟道，但由于所确定的一定宽度的导电

57、沟道，但由于d-sd-s间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流i iD D为零。为零。当当uDS=0且且uGS =0时，耗尽层很窄，导电沟道很宽。时，耗尽层很窄，导电沟道很宽。当当UGS 0 此时此时 uGD = UGS( (off) ) 沟道呈楔型，电流沟道呈楔型，电流iD将随将随uDS增大而增大而线性增大，线性增大，d-s呈现电阻特性。呈现电阻特性。耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断预夹断在在uGD UGS( (off) ) 的情况下，当的情况下，当uDS增大增大时，时，iD几乎不变，即几乎不变，即iD几乎仅仅决定几乎仅仅决定于于u

58、GS，表现出，表现出iD的恒流特性。的恒流特性。预夹断预夹断若若uDS继续增大，则耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长。继续增大，则耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长。这时，一方面自由电子从这时，一方面自由电子从S向向D定向移动所受阻力加大（只能从夹断区的定向移动所受阻力加大（只能从夹断区的窄缝以较高速度通过），从而导致窄缝以较高速度通过），从而导致iD减小；另一方面，随着减小；另一方面，随着uDS增大，使增大，使d-s之间的纵向电场增强，也必然导致之间的纵向电场增强，也必然导致iD增大。实际上，上述增大。实际上，上述iD的两种变化趋的两种变化趋势相抵消，势相抵消， uDS的

59、增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对iD形成形成的阻力。因此，从外部看，在的阻力。因此，从外部看，在uGDuuGSGS U UGS(off)GS(off)时时，当，当u uDSDS为一常量时，对应于确定为一常量时，对应于确定的的u uGSGS ，就有确定的，就有确定的i iD D。此时，可以通过改变。此时，可以通过改变u uGSGS来控制来控制i iD D的的大小。由于漏极电流受栅大小。由于漏极电流受栅- -源电压的控制，故称场效应管为源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件电压控制元件。与晶体管用。与晶体管用来描述动态情况下基极电流来描述动态

60、情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似，场效应管用对集电极电流的控制作用相类似，场效应管用g gmm来描述动来描述动态的栅态的栅- -源电压对漏极电流的控制作用，源电压对漏极电流的控制作用， g gmm称为低频跨导。称为低频跨导。3） 当当uGDUGS(off)时，时，uGS对对iD的控制作用的控制作用常数常数DSUGSDmuig 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 由以上分析可知：由以上分析可知：v当uDSuGS UGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时可以把iD近似看成uGS控制的电流源。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子