杨素行 第三版 模拟电子技术基础简明教程课件 第一章

第一章

半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管1.1半导体的特性

1.导体：电阻率

<10-4

·

cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。2.绝缘体：电阻率

>109·

cm物质。如橡胶、塑料等。3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅原子结构图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图最外层电子称价电子价电子锗原子也是4价元素4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4(b)简化模型1.1.1

本征半导体

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.2单晶体中的共价键结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni

=pi

。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.4N型半导体的晶体结构二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图1.1.5P型半导体的晶体结构说明：1.掺掺入杂质质的浓度度决定多多数载流流子浓度度；温度度决定少少数载流流子的浓浓度。3.杂杂质半导导体总体体上保持持电中性性。4.杂杂质质半导导体的的表示示方法法如下下图所所示。。2.杂质半半导体体载流子子的数数目要远远远高于于本征征半导导体，，因而而其导导电能能力大大大改改善。。(a)N型型半导导体(b)P型型半导导体图1.1.6杂杂质半半导体体的的的简化化表示示法1.2半半导体体二极极管1.2.1PN结结及及其单单向导导电性性在一块块半导导体单单晶上上一侧侧掺杂杂成为为P型型半导导体，，另一一侧掺掺杂成成为N型型半半导体体，两两个区区域的的交界界处就就形成成了一一个特特殊的的薄层层，称为PN结结。PNPN结图1.2.1PN结结的的形成成一、PN结结中载载流子子的运运动耗尽层层空间电荷区PN1.扩扩散散运动动2.扩扩散散运动动形成成空间间电荷荷区电子和和空穴穴浓度度差形形成多数载载流子子的扩扩散运运动。。——PN结结，耗耗尽层层。图1.2.1PN3.空空间间电荷荷区产产生内内电场场PN空间电荷区内电场UD空间电电荷区区正负负离子子之间间电位位差UD——电位壁壁垒；——内电场场；内电电场阻阻止多多子的的扩散散——阻挡层层。4.漂漂移移运动动内电场场有利利于少少子运运动——漂移。。少子的的运动动与多多子运运动方方向相相反阻挡层图1.2.1(b)5.扩扩散散与漂漂移的的动态态平衡衡扩散运运动使使空间间电荷荷区增增大，，扩散散电流流逐渐渐减小小；随着内内电场场的增增强，，漂移移运动动逐渐渐增加加；当扩散散电流流与漂漂移电电流相相等时时，PN结结总总的电电流空间电电荷区区的宽宽度约约为几几微米米~几几十微微米；；等于零零，空空间电电荷区区的宽宽度达达到稳稳定。。即扩散运运动与与漂移运运动达达到动动态平平衡。。电压壁壁垒UD，硅材材料约约为(0.6~0.8)V,锗材料料约为为(0.2~0.3)V。二、PN结结的单单向导导电性性1.PN外加正正向电电压又称正正向偏偏置，，简称称正偏偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.2.2PN在PN结结加加上一一个很很小的的正向向电压压，即即可得得到较较大的的正向向电流流，为为防止止电流流过大大，可可接入入电阻阻R。2.PN结结外加反反向电电压(反偏)反向接接法时时，外外电场场与内内电场场的方方向一一致，，增强强了内内电场场的作作用；；外电场场使空空间电电荷区区变宽宽；不利于于扩散散运动动，有有利于于漂移移运动动，漂漂移电电流大大于扩扩散电电流，，电路路中产产生反反向电电流I；由于少少数载载流子子浓度度很低低，反反向电电流数数值非非常小小。空间电荷区图1.2.3反反相偏偏置的的PN结结反向电电流又又称反向饱饱和电电流。对温度度十分分敏感感，随着温温度升升高，，IS将急剧剧增大大。PN外电场方向内电场方向VRIS综上所所述：：当PN结结正正向偏偏置时时，回回路中中将产产生一一个较较大的的正向向电流流，PN结结处于于导通状状态；当PN结结反向向偏置置时，，回路路中反反向电电流非非常小小，几几乎等等于零零，PN结结处于于截止状状态。可见，，PN结结具具有单向导导电性性。1.2.2二极管管的伏伏安特特性将PN结结封封装在在塑料料、玻玻璃或或金属属外壳壳里，，再从从P区区和N区区分分别焊焊出两两根引引线作作正、、负极极。二极管管的结结构：：(a)外形图图半导体体二极极管又又称晶晶体二二极管管。(b)符号图1.2.4二二极管管的外外形和和符号号半导体体二极极管的的类型型：按PN结结结结构分：有点接接触型型和面面接触触型二二极管管。点接触触型管管子中中不允允许通通过较较大的的电流流，因因结电电容小小，可可在高高频下下工作作。面接触触型二二极管管PN结结的的面积积大，，允许许流过过的电电流大大，但但只能能在较较低频频率下下工作作。按用途途划分分：有整流流二极极管、、检波波二极极管、、稳压压二极极管、、开关关二极极管、、发光光二极极管、、变容容二极极管等等。按半导导体材材料分分：有硅二二极管管、锗锗二极极管等等。二极管管的伏伏安特特性在二极极管的的两端端加上上电压压，测测量流流过管管子的的电流流，I=f(U)之间的的关系系曲线线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特特性硅管的的伏安安特性性死区电压击穿电压U(BR)反向特特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0图1.2.4二二极管管的伏伏安特特性1.正正向向特性性当正向向电压压比较较小时时，正正向电电流很很小，，几乎乎为零零。相应的的电压压叫死区电电压。范围围称死区。。死区区电压压与材料料和温温度有有关，，硅管管约0.5V左左右右，锗锗管约约0.1V左左右。。正向特特性死区电电压60402000.40.8I/mAU/V当正向向电压压超过过死区区电压压后，，随着着电压压的升升高，，正向向电流流迅速速增大大。2.反反向向特性性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性当电压压超过过零点点几伏伏后，，反向向电流流不随随电压压增加加而增增大，，即饱饱和；；二极管管加反反向电电压，，反向向电流流很小小；如果反反向电电压继继续升升高，，大到到一定定数值值时，，反向向电流流会突突然增增大；；反向饱和电流这种现现象称称击穿，对应应电压压叫反向击击穿电电压。击穿并并不意意味管管子损损坏，，若控控制击击穿电电流，，电压压降低低后，，还可可恢复复正常常。击穿电压U(BR)3.伏伏安安特性性表达达式(二极极管方方程)IS：反向向饱和和电流流UT：温度度的电电压当当量在常温温(300K)下，UT26mV二极管管加反反向电电压，，即U<0，且且|U|>>UT，则I-IS。二极管加正向电压，即U>0，且U>>UT

，则，可得，说明电流I与电压U基本上成指数关系。结论：：二极管管具有有单向向导电电性。。加正正向电电压时时导通通，呈呈现很很小的的正向向电阻阻，如如同开开关闭闭合；；加反反向电电压时时截止止，呈呈现很很大的的反向向电阻阻，如如同开开关断断开。。从二极管管伏安特特性曲线线可以看看出，二二极管的的电压与与电流变变化不呈呈线性关关系，其其内阻不不是常数数，所以以二极管管属于非非线性器器件。1.2.3二二极管的的主要参参数1.最最大整流流电流IF二极管长长期运行行时，允允许通过过的最大大正向平平均电流流。2.最最高反向向工作电电压UR工作时允允许加在在二极管管两端的的反向电电压值。通常将将击穿电电压UBR的一半定定义为UR。3.反反向电流流IR通常希望望IR值愈小愈愈好。4.最最高工作作频率fMfM值主要决决定于于PN结结结电容的的大小。。结电容愈愈大，二二极管允允许的最最高工作作频率愈愈低。二极管规规格表上上列举的的参数及及说明

SYMBOLPARAMETERLIMITINGVALUESVRRMrepetitivepeakreversevoltageVRcontinuousreversevoltageIF(AV)

averageforwardcurrentIFRMrepetitivepeakforwardcurrentIFSM

non-repetitivepeakforwardcurrentERSMnon-repetitivepeakreverseavalancheenergyTstgstoragetemperatureTjjunctiontemperatureELECTRICALCHARACTERISTICSVF

forwardvoltageV(BR)R

reverseavalanchebreakdownvoltageIR

reversecurrenttrr

reverserecoverytimeCddiodecapacitanceTHERMALCHARACTERISTICSRthj-tp

thermalresistancefromjunctiontotie-pointRthj-a

thermalresistancefromjunctiontoambient*1.2.4二二极管管的电容容效应当二极管管上的电电压发生生变化时时，PN结中中储存的的电荷量量将随之之发生变变化，使使二极管管具有电电容效应应。电容效应应包括两两部分势垒电容容扩散电容容1.势势垒电电容是由PN结结的空间间电荷区区变化形形成的。。(a)PN结结加正向向电压（b)PN结结加反向向电压-N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+-UV空间电荷荷区的正正负离子子数目发发生变化化，如同同电容的的放电和和充电过过程。势垒电容容的大小小可用下下式表示示：由于PN结结宽度l随外加电电压U而变化，，因此势垒电容容Cb不是一个个常数。其Cb=f(U)曲线如图图示。：半导体体材料的的介电比比系数；；S：结面积积；l：耗尽层层宽度。。OUCb图1.2.82.扩扩散电电容CdQ是由多数数载流子子在扩散散过程中中积累而而引起的的。在某个正正向电压压下，P区中中的电子子浓度np(或N区区的空空穴浓度度pn)分布曲线线如图中中曲线1所所示。x=0处处为P与与N区区的交交界处当电压加加大，np(或pn)会升高，，如曲线线2所所示(反之浓度度会降低低)。OxnPQ12Q当加反向向电压时时，扩散散运动被被削弱，，扩散电电容的作作用可忽忽略。Q正向电压压时，变变化载流流子积累累电荷量量发生变变化，相相当于电电容器充充电和放放电的过过程———扩扩散电容容效应。。图1.2.9综上所述述：PN结结总的结结电容Cj包括势垒垒电容Cb和扩散电电容Cd两部分。。一般来来说，当当二极管管正向偏偏置时，，扩散电电容起主主要作用用，即可可以认为为CjCd；当反向向偏置时时，势垒垒电容起起主要作作用，可可以认为为CjCb。Cb和Cd值都很小小，通常常为几个个皮法~几几十皮法法，有些些结面积积大的二二极管可可达几百百皮法。。1.2.5稳稳压管一种特殊殊的面接接触型半半导体硅硅二极管管。稳压管工作于反反向击穿穿区。I/mAU/VO+正向+反向U(b)稳压管符符号(a)稳压管伏伏安特性性+I图1.2.10稳稳压管的的伏安特特性和符符号稳压管的的参数主主要有以以下几项项：1.稳稳定电压压UZ3.动动态态电阻rZ2.稳稳定电电流IZ稳压管工工作在反反向击穿穿区时的的稳定工工作电压压。正常工作作的参考考电流。。I<IZ时，管管子的稳稳压性能能差；I>IZ，只要不不超过额额定功耗耗即可。。rZ愈小愈好好。对于于同一个个稳压管管，工作作电流愈愈大，rZ值愈小。。IZ=5mArZ16IZ=20mArZ3IZ/mA4.电电压温度度系数U稳压管电电流不变变时，环环境温度度每变化化1℃℃引引起稳定定电压变变化的百百分比。。(1)UZ>7V,U>0；；UZ<4V，U<0；(2)UZ在4~7V之之间，，U值比较小小，性能能比较稳稳定。2CW17：UZ=9~10.5V，，U=0.09%/℃2CW11：UZ=3.2~4.5V，U=-(0.05~0.03)%/℃(3)2DW7系列列为温度度补偿稳稳压管，，用于电电子设备备的精密密稳压源源中。稳压管规规格表上上列举的的参数及及说明

SYMBOLPARAMETERLIMITINGVALUESPDMax.SteadyStatePowerDissipationPDSteadyStatePowerDissipationTj,TstgOperatingandStorageTemperatureRangeELECTRICALCHARACTERISTICSVZ

ReverseZenerVoltage@IZT

IZTReverseCurrentZZTMaximumZenerImpedance@IZT

IZKReverseCurrentZZK

MaximumZenerImpedance@IZK

IRReverseLeakageCurrent@VRVR

BreakdownVoltageIFForwardCurrentVF

ForwardVoltage@IFIZMMaximumDCZenerCurrent2DW7系列列稳压管管结构(a)2DW7稳压压管外形形图(b)内部结构构示意图图管子内部部包括两个温度度系数相相反的二二极管对对接在一起。。温度变化化时，一一个二极极管被反反向偏置置，温度度系数为为正值；；而另一一个二极极管被正正向偏置置，温度度系数为为负值，，二者互互相补偿偿，使1、、2两两端之间间的电压压随温度度的变化化很小。。例：2DW7C，U=0.005%/℃图1.2.122DW7稳压压管5.额额定定功耗PZ额定功率率决定于于稳压管管允许的的温升。。PZ=UZIZPZ会转化为为热能，，使稳压压管发热热。电工手册中中给出IZM，IZM=PZ/UZ[例]求通过稳压压管的电流流IZ等于多少？？R是限流电阻阻，其值是是否合适？？IZVDZ+20VR=1.6k+

UZ=12V-

IZM=18mA例题电路图IZ<IZM，电阻值合合适。[解]VDZR使用稳压管管需要注意意的几个问问题：图1.2.13稳稳压管电电路UOIO+IZIRUI+1.外加电源的正极极接管子的的N区区，电源的负极接P区，保证管子子工作在反反向击穿区区；RL2.稳压管应与负载电阻RL并联；3.必须限制流流过稳压管管的电流IZ，不能超过过规定值，以免因过过热而烧毁毁管子。1.3双双极型三极极管(BJT)又称半导体体三极管、、晶体管，，或简称为为三极管。。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外外形如下图图所示。三极管有两两种类型：：NPN和PNP型。主要以NPN型型为例进行行讨论。图1.3.1三三极管的外外形1.3.1三极管管的结构常用的三极极管的结构构有硅平面面管和锗合合金管两种种类型。图1.3.2三极极管的结构构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe发射极极，b基极极，c集集电极。平面型(NPN)三极管制作作工艺NcSiO2b硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在N型型硅片(集电区)氧化膜上刻刻一个窗口口，将硼杂杂质进行扩扩散形成P型(基区)，再在P型区上上刻窗口，，将磷杂质质进行扩散散形成N型型的发射区区。引出三三个电极即即可。合金型三极极管制作工工艺：在N型型锗片(基区)两边各置一一个铟球，，加温铟被被熔化并与与N型型锗接触，，冷却后形形成两个P型区区，集电区区接触面大大，发射区区掺杂浓度度高。图1.3.3三三极管结构构示意图和和符号(a)NPN型型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN图1.3.3三极管结构示意图和符号(b)PNP型1.3.2三极管管的放大作作用和载流子的的运动以NPN型三极极管为例讨讨论图1.3.4三极极管中的两两个PN结cNNPebbec表面看三极管若实实现放大，，必须从三极管内部部结构和外部所加电电源的极性性来保证。不具备放大大作用三极管内部部结构要求求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺掺杂。2.基区做得很很薄。通常只有有几微米到到几十微米米，而且掺杂较少。三极管放大大的外部条条件：外加电源源的极性应应使发射结处于于正向偏置置状态，而集电结处于于反向偏置置状态。3.集电结面积积大。becRcRb三极管中载载流子运动动过程IEIB1.发射射发射区的电电子越过发发射结扩散散到基区，，基区的空空穴扩散到到发射区——形成发射极极电流IE(基区多子数数目较少，，空穴电流流可忽略)。2.复合合和扩散电子到达基基区，少数数与空穴复复合形成基基极电流Ibn，复合掉的空空穴由VBB补充。多数电子在在基区继续续扩散，到到达集电结结的一侧。。图1.3.5三三极管中载载流子的运运动becIEIBRcRb三极管中载载流子运动动过程3.收集集集电结反偏偏，有利于于收集基区区扩散过来来的电子而而形成集电电极电流Icn。其能量来自自外接电源源VCC。IC另外，集电电区和基区区的少子在在外电场的的作用下将将进行漂移移运动而形形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO图1.3.5三三极管中载载流子的运运动beceRcRb三极管的电电流分配关关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO(A)IE=ICn+IBn+IEp(B)一般要求ICn在IE中占的比例例尽量大。而而二者之比比称直流电流放放大系数，即一般可达0.95~0.99IB+ICBO=IBN+IEp(C)将三极管电电流分配关关系式（A）（B）（C））合并化简得得到：IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流电流放大系数。上式中的后后一项常用用ICEO表示，ICEO称穿透电流流。当ICEO<<IC时，忽略ICEO，则由上式式可得共射直流电流放大系数近似等于IC与IB之比。一般值约为几十~几百。三极管的电电流分配关关系一组三极管管电流关系系典型数据据IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.任何一列电电流关系符符合IE=IC+IB，IB<IC<IE,ICIE。2.当IB有微小变化化时，IC较大。说明明三极管具有有电流放大大作用。

3.

共射电流放大系数共基电流放大系数IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.在表的第一一列数据中中，IE=0时时，IC=0.001mA=ICBO，ICBO称为反向饱和电电流。在表的第二二列数据中中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO，称为穿透电流。根据和的定义，以以及三极管管中三个电电流的关系系，可得故与两个参数之之间满足以以下关系：：直流参数与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与，与的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。输出回路输入回路+UCE-1.3.3三极管的特特性曲线特性曲线是是选用三极极管的主要要依据，可可从半导体体器件手册册查得。IBUCE图1.3.6三三极管共射射特性曲线线测试电路路ICVCCRbVBBcebRcV+V+A++mA输入特性：：输出特性：：+UCE-+UCE-IBIBIBUBE一、输入特特性(1)UCE=0时时的输入特特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A当UCE=0时时，基极和和发射极之之间相当于于两个PN结并并联。所以以，当b、e之之间加正向向电压时，，应为两个个二极管并并联后的正正向伏安特特性。图1.3.7(上中图)图1.3.8(下图)(2)UCE>0时时的输入特特性曲线当UCE>0时时，这个电电压有利于于将发射区区扩散到基基区的电子子收集到集集电极。UCE>UBE，三极管处处于放大状状态。*特性右移(因集电结结开始吸引引电子)OIB/AUCE≥1时时的输入特特性具有实实用意义。。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAUBE*UCE≥1V，特特性曲线重重合。图1.3.6三三极管共射射特性曲线线测试电路路图1.3.8三三极管的输输入特性二、输出特特性图1.3.9NPN三三极管的输输出特性曲曲线IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321划分三个区区：截止区区、放大区区和饱和区区。截止区放大区饱和区放大区1.截止止区IB≤0的区域域。两个结都处处于反向偏偏置。IB=0时，IC=ICEO。硅管约等于于1A，锗管管约为几十十~几几百微安。。截止区截止区2.放大大区：条件：发射结正偏偏集电结反偏偏特点：各条输出特特性曲线比比较平坦，，近似为水水平线，且且等间隔。。二、输出特特性IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321放大区集电极电电流和基基极电流流体现放放大作用用，即放大区放大区对NPN管管UBE>0，，UBC<0图1.3.9NPN三三极管的的输出特特性曲线线3.饱饱和区：：条件：两个结结均正偏偏IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321对NPN型型管，UBE>0UBC>0。。特点：IC基本上不不随IB而变化，，在饱和和区三极极管失去去放大作作用。ICIB。当UCE=UBE，即UCB=0时时，称称临界饱和和，UCE<UBE时称为过饱和。饱和管压压降UCES<0.4V(硅管)，UCES<0.2V(锗管)饱和区饱和区饱和区1.3.4三极管的的主要参参数三极管的的连接方方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共发射极接法图1.3.10NPN三三极管管的电流流放大关关系一、电流流放大系系数是表征管管子放大大作用的的参数。。有以下下几个：：1.共共射电流流放大系系数2.共射直流电流放大系数忽略穿透透电流ICEO时，3.共共基电流流放大系系数4.共基直流电流放大系数忽略反向向饱和电电流ICBO时，和这两个参参数不是是独立的的，而是是互相联联系，关关系为：：二、反向向饱和电电流1.集集电极和和基极之之间的反反向饱和和电流ICBO2.集电电极和发发射极之之间的反反向饱和和电流ICEO(a)ICBO测量电路路(b)ICEO测量电路路ICBOcebAICEOAceb小功率锗锗管ICBO约为几微安安；硅管的的ICBO小，有的为为纳安数量量级。当b开开路时，c和e之间间的电流。。值愈大，则该管的ICEO也愈大。图1.3.11反反向饱和和电流的测测量电路三、极限限参数1.集电电极最大允允许电流ICM当IC过大时，三三极管的值要减小。。在IC=ICM时，值下降到额额定值的三三分之二。。2.集电电极最大允允许耗散功功率PCM过损耗区安全工作区将IC与UCE乘积等于规规定的PCM值各点连接接起来，可可得一条双双曲线。ICUCE<PCM为安全工作作区ICUCE>PCM为过损耗区区ICUCEOPCM=ICUCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区图1.3.11三三极管的的安全工作作区3.极间间反向击穿穿电压外加在三极极管各电极极之间的最最大允许反反向电压。。U(BR)CEO：基极开路路时，集电电极和发射射极之间的的反向击穿穿电压。U(BR)CBO：发射极开开路时，集集电极和基基极之间的的反向击穿穿电压。安全工作区区同时要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全工作区ICM过流区图1.3.11三三极管的的安全工作作区1.3.5PNP型三极极管放大原理与与NPN型基本本相同，但但为了保证证发射结正正偏，集电电结反偏，，外加电源源的极性与与NPN正好相相反。图1.3.13三三极管外外加电源的的极性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uouiPNP三三极管电流流和电压实实际方向。。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三三极管各极极电流和电电压的规定定正方向。。PNP三三极管中各各极电流实实际方向与与规定正方方向一致。。电压(UBE、UCE)实际方向与与规定正方方向相反。。计算中UBE、UCE为负值；输输入与输出出特性曲线线横轴为(-UBE)、(-UCE)。1.4场场效应三极极管只有一种载载流子参与与导电，且且利用电场场效应来控控制电流的的三极管，，称为场效应管，也称单极型三极极管。场效应管分分类结型场效应应管绝缘栅场效效应管特点单极型器件件(一种载流子子导电)；输入电阻高高；工艺简单、、易集成、、功耗小、、体积小、、成本低。。DSGN符号1.4.1结型场场效应管一、结构图1.4.1N沟道结结型场效应应管结构图图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源源极之间加加上一个正正向电压，，N型半半导体中多多数载流子子电子可以以导电。导电沟道是是N型型的，称N沟道结结型场效应应管。P沟道场场效应管图1.4.2P沟道结结型场效应应管结构图图N+N+P型沟道GSDP沟道场场效应管是是在P型型硅棒的的两侧做成成高掺杂的的N型型区(N+)，导电沟道为为P型型，多数载流流子为空穴穴。符号GDS二、工作原原理N沟道结结型场效应应管用改变UGS大小来控制制漏极电流流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源源极之间加加反向电压压，耗尽层层会变宽，，导电沟道道宽度减小小，使沟道道本身的电电阻值增大大，漏极电电流ID减小，反之之，漏极ID电流将增加加。*耗尽层的宽宽度改变主主要在沟道道区。1.设UDS=0，在栅源之间间加负电源源VGG，改变VGG大小。观察察耗尽层的的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时时，耗尽层层比较窄，，导电沟比比较宽UGS由零逐渐增增大，耗尽尽层逐渐加加宽，导电电沟相应变变窄。当UGS=UP，耗尽层合合拢，导电电沟被夹断断，夹断电电压UP为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG2.在漏漏源极间加加正向VDD，使UDS>0，在在栅源间加加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽尽层和漏极极ID。UGS=0，UDG<，ID较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID较小。GDSNISIDP+P+VDD注意：当UDS>0时时，耗尽层层呈现楔形形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,预预夹断UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变UGS，，改变了PN结中中电场，控控制了ID，故称场效效应管；(2)结型场效应应管栅源之之间加反向向偏置电压压，使PN反偏偏，栅极基基本不取电电流，因此此，场效应应管输入电电阻很高。。(c)(d)三、特性曲曲线1.转移移特性(N沟道结结型场效应应管为例)O

UGSIDIDSSUP图1.4.6转转移特性UGS=0，，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。两个重要参参数饱和漏极电电流IDSS(UGS=0时时的ID)夹断电压UP(ID=0时时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA1.转移移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.漏漏极特性当栅源之之间的电压压UGS不变时，漏漏极电流ID与漏源之间间电压UDS的关系，即即结型场效应应管转移特特性曲线的的近似公式式：≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流流区区击穿区可变变电电阻阻区区漏极极特特性性也也有有三三个个区区：：可变变电电阻阻区区、、恒恒流流区区和和击击穿穿区区。。2.漏漏极极特特性性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA图1.4.6(b)漏极特特性场效应应管的的两组组特性性曲线线之间间互相相联系系，可可根据据漏极极特性性用作作图的的方法法得到到相应应的转转移特特性。。UDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场场效应应管栅栅极基基本不不取电电流，，其输输入电电阻很很高，，可达达107以以上。。如希希望得得到更更高的的输入入电阻阻，可可采用用绝缘缘栅场场效应应管。。图1.4.7在在漏极极特性性上用用作图图法求求转移移特性性1.4.2绝缘栅栅型场场效应应管由金属属、氧氧化物物和半半导体体制成成。称称为金属-氧化化物-半导导体场场效应应管，或简简称MOS场场效应应管。特点：：输入入电阻阻可达达109以上。。类型N沟沟道P沟沟道增强型型耗尽型型增强型型耗尽型型UGS=0时时漏源源间存存在导导电沟沟道称称耗尽型型场效效应管管；UGS=0时时漏源源间不不存在在导电电沟道道称增强型型场效效应管管。一、N沟沟道增增强型型MOS场场效应应管1.结结构构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引引线B栅极G图1.4.8N沟沟道增增强型型MOS场场效效应管管的结结构示示意图图2.工工作原原理绝缘栅栅场效效应管管利用用UGS来控制制“感应电电荷”的多少少，改改变由由这些些“感应电电荷”形成的的导电电沟道道的状状况，，以控控制漏漏极电电流ID。工作原原理分分析(1)UGS=0漏源之之间相相当于于两个个背靠靠背的的PN结结，，无论论漏源源之间间加何何种极极性电电压，，总是不不导电电。SBD图1.4.9(2)UDS=0，0<UGS<UTP型衬底N+N+BGSDP型型衬底底中的的电子子被吸吸引靠靠近SiO2与空穴穴复合合，产生由由负离离子组组成的的耗尽尽层。。增大UGS耗尽层层变宽宽。VGG---------(3)UDS=0，UGS≥UT由于吸吸引了了足够够多的的电子子，会在耗耗尽层层和SiO2之间形形成可可移动动的表表面电电荷层层——---N型沟道反型层层、N型型导电电沟道道。UGS升高，，N沟沟道道变宽宽。因因为UDS=0，，所以以ID=0。UT为开始始形成成反型型层所所需的的UGS，称开启电电压。(4)UDS对导电电沟道道的影影响(UGS>UT)导电沟沟道呈呈现一一个楔楔形。。漏极极形成成电流流ID。b.UDS=UGS–UT，UGD=UT靠近漏漏极沟沟道达达到临临界开开启程程度，，出现现预夹夹断。。c.UDS>UGS–UT，UGD<UT由于夹夹断区区的沟沟道电电阻很很大，，UDS逐渐增增大时时，导导电沟沟道两两端电电压基基本不不变，，ID因而基基本不不变。。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.11UDS对导电电沟道道的影影响(a)UGD>UT(b)UGD=UT(c)UGD<UT3.特特性性曲线线(a)转移移特性性(b)漏极极特性性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区UGS<UT，ID=0；UGS≥UT，形成成导电电沟道道，随随着UGS的增加加，ID逐渐增增大。。(当UGS>UT时)三个区区：可可变电电阻区