晶体管原理课件

《低频电子线路》1/17/20231《低频电子线路》章节小结对前面学过的两章进行小结1/17/20232《低频电子线路》课程性质专业（技术）基础课（平台课、主干课）硬件内容实践性（应用、务实）1/17/20233《低频电子线路》分立与集成的关系讲原理（分立）讲应用（集成）1/17/20235《低频电子线路》学习方法和基本要求“三基”基本概念（关键词：术语和专用名词）基本原理（电路分析：单元电路、综合电路）基本应用（实践锻炼：实验、维修、设计）1/17/20236《低频电子线路》掌握和提高的两个阶段分析（初级要求）：打好基础，练好基本功（识图、分析、应用）综合（高级要求）：学习设计：课程设计、毕业设计、CAD、EDA。1/17/20237《低频电子线路》1、半导体特性物质按导电性能分类

导体半导体绝缘体1/17/20239《低频电子线路》半导体性能三大特性掺杂特性热敏特性光敏特性1/17/202310《低频电子线路》半导体材料硅(Si)锗（Ge)复合材料1/17/202311《低频电子线路》半导体工艺烧结工艺扩散工艺离子注入工艺1/17/202313《低频电子线路》半导体结构的描述两种理论体系共价键结构能级能带结构1/17/202314《低频电子线路》两种载流子的理论导体，一种载流子（自由电子）半导体，两种载流子（自由电子、空穴）1/17/202315《低频电子线路》本征激发与复合本征激发（光照、加温度），自由电子和空穴成对产生。复合时又成对消失（湮灭）1/17/202317《低频电子线路》本征激发与复合

一分为二本征激发

复合

合二为一1/17/202318《低频电子线路》杂质半导体本征半导体掺杂形成杂质半导体（可应用）。掺入五价元素，形成N型半导体掺入三价元素，形成P型半导体1/17/202319《低频电子线路》本征半导体导电能力本征（热平衡）载流子浓度Ni=pi=AT3/2e-Ego/2kT其中：Ni-----自由电子浓度；Pi---------空穴浓度；A----与材料有关的常数；T--------热力学温度；Ego-----T=0K时禁带宽度；K---波尔兹曼常数T---绝对温度1/17/202321《低频电子线路》电中性N型半导体自由电子数=空穴数+施主杂质数P型半导体空穴数=自由电子数+受主杂质数1/17/202322《低频电子线路》N型半导体的载流子浓度满足热平衡条件，对外呈电中性。Nn·Pn=ni2其中：Nn为多子,Pn为少子ni2为本征半导体浓度1/17/202323《低频电子线路》多子浓度N型nn=pn+Nd∴nn≈NdP型PP=nP+Na∴PP≈Na以上说明杂质半导体性质取决于掺杂1/17/202325《低频电子线路》少子浓度N型半导体少子浓度pn=ni2/nn≈ni2/Nd其中nn≈Nd（施主杂质浓度）P型半导体少子浓度nP=ni2/PP≈ni2/Na其中Pp≈Na（受主杂质浓度）1/17/202326《低频电子线路》以上得出结论杂质半导体少子浓度主要由本征激发（Ni2）决定（和温度有关）。杂质半导体多子浓度由搀杂浓度（Nd或Na）决定（是制管子时固定形成的）。1/17/202327《低频电子线路》2、PN结与二极管PN结又称为空间电荷区耗尽层自建电场、势垒区、阻挡层。PN结很窄（几个到几十个m)1/17/202329《低频电子线路》PN结的形成三步曲：扩散运动（浓度梯度引起）漂移运动（内建电场引起）动态平衡（两者相等，PN结形成）1/17/202330《低频电子线路》两种PN结对称结（PN或NP）两边掺杂相同不对称结（P+N或N+P）两边掺杂不同（一边高掺杂）1/17/202331《低频电子线路》PN结的单向导电性PN结方程I=IS（eqv/KT－1)=IS（eV/VT

－1)其中VT=kT/qIS------反向饱和电流1/17/202332《低频电子线路》开关特性当V＞0时I≈IS（e+V/VT

）电压电流是e指数关系----正向导通。当V＜0时I=IS（e－V/VT

－1）≈－IS流过电流为饱和漏电流------反向截止。1/17/202333《低频电子线路》外加偏置正偏置P接电源正，N接电源负外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使PN结变窄。扩散运动＞漂移运动。称为“正向导通”1/17/202334《低频电子线路》外加偏置反向偏置P接电源负，N接电源正外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PN结变宽。扩散运动＜漂移运动。称为“反向截止”1/17/202335《低频电子线路》二极管的开关作用正向导通，相当二极管闭合。反向截止，相当二极管打开。相当一个正、反向电压控制的等效开关。1/17/202336《低频电子线路》PN结特性（1）、伏安特性（电压电流特性）1/17/202337《低频电子线路》PN结特性正向导通阈值电压VDSi管：0.5~0.7V,Ge管：0.1~0.3V反向截止反向饱和漏电流IS（很小）1/17/202338《低频电子线路》（2）电阻特性两种电阻均与Q点有关动态电阻（交流电阻）r=△v/△I是负载线（Q点）切线的倒数静态电阻（直流电阻）R=V/I是负载线（Q点）割线的倒数1/17/202339《低频电子线路》电阻特性（图）1/17/202340《低频电子线路》（3）电容特性与变容二极管两种PN结电容效应势垒电容CT，反偏时体现，和PN结宽窄有关，一般几~几十PF。扩散电容CD，正偏时体现，和载流子浓度梯度有关，一般几十~几百PF。1/17/202341《低频电子线路》注意结电容和结电阻的关系两者是并联关系。反偏时，考虑CT（电阻大）。正偏时，考虑结电阻（电阻小），电容效应不明显。1/17/202342《低频电子线路》（4）击穿特性和稳压二极管三种击穿电击穿（可逆的）----加限流电阻热击穿（不可逆）----加散热片二次击穿（不发热，但永久损坏，是材料缺陷引起的）1/17/202343《低频电子线路》电击穿机理（1）雪崩击穿低掺杂，PN结宽，正温系数，常发生于大于7伏电压的击穿时（雪崩效应）1/17/202344《低频电子线路》电击穿机理（2）齐纳击穿高掺杂，PN结窄，负温系数，常发生于小于5伏电压的击穿时（隧道效应）1/17/202345《低频电子线路》电击穿特殊情况在（5~7）V击穿发生时，两种击穿机理都有。温度系数可达到最小。1/17/202346《低频电子线路》稳压管符号与击穿特性1/17/202347《低频电子线路》稳压管特性稳压管反接电压（P负N正），工作于反向击穿区。1/17/202348《低频电子线路》稳压管参数稳压电压VZ额定功耗Pz稳定电流Iz动态电阻rz温度系数1/17/202349《低频电子线路》（5）温度特性和反向漏电流温度影响少子（本征激发）这是不可控的部分（电流噪声）反向漏电流I≈－IS1/17/202350《低频电子线路》工艺和类型平面型二极管：适合整流，低频应用(结电容大)

面接触型二极管：适合整流，低频应用(结电容大)点接触型二极管：适合检波，可高频应用(结电容小)1/17/202351《低频电子线路》3、二极管主要参数、模型和基本应用（1）主要参数最大整流电流IF最大反向工作电压VR反向电流IR最高工作频率fm直流电阻和交流电阻1/17/202352《低频电子线路》（2）二极管电路模型（图）1/17/202353《低频电子线路》二极管大信号模型（图）以上三种电路模型(近似、简化、理想)均为二极管近似模型(线形化)。不同电路模型可根据不同需求时采用。

1/17/202354《低频电子线路》（3）二极管的基本应用整流电路限幅电路电平选择电路稳压管应用电路二极管其它应用1/17/202355《低频电子线路》二极管应用举例1/17/202356《低频电子线路》其他二极管如变容二极管光电二极管发光二极管肖特基二极管等。1/17/202357《低频电子线路》4、双极型晶体管（BJT）1/17/202358《低频电子线路》（1）晶体管类型和符号NPN型PNP型1/17/202359《低频电子线路》结构和符号表示（图）

1/17/202360《低频电子线路》文字符号:新符号：V（单符号）或VT(双符号)原符号：BGT1/17/202361《低频电子线路》符号解释三个电极发射极，基极，集电极发射极箭头方向指实际电流方向三个区发射区(高掺杂)，基区(很窄)，集电区两个PN结发射结(eb结),集电结(cb结)

1/17/202362《低频电子线路》（2）BJT工作原理依靠管子内部非平衡载流子的传输1/17/202363《低频电子线路》非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例)

①发射区向基区的注入(多子，扩散运动为主)

②基区的复合和继续扩散③集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）

1/17/202364《低频电子线路》

晶体管内部工作原理（图）1/17/202365《低频电子线路》晶体管工作条件①内部条件发射区高掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个m)

②外部条件发射结(eb结)正偏集电结(cb结)反偏

1/17/202366《低频电子线路》外电路电流

IE=IB+IC

可以视为节点关系

ICIBIECEB1/17/202367《低频电子线路》（3）三种放大组态晶体管放大有三种组态共射（CE）共集（CC）共基（CB）1/17/202368《低频电子线路》三种放大组态（图）1/17/202369《低频电子线路》电路特点均是针对信号（交流）而言。信号流向：CE:b进c出

CC:b进e出

CB:e进c出

1/17/202370《低频电子线路》电路特点输入回路（接信号源，加入信号）输出回路（接负载，取出信号）公共端（地）（介于输入、输出之间）CE共射，E地

CC共集，C地

CB共基，B地

1/17/202371《低频电子线路》（4）特性曲线和参数1/17/202372《低频电子线路》输入特性曲线表达式1/17/202373《低频电子线路》输入特性曲线（图）

iBvBE0vCE=01v1/17/202374《低频电子线路》输出特性曲线表达式1/17/202375《低频电子线路》输出特性曲线（图）

Ic(mA)vCE(V)0击穿区截止区饱和区工作区1/17/202376《低频电子线路》输出特性曲线分析有四个区饱和区工作区截止区击穿区1/17/202377《低频电子线路》几个名词厄利电压和输出阻抗有关基调效应基区调制效应1/17/202378《低频电子线路》（a)电流放大参数共基直流电流放大参数1/17/202379《低频电子线路》共基交流电流放大参数1/17/202380《低频电子线路》共射直流电流放大参数1/17/202381《低频电子线路》共射交流电流放大参数1/17/202382《低频电子线路》管子的ß取值放大状态一般取ß=30~60。取太大则管子不稳定。1/17/202383《低频电子线路》(b)极间反向电流是指管子各电极之间的反向电流参数。C、B间反向饱和漏电流ICBOC、E间反向饱和漏电流ICEO1/17/202384《低频电子线路》管子反向饱和漏电流硅管比锗管小。此值与本征激发有关。取决于温度特性（少子特性）

1/17/202385《低频电子线路》(c)极限参数使用时不应超过管子的极限参数值。

1/17/202386《低频电子线路》集电极最大允许电流ICM留有一定的余量。ICM指β下降到额定值的2/3时的IC值。1/17/202387《低频电子线路》集电极最大允许功耗PCM

＝击穿区的功率损耗线（见图）

1/17/202388《低频电子线路》集电极最大允许功耗PCM（图）

vCE0击穿区iB1/17/202389《低频电子线路》反向击穿电压1/17/202390《低频电子线路》反向击穿电压另有

VCEO＞VCER＞VCES1/17/202391《低频电子线路》极限参数以上介绍的三个极限参数PCMICMV（BR）CEO

所限定的区域称为晶体管安全工作区。1/17/202392《低频电子线路》频率参数到以后章节介绍1/17/202393《低频电子线路》晶体管命名法一般包括材料、类型、封装、温度环境等参数两大类分立元件集成电路国内、国际国标日本美国欧洲1/17/202394《低频电子线路》判断管子工作示例1/17/202395《低频电子线路》5、场效应管（FET）场效应晶体管FieldEffectTransistor,简称FET。场效应管是一种不同于前述双极型晶体管（BJT）的一种半导体器件。1/17/202396《低频电子线路》场效应管分类分为两大类：结型场效应管（JFET）

绝缘栅场效应管（IGFET）

1/17/202397《低频电子线路》JFET器件JFET分为两类

N沟道JFETP沟道JFET

1/17/202398《低频电子线路》MOS场效应管（MOSFET）在绝缘栅场效应管（IGFET）结构的器件中，最常见为金属—氧化物—半导体结构（Metal—Oxide—Semiconductor），故称为MOSFET，简称MOS器件。

1/17/202399《低频电子线路》MOSFETMOSFET分为N沟道MOSFETP沟道MOSFET

1/17/2023100《低频电子线路》N沟道MOSN沟道MOS又分为N沟道增强型（Enhancement）---------ENMOSFETN沟道耗尽型（Depletion）----------DNMOSFET

1/17/2023101《低频电子线路》P沟道MOSP沟道MOS又分为P沟道增强型（Enhancement）---------EPMOSFETP沟道耗尽型（Depletion）----------DPMOSFET

1/17/2023102《低频电子线路》工作原理JFET利用反向PN结（加反压）耗尽层宽窄控制沟道。MOSFET利用反型层连通沟道并利用栅源电压进行控制。关键仍是利用沟道控制载流子的流通。1/17/2023103《低频电子线路》JFET工作原理（图）1/17/2023104《低频电子线路》预夹断和全夹断顶端封闭

——预夹断

底端封闭

——全夹断（夹断）

1/17/2023105《低频电子线路》特性曲线转移特性

1/17/2023106《低频电子线路》输出特性1/17/2023107《低频电子线路》iD函数表达式1/17/2023108《低频电子线路》NJFET输入和输出特性曲线（图）1/17/2023109《低频电子线路》MOSFET结构（图）1/17/2023110《低频电子线路》工作原理分析两种电场的作用垂直电场作用横向电场作用1/17/2023111《低频电子线路》N沟道增强型（E型）结构与符号（图）1/17/2023112《低频电子线路》外加偏置VGS：所加栅源电压垂直电场作用（注意为“＋”）VDS：所加漏源电压横向电场作用（注意也为“＋”）

1/17/2023113《低频电子线路》VGS垂直电场作用（向下）VGS

垂直电场作用（向下）→吸引P衬底中自由电子→形成反型层（在P封底出现N型层）→从而连通两个N+区（形成沟道）

1/17/2023114《低频电子线路》VDS横向电场作用使沟道成楔型（左宽右窄）

VGS<VDS(th)----------iD=0

VDS>VGS(th)----------------iD>0

其中VDS(th)为开启电压。

1/17/2023115《低频电子线路》iD表达式1/17/2023116《低频电子线路》iD表达式其中符号含义

COX-----单位面积栅极电容

n------沟道电子的迁移率

W-------沟道宽度

L-------沟道长度

W/L------MOS管宽长比1/17/2023117《低频电子线路》转移特性曲线（图）1/17/2023118《低频电子线路》输出特性曲线（图）1/17/2023119《低频电子线路》N沟道耗尽型MOSFET结构和符号（图）1/17/2023120《低频电子线路》结构特点SiO2中掺有钠离子，可以形成正电场，从P封底中吸引电子，形成反型层（原始就有）

加VGS（可正可负）后，可改变沟道宽窄，VDS压降使沟道形成楔形。

1/17/2023121《低频电子线路》特性曲线和管子符号（图）1/17/2023122《低频电子线路》场效应管主要参数1.直流参数直流参数与管子的工作条件有关夹断电压开启电压漏极饱和电流直流输入电阻1/17/2023123《低频电子线路》夹断电压VGS(OFF)适用于JFET和MOSFET

当VGS=VGS(OFF)时，iD=0

1/17/2023124《低频电子线路》开启电压VGS(TH)适用于增强型MOSFET

当VGS>VGS(th)时，iD≠0

1/17/2023125《低频电子线路》漏极饱和电流IDSS当VGS=0时（VDS>VGS(off)），ID=IDSS

适用于耗尽型MOSFET和JFET

1/17/2023126《低频电子线路》直流输入电阻rGS对JFET→108～109对MOSFET→1011～1012通常认为rGS→∞1/17/2023127《低频电子线路》2.极限参数极限参数值不允许超过漏极击穿电压栅源击穿电压最大功耗1/17/2023128《低频电子线路》3.交流参数交流参数与管子的工作目标（信号）有关跨导输出电阻极间电容1/17/2023129《低频电子线路》跨导gm跨导gm的表达式（ms）

gm反映VGS对ID的控制能力1/17/2023130《低频电子线路》跨导gm（图）是转移特性曲线上Q点