ch4半导体二极管、三极管和场效应管

1、本章重点和考点：,1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。,2.三极管的电流放大原理， 如何判断三极管的管型 、管脚和管材。,3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,1、什么是半导体,4.1 PN结,一、半导体的基础知识,绝缘体UT时,当 u|U T |时,4. PN结的电流方程,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-21 页,退出本章,5. PN结的伏安特性曲线,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-22 页,退出本章,6. PN结的电容效应,当外加电

2、压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容CB,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-23 页,退出本章,(2) 扩散电容CD,当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的非平衡少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,平衡少子：PN结处于平衡时的少子。,非平衡少子：外加正向电压时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-24 页,退出本章, PN结结电容（极间电容）CJ,CJ = CB + CD,由于一般

3、很小，对于低频信号呈现较大的容抗，其作用 可忽略不计，所以，只有在信号频率较高时，才考虑电 容的作用。,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-25 页,退出本章,半导体,本征半导体:本征激发,PN结,形成过程,单向导电性,小结：,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,1、结构,2、符号,4.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构和类型,下一页,前一页,第 1-27 页,退出本章,3、二极管的分类：,1）、 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,4.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构和

4、类型,3）、 平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,2）、 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,4.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构和类型,下一页,前一页,第 1-29 页,退出本章,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,4.2 半导体二极管,二、半导体二极管的伏安特性曲线,下一页,前一页,第 1-30 页,退出本章,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2)

5、反向击穿电压UBR,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。,(3) 反向电流IR,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(4) 最高工作频率fM,二极管工作的上限频率,4.2 半导体二极管,三、二极管的主要参数,下一页,前一页,第 1-31 页,退出本章,1、理想等效电路模型,正偏,反偏,2、恒压源等效电路,U ON :二极管的导通压降。硅管 0.7V，锗管 0.3V。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-32 页,退出本章,1、理想二极管模型,相对误差：,硅二

6、极管电路如图所示，若已知回路电流I测量值 为 9.32mA，试分别用理想模型和恒压降模型计算回路电流I，并比较误差。,2、恒压降模型,解：,相对误差：,0.7V,例1：,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-33 页,退出本章,例：电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压降模型计算电流I和输出电压uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二极管串联电压源模型分析。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-34 页,退出本章,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波

7、，波形如图（b）所示，UREF=2V,分别采用理想二极管模型和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。,解：采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-35 页,退出本章,采用恒压降模型分析，波形如图所示。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-36 页,退出本章,1、整流,已知ui10sint (V)，二极管正向导通电压可忽略不计。试画出ui与uO的波形。,4.2 半导体二极管,五、二极管的应用,下一页,前一页,第 1-37 页,退出本章,0.7V,-0.7V,0.7V,2、限幅

8、,已知硅二极管组成电路，试画出在输入信号ui作用下输出电压uo波形。,五、二极管的应用,4.2 半导体二极管,-0.7V,uO,ui,t,t,下一页,前一页,第 1-38 页,退出本章,3、用于数字电路,例：分析如图所示电路的功能。,解：,4.2 半导体二极管,五、二极管的应用,下一页,前一页,第 1-39 页,退出本章,正向同二极管,1、符号：,稳压二极管工作在反向击穿区,4.2 半导体二极管,六、稳压二极管,下一页,前一页,第 1-40 页,退出本章,稳定电压,2、伏安特性：,3、稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压UZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的

9、反向工作电压。,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(4) 最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,4.2 半导体二极管,六、稳压二极管,下一页,前一页,第 1-41 页,退出本章,4、稳压原理,RL,UO,IDZ,IR,UO,UR,如图所示电路，若负载发生变化引起输出减小，可利用该电路实现稳压作用。,4.2 半导体二极管,六、稳压二极管,下一页,前一页,第 1-42 页,退出本章,4.3 双极型晶体管,1 晶体管的结构,基极,发射极,集电极,NPN

10、型,PNP型,4.3 双极型晶体管,一、晶体管的结构和类型,两PN结、三区、三极,集电区,基区,发射区,集电结,发射结,下一页,前一页,第 1-44 页,退出本章,NPN型三极管,PNP型三极管,4.3 双极型晶体管,2 符号,下一页,前一页,第 1-45 页,退出本章,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,4.3 双极型晶体管,一、晶体管的结构和类型,3 晶体管结构的特点,下一页,前一页,第 1-46 页,退出本章,1、晶体管内部载流子的运动,发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流 发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (

11、基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2. 扩散到基区的自由电子与 空穴的复合运动形成基极 电流 电子到达基区，少数与空穴复 合形成基极电流 Ibn，复合掉的 空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-47 页,退出本章,3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。 其能量来自外接电源 VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,二、晶体管的电流分配及其放大作

12、用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-48 页,退出本章,2、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,IB=IEp+ IBnICBO,IE =IC+IB,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-49 页,退出本章,3、晶体管的共射电流放大系数,整理可得：,ICBO 称反向饱和电流,ICEO 称穿透电流,1) 共射直流电流放大系数,2) 共射交流电流放大系数,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体

13、管,下一页,前一页,第 1-50 页,退出本章,3) 共基直流电流放大系数,或,4) 共基交流电流放大系数,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。,5) 与的关系,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,4、三极管的电流方向,发射极的电流方向与发射极的箭头方向一致,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-52 页,退出本章,1、输入特性,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,4.3

14、 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,iB=f(uBE) UCE=const,下一页,前一页,第 1-53 页,退出本章,2、输出特性,此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,iC=f(uCE) IB=const,下一页,前一页,第 1-54 页,退出本章,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,下一页,前一页,第 1-55 页,退出本章,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V,(3)

15、截止区： UBE0，即UC UB UE 。,解：,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-62 页,退出本章,（1）U1=3.5V、U2=2.8V、 U3=12V （2）U1=3V、 U2=2.8V、 U3=12V （3）U1=6V、 U2=11.3V、 U3=12V （4）U1=6V、 U2=11.8V、 U3=12V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅 （4）U1 c、U2 b、U3

16、e PNP 锗,解：,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,1） USB = - 2V时：,IB=0 ， IC=0,Q位于截止区,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,解：,下一页,前一页,第 1-63 页,退出本章,2）USB =5V时:,IB IBmax， Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系，晶体管饱和失真）,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶

17、体管的静态工作点Q位于哪个区？,ICMAX (USCUCES)/RC,(120.3)/6 1.95(mA),下一页,前一页,第 1-64 页,退出本章,IBMAX ICMAX/ 1.95/50=0.039 mA,IB IBmax (=1.95mA) ， Q位于放大区。,3）USB =2V时：,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,下一页,前一页,第 1-65 页,退出本章,IBMAX ICMAX/ 1.95/50=0.039 mA,例： 电路如图所

18、示， =50，当开关S分别接到ABC三个触点时，判断三极管的工作状态。,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,4.3 双极型晶体管,四、晶体管的主要参数,三极管的参数分为三大类: 直流参数、交流参数、极限参数,1、直流参数,1）共发射极直流电流放大系数,=（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,2）共基直流电流放大系数,3）集电极基极间反向饱和电流ICBO,集电极发射极间的穿透电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,2、交流参数,1）共发射极交流电流放大系数 =iC/iBUCE=const,2） 共基极交流电流放大系数 =iC/iE UCB=const,3）特征

19、频率 fT,值下降到1的信号频率,四、晶体管的主要参数,4.3 双极型晶体管,1）最大集电极耗散功率PCM,PC= iCuCE,3、 极限参数,2）最大集电极电流ICM,3）反向击穿电压, UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。, U EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。, UCEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系 UCBOUCEOUEBO,四、晶体管的主要参数,4.3 双极型晶体管,4、 温度对晶体管特性及参数的影响,1）温度对ICBO的影响,温度每升高100C ， ICBO增加约一倍。 反之，当温度降低时ICBO减少。,硅管的ICBO比锗管的小得

20、多。,2）温度对输入特性的影响,温度升高时正向特性左移，反之右移,3）温度对输出特性的影响,温度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,4.4 场效应管,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管分类：,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达

21、 1010 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,一、绝缘栅型场效应管,1、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,1. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,2.工作原理分析,(1)UGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(2) UDS = 0，0 UGS UT， UGD UT,(b) UGD = UT,(c) UGD UGS