电子技术基础第二第三章.ppt

1、第2章 半导体器件,2.1 半导体的物理特性 2.2 PN结的形成 2.3 半导体二极管 2.4 半导体三极管 2.5 场效应管,第2章 半导体器件,电子电路由许多半导体元器件组成（半导体二极管、半导体三极管、场效应管等）半导体导电过程半导体器件的基本组成部分PN结半导体二极管、半导体三极管、场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数。,2.1.1 本征半导体,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 常用的半导体材料有：元素半导体，如硅Si和锗Ge；化合物半导体砷化镓GaAs；以及掺杂或制成其他化合物半导体的材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In）和锑（Sb）等。 半导

2、体特性： 导电能力介于导体和绝缘体之间 受到外界光和热的刺激时，导电能力发生显著改变 在纯净半导体中掺入微量杂质，导电能力显著增加,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体 ,化学成分纯净的半导体,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。如硅、锗单晶体。,硅（锗）的原子结构，四价元素，物质化学性质由价电子决定,简化 模型,(1）本征半导体的共价键结构,这种结构的立体和平面示意图见下图,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图,(c),（2）电子空穴对,本征

3、激发和复合的过程图,可见因光或热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,1,2,2.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,分为两类：(1) N型半导体 (2) P型半导体,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,(1）N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,在N型半导

4、体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,(2) P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,P型半导体的结构示意图,漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。,半导体的载流子运动和温度特性,一、载流子的运动,2.2 P

5、N结,一、PN结的形成,二、PN结的单向导电性,三、PN结的击穿特性,四、 PN结的电容效应,一、 PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,一、 PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半

6、导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,(1) PN结加正向电压时的导电情况,PN结加正向电压时的导电情况图,(2) PN结加反向电压时的导电情况,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况图,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,二、 PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，

7、简称正偏；,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,三、PN结的击穿特性,当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：,一、雪崩击穿,二、齐纳击穿,雪崩击穿：当反向电压足够高时（U6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。 齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U4V），耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，

8、使反向电流骤增。,四、PN结的电容效应,PN结的两端电压变化时，引起的PN结内电荷变化，即为PN结的电容效应。PN结的电容有两种： 一是势垒电容CB ， (Barrier、Build) 二是扩散电容CD 。(diffuse),(1) 势垒电容CB,PN结两端电压改变时，阻挡层厚薄也发生变化，从而引起阻挡层(空间电荷区、耗尽层、势垒区)内电荷变化，从而显示出PN结的电容效应，势垒电容CB是用来描述势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应的。,(2) 扩散电容CD,PN结正向偏置时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累（即积累在P区的电子和N区的空穴），正向电压变化时，积累在P区的电子和N区的空穴

9、随外加电压的变化就构成了PN结的扩散电容。,垫垒电容CB正比于PN结面积S，反比于耗尽区厚度 ，类似于平行板电容器 ，但势垒电容的 是 随外加电压而变的。 电路上势垒电容和结电阻并联； 反偏时，结电阻很大，势垒电容小，但高频时的影响不能忽视； 正偏时，结电阻很小，势垒电容大，其作用反而较小。,结论：势垒电容在反向偏置时显得更为重要。,分析证明,PN结正向偏置时，积累在P区的电子和N区的空穴随正向 电压的增加而很快增加，扩散电容较大，而反向偏置时， 载流子数目很少，因此反向时扩散电容很小，一般可以 忽略。,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型,2.3.2 半导体二极管的伏安特

10、性曲线,2.3.3 半导体二极管的参数,2.3.4 半导体二极管的等效模型,2.3.5 半导体二极管的型号,2.3.6 特殊二极管,半导体二极管图片,2.3.1 半导体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于高频检波，小电流整流和 开关电路中。,电容对交流信号的 阻碍作用称为容抗， 它与交流信号的频 率和电容量有关。 容抗XC=1/2fc (f表示交流信号的 频率，C表示电容 容量),(c)平面型,(3)平面型二极管（扩散法）,(2)面接触型二极管(合金法),PN结面

11、积大，用 于大电流整流电路。,(b)面接触型,往往用于集成电路制造 工艺中。PN 结面积可大可 小，用于高频整流和开关 电路中。,2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,半导体二极管的伏安特性,根据理论推导如1.1式所示。,(1.1),二极管的伏安特性曲线,根据理论1.1 式 ，可作图得：,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,当

12、0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。,当V0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,(2) 反向特性,当V0时，即处于反向特性区域。 反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|

13、7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击 穿。当在4V7V之间两种击穿都有。,2.3.3 半导体二极管的参数,(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) 反向击穿电压VBR,(3) 最大反向工作电压VRM,(4) 反向电流IR,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作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。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的

14、倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF,(5) 正向压降VF,(6) 动态电阻rd,2.3.4 半导体二极管的等效模型,线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。,（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。在实际电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，用此模型。,（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后， 其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值 为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注 意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。,（3）折线模型：修正恒压

15、降模型，认为二极管 的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而 增加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步 的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压 Vth，约为0.5V，rD的值为200欧。由于二极管的 分散性，Vth、rD的值不是固定的。,（4）小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的 某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有 uD=UD、iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成 一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型 的微变电阻rd。,Q,半导体二极管的等效模型-模型分析法应用,应用二极管模型可以分析常见的二极管电路，如 电路的Q点，限幅电路的输出波形，开关电路的逻辑关 系，

16、低电压稳压电路的电压调整率等，现举例如下。 1.二极管电路的静态工作情况分析 2.限幅电路 3.开关电路 4.低电压稳压电路,2.2.5 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：,2.3.6 特殊二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线的正向与硅二极管的伏安特性曲线的正向完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如下图所示。,特殊二极管包括稳压管、光电二极管、 发光二极管等，下面着重介绍稳压二极管。,稳压二极管的伏安特性,(a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路,(b),(c),(a),(1) 稳定电压VZ ,(2)

17、 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。

18、,(5)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 5.7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ5.7 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。,例1：稳压管的稳压过程。（负载RL与稳压管两端并联，并联式稳压电路）,交流电压经整流、滤波 直流电压 ； VI （电网波动） VO VZ IZ IR VR VO ,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,注意：,1.半导体具有什么特点?,2.空间电

19、荷区是由哪些物质构成?若用导线连接二极管两端短路,回路中会有电流吗?如果用光照射二极管,情况又会怎样?,3.如何用万用表来辨别二极管的二极?,4.二极管使用时应该注意什么?,半导体三极管有两大类型， 一是双极型半导体三极管 二是单极型半导体三极管,2.4.1 双极型半导体三极管,2.5.1 场效应半导体三极管,场效应型半导体三极管仅由一种 载流子参与导电，是一种VCCS器件。 电压控制电流源器件,2.4 半导体三极管,双极型半导体三极管是由两种载 流子参与导电的半导体器件，它由两 个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。 电流控制电流源器件,(Current Controlled Curre

20、nt Source),(Voltage Controlled Current Source),2.4.1.1 双极型半导体三极管的结构 2.4.1.2 双极型半导体三极管电流的分配与控制 2.4.1.3 双极型半导体三极管的电流关系 2.4.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线 2.4.1.5 半导体三极管的参数 2.4.1.6 半导体三极管的型号,2.4.1 双极型半导体三极管,双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。 它有两种类型:NPN型和PNP型。 两种极性的双极型三极管图,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用

21、B或b表示（Base）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,2.4.1.1双极型半导体三极管的结构,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,两个PN结之间相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结 的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的 飞跃。Bipolar Junction Transistor,双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米且

22、掺杂浓度低。,为使发射区发射电子，集电区收集电子： 发射结加正向电压，集电结加反向电压。,2.4.1.2 双极型半导体三极管的电流分配与控制,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:,IE= IEP + IEN 且有IENIEP IEN=ICN + IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN,IC=ICN+ ICBO,IB=IEP+ IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN = IEP +(IC ICBO)+(IBIEP + ICBO) IE =IC+IB,返回1,返回2,（1）发射区向基区注入电子 （2）电子在基区中的扩散与复合 （

23、3）集电区收集扩散过来的电子,BJT内部载流子的传输过程,由以上三极管内部载流子的传输过程分析可知： （1）三极管内有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管。 （2）在内部条件和外部条件的共同作用下，晶体管内电流分配是一定的。,综上所述,（1）三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结结面积大,外部 条件,发射结正偏,集电结反偏,（2）BJT组成的三种放大电路,共发射极,共集电极,共基极,总结,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：,总结,(3)放大作用共基极放大电路 半导体三极管（晶体管）BJT（Bipolar

24、 Junction Transistor）最基本的应用就是把微弱的电信号加以放大。,P55图2.4.4 共基极放大电路,uEB=VEE+uIiE=IE+iEic=iEicuO,RL,AV=uO/ uI=0.98V/20mV=49,总结,综上所述 （1）BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，另一方面要满足外部条件。 （2）BJT内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流（如图2.4.4 中的IE）给定了，输出电流（图2.4.4 中的IC）和输出电压便基本确定了。输入信号uI是首先通过发射结的电压变化改

25、变输入电流IE的，再利用IE的变化去控制IC，而表征BJT电流控制作用的参数就是电流放大系数。,总结,(4)放大作用共射极放大电路 利用BJT组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，BJT可有三种连接方式（三种组态）：共基极、共发射极和共集电极接法。,以发射极作为共同端，基极为输入端，集电极为输出端,uBE=VBB+uIiE=IE+iEic=iEic uO,RL,AV=uO/ uI=0.98V/20mV= 49,iB=(1-)iE,总结,由此可见，共射极电路与共基极电路放大信号的物理本质是相同的，但共射极电路也有它

26、自身的特点： （1）从BJT的输入电流控制输出电流这一点看来，这两种电路的基本区别是：共射极电路以基极电流iB作为输入控制电流，而共基极电路则是以发射极电流iE作为输入控制电流。用iB作为输入控制电流的好处是信号源消耗的功率很小。 （2）对于共射极电路，研究其放大过程主要是分析集电极电流（输出电流）与基极电流（输入电流）之间的关系。 （3）共基极电路的电流放大系数为，而共射极电路的电流放大系数为。 的值小于1但接近1，而的值则远大于1（通常在几十到几百的范围内）。由于这个缘故，共射极电路不但能得到电压放大，而且还可得到电流放大，致使共射极电路是目前应用最广泛的一种组态。,iB是输入电流，vBE

27、是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,2.4.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。,(1) 输入特性曲线,vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影

28、响 。,共发射极接法的输入特性曲线见图。其中 vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状 态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大， 特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线 右移很不明显。B、C间PN结的反向偏置电压已足以将扩 散到基区的电子绝大部分收集到集电区，因而VCE对IB的 影响甚小，右移不明显。 输入特性曲线的分 区：死区 非线性区 线性区,(2)输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图所示，它是以 iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明， 当vCE=0 V时，因集

29、电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时， 发射结虽处于正向电压 之下，但集电结反偏电 压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE 0.3 V 集电区收集电子的能力 很弱，iC主要由vCE决定。,当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 vCE 1 V vCB 0.3V 运动到集电结的电子 基本上都可以被集电 区收集，此后vCE再增 加，电流也没有明显 的增加，特性曲线进 入与vCE轴基本平行的 区域 (这与输入特性曲 线随vCE的再增大而右移 不明显的原因是一致的) 。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区Saturation RegioniC受vCE显著

30、控制的区域，曲线的上升部分和弯曲部分，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区Cutoff RegioniC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区Active RegioniC平行于vCE轴的区域,曲线基本平行等距。 此时，发射结正偏，集电结反偏，C、E极电压大于0.7 V左右(硅管) 。 ，因此也称为线性区。,半导体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 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数 vCE=const,2.4.1.5 半导体三极管的参数

31、,对照P49,在放大区基本不变。在共发射极输出特性 曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求 取IC / IB ，如图(a)所示。在IC较小时和IC较大 时， 会有所改变，这一关系见图(b)。,图(b) 值与IC的关系,图 (a) 在输出特性曲线上决定,结论,当Ic过小或Ic过大时，导致将下降,2.共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE 显然 与 之间有如下关系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ ,对照P49,极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于

32、集电结的反向饱和电流。,2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO表示基极开路，c,e间加上一定反向电压时的集电极电流，由于这个电流从集电区穿过基区流至发射区，所以又叫穿透电流。 ICEO不是单纯的PN结反向电流。 ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向 饱和电流，即输出特性曲线IB=0 那条曲线所对应的Y坐标的数值。 如下图所示。,ICEO在输出特性曲线上的位置,(2)交流参数 交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,在放大区 值基本不变，可在共射接法输出 特性曲线上，通过垂 直于X 轴的直线求

33、取 IC/IB。,在输出特性曲线上求图,2.共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,(3)极限参数 集电极最大允许电流ICM,当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有 所差别。可见，当 ICICM时，并不表 示三极管会损坏。 值与IC的关系,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= iCvCBiCvCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算

34、时往往用vCE取代vCB。,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,击穿区(Breakdown Region),随着VCE增大，加在集电结上的反偏电压VCB相应增大。当VCE增大到一定值时，集电结发生反向击穿，造成电流Ic剧增。集电结面积很大而且是轻掺杂的，产生的反向击穿主要是雪崩击穿，击穿电压较大。,在基区宽度很小的三极管中，还会发生特有的穿通击穿。,当VCE增大时，VCB相应增大，导致集电结阻挡层宽度增宽，直到集电结与发射结相遇，基区消失。这时发射区的多子电子将直接受集电结电场的作用，引起集电极电流迅速增大

35、，呈现类似击穿的现象。,国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,2.4.1.6 半导体三极管的型号,例如： 3AX31D、 3DG123C、3DK100B,半导体三极管图片,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N

36、沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1.结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister),2.绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）,2.5 场效应管,(1)结型场效应三极管的结构,2.5.1 结型场效应三极管,(2) N沟道结型场效应管的结构示意图,iD,VDS, 栅源电压对沟道的控制作用,uDS 0时u

37、GS对导电沟道的控制作用,工作原理,Voff, uDS=0时， uGS 对沟道的控制作用,当uGS0时， PN结反偏，| uGS |耗尽层加厚沟道变窄。 uGS继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压uGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。对于N沟道的JFET，VP 0。, 漏源电压对沟道的控制作用,当漏源电压uDS从零开始增加，且uGSVGS(off)时,则uGD=uGS-uDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当uDS增加到使uGD=uGS-uDS=VGS(off)时,在紧靠漏极处出现预夹断，当uDS继续增加，漏极处的夹断继续向源

38、极方向生长延长。, uGS=(VGS(off)0) 的某一固定值时，uDS对沟道的控制作用,当uDS=0时，iD=0；uDS iD ，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当uDS增加到使uGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时uDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。,(a) 输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 N沟道结型场效应三极管的特性曲线,(3)结型场效应三极管的特性曲线,(b)转移特性,(a)输出特性,VP,截止区, 当uGD VGS(off)时，uGS对iD的控制作用,当uGD = uGS - uDS uGS

39、 - VGS(off) 0，导电沟道夹断， iD 不随uDS 变化 ； 但uGS 越小，即|vGS| 越大，沟道电阻越大，对同样的uDS ， iD 的值越小。所以，此时可以通过改变uGS 控制iD 的大小， iD与uDS 几乎无关，可以近似看成受uGS 控制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件。,综上分析可知：(a) JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管； (b) JFET 栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；(c) JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制；(d)预夹断前iD与uDS呈近似线性关系

40、；预夹断后，iD趋于饱和。,（4） 主要参数,在预夹断处，uGD = uGS - uDS = VGS(off) ，当 uGS = 0时， - uDS = VGS(off)。但 实际测试时，通常令uDS 为某一固定值（例如10V），使iD 等于一个微小电流（例如50uA）时，栅源之间所加的电压称为夹断电压。这时相当于夹断点延伸到靠近源极，达到全夹断状态。考虑到靠近源端纵向电位差接近于零，源端耗尽层两边的电位差可认为是uGS，所以此时有uGS VGS(off)。,绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET也称金属氧化物

41、半导体三极管MOSFET（MetalOxideSemiconductor FET）分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,2.5.2 绝缘栅场效应三极管的工作原理,所谓耗尽型就是当uGS=0时，存在导电沟道，iD 0；增强型就是uGS=0时，没有导电沟道，即iD 0；例如，N沟道增强型，只有当uGS0时才有可能开始有iD 。,(1)结构,(2)工作原理,当uGS=0V时,当0uGSVGS(th)时,漏源之间相当两个背靠背的PN结，不存在导电沟道，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离

42、子的耗尽层。P型衬底中的少子电子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。, uDS=0时， uGS 对沟道的控制作用,当uGSVGS(th)时,随着uGS的继续增加，一方面耗尽层变宽，另一方面作用于半导体表面的电场就愈强，吸引到P型硅表面的电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电阻将愈小。在uGS=0V时没有导电沟道，只有当uGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,由于栅源电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极 和源极沟通。,在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与

43、P型半导体的载流子空穴极性相反，把这个在P型硅表面形成的N型薄层称为反型层。这个反型层实际上就组成了源极和漏极间的N型导电沟道。由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。,使沟道刚刚形成的栅-源电压称之为开启电压VGS(th)。 uGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。, uGSVGS(th) 的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用,当uDS=0时，iD=0；uDS iD ，同时沟道存在电位梯度，同时使靠近漏极处的耗尽层变窄。当uDS增加到使uGD=VGS(th) 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时uDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。如下图所示。,(3)N沟道增强型

44、MOS管的特性曲线与电流方程,N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如下图所示，与JFET一样，可分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。,转移特性, 输出特性,VGS(th),夹断区,2VGS(th),uGS对漏极电流的控制特性 转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm 也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=iD/uGS uDS=const (单位mS),iD=f(uGS)uDS=const,漏源电压uDS对漏极电流iD的影响,当uGSVGS(th)，且固定为某一值时,uGD=uGSuDS,当uDS为0

45、或较小时，相当uGDVGS(th)，此时uDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当uDS为0或较小时，相当uGSVGS(th)，沟道此时uDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当uDS增加到使uGD=VGS(th)时，这相当于uDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。,当uDS增加到uGDVGS(th)时，此时预夹断区域加长，伸向S极。 uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本趋于不变。,漏极输出特性曲线,iD=f(uDS)uGS=const,当uGSVGS(th)，且固定为某一值时， uDS对iD的影响， 即iD=f(uDS)uGS=const

46、这一关系曲线如图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,夹断区,2.5.3N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号,场效应管的符号及特性,UGS(负值) 减小,UGS (正值) 增大,场效应管的符号及特性,UGS (正值) 减小,UGS (正负) 增大,场效应管的符号及特性,UGS (负值) 减小,UGS (正负) 增大,2.5.4 场效应三极管的参数和型号,(1) 场效应三极管的参数 开启电压VGS(th) (或Von 或VT) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于 开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。, 夹断电压VGS(off) (或Voff 或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当

47、VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。, 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。, 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。, 低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。, 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDSID决定，与双极型 三极管的PCM相当。,(2) 场效应三极管的型号,场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字

48、母J代表结型场效应管，o代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,2.5.5 双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量

49、 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm),双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,1.在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）,2.现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问： （1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ （2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？,3.当晶体管

50、工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。,4已知两只晶体管的电流放大系数分别为50和100，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图P1.14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。,5.UGS0V时，能够工作在恒流区的场效应管有 。 A. 结型管 B. 增强型MOS管 C. 耗尽型MOS管,P72 2.16,双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,第3章 基本放大电路,3.1

51、 放大电路的基本概念 3.2 放大电路分析 3.3 放大器的偏置电路 3.5 多级放大器 3.6 场效应管放大电路,3.1.1 放大的概念,基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,共发射极、共集电极、共基极,放大电路的结构示意框图见下图。,(1) 放大倍数,电压放大倍数定义为,电流放大倍数定义为,功率放大倍数定义为,动态参数,(2) 输入电阻 Ri,输入电阻是表明放大电

52、路从信号源吸取电流大小的参数，Ri大放大电路从信号源吸取的电流小，反之则大。,(3) 输出电阻Ro,输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。,(4) 通频带,相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率。,放大电路分析,基本放大电路和多级放大电路的工作原理及其分析方法,第三章,3.2 基本放大电路分析,(1) 共发射极组态基本放大电路的组成 (2) 静态和动态 (3) 直流通道和交流通道 (4) 放大原理,基本组成如下： 三 极 管T VCC、电阻Rc 偏置电路VCC 、Rb 耦合电容C1 、C2,起放大作用，能量的转换和控制。,将变化的集电极电流 转换

53、为电压输出并确 保集电结反偏。,提供能量和IB，并使发射 结正偏。,(1) 共发射极组态交流基本放大电路的组成,隔直传交,在半导体电路中，常把输入电压、输出电压以及直流电源VCC的共同端点称为地，用符号“”表示，并以地端作为零电位点（参考电位点）。为了分析方便，规定电压的正方向是以共同端为负端，其他各点为正端。,(2) 静态和动态,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,直流是基础，交流是目的,(2) 静态和动态,放大电路的直流通路和交流通路。分析放大电路有两类问题：直流问题和

54、交流问题,直流通路：直流成分的通路，将放大电路中的耦合电容和旁路电容视为开路即得。,交流通路：交流成分的通路，将放大电路中的耦合电容和旁路电容视为短路，直流电源视为短路即得。,直流通道 交流通道 直流电源和耦合电容对交流相当于短路,即能通过直流的通道。从C、B、E 向外看，有直流负载电阻， Rc 、Rb 。,能通过交流的电路通道。如从C、 B、E向外看，有等效的交流负载电阻， Rc/RL和偏置电阻Rb 。,若直流电源内阻为零，交流电流流过直 流电源时，没有压降。设C1、 C2 足够大，对 信号而言，其上的交流压降近似为零。在交 流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。,(3) 直流通道和交流通道

55、,(a)直流通道 (b)交流通道,(3) 直流通道和交流通道,放大电路的组成原理，即放大电路应具备的条件：,3.2.1 放大电路的静态分析,静态分析有计算法和图解分析法两种。（1）静态工作状态的计算分析法（2）静态工作状态的图解分析法,IB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的静态工作状态。,静态工作状态的计算分析法,根据直流通道可对放大电路的静态进行计算,例：用估算法计算静态工作点。,已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,请注意电路中IB 和IC 的数量级。,例

56、：用估算法计算Q点。常见电路如下图所示,静态工作状态的图解分析法,放大电路静态工作状态的图解分析图,放大电路的静态工作状态的图解分析如图所示。,1. 由直流负载列出方程 VCE=VCCICRc 2. 在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可画出直流负载线。,直流负载线的确定方法：,VCC ，0 、 0，VCC /Rc,3. 在输入回路列方程式VBE =VCCIBRb,4. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是Q。,5. 得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。,静态工作状态的图解分析法,图解法关键是正确作出直流负载线，通过直流负载线与iB=IBQ的特性曲线的交点，即为Q点，从图上读出Q

57、点坐标即得ICQ和VCEQ。,放大电路如左图所示，特性曲线及负载线如右图所示，试说明静态工作点由Q1变为Q2的原因，Q2变为Q3的原因？,(1) 放大电路在接入正弦信号时的工作情况,放大电路的动态图解分析,当接入正弦信号时，电路将处在动态工作情况，可以根据输入信号电压ui，通过图解确定输出电压uo，从而可以得出ui与uo之间的相位关系和动态范围。 步骤： 根据输入信号电压ui ，在输入特性曲线上画出iB的波形 根据iB的变化在输出特性曲线上画出iC和uCE的波形,步骤1： 根据输入信号电压ui ，在输入特性曲线上画出iB的波形,假设,输入正弦信号加到放大电路的输入端后，BJT的基极和发射极之间

58、的电压uBE就是在原有直流电压VBE的基础上叠加了一个交流量ui,步骤2： 根据iB的变化在输出特性曲线上画出iC和uCE的波形,当iB在60uA与20uA之间变动时，直流负载线与输出特性曲线的交点也会随之改变，而对应于iB60uA的一条输出特性曲线与直流负载线的交点是Q点，对应于iB20uA的一条输出特性曲线与直流负载线的交点是Q点，所以放大电路只能在负载线的QQ段上工作，,即放大电路的工作点随着iB的变动将沿着直流负载线在Q与Q点之间移动，因此，直线段QQ是工作点移动的轨迹，通常称为动态工作范围。,iC,uCE,ic,t,IC,VCE,这样就在坐标平面上画出对应的iB、iC、uCE的波形图， uCE中的交流量uce的波形就是输出电压uo的波形。,结论：,没有输入信号电压时，BJT各电极都是恒定的电流和电压（IB、IC、VCE），当放大电路输入端加入输入信号电压后，iB 、 iC 、 uCE都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，即 因此，放大电路中电压、电流包含两个分量：一个是静态工作情况决定的直流成分IB、IC、VCE ；另一个是由输入电压引起的交流成分ib、ic、uce 。,结论：,uCE中的交流量uce（经电容C2隔直后的交流输出电压uo）的幅度远比ui大，且同为