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模拟电子技术基础简明教程-(第三版)第一章

发布时间:

第1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

第一节 半导体的特性
本征半导体 杂质半导体
2

第一节 半导体的特性
一、本征半导体(intrinsic semiconductor)

1. 半导体(semiconductor)

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质统称为半导体。导

电性能由其原子结构决定。

硅原子序数14,锗32,最外

层轨道均4个电子,价电子



+4





+4

+4 +4

+4 +4

?????

??
+14
??

?????

+32







+4

+4

+4

晶体中的价电子与共价键

硅与锗原子结构模型

?

?
+4
?

?

简化模型

3

第一节 半导体的特性
2. 本征半导体(intrinsic semiconductors)
纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。
在本征半导体中,由于晶体中共价键的结合力很强, 在热力学温度零度(即T = 0 K )时, 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚, 晶体中不存在能够导电的载流子, 半导体不能导电,如同绝缘体一样。
4

本征半导体中的载流子 如果温度升高,

第一节 半导体的特性

少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。

在原来的共价键位置 留下一个空位,
称之为空穴。

+4

+4

+4

带正电的空穴
hole

+4

+4

+4

带负电的自由电子
free electron

+4

+4

+4

5

半导体中存在两种载流子:

第一节 半导体的特性

带负电的自由电子和带正电的空穴。

在本征半导体中, 两种载流子总是成对出现

+4

+4

+4

称为 电子 – 空穴对 两种载流子浓度相等

+4

+4

+4

电子 – 空穴对

+4

+4

+4

在一定温度下电子 – 空穴对的

产生和复合达到动态*衡。

本征载流子的浓度对温度十分敏感

6

第一节 半导体的特性
二、 杂质半导体
在本征半导体中掺入某种特定的杂质,就成为杂质半导体。
1. N型(或电子型)半导体 (N-type semiconductor) 在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素,

则原来晶格中的某些硅原子将被

杂质原子代替。

+4

+4

+4

杂质原子与周围四个硅原子组成

共价键时多余一个电子。自由电子 +4

+5

+4

这个电子只受自身原子核吸引, 在室温下可成为自由电子。

失去自由电子的杂质原子固定在晶格+4上

+4

+4

不能移动,并带有正电荷,称为正离子。

7

第一节 半导体的特性

热激发也能使共价键中的电子挣脱共价键的束缚成 为自由电子,产生电子空穴对。

在这种杂质半导体中,

+4

+4

+4

电子的浓度大大高于空穴的浓度。

电子称为多数载流子,空穴称少

数载流子

+4

+5

+4

因主要依靠电子导电,

故称为电子型半导体多。数载流子

+4

或N型半导体

majority carrier

5价的杂质原子可以提供电子,所以称
为施主原子。 +

8

+4

+4

少数载流子 minority carrier

2. P型半导体(P-type semiconductor)

第一节 半导体的特性
负离子

在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素,

-

当它与周围的硅原子组成共价键时,

将缺少一个价电子。

+4

+4

+4

常温下容易从其他位置夺

取一个电子。杂质原子成

负离子,其他位置产生一

+4

+3

+4

个空穴。

空穴

缺少一个价电

+4

+4

+4



9

在室温下仍有电子 – 空穴对 的产生和复合。

第一节 半导体的特性

-

+4

+4

少数
载流 子
+4

在这种杂质半导体中,空

穴的浓度远高于自由电子

+4

+3

的浓度。

空穴

+4

+4

P型半导体主要依靠空穴导电,

所以又称为空穴型半导体

3价的杂质原子产生多余的空穴,起着接受电子 的作用,所以称为受主原子。
10

+4
+4
多数 载流


N 型半导体表示

第一节 半导体的特性
P 型半导体表示

1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流 子的浓度。
2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其 导电能力大大改善。
3. 杂质半导体总体上保持电中性。
4.掺入不同性质、不同浓度的杂质,并使P型半导体和N型半 导体以不同方式组合,可以制造出形形色色、品种繁多、 用途各异的半导体器件。
11

第二节 半导体二极管
1 PN结及其单向导电性 2 二极管的伏安特性 3 二极管的主要参数 4 稳压管
12

第二节 半导体二极管
1 PN 结及其单向导电性

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,

另一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就

形成了一个特殊的薄层,称为 PN 结或称为空间电荷

区。

P

PN结

N

13

第二节 半导体二极管

一、 PN 结中载流子的运动

1. 扩散运动

P

N

电子和空穴

浓度差形成多数

载流子的扩散运

动。 2. 扩 散 运
动形成空间电

耗尽层

P

空间电荷区

N

荷区 —— PN 结 ,
耗尽层。

14

第二节 半导体二极管
3. 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间—— 内电场,形成电位差 UD 内电场阻止多子扩散 —— 阻挡层。

4. 漂移运动 内电场有利于

阻挡层

P

空间电荷区

N

少子运动—漂移。

漂移运动 使空间电荷区 变窄

内电场 UD
15

第二节 半导体二极管
5. 扩散与漂移的动态*衡 扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加; 当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流 等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与 漂移运动达到动态*衡。 空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米;
电压壁垒 UD,硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V, 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。
16

二、 PN 结的单向导电性

1. PN 外加正向电压

外电场方向与内电场相反,

削弱了内电场,简称正偏。

P

空间电荷区

第二节 半导体二极管
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。
N

I 内电场方向

外电场方向

V

R

17

第二节 半导体二极管

2. PN 结外加反向电压(反偏)

外电场与内电场方向一致,增强了内电场,简称反偏。 外电场使空间电荷区变宽;

P

空间电荷区

N

IS

内电场方向

外电场方向

V

R

18

第二节 半导体二极管

P

空间电荷区

N

IS

内电场方向

外电场方向

V

R

反偏不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大

于扩散电流,漂移电流也称反向电流 I ; 由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。

反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随

着温度升高,

IS

将急剧增大。 19

总结:

第二节 半导体二极管

当 PN 结正向偏置时,耗尽层变窄,回路

中产生一个较大的正向电流, PN 结处于 导通

状态;当 PN 结反向偏置时,耗尽层变宽,回

路中反向电流非常小,几乎等于零, PN 结处

于截止状态。

PN 结具有单向导电性。

正向偏置:

电源正极接P区,负极接N区,即“P正N负” 反向偏置:
电源正极接N区2,0 负极接P区,即“P负N正”

第二节 半导体二极管
2 二极管的伏安特性
半导体二极管又称晶体二极管。 二极管的结构: 将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里,再 从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。

(a)外形图
21

(b)符号

第二节 半导体二极管
半导体二极管的类型: 按半导体材料分:有硅二极管、锗二极管等。 按 PN 结结构分:有点接触型和面接触型二极管。 点接触型管子中不允许通过较大的电流,因结电容
小,可在高频下工作。 面接触型二极管 PN 结的面积大,允许流过的电流
大,但只能在较低频率下工作。 按用途划分:有整流二极管、检波二极管、稳压
二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。
22

第二节 半导体二极管

二极管的伏安特性

在二极管的两端加上电压,测量流过管子的

电流,I = f (U )之间的关系曲线。

I / mA

I / mA

–50
反 向 特 性

60

40

正向特性

20 –25
0 – 0.002

0.5 1.0 U / V

– 0.004

15
10
5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 U / V
–0.02

硅管的伏安特性

锗管的伏安特性

23

第二节 半导体二极管

1. 正向特性

当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零。

相应的电压叫死区电压。 范围称死区。死区电压与材料 和温度有关,硅管约 0.5 V 左 右,锗管约 0.1 V 左右。
当正向电压超过死区电压 后,随着电压的升高,正向电 流迅速增大。

I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性

24

第二节 半导体二极管

2. 反向特性

I / mA

二极管加反向电压, 反向电流很小;
当电压超过零点几伏 后,反向电流不随电压增

–50 –25

0U / V

击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04

反向饱 和电流

加而增大,即饱和;

反向特性

如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向

电流会突然增大;

这种现象称击穿,对应电压叫反向击穿电压。

击穿并不意味管子损坏,若控制击穿电流,电压 降低后,还可恢复正常。

25

第二节 半导体二极管

3. 伏安特性表达式(二极管方程)

U
I ? IS (e UT ? 1)

IS :反向饱和电流 UT :温度的电压当量

在常温(300 K)下,

UT ? 26 mV
二极管加反向电压,即 U < 0,且 |U| >> UT ,则 I ? ? IS。

二极管加正向电压,即 U > 0,且 U >> UT ,则

U

U

e UT ?? 1 ,可得 I ? ISe UT ,说明电流 I 与电压 U

基本上成指数关系。

26

第二节 半导体二极管
结论: 二极管具有单向导电性。加正向电压时导通, 呈现很小的正向电阻,如同开关闭合;加反向电压 时截止,呈现很大的反向电阻,如同开关断开。 从二极管伏安特性曲线可以看出,二极管的电 压与电流变化不呈线性关系,其内阻不是常数,所 以二极管属于非线性器件。
27

第二节 半导体二极管
3 二极管的主要参数
1. 最大整流电流 IF 二极管长期运行时,允许通过的最大正向*均电 流。 2. 最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常 将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。 3. 反向电流 IR 通常希望 IR 值愈小愈好。 4. 最高工作频率 fM fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈 大,二极管允许的最高工作频率愈低。
28

第二节 半导体二极管

二极管的电容效应

当二极管上的电压发生变化时,PN 结中储存的 电荷量将随之发生变化,使二极管具有电容效应。

电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容

1. 势垒电容

是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。

空间

空间

P 电荷区 N

P

电荷区

N

I

I+ V U R

?

? V UR

+

(a) PN 结加正向电压
29

(b) PN 结加反向电压

第二节 半导体二极管

空间电荷区的正负离子数目发生变化,如同电 容的放电和充电过程。

势垒电容的大小可用下式表示:

Cb

?

dQ dU

?

?

S l

? :半导体材料的介电比系数;
S :结面积; l :耗尽层宽度。

由于 PN 结 宽度 l 随外

Cb

加电压 U 而变化,因此势垒

电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。

O

U

图 1.2.8

30

第二节 半导体二极管

2. 扩散电容 Cd

P区 耗尽层 N 区

是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。+ I
V P 区中电子

- R
N 区中空穴

浓 度 分布

浓 度 分布

x

Ln

Lp

在某个正向电压下,P 区中的电子浓度 np(或 N

区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。

当电压加大,np (或 pn)会升高, 如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。

nP
2

?

正向电压变化时,多数载流子的

Q

浓度发生变化,相当于电容器充电和

1 Q

放电的过程 —— 扩散电容效应。 当加反向电压时,扩散运动被削
弱,扩散电容的作用可忽略。

O

x

x = 0 处为 P 与

N 区的交界处

31

第二节 半导体二极管
总结: PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电
容 Cd 两部分。一般来说,当二极管正向偏置时, 扩散电容起主要作用,即可以认为 Cj ? Cd;当反向 偏置时,势垒电容起主要作用,可以认为 Cj ? Cb。
Cb 和 Cd 值都很小,通常为几个皮法 ~ 几十皮 法,有些结面积大的二极管可达几百皮法。
32

5 稳压管
一种特殊的面接触型 半导体硅二极管。
稳压管符号:

第二节 半导体二极管
I/mA
?U

+

IZmin

稳压管工作于反向击穿区。

O U/V
?+
反向 ?I

IZmax

稳压管伏安特性

33

第二节 半导体二极管

稳压管的参数主要有以下几项:

1. 稳定电压 UZ 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压

2. 稳定电流 IZ

U

正常工作的参考电流。通

常IZ 不是一个固定值,而是一

个范围。

IZmin

IZmin< IZ < IZmax

?+ 反向

I/mA
O
U/V ?I

IZmax

稳压管伏安特性
34

3. 动态电阻 rZ

rZ

?

?U Z ?IZ

rZ 愈小愈好。对于 同一个稳压管,工作电
流愈大, rZ 值愈小。

第二节 半导体二极管
IZ/mA
IZ = 5 mA rZ ? 16 ? IZ = 20 mA rZ ? 3 ?

35

第二节 半导体二极管
4. 电压温度系数 ?U
稳压管电流不变时,环境温度每变化 1 ℃ 引起稳定 电压变化的百分比。
(1) UZ > 7 V, ?U > 0;UZ < 4 V,?U < 0; (2) UZ 在 4 ~ 7 V 之间,?U 值比较小,性能比较稳
定。
2CW17:UZ = 9 ~ 10.5 V,?U = 0.09 %/℃ 2CW11:UZ = 3.2 ~ 4.5 V,?U = ?(0.05 ~ 0.03)%/℃
36

第二节 半导体二极管
5. 额定功耗 PZ
额定功率决定于稳压管允许的 温升。
PZ = UZIZ PZ 会转化为热能,使稳压管发热。 电工手册中给出 IZM,IZM = PZ/UZ
37

第二节 半导体二极管

使用稳压管需要注意的几个问题:

1. 外加电源的正极接管

子的 N 区,电源的负极接 P 区,保证管子工作在反向击穿 + 区;

IR R

2. 稳压管应与负载电阻 UI IZ RL 并联;

IO +

VDZ

UO RL

3. 必须限制流过稳压管的
电流 IZ,不能超过IZmax,也不 能低于IZmin。

图 稳压管电路

38

第二节 半导体二极管

[例1.2.1] 电路如图所示,已知UImax= 15V, UImin= 10V IZmax= 50mA, IZmin= 5mA,RLmax= 1kΩ,RLmin= 600Ω UZ= 6V, 对应ΔUZ= 0.3V。
求rZ 与选择限流电阻R。

IR

+ R IZ +

+
IO

UI

UZ

VDZ

RL UO

-

-

-

39



第二节 半导体二极管

+
UI

IR R IZ
+
UZ

+ 解:ΔIZ = IZmax - IZmin = 45 mA

IO

VDZ

RLUO

rZ =

ΔUZ ΔIZ

= 6.7Ω

-

-

IZ =IR - IO

= UI - UZ R

-

UZ RL

UImax - UZ R

-

UZ RLmax

< IZmax

R

> 15 50 +

6
6 1

kΩ=161Ω

UImin - UZ R

-

UZ RLmin

> IZmin

40

R<

10 - 6

5

+

6 0.6

kΩ=267Ω

第二节 半导体二极管
[例1.2.2]已知uI = Umsin ωt ,画出uO和uD的波形

VD iO

uI Um

+ uI

+

uD

R

+ uO

-

-

O

uo
Um

io

ωt

uI>0 时二极管导通, O

ωt

uO = uI uD = 0

uD

uI <0 时二极管截止, O

ωt

uD = uI uO = 0

-Um

41

第二节 半导体二极管

[例1.2.3] 二极管可用作开关

VD

正向偏置,相当于开关闭合。 S

V

V

VD反向偏置,相当于开关断开。 S

V

V

42

第二节 半导体二极管
[例1.2.4] 有两个稳压管 VD1 和 VD2 ,它们的稳压值 为UZ1 = 6 V,UZ2 = 8 V,正向导通压降均为 UD = 0.6 V,将它们串联可得到几种稳压值?

+

VD1

VD2

U

-

-
VD1 U
VD2
+

+

-

VD1

VD1

U

U

VD2

VD2

-

+

U =UZ1+UZ2 = 14 V

U=UD+UD = 1.2 V

U=UD+UZ2 = 8.6 V

43

U=UZ1+UD = 6.6 V

? 作业
– 1-7、1-8

第二节 半导体二极管

44

第三节 双极结型三极管
三极管的结构 三极管中载流子的运动和电流分配关系 三极管的特性曲线 三极管的主要参数
45

第三节 双极型三极管

双极结型三极管又 称为 :

半导体三极管 晶体管 (transistor) 双极型三极管或简称三极管

它们通常是组成各种电子电路的核心器件。

制作材料: 硅或锗

分类 :

NPN型 PNP型

三极管的外形如下图所示。

46

第三节 双极型三极管

一、 三极管的结构

常用的三极管的结构有硅*面管和锗合金管两种类型。

二氧化硅 e

b

b

N

N P

ePP

c

N

c
(a)*面型(NPN)

三个电极:发 基射 极极 b e 三个区:发基射区区

集电极c

集电区
47

(b)合金型(PNP)
两个PN结:发射结
集电结

第三节 双极型三极管

*面型(NPN)三极管制作工艺

SiO2

硼磷杂杂e 质质扩扩散散 b

在 N 型硅片(集电区)氧 化膜上刻一个窗口,将硼杂

质进行扩散形成 P 型基区,

P

N

再在 P 型区上刻窗口,将磷

杂质进行扩散形成N型的发射

N

区,引出三个电极即得一三

极管。

e

但必须满足下面条件才具放大能力:



c

构 示

b



N P



N

内部:
发射区杂质浓度很高 基区杂质浓度低且很薄

外部: 发射结正偏 集电结反偏

集电区面积大

C

48

第三节 双极型三极管

发射区: 杂质浓度很高

collector 集电极 c

三个区 基 区: 杂质浓度低且很薄

集电区:面积大

集电结

N 集电区

发射极 e 三个电极 基极 b

base 基极 b
发射结

P

基区

N 发射区

两个PN结

集电极 c
NPN型三极管符号
c
发射结
b
集电结
e
49

发射极 e emitter
c
b
e
PNP型三极管符号

第三节 双极型三极管
二、三极管中载流子的运动和电流分配关系

1. 发射:

集电极电流 IE = IC + IB

发射区大量电子向基区发射。

2. 复合和扩散:

ICBO

电子在基区中复合扩散。

IB

3. 收集:

b

基极电流 Rb

IBn

将扩散过来的电子

VBB

收集到集电极。

c IC
N Rc
ICn

P

VCC

IEn
N
e IE

同时形成反向饱和电流ICBO 。 发射极电流
50

3_1BJT内部载流子运动

IC = ICn + ICBO

IE = ICn + IBn

通常将 α

=

ICn IE

定义为共基直流电流

放大系数。

Rb

VBB
IC = α IE + ICBO

当ICBO << IC时,可得:

α≈

IC IE

51

第三节 双极型三极管

c IC

ICBO IB

N
ICn ICn

Rc

b IBn

P
IEn

VCC

IEn

N

e IE

第三节 双极型三极管

IC = α IE + ICBO IE = IC + IB

c IC

IC

=

α 1 -α

IB +

1

1 -α

ICBO

令β

=

α 1 -α

Rb

β :共射直流电流放大系数

可得:

VBB

ICBO IB
b IBn
e

N
ICn ICn
P
IEn IEn
N
IE

IC =β IB +(1+β )ICBO

ICEO称为穿透电流。

IC =β IB + ICEO ICEO =( 1+ β )ICBO

当ICEO << IC时,可得

52

β



IC IB

Rc VCC

第三节 双极型三极管

各参数含义:

α

=

ICn IE

:共基直流电流放大系数。

β

=

IC - ICEO IB



IC IB

:共射直流电流放大系数。

ICEO =(1+β )ICBO :集电极与发射极间穿透电流。

β=

ΔiC Δ iB

α=

ΔiC Δ iE

:共射交流电流放大系数。 :共基交流电流放大系数。

β α 和 β 满足 α = 1+β



β=

α 1-α

53

外部电流关系:

IE = IC + IB IC ≈ βIB IE =( 1+ β )IB

β



IC IB

IB

B

Rb
VBB
C
IC
IE E
54

第三节 双极型三极管

c IC

ICBO IB

N
ICn ICn

Rc

b IBn

P
IEn

VCC

IEn

N

e IE

第三节 双极型三极管

三 晶体管的特性曲线

利用三极管的输入、输出特性曲线,可以较全面地描

述三极管各极电流和电压之间的关系。本节主要介绍

NPN三极管的共射特性曲线。

UC IC

Rc

IB b

c VCC

IB b

UB

Rb

e

UB
Rb VBB

VBB

UE IE

c
UC IC

N

P

N

UE
e

IE

Rc VCC

55

第三节 双极型三极管

? ? 一、输入特性曲线 iB ? f uBE UCE ?常数
UCE=0V UCE =0.5V

UCE=0V
c IC
Rc

IB(?A) 80

UCE ?1V

IB

VCC

b

60

Rb

导通压降U:

40

硅锗管管UUBBEE

?0.6~0.8V ?0.1~0.3V

VBB e IE

20

IB b

0.4 0.8 UBE(V)
56

Rb VBB_

ec

第三节 双极型三极管

? ? 二、输出特性曲线 iC ? f uCE
饱和区

IB ?常数

4

iC(mA)

iC不随iB变, 随uCE急变, IC<βIB

放大区 IC=β IB
100?A

c IC Rc

IB

VCC

3

80?A

b

60?A

Rb

2

40?A

VBB e IE

1

20?A

iC=ICEO穿透电流

IB=0 截止区

3

6 9 1257 UCE(V) IB≈0,IC≈0

第三节 双极型三极管

输出特性三个区域的特点:
(1) 截止区:发射结反偏,集电结反偏 UBE< 0 , UBC< 0 ,IB=0 , IC=ICEO ?0

(2) 放大区:发射结正偏,集电结反偏 IB

UBE>0 , UBC<0
IE=IC+IB,, IC=?IB , 且 ?IC = ? ?IB

b Rb

UB

c
UC IC
N
P
N

Rc VCC

(3) 饱和区:发射结正偏,集电结正偏 UBE>0 , UBC>0

VBB

UE
e

IE

IC<?IB,UCE?0.3V(饱和电压)

临界饱和时, UBE=UCE UBC=0
58

第三节 双极型三极管
[例1.3.1] 判断图示各电路中三极管的工作状态。

Rc

Rb Rc

VT

VCC

VT

Rb

VBB

UBE<0,UBC<0 发射结反偏; 集电结反偏; 工作在截止区

UBE<0,UBC<0 发射结反偏; 集电结反偏; 工作在截止区

59

0.7V
VCC

0.3V
VT

UBE>0,UBC>0 发射结正偏; 集电结正偏; 工作在饱和区

例1: ?=50, VCC =12V,
Rb =70k?,RC =6k?,UBE=0.7V
分析VBB = -2V,2V,5V时晶体 管的工作状态。 解:①当VBB = -2V时: UBE<0V,晶体管截止 IB=0 , IC=0

第三节 双极型三极管
IC

IB B

C

Rb UBE E

VBB IE

RC UCE
VCC

②当VBB =2V时: UBE>0,晶体管导通

IB

?

VBB ?U BE Rb

?

2 ? 0.7 70

?

0.019mA

IC最大饱和电流:

I Cm a x

?

VCC RC

? 12 6

? 2mA

IC< ICmax 工作在放大区。

IC ? ?IB ? 50 ? 0.019mA ? 0.95mA

60

例1: ?=50, VCC =12V,
Rb =70k?,RC =6k?,UBE=0.7V 分析VBB = -2V,2V,5V时晶体 管的工作状态。
③当VBB =5V时: UBE>,晶体管导通

第三节 双极型三极管
IC

IB B

C

Rb UBE E

VBB IE

RC UCE
VCC

IB

? VBB ?U BE Rb

?

5 ? 0.7 70

? 0.061mA

IC ? ?I B ? 50 ? 0.061mA ? 3.05mA

IC最大饱和电流:ICmax ? 2mA IC> ICmax 工作在饱和区。

或者:假设工作在放大区 uC E ? VCC ? iC RC 假设错误,工作在饱和区。 ?12V ? 6K??3.05mA ? ?6.3V

61

四、 三极管的主要参数
1. 电流放大系数 ? 共射电流放大系数β ? 共射直流电流放大系数β ? 共基电流放大系数α

第三节 双极型三极管

β=

ΔiC Δ iB

β



IC IB

α=

ΔiC ΔiE

? 共基直流电流放大系数 α 2. 反向饱和电流

α

=

IC IE

? 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO ? 集电极和发射极之间的穿透电流 ICEO
两者满足 ICEO =(1+β )ICBO

62

第三节 双极型三极管

3. 极限参数

a. 集电极最大允许电流 ICM

b. 集电极最大允许耗散功率 PCM
iC/mA

iCuCE=PCM

c. 极间反向击穿电压
ICM 集射反向击穿电压 U(BR)CEO

过流区 过 损





安全



压 区

集基反向击穿电压

U(BR)CBO

O

工作区
U(BR)CEO uCE/V
三极管的安全工作区

63

第三节 双极型三极管

五、 PNP型三极管

PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同,外

部电流关系相同,但外加电源的极性相反、电流

方向相反。

IC

IB Rc

+ VT

VCC

ui

Rb
IE

uO

IC

Rc

IB

VT + VCC

ui

Rb
IE

uO

VBB

-

IC ≈ βIB VBB

-

IE = IC + IB

IE =( 1+ β )IB
64

? 作业
– 1-13、1-14

第三节 双极型三极管

65

第四节 场效应三极管
结型场效应管 绝缘栅场效应管 场效应管的主要参数
66

第四节 场效应三极管

场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子 (多数载流子),故称为单极型三极管。

结型场效应管 分类:

N沟道 P沟道

增强型

绝缘栅场效应管

耗尽型

N沟道
P沟道 N沟道 P沟道

67

一. 结型场效应管

第四节 场效应三极管

1. 结型场效应管的结构(以N沟为

例)

漏 极d

两个PN结夹着一个N型沟道。

-

三个电极:

g:栅极

d:漏极 符号: s:源极
-d
g
--

栅 极g

-

p+

p+

-d

N

g

--

s N沟道

s P沟道

源-极s

两个高 掺杂P 区接在 一起

68

2. 结型场效应管的工作原理
(1)栅源电压对沟道的控制作用
在栅源间加负电压uGS ,令uDS =0 ①当uGS=0时,为*衡PN结,导电
沟道最宽。

第四节 场效应三极管
ddd iD=0

②当│uGS│↑时,PN结反偏,耗 尽层变宽,导电沟道变窄,沟 道电阻增大。

gg g
pp++p+

pp++p+

③当完│全u合GS拢│↑,此到时一定uG值S=时UG,S(o沟ff) 道会VVGGGVGGG

NNN

UGS(off) :夹断电压,使导电沟道完全合

ss s

拢(消失)所需要的栅源电压uGS。

69

第四节 场效应三极管
(2)漏源电压对沟道的控制作用

在漏源间加电压uDS ,令uGS =0 由于uGS =0,所以导电沟道最宽。

dddiiiddd

①当uDS=0时, iD=0。

②uDS↑→iD ↑
→靠*漏极处的耗尽层加宽, 沟道变窄,呈楔形分布。

gg

pppp++++

ppp+p+++

VVVDDDDDD

③当uDS ↑,使uGD=uG S- uDS=UGS(off)

NN

时,在靠漏极处夹断——预夹断。

sss

④uDS再↑,预夹断点下移。

预夹断前, uDS↑→iD ↑。 预夹断后, uDS↑→iD 几乎不变。

70

第四节 场效应三极管

(3)栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用 沟道变窄程度是上述两种情况的叠加,即速度加快。

?uGS =0时,耗尽层较窄,导电沟道较 宽iD较大 ?uGS <0时,耗尽层变宽,导电沟道变窄 ,iD减小

dd iD
id

?uGS 更负时,耗尽层更宽,导电沟道更窄

,iD更小 ?uGS ≤UGS(off)时,耗尽层

gg

p+

p+

VDD

更宽,导电沟道完成被夹断

,iD=0

VGG
N

?结型场效应管通过uGS 改变耗尽 层宽度,从而控制漏极电流iD

s

71

第四节 场效应三极管
3、 结型场效应三极管的特性曲线

(1)输出特性曲线: iD=f( uDS )│uGS=常数

d

id

i D (mA) iD受uGS控制

uGSS==00VV

g

p+

p+

VDD

VGG

s

uuGGS=S =--11VV
uGS =-2V
uGS=-3V
u
DS
UGS(Off)= -3V

72

第四节 场效应三极管

四个区:
(a)可变电阻区 (预夹断前)
(b)恒流区也称饱和 区(预夹断 后)
恒流区的特点: △ iD /△ uGS = gm ≈常数 即: △ iD = gm △ uGS
(放大原理)

可变电阻区

恒流区

i D (mA)

uGS=0V uGS =-1V

击穿区

uGS =-2V
uGS=-3V
u
DS
截止区

(c)夹断区(截止区)

(d)击穿区。

73

第四节 场效应三极管

(2)转移特性曲线: iD=f( uGS )│uDS=常数

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。

例:作uDS=10V的一条转移特性曲线:

i D (mA)
4
3

uGS=0V uGS =-1V

转移特性曲线 i D (mA)
4 IDSS
3

2

uGS =-2V

2 饱和漏极电流

1

uGS=-3V

1

10V

u
DS

(V)

-4 -3 -2 -1 0

u
GS

(V)

iD

?

I DSS

(1 ? uGS U GS(off)

)2

74

第四节 场效应三极管
二、 绝缘栅型场效应管
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 109 ? 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。

75

第四节 场效应三极管

1.N沟道增强型MOS管

(1)结构

4个电极:漏极D,

源 极s 栅 极-g 漏 极d

源极S,栅极G和 衬底B。 -

-

二氧化 硅绝缘


N+

N+

-d

符号: g

--

b

s

76

P衬 底
- 通常将衬底与 衬 底b 源极接在一起

(2)工作原理 ①栅源电压uGS的控制作用

第四节 场效应三极管

S

D

当uGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管,在 d、s之间加上电压也不会形成电流,即管子截止。 B

设uDS=0V, uGS>0V时→栅底*行板电容器产生纵向电场

栅极下方空穴向下排斥→负离子耗尽层。---
同时将P区少子电子聚集到

sss VVVDDDDDDDD VVVGGGGGG -g-g-g

栅极下方,当uGS增大到一定值

iididd

--d-dd
二二二二氧氧氧氧化化化化硅硅硅硅

时,吸引足够多电子,形成

电荷层(反型层), 得到导电

NNNN++++

NNN+++

沟道。

如果此时加有漏源电压uDS, 就可以形成漏极电流id。
77

PPPP衬 衬 衬衬底 底 底底
bbb

第四节 场效应三极管
定义: 开启电压( UGS(th))——刚刚产生沟道所需的 栅源电压UGS
N沟道增强型MOS管的基本特性: uGS < UGS(th),管子截止, uGS >UGS(th),管子导通。 uGS 越大,沟道越宽,在相同的漏源电压uDS作 用下,漏极电流ID越大。
78

第四节 场效应三极管
②漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用 当uGS>UGS(th),且固定为某一值时,分析漏源电 压VDS对漏极电流ID的影响(设UGS(th)=2V, uGS=4V)

(a)uds=0时, id=0。 (截止区) s VDD

(b)uds ↑→id↑;同时沟道靠 漏区变窄。(可变电阻区)

- --

ssVsGG g- VDVVDDDDD

VGVVGGGGG -g-g-g

id idiidd

-d -d--dd
二氧化硅

(c)当uds增加到使ugd=UGS(off) 时,沟道靠漏区夹断,称为预
夹断

N+ NN+N++

二二二氧氧 氧化化化硅硅硅
N+ NN++

(d)uds再增加,预夹断区 加长, uds增加的部分基本降 落在随之加长的夹断沟道上

P衬 底 P衬 PP衬衬底底 底
b bb

, id基本不变(恒流区) 79

(3)特性曲线

第四节 场效应三极管

①输出特性曲线:iD=f(uDS)?uGS=const

四个区:

(a)可变电阻区

i D (mA)

(预夹断前)。可变电阻区

恒流区 iD受uGS控制
uGS=6V

(b)恒流区也称饱和 区(预夹断 后)
(c)夹断区(截止区) (d)击穿区。

uGS =5V uGS =4V uGS=3V
截止区

击穿区

u
DS

(V)

80

第四节 场效应三极管
②转移特性曲线: iD=f(uGS)?uDS=const

可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。

例:作uDS=10V的一条转移特性曲线:

i D (mA)
4

uGS=6V

IDO4

i i D (mA) D

?

u I ( GS U DO
T

? 1) 2

3

uGS=5V

3

2

uGS=4V

2

1

uGS=3V

1

10V

u
DS

(V)

2 46

u
GS

(V)

UT

81

第四节 场效应三极管

一个重要参数——跨导gm:

gm=?iD/?uGS? uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上, gm为曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。

i D (mA)
4

uGS=6V

i D (mA)
4

3

3

=5V

2
△ iD
1

△ uGS
=3V
10V

2

1

u
DS

(V)

△ iD △ uGS
2 46

u
GS

(V)

82

第四节 场效应三极管

2.N沟道耗尽型MOSFET

在栅极下方SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以

当uGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟

道 特点:

源 极s 栅 极-g 漏 极d

-

-

当uGS=0时,就有沟道,

-d

加入uDS,就有iD。 当uGS>0时,沟道增宽,

++++++++++++

N+

N

g
--b

iD进一步增加。 当uGS<0时,沟道变窄,

P衬 底

-
s

iD减小。

-

定义:

衬 底b

夹断电压—沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS, 也记为 UGS(off) 。

83

第四节 场效应三极管

N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线

输出特性曲线

转移特性曲线

i D (mA)
4 3
2 1

uGS =+2V
uGS =+1V uGS =0V uGS= -1V 10V uGS = -2V

i D (mA)
4
3

2

1
uDS (V)
-2 -1 0 1 2

uGS (V)

UGS(off)

84

三、 场效应管的主要参数

第四节 场效应三极管

1. 直流参数 ⑴ 饱和漏极电流 IDSS 是耗尽型场效应管的一个重要参数。

它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零, 而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。 ⑵ 夹断电压 UGS(off) 是耗尽型场效应管的一个重要参数。

其定义是当uDS一定时, 使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。

85

第四节 场效应三极管
⑶ 开启电压 UGS(th) UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时, 使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。 ⑷ 直流输入电阻 RGS 栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。 结型场效应管的RGS一般在107Ω以上, 绝缘栅场效应管的RGS更高,一般大于109Ω。
86

第四节 场效应三极管

2. 交流参数

⑴ 低频跨导gm

用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。

gm

?

?iD ?uGS

uDS ?常数

⑵ 极间电容

场效应管三个电极之间的等效电容,

包括CGS 、 CGD和CDS 。 极间电容愈小,管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。

87

第四节 场效应三极管
3. 极限参数 ⑴ 漏极最大允许耗散功率PDM 漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积, 即pD= iD uDS。 ⑵ 漏源击穿电压U(BR)DS 在场效应管的漏极特性曲线上,当漏极电流iD急剧上
升产生雪崩击穿时的uDS 。 ⑶ 栅源击穿电压U(BR)GS
88

? 作业
– 1-16,1-17

第四节 场效应三极管

89

第1章
复*
首页

一、两种半导体和两种载流子

两种载 电子

流子

空穴

二、二极管

两 种 N 型 (多电子) 半导体 P 型 (多空穴)

P型半导体 - - -- - - -- - - --

N型半导体 ++ + + ++ + + ++ ++

PN结形成

空间电荷区

P

耗尽层

N

内电场

二极管方程

uD

uD
iD ? IS (eUT ? 1)

uD ? 0, iD ? ISeUT
uD ? 0, I ? ?IS ? 0

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二极管的伏安特性

I / mA

60

40

20

–50 –25

反 向

0 0.5 1.0 U / V 击穿电–压0.002



U(BR–) 0.004



死区电压

硅管的伏安特性 开启电压

I / mA
15 10 5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 U / V
–0.02
锗管的伏安特性
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二极管的等效模型
理想模型 (大信号状态采用)

正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合 iD 反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开

恒压降模型
正偏电压 ? UD(on) 时导通

等效为恒压源UD(on) UD(on)

uD

否则截止,相当于二极管支路断开

硅管: UD(on) = (0.6 ? 0.8) V 估算时取 0.7 V

锗管:

(0.1 ? 0.3) V

0.2 V

折线*似模型

相当于有内阻的恒压源 UD(on)

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特殊二极管

稳压二极管 发光二极管 光电二极管

工作条件 反偏 正偏 反偏

主要用途 稳压 发光 光电转换

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三、两种半导体放大器件

双极型半导体三极管(晶体三极管 BJT)

两种载流子导电

单极型半导体三极管(场效应管 FET)

晶体三极

多数载流子导电



1. 形式与结构

NPN PNP

三区、三极、两结

NPN 型三极管

2. 特点

C

C

B

B

基极B

E

E

基极电流控制集电极电流并实现放大 符号

集电极C

集电区

N

集电结

P

基区

发射结 N
发射区

发射极E

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放 内因:发射区载流子浓度高、





基区薄、集电区面积大



外因:发射结正偏、集电结反偏

IB

3. 电流关系
IE = IC + IB
IC = ? IB + ICEO IE = (1 + ?) IB + ICEO

IE =

晶体管内部载流子关系

进入P 区的电子少 部分与基区的空穴 复合,形成电流IB 多数扩散到集电结
b

C

IB

B

Rb

E VBB
正偏:
P正N负
IC + IB

IC ? ?IB
c
IC
IC N

IB

P

IEN

e IE

IE=IC+IB

从基区扩散 来的电子作 为少子,漂 *爰 区被收集, 形成IC。
RC
VCC
发射结正偏,发 射区电子不断向 基区扩散,形成 发射极电流IE。

IC = ? IB

IE = (1 + ? ) IB

IB

IC IE
IC IE

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4. 特性
Rb

iB
?A
V UBE

iC
mA
RC VCC
V UCE

(1)输入

? ? i ? f u VBB

B

BE UCE ?常数

(2)输出
? ? iC ? f uCE IB ?常数

输入特性 UCE=0V 80

UCE =0.5V IB(?A)

UCE ?1V

60
死区电 40 压,硅管 0.5V,锗 20 管0.2V。

工作压降: 硅管 UBE?0.6~0.7V,锗 管UBE?0.2~0.3V。
0.4 0.8 UBE(V)

输出特性
此区域满4 足 IC=? IB 称为线性3 区(放大 区)。 2

IC(mA )

1

36

当UCE大于一 定的10数0?值A 时,IC只与IB 有 关8,0?IAC=? IB。
60?A
40?A
20?A IB=0 9 12 UCE(V)

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5. 参数 特性参数

电流放大倍数 极间反向电流

?

?

?

?IC ?IB

___
??

IC IB

共射

?

? ? IC

共基

ICBO

IE

ICEO = (1 + ?) ICBO

ICM 极限参数 PCM
U(BR)CEO

ICiCM 安 全 PCM 工 作 区
ICEO O

U(BR)CEOuCE
首页

场效应管

按导电沟道分 N 沟道 P 沟道

按结构分

结型 (耗尽型)

绝缘栅型 增强型

(MOS)

耗尽型

N沟道

源 极s 栅 极-g 漏 极d

绝缘栅 -

- 增强型

结型
耗尽型

漏 极d

-

结型场效应管工作原理

栅源电压作用

漏源电压作用

ddd

dddiiiddd

gg g pp++p+

pp++p+

VVGGGVG G G

NNN

ss s

gg

pppp++++

ppp+p+++

VVVDDDDDD

NN sss

-
g

d

栅 极g

--

-

p+

p+

s

N

源-极s

N+

N+

P衬 底

源 极s 源- 极s

衬栅 栅底极 极b-g-g-

漏 极d 漏 极-d

源- 极s 栅 极-g 漏 极-d

- ++++++++++++ -

N + ++++++++++++ N

N + ++++++++++++ N

N+

N

P衬 底

P衬 底

P衬 底衬 底b衬 底b衬 底b

-d
g

-绝缘栅场效应管工作原理(N沟道增强型)

①栅源电压uGS的作用

---

sss VVVDDDDDD

sVVGGGG

VDD -g-g-g

VGG -g

idid id

--d-d-dd 二二二氧氧氧化化化硅硅硅

S

二氧化硅

B

NNN+++

NNN+++

N+

N+

PPP衬衬衬底底底 P衬 底
bbb b

开启电压UGS(th)

D
-

-

b

s

耗尽型

-d g

-

N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线

输出特性曲线

转移特性曲线

i D (mA) 4 3
2 1

uGS =+2V
uGS =+1V uGS =0V uGS= -1V 10V uGS = -2V=UP

i D (mA) 4 3
2 1 uDS (V) -2 -1 0 1 2

uGS (V)

UGS(off)

-

b

s

按特性分 增强型 uGS = 0 时, iD = 0 耗尽型 uGS = 0 时, iD ? 0

特点 栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流 输入电阻高(栅极电流小),工艺简单,易集首成页




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