山东理工大学模电第一章2X.ppt

(1-1),参考书,1、模拟电子技术基础习题集 随书 2、电子技术基础 康华光 主编 高等教育出版社 3、模拟电子技术基础 余孟尝 主编 高等教育出版社,(1-2),第一章 常用半导体器件,半导体器件是近代电子学的重要组成部分. 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。,复习,1. 半导体及特性,2. 名词解释（6个）,4. * 重点与考点：3-判断、选择题,3. 2个*（*1、电流与载流子的关系；*2、N、P、本征半导体呈中性）,(1-4),N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,(1-5),N型半导体,多余电子,磷原子,(1-6),N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,(1-7),P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,(1-8),空穴,P型半导体,硼原子,(1-9),总 结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,(1-10),杂质半导体的示意表示法,(1-11),1.2 PN结及其单向导电性,1.2.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,(1-12),P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,(1-13),扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-14),所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(1-15),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(1-16),(1-17),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,请注意,(1-18),1.2.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N区加正电压。,(1-19),PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。,(1-20),PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,(1-21),PN结加上正向电压,(1-22),(1-23),PN结伏安特性,在PN结的两端加上电压后，通过管子的电流I随管子两端电压V变化的曲线-伏安特性。,其中 IPN结二极管的电流(安) IS反向饱和电流(安) u -外加电压(伏) UT-温度的电压当量 e自然对数的底,(1-24),1.2.3 PN结的反向击穿特性,1、反向电压小，很小的反向饱和电流。 2、加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，PN结的反向击穿(电击穿) 、发生击穿所需的反向电压UB 称为反向击穿电压。 、PN结电击穿可分为“雪崩击穿”和“齐纳击穿”两种类型。,(1-25),PN结反向电压增加时，空间电荷区中电场增强，电子和空穴获得很大的能量，在运动中不断与晶体原子发生“碰撞”，当电子空穴能量足够大时，“碰撞”可使价电子激发，形成电子空穴对，称为“碰撞电离”。新产生的电子和空穴，在电场作用下也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子空穴对，这就是载流子的“倍增效应” 。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就象在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。,雪崩击穿的物理过程,(1-26),(1-27),较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存在一个强电场，它能够直接破坏共价键，将束缚电子拉出来形成电子-空穴对，因而形成较大的反向电流。齐纳击穿一般发生在杂质浓度大的PN结中。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄， 即使反向电压不太高，在PN结内就可形成很强的电场，容易形成齐纳击穿。,齐纳击穿的物理过程,(1-28),一般整流二极管掺杂浓度不很高，它的电击穿多数是雪崩击穿。齐纳击穿多数出现在特殊的二极管中，如稳压二极管。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，所以使用时应尽量避免出现击穿现象。,(1-29),1.2.4 PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CT 二是扩散电容CD,(1-30),(1) 势垒电容CT,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,势垒电容示意图,(1-31),扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,(2) 扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。,(1-32),图 扩散电容示意图,当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。,(1-33),势垒、扩散电容都与结面积S成正比 点接触二极管的结面积很小，CT、CD都很小，只有0.5几pF。 面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几pF200pF。 在等效电路中，CT和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即 C=CT+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，CCD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，CCT。,(1-34),1.3 半导体二极管,半导体二极管的结构类型,半导体二极管的伏安特性曲线,半导体二极管的参数,半导体二极管的温度特性,半导体二极管的型号,特殊二极管,(1-35),1.3.1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和外壳，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， 用于检波和变频等高频电路。,(1-36),(3) 平面型二极管,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) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(1-37),面接触型,(1-38),1.3.2 半导体二极管的伏安特性,式中IS 为反向饱和电流，u为二极管两端的电压降，UT =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UT=26 mV。,处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,(1.1),(1-39),图 二极管的伏安特性曲线,图示,(1-40),(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。,(1-41),(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 。,(1-42),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|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，有可能获得 零温度系数点。,(1-43),伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),(1-44),1.3.3 半导体二极管的参数,半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频率fM和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：,(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UBR 和最大反向工作电压URM,(1-45),(3) 反向电流IR,(4) 正向压降UF,(5) 动态电阻rd,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倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF,(1-46),vD,rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。,(1-47),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：,(1-48),半导体二极管图片,(1-49),半导体二极管图片,(1-50),半导体二极管图片,(1-51),半导体二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减 小，每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV， 即具有负的温度系数。,(1-52),图 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,(1-53),1.3.4 二极管的模型,1. 理想模型 所谓理想模型，是指在正向偏置时，其管压降为零，相当于开关的闭合。当反向偏置时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开。具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。 在实际电路中，当电源电压远大于二极管的管压降时，利用此模型分析是可行的。,(1-54),2恒压降模型 所谓恒压降模型模型，是指二极管在正向导通时，其管压降为恒定值，且不随电流而变化。硅管的管压降为0.7V，锗管的管压降为0.3V。 只有当二极管的电流ID大于等于1ma时才是正确的。 在实际电路中，此模型的应用非常广泛。,(1-55),例1.3.1 一限幅电路如图1.3.6（a）所示，R=1k,UREF=3V。（1）当ui=0V、6V时，用两种模型分别求输出uO的值；（2）当ui=6sint V时，画出输出电压uo的波形（用理想模型）。,(1-56),例：二极管的应用：,uo,(1-57),1.3.5 稳压二极管,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与硅二极管的伏安特性曲线完全一样,图见下页,(b),(1-58),图 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),(1-59),从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ ,(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,(1-60),(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。,(1-61),(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 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,(1-62),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。,(c),(1-63),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(1-64),发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,(1-65),1.4 半导体三极管,1.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,(1-66),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,(1-67),发射结,集电结,(1-68),双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。 它有两种类型:NPN型和PNP型。 图 两种极性的双极型三极管,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B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,(1-69),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。,(1-70),1.4.2 电流分配和放大原理,EB,RB,Ec,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。,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,1 载流子传输过程,(1-71),EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,2,(1-72),IB=IBE-ICBOIBE,3,(1-73),(1-74),由载流子的传输过程可知，由于电子在基区的复合，发射区注入到基区的电子并非全部到达集电极，管子制成后，复合所占的比例就定了。也就是由发射区注入的电子传输到集电结所占的百分比是一定的，这个百分比用表示，称为共基极电流放大系数。,2 三极管内的电流分配关系,(1-75),IC=Inc+ICBO,(1-76),IE=IB+IC IC=IE+ICBO IB=IB-ICBO IB=(1-)IE,(1-77),双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,3 三极管的放大作用,(1-78),共基极放大电路,Ui=20mv IE l mA IC=IE 当=0.98 时，IC098mA UOIC RL098mAlK0.98V,(1-79),三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电区而实现的。,(1-80),为了保证这一个传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置、集电结要反向偏置。,(1-81),三极管内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流(IE) 给定了，输出电流(IC)和输出电压便基本确定了。,(1-82),输入信号Ui 是首先 通过发射极的电压变化改变输入电流IE的，再利用IE 的变化去控制IC，而表征三极管电流控制作用的参数就是电流放大系数。,(1-83),4. 共射极连接方式,设0.98，当Ui 变化20 mV时，能引起基极电流的变化IB =20A,ICIE=0.981mA=0.98mA UC=-ICRL=-0.981K=-0.98V,(1-84),从三极管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,(1-85),共基极电路是以发射极电流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。,(1-86),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。 共射极和共基极的接法不同。但它们放大信号的物理本质是相同的。 通过共基极电流放大系数来导出表征三极管在共射极接法时放大能力的电流放大系数(以表示) 。,(1-87),(1-88),共射极电路不但能得到电压放大，而且还可得到电流放大，所以共射极电路是目前应用最广泛的一种组态,发射区每向基区供给一个复合用的载流子，就要向集电区供给多个载流子,(1-89),1.4.3 特性曲线,三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现。 由于三极管和二极管一样也是非线性元件，不能用一个固定的数值或一个简单的方程式来表示各电极电压与电流之间的关系，所以要用伏安特性曲线对它进行描述。 伏安特性不象二极管那样简单。 工程上最常用到的是三极的输入特性和输出特性曲线。,(1-90),输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,1 共发射极电路的特性曲线,(1-91),这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E 两电极取出。,输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,(1-92),共射极电路的特性曲线,IC,实验线路,(1-93),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uBE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uCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使uCE=const(常数)。,uCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即uCE对iB的影响 。,(1-94),共发射极接法的输入特性曲线见图。其 中uCE=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。曲线的右移是三极 管内部反馈所致，右移 不明显说明内部反馈很 小。输入特性曲线的分 区：死区 非线性区 线性区 图共射接法输入特性曲线,(1-95),(2)输出特性曲线,输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,(1-96),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uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当uCE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= 0.7 V 集电区收集电子的能力 很弱，iC主要由vCE决定。 图共发射极接法输出特性曲线,(1-97),当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 uCE 1 V uBE 0.7 V 运动到集电结的电子 基本上都可以被集电 区收集，此后uCE再增 加，电流也没有明显 的增加，特性曲线进 入与uCE轴基本平行的 区域 (这与输入特性曲 线随uCE增大而右移的 图共发射极接法输出特性曲线 原因是一致的),(1-98),输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的 数值较小，一般uCE0.7 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iC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iC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，电压大于 0.7 V左右(硅管) 。,(1-99),IC(mA ),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，IC=IB。,(1-100),此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(1-101),此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,(1-102),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 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,1.4.4 半导体三极管的参数,(1-103),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(uCE=const)来求 取IC / IB ，如图所示。在IC较小时和IC较大 时， 会有所减小，这一关系见图02.08。,图02.08 值与IC的关系,图 在输出特性曲线上决定,(1-104),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+ ,(1-105),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 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 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。,(1-106),图 ICEO在输出特性曲线上的位置,(1-107),(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 轴的直线求取 IC/IB。或在图上 通过求某一点的 斜率得到。,图 在输出特性曲线上求,(1-108),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。,特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与 工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(1-109),(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。 图02.08 值与IC的关系,(1-110),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。在计算时往往用VCE取代VCB。,(1-111),反向击穿电压,反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电 压的能力，其测试时的原理电路如图所示。 图 三极管击穿电压的测试电路,(1-112),1.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。 下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB 代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,2.V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。 对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO,(1-113),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，见图。 图 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,(1-114),1.5 场效应晶体管,由于三极管工作时,总是从信号源吸取电流,它是一种电流控制器件,输入阻抗较低。效应管是通过改变输入电压（或电场）来控制输出电流，属于电压控制器件。它几乎不从信号源吸取电流，输入阻抗很高，可达1010以上。另外，它还具有稳定性好、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所以得到广泛的应用。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,(1-115),N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 。其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。 图 N沟道增强型 MOSFET结构示意图,1.5.1 绝缘栅场效应三极管,绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,(1-116),一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,(1)N沟道增强型MOSFET 结构,根据图， N沟道增强 型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，,(1-117),(1-118),当栅极加有电压时，若 0VGSVGS(th)时，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，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 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。,工作原理 1栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,(1-119),VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th) 时（ VGS(th) 称为开启电压)，由于此 时的栅极电压已经比较强，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。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流ID。在栅 极下方形成的导电沟道中的电子， 因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管。,(1-120),(1-121),图 VGS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/VGS VDS=const (单位mS),ID=f(VGS)VDS=const,(1-122),2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图所示。根据此图可以有如下关系,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,图 (a) 漏源电压VDS对沟道的影响,(1-123),当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图所 示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的 情况，称为预夹断。,当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图所示。 此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS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。,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响， 即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图所示。这 一曲线称为漏极输出特性曲线。,(1-124),(1-125),(1-126),(1-127),(2)N沟道耗尽型MOSFET,当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特 性曲线如下图所示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图 所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,(1-128),(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线,(1-129),(1-130),(3)P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,(1-131),1.5.2 结型场效应三极管,(1)结型场效应三极管的结构 JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 图结型场效应三极管的结构）,(1-132),(1-133),(2) 结型场效应三极管的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,(1-134), 栅源电压对沟道的控制作用,当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。 当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。,(1-135),图 VGS对沟道的