[工学]第一章 半导体二极管和三极管康润生版.ppt

第第1 1章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 第一节 半导体的导电特性半导体的导电特性 第二节 半导体二极管半导体二极管 第三节 稳压二极管稳压二极管 第四节 半导体三极管半导体三极管 第五节 场效应管场效应管 常温下，人们根据自然界中物质的导电性能的优劣将其常温下，人们根据自然界中物质的导电性能的优劣将其 分成三类：分成三类： 第一类是导电性能良好的物质，如铜、铁、铝等金属，第一类是导电性能良好的物质，如铜、铁、铝等金属， 称之为导体。称之为导体。 第二类是几乎不导电的物质，如橡胶、玻璃、陶瓷等，第二类是几乎不导电的物质，如橡胶、玻璃、陶瓷等， 称之为绝缘体。称之为绝缘体。 第三类是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅第三类是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅 、锗、硒等，称之为半导体。半导体的应用十分广泛，主要是、锗、硒等，称之为半导体。半导体的应用十分广泛，主要是 制成有特殊功能的元器件，如晶体管、集成电路、整流器、激制成有特殊功能的元器件，如晶体管、集成电路、整流器、激 光器以及各种光电探测器件、微波器件等。光器以及各种光电探测器件、微波器件等。 导体、绝缘体和半导体：导体、绝缘体和半导体： 第一节第一节 半导体的导电特性半导体的导电特性 半导体的导电特性：半导体的导电特性： ( (可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻) )。 掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变( (可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。 光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 ( (可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等) )。 热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个 。 Si 硅原子 Ge 锗原子 硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点 阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原 子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间 形成共价键，共用一对价电子。 晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式 Ge、Si的晶体结构 一、一、本征半导体本征半导体 本征半导体是化学成分纯净、物理结构完 整的半导体。 半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两 种形态，制造半导体器件必须使用单晶体， 即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的 。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很 高，要达到99.9999999%，常称为“九个9” 。 完全纯净的、具完全纯净的、具 有晶体结构的半导有晶体结构的半导 体，称为本征半导体，称为本征半导 体。体。 硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子。 Si Si Si Si 价电子 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中， 称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成 为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少， 所以本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八 个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原 子规则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电 子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以 运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。 当温度升高大于0 K时，或受到光的照射等外 界激发时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱 原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电， 同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 这一现象称为本征激发（也称热激发）。 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理 自由电子空穴 束缚电子 本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，空 穴吸引临近的电子来填 补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可以认为空穴 是载流子。 本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导 体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素，这是半导体的一大特点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现 两部分电流：两部分电流： (1)(1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 (2)(2)价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流 注意：注意： (1) (1) 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性能很差；其导电性能很差； (2) (2) 温度愈高，温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多, ,半导体的导电性能半导体的导电性能 也就愈好。也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。 自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合空穴成对地产生的同时，又不断复合 。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡 ，半导体中载流子便维持一定的数目。，半导体中载流子便维持一定的数目。 小结： 1. 半导体中两种载流子：带负电的自由电子和 带正电的空穴。 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为电子-空穴对。 3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等。 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生 又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合 运动会到达平衡，载流子的浓度就一定了。 小结： 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随温度的 升高，基本按指数规律增加。 二、杂质半导体二、杂质半导体 本征半导体中载流子的浓度与原子浓度相比仍本征半导体中载流子的浓度与原子浓度相比仍 很小，所以其导电性能还很差，不能用来制造半很小，所以其导电性能还很差，不能用来制造半 导体管。为了提高半导体的导电性能，就必须提导体管。为了提高半导体的导电性能，就必须提 高载流子的浓度，为此只要在本征半导体中掺入高载流子的浓度，为此只要在本征半导体中掺入 微量三价元素（如硼或铝）或五价元素（如磷或微量三价元素（如硼或铝）或五价元素（如磷或 砷），就能产生大量的载流子。砷），就能产生大量的载流子。 根据掺入杂质的性质不同，将杂质半导体分根据掺入杂质的性质不同，将杂质半导体分 为为电子型（或称电子型（或称N N型）半导体型）半导体和和空穴型（或称空穴型（或称P P型型 ）半导体）半导体两大类。两大类。 掺杂后自由电子数目大掺杂后自由电子数目大 量增加，自由电子导电成为量增加，自由电子导电成为 这种半导体的主要导电方式这种半导体的主要导电方式 ，称为电子半导体或，称为电子半导体或N N型半导型半导 体。体。 掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Si p+ 多 余 电 子 磷原子 在常温下即可 变为自由电子 失去一个 电子变为 正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, ,形成杂形成杂 质半导体。质半导体。 在在N N 型半导体中型半导体中自由电子是多数自由电子是多数 载流子，空穴是少数载流子。载流子，空穴是少数载流子。 二、杂质半导体 + N型硅表示 五价杂质原子称为施主原子。五价杂质原子称为施主原子。 N型半导体内部示意图 常用的五价杂质元素：磷、锑、砷 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）。 掺杂后空穴数目大掺杂后空穴数目大 量增加，空穴导电成为量增加，空穴导电成为 这种半导体的主要导电这种半导体的主要导电 方式，称为空穴半导体方式，称为空穴半导体 或或 P P型半导体。型半导体。 掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在 P P 型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多 数载流子，自由电子是少数数载流子，自由电子是少数 载流子。载流子。 B 硼原子 接受一个接受一个 电子变为电子变为 负离子负离子 空穴 无论无论N N型或型或P P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。 P型硅表示 三价杂质原子称为受主原子。三价杂质原子称为受主原子。 P型半导体内部示意图 常用的三价杂质元素：硼、镓、铟 说明： 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. 杂质半导体的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. 这里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺 入一定浓度的三价或五价元素而得到的，不是 普通意义上的含有多种任意杂质的半导体。 杂质半导体的示意表示法 P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 杂质对半导体导电性的影响： 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影 响，因为多数载流子是由掺入的杂质的浓度决定 的。一些典型的数据如下： T = 300K 室温下, 本征硅的原子浓度：4.961022 /cm3 本征硅的电子和空穴浓度为: n = p =1.41010/cm3 掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为 ： n=51016 /cm3 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。 三、三、 PNPN结的形成及其单向导电特性结的形成及其单向导电特性 载流子的两种运动： 扩散运动 载流子从浓度较高的区域向浓度较低的区域的运 动称为扩散运动，形成的电流称为扩散电流。 漂移运动 在电场作用下，载流子的定向运动称为漂移运动 ，形成的电流称为漂移电流。 第一阶段：多子扩散建立空间电荷区和内电场 P区的多子（空穴）向N区扩散，同时， N 区的多子（电子）向P区扩散，两者由于复合而 成对消失。在P区留下不能移动的受主离子，在N 区留下不能移动的施主离子，于是，在P区积累 了负电荷，在N区积累了正电荷，这就是空间电 荷区，在空间电荷区内建立了由N区指向P区的 内电场。 （一）（一）PNPN 结的形成结的形成 第二阶段：内电场阻碍了多子扩散,促进少子漂移： 在内电场作用下，P区的少子（电子） 向N区漂移，而N区的少子（空穴）则向P 区漂移，使空间电荷区变窄。 （一）（一）PNPN 结的形成结的形成 第三阶段：PN结的形成： 当扩散运动和漂移运动动态平衡时， 空间电荷区的宽度固定，PN结最终形成。 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强，漂移运动越内电场越强，漂移运动越 强，而漂移使空间电荷区变薄强，而漂移使空间电荷区变薄 。 扩散的结果使空间扩散的结果使空间 电荷区变宽。电荷区变宽。 空间电荷区也称 PN 结（耗尽层） 扩散和漂移扩散和漂移 这一对相反的这一对相反的 运动最终达到运动最终达到 动态平衡，空动态平衡，空 间电荷区的厚间电荷区的厚 度固定不变。度固定不变。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 （一）（一）PNPN 结的形成结的形成 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。 我们称从N区指向P区的内电场为PN结。 因为离子薄层中的多数载流子已经扩散尽了，缺 少多子，所以这个离子薄层也称为耗尽层。所以 PN结有许多别名，离子薄层、空间电荷区、耗尽 层、内电场等等。 请注意 1）PN结外加正向电压 flash2 PN结正偏 PN结正向导通 外电场与内电场方向相反 有利于扩散进行扩散飘移 PN结变窄 外部电源不断提供电荷 产生较大的扩散电流I正 （二）（二）PNPN结的单向导电性结的单向导电性 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子 的扩散加强，形成较大的的扩散加强，形成较大的 扩散电流。扩散电流。 P接正、N接负 2）PN结外加反向电压 fla sh 3 PN结反偏 PN结反向截止 外电场与内电场方向相同 有利于漂移进行飘移扩散 PN结变厚 外部电源不断提供电荷 产生较小的反向电流I反 P P接负、接负、N N接正接正 内电场 被加强，少 子的漂移加 强，由于少 子数量很少 ，形成很小 的反向电流 。 综上所述： 当PN结正向偏置时，回路中将产生一个 较大的正向电流，PN结处于导通状态； 当PN结反向偏置时，回路中反向电流非 常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。 结论：PN结具有单向导电性。 硅材料：约0.7V 锗材料：约0.3V 3. 3. PNPN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的外加结的外加反向电压超过反向电压超过U UBR BR后稍有增加时 后稍有增加时 ，反向电流会急剧增大，这种现象称为，反向电流会急剧增大，这种现象称为PNPN结击穿，结击穿， 并定义并定义U UBR BR为 为PNPN结的击穿电压。结的击穿电压。PN PN结发生反向击穿结发生反向击穿 的机理可以分为两种：的机理可以分为两种： a.a.雪崩击穿雪崩击穿 b.b.齐纳击穿齐纳击穿 一、一、半导体二极管的结构半导体二极管的结构 二极管是由一个二极管是由一个PN PN结结结结加上相加上相应应 应应的的电电电电极引极引线线线线和管和管 壳做成的。壳做成的。 二极管的类型很多二极管的类型很多, , 按制造二极管的材料分按制造二极管的材料分, , 有有 硅二极管和锗二极管。硅二极管和锗二极管。 从管子的结构来分从管子的结构来分, , 分为分为点接触型、面接触型和点接触型、面接触型和 平面型三种。平面型三种。 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 特点：特点：结面积小、结面积小、 结电容小、正向电结电容小、正向电 流小。用于检波和流小。用于检波和 变频等高频电路。变频等高频电路。 特点：特点：结面积大、结面积大、 正向电流大、结电正向电流大、结电 容大，用于工频大容大，用于工频大 电流整流电路。电流整流电路。 (1) 点接触型二极管 (2) 面接触型二极管 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 ( c ) 平面型阴极阳极 ( d ) 符号 D 特点：特点：用于集成电路制作用于集成电路制作 工艺中。工艺中。PNPN结结面积可结结面积可 大可小，用于大功率整流大可小，用于大功率整流 和开关电路中。和开关电路中。 (3) 平面型二极管 (4) 二极管的代表符号 二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1. 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴 极接负极接负 ）时，）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。 2. 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴 极接正极接正 ）时，）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反 向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。 3. 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失 去单向导电性。去单向导电性。 4. 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反 向电流愈大。向电流愈大。 半导体二极管图片 半导体二极管图片 半导体二极管图片 二、半导体二极管的伏安特性二、半导体二极管的伏安特性 描述二极管的性能，一般用伏安特性。伏安特描述二极管的性能，一般用伏安特性。伏安特 性是指二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的性是指二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的 关系。关系。 锗二极管的伏安特性曲线 硅二极管的伏安特性曲线 硅管硅管0.5V,0.5V, 锗管锗管0 0.1V.1V 。 反向击穿 电压U(BR) 导通压降导通压降 外加电压大于死区外加电压大于死区 电压二极管才能导通电压二极管才能导通 。 外加电压大于反向击外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。失去单向导电性。 正向特性正向特性 反向特性 特点：非线性特点：非线性 硅硅0 0.60.8V.60.8V 锗锗0 0.2.20.3V0.3V U I 死区电压死区电压 P N + P N + 反向电流反向电流 在一定电压在一定电压 范围内保持范围内保持 常数。常数。 伏安特性：伏安特性： 温度对二极管伏安特性的影响： 在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移， 反向特性将下移。 二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。 二极管的伏安特性小结： 因通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，故认为 二极管正偏则导通，反偏则截止单向导电性 U I 0 UD 近似特性 U I 0 理想特性 U I 0 AA B B 伏安特性 硅锗 正向：OA段（死区）硅管约0.5V，锗管约0.2V 正向导通 硅管约0.7V，锗管约0.3V 温度增加，曲线左移 反向：OB段（截止区）I近似为0 击穿区 管子被击穿 三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 (1) (1) 最大整流电流最大整流电流 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作 时应使平均工作电流小于时应使平均工作电流小于 F F , , 如超过如超过 , , 二极管将二极管将 过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热 情况。情况。 外加反向电压时，二极管有反向电流通过。外加反向电压时，二极管有反向电流通过。 随后反向电压继续增加时，反向电流几乎不变，随后反向电压继续增加时，反向电流几乎不变， 这个电流称反向饱和电流这个电流称反向饱和电流 S S 。 (2)(2)反向特性与反向电流反向特性与反向电流 S S (3) (3) 反向击穿特性与最大工作电压反向击穿特性与最大工作电压U U MM 当反向电压不断增大时，在电压接近某个数当反向电压不断增大时，在电压接近某个数 值时，反向电流急剧增加，这种现象称为击穿。值时，反向电流急剧增加，这种现象称为击穿。 发生击穿时的电压称为击穿电压，为保证二极管发生击穿时的电压称为击穿电压，为保证二极管 安全工作，手册上通常取击穿电压的一半作为二安全工作，手册上通常取击穿电压的一半作为二 极管的最大工作电压极管的最大工作电压 U U M M (4)(4)最高工作频率最高工作频率f f f f 的值主要取决于 的值主要取决于PNPN结结电容的大小结结电容的大小, , 结电结电 容越大容越大, , 则二极管允许的最高工作频率越低。则二极管允许的最高工作频率越低。 （5）微变电阻 rD iD vD ID VD Q iD 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： 以上均是二极管的直流参数，下面介绍两个交流 参数。 在工作点Q附近，动态电阻 近似为线性，故动态电阻 又称为小信号等效电阻。 （6）二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分 组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时 ，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这 样所表现出的电容是势垒电容。 为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的 少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越 大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴 的积累。正向电流大，积累的电荷多。 P+-N 这样所产生的电容就是扩散电容CD。 CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏 置时，载流子很少，扩散电容可忽略。 PN结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电 容的综合效应 rd 在实际应用中，应根据管子所在实际应用中，应根据管子所 用的场合，按其所承受的最高反用的场合，按其所承受的最高反 向电压、最大正向平均电流、工向电压、最大正向平均电流、工 作频率、环境温度等条件，选择作频率、环境温度等条件，选择 满足要求的二极管。满足要求的二极管。 例例1 1 二极管：死区电压二极管：死区电压=0 .5V=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(0.7V(硅二极管硅二极管) ) 理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 =0 ，正向压降，正向压降=0=0， 反向电阻无穷大反向电阻无穷大 RL ui uO ui uo t t 二极管半波整流 四、二极管的应用整流、稳压、限位等 例2 二极管的应用(设RC时间常数很小） RRL uiuR uo t t t ui uR uo C 二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态 导通 截止 否则，正向管压降否则，正向管压降 硅硅0 0.60.7V.60.7V 锗锗0 0.2.20.3V0.3V 分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压的高低或所加电压U U D D 的正负。的正负。 若若 V V阳 阳 V V阴 阴或 或 U U D D 为正为正( ( 正向偏置正向偏置 ) )，二极管导通，二极管导通 若若 V V阳 阳 V V阴 阴 二极管导通 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UAB AB = = 6V6V 否则，否则， U UAB AB低于 低于6V6V一个管压降，为一个管压降，为6.3 6.3或或6.7V6.7V 例1： 取取 B B 点作参考点，点作参考点， 断开二极管，分析二断开二极管，分析二 极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电 位。位。 D 6V 12V 3k B A UAB + 两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起 取取 B B 点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极 管，分析二极管阳极和阴极管，分析二极管阳极和阴极 的电位。的电位。 V V 1 1阳阳 = = 6 V6 V，V V2 2阳 阳=0 V =0 V，V V1 1阴 阴 = = V V2 2阴 阴= = 12 V12 V U U D1D1 = 6V = 6V，U UD2 D2 =12V =12V U UD2 D2 U UD1 D1 D D 2 2 优先导通，优先导通， D D 1 1 截止。截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UAB AB = 0 V = 0 V 例2: 流过流过 D D 2 2 的电流为的电流为 求：求：U UAB AB B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + u u i i 8V 8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 u u o o = 8V = 8V u u i i V VE E 集电结反偏集电结反偏 V V C C V VB B V VC C V VB B V VE E 三极管放大实验线路图 3. 3. 各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用 I I B B (mA)(mA) I I C C (mA)(mA) I I E E (mA)(mA) 0 0 0.020.02 0.040.040.060.06 0.080.080.100.10 IC 。BE结正偏 ，BC结正偏 ，即UCEUBE （UCE0.3V ，UBE0.7V） (3) 截止区 UBE ICS =2 mA ， Q位于饱 和区(实际上，此时IC和IB 已不是的关系） 四、四、主要参数主要参数 1. 1. 电流放大系数电流放大系数 ， 直流电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 当晶体管接成发射极电路时，当晶体管接成发射极电路时， 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶 体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。 注意：注意： 和和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等的含义不同，但在特性曲线近于平行等 距并且距并且I ICE0 CE0 较小的情况下，两者数值接近。 较小的情况下，两者数值接近。 常用晶体管的常用晶体管的 值在值在20 20020 200之间。之间。 例：例：在在U UCE CE= 6 V = 6 V时，时， 在在 QQ 1 1 点点I I B B =40=40 A, A, I I C C =1.5mA=1.5mA ； 在在 QQ 2 2 点点I I B B =60 =60 A, A, I I C C =2.3mA=2.3mA。 在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： = = 。 I I B B =0=0 2020 A A 4040 A A 6060 A A 8080 A A 100100 A A 3 3 6 6 I I C C ( (mmA )A ) 1 1 2 2 3 3 4 4 U U CECE(V) (V) 9 9 1212 0 0 QQ 1 1 QQ 2 2 在在 QQ 1 1 点，有点，有 由由 QQ 1 1 和和QQ 2 2 点，得点，得 2. 2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流 I ICBO CBO I I CBOCBO是由少数载流子的漂移 是由少数载流子的漂移 运动所形成的电流，受温度的运动所形成的电流，受温度的 影响大。影响大。 温度温度I ICBO CBO ICBO A + EC 3. 3.集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流( (穿透电流穿透电流) )I ICEO CEO A ICEO IB=0 + I I CEOCEO受温度的影响大。 受温度的影响大。 温度温度I ICEO CEO ， ，所以所以I I C C 也相也相 应增加。应增加。三极管的温度特性三极管的温度特性 较差。较差。 4. 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 I ICM CM 5. 5. 集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO (BR)CEO 集电极电流集电极电流 I I C C 上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降值的下降 ，当，当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流值下降到正常值的三分之二时的集电极电流 即为即为 I ICM CM。 。 当集当集射极之间的电压射极之间的电压U UCE CE 超过一定的数值时 超过一定的数值时 ，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是2525 C C 、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U U(BR) (BR) CEOCEO。 。 6. 6. 集电极最大允许耗散功耗集电极最大允许耗散功耗P PCM CM P PCM CM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大 取决于三极管允许的温升，消耗功率过大 ，温升过高会烧坏三极管。，温升过高会烧坏三极管。 P P C C P PCM CM = =I I C C U U CECE 硅硅管允许结温约为管允许结温约为150150 C C，锗锗管约为管约为7070 9090 C C。 I I C CU U CECE=P =PCM CM ICM U(BR)CEO 安全工作区 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 IC UCE O 五、晶体管参数与温度的关系五、晶体管参数与温度的关系 1 1）温度对）温度对I ICBO CBO的影响 的影响 温度每增加温度每增加1010 C C，I ICBO CBO增大约一倍。反之，当温 增大约一倍。反之，当温 度降低时度降低时I ICBO CBO减少。硅管的 减少。硅管的I ICBO CBO比 比锗管的小得多。锗管的小得多。 2 2）温度对输入特性的影响）温度对输入特性的影响 温度升高时正向特性左移，温度升高时正向特性左移， 反之，右移。反之，右移。 3 3）温度对）温度对输出特性输出特性的影响的影响 温度升高将导致温度升高将导致I I C C 增大增大。 uu 温度每升高温度每升高 1 1 C C，U UBE BE将减小 将减小 (22.5)mV(22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。即晶体管具有负温度系数。 uu 温度每升高温度每升高 1 1 C C， 增加增加 0.5%1.0%0.5%1.0%。 三极管的两种工作方式： 1 线性或放大的 保持在线性区 2 开关 截止：“断” 饱和：“通” iB =0，iC 0 (iC 微乎其微)，输出相当于“断” iC 有,但uCE很小，uCE 0，输出相当于“通” 例1 测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下： 试判别管子工作在什么区域。 解： 对NPN管而言，放大时有： 对PNP管而言，放大时有： （1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区 例2 某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。 解： 试判断管脚和管型。 根据电流判断法。 IE=IB+IC C为发射极B为基极 A为集电极管型为NPN管 例3 测得工作在放大电路中几个BJT三个电极的电位 U1、U2、U3分别为： 解： 判断它们是NPN型还是 PNP型？是硅管还是锗管？ 并确定e、b、c。 例3 解： 序号U1U2U3管型类别 （1）becNPN硅 （2）becNPN锗 （3）cbePNP硅 （4）cbePNP锗 * *六、复合三极管六、复合三极管 1 2 1 2 1 2 两管复合后的管型取两管复合后的管型取 决于第一只管的管型决于第一只管的管型 T2 T1 (a) (b) T1 T2 (c) T2 T1 (d) T2 T1 复合管可以获得更高的电流放大系数 T2 T1 IC IB 场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一 种半导体器件，即是电压控制元件电压控制元件。它的输出电流 决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供 电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET ） 按结构不同场效应管有两种: 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(MOS) (MOS) 按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类增强型和耗尽型两类 每类又有N N沟道沟道和P P沟道沟道之分。 第五节 场效应管场效应管* * 特点：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。 N 基底 ：N型半导体 PP 两边是P区 G(Gate) 栅极 S(Source)源极 D(Drain)漏极 （1）结构 导电沟道 一、结型场效应管一、结型场效应管JFET(Junction type Field Effect Transistor)JFET(Junction type Field Effect Transistor) N P P D S G 漏极 源极 栅极 N型导电沟道 耗尽层 N + + + P 在漏极和源极之 间加上一个正向电 压，N型半导体中多 数载流子电子可以 导电。 N PP G(栅极) S源极 D漏极 N沟道结型场效应管 D G S D G S P NN G(栅极) S源极 D漏极 P沟道结型场效应管 D G S D G S P G S D UDS UGS NN （2）工作原理（以P沟道为例） NN PN结反偏，UGS 越大则耗尽区越 宽，导电沟道越 窄。 UDS较小时 UDS较小时 P G S D UDS UGS NNNN 但当UGS较小时，耗尽 区宽度有限，存在导 电沟道。DS间相当于 线性电阻。 UGS越大耗尽区越宽 ，沟道越窄，电阻越 大。 P G S D UDS UGS NN UDS较小时 UGS达到一定值时（ 夹断电压VP）,耗尽 区碰到一起，DS间 被夹断，漏极电流是 ID=0。 P G S D UDS UGS UGS 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸 引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层； N型导电沟道 在漏极电源的作用在漏极电源的作用 下将产生漏极电流下将产生漏极电流 I I D D ，管子导通。，管子导通。 当当U UGS GS U U GSGS（thth）时， 时， 将将出现出现N N型导电沟道型导电沟道 ，将，将D-SD-S连接起来。连接起来。 U U GSGS愈高，导电沟道 愈高，导电沟道 愈宽。愈宽。 EG P型硅衬底 N+N+ G S D + UGS ED + N型导电沟道 当UGS UGS(th）后 ，场效应管才形成导电 沟道，开始导通，若漏 源之间加上一定的电压 UDS，则有漏极电流ID产 生。在一定的UDS下漏极 电流ID的大小与栅源电 压UGS有关。所以，场效 应管是一种电压控制电 流的器件。 在一定的漏源电压UDS下，使管子由不导通 变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。 N沟道MOS管的转移特性曲线 P NN GSD N沟道增强型 ID 实验线路(共源极接法) mA V UDS UGS G S D RD 大小可调固定一个 UDS 转移特性曲线 ID UGS UGS（th） 开启电压 (3)(3) 特性曲线特性曲线 N沟道MOS管的输出特性曲线 P NN GSD N沟道增强型 ID 实验线路(共源极接法) mA V UDS UGS G S D RD 固定一个UGSUDS大小可 调 ID与UDS的关系曲 线称为输出特性 曲线 有导电沟道 转移特性曲线转移特性曲线 无导电 沟道 开启电压开启电压U UGS GS(th(th） UDS UGS/ ID/mA UDS/V o UGS= 1V UGS= 2V UGS= 3V UGS= 4V 漏极特性曲线漏极特性曲线 恒流区恒流区 可变电阻区可变电阻区 截止区截止区 N沟道增强型MOS管特性曲线 N型衬底 P+P+ G S D 符号：结构 (4)(4) P P沟道增强型沟道增强型 SiO2绝缘层 加电压才形成 P型导电沟道 增强型场效应管只有当U UGS GS U UGSGS(th(th）时才形成导 电沟道。 2.2. 耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管 G S D符号： 如果如果MOSMOS管在制造时导电沟道就已形成，称管在制造时导电沟道就已形成，称 为耗尽型场效应管。为耗尽型场效应管。 (1 ) N(1 ) N沟道耗尽型管沟道耗尽型管SiO2绝缘层中 掺有正离子 予埋了N型 导电沟道 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以 在UGS= 0时，若漏源之间加上一定的电压UDS， 也会有漏极电流 ID 产生。 当当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽， I ID D 增大； 增大； 当当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄， I ID D 减小； 减小； U UGS GS 负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄， I I D D 就愈小。就愈小。 当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失， ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。 这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。 这这时的时的漏极电流漏极电流用 用 I IDSS DSS表示，称为 表示，称为饱和漏极饱和漏极 电流电流。 N沟道MOS管的转移特性曲线 实验线路(共源极接法) P NN GSD ID mA V UDS UGS G S D RD 方向大小可 调 N沟道耗尽型 0 UGS（off） ID UGS 夹断电压 固定一个UDS 转移特 性曲线 (2) (2) 耗尽型耗尽型N N沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线 N沟道耗尽型 （UGS=0时， 有ID） S D G UGS有正 有负 0 UGS（off） ID UGS 夹断电压 IDSS N沟道MOS管的转移特性曲线 耗尽型NMOS场效应管 输出特性曲线 UGS=0V U DS （V） ID（mA） 0 1 3 2 4 UGS=+1V UGS=+2V UGS=-1V UGS=-2V 夹断电压UP=-2V N沟道耗尽型 跨导gm UGS=0V U DS （V） ID（mA） 0 1 3 2 4 UGS=+1V UGS=+2V UGS=-1V UGS=