1-常用半导体器件-2

1.3 双极型半导体三极管,1.3.1 BJT的结构及类型,1.3.2 BJT的电流放大作用,1.3.3 BJT的特性曲线,1.3.4 BJT的主要参数,1.3.5 温度对BJT的特性及参数的影响,(Semiconductor Transistor),1.3.5 BJT的电路模型,1. 结构与符号,发射极 Emitter,基极 Base,集电极 Collector, 基区,发射区,集电区,NPN 型:,PNP 型:,集电结,发射结,1.3.1 BJT的结构及类型,1.3.1 BJT的结构及类型,2. 分类,按材料分： 硅管、锗管,按功率分： 小功率管 1 W,按结构分： NPN、 PNP,按使用频率分： 低频管、高频管,1.3.2 BJT的电流放大作用,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,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路 （对信号而言）,共发射极,共集电极,共基极,实现电路:,1.3.2 BJT的电流放大作用,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN,IE,少数与空穴复合，形成 IBN,I BN,基区 空穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO （1）,2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),I EN,1.3.2 BJT的电流放大作用,I CN,IE,I BN,I CBO,IB,3) 集电区收集扩散过来的 载流子形成集电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO （2）,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN,少数与空穴复合，形成 IBN,2)电子到达基区后,I EN,1.3.2 BJT的电流放大作用,4. 三极管的电流分配关系,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：,IB = I BN ICBO （1）,IC = ICN + ICBO （2）,穿透电流,（3）,得：,1.3.2 BJT的电流放大作用,IE = IC + IB,4. 三极管的电流分配关系,1.3.2 BJT的电流放大作用,1. 输入特性,输 入 回 路,输出 回路,1） 则与二极管特性相似,等效为,两个结均正偏 深度饱和,1.3.3 晶体三极管的特性曲线,特性基本重合（非平衡少子数量增加不多）,特性右移(因集电结开始吸引电子,减少基区的复合),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.4) V,取 0.7 V,取 0.3 V,1. 输入特性,集电结足够反偏、放工作在大区,2）,3）,1.3.3 晶体三极管的特性曲线,1）uCE=0V与二极管特性相似,2. 输出特性,截止区 IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个结均反偏,截止区,ICEO,1.3.3 晶体三极管的特性曲线,2. 放大区,放大区,截止区,条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： 近似水平、等间隔,ICEO,2. 输出特性,1.3.3 晶体三极管的特性曲线,3. 饱和区,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结均正偏 特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT) =,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,ICEO,2. 输出特性,1.3.3 晶体三极管的特性曲线,1. 电流放大系数,1) 共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,Q,1.3.4 晶体三极管的主要参数,2) 共基极电流放大系数, 1 一般在 0.98 以上。,Q,2. 极间反向饱和电流,CB 极间反向饱和电流 ICBO， CE 极间反向饱和电流 ICEO,1. 电流放大系数,1.3.4 晶体三极管的主要参数,3. 极限参数,1) ICM 集电极最大允许电流， 超过时 值明显降低。,2) PCM 集电极最大允许功率损耗,PC = iC uCE,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,3) U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,1.3.4 晶体三极管的主要参数,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,T2 T1,1.3.5 温度对BJT特性曲线的影响,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,1.3.5 温度对BJT特性曲线的影响,3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、 C表示硅PNP管、D表示硅NPN管 第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、 G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、 K表示开关管。,国家标准对半导体三极管的命名如下：,（补充）,1.3.6 BJT的电路模型,1. 建立BJT的直流模型,放大区近似,放大区近似,1. 建立BJT的直流模型,1.3.6 BJT的电路模型,建立小信号模型 意义,由于三极管是非线性器件，其电路分析非常困难。 建立小信号模型，就是在一定条件下(工作点附近) 把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替， 将实际的非线性电路当作线性电路来处理。 从而简化放大电路的分析和设计。,1.3.6 BJT的电路模型,建立小信号模型 思路,三极管在小信号(微变量)情况下工作时,可在 Q点附近的小范围内，用直线近似地代替三极管的特性曲线， 三极管就可以用线性双口网络来等效代替.,1.3.6 BJT的电路模型,3.三极管微变等效模型 基于伏安特性导出,rbe 称为三极管的输入电阻,(忽略uCE变化对输入特性的影响),1)输入端的等效,1.3.6 BJT的电路模型,三极管输入电阻计算公式：,或,1.3.6 BJT的电路模型,3.三极管微变等效模型 基于伏安特性导出,1)输入端的等效,3.三极管微变等效模型 基于伏安特性导出,iC = iC+ iC,rce 称为三极管的输出电阻，约为几十千欧。,3.三极管微变等效模型,(2),2)输出端的等效,负值,1.3.6 BJT的电路模型,当工作点由Q1变化到时Q2时， 由iB所引起的 iC的变量为iC , 由uCE变化所引起的iC的变化量为iC,1.3.6 BJT的电路模型,3.三极管微变等效模型基于伏安特性导出,由于rce阻值比输出端的负载大很多, 通常可视为开路, 从而得到简化的微变等效电路,三极管的微变 等效电路 只能用来分析放大电路变化量 之间的关系。,3. 三极管微变等效模型基于伏安特性导出,在小信号情况下，对上两式取全微分得：,输入方程： uBE =f(iB，uCE),输出方程： iC =g(iB ，uCE),4. 三极管微变等效模型基于H参数导出,IBQ,得：,ube= h11ib+ h12uce,ic= h21ib+ h22uce,4. 三极管微变等效模型基于H参数导出,用 小信号 交流 分量,BJT双口网络,BJT的H参数模型,输出端交流短路时的输入电阻rbe ；,输出端交流短路时的正向电流传输比或称为 电流放大系数 ；,输入端电流恒定(交流开路)的反向电压传输比uT,输入端电流恒定(交流开路)时的输出电导1/rce,式中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）,4. 三极管微变等效模型基于H参数导出,模型的简化：,即 rbe= h11 = h21 uT = h12 rce= 1/h22,一般采用习惯符号, uT 很小，一般为10-310-4 ， rce 很大，约为100k。 一般可忽略它们的影响，, ib 是受控源 ，且为电流 控制电流源(CCCS)。 电流方向与ib的方向关联。,4. 三极管微变等效模型基于H参数导出,H参数的确定, 一般用测试仪测出；, rbe 与Q点有关， 可用图示仪测出。,一般也用公式估算 rbe,rbe= rbb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 rbb(100300),则,4. 三极管微变等效模型基于H参数导出,例1：已知放大电路中各管电位、试判断管型和材料 。,答案,（a）Si PNP管,b,e,c,b,e,c,b,e,c,（b）Si NPN管,（c）Ge PNP管,解题步骤： （1）找基极：电位居中者 （2）找射极：,该题隐含条件是“BJT处于放大状态”,由此可知对于： NPN管：VC VB VE PNP管：VE VB VC,例1解题方法： 已知放大电路中各管电位,试判断管型和材料,（3）判断材料：由UBE 值可判明为 锗/硅材料 （4）由三极电位关系可判明是NPN管/PNP管,例2：已知BJT 两个电极的电流， 求另一极电流 ，并在圆圈中画出管子。,分析 该题隐含条件是 “BJT三极电流关系” 如下:,IE = IB + IC,由此可求出另一极的电流,另：对于NPN管， IB 和 IC 流入管子， IE 流出 对于PNP管， IB 和 IC 流出管子， IE 流入,例3：判断下图各三极管的工作状态。,例3解题方法判断三极管工作状态,通常判定三极管处于何种工作状态可用下述3种方法:,1三极管结偏置的判定法 利用三极管发射结和集电结的偏置判断管子的工作状态,2三极管电流关系判定法 当 IBIBS 时， T 处在饱和状态； 当 0IBIBS 时，T 处在放大状态；,对硅管而言，临界饱和时的饱和管压降 UCES = 0.7V 深度饱和时管压降 UCES0.10.3V,例3解题方法判断三极管工作状态,3三极管电位判定法 共射电路三极管各极电位（对“地”而言） VB、VC和三极管工作状态的关系,例3解题方法判断三极管工作状态,由图(a)电路方程可得 IB 为：,临界饱和时的基极偏置电流 IBS 为,由于 IB IBS 故三极管T处在放大状态,例3 判断三极管工作状态 （a）解答：,讨论Ui= 0V 和 Ui= 3V 两种情况： （1）在Ui=0V 时：三极管发射结 无正向偏置，故 T 处于截止状态,（2）当 Ui = 3V 时，可直接求得 IB,临界饱和基极偏置电流 IBS 为：,因 IB IBS 故电路中三极管处在饱和状态,例3 判断三极管工作状态（b）解答：,1.4 场效应管（FET）,引 言,1.4.1 结型场效应管（JFET）,1.4.4 场效应管的主要参数,1.4.2 MOS 场效应管（MOSFET）,1.4.3 FET的低频小信号模型,引 言,场效应管 FET (Field Effect Transistor),类型：,结型 JFET (Junction Field Effect Transistor),绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET),特点：,1. 单极型器件（FET中只有一种载流子导电）,3. 工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低,2. 输入电阻高 ( 107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ),1.4.1 结型场效应管 1. 结构与符号,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,漏极,栅极,源极,耗尽层,耗尽层,2. 工作原理,1）UGS 对沟道的控制作用,当UGS0，PN结反偏，沟道均匀变窄,1.4.1 结型场效应管,(a) 0UGS UGS(off),(b) UGS UGS(off) 0,2） UDS 对沟道的控制作用,1.4.1 结型场效应管,uGS 0，uDS 0 沟道楔型,耗尽层刚相碰 预夹断 此时 uGD = UGS(off),当 uDS ，预夹断点下移 进入恒流区， 此时，iD与uDS无关 具有压控流源特性,2. 工作原理,3. 转移特性和输出特性,当 UGS(off) uGS 0 时,O,O,1.4.1 结型场效应管,恒流区,UGS(off),结构示意图,增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),1.4.2 MOS 场效应管,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID = 0,D与S之间是两个 PN结反向串联， 无论D与S之间加 什么极性的电压， 漏极电流均接近于零,(1) UGS =0,1. N沟道增强型绝缘栅场效应管,1.4.2 MOS 场效应管,1）栅-源电压的作用,(2) 0 UGS UGS(th),由柵极指向衬底 方向的电场使空穴 向下移动,电子向上 移 动, 在P 型硅 衬底的上表面形成 耗尽层。 仍然没有漏极电流,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,ID = 0,UGS,N+,N+,UDS,1. N沟道增强型绝缘栅场效应管,1.4.2 MOS 场效应管,1）栅-源电压的作用,栅极下P型半导体 表面形成N型 导电沟道， 当D、S加上 正向电压后可产生 漏极电流ID,(3) UGS UGS(th),P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,N型导电沟道,N+,N+,UGS,1. N沟道增强型绝缘栅场效应管,1.4.2 MOS 场效应管,1）栅-源电压的作用,2) uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th),预夹断(UGD = UGS(th)： 漏极附近反型层消失,预夹断发生之前： uDS iD；,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,1.4.2 MOS 场效应管,DS 间的电位差使沟道 呈楔形，uDS，靠近 漏极端的沟道厚度变薄,uDS与近似线性关系iD,进入恒流区,3) 增强型 NMOS 管的特性曲线,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,输出特性,转移特性,UDS / V,ID /mA,1.4.2 MOS 场效应管,预夹断轨迹 UGD = UGS(th),转移特性曲线,UDS = 10 V,UGS (th),当 uGS UGS(th) 时：,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,开启电压,O,1.4.2 MOS 场效应管,3) 增强型 NMOS 管的特性曲线,输出特性曲线,可变电阻区,UGD UGS(th),uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,3) 增强型 NMOS 管的特性曲线,1. N沟道增强型绝缘栅场效应管,截止区（无导电沟道）： UGS 0,可变阻区（导电沟道畅通）： UGS UGS(th) UGD UGS(th),恒流区（导电沟道夹断）： UGS UGS(th) UGD UGS(th),1.4.2 MOS 场效应管,三个工作区的 条件,2. 耗尽型 N 沟道 MOSFET,Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时 已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD,uGS UGS(off) 时，全夹断,1.4.2 MOS 场效应管,1）结构和符号,输出特性,转移特性,IDSS,UGS(off),夹断 电压,饱和漏 极电流,当 uGS UGS(off) 时，,O,2. 耗尽型 N 沟道 MOSFET,1.4.2 MOS 场效应管,2）伏安特性,3. P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,1.4.2 MOS 场效应管,N 沟道结型,P 沟道结型,1.4.2 MOS 场效应管,JFET 符号、特性的比较,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,MOSFET 符号、特性的比较,1.4.2 MOS 场效应管,2. P沟道增强型绝缘栅场效应管,截止区（无导电沟道）： |UGS | | UGS(th) | UDS 0,可变阻区（导电沟道畅通）： | UGS | | UGS(th) | | UGD | | UGS(th) |,恒流区（导电沟道夹断）： | UGS | | UGS(th) | | UGD | | UGS(th) |,1.4.2 MOS 场效应管,三个工作区的 条件,1.4.3 FET的低频小信号模型,1. FET的直流模型,预夹断轨迹 增强型UGD = UGS(th) 耗尽型UGD = UGS(off),Rgs 看成开路 FET电路模型为压控流源,1.4.3 FET的低频小信号模型,从输入端口看，相当于开路 rgs ,从输出端口看，为受 ugs 控制的电流源。,2. FET的低频小信号模型,1.4.4 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 UDS 为定值，使漏流 iD 为 某一小电流时的 uGS 值。,2. 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,直流参数：开启/夹断电压、饱和漏流、直流电阻,UGS(th),3. 直流输入电阻 RGS,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,直流参数：开启/夹断电压、饱和漏流、直流电阻,1.4.4 场效应管的主要参数,4. 低频跨导 gm,反映uGS 对 iD 的控制能力,单位 S(西门子)。一般为几毫西,O,1.4.4 场效应管的主要参数,交流参数：低频跨导、极间电容,5. 极间电容,Cgs 和Cgd 约为13pF， Cds 约为0.11pF 在高频电路中应该考虑极间电容的影响。,PDM = uDS iD，受温度限制。,6. 最大漏流 IDM,1.4.4 场效应管的主要参数,极限参数：最大漏流、击穿电压、最大耗散功率,8. 最大漏极功耗 PDM,7. 击穿电压 U(BR)GS 和 U(BR)DS,例1：测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位 和开启电压如表所示。 试分析各管的工作状态(截止区、恒流区、可变电阻区）,N沟增强型恒流区条件： UGS UGS(th) UGD UGS(th) UGD UGS(th) 截止区： UGS UGS(th) UGD UGS(th),恒流区,截止区,可变阻区,例2：判断下图各场效应管的工作状态。 已知UGS（th）=2V,（a）夹断区,（b）恒流区,（c）夹断区,PMOS,NMOS,NMOS,一、两种半导体和两种载流子,两种载流 子的运动,电子, 自由电子,空穴, 价电子,两 种 半导体,N 型 (多电子),P 型 (多空穴),二、二极管,1. 特性, 单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,小 结,2. 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响),IS,3. 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,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压 UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(on) = (0.6 0.8) V,估算时取 0.7 V,硅管：,锗管：,(0.2 0.4) V,0.3 V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源 UD(on),4. 二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5. 特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光敏二极管,反 偏,光电转换,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),单极型半导体三极管(场效应管 FET),两种载流子导电,多数载流子导电,晶体三极管,1. 形式与结构,NPN,PNP,三区、三极、两结,2. 特点,基极电流控制集电极电流并实现放大,放 大 条 件,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,3. 电流关系,IE = IC + IB,IC