模电ppt1.ppt

第一章常用半导体器件 1 1半导体基本知识 1 2半导体二极管 1 3晶体三极管 1 4场效应管 1 5单结晶体管和晶闸管 1 6集成电路中的元件 1 7二极管Multisim仿真 1 1半导体的基本知识 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 半导体的电阻率为10 3 109 cm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 在形成晶体结构的半导体中 人为地掺入特定的杂质元素时 导电性能具有可控性 并且 在光照和热辐射条件下 其导电性还有明显的变化 这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子器件 本征半导体 即纯净的具有晶体结构的半导体 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 一 本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素 在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 共价键中的价电子为这些原子所共有 并为它们所束缚 在空间形成排列有序的晶体 二 电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时 导体中没有自由电子 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 原子的电中性被破坏 呈现出正电性 其正电量与电子的负电量相等 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 这一现象称为本征激发 也称热激发 可见因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 本征激发和复合的过程 动画1 1 三 空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流 空穴的定向运动也可形成空穴电流 它们的方向相反 只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的 因此 空穴的导电能力不如自由电子 空穴在晶格中的移动 动画1 2 四 本征半导体中载流子的浓度 在一定温度下 本征半导体中载流子的浓度是一定的 且自由电子与空穴的浓度相等 当环境温度升高时 热运动加剧 挣脱共价键束缚的自由电子增多 空穴也随之增多 即载流子的浓度升高 因而必然使得导电性能增强 反之导电性能变差 可见 本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数 本征半导体载流子的浓度可表示为 ni pi分别表示自由电子与空穴的浓度 cm 3 T为热力学温度 k为波尔兹曼常数 EGO为0K时破坏共价键所需的能量 又称禁带宽度 K1是与半导体材料载流子有效质量 有效能级密度有关的常量 具体参数值见P11 应当指出 本征半导体的导电性能很差 且与环境温度密切相关 半导体材料性能对温度的这种敏感性 既可以用来制作热敏和光敏器件 又是造成半导体器件温度稳定性差的原因 本征半导体的特点 通过扩散工艺 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 便可得到杂质半导体 掺入杂质后可使半导体的导电性能发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 根据掺入杂质的不同 可形成N型半导体和P型半导体 控制掺入杂质的浓度 就可控制杂质半导体的导电性能 一 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 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子 在N型半导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 提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子 因此 五价杂质原子也被称为施主原子 二 P型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓 铟等形成P型半导体 也称为空穴型半导体 因三价杂质原子与硅原子形成共价键时 缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴 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 三价杂质原子因而也称为受主原子 三 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 一些典型的数据如下 掺杂后 多子浓度远大于少子浓度 且少量掺杂 掺杂浓度远小于硅原子浓度 载流子就会有几个数量级的增加 相差106 表明半导体的导电能力显著增大 杂质半导体简化模型 一 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质 分别形成P型半导体和N型半导体 此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡 对于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 动画1 3 PN结的形成过程 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 简称正偏 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 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 1 PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 动画1 4 PN结加正向电压时的导电情况 2 PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 由于漂移电流本身就很小 PN结呈现高阻性 在一定温度条件下 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 动画1 5 现象 PN结外加正向电压时 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 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 思考题 三 PN结的电流方程 理论分析表明 PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为 IS 反向饱和电流 q 电子的电量k 玻尔兹曼常数 T 热力学温度 令UT kT q 则得 常温下 即T 300K时 UT 26mV 四 PN结的伏安特性 当PN结外加反向电压 且 u UT时 i IS 其中u 0的部分称为正向特性 u 0的部分称为反向特性 当反向电压超过一定数值U BR 后 反向电流急剧增加 称为反向击穿 击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况 高掺杂时 耗尽层宽度很窄 则不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场 而直接破坏共价键 使价电子脱离共价键束缚 产生电子 空穴对 致使电流急剧增大 这种击穿称为齐纳击穿 可见齐纳击穿电压较低 低掺杂时 耗尽层宽度较宽 那么低电压下不会发生齐纳击穿 当反向电压增加到较大数值时 耗尽层的电场使少子加快漂移速度 从而与共价键中的价电子相碰撞 把价电子撞出共价键 产生电子 空穴对 新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子 载流子雪崩式地倍增 致使电流急剧增加 这种击穿称为雪崩击穿 可见雪崩击穿电压较高 两种击穿均可能造成PN结的永久损坏 五 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Cb 表征耗尽层内电荷量的变化 二是扩散电容Cd 表征耗尽层外中性区 P区和N区 内电荷量的变化 1 势垒电容Cb 势垒电容是由空间电荷区的宽度变化形成的 当PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度也相应地随之改变 即PN结中的电荷量随外加电压增大或减小 犹如电容的充放电 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb Cb具有非线性 是一种增量电容 利用此原理可制成各种变容二极管 势垒电容示意图 外加正向电压增大时 注入到中性区的非平衡少子浓度相应增大 为维持电中性 中性区内的平衡少子浓度也相应地增加相同面积的电荷量 2 扩散电容Cd PN结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子 PN结处于正向偏置时 从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子 扩散电容示意图 即外加电压增加时 P区和N区中各自贮存的空穴和自由电子电荷量相等地增大 这种贮存电荷量随外加电压而改变的电容特性等效为PN结上并联了一个电容 鉴于它是由载流子扩散引起的 所以称为扩散电容Cd 3 结电容Cj PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和 即 Cj Cb Cd 对于Cb与Cd一般都很小 结面积小的为1pF左右 结面积大的为几十至几百皮法 对于低频信号呈现出很大的容抗 其作用可忽略不计 因而只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用 外加正向电压时 Cd很大 且Cd Cb 故Cj以扩散电容为主 Cj Cd 其值自几十pF到几千pF 外加反向电压时 Cd趋于零 故Cj以势垒电容为主 Cj Cb 其值自几pF到几十pF 1 2半导体二极管 1 2 1 半导体二极管的几种常见结构 1 2 2 二极管的伏安特性 1 2 3 半导体二极管的主要参数 1 2 4 其他类型的二极管 1 2 5 半导体二极管的型号 1 2 6 稳压二极管 1 2 7 二极管的等效电路 1 2 1半导体二极管的结构类型 在PN结上加上引线和封装 就成为一个半导体二极管 由P区引出来的电极为阳极 由N区引出来的电极为阴极 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 采用特殊工艺 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3 平面型二极管 采用扩散工艺 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 采用合金法工艺 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 二极管符号 1 2 2二极管的伏安特性 与PN结一样 二极管也具有单向导电性 但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻 所以当外加正向电压时 在电流相同的情况下 二极管的端电压大于PN结上的压降 大电流情况下影响更为明显 此外 由于二极管表面漏电流的存在 使外加反向电压时的反向电流增大 一 二极管和PN结伏安特性的区别 近似分析时 仍然用PN结的电流方程描述二极管的伏安特性 1 正向特性 当u 0即处于正向特性区域 正向区又分为两段 当u Uon时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 当0 u Uon时 正向电流为零 Uon称为死区电压或导通电压 2 反向特性 当u 0即处于反向特性区域 反向区也分两个段 当U BR u 0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u U BR 时 反向电流急剧增加 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压U BR 此时二极管反向击穿 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 二 温度对二极管伏安特性的影响 温度对二极管的性能有较大影响 温度升高时 二极管的正向特性曲线将左移 反向特性曲线将下移 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UF UD 大约减小2 5mV 即具有负的温度系数 1 2 3半导体二极管的参数 描述半导体二极管性能的参数主要有以下几个 1 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时 允许通过的最大正向平均电流 其值与PN结面积及外部散热条件等有关 在规定散热条件下 二极管正向平均电流若超过此值 则将因结温升过高而烧坏 3 反向电流IR 在室温下 在规定的反向电压下 一般是最高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 是二极管工作时允许外加的最大反向电压 超过此值时二极管有可能因反向击穿而损坏 通常UR为击穿电压U BR 的一半 2 最高反向工作电压UR 5 正向压降UF 6 动态电阻rd 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 6 0 8V 锗二极管约0 2 0 3V 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数 4 最高工作频率fM 是二极管工作的上限截止频率 超过此值时 因结电容的作用 二极管将不能很好地体现单向导电性 rd UF IF 1 2 4二极管的等效电路 一 理想模型 当二极管正向导通电压 正向电阻与外接电路的电压 等效电阻相比均可忽略时 这样的二极管可称为理想二极管 理想二极管在电路中相当于一个理想开关 外加电压大于零 就导通 管压降为0V 开关闭合 当反偏时 二极管截止 其电阻为无穷大 开关断开 思想 根据非线性器件的外部特性来构造线性化模型 二 恒压降模型1 当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略 而正向电阻与外接电阻相比可忽略时 可用由理想二极管和电压源Uon串联构成的模型来近似替代 正向压降不再认为是0 而是接近实际工作电压的某一定值Uon 且不随电流变化 对于硅管 取Uon 0 7V 锗管Uon 0 2V 三 恒压降模型2 当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略 而正向电阻与外接电阻相比也不可忽略时 可用由理想二极管和电压源Uon 电阻rD串联构成的模型来近似替代 正向压降认为是接近实际工作电压的某一定值Uon 且不随电流变化 当u Uon后 认为其电流I与U呈线性关系 rD DU DI 四 小信号模型 微变等效电路 当二极管外加直流正向电压时 将有一直流电流 曲线上反映该电压和电流的点为Q点 静态工作点 若在Q点上外加很小的交流信号 则二极管两端的电压及通过它的电流将在某一固定值附近作微小变化 可用二极管的动态电阻rd DuD DiD 来近似代替二极管 rd的求取 ID Q点的电流 Q点越高 rd的数值越小 1 2 5稳压二极管 PN结一旦击穿后 尽管它的反向电流急剧增大 但是PN结两端的电压几乎维持不变 同时只要限制它的反向电流 PN结就不会被烧坏 利用这种特性制成的二极管称为稳压二极管或齐纳二极管 简称稳压管 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 一 稳压管的主要参数 1 稳定电压UZ 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 2 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IZmax 保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流 当Iz IZmax时 加到PN结中的功率足以使PN结过热而烧毁 最小稳定电流Izmin 保证可靠击穿所允许的最小反向电流 当IZ Izmin时 则不能起稳压作用 3 额定功耗PZM 额定功耗为PZM UZIZmax 稳压管的功耗超过此值时 会因结温升过高而损坏 对于一只具体的稳压管 可以通过其PZM的值 求出IZmax的值 不超出PZM的值 电流越大 稳压效果越好 4 动态电阻rZ 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 UZ IZ 5 温度系数 温度的变化将使UZ改变 在稳压管中当 UZ 7V时 UZ具有正温度系数 反向击穿是雪崩击穿 当 UZ 4V时 UZ具有负温度系数 反向击穿是齐纳击穿 当4V UZ 7V时 稳压管可获得接近零的温度系数 此时稳压二极管可以作为标准稳压管使用 表示温度每变化1 稳压值的变化量 即 UZ T 稳压二极管在工作时应反接 又由于稳压管的反向电流小于IZmin时不稳定 大于IZmax时会因超过额定功耗而损坏 所以在稳压管电路中必须串联一只电阻来限制电流 以保证稳压管正常工作 称此电阻为限流电阻 电阻不但起限流作用 保护稳压管 且当输入电压或负载电流变化时 通过该电阻上压降的变化 可以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 二 稳压管使用注意事项 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 正向导通电压较一般二极管高 红色的在1 6 1 8V之间 绿色的约为2V 电流为几 几十mA 1 发光二极管 1 2 6其它类型的二极管 2 光电二极管 利用半导体的光敏特性 其反向电流随光照强度的增加而上升 无光照情况下 加正向电压时与普通二极管一样具有单向导电性 加反向电压时反向电流称为暗电流 有光照情况下 加反向电压时产生的电流称为光电流 光电流受入射照度的控制 1 2 7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 半导体二极管图片 半导体二极管图片 半导体二极管图片 二极管电路分析举例 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负 若U阳 U阴或UD为正 二极管导通 正向偏置 若U阳 U阴或UD为负 二极管截止 反向偏置 电路如图 求 UAB U阳 6V U阴 12V U阳 U阴 二极管导通 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 6V 实际上 UAB低于 6V一个管压降 为 6 3 或 6 7V 例1 取B点作为参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 例2 电路如图 求 UAB 若忽略二极管正向压降 二极管D2可看作短路 UAB 0V D1截止 取B点作参考点 U1阳 6V U2阳 0V U1阴 U2阴 由于U2阳电压高 因此D2导通 ui 8V二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V二极管截止 可看作开路uo ui 8V 解 1 当开关断开时发光二极管有可能发光 当开关闭合时发光二极管的端电压为零 因而不可能发光 例5 已知稳压管当IZ 5mA时稳定电压UZ 6 8V 又知IZmin 0 2mA 稳压管的动态电阻rZ 20 供电电源标称值是 10V 但有 1V的波动 试问 当负载开路时 在标称电压 10V条件下的输出电压Uo是多少 当供电电源VCC波动 1V时 产生的输出电压变化量 Uo是多少 当RL 2k 负载接入时 其输出电压Uo变化多少 当RL 0 5k 时输出电压Uo是多少 求保证稳压管反向击穿允许的最小负载电阻RLmin值 故稳压管处于反向击穿状态 则Uo UZ 6 8V VCC 10 1 V时 输出电压变化量为 表示由于稳压管电流IZ减小 输出电压Uo比负载开路时减小68mV 当RL 0 5k 时 稳压管两端电压只有5V反向电压 故没有反向击穿 因此其Uo 5V 而相应的输出电压变化量 RLmin的确定要保证在供电电源最低时 VCC 9V 流过DZ的稳定电流大于IZmin 0 2mA 故可求得IZmin 0 2mA时的稳定电压值 UZmin 6 8V 20 5 0 2 mA 6 74V 这样由 可求得 P69 作业 1 3 1 4 1 6 1 7 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 1 3 1晶体管的结构及类型1 3 2晶体管的电流放大作用1 3 3晶体管的共射特性曲线1 3 4晶体管的主要参数1 3 5温度对晶体管特性及参数的影响1 3 6光电三极管1 3 7半导体三极管的型号 两种极性的双极型三极管 根据掺杂方式的不同在同一硅片上制造出三个掺杂区域 并形成两个PN结 就构成晶体管 它有两种类型 NPN型和PNP型 1 3 1晶体管的结构及类型 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 三极管的符号中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很大 基区掺杂浓度很低 且制造得很薄 其厚度一般在几个微米至几十个微米 集电结面积很大 1 3 2晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理 在生产实际和科学实验中 从传感器获得的电信号都很微弱 只有经过放大后才能作进一步处理 或者使之具有足够的能量来推动执行机构 晶体管是放大电路的核心元件 它能够控制能量的转换 将输入的任何微小变化不失真的放大输出 右图所示为基本放大电路 uI为输入信号 接入基极 发射极回路 称为输入回路 放大后的信号在集电极 发射极回路 称为输出回路 发射极是两个回路的公共端 故称该电路为共射放大电路 晶体管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 使晶体管工作在放大状态的外部条件是 发射结外加正向电压 集电结外加反向电压 即 发射结正偏 集电结反偏 现以NPN型三极管的放大状态为例 来说明三极管内部的电流关系 电路中VCC VBB 晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流 1 发射结正偏时 扩散运动形成发射极电流IE 与PN结中的情况相同 自身载流子的运动 自由电子扩散到基区 形成IEN 少子空穴在本区中与一部分自由电子复合而消失 分析方法 分析每个区中空穴和自由电子的运动情况 基区载流子对发射区的影响 从基区向发射区有空穴的扩散运动 形成IEP 但因发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 故IEP很小 近似分析时可忽略不计 一 晶体管内部载流子的运动 2 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB 自身载流子的运动 自由电子受集电结反偏的影响漂移到集电结 空穴扩散到发射区形成IEP 发射区载流子对基区的影响 从发射区扩散到基区的自由电子只有一小部分与基区空穴复合形成IBN 集电区载流子对基区的影响 集电结反偏使集电区的少子空穴漂移到基区 同基区漂移过去的自由电子共同形成ICBO 其值也和小 近似分析时可忽略不计 3 集电结反偏 漂移运动形成集电极电流IC 自身载流子的运动 自由电子受集电结反偏的影响被收集下来 空穴漂移到基区 基区载流子对集电区的影响 自由电子受集电结反偏的影响漂移到集电区 同集电区漂移到基区的少子空穴共同形成ICBO 发射区载流子对集电区的影响 从发射区扩散到基区的大部分电子在集电结反偏的影响下经很短的时间就运动到了集电结的边上 进入集电结的结电场区域 被集电极所收集 形成ICN IE IC IB 二 晶体管的电流分配关系 晶体管内部电流有 发射区向基区扩散形成的电子电流IEN 基区向发射区扩散所形成的空穴电流IEP 基区内复合运动所形成的电流IBN 基区内非平衡少子 即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子 漂移至集电区所形成的电流ICN 平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流ICBO 它们的关系是 从外部看 由以上分析可知 发射区掺杂浓度高 基区很薄 是保证三极管能够实现电流放大的关键 若两个PN结对接 相当基区很厚 则没有电流放大作用 基区从厚变薄 两个PN结演变为三极管 这是量变引起质变的又一个实例 三 晶体管的共射电流放大系数 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 三极管的三种组态 1 三种组态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 电流ICN与I B之比称为共射直流电流放大系数 2 三极管的电流放大系数 整理可得 ICEO为穿透电流 为基极开路 IB 0 时 在集电极电源VCC作用下的集电极与发射极之间形成的电流 而ICBO是发射极开路时 集电结的反向饱和电流 若有输入电压DuI作用 则晶体管的基极电流将在IB基础上叠加动态电流DiB 集电极电流也将在IC基础上叠加动态电流DiC DiC与DiB之比称为共射交流电流放大系数b 即 当以发射极电流作为输入电流 以集电极电流作为输出电流时 ICN和IE之比称共基直流电流放大系数 由IC ICN ICBO得 或 共基交流电流放大系数a定义为集电极电流变化量与发射极电流变化量之比 根据DiE DiC和DiB的关系可得 1 3 3晶体管的共射特性曲线 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是基极输入电流 uBE是基极输入电压 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 晶体管的输入特性和输出特性曲线描述各电极之间电压 电流的关系 用于对晶体管性能 参数和晶体管电路的分析计算 模电符号说明 以基极电流为例 IB AV 表示平均值 IB IBQ 大写字母大写下标 表示直流量或静态值 iB 小写字母大写下标 表示包含直流量的瞬时总量 Ib 大写字母小写下标 表示交流量的有效值 ib 大写字母小写下标 表示交流量瞬时值 DIB 表示直流变化量 DiB 表示瞬时值的变化量 表示交流量复数值 一 输入特性曲线 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 输入特性曲线描述管压降UCE一定的情况下 基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系 即 输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线 因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 共射接法输入特性曲线 共射接法输入特性曲线 2 输出特性曲线 共射接法输出特性曲线描述基极电流IB为一常量时 集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系 即 共发射极接法的输出特性曲线是以iB为参变量的一族特性曲线 当uCE 0V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时 如 uCE 1V uBE 0 7VuCB uCE uBE 0 3V 此时集电区收集电子的能力很弱 iC主要由uCE决定 当uCE增加到使集电结反偏电压较大时 如 输出特性曲线可以分为三个区域 截止区 其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反偏 对于共射电路 uBE Uon且uCE uBE 此时IB 0 而iC ICEO 近似分析时 可认为iC 0 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 当IC ICEO时 1 共射直流电流放大系数 1 3 4三极管的主要参数 或 前面已证 当ICBO可忽略时 3 极间反向电流 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 集电极基极间反向饱和电流ICBO 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO 相当于基极开路时 集电极和发射极间的穿透电流 即输出特性曲线IB 0那条曲线所对应的Y坐标的数值 2 交流参数 交流参数是描述晶体管对于动态信号的性能指标 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 选用管子时 应适中 太小放大能力不强 太大温度稳定性差 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 2 共基极交流电流放大系数 3 特征频率fT 3 极限参数 极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压 电流和功率损耗的限制 最大集电极耗散功率PCM 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UCE取代UCB PCM即集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM ICUCB ICUCE PCM决定于晶体管的温升 当硅管的温度大于150 锗管的温度大于70 管子特性明显变坏 甚至烧坏 对于大功率的PCM 应特别注意测试条件 如对散热片的规格要求 当散热条件不满足时 允许的最大功耗将小于PCM iC在相当大的范围内 值基本不变 但当iC的数值大到一定程度时 就要下降 使 值明显减小的iC值即为ICM 对于合金型小功率管 定义当uCE 1V时 由PCM iCuCE得出的iC即为ICM 至于 值下降多少不同型号的三极管 不同厂家的规定有所差别 可见 当IC ICM时 并不表示三极管会损坏 只表明 明显下降 最大集电极电流ICM 值与IC的关系 极间反向击穿电压 晶体管的某一电极开路时 另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压 超过此值时管子会发生击穿现象 三极管击穿电压的测试电路 U BR EBO 集电极开路时发射结的击穿电压 U BR CEO 基极开路时集 射间的击穿电压 U BR CBO 发射极开路时集电结击穿电压 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 U BR CER表示BE间接有电阻 U BR CES表示BE间是短路的 U BR CEX表示BE间是接反向电压的 此外集电极和发射极的极限参数还有 由PCM ICM和U 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 1 3 5温度对晶体管特性及参数的影响 一 温度对ICBO的影响 因为ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的 所以当温度升高时热运动加剧 有更多的价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚 从而使少子浓度明显增大 因而参与漂移运动的少子数目增多 从外部看就是ICBO增大 实验证明 硅管温度每增加8 C 锗管每12 C ICBO增大一倍 反之ICBO减小 比较而言 硅管比锗管受温度的影响要小得多 二 温度对输入特性的影响 与二极管伏安特性相类似 当温度升高时 正向特性将左移 反之将右移 uBE具有负温度系数 当温度升高1 时 uBE将减小约2 2 5mV 换言之 若uBE不变 则当温度升高时iB将增大 反之 iB减小 温度每升高1 C 增加0 5 1 0 三 温度对输出特性的影响 当温度从20 升到60 时 集电结电流的变化量 说明温度升高时 增大 右图为某晶体管在温度变化时输出特性的变化示意图 实线是20 时的特性曲线 虚线是60 时的特性曲线 且IB1 IB2 IB3分别等于I B1 I B2 I B3 光电三极管依照光照的强度来控制集电极电流的大小 其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连 并仅引出集电极与发射极 a 等效电路b 符号c 外形 1 3 6光电三极管 光电三极管与普通三极管的不同是将基极电流IB用入射光强E取代 无光照时的集电极电流称为暗电流ICEO 它比光电二极管的暗电流约大两倍 且受温度的影响很大 温度每上升25 ICEO上升约10倍 使用光电三极管时 也应特别注意其反向击穿电压 最高工作电压 最大集电极功耗等极限参数 有光照时的集电极电流称为光电流 当管压降uCE足够大时 iC几乎仅仅决定于入射光强E 对于不同型号的光电三极管 当入射光强E为1000lx 勒克斯lux 时 光电流从小于1mA到几毫安不等 国家标准对半导体三极管的命名如下 3DG110B 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 1 3 7半导体三极管的型号 双极型三极管的参数 例 现已测得某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如下表所示 各晶体管b e间开启电压Uon均为0 5V 试说明各管子的工作状态 解 在电子电路中 可通过测试晶体管各极的直流电位来判断晶体管的工作状态 对于NPN管 硅管的Uon 0 5V 锗管的Uon 0 1V T1管 UBE 0 7V Uon且UCE 5V UBE 放大状态 T2管 UBE 0 7V Uon且UCE 0 4V UBE 饱和状态 T3管 UBE 0 7V Uon且UCE 1 7V UBE 放大状态 T4管 UBE 0 Uon 截止状态 例 在一个单管放大电路中 电源电压为30V 已知三只管子的参数如下表 请选用一只管子 并简述理由 解 T1管虽然ICBO很小 即温度稳定性好 但 很小 放大能力差 故不宜选用 T3管虽然ICBO较小且 较大 但因UCEO仅为20V 小于工作电源电压30V 在工作中有可能被击穿 故不能选用 T2管的ICBO较小 较大 且UCEO大于电源电压 所以T2最合适 作业 P70 1 9 1 11 1 12 1 4场效应管 1 4 1结型场效应管1 4 2绝缘栅场效应管伏安特性曲线1 4 3场效应的主要参数1 4 4场效应管与晶体管的比较 场效应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 VCCS 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沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件 从场效应管的结构来划分 它有两大类 2 绝缘栅型场效应管IGFET InsulatedGateFieldEffectTransister 也称金属氧化物半导体三极管MOSFET MetalOxideSemiconductorFET 1 结型场效应管JFET JunctiontypeFieldEffectTransister 1 4 1结型场效应管 一 结型场效应管的结构 动画2 8 结型场效应管的结构 符号中 D Drain 为漏极 相当于三极管集电极C G Gate 为栅极 相当于基极B S Source 为源极 相当于发射极E JFET的结构是在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 两个P区连在一起即为栅极 N型硅的一端是漏极 另一端是源极 二 结型场效应管的工作原理 根据结型场效应管的结构 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 当uGS 0时 若在漏极与源极之间加有一定电压 在漏 源间将形成多子漂移运动 产生漏极电流 当uGS 0时 PN结反偏 耗尽层加厚 漏 源间的沟道将变窄 电阻增大 iD减小 栅源电压对沟道的控制作用 uGS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uGS称为夹断电压UGS off 其值小于零 在栅极加上电压 且uGS UGS off 若漏源电压uDS从零开始增加 则uDG uDS uGS将随之增大 使靠近漏极处的耗尽层厚度加宽 沟道变窄 从左至右呈楔形分布 漏源电压对沟道的控制作用 当uDS增加到使uGD下降到uGD uGS uDS UGS off 时 在紧靠漏极处出现预夹断 这种沟道夹断与前述uGS UGS off 时整个沟道夹断 iD 0的情况是不一样的 为了区别这两种夹断 通常将引起近漏极端的夹断称为预夹断 动画2 9 三 结型场效应管的特性曲线 JFET的特性曲线有两条 一是转移特性曲线 二是输出特性曲线 结型场效应管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负 1 输出特性曲线 输出特性曲线描述当栅 源电压uGS为常量时 漏极电流iD与漏 源电压uDS之间的函数关系 即 对应于一个uGS 就有一条曲线 因此输出特性为一族曲线 根据输出特性曲线可以将JFET划分为四个工作区 1 可变电阻区 非饱和区 式中IDSS是uGS 0 uGD UGS off 即uDS UGS off 时的漏极电流 称为饱和漏极电流 由uGS UGS off 及uDS uGS UGS off 限定的工作区 在这个区域内 iD同时受到uGS和uDS的控制 满足 当uDS很小 uDS的二次方可忽略时 JFET可看成阻值受uGS控制的线性电阻器 其阻值为 uGS越负 Ron就越大 2 恒流区 也称饱和区 恒流区 是由uGS UGS off uDS uGS UGS off 限定的工作区 但受到击穿区的限制 令uDS uGS UGS off 代入线性电阻区的伏安关系公式中便可得到饱和区的伏安特性 它具有平方律控制特性 构成压控电流源VCCS 场效应管用gm来描述动态的栅 源电压对漏极电流的控制作用 gm称为低频跨导 3 夹断区 截止区 夹断区就是uGS UGS off 沟道被夹断的工作区 在这个工作区内 iD 0 一般将使iD等于某一个很小电流 如5 A 时的uGS定义为夹断电压UGS off 4 击穿区 击穿区是uDS增大到某一值时近漏极端PN结发生雪崩击穿而使iD剧增的工作区 相应的uDS称为漏极击穿电压 用U BR DS表示 动画 2 6 2 转移特性曲线 转移特性曲线描述当漏 源电压uDS为常量时 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的函数关系 即 当场效应管工作在恒流区时 由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线 所以可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线 在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线 读出垂线与各曲线交点的坐标值 建立uGS iD坐标系 连接各点所得曲线就是转移特性曲线 动画 2 7 例 已知N沟道JFET的IDSS 4mA UGS off 2V 若其源极接地 uG 1V 问为保证器件工作在饱和区 最小的漏极电压uDmin应取多大 在该漏极电压uDmin下产生的漏极电流iD是多少 解 要使N沟道JFET工作在饱和区有 即只要满足uDS 1V就能保证器件工作在饱和区 此时最小的漏极电压uDSmin 1V 由饱和区的伏安特性关系 有 即该漏极电压uDmin下产生的漏极电流iD为1mA 例 已知JFET的uDS uGS UGS off 试证明该N沟道JFET漏源之间的电阻可以表示为 若UGS off 4V IDSS 16mA 问当uGS从0变化到0 9UGS off 时 电阻rDS的变化范围是多少 解 因为uDS uGS UGS off 故器件工作在可变电阻区 此时iD与uDS之间的关系为 为什么可以这样判断 因uDS uGS UGS off UGS off 故可忽略uDS的高次项 所以漏源间的电阻 若uGS 0 IDSS 16mA UGS off 4V 则 若uGS 0 9UGS off 则 由以上分析可知 当uGS从0变化到 3 6V时 场效应管漏源之间电阻可从125 变化到1 25k 利用它可实现压控线性电阻的功能 例 场效应管的夹断电压UGS off 4V 饱和漏极电流IDSS 4mA 试问 为保证负载电阻RL上的电流为恒流 RL的取值范围应为多少 P52 因为uGS 0 UGS off 条件 1 满足 并知此时恒流区电流iD IDSS 4mA 解 要使RL上的电流为恒流 则JFET需工作在恒流区 有 1 4 2绝缘栅型场效应管 N沟道增强型MOS EMOS 管的结构示意图和符号见右图 一 EMOS的结构 动画2 3 二 NEMOS管工作原理 在通常情况下 源极一般都与衬底相连 即uBS 0 正常工作时 作为源区和漏区的两个N 区与衬底之间的PN结必须外加反偏电压 为此 漏极对源极的电压uDS必须为正值 1 沟道形成原理 先假设uDS uGS 0 这时 两个N 区各自被空间电荷区包围而彼此隔断 增大uGS 两个N 区和B中的电子进一步被吸引到衬底表面的薄层中 并进一步排斥该层中的空穴 直到其间自由电子浓度大于空穴浓度 薄层中的导电类型就由原来的P型变为N型 且与两个N 区相通 因它是由P型半导体转换而来的 故称其为反型层 当外加正值uDS时 源区中电子将沿反型层漂移到漏区 形成自D流向S的iD 通常将反型层称为源区和漏区之间的导电沟道并将这种由电子形成的沟道称为N沟道 显然 uGS越大 反型层中自由电子浓度就越大 沟道的导电能力就越强 在uDS作用下的iD就相应越大 通常将开始形成反型层所需的uGS值称为开启电压 用UGS th 表示 其值取决于场效应管的工艺参数 SiO2绝缘层越薄 两个N 区的掺杂浓度越高 衬底掺杂浓度越低 UGS th 就越小 因此 uGS UGS th 时 沟道未形成 uDS作用下iD 0 uGS UGS th 时 沟道形成 uDS作用下iD随uGS增大而增大 动画2 4 随着uGS的继续增加 iD将不断增加 在uGS 0V时iD 0 只有当uGS UGS th 后才会出现漏极电流 固将这种MOS管称为增强型MOS管 2 uDS对沟道导电能力的控制 形成沟道后 在正的uDS作用下 源区的多子电子沿着沟道行进到漏区 形成漏极电流iD 因iD通过沟道形成自D到S方向的电位差 因此加到 平板电容器 上的电压将沿着沟道而变化 近源极端电压最大为uGS 相应的沟道最深 离开S端 越向D端靠近电压就越小 沟道也就越浅 直到D端电压最小 为uGD uGS uDS 相应的沟道最浅 因此在uDS作用下 导电沟道的深度是不均匀的 呈锥状变化 当uGS一定 而uDS由小增大时 相应的uGD减小 近漏极端的沟道深度进一步减小 直至uGD UGS th 即uGS uDS UGS th 或uDS uGS UGS th 时 近漏极端的反型层消失 动画2 5 综上所述 可以画出uGS 大于UGS th 一定 iD随uDS变化的特征 开始时 因uDS很小 它对沟道深度的变化可忽略 沟道呈现的电阻近似为与uDS无关的恒定值 iD随uDS线性增大 随着uDS的增大 近漏极端的沟道深度变窄 相应的沟道电阻值增大 因而iD的增大趋于缓慢 直到uDS增大到等于 uGS UGS th 时 近漏极端的沟道在A点被夹断 即预夹断 uDS继续增大 预夹断区继续延长 且uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对iD的阻力 另一方面 随uDS的增大 使d s间的纵向电场增强 又导致iD增大 两种变化趋势相抵 从外部看 uDS增大时iD几乎不变 表现出iD仅仅决定于uGS的恒流特性 图中的B点之后 三 伏安特性 在MOS管中 输入栅极电流是平板电容器的泄漏电流 其值近似为零 因而在共源连接时 MOS管的伏安特性只需由下式所示的输出特性曲线族表示 对于MOS场效应管 同样可以划分为四个区 非饱和区 饱和区 截止区和击穿区 1 非饱和区 非饱和区又称变阻区 它是沟道未被夹断的工作区 由uGS UGS th uDS uGS UGS th 限定 图中虚线左面部分 在这个区域内 iD同时受到uGS和uDS的控制 其关系为 当uDS很小 uDS的二次方项可忽略时 该表达式可简化为 表明iD和uDS之间呈线性关系 输出特性近似为一组直线 右图是放大后的直线族 考虑到MOS管的漏极和源极在结构上对称 可以互换的特点 将直线延伸到了第三象限 可见 uDS很小时 MOS管可看成阻值受uGS控制的线性电阻器 其阻值 用Ron表示 表明uGS UGS th 越大 Ron就越小 MOS管制造好后 则UGS th 就定了 因此 uGS越大 Ron就越小 显然 这个工作区相当于晶体三极管的饱和区 2 饱和区 饱和区又称放大区 它是沟道预夹断后所对应的工作区 由uGS UGS th uDS uGS UGS th 限定 将uDS uGS UGS th 代入下式 此式表明 在饱和区iD受uGS控制 而几乎不