第一章半导体器件

1、第一章 半导体器件 本章教学要求：1了解半导体的基础知识。2掌握晶体二极管、晶体三极管及场效应管的 工作原理、特性曲线和主要参数。3掌握二极管基本电路的分析方法与应用。4. 掌握集成运算放大器的基本特点、主要参数 和理想运算放大器主要特点及特性1-1半导体基础电阻率108cm的为绝缘体；电阻率在这两者之间的为半导体。什么叫半导体什么叫半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅和锗等。1 1、掺杂性：、掺杂性：半导体可以因掺入十分微量的杂质而使其电阻率发生显著的变化，人们正是利用这种特性来改变和控制半导体的电阻率，制成各种半导体器件。半导体的特性：2、热敏性：、热敏性：一些半导体对

2、温度的变化非常敏感，温度的变化可以使其电阻率发生明显的变化，人们利用这种特性可以做成各种热敏元件，如热敏电阻、温度传感器等。3、光敏性：、光敏性：在光照下，一些半导体的电阻率可以发生明显变化，有的甚至可以产生电动势，人们利用这种特性可以做成各种光电晶体管、光电耦合器和光电池。1-1-1本征半导体本征半导体是指不含杂质的、纯净的半导体。硅和锗是用得最多的半导体，它们都是四价元素，原子最外层有四个价电子。由原子理论得知，当原子的外层有八个价电子时才处于稳定状态。因此，硅或锗在组成单晶时，每个原子都要从四周相邻原子取得四个价电子，以组成稳定状态。这样每两个原子都共用一对价电子，形成共价电子对，这种结

3、构称为共价键结构。图1-1所示是共价键的二维结构示意图。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1-1 共价键的二维结构示意图共价键绝对温度T=0K和无外界激发时，价电子全部束缚在共价键内。 温度的上升，少数价电 子挣脱原子核束缚，产生自由电子空穴对。 自由电子空穴对的运动特点 2. 没有外加电场的情况下，这种移动也是杂乱无章的。 1. 随时都有自由电子和空穴的复合，又随时都有自由电子和空穴对的产生，在一定的温度下，自由电子和空穴 的浓度是一定的3.在有外加电场时，自由电子和空穴都在电场的作用下在宏观上作定向运动，这种运动叠加在原来的无规则运动的基础上，对外部就显现出电流。自由电子和空穴的运动方

4、向相反，但由于它们的电性也相反，因此对外部显现的电流使相加的。 自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。理论和实验证明：随着温度的升高，电子空穴对激剧增加，其增加的速度，比指数率还要快。因此，温度对本征半导体的导电能力有显著的影响。这种半导体称为N型半导体 1-1-2杂质半导体 在本征半导体中，人为地掺入少量其它元素（杂质），可以使半导体的导电性能发生显著改变。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同，可将杂质半导体分为两种：电子型半导体和空穴型半导体，即N型半导体和P型半导体。1. N1. N型半导体型半导体+4+5+4+4+4+4+4+4+4图1-2 N型半导体共价键

5、的二维结构示意图在本征半导体中掺入少量五价元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，则半导体中多余一电子 多余电子 常用于掺杂的五价元素有磷、砷和钨 本图中掺杂为磷元素磷原子很容易贡献出一个自由电子，故称为“施主杂质” 2. 掺杂后，半导体的载流子由两部分组成，一部分是由本征激发产生的电子-空穴对，另一部分则是由于掺入磷原子后由磷原子提供的大量的自由电子。因此，这种杂质半导体的载流子中以自由电子为主，故称为电子型半导体或N型半导体。自由电子因此而称为多数载流子，简称多子，而空穴则称为少数载流子，简称少子。 1. 磷原子提供一个自由电子后，其本身由于失去电子而成为正离子，他不产生新的

6、空穴，因为磷原子周围的共价键中没有空位。这与本征半导体成对地产生自由电子空穴对是不同的，它只提供自由电子。掺杂后，半导体中载流子特征这种半导体称为P型半导体 在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体。常用于掺杂的三价元素有铟、铝和硼。图1-3所示为一个硼原子取代一个锗原子后晶体的二维结构示意图。 2. P2. P型半导体型半导体+4+3+4+4+4+4+4+4+4图1-3 P型半导体共价键的二维结构示意图在本征半导体中掺入少量三价元素，使每一个三价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，则半导体中一个价电子位虚位以待 空穴出现 本图中掺杂为硼元素硼原子很容易接受一个价电子而产生空穴，故称

7、为“受主杂质” 附近价电子稍受激发后过去填补那个空位 掺入三价元素后，半导体中的载流子除了有由本征激发产生的电子-空穴对以外，还有大量的由三价元素提供空位接受邻近的锗原子的价电子而产生的空穴，因此这种参杂半导体的载流子是以空穴为主，故称为P型半导体，空穴也就成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。半导体中的载流子、载流子的运动与电流半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子：自由电子和空穴 半导体中载流子运动与电流半导体中载流子运动与电流：1.热运动：当T0oK时，载流子作热运动，各向机会相等， 不形成电流不形成电流。 2.扩散运动：是由于载流子是一种可以自由移动的带电粒子，当这些载流子浓度

8、分布不均匀时，就会使载流子产生扩散运动。载流子扩散运动而产生的电流称为扩散电流扩散运动而产生的电流称为扩散电流。扩散电流与载流子浓度的梯度成正比。 3.漂移运动：是指载流子在电场力的作用下所作的运动，载流子漂移运动形成的电流称为漂移电流漂移运动形成的电流称为漂移电流。显然，电场越大，漂移电流越大，即漂移电流与电场强度成正比。1-2 PN结与晶体二极管1-2-1 PN结的基本原理1. PN结的形成P区N区在它们的交界处就产生了电子和空穴的浓度差， 多数载流子向对方扩散空间电荷区的形成内建电场形成。内建电场一方面使多数载流子扩散减小，另一方面使少数载流子产生漂移开始时，扩散大于漂移，空间电荷区增加

9、。最后使得多数载流子的扩散和少数载流子的漂移相等，达到动态平衡 。PN结产生耗尽层空间电荷区U内建电场势垒高度空间电荷区的特性（1） 正、负离子各占一边而产生了由N区指向P区的电场，这个电场称为内建电场。显然，N区的电位要比P区的高，称为接触电位差，又称为势垒高度，其值的数值一般小于1V。（2） 空间电荷区产生的内建电场的作用是一方面阻止多数载流子向对方扩散，另一方面它又要使少数载流子产生漂移运动，扩散和漂移这两种运动方向相反，由于多数载流子扩散到对方就成为少数载流子，所以漂移运动相当于将扩散到对方的一部分多数载流子拉回到原区间。 （3) 在空间电荷区内的载流子已经耗尽，故空间电荷区又称为耗尽

10、层。 2. PN结的特性1） PNPN结的单向导电性结的单向导电性RE未加正偏压时的耗尽层加正向电压电源正极提供空穴电源负极提供电子在电压正极的作用下，空穴向空间电荷区移动在电压负极的作用下，电子向空间电荷区移动耗尽层变窄（1）加正向电压耗尽层变窄，势垒电势减小，有利于多数载流子扩散，而半导体中多数载流子浓度较高，故产生较大电流。RE未加反偏压时的耗尽层加负向电压在电压负极的作用下，空穴向电源负极移动在电压正极的作用下，电子向电源正极移动耗尽层变宽 （2）加反向电压耗尽层变宽，势垒电势增加，多数载流子扩散进一步抑制，少数载流子漂移加强。由于少数载流子浓度极低，故产生电流极小，近似为零加正向电压

11、产生较大电流，加反向电压产生的电流近似为零，这就是PN结的单向导电性反向电流的特点：（1） 在一定温度下，本征激发的少数载流子的浓度是个定值，所以反向电流基本上不随外加反向电压发生变化，被称为反向饱和电流 。（2） 由于温度的变化，将使本征激发的少数载流子浓度发生变化，所以反向电流受温度影响较大。2 2）PNPN结的击穿特性结的击穿特性 当PN结上加的反向电压超过某一定限度时，反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的击穿。PN结的击穿有两种。（1）雪崩击穿 当反向电压足够高时，空间电荷区的电场较强，通过空间电荷区的电子和空穴在电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞

12、而使其脱离原子的束缚。被撞出来的载流子在获得一部分能量之后，又可以去碰撞其它的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子数目突然急剧的增加，犹如雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。 （2）齐纳击穿 当反向电压足够高，空间电荷区的电场强度达到105V/cm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子-空穴对，使得载流子数目突然增多，产生击穿现象，这种击穿称为齐纳击穿，又称为隧道击穿。PN结击穿的性质 （1）PN结的击穿破坏了PN结的单向导电性，一般应用时应当避免。（2）击穿并不意味着PN结的损坏，只要电流的增长受到限制，就不至于造成PN结内部发热使之烧毁。所以，这种现象是可逆的，即当外加电压拆

13、除后，器件的特性可以恢复。有的器件正是利用了PN结的这种特性。 一般来说，雪崩击穿一般在6V以上，齐纳击穿一般在6V以下，而击穿电压在6V左右时则常兼有这两种击穿。 3 3）PNPN结的电容效应结的电容效应 PN结两端加电压，PN结内就存在电荷的变化，电荷发生变化就明PN结存在电容效应。PN结存在两种电容：势垒电容CT和扩散电容CD （1）势垒电容CT 势垒电容是由耗尽层内电荷储存作用引起的。当外加电压变化时，势垒区发生变化，区内的电荷量也要改变，引起了电容效应，因此称为势垒电容，用CT表示。势垒电容与外加电压有关，分析表明它们的关系为： )(UUKCT （1-1） （2）扩散电容CD 扩散电

14、容是多数载流子扩散到对方，与对方区域里相反性质的载流子的复合过程引起的。由于复合需要一定时间，因而也是一种电荷储存效应，也就是电容效应。由于它是载流子扩散引起的，故称为扩散电容，用CD表示。一般说来，PN结在正向运用时，势垒电容和扩散电容并存，扩散电容要大些，起主要作用；反向运用时，只有势垒电容。4 4）PNPN结的温度特性结的温度特性（1）温度升高将是反向饱和电流增加。温度每升高1oC，反向饱和电流增加约7%，故温度每升高10oC，反向饱和电流增加一倍。 由于半导体中的本征激发载流子数目随温度的变化急剧变化，使得PN结的特性对温度十分敏感。主要表现为：（2）温度升高将使势垒电势下降。温度升高

15、使半导体中的本征激发载流子增多时，将使势垒层变薄，因而使势垒电势下降。理论和实验表明，温度每升高1oC，势垒电势降低约2mV，对锗和硅这两种材料的影响都差不多。势垒下降的结果， 有利于扩散电流的增大，所以，当外加正向电压不变时，PN结的正向电流将随温度的升高而增大。 一般说来，少数载流子是由本征激发产生的，所以受温度影响比正向电流较大。1-2-2 晶体二极管 二极管是一个PN结，故二极管具有上述PN结的特性 。1符号及特性曲线01.0 0.60.2u（V）i（mA）图1-7 二极管的符号和伏安特性曲线二极管符号正极负极正向特性曲线反向特性曲线开启电压Ur。锗管为02V，硅管为0.6V2. 特性

16、的解析式1 1）伏安特性）伏安特性) 1(UkTqSeII （1-2） 式中q为电子的电荷量，其值为1.60210-19库伦；k为波尔兹曼常数，其值为1.38010-23J/K；T为绝对温度值，设室温为（20oC）293K，故1)(261mVkTq引入符号， ， UT = 26mV，通常称为热电压。式（1-2）可写为TUqkT) 1(/TUUSeII（1-3） U为外加电压，如正向电压就取正值，如为反向电压就取负值。（1）当正向电压超过100mV时，就有 1，则式（1-3）可简化为 TUUe/TUUSeII/（1-4）这就是说，正向电流与正向电压成指数关系。（2）当反向电压超过100mV时，就

17、有 1，式（1-3）可简化为TUUe/SII（1-5） 也就是说，反向电流与外加电压无关，而为一恒定值IS。负值代表实际的电流方向由负极流向正极，与我们假定的电流方向由正极流向负极相反。将式（1-3）近似，可以有：2 2）等效电阻）等效电阻00uiiurdQUQUQIQIQQiiuuQQDIUR（1 1）直流电阻）直流电阻RD（2 2）交流电阻）交流电阻rd交流电阻的计算 ： 直流电阻与交流电阻的区别 直流电阻与交流电阻的相同之处，都与工作点有关TUuTSdeUIdudir/1QdIr/263. 参数1）最大允许整流电流）最大允许整流电流IOM IOM是指在电阻性负载的半波整流电路中允许通过二

18、极管的最大直流电流。若工作电流超过此电流，会使二极管过热，导致失效或烧毁。2）最高反向工作电压）最高反向工作电压URM URM是指允许加到二极管（非稳压管）上的最高反向电压值。该数值应小于反向击穿电压，使用中不应超出URM，以免电路中缺少适当的限流电阻时发生击穿，造成器件损坏。通常取URM为击穿电压的一半。 3）最大允许功耗）最大允许功耗PDM 流过二极管的电流与二极管两端的电压的乘积是二极管的功率，该功率转换为热能，故称为功耗。如果二极管的实际功率PD超过了最大允许功耗PDM，二极管就会因过热而损坏。1-2-3 晶体二极管电路1二极管的折线化近似二极管有四种不同情况的近似 ：rdrrrdrr

19、rd理想二极管考虑正向电阻考虑反向电阻考虑开启电压2二极管应用电路举例1 1）整流电路）整流电路VDRiuouiuttUmsin电源正半周，二极管导通，相当于短路输入正弦波uo=ui电源负半周，二极管截止，相当于开路uo=0可见， 输出电压为正向脉动波，称为整流电路。由于仅有半波输出，故称为半波整流电路2 2）门电路）门电路UF+5VRUBUAVD2VD1VD2导通VD1截止（1 1）U UA A为高电平，为高电平，(U(UA A=5V)=5V)，U UB B为低电平，为低电平，(U(UB B=0V)=0V)。UF=UB=0V为低电平 （2 2）U UA A为低电平，为低电平，(U(UA A=

20、0V)=0V)，U UB B为高电平，为高电平，(U(UB B=5V)=5V)。VD1导通VD2截止UF=UA=0V为低电平 （3 3）U UA A为高电平，为高电平，(U(UA A=5V)=5V)，U UB B为高电平，为高电平，(U(UB B=5V)=5V)。VD1截止VD2截止UF=5V为高电平 两个输入端有一个为低电平，输出就为低电平；只有两个全为高电平输出才为高电平。这就是“与”门电路。3. 3. 二极管限幅电路二极管限幅电路 1055VVDR(V)tsin10tiuiuou（1 1）ui 5V 5V 5VVD截止u0=5V该电路将输出电压限制在5V之内，故称为 限幅电路1-3 特殊

21、二极管1-3-1 稳压管0（V）（mA）iu 稳压管也是一种二极管，它是利用PN结的反向击穿特性进行工作的，只是它的反向特性曲线比一般的二极管要更陡一些。稳压管在稳压设备和一些电子电路中得到了广泛的应用。 稳压管的符号特性曲线正向反向稳压管的主要参数ZU稳定电压稳定电压U UZ Z UZ就是PN结的击穿电压，它随工作点电流和温度的不同而略有变化。对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的分散性。 0ZUZIZZZIUrZIminZIiumaxI稳定电流稳定电流稳压管工作时的参考电流值。它通常有一定的范围，即IZmaxIZmin。当工作电流小于IZmin时，稳压效果将受影响；当工作电流大于IZma

22、x时，稳压管将因过热而损坏。动态电阻动态电阻r rZ Z 它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值 。这个数值随工作电流的不同而有所改变。通常工作电流越大，动态电阻就越小，稳压性能就越好。电压温度系数电压温度系数 Z Z 它是用来说明稳定电压受温度变化影响的系数。不同型号的稳压管有不同的温度系数，且有正负之分。一般说来，稳压值低于4V的稳压管，Z为负值，稳压值高于6V的稳压管，Z为正值，介于4V到6V之间的可能是正的，也可能是负的。因此可以将正、负温度系数的稳压管合理搭配使用，以提高稳压效果。额定功耗额定功耗P PZ Z PZ是保证稳压管正常工作允许的最大功率，超过PZ将会使稳压管过热损坏。稳压

23、管稳压电路 IZILUoUiRLUZVZTCRVD稳压管并接在负载RL两端，故Uo=UZ 工作原理 当RL一定一定，设Ui增大增大，则UZ和Uo都要增大增大，但稳压管两端电压只要有少许增大，就会造成IZ急剧增加急剧增加，这时限流电阻R上的压降（IZ+IL）R就会显著增加显著增加，从而使输入电压增加的绝大部分都降落在降落在R上上，于是Uo的变化就非常小非常小。同样地，若Ui减小或R变化，也可以使Uo的变化很小，输出电压基本稳定输出电压基本稳定。1-3-2 光电二极管KA光电二极管符号光电二极管符号光电二极管工作原理光电二极管工作原理光电二极管必须工作在反向电压下，在没有光照的条件下，它和普通二极

24、管一样，其反向电流很小，这时的电流称为暗电流。当有光照时，半导体共价键中的价电子获得能量，产生的电子空穴对增多，导电能力加强，反向电流增大。并且，在一定的反向电压范围内反向电流与光照度成正比。光电二极管特性光电二极管特性（1 1）光谱特性）光谱特性 就是指光电器件对某一波长范围内的光的光照具有较好的响应，对于这一波长范围外的光的光照响应却较差。 （2 2）光照特性）光照特性 表示光电流与照射光强度之间的关系曲线称为光照特性，也称光电特性。一般说来，光电二极管的光照特性曲线是非线性的，但其特性曲线越接近直线，其光照特性就越好。（3 3）频率特性）频率特性 频率特性表示光电流与入射光强度变化频率之

25、间的关系。光电二极管可以用做光的检测。当PN结的面积较大时，可以做成光电池。1-3-3 发光二极管 K A发光二极管符号发光二极管符号发光二极管工作原理发光二极管工作原理发光二极管简称LED。其内部的基本单元仍然是一个PN结。当外加正向电压时，P区和N区多数载流子扩散到对方，与对方多数载流子复合，在复合过程中，有一部分能量以光的形式发出，使二极管发光。发光二极管的应用发光二极管的应用1） 发光二极管主要用作显示器件。除单独使用外，还可以做成数码管或阵列显示器。2）将发光二极管和光电二极管组合起来可以构成二极管型光电耦合器。 光电耦合器以光为媒介进行电信号的传递。它可用来传递模拟信号，也可作开关

26、器件使用。并且发光器件和光敏器件间电绝缘，所以常用在信号单方向传输，且需要电路间电气绝缘场合的信号耦合。主要用于一些常见的数字控制系统中。1-3-4 变容二极管变容二极管符号变容二极管符号KAU/VC/pF1008060402010 8 6 4 2变容二极管特性曲线变容二极管特性曲线变容二极管工作原理变容二极管工作原理变容二极管是利用利用PN结的势垒电容随外加反向电外加反向电压压的变化而变化的特性而工作的变容二极管的应用变容二极管的应用变容二极管的容量很小，为皮法数量级，它有一定的电容变化范围，主要用于高频场合下，例如电调谐、调频信号的产生等。1-4 晶体三极管1-4-1三极管的工作原理1 1

27、晶体三极管的结构及符号晶体三极管的结构及符号集电极 C集电区基区基极 B发射区发射区发射极发射极 E PNP发射结发射结集电结PNNPNPP集电极集电极 C集电区集电区基区基区基极B发射区发射区发射极发射极 EN发射结发射结集电结集电结PNP（1）晶体三极管结构）晶体三极管结构两个PN结三个区三个区三个极三个极（2）晶体三极管符号）晶体三极管符号发射区高掺杂基区薄集电区掺杂低NPN三极管图片三极管管脚分布图2晶体管的放大原理BECEERERCEC1 1）载流子的传输过程）载流子的传输过程发射区向基区注入电子 发射结正偏集电结反偏基区向发射区扩散空穴 在基区电子大多数继续向集电结扩散 少数与基区

28、的空穴复合 在集电结反偏电压下，集电区收集电子 在集电结反偏电压下，基区集电区少子向对方漂移 BECEERERCECICNIBNICB0IEPIEN2 2）共基极的电流分配关系）共基极的电流分配关系发射区发射电子产生的电流集电区收集电子产生的电流基区空穴与扩散到基区电子复合产生的电流基区集电区少子漂移产生的电流基区空穴扩散产生的电流该电流忽略不计（1）各载流子产生的电流（2）电流分配关系电流分配是指发射区的发射电流被集电区收集的比例ENCNIIIBIE（3 3）三极管各极电流关系）三极管各极电流关系BECEERERCECICNIBNICB0IENIC0CBBNBIII0CBCNCIIICBEN

29、EIIII（4 4）共基极电流放大系数与各级）共基极电流放大系数与各级电流关系电流关系CBECIII+=ECII忽略 0CBI+IE3 3）三极管的放大作用）三极管的放大作用UIEIERLECEE共基极放大器共基极放大器IU发射结加正偏电压集电结加反偏电压输入端加信号Ui共基极发射极产生电流IE+ IE集电极产生电流 IERL上产生信号电压 U输出端的信号电压为UO = IERL，只要RL取得足够大，就可使 ，即实现了信号的放大。 ioUU+IC4 4）共射接法的电流分配关系）共射接法的电流分配关系IBUICRLECEEIU共射极发射结正偏 集电结反偏 输入端加信号Ui+IB基极产生电流IB

30、集电极产生电流IC RL上产生信号电压 U 输出端的信号电压为UO = ICRL，只要RL取得足够大，就可使 ，即实现了信号的放大。 ioUU共射极电流放大系数是集电区收集的电流与基极复合电流之比1BNCNII集电极电流IC与基极电流IB的关系为00000CB0)1 ()(CEBCBBCBCBBCBBNCNCIIIIIIIIIIII00)1 (CBCEII其中忽略ICE0，则有BCII或 BCIIuBE1-4-2 三极管的伏安特性曲线三极管伏安关系测试原理三极管伏安关系测试原理UCCUBB iCiBVAVmA测试电路1 1共射接法的输入特性曲线共射接法的输入特性曲线共射输入特性曲线是指以集电极

31、与发射极之间输出电压uce为参变量，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线,即：),(1CEBEBuufi测试方法UCC为常数改变UBB测量iB与uBE的对应关系输入特性曲线输入特性曲线IEB0+ICBOBVBE01V8060402001.00.60.2 uBE(V) iB(A)10V0ceu输入特性特点（1）uCE= 0时，iB -uCE曲线和普通二极管的特性相似。这是因为uCE = 0时， uBC = uBE ，此时三极管相当于并接在一起的二极管，其开启电压也与二极管相同。（2） uCE 1V时的iB-uCE曲线与uCE = 0时的相比，特性右移，且基本重合。这是由于uCE增加，集电结

32、势垒电势增加，集电区收集电流能力增加，基极电流减小。曲线右移。但到一定值后，集电结的反向电压已将注入到基区的电子基本上收集到集电极，iB基本不变，故曲线基本重合。（3）BVBE0为发射结反向击穿电压。2 2共射接法输出特性曲线共射接法输出特性曲线输出特性曲线是指以输入电流iB为参变量，输出集电极电流iC和集电极与发射极之间电压uCE的关系，即),(2CEBCuifi测试电路uBEUCCUBB iCiBVAVmA改变UCC固定iB测量iC与uCE的对应关系测试方法uCE输出特性曲线 iB= ICB0放大区0UA截止区饱和区饱和区0Bi输出特性曲线的特点1）划分三个区截止区当发射结反向运用，集电结

33、也反向运用时，晶体管处于截止区 发射结和集电结都处于正向偏置，三极管失去了放大作，用晶体管处于饱和区。 当发射结正向运用，集电结反向运用时，晶体管处于放大区 2）放大区特性（1）在维持一定的条件下，基极电流增加一个很小的数值，集电极电流将增加一个很大的数值。 可用交流电流放大系数来表示。常数CEuBCii（2）输出特性有一定倾斜。这表明对集电极电流有一定的影响。iC越大，倾斜越大。如果将输出特性向左延伸，与横轴相交，可得一UA。UA称为厄立电压，其典型值一般在50100V。iB=ICB0放放大大区区0UA截止区饱和区0Bi截止区截止区3三极管的运用状态由于三极管有两个PN结，每个PN结又有两种

34、偏置，故三极管可以有四种运用状态。 发射结正向运用反向运用正向运用饱和状态放大状态反向运用反向放大状态截止状态在以上四种工作状态中，放大状态在模拟电路中用得很多放大状态在模拟电路中用得很多，是本课程要重点讨论的内容之一。在脉冲数字电路中用得最多的是饱和状态和截止状态，可以看作是开关的导通与截止。反向放大状态相当于把集电极与发射极对调使用，在原理上来说，与放大状态没有本质的区别，但由于在制作掺杂时，晶体管的实际结构是不对称的，因此反向运用时其放大性能比正常放大是要差得多，故很少使用。集电结运用状态1-4-3 三极管的主要参数晶体管的参数是表征晶体管性能和描述晶体管安全运用范围的数据。也是选用晶体

35、管的基本依据。下面介绍几种主要参数。1 1极限参数极限参数1 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM IC过大，要下降，通常把下降到最大值的2/3（有的厂家规定为1/2）时的IC值称为ICM。当电流超过ICM时，管子不一定烧坏，但其性能将显著下降。2）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCM 晶体管工作时，集电结上加有较高电压并有电流流过，因此集电结上要消耗一定的功率，称为集电结功耗，即PC = ICUCE。集电极功耗越大，集电结温度将越高，为了使结温度不超过最大允许结温TM，需要给晶体管规定一个集电结功耗的限额PCM。PC = PCM在输出特性曲线上划出了一条双曲线，工作在这条

36、曲线下方的区域是安全的。3）反向击穿电压）反向击穿电压 常用的反向击穿电压有：BVCB0发射极开路时，集电结的反向击穿电压。BVCE0基极开路时，集电极与发射极间反向击穿电压。 共基接法电流放大系数 和，与共射接法电流放大系数一样，在没有特别声明时，二者也认为是通用的。共射接法电流放大系数有直流 ，和交流， 一般比略小一些，但在实际使用时一般不是严格地区分，而是认为 。以后不再特别声明时，两个符号可以通用。2电流放大系数3极间反向电流极间反向饱和电流主要有：（1）集电极基极间反向饱和电流ICB0，即发射极开路时，集电极的反向电流。（2）集电极发射极穿透电流ICE0，即基极开路时，集电极发射极间

37、加上一定反 向电压时的集电极电流。ICE0=(1+)ICB0。实际工作时，由于ICE0和ICB0受温度影响较大，故要求它们越小越好。4晶体管的温度特性3. 温度对的影响，温升会使晶体管的增大，工程上是以每温升一度 ， 值增加自身的0.51%来计算。晶体管参数与温度密切相关，了解参数随温度变化的规律对于电路设计是很重要的。1. 温度对ICB0的影响，温度升高，ICB0增加，温度每升高10oC，ICB0约增加一倍。2. 温度对UBE的影响，当温度升高时，对于正偏发射结，若保持正向电流IE不变，则正偏电压UBE必须要减小，无论是硅管还是锗管，每温升一度，UBE要减小22.5mV。 反过来，若外加电压

38、使UBE不变，则IE就要增加。1-5场效应管场效应管分类场效应管特点（1）场效应管（FET）是用电场来控制输出电流的半导体器件。（2）输入电阻非常高（1071015），控制端基本上不需要电流。（3）温度特性较好，抗辐射能力强，工艺简单便于集成。（4）场效应管的工作电流是由多子漂移运动形成，少子电流极小，通常只靠一种载流子导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。根据结构分为结型管（JFET）和绝缘栅管（MOSFET）两种。根据导电载流子可分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅管根据沟道产生条件又可分为增强型和耗尽型两种。1-5-1结型场效应管结构和符号GDDGSSG栅极S源极D漏极 N沟道P+在一块N型硅

39、条的两侧分别制成两个P+区 两个P+区并联后引出的电极为栅极 硅条的两端分别引出源极（S）和漏极（D） N沟道结型场效应管符号P沟道结型场效应管符号结型场效应管具有两个P+N结，工作时，这两个结都处于反偏，P+N的耗尽层主要伸向低掺杂的N型侧。控制反偏的大小，就能改变沟道的宽窄，因而使输出电流也相应变化，实现了用电场控制输出电流的目的。1工作原理P+P+N（b）0GSuDSuDiDSu0GSuDiDSSIPV1）栅偏压为零时栅偏压为零时 与与 的关系的关系DiDSuuGS为零增加uDS= ，沟道出现预夹断，漏极电流出现饱和uDS从零开始增大，PN结靠近漏极反偏电压加大，沟道变窄；漏极电流增加。

40、PV再增加uDS，沟道夹断区域增加，电流基本不变。2）负栅偏压（栅偏压（uGS0）时）时 与与 的关系的关系DiDSuP+P+NDSuDi此时夹断电流也将小于IDSS。而且，栅源的负压越大，预夹断发生就越早，预夹断时的uDS就越小，uDS预夹断电压与栅源电压的关系是：uGS0)在正栅压作用下，便产生垂直于衬底表面的电场,这个电场是排斥空穴并吸引电子的，当栅压较低时(uGS0)当正栅压足够大时，即uGSVTH时，在较强电场的作用下，开始将深层的电子吸引到表面层来，是表面层的电子浓度迅速增大，这一层中电子变成了多子，具有N型半导体的特征。通常将P型半导体表面出现的N型层称为反型层。 反型层的形成T

41、HGSVu这种靠增强栅源电压而形成导电沟道的MOS管，称为增强型MOS管。开始形成导电沟道的最小栅源电压称为开启电压，记作VTH 。（2 2）u uGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用 衬底BSGD N+ N+耗尽层P型衬底DSuGSu当沟道形成后，进一步加大uGS可以使导电沟道加宽。所以， uGS不仅可以产生导电沟道，还可以控制沟道的导电能力，因而可以控制iD。uDS对导电沟道和漏极电流iD影响uDS由零增加导电沟道在靠近漏极处变窄栅漏极间电压减小uDS增加到使UGD=VTH时，栅漏极电压为零，导电沟道在靠近漏极处消失，产生夹断。再增加uDS，导电沟道进一步萎缩。在夹断前，iD随uD

42、S增加较快，在夹断处， iD进入饱和，大于夹断电压后， iD基本不随uDS变化。这时iD只受uDS控制。uDS使沟道夹断的电压是使栅漏极电压为零的电压，显然与栅源电压有关，即：THGSDSVuu式中THGSVu8642 （mA） （V）10864254321放大区0 （V） （mA）截止区变阻区7GSu6GSu5GSu4GSu3GSuGSu2GSuDiVuDS6DiGSuthGSDSVuu-=2）特性曲线（1）输出特性曲线可分为四个区。图中击穿区为表示（2）放大区和变阻区的分界线为PGSDSVuu（3）输出特性曲线和转移特性曲线可以相互转换。2N沟道耗尽型场效应管当正栅压时（uGS0），沟道变

43、宽，当负栅压时（uGS0）,沟道变窄，只有负到一定程度时，沟道才消失，此时uGS=VP，称VP为夹断电压，VP本身是负值。所以耗尽型MOS管与结型管相似，不同之处是N沟道结型管工作在负栅压而N沟道耗尽型MOS管，除工作在负栅压外，还可以工作在零栅压或正栅压，具有更广泛的灵活性。耗尽型MOS也分P沟道和N沟道两种。N沟道耗尽型与N沟道增强型MOS管的结构基本相同，主要区别是这类管子的栅绝缘层（SiO2）中掺入适量的正离子，使得在零栅压时（uGS=0），在正离子作用下，已经出现了N型导电沟道。（V）GSu变阻区20-4-8（mA）10864254321放大区0（V）（mA）截止区GDS2GSu0G

44、Su-2GSu-4GSu-6GSu-8GSuDSuDiDiVuDS6特性曲线和符号耗尽型MOS场效应管最大的特点是栅源电压可正可负。偏置灵活3P沟道MOS管（PMOS）P沟道MOS管也有两种，增强型和耗尽型。增强型PMOS管在工作时为了在漏源极之间形成P沟道，栅源极之间电压必须为负，而且漏源极电压及漏极电流也与NMOS管的相反。2类型符号偏压极性阈值电压输出特性转移特性结型N沟道 +结型P沟道+NMOS耗尽型+0+ 增强型+PMOS耗尽型+0增强型0PV0PV0PV0THV0PV0THV0GSu10GSuTHGSVu2DSuDSuTHGSVuDSu+10GSu1DSu10GSu1DSuGSuG

45、SuGSuGSuDiDiDiDiGSuDiGSuDiDiDiDiDiDiDiDSuGSu各种类型的FET的特性及符号 1-5-3 场效应管的参数及其特点1主要参数（1）夹断电压VP 它是指uDS在固定时(如uGS=0），使耗尽型场效应管（JFET、MOSFET）漏极电流减小到某一微小值（测试使用1A）时的栅源电压值。（2）开启电压VTH 它是指在uDS固定时，使增强型场效应管开始导电的栅源电压值。1）直流参数（3）饱和漏极电流IDSS 在uGS=0的情况下，对于耗尽型场效应管，当uDSVP时iD的值。通常规定uGS=0，uDS=10V时测出的漏极电流为饱和电流IDSS。（4）直流输入电阻RGS

46、 漏极与源极短路时栅极直流电压UGS与栅极直流电流IG的比值为直流输入电阻RGS。JFET的直流输入电阻通常在108-1012之间，绝缘栅场效应管的直流输入电阻在10101015之间。2）交流参数（1）跨导gm 在uDS为常数时，漏极电流iD的微变量与栅源电压uGS的微变量比值，即：常数dsuGSDmdudig跨导的大小反映栅源电压对漏极电流控制能力的强弱, gm大小与工作点位置密切相关。 （2）输出电阻rds 在恒流区，当uGS为常数时，uDS的增量与iD的增量之比，即：常数GSuDDSdsdidur（3）极间电容 场效应管的三个电极之间存在着极间电容，即CGS、CDG和CDS。其中，CGS

47、和CDG的数值一般为13pF，CDS约为0.11 pF。管子在高频应用时，要考虑极间电容的影响。rDS一般在几十千欧至几百千欧 3）极限参数（1）栅源击穿电压BVGS 栅极与沟道之间的PN结反向击穿时的栅源电压。（2）漏源极击穿电压BVDS 使PN结发生雪崩击穿，开始急剧上升时的值。由于加到栅漏之间PN结上的反向偏压为，所以，越负，BVDS越小。（3）最大漏极电流IDM 他是指管子的最大允许工作电流。（4）最大功耗PDM 他是指管子在正常工作是允许的最大功率损耗。2场效应管与晶体三极管的比较（1）场效应管是利用多数载流子导电的器件，称为单极型半导体，温度性能较好，并具有零温度系数工作点，而三极

48、管由于有少数载流子参与导电，其温度特性较差。（2）场效应管是电压控制器件，输入电阻很高，而晶体三极管为电流控制器件，输入电阻较低。（3）正常工作时，三极管的发射极和集电极不能互换，而场效应管的源极和漏极可以互换，当然衬底与源极在管内短接和增加了二极管保护电路的情况除外。（4）场效应管在小电压条件下工作时，即工作在可变电阻区，可以等效为一受栅压控制的可变电阻器，被广泛用于自动增益控制和电压控制衰减器等场合中。（5）BJT具有跨导大、电压增益高、非线性失真小、性能稳定等优点，在分离元件电路和小规模集成电路中占有优势。此外，BJT、JFET和MOSFET相比（1）在噪声方面，JFET最低，MOSFET次之，BJT最差。（2）在功耗方面，MOSFET功耗最低，JFET次之，BJT最高。且由于MOSFET便于集成，故MOSFET适合制造成大规模、超大规模集成电路。U16集成运算放大器 集成运算放大器是采用半导体制造工艺将大量的晶体管、二极管、电阻、电