计算机逻辑电路第5章

1、第5章 半导体器件第第5章章 半导体器件半导体器件 5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识5.2 半导体二极管半导体二极管5.3 半导体三极管半导体三极管第5章 半导体器件半导体二极管半导体二极管第5章 半导体器件半导体三极管半导体三极管5.3.1 半导体三极管半导体三极管第5章 半导体器件5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 5.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 1.本征半导体本征半导体 在近代电子学中，用得最在近代电子学中，用得最多的半导体是多的半导体是Ge和和Si。其外。其外层都只有层都只有4个电子，属个电子，属4价元价元素。为便于讨论，采用图素。为便于讨论，采用图5.1所

2、示的简化原子模型。所示的简化原子模型。图图5.1 Ge和和Si原子的简化模型原子的简化模型 第5章 半导体器件 纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。Si原子生成晶体原子生成晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态，原时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态，原子间的距离都是相等的。研究一块纯净的子间的距离都是相等的。研究一块纯净的Si晶体时，可发现每个晶体时，可发现每个原子有原子有4个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子间共有一对电子个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子间共有一对电子(称为价电子称为价电子)，组成共价键结构，如图，组成

3、共价键结构，如图5.2所示。其本征半导体晶所示。其本征半导体晶体结构如图体结构如图5.3所示。所示。图图5.2 Si晶体的共价键结构晶体的共价键结构 图图5.3 本征半导体晶体结构示意图本征半导体晶体结构示意图第5章 半导体器件 束缚电子挣脱后，在原子外层上留下的一个空位子，称为空束缚电子挣脱后，在原子外层上留下的一个空位子，称为空穴。穴。空穴显示出的功效类似阳电荷空穴显示出的功效类似阳电荷(严格地说，空穴不是阳电荷严格地说，空穴不是阳电荷)，所以，空穴也是一种所以，空穴也是一种载流子载流子。 当半导体处于外加电压作用下时，通过它的电流可看作由两当半导体处于外加电压作用下时，通过它的电流可看作

4、由两部分组成：部分组成：一部分是自由电子进行定向运动形成的电子电流；另一部分是自由电子进行定向运动形成的电子电流；另一部分是束缚电子在共价键上填补空穴形成的空穴电流。一部分是束缚电子在共价键上填补空穴形成的空穴电流。 但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为复合复合，补充图补充图半导体特性半导体特性:光敏特性、热敏特性、掺杂特光敏特性、热敏特性、掺杂特性性第5章 半导体器件 2. 杂质半导体杂质半导体 掺杂的半导体称为杂质半掺杂的半导体称为杂质半导体导体。掺杂的方法是将少量。掺杂的方法是将少量的杂质元素加入到加热了的的杂质元素加入

5、到加热了的Si晶体中。如果在晶体中。如果在Si晶体中晶体中掺入少量的五价杂质元素，掺入少量的五价杂质元素，例如磷例如磷(P)元素，则元素，则P原子将原子将全部扩散到加热了的全部扩散到加热了的Si晶体晶体中。因为中。因为P原子比原子比Si原子数原子数目少得多，所以当冷却后形目少得多，所以当冷却后形成固态晶体时，整个晶体结成固态晶体时，整个晶体结构不变，只是某些位置上的构不变，只是某些位置上的Si原子被原子被P原子代替了。原子代替了。因为每个因为每个P原子有原子有5个外层子，所以个外层子，所以组成共价键后就自然而然地多出一组成共价键后就自然而然地多出一个电子，此电子受原子核的束缚力个电子，此电子受

6、原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子。很小，很容易成为自由电子。第5章 半导体器件 因为这种掺杂后的半导体主因为这种掺杂后的半导体主要靠电子导电，电子是带负电的，要靠电子导电，电子是带负电的，所以掺入五价元素的杂质半导体所以掺入五价元素的杂质半导体称为称为N型半导体，也称电子半导型半导体，也称电子半导体。在体。在N型半导体中，型半导体中，自由电子自由电子是多数载流子，简称是多数载流子，简称“多子多子”，空穴是少数载流子，简称空穴是少数载流子，简称“少少子子”。每个。每个P原子在释放一个自原子在释放一个自由电子后便成为不能移动的正离由电子后便成为不能移动的正离子，由此产生了正离子子，由此产生了

7、正离子电子对。电子对。 同样，如果在同样，如果在Si晶体中掺入晶体中掺入少量的三价杂质元素，例如硼少量的三价杂质元素，例如硼(B)元素，可以获得过多的空穴。元素，可以获得过多的空穴。 多子是空穴，少子是多子是空穴，少子是自由电子。自由电子。第5章 半导体器件 5.1.2 PN结及其单向导电特性结及其单向导电特性 1. PN结的形成结的形成 物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散。当。当P型半导体型半导体和和N型半导体结合在一起时，因为空穴在型半导体结合在一起时，因为空穴在P区中是多子，在区中是多子，在N区中是少区中是少子；同样，电子在子；同样，电子

8、在N区中是多子，在区中是多子，在P区中是少子，所以在区中是少子，所以在P、N两区两区交界处，由于载流子浓度的差异，要发生电子和空穴的扩散运动，多交界处，由于载流子浓度的差异，要发生电子和空穴的扩散运动，多子都要向对方区域移动。当电子和空穴相遇时会复合消失。假设扩散子都要向对方区域移动。当电子和空穴相遇时会复合消失。假设扩散运动的方向由正指向负运动的方向由正指向负(P区指向区指向N区区)，则空穴将顺扩散运动方向移动，则空穴将顺扩散运动方向移动，电子将逆扩散运动方向移动，如图电子将逆扩散运动方向移动，如图5.8所示。所示。第5章 半导体器件 扩散的结果在两区交界处的扩散的结果在两区交界处的P区一侧

9、，出现了一层区一侧，出现了一层带负电荷的粒子区带负电荷的粒子区(即不能移动的负离子即不能移动的负离子)；在；在N区一侧，区一侧，出现了一层带正电荷的粒子区出现了一层带正电荷的粒子区(即不能移动的正离子即不能移动的正离子)，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结，如图结，如图5.9所示。所示。第5章 半导体器件 2. PN结的单向导电特性结的单向导电特性 1) 外加正向电压外加正向电压Uf促使促使PN结转化为导通状态结转化为导通状态 正向电压又称正向偏置电压，简称正偏电压正向电压又称正向偏置电压，简称正偏电压。 当当PN结外加正向电压结外加正向电压Uf(外电源

10、的正极接外电源的正极接P区，负极接区，负极接N区区)时，时，如图如图5.10(a)所示，则外电场的方向与扩散运动方向一致，加强了所示，则外电场的方向与扩散运动方向一致，加强了扩散运动，削弱了漂移运动。扩散运动，削弱了漂移运动。第5章 半导体器件 (1)当当0UfUT时，时，UT为死区电压，或称门坎电压。这时由于为死区电压，或称门坎电压。这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，所以正外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，所以正向电流向电流If几乎为零，几乎为零，PN结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎，结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎，如图如图5.10(b)所示。所

11、示。 (2)当当UfUT后，这时在外电场的作用下，内电场被大大削弱，后，这时在外电场的作用下，内电场被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且进入空间电荷区后，一部分空穴多子不断地向对方区域扩散，且进入空间电荷区后，一部分空穴会与负离子中和，一部分电子会与正离子中和，使空间电荷量减会与负离子中和，一部分电子会与正离子中和，使空间电荷量减少，少，PN结变窄，如图结变窄，如图5.10(a)所示。所示。 空间电荷区中载流子数量的增加，相当于空间电荷区中载流子数量的增加，相当于PN结电阻的减小。结电阻的减小。这样，载流子就能顺利地越过这样，载流子就能顺利地越过PN结，形成闭合的回路，产生较大结，形成闭合

12、的回路，产生较大的正向电流的正向电流If。因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子，所。因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子，所以使电流以使电流If得以维持。得以维持。PN结的正向特性曲线如图结的正向特性曲线如图5.10(b)所示。所示。第5章 半导体器件 2) 外加反向电压外加反向电压UR促使促使PN结转化为截止状态结转化为截止状态 反向电压又称为反向偏置电压，简称反偏电压反向电压又称为反向偏置电压，简称反偏电压。当。当PN结外加结外加反向电压反向电压UR(外电源的正极接外电源的正极接N区，负极接区，负极接P区区)时，如图时，如图5.11(a)所所示，外电场方向与自建电场方向一致，加强了漂移

13、运动，削弱了示，外电场方向与自建电场方向一致，加强了漂移运动，削弱了扩散运动。这时在外电场的作用下，空间电荷量增加，扩散运动。这时在外电场的作用下，空间电荷量增加，PN结变宽，结变宽，如图如图5.11(a)所示。所示。 空间电荷区中几乎无载流子，近似于电路的开路状态，扩散空间电荷区中几乎无载流子，近似于电路的开路状态，扩散电流趋于零，见图电流趋于零，见图5.11(a)。这时由热激发产生的少子，可以在结。这时由热激发产生的少子，可以在结电场的作用下通过电场的作用下通过PN结，形成反向电流结，形成反向电流IR，但因为少子数量有限，但因为少子数量有限，IR很小，所以这时仍可认为很小，所以这时仍可认为

14、PN结是截止的。结是截止的。第5章 半导体器件 图图5.11 PN结的反向特性结的反向特性(a)外加反向电压截止；外加反向电压截止；(b)反向特性曲线反向特性曲线(b)第5章 半导体器件 因此，因此，PN结处于反偏时，电阻是很大的。结处于反偏时，电阻是很大的。PN结的反向特性曲结的反向特性曲线如图线如图5.11(b)所示。所示。 IR也称为反向饱和电流也称为反向饱和电流IS。这是因为当温度不变时，少子的。这是因为当温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的电压范围内，浓度不变，所以在一定的电压范围内，IR几乎不随反偏电压的增几乎不随反偏电压的增加而变大，见图加而变大，见图5.11(b)。 4.

15、PN结的击穿特性结的击穿特性 当当PN结反偏电压结反偏电压UR超过某一数值时，反向电流超过某一数值时，反向电流IR会突然增大，会突然增大，出现反向电压击穿现象，简称为反向击穿。发生反向击穿所需的出现反向电压击穿现象，简称为反向击穿。发生反向击穿所需的电压称为反向击穿电压电压称为反向击穿电压UB。第5章 半导体器件5.2 半导体二极管半导体二极管 5.2.1 半导体二极管的结构与分类 半导体二极管又称晶体二极管，简称为二极管。它是由一个PN结加上相应的电极引线和管壳做成的。从P区引出的电极称为阳极(正极)，从N区引出的电极称为阴极(负极)。PN结的基本属性，也就是二极管的基本属性。二极管的符号如

16、图5.14(C)所示，用字母VD表示。第5章 半导体器件半导体二极管半导体二极管第5章 半导体器件图5.14 半导体二极管的结构及符号(a)点接触型；(b)面接触型；(C)符号第5章 半导体器件 5.2.2 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 二极管的电压二极管的电压电流关系曲线称伏安特性曲线电流关系曲线称伏安特性曲线。此特性曲线。此特性曲线就是就是PN结的正向、反向及反向击穿特性曲线。图结的正向、反向及反向击穿特性曲线。图5.15(a)和和(b)分分别是别是Si和和Ge二极管的特性曲线。二极管的特性曲线。 在室温下，在室温下， Si管、管、Ge管的死区电压管的死区电压UT、正向导通电压

17、、正向导通电压UD及反及反向饱和电流向饱和电流IS的数值如表的数值如表5.1所示。所示。 第5章 半导体器件表5.1 Si和Ge二极管的UT、UD及IS值 第5章 半导体器件 5.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 1)最大整流电流最大整流电流IF 最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。当二极管电流最大正向平均电流。当二极管电流IIF时，时，PN结会因结会因为太热而烧坏。为太热而烧坏。 2) 最高反向工作电压最高反向工作电压URM 最高反向工作电压最高反向工作电压URM通常取二极管反向击穿电压通常取二极管反向击穿电压UB

18、的一半。的一半。 3)反向电流反向电流IR 反向电流反向电流IR即为反向饱和电流即为反向饱和电流IS。其值越小，二极。其值越小，二极管的单向导电性能越好。管的单向导电性能越好。 第5章 半导体器件 4) 最高工作频率最高工作频率fM 这主要取决于这主要取决于PN结的结电容。若工作频率结的结电容。若工作频率ffM，则二极管的，则二极管的单向导电性能将变坏。单向导电性能将变坏。 为便于读者了解半导体器件的命名方法，将我国的命名有关为便于读者了解半导体器件的命名方法，将我国的命名有关规定介绍如下：规定介绍如下： 第5章 半导体器件表 5.2 第5章 半导体器件 5.2.4 二极管应用举例二极管应用举

19、例 二极管的应用范围很广，利用二极管的单向导电二极管的应用范围很广，利用二极管的单向导电特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。利用二极管的其它特性，可使其应用在稳压、变容、利用二极管的其它特性，可使其应用在稳压、变容、温度补偿等方面。整流、钳位、开关电路将在后面有温度补偿等方面。整流、钳位、开关电路将在后面有关章节中提到，现简单介绍一下限幅电路。限幅器又关章节中提到，现简单介绍一下限幅电路。限幅器又称削波器，主要是限制输出电压的幅度。为讨论方便称削波器，主要是限制输出电压的幅度。为讨论方便起见，假设二极管起见，假设二极管VD为理想二极管

20、，即正偏导通时，为理想二极管，即正偏导通时，忽略忽略VD的正向压降，近似认为的正向压降，近似认为VD短路；反偏截止时，短路；反偏截止时，近似认为近似认为VD开路。开路。第5章 半导体器件 例例1 电路及输入电压电路及输入电压UI的波形如图的波形如图5.17所示。所示。 画出输出电压画出输出电压Uo的波形如图的波形如图5.17(b)所示。所示。图图5.17 二极管单向限幅电路二极管单向限幅电路 (a)电路；电路；(b)波形波形解：解： 当当ui+5V时，时，uo=+5V (VD正偏正偏短路短路)； 当当ui +5V时，时，uo=UI (VD反偏反偏开路开路)。 故可画出输出故可画出输出uo的波形

21、，如图的波形，如图5.17(b)所示。所示。第5章 半导体器件图图5.18 二极管双向限幅电路二极管双向限幅电路 (a)电路；电路；(b)波形波形例例2 电路及输入电压电路及输入电压UI的波形如图的波形如图5.18所示，画出输出电压所示，画出输出电压uo的波形。的波形。 第5章 半导体器件解：当解：当ui+10V时：时： VD1正偏短路，正偏短路，VD2反偏开路，反偏开路，uo=+10V。 当当ui -10V时：时： VD1反偏开路，反偏开路，VD2正偏短路，正偏短路，uo=-10V。 当当-10VUI+10V时：时： VD1、VD2均反偏开路，均反偏开路，uo=ui。 uo波形如图波形如图5

22、.18(b)所示。所示。第5章 半导体器件 5.2.5 稳压管稳压管 1. 稳压管稳压管:稳压管用字母稳压管用字母VDZ表示表示 依据的条件是：依据的条件是： (1) 工艺上通过控制半导体内所掺杂的成份。工艺上通过控制半导体内所掺杂的成份。 (2) 外电路中所串联的限流电阻。外电路中所串联的限流电阻。图图5.19 稳压管符号及特性曲线稳压管符号及特性曲线 (a)符号；符号；(b)伏安特性曲线伏安特性曲线第5章 半导体器件 值得指出的是：值得指出的是：稳压管必须工作在反向偏置稳压管必须工作在反向偏置(利用正向稳压的利用正向稳压的除外除外)，即阴极接电源正极，阳极接电源负极，另外，稳压管可以，即阴

23、极接电源正极，阳极接电源负极，另外，稳压管可以串联使用，一般不能并联使用，因为并联有时会因电流分配不匀串联使用，一般不能并联使用，因为并联有时会因电流分配不匀而引起管子过载损坏。而引起管子过载损坏。 2.稳压管的主要参数稳压管的主要参数 1) 稳定电压稳定电压UZ UZ就是稳压管的反向击穿电压。由于制造工艺不易控制，即就是稳压管的反向击穿电压。由于制造工艺不易控制，即使同一型号的管子，使同一型号的管子，UZ的值也会稍有不同。的值也会稍有不同。 2) 稳定电流稳定电流IZ和最大稳定电流和最大稳定电流IZM IZ的稳压管正常工作时的反向电流，这是一个参考值。的稳压管正常工作时的反向电流，这是一个参

24、考值。IZM是是稳压管允许通过的最大反向电流。当稳压管工作电流稳压管允许通过的最大反向电流。当稳压管工作电流IIZ时，没时，没有稳压效果；正常工作时，有稳压效果；正常工作时， IZIIZM。第5章 半导体器件 4) 电压温度系数电压温度系数 是是UZ受温度变化的系数，常用温度每增加受温度变化的系数，常用温度每增加1时，时，UZ改变改变的百分数来表示。一般来说，硅稳压管的的百分数来表示。一般来说，硅稳压管的UZ4V时，时，0；UZ7V时，时，0;4VUZ7V时，时，最小，这时温度稳定性最好。最小，这时温度稳定性最好。 5)最大耗散功率最大耗散功率PM PM是保证管子不发生热击穿的极限值。是保证管

25、子不发生热击穿的极限值。 MZZMPUI 3)动态电阻动态电阻rZ rZ相当于二极管的微变等效电阻，因此相当于二极管的微变等效电阻，因此ZZZUrIrZ越小越小(IZ越大越大)，稳压性能越好。，稳压性能越好。 第5章 半导体器件半导体三极管半导体三极管5.3.1 半导体三极管半导体三极管第5章 半导体器件5.3.1 BJT的结构及放大原理的结构及放大原理 半导体三极管的结构示意图如图半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有所示。它有两种类型两种类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极，用B或b表示（Bas

26、e） 发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。 发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号5.3.1 半导体三极管半导体三极管第5章 半导体器件 结构特点：结构特点： 发射区的掺杂浓度最高；发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。掺杂浓度最低。管芯结构剖面图管芯结构剖面图第5章 半导体器件1. 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通

27、三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。过载流子传输体现出来的。 外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管。或极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 5.3.2 电流放大原理电流放大原理第5章 半导体器件发射区：发射载流子发射区：发射载流子基区

28、：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子第5章 半导体器件第5章 半导体器件5.3.2 5.3.2 三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用（1）电源）电源EB向发射结提供正向偏置，向发射结提供正向偏置，UBE0。 发射结有明显的电流流过，发射结有明显的电流流过， 锗管正向电压应锗管正向电压应(0.20.3)V， 硅管正向电压应硅管正向电压应(0.60.8)V， (正向导通压降正向导通压降)。（2）电源）电源EC向集电结提供反向偏置，向集电结提供反向偏置，UCB0。 三极管三极管(NPN为例为例)要实现放大的要实现放大的条件：条件：如图所示如图所示第5章 半

29、导体器件1、发射区发射多数载流子形成、发射区发射多数载流子形成IE1)1)发射区中多子发射区中多子电子向基区扩电子向基区扩散形成电流散形成电流IEN 2)2)基区中多子基区中多子空穴，向发射区空穴，向发射区扩散形成电流扩散形成电流IEPEP 3)3)两者的电流方向相同，形成发两者的电流方向相同，形成发射极电流射极电流IE IE = IEN +IEP IEN E E区掺杂的浓度远高于区掺杂的浓度远高于B B区掺杂区掺杂的浓度的浓度第5章 半导体器件(1) (1) 发射区向基区扩散的电子少数在基区与空穴复合形成复合电流发射区向基区扩散的电子少数在基区与空穴复合形成复合电流IBN , ,绝绝大多数都

30、能穿越基区到达集电结附近。大多数都能穿越基区到达集电结附近。(2) (2) 集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方飘移，形成飘移电流集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方飘移，形成飘移电流ICB0，称为反向电流。，称为反向电流。(3) (3) 上已知：基区中多子上已知：基区中多子空穴，向发射区扩散形成电流空穴，向发射区扩散形成电流IEPEP(4)(4) 组成基极电流组成基极电流IB有：有： IB = IBN + IEPEP - - ICB0 IBN - - ICB0 (5-2)3、集电区收集载流子形成集电极电流、集电区收集载流子形成集电极电流IC(1)(1) 集结在集电结附近接收发射区

31、发射过来的大量电子集结在集电结附近接收发射区发射过来的大量电子,被被EC正极吸引到集电区，流向正极吸引到集电区，流向EC的正极，形成的正极，形成ICN(2)(2)上已知上已知: :基区和集电区中少子飘移，产生飘移电流基区和集电区中少子飘移，产生飘移电流ICB0(3)(3) 集电极电流集电极电流IC为为： IC = ICN + ICB0 = IEN - - IBN + ICB0 (5-3) 2、基区复合形成基极电流、基区复合形成基极电流IB第5章 半导体器件4、三极管电流分配关系：、三极管电流分配关系： 已知：式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下： IE = IEN +IEP (5 5-1

32、1) IB = IBN + IEPEP - - ICB0 (5-2) IC = IEN - - IBN + ICB0 (5-3) 而而(5-2)+(5-3) 得得 IB + IC = IEN +IEP 即： IE = IB + IC 分析可看出：分析可看出： 发射极电流发射极电流IE等于集电极电流等于集电极电流IC和基极电流和基极电流IB之和之和第5章 半导体器件 把三极管看成一个结点，根据基尔霍夫电流定律，则可写成：把三极管看成一个结点，根据基尔霍夫电流定律，则可写成： IE = = IB + + IC 5、电流放大倍数、电流放大倍数 将将IC和和IB的关系写成：的关系写成： 由于由于IC比

33、比IB的电流大得多的电流大得多 , 称为直流称为直流放大放大倍数倍数 同样可写成电流变化量比：同样可写成电流变化量比： 称为交流放大倍数称为交流放大倍数 在实际中，两个放大倍数在数值上很接近，常相互替换在实际中，两个放大倍数在数值上很接近，常相互替换. . IC比比IB的电流关系写成：的电流关系写成： 可看出：当可看出：当IB(IB)有很小的变化时，就会控制有很小的变化时，就会控制IC(IC)的很大变的很大变 化。化。 IE IB ICBCIIBCIIBCIIBCII第5章 半导体器件 6、共发射极电路、共发射极电路在上述分析的图在上述分析的图(a)(a)电路中：电路中：发射极是基极回路发射极

34、是基极回路( (输入回路输入回路) )和和集电极回路集电极回路( (输出回路输出回路) )共有，此电路共有，此电路的接法称为共发射极电路。的接法称为共发射极电路。 所以这里的电流放大系数的全称所以这里的电流放大系数的全称应为共发射极电流放大系数，简称为应为共发射极电流放大系数，简称为电流放大系数。电流放大系数。 对于具体的某个三极管，它一旦对于具体的某个三极管，它一旦制作完成，其电流放大系数就确定了制作完成，其电流放大系数就确定了而不会改变。而不会改变。第5章 半导体器件BJT的三种组态的三种组态IE=(1+)IB晶体三极管组成放大电路：一个电极作为晶体三极管组成放大电路：一个电极作为信号输入

35、端，一个电极作输出端，另一个信号输入端，一个电极作输出端，另一个电极作输入、输出回路的共同端。电极作输入、输出回路的共同端。三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；第5章 半导体器件 综上所述，三极管的放大作用，主要是依综上所述，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，然后到靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。达

36、集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。第5章 半导体器件1. 输入特性曲线输入特性曲线5.3.3 BJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是它是BJT内部载流子运动的外部表现。内部载流子运动的外部表现。输入特性是指当集电极与发射极

37、之间的电压输入特性是指当集电极与发射极之间的电压vCE为为某一常数时，输入回路中加在某一常数时，输入回路中加在BJT基极与发射极之基极与发射极之间的电压间的电压vBE与基极电流与基极电流iB之间的关系曲线。之间的关系曲线。第5章 半导体器件vCE = 0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=const(2) 当当vCE1V时，时， vCB= vCE - - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vC

38、E = 0VvCE 1V(1) 当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 输入特性曲线输入特性曲线3.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）第5章 半导体器件(3) 输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分死区死区非线性区非线性区线性区线性区1. 输入特性曲线输入特性曲线3.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线第5章 半导体器件饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏

39、电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE) iB=const2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:3.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时， vBE小于死区电压小于死区电压。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。iC=iB第5章 半导体器件三个工作区域具体讨论如下。三个工作区域具体讨论如下。 (1).截止区截止区 e结、结、C结均为

40、反偏结均为反偏，BJT无放大作用。这时无放大作用。这时 IB0; IC0 UCE=UCC-ICRCUCC (2). 放大区放大区 e结正偏、结正偏、C结反偏结反偏(对于对于NPN型管，型管，UCUB、 UBUE。对于。对于PNP型管，型管，UCUB、UBUE)，BJT有放大作用。有放大作用。这时这时 IB0; IC=IB UCE=UCC-ICRc第5章 半导体器件 (3).饱和区饱和区 e结、结、C结均为正偏，结均为正偏，UCE=UCES很小很小。UCE的减小使的减小使C结收集电结收集电子的能力减弱，也即子的能力减弱，也即e区发射有余，而区发射有余，而C极收集不足，以致极收集不足，以致IC几乎

41、几乎不再随不再随IB的增大而增大，的增大而增大，BJT失去放大作用。因为失去放大作用。因为UCES最小只能最小只能接近于零，所以由接近于零，所以由CECCCcUUI R可求出集电极饱和电流为可求出集电极饱和电流为 maxCCCESCCCSCccUUUIIRR 基极临界饱和电流为基极临界饱和电流为CSCCBScIUIR 当基极注入电流当基极注入电流IB超过其临界值时，晶体管呈饱超过其临界值时，晶体管呈饱和状态。故判断管子饱和状态的方法为：若和状态。故判断管子饱和状态的方法为：若CCBBScUIIR第5章 半导体器件例例5-2 在图在图5.19中，已知三极管的型号以及三个电极的对地电位，中，已知三

42、极管的型号以及三个电极的对地电位，试判断三极管是硅管还是锗管，是试判断三极管是硅管还是锗管，是NPN型还是型还是PNP型，并判断管子型，并判断管子的工作状态。的工作状态。解解 （a）图为）图为NPN型三极管，因为型三极管，因为UBUE，所以发射结正向偏置，所以发射结正向偏置。UCUB，集电结正向偏置，因此三极管工作在饱和状态。，集电结正向偏置，因此三极管工作在饱和状态。UBE=UB- -UE=0.7V，因此是硅管。，因此是硅管。3DK2+2.3V+2.7V+2V3AG2-6V-0.3V0V（b）图为）图为PNP型三极管，因为型三极管，因为UCUBUE，所以发射结正向偏置，所以发射结正向偏置，集

43、电结反向偏置，三极管工作在放大状态。集电结反向偏置，三极管工作在放大状态。UBE=UB-UE=0.3V，因此是，因此是锗管。锗管。 (a) (b)第5章 半导体器件例例5-3 在图在图5.20中，判断各三极管的工作状态。（设三极管的中，判断各三极管的工作状态。（设三极管的UBE =0.7V）图）图5.20 例例5-3电路电路=50Rb 50kRc 2kUCC 12VUBB 5V=40Rb 50kRc 2kUCC 12VUBB 10V=50Rb 40kRc 2kUCC 12VUBB 6V图图5.20CCBSC120.12mA502UIRBBBEBb50.70.086mA50UUIR对图对图(a)

44、0IBIBS，所以三极管，所以三极管工作在饱和状态。工作在饱和状态。图图(c)工作在截止状态工作在截止状态第5章 半导体器件5.3.4 BJT的主要参数的主要参数 ( (1)1)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1. 电流放大系数电流放大系数 （直流工作状态）（直流工作状态）静态静态第5章 半导体器件(2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB vCE=const5.3.4 BJT的主要参数的主要参数1. 电流放大系数电流放大系数 （交流工作状态）（交流工作状态）动态动态5020601000) 13(50402000BCBCiiII在特性曲线的线在特性曲线的线性部分，性部分，和和常常混用。混用。例下图例下图Q点：点：第5章 半导体器件 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO 2. 极间反向电流极间反向电流ICEO (1) 集电极基极间反向饱和电流集电极基