武汉大学模电课件第 一 章

1、第第 一一 章章半半 导导 体体器器 件件 与与 模模 型型1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体半导体具有某些特殊性质：光敏热敏、掺杂特性光敏热敏、掺杂特性质质（电电阻阻率率很很小小）铝铝等等容容易易传传导导电电流流的的物物导导体体：金金、银银、铜铜铁铁、等等。如如硅硅、锗锗、硒硒、砷砷化化钾钾质质，导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间的的物物半半导导体体：导导电电性性能能介介于于 （电电阻阻率率很很大大）物物质质瓷瓷等等几几乎乎不不传传导导电电流流的的橡橡胶胶、木木头头、石石英英、陶陶绝绝缘缘体体 : 1、本征半导体的结构与模型、本征半导体

2、的结构与模型GeGeSiSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。 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。4 4除去价电子后除去价电子后的原子的原子价电子价电子本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共价键共用共用电子对电子对+4+4+4+4共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键。 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（1

3、1）本征激发）本征激发2、本征半导体的导电原理、本征半导体的导电原理+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子载流子载流子: : 自由电子、空穴自由电子、空穴+4+4+4+4 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和空穴空穴。（2）本征半导体的导电原理本征半导体的导电原理本征半导体中外界激发产生的自由电子和空穴总是成对出现，两者数目相同。同时，自由电子也能跳入空穴，重新为共价键束缚，两者同时消失，此现象称为“复合复合”。3 3、本征半导体中载流子浓度、本征半导体中载流子浓度温度一定时，载流子的产生和复合将达到动态平衡，此时载流子浓度为一热平衡值，

4、温度升高，本征激发产生的载流子数目将增加，但同时复合作用也增加，载流子的产生和复合将在新的更大浓度值的基础上达到动态平衡。本征激发中有002pnni ：空穴浓度：空穴浓度：自由电子浓度：自由电子浓度00 Pn平衡浓度值平衡浓度值：本征半导体载流子热：本征半导体载流子热inkTgEeTAni20230 据理论分析和实验证明，有玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数时的禁带宽度时的禁带宽度热力学温度热力学温度与材料相关的系数与材料相关的系数: 0: :00KTETAg 本征半导体的导电能力很弱，可通过掺杂掺杂来进行改善。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能

5、力越强，温度是影响半导体性能的一个的导电能力越强，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。重要的外部因素，这是半导体的一大特点。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体掺入杂质后的本征半导体称为掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。P P型半导体型半导体P P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电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。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。三价空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质称为杂质称为受主杂质受主杂质。本征半导体中掺入三价杂质

6、元素，如硼、镓、铟等形本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成成 P P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成成 N型半导体型半导体。 在在N N型半导体中自由电子是多数载流子型半导体中自由电子是多数载流子, ,它主要由它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子杂质原子提供；空穴是少数载流子, , 由热激发形成。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，五价杂质原子被称为正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为施主杂质施主杂质N型半导体型半导体 杂

7、质半导体中，多子浓度近似等于杂质浓度，少子浓度与杂质浓度成反比，与本征半导体载流子浓度的平方成正比，故温度上升时，多子浓度几乎不便，而少子浓度则迅速增加。少子浓度随温度的变化是影响半导体器件少子浓度随温度的变化是影响半导体器件性能的主要原因。性能的主要原因。杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响典型的数据典型的数据: T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N

8、 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm31.1.3 1.1.3 半导体中的电流半导体中的电流1 1、漂移电流、漂移电流外加电场时，载流子在电场力的作用下形成定向运动，称为漂移运动，并由此产生电流，称为漂移电流漂移电流。漂移电流为两种载流子漂移电流之和，方向与外电场一致。2 2、扩散电流、扩散电流当半导体有光照或者载流子注入时，半导体中将出现载流子的浓度差，载流子将由高浓度区域向低浓度区域运动，这种定向运动称为扩散运动，由此形成的电流称为扩散电流扩散电流。1.2 PN结结1.2.1 PN结的形成结的形成N型型 施主杂质施主杂质: 自由电子自由电子 正离子正离子

9、P型型 受主杂质受主杂质: 空穴空穴 负离子负离子空间电荷区空间电荷区（PN结）结）浓度差浓度差多子扩散运动多子扩散运动阻止多子扩散阻止多子扩散促使少子漂移促使少子漂移内电场内电场N指向指向P内电场内电场电位电位耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层 势垒区势垒区1.2.2 PN1.2.2 PN结的导电特性结的导电特性1、正向特性、正向特性PN结外加直流电压VF：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）内电场内电场 外电场外电场变薄变薄+PN+_FV内电场被削弱，多子的扩内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的散加强，能够形成较大的扩散电流。扩散电流。正偏正向电流FI正偏时，正偏时，PN结呈现结呈

10、现为一个小电阻。为一个小电阻。2 2、反向特性、反向特性 硅PN结的Is为 pA级 温度T增加 Is增大内电场内电场外电场外电场PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。NP+ +变厚变厚_+RVRI内电场被加强，多子的扩散受内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小电流数量有限，只能形成较小电流反偏时，反偏时，PN结呈现为一个大电阻。结呈现为一个大电阻。反偏反向电流结论结论 PN结正向偏置结正向偏置空间电荷区变窄空间电荷区变窄正向电阻很小（理正向电阻很小（理 想想时为时为0）正向电流较大正向电流较大PN结导通结导通

11、PN结反向偏置结反向偏置空间电荷区变宽空间电荷区变宽 想时为想时为）反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为0）PN结截止结截止反向电阻很大（理反向电阻很大（理正偏正偏反偏反偏3 3、PNPN结的伏安特性结的伏安特性PN结所加端电压结所加端电压vD与流过它的电流与流过它的电流I的的关系为：关系为：)1(/TDVvsDeIimVKTqkTVvITDs26300:/: :时，为时，为外加端电压外加端电压反向饱和电流反向饱和电流 一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大于于VT，正向电流远大于，正向电流远大于Is，则可得，则

12、可得 sDVvsDIiPNeIiPNTD结反偏结反偏结正偏结正偏 /Is非常小，常忽非常小，常忽略不计。略不计。门坎电压门坎电压 Vth sDVvsDIiPNeIiPNTD结反偏结反偏结正偏结正偏 /Di Dv sI thV TPN结的温度特性结的温度特性T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降Vth 反向饱和电流反向饱和电流IS，V(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移硅硅PN结稳定性较锗结好结稳定性较锗结好温度每升高温度每升高10度，反相饱和电流增加度，反相饱和电流增加1倍倍1.2.3 PN结的击穿特性结的击穿特性 二极管处于反向偏置时，在一定的电压

13、二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为我们就称为反向击穿反向击穿。击穿时对应的反向电。击穿时对应的反向电压称为击穿电压，计为压称为击穿电压，计为V(BR)。击穿形式分为两种：击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿：雪崩击穿： 如果如果掺杂浓度较低掺杂浓度较低，PN结较厚实，当结较厚实，当反向电压增高时，空间电荷区增厚，内电场反向电压增高时，空间电荷区增厚，内电场加强，有利于少子的漂移运动，使少子在其加强，有利于少

14、子的漂移运动，使少子在其中获得加速，从而把电子从共价键中撞出，中获得加速，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应，载流子急剧增加，形成雪崩式的连锁反应，载流子急剧增加，反向电流猛增，形成雪崩击穿。反向电流猛增，形成雪崩击穿。 由于由于PN结较厚，对电场强度要求高，结较厚，对电场强度要求高，所需反向电压大。所需反向电压大。齐纳击穿：齐纳击穿： 高掺杂高掺杂情况下，阻挡层很窄，宜于形情况下，阻挡层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。急剧增加。 击穿现象破坏了击穿现象

15、破坏了PN结的单向导电结的单向导电性，我们在使用时要避免。性，我们在使用时要避免。*击穿并不意味着击穿并不意味着PN结烧坏。结烧坏。可利用击穿特性制成稳压二极管。可利用击穿特性制成稳压二极管。1.2.4 PN结的电容特性结的电容特性1、势垒电容势垒电容CT：PN结上的结上的反偏反偏电压变化时，空电压变化时，空间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电，变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电，PN结显出电容效应，称为势垒电容。结显出电容效应，称为势垒电容。DTjCCC PN结的总电容：结的总电容：2、

16、扩散电容扩散电容CD：正偏正偏时，多数载流子的扩散运动时，多数载流子的扩散运动加强，多子从一个区进入另一区后继续扩散，一部分加强，多子从一个区进入另一区后继续扩散，一部分复合掉了，这样形成一定浓度分布，结的靠复合掉了，这样形成一定浓度分布，结的靠P区一侧区一侧集结了电子，另一侧集结了空穴，即形成了电荷的积集结了电子，另一侧集结了空穴，即形成了电荷的积累，这种效应用扩散电容表示。累，这种效应用扩散电容表示。低频使用时，可忽略结电容的影响。低频使用时，可忽略结电容的影响。1.2.5 二极管的结构和主要参数二极管的结构和主要参数1、二极管的结构、二极管的结构平面型二极管平面型二极管：用于集成电路中。

17、面接触型二极管面接触型二极管：PN结面积大，允许通过较高较大电流，但结电容大，适于低频工作。点接触型二极管点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，工作频率高，但不能承受较高反向电压和较大电流。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片PN结结PN符号符号A阳极阳极K阴极阴极2、二极管的、二极管的VI特性特性VI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压VBR 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流2、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IFM2）最高反向

18、电压）最高反向电压VRM3）反向电流）反向电流IR4）最高工作频率）最高工作频率fM 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半 二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流小于锗管前三项是二极管的直流参数，主要利用二极管的单向导电性单向导电性，应用于整流、整流、限幅、保护限幅、保护等等1.3 二极管的等效模型及分析方法二极管的等效模型及分析方法1、指数模型、指数模型)1(/ TVvsDeIi2、理想二极管开关模型、理想二极管开关

19、模型适应于电源电压远大适应于电源电压远大于二极管的管压降时于二极管的管压降时Di DvIdealD 0 00 0DDDvvi管管压压降降为为DiDv0特性模型特性模型电路模型电路模型3、二极管恒压降模型、二极管恒压降模型电源电压不是很大，可与二极管的导通压降电源电压不是很大，可与二极管的导通压降比拟时，应考虑二极管的管压降比拟时，应考虑二极管的管压降)(onDV )()()( 0onDDonDonDDVvVVv管管压压降降为为管管电电流流为为硅二极管管压降常取为硅二极管管压降常取为0.7V，锗管压降取，锗管压降取0.2V。)(onDV DiDv IdealD恒压降模型恒压降模型Dv0Di)(o

20、nDV特性模型特性模型4、折线模型、折线模型DDDDDDdDVvVv Vvri 0 )(1，当二极管导通时，端电压很小的变化将引起当二极管导通时，端电压很小的变化将引起电流的很大变化，在一些应用场合，不能忽电流的很大变化，在一些应用场合，不能忽略这个变化。略这个变化。Di)(onDV Dv IdealDdr折线电路模型折线电路模型Dv0DiDVdr1斜率特性模型特性模型TQQDDdVIdvdir 1二极管特性曲线在二极管特性曲线在Q点的斜率为点的斜率为 261时，时，室温且电流为室温且电流为drmAQTdIVr 等等效效电电阻阻TDVvsDeIi/Dv0DiDVQVQIQTQDDQQTQdVV

21、VVVIVIr 1当二极管工作在当二极管工作在Q点附近时，折线与曲线正点附近时，折线与曲线正切于该点，由切线的斜率可求得等效电压切于该点，由切线的斜率可求得等效电压QIVQDR 直直流流电电阻阻5、小信号模型、小信号模型当外加信号工作在特性曲线的某一小范围内时，二当外加信号工作在特性曲线的某一小范围内时，二极管的电流将与外加电压的变化成线性关系，可用极管的电流将与外加电压的变化成线性关系，可用小信号模型来进行等效。小信号模型来进行等效。drsr小信号模型小信号模型drjCsr高频高频小信号模型小信号模型QQIQVDv0Di特性模型特性模型静态电压静态电压静态电流静态电流未加交流信号时未加交流信

22、号时的的静态工作点静态工作点管子的管子的体电阻体电阻1.3.2 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法1、图解法、图解法静态工作点的图解静态工作点的图解DiDv DDVRRiVvDDDD线性电路方程线性电路方程二极管电流方程二极管电流方程) 1(/TDVvsDeIi据电路原理，两者端电压据电路原理，两者端电压和电流相等。两线交点和电流相等。两线交点Q为为静态工作点静态工作点，对应的，对应的IQ为静态电流，为静态电流， VQ为静态为静态电压。电压。Dv0DiQQIQV直流负载线直流负载线相关。相关。与与相应变化，但斜率只相应变化，但斜率只负载线将在随负载线将在随RvViDD)(DiRDv DD

23、Viv tVvimisin交流信号的图解交流信号的图解iDDDDvVV 值值为为回回路路输输入入电电压压的的总总瞬瞬时时dQDiIi 回回路路电电流流为为RitVVRiVvDimDDDDDD sin 线性电路方程线性电路方程Dv0DiQQ QDiDvQIQViv2、工程近似法、工程近似法1）整流电路）整流电路DLRov iv tivtovtivtov)(onDV，采采用用理理想想模模型型)(onDimVV 比比较较，采采用用恒恒压压降降模模型型可可与与)(onDimVV2）限幅电路）限幅电路限幅电路常来选择预置电平范围内的信号。限幅电路常来选择预置电平范围内的信号。作用是把作用是把输出信号幅度

24、限定在一定的范围内，亦即当输入电压输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。若二极管具有理想的开关特性，若二极管具有理想的开关特性，那么，当那么，当v低于低于E时，时，D截止，截止，voE；当；当v高于高于E以后，以后，D导导通，通， vo v。DRov iv 串联下限幅电路串联下限幅电路EtEE限幅特性限幅特性ovEivovt思考：将二极管极性反思考：将二极管极性反转，将得到什么效果？转，将得到什么效果？3）低

25、电压稳压电路）低电压稳压电路 当电路工作时，若电源出现波动或者负当电路工作时，若电源出现波动或者负载发生改变，将引起输出电压的变化，为稳载发生改变，将引起输出电压的变化，为稳定输出电压，可采用二极管稳压电路。定输出电压，可采用二极管稳压电路。4）静态工作点的近似计算）静态工作点的近似计算 在求解二极管电路时，常取管子的导在求解二极管电路时，常取管子的导通电压为其静态电压，静态电流由回路参通电压为其静态电压，静态电流由回路参数决定。数决定。3、小信号等效分析法、小信号等效分析法ov DDViv Rk10V10ov iv Rdrsr小信号等效电路小信号等效电路28QTdIVr二极管电路如图，求输出

26、电压。二极管电路如图，求输出电压。其中其中)(1002sinVtvi 5sr设输入交流信号较小时，可将二极输入交流信号较小时，可将二极管视为线性元件，用引线电阻和管视为线性元件，用引线电阻和体电阻串联来等效。体电阻串联来等效。)(1002sin1 . 0mAtrrRvidsid可得)(1002sin3 . 3)(mVtrrivdsdo1.3.3 特殊二极管特殊二极管1、稳压二极管、稳压二极管(a)符号符号(b)2CW17 伏安特性伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压时工作在反向电击穿状

27、态，反向电压应大于稳压电压DZ反向击穿反向击穿电压电压即稳压值稳压值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VZ(2) 动态电阻动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流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下，所对应的反向工作电压rZ = VZ / IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最稳定工作电流最稳定工作电流IZmax 和最大小稳定工作电流和最大小稳定工作电流IZmin(5)温度系数温度系数 VZ简单稳压电路简单稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ1）不加）不加R可以吗？可以吗？2）上述电路）上述电路VI为正弦波，为正弦波，且幅值大于且幅

28、值大于VZ，VO的波的波形是怎样的？形是怎样的？VI VOVZ IZVOVR IR 2、变容二极管、变容二极管4、PIN二极管二极管5、光电二极管、光电二极管发光二极管发光二极管光敏二极管光敏二极管 光电耦合器件光电耦合器件3、肖特基二极管、肖特基二极管1.4 1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.1 1.4.1 三极管的结构、符号及分类三极管的结构、符号及分类1 1、三极管的分类、三极管的分类按照材料分：硅管、锗管等按照材料分：硅管、锗管等按照频率分：高频管、低频管按照频率分：高频管、低频管按照功率分：小、中、大功率管按照功率分：小、中、大功率管按照结构分：按照结构分：NPNNPN型和型和

29、PNPPNP型型(a)(a)和和(b)(b)都是小功率管，都是小功率管，(c)(c)为中功率管，为中功率管，(d)(d)为大功率管为大功率管2 2、基本结构和符号、基本结构和符号beTcNPNNPN型型N N+ +发射区N N集电区P P 基区b b基极e e发射极c集电极发射结集电结NPN + +ebcPNP型三极管型三极管PNP型型N NP P+ +P Pe eb b基区集电区发射区发射结集电结集电极c发射极基极beTcPNP结构特点结构特点1 1）发射区掺杂浓度很高，且发射结的）发射区掺杂浓度很高，且发射结的面积较小面积较小 2 2）集电结的面积大于发射结的面积，）集电结的面积大于发射结

30、的面积，便于收集电子便于收集电子3 3）基区非常薄，掺杂溶度也很低）基区非常薄，掺杂溶度也很低 三极管具有电流放大作用的内因三极管具有电流放大作用的内因3 3、三极管（放大电路）的三种组态、三极管（放大电路）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CCCC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CBCB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CECE表示；表示；如何判断组态？如何判断组态？PNP 管： VBE0即VCVB0 VBCVBVEceb发射结正向偏置发射结正向偏置

31、集电结反向偏置集电结反向偏置晶体管具有电流放大作用的外部条件：晶体管具有电流放大作用的外部条件：IEIBRBVEEICVCC输输入入电电路路输输出出电电路路RCbce三极管的工作状态三极管的工作状态BCVBEV正偏正偏正正偏偏反偏反偏反反偏偏饱和区饱和区反向工反向工作区作区截止区截止区正向工正向工作区作区小信号放大电路小信号放大电路的工作区的工作区1.4.2 1.4.2 三极管放大区的工作原理三极管放大区的工作原理VEERBNPN发射区向基区扩散电子电子在基区扩散与复合电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成发射极电流发射极电流I IE EIEE EB B正极拉走电子，正极拉走

32、电子，补充被复合的空补充被复合的空穴，形成穴，形成I IB BIB集电区收集电子电子流向电源电子流向电源正极形成正极形成I IC CIC发射极注发射极注入载流子入载流子电子在基电子在基区中的扩区中的扩散与复合散与复合集电区收集电区收集电子集电子1 1、三极管的载流子运动过程、三极管的载流子运动过程三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系CNCBOCNCIIII集电极电流集电极电流ENEPENEIIII发射极电流发射极电流CBOEPBNBIIII基极电流基极电流CBEIIII IC CI IB B2 2、直流电流传输方程、直流电流传输方程bceIEICbVBE- -+ +- -+ +VCB1 1

33、）共基极电路直流电流传输方程）共基极电路直流电流传输方程ECNII CBOCNCIII 集电结收集的电子为发射区发射电子的一部分，集电结收集的电子为发射区发射电子的一部分，用系数表示为用系数表示为发发射射极极注注入入电电流流传传输输到到集集电电极极的的电电流流 为共基极电流放大系数，为共基极电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，掺杂浓度有关，与外加电压无关与外加电压无关。一般。一般 = 0.9 = 0.9 0.990.99CBOECIII 共基极直流电流传输方程共基极直流电流传输方程ECECBOCIIIII -2 2）共发射极电路直流电流传输方程）共发射极电路

34、直流电流传输方程VBEVCEb+ +- -+ +eecICIBBCEIII ECNII CBOCNCIII 可得CBOBCIII 111BCBNCNIIII 1共发电路直流电流传输系数共发电路直流电流传输系数CBOCEOII)1( 穿透电流穿透电流 是共射极电流放大系数，是共射极电流放大系数，只与管子的结构尺寸和掺杂只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关浓度有关，与外加电压无关。一般与外加电压无关。一般 1 1（1010100100）CBOBCIII)1 ( 共发射极直流电流传输方程共发射极直流电流传输方程3）共集电极电路直流电流传输方程共集电极电路直流电流传输方程VCBVCEb+ +- - -+

35、+ cceIEIBCEOBEIII )1 ( 1.4.3 1.4.3 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线常数CBvBEEvfi)(1 1、共基电路特性曲线、共基电路特性曲线输入特性曲线输入特性曲线)1(/ TBEVvESEeIi导致输出电压的增加使曲线左移。i iE Ei iC Cv vBEBE- -+ +- -+ +v vCBCBV VEEEEV VCCCCEi BEv EBOI CBvVvCB0输出特性曲线输出特性曲线常数EiCBCvfi)(CBOI0Ei1Ei2Ei3Ei4Ei5EiCiCBvCBV截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放大区放大区：发射结正偏、集电结反偏，输入电流对

36、输出电流有控制作用。CBOECIii ECii 共基组态交流电流传输系数交流电流传输系数导致曲线随vCB增加而略微上倾低频时， 截止区截止区：000 BCBOCEiIii，饱和区饱和区：vCB0,发射结正偏、集电结反偏，iC随iB线性变化。CEOBCIii 常数CEvBCii 共发组态交流电流传输系数交流电流传输系数低频时， 饱和区饱和区：vCB0,两结正偏，iC不受iB控制，达到饱和。iC随vCE增大而增大。VCES为饱和压降。临界饱临界饱和线和线临界饱和线临界饱和线：vCB0为集电结处于正偏和反偏的临界值，对应的曲线为临界饱和线。基区宽度调制效应基区宽度调制效应导致曲线随vCE增加而上倾。

37、输出特性曲线向左延伸交于一点，相应的电压VA称为厄尔利电压厄尔利电压。击穿区击穿区：vCE太大，出现击穿其值与iB成正比。对应iB 0（iC ICEO）的击穿电压为V (BR)CEO对应iE 0（iB -ICBO）的击穿电压为V (BR)CBO截止区截止区：00 CBOCBEIiii，AV0Bi1Bi2Bi3Bi4BiCiCEv截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区1.4.4 三极管的主要参数三极管的主要参数集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流 ICBO集电极穿透电流集电极穿透电流 ICEOICEO=(1+)ICBO发射结反向饱和电流发射结反向饱和电流 IEBO发射结电容发射结电容 Cbe集电结

38、电容集电结电容 Cbc电流放大系数电流放大系数 、集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CEO 、 V (BR)CEO 、V (BR)CBO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCMV(BR)CEOPCM=ICVCEICMiC/mAOvCE温度温度T 少子浓度少子浓度 IC ICBO , ICEO IC = IB +(1+ )ICBOIB VBE 载流子运动加剧，载流子运动加剧，发射相同数量载流发射相同数量载流子所需电压子所需电压 bBECCBRVVI 输入特性曲线输入特性曲线左移左移 载流子运动加剧，载流子运动加剧，多子穿过基区的速多子穿过

39、基区的速度加快，复合减少度加快，复合减少 IC IB输出特性输出特性曲线曲线上移上移输出特性输出特性曲线族曲线族间隔加宽间隔加宽温度每上升温度每上升l，值约增大值约增大0.51温度上升温度上升10，ICEO将增加一倍将增加一倍温度上升温度上升1，VBE将下降将下降22.5mV1.4.6 1.4.6 三极管的小信号模型三极管的小信号模型vBEvCE+ +- -+ +iCiBVBEQVCC+ +viRCvi0时对应的偏置电流电压值为静态偏置值静态偏置值。加入vi，电路中的瞬时值为静态值与交流瞬时值的叠加。如bBQBiIivi较小时，其对应变化范围内的输入输出特性可视为直线，此时的非线性器件三极管可

40、等效为线性器件来进行分析。小信号的范围小信号的范围TiTBEQTiBEQTBEVvVVSVvVSVvSCeeIeIeIi TBEQvVSCQeII VBEQ对应的静态电流为TiVvCQCeIi/1TiVv时，上式可展开成幂级数.)(! 2112TiTiCQCVvVvIicCQCiIi.! 22TiCQiTCQcVvIvVIi.! 22TiCQiTCQcVvIvVIi忽略二次方及以上项可得:imiTCQcvgvVIiTCQmVIg/三极管的跨导跨导： 此时，输出电流瞬时值与输入电压瞬时值成线性关系。小信号的条件：小信号的条件：mVVVVimTim10, 三极管放大工作时，在静态点上叠加交流小信号

41、，三极管对交流信号具有线性传输特性，三极管可用线性有源网络线性有源网络来进行等效。此网络具有和三极管相同的端电压、电流关系，为三极管的小信号模型。小信号模型的获得有两种途径： 由物理结构和数学模型可以得到混合混合型等效电路型等效电路。 视三极管为二端口网络，利用端口电流电压关系，得到网络参数模型网络参数模型。1 1、共发射极三极管、共发射极三极管混合混合型模型的引入型模型的引入vBEvCE+ +- -+ +iCiBVCCVBEQ+ +viRC),(2CEBECvvfi ),(1CEBEBvvfi 高阶项ceQCEBbeQBEBBQBvvivviIi在工作点Q附近展开成泰勒级数高阶项ceQCEC

42、beQBECCQCvvivviIi小信号时可忽略高阶项，并利用BQBbIiiCQCcIiiceQCEBbeQBEBbvvivviiceQCECbeQBECcvvivvii可得为简化表达，引入四个g参数QBEBebvigQCEBcbvigQBECmvigQCECcevig输出短路时的输入电导输入电导ebg输出短路时的正向传输电导（正向传输电导（跨导跨导）mg输入短路时的输出电导输出电导ceg输入短路时的反向传输电导反向传输电导cbgcecbbeebbvgvgicecebemcvgvgicecbbeebbvgvgicecebemcvgvgi)()( cebecbbecbebbecbbecbcecb

43、beebbvvgvggvgvgvgvgi相对很小，可忽略。cbg)()()( cebecbcecbcebecbmcecbcecbbecbbecbcecebemcvvgvggvggvgvgvgvgvgvgicbgbibevcicevcegbemvgebgceeb)( cebecbbeebvvgvg)(cebecbcecebemvvgvgvg线性线性g g参数模型参数模型cececbcbebebgrgrgr/ 1/ 1/ 1取考虑基区体电阻bbr低频混合低频混合型电路模型型电路模型bibevcicevcerebmvgebrcbrceebbbrebvbbibevcicevcerebmvgebrcee

44、bbbrebvb低频混合低频混合型简化模型型简化模型cbCbibevcicevcerebmvgebrceebbbrebvbcbrebC高频混合高频混合型电路模型型电路模型2、混合、混合型参数与工作点电流的关系型参数与工作点电流的关系在工作点在工作点Q处对指数模型求导可得到相应的处对指数模型求导可得到相应的g参数参数TBEVvSCeIi TBEVvSBeIiAV0Bi1Bi2Bi3Bi4BiCiCEv)1 (ACEVvSCVveIiTBE1）三极管的跨导）三极管的跨导gmeTEQTCQVVSTQBECmrVIVIeIVvigTBEQ 1TBEVvSCeIi EQTeIVr ：发射结正偏时Q点对应

45、的动态电阻 跨导跨导gm反映了反映了 作为控制电压时对集电极作为控制电压时对集电极电流的控制能力。电流的控制能力。ebv室温时，SIVIgCQTCQmm5 .38er1 2）发射结的结层电阻）发射结的结层电阻ebr)1 (1)1 (1 eTEQTBQVVsTQBEBebrVIVIeIVvigTBEQTBEVvSBeIi )1 (1 eebebrgrebg表示指数特性工作点表示指数特性工作点Q处的斜率处的斜率可见发射结结电阻与工作点有关。可见发射结结电阻与工作点有关。ACQAVVSQCECceVIVeIvigTBEQ 13）集射电阻）集射电阻cer)1(ACEVvSCVveIiTBE CQAce

46、ceIVgr 1集射电阻一般在几千欧以上，与集电极静态电流成反比，与VA成正比，其大小反映了输出特性曲线的倾斜程度，为基区宽度调制参数。基区宽度调制参数。cbr4）集电结的结层电阻）集电结的结层电阻 ceQCBCECQCEBcbgiivivig cecbcbrgr 1 值在100K10M之间，反映了输出电压对输入电流的影响，也为基区宽度调制参数。基区宽度调制参数。cbr5）基区体电阻）基区体电阻bbr6）极间电容）极间电容 和和ebCcbCbbr 为基区体电阻和接触电阻，低频小功率管约为300；ICQ增大，体电阻将减小， VCEQ增大，体电阻将增大。ebC 为发射结电容，小功率管为几十至几百p

47、F；cbC 为集电结电容，三极管放大使用时，其值很小，只有零点几到几pF。3、三极管的网络参数模型、三极管的网络参数模型1）H参数的引出参数的引出),(),(21oiooiivifivifviiivoiov二端口二端口 网网 络络放大器采用不同组态，其端口参量必然不同，得到的参数也会不同，下面以共射电路为例进行分析。),(2CEBCvifi ),(1CEBBEvifv BICEBEBVBBEBEdivvdiivdvBQCEQ CEICECBVBCCdvvidiiidiBQCEQ 小信号下，考虑电压、电流之间的微变关系，对上面两式取全微分可得：式中式中hie hre hfe hoe 称为称为BJ

48、T的的H参数参数由于dvBE、dvCE、diB、diC代表无限小的信号增量，也就是可以用电流、电压的交流分量来代替。即： ceoebfeccerebiebevhihivhihvH参数的含义参数的含义CEQVBBEieivh 输出交流短路时，三极管的输入电阻输入电阻ebbbberrr CEQVBCfeiih 输出交流短路时，三极管的正向电流传输正向电流传输系数（放大倍数）系数（放大倍数）。BQICEBErevvh 输入交流开路时，三极管的反向电压传输反向电压传输系数系数。属于内反馈，104数量级可忽略不计cer1BQICECovih 输入交流开路时，三极管的输出电导输出电导。2）共发组态的）共发

49、组态的H参数模型参数模型ceoebfeccerebiebevhihivhihvceoerefeebbbbeierhhhrrrh10简化模型简化模型bibevcicevcerbiber bcee电路模型电路模型bibevcicevoeh1ifeih orevh ieh bcee受控受控电压源电压源受控受控电流源电流源3、两种参数模型的比较、两种参数模型的比较：适用频率范围很宽，参数有比较明确的物理意义，但引入了内基极点，参数不容易测得。高频分析时采用。H参数模型：参数模型：模型简单，低频参数容易测得，适于对低频小信号电路进行分析。简化模型简化模型bibevcicevcerbiber bceebi

50、bevcicevcerbemvgebrceebbbrebvb低频混合低频混合型简化模型型简化模型1.5 场效应管场效应管(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 场效应管的特点场效应管的特点(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度电场强度来控制其导电能力的半导体器件。(2)它具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点。(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。场效应管的分类场效应管的分类(2)结型场效应管结型场效应管(JFET)(1)金属绝缘栅型半导体场效应管金属绝缘栅型半导体场效应管(MISFET)(3)金属半导体场效应管金属半导体场效

51、应管(MESFET)(4)异质场效应管异质场效应管(Hetero FET)1.5.1 MOS场效应管场效应管N沟道沟道P沟道沟道按照导电机理分为按照导电机理分为MOS场效应管由金属、二氧化硅绝缘层、场效应管由金属、二氧化硅绝缘层、半导体构成。半导体构成。增强型增强型耗尽型耗尽型按照工作方式分为按照工作方式分为控制电压为控制电压为0 0时，没时，没有导电沟道有导电沟道控制电压为控制电压为0 0时，没时，没有导电沟道有导电沟道1、增强型、增强型MOS管管gdsbN沟道增强型管的电路符号沟道增强型管的电路符号gdsbP沟道增强型管的电路符号沟道增强型管的电路符号N沟道增强型沟道增强型MOS管管1）N

52、沟道的形成及导电过程沟道的形成及导电过程栅极悬空时，漏极和源极之间未形成导电沟道，0Di0 DSV0BSVGSV取小电压时，GSVNNPsgdb衬底表面形成空间电荷区，0DiGSV增大时，P型衬底出现N型 层，称为。反型层将两个N区连接，形成。同时，连续的耗尽层将源区、漏区和沟道与衬底分隔开来。 靠增强栅源电压来形成导电沟道的MOS管，称为增强型增强型MOS场效应管场效应管。反型层反型层开始形成导电沟道的VGS称为（或记为VT）GSVNNPsgdbDSVTGSVV 后，加入0 DSVDGSiV 形成漏极电流iDiD随VGS由0到VT ，再继续增大，iD也相应由o到大变化，反之亦然，实现VGS对

53、对iD的控制的控制。漏源电流对沟道的影响漏源电流对沟道的影响沟道各处的VGD不同，使得沟道厚度不同增大VDS ，iD 将增大，但 同时VGD减小，沟道变窄；当VGD VGS VDS = VT ，漏端沟道被夹断且当VDS继续增大时，夹断点稍微左移夹断点到源极电压不变，iD保持不变。iD主要受主要受VGS 的控制，在漏端夹断前还受的控制，在漏端夹断前还受VDS影响。影响。GSVNNPsgdbDSViD2）输出特性曲线）输出特性曲线FET的组成形式有三类：共漏、共源、共栅。- - + +iDiGVDSVGS+ +gdsbDiDSv3.5V4V4.5V5VVGS 5.5VTGSDSVvv非饱非饱和区和

54、区饱和区饱和区击击穿穿区区常数GSvDSDvfi)(截止区截止区非饱和区非饱和区TGSDSVvvDiDSv3.5V4V4.5V5VVGS 5.5V非饱非饱和区和区又称为可变电阻区，TGSDSVvv2)( 22DSDSTGSoxnDvvVvlWCi自由电子迁移率:n单位面积栅极电容量:oxC沟道长度和宽度、:WlvDS很小时，可忽略其平方项DSTGSoxnDvVvlWCi)()(TGSoxnDSDonVvlWCviG沟道电导：可见，在非在非饱和区饱和区vGS可控制沟道等效电导可控制沟道等效电导。饱和区饱和区TGSDSVvvDiDSv3.5V4V4.5V5VVGS 5.5V饱和区饱和区TGSDSV

55、vv漏端被夹断后，iD基本不随vDS变化，达到饱和TGSDSDSDSTGSoxnDVvvvvVvlWCi2)( 222)(2TGSoxnDVvlWCi可见，在在饱和区饱和区vGS对对iD有很强的控制作用有很强的控制作用。 在放大电路中，场效应管应工作在饱和区在放大电路中，场效应管应工作在饱和区，故饱和区又称为场效应管的放大区。截止区截止区 饱和区，vDS对沟道长度有调节作用，使输出特性曲线略微上翘。)1 ()(22DSTGSoxnDvVvlWCi为沟道调制因子TGSVv沟道没有形成， iD0击穿区击穿区DiDSv3.5V4V4.5V5VVGS 5.5V击击穿穿区区vDS增大到一定值，iD急剧增

56、长，管子进入击穿区， vDS为漏源击穿电压V (BR)DSvDS过大穿可能引起穿通击穿vGS太大时，绝缘层可能在强电场作用下发生击穿，造成永久性损坏， v (BR) GS为栅源击穿电压。2、耗尽型、耗尽型MOS场效应管场效应管耗尽型管的电路符号耗尽型管的电路符号gdsbP沟道沟道gdsbN沟道沟道2)1 (PGSDSSDVvIi0GSvDDSSiI饱和漏电流Vp为夹断电压为夹断电压vGS iD O VP vDS iD O vGS=0V 0.2 -0.2 -0.4 1.5.2 结型场效应管（结型场效应管（JFET）1、 JFET的构造的构造NPPg(栅极栅极)s源极源极d漏极漏极导电沟道导电沟道N沟道沟道JFET基底基底 ：N型半导体型半导体两边是两边是P区区dgsdgsP沟道沟道JFETs源极源极PNNg(栅极栅极)d漏极漏极dgsdgs2、 JFET的工作原理（以的工作原理（以N沟道为例）沟道为例）1）VGS=0，加电压，加电压vDS ：NgsdVDSVGS=0PP越靠近漏