模拟电子线路第1章(G)

1、第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体一、半导体：导电性能介于导体与绝缘体之一、半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。间的物质。 单质半导体：碳单质半导体：碳(C)、硅、硅(Si)、锗、锗(Ge) 化合物半导体：磷化镓、砷化镓、磷砷化化合物半导体：磷化镓、砷化镓、磷砷化 镓等镓等化学元素周期表化学元素周期表化学元素周期表.mht14硅原子模型硅原子模型14284简化表示法简化表示法44二、本征半导体的晶格结构二、本征半导体的晶格结构晶体：原子、分子完全按照严格的周期性重复排列的物质晶体：原子、分子完全按照严格的周期性

2、重复排列的物质 称为晶体。称为晶体。 （物质的构成由其原子排列特点而定。（物质的构成由其原子排列特点而定。 原子呈周期性排列的固体物质叫做原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体晶体，原子呈无序排，原子呈无序排 列的叫做列的叫做非晶体非晶体，介于这两者之间的叫做，介于这两者之间的叫做准晶体准晶体。）。） 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。价电子：原子核最外层的电子。价电子：原子核最外层的电子。共用电子：相邻原子的价电子共用。共用电子：相邻原子的价电子共用。硅晶体的立体结构硅晶体的立体结构钻石结构共价键（共价键（Covalenc

3、e Bond）的示意图）的示意图图图1.1.1 本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子激发：激发：半导体受外界因素的影响，产生半导体受外界因素的影响，产生“电子电子空穴对空穴对”的的过程。过程。特点：特点：a. 激发激发形成两种载流子：形成两种载流子：自由电子自由电子与与空穴空穴。b. 自由电子数自由电子数 = 空穴数。空穴数。c. 两种载流子参加导电。两种载流子参加导电。d. 导电性能与激发因素有很大关系。导电性能与激发因素有很大关系。图图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴四、本征半导体中的载流子浓度

4、四、本征半导体中的载流子浓度1. 复合复合：自由电子遇到空穴，两者同时消失的过程。：自由电子遇到空穴，两者同时消失的过程。3. 在一定的条件下，载流子的数目是一定的。在一定的条件下，载流子的数目是一定的。4. 本征载流子的浓度计算公式：本征载流子的浓度计算公式：2. 动态平衡动态平衡：在激发因素不变的情况下，：在激发因素不变的情况下，激发激发 复合复合式中：式中：K1 常系数，硅为常系数，硅为 3.871016 cm-3K-3/2 锗为锗为 1.761016 cm-3K-3/2T 热力学温度热力学温度k 波尔茨曼常数，波尔茨曼常数， 8.63 10-5 eV/KEGO 禁带宽度，硅为禁带宽度，

5、硅为 1.21 eV，锗为，锗为0.785eV1eV(电子伏电子伏) 1.60218910-19 焦耳焦耳kTEiiGOeTKpn2231 （1.1.1）cm-3例：计算例：计算300K时的硅载流子浓度时的硅载流子浓度kTEiiGOeTKpn2231 解：由公式（解：由公式（1.1.1）（cm-3）3001063. 8221. 123165718. 23001087. 3 -1116107.11951961087. 3 10101.4381431525538 （基本公式）（基本公式）（代入数据）（代入数据）（计算过程）（计算过程）（结果）（结果）（cm-3）T = 0K时，自由电子与空穴的浓度

6、均为零。时，自由电子与空穴的浓度均为零。在一定范围内，温度升高，本征半导体的载流子的在一定范围内，温度升高，本征半导体的载流子的浓度近似按指数曲线升高。浓度近似按指数曲线升高。常温下（常温下（ T = 300K时时 ）：）： 硅材料的本征载流子浓度：硅材料的本征载流子浓度：ni = pi = 1.43 1010 cm-3锗材料的本征载流子浓度：锗材料的本征载流子浓度：ni = pi = 2.38 1013 cm-31.1.2 杂质半导体杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,得到得到杂质半导体杂质半导体。一、一、N型半导体

7、型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入5价元素，形成价元素，形成N型半导体。型半导体。掺杂：掺杂：图图1.1.3 N型半导体型半导体掺入的杂质原子称为施主原子。掺入的杂质原子称为施主原子。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能越强。（自由电子）的浓度就越高，导电性能越强。特点：特点：自由电子自由电子的数目远远的数目远远大于空穴的数目，称为大于空穴的数目，称为多子；多子；空穴空穴称为称为少子少子。二、二、P型半导体型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入3价元素，形成价元素，形成P型半导体。型

8、半导体。图图1.1.4 P型半导体型半导体二、二、P型半导体型半导体特点：特点：空穴空穴的数目远远的数目远远大于自由电子的数目，大于自由电子的数目，称为称为多子；多子；自由电子自由电子称称为为少子少子。掺入的杂质原子称为受主原子。掺入的杂质原子称为受主原子。P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能越强。穴）的浓度就越高，导电性能越强。由于空穴的迁移率远小于自由电子，所以由于空穴的迁移率远小于自由电子，所以P型半导体的导电型半导体的导电性能比性能比N型半导体差。型半导体差。分析：载流子产生的原因不同分析：载流子产

9、生的原因不同本征半导体：载流子由激发产生，本征半导体：载流子由激发产生，ni = np，载流子浓度与温，载流子浓度与温 度有关。度有关。杂质半导体：载流子主要由掺杂产生，多子浓度约等于杂杂质半导体：载流子主要由掺杂产生，多子浓度约等于杂 质浓度，与温度无关；少子浓度与温度有关，质浓度，与温度无关；少子浓度与温度有关， 决定了半导体器件的稳定性。决定了半导体器件的稳定性。硅的外观硅的外观金属与半导体材料的电阻率比较金属与半导体材料的电阻率比较材料名称材料名称电阻率电阻率（m）Cu（倍）（倍）温度系数温度系数（K-1）银银Silver1.6210-80.954.110-3铜铜Copper1.691

10、0-81.004.310-3铝铝Aluminum2.7510-81.024.410-3铁铁Iron9.6810-81.516.510-3本征硅本征硅Silicon,Pure2.51031.491011-7010-3N型硅型硅Silicon,n-type8.710-45.15104P型硅型硅Silicon,p-type2.810-31.66105玻璃玻璃Glass101010145.921018石英石英Fused Quartz1016本征硅晶体的用途本征硅晶体的用途 多用于制造敏感元件，例如光敏电阻、多用于制造敏感元件，例如光敏电阻、热敏电阻等，可以把非电物理量（例如光热敏电阻等，可以把非电物理

11、量（例如光照强度、温度）转换为电量（例如电阻、照强度、温度）转换为电量（例如电阻、电压、电流）。电压、电流）。光敏电阻的应用举例光敏电阻的应用举例数码相机数码相机本征半导体的导电性能与激发因素（温度、光照、本征半导体的导电性能与激发因素（温度、光照、射线）有很大关系。射线）有很大关系。所以本征半导体可以用来制作敏感元件，例如温度所以本征半导体可以用来制作敏感元件，例如温度传感器、光电传感器等。传感器、光电传感器等。但是，这一特点又造成半导体器件的稳定性差。但是，这一特点又造成半导体器件的稳定性差。杂质半导体的稳定性比本征半导体要好得多。杂质半导体的稳定性比本征半导体要好得多。1.1.3 PN结

12、结一、一、PN结的形成结的形成将将P型半导体和型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，型半导体制作在同一块硅片上，其交界面就形成了结。其交界面就形成了结。结结1.1.3 PN结结一、一、PN结的形成结的形成扩散运动：由浓度差而产生的运动。扩散运动：由浓度差而产生的运动。扩散运动的结果：形成扩散运动的结果：形成“空间电荷区空间电荷区”，又称，又称“势垒层势垒层”扩散运动的结果，形成空间电荷区和内电场扩散运动的结果，形成空间电荷区和内电场空间电荷区空间电荷区势垒层势垒层漂移运动：在漂移运动：在电场力电场力的作用下，载流子的运动的作用下，载流子的运动少子的运动方式少子的运动方式图图1.1.5 PN结

13、的形成结的形成内电场内电场动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流 形成形成PN结结 1. 正向偏置正向偏置：PN结的结的P区接外电源的正极，区接外电源的正极，N区接区接外电源的负极称为外电源的负极称为“正向连接正向连接”，也叫做，也叫做“正向正向偏置偏置”。2. 反向偏置反向偏置：PN结的结的P区接外电源的负极，区接外电源的负极，N区接区接外电源的正极，称为外电源的正极，称为“反向连接反向连接”，也叫做，也叫做“反反向偏置向偏置”二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性图图1.1.6 PN结加正向电压时导通结加正向电压时导通图图1.1.7 PN结加反向电压时截止结加反向电压时截止P

14、N结单向导电性的特点结单向导电性的特点1.正向导通、反向截止；正向导通、反向截止；2.正向电阻小、反向电阻大；正向电阻小、反向电阻大；3.反向电流小、正向电流大；反向电流小、正向电流大；4.正向电流是正向电流是多子的扩散电流，多子的扩散电流，与外加电压有关，与外加电压有关，电压越高，电流越大；电压越高，电流越大；5.反向电流是反向电流是少子的漂移电流少子的漂移电流，称为：，称为：反向饱和反向饱和电流。电流。与外加电压无关，与激发有关。与外加电压无关，与激发有关。三、三、PN结的电流方程结的电流方程 PN结的电流方程描述结的电流方程描述PN结两端结两端电压电压与与流过流过PN结的结的电流电流的关

15、系。的关系。PN结的伏安特性式结的伏安特性式)(1TDUUSDeIi式中：式中：iD 流过流过PN结的电流结的电流UD PN结两端的电压结两端的电压IS 反向饱和电流反向饱和电流qkTUTUT 温度电压当量温度电压当量(热电压热电压)，300K时约为时约为26mVk 玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，1.3810-23 (JK-1) q 电子电量，电子电量，1.60210-19 CT 绝对温标，室温为绝对温标，室温为300K PN结伏安特性式的含义结伏安特性式的含义1. 当当PN结正向偏置时，结正向偏置时，iD与与UD之间呈指数关系。之间呈指数关系。2.当正向电压当正向电压UT（26mV）时，可简化

16、为：）时，可简化为：TDUUSDeIiUD2.6mV26mV260mV1V1.5V2.6V0.111038.557.71001.102.718220265.25e+161.14e+252.69e+43TDUUX xe3. 当当PN结反向偏置时，结反向偏置时， SSUUSUUSDIIeIeIiTDTD 1011)1(UD 0例题：例题：长江三峡发电厂装机容量长江三峡发电厂装机容量-1820万瓩万瓩=182亿瓦亿瓦这显然是不可能的。后果必然是：或者烧毁二极管，或者使电池短路损这显然是不可能的。后果必然是：或者烧毁二极管，或者使电池短路损坏。坏。是否允许将是否允许将1.5V的干电池以正向接法接至二极

17、管的两端？为什么？的干电池以正向接法接至二极管的两端？为什么？答：不允许。这将导致二极管烧毁或电池短路损坏。答：不允许。这将导致二极管烧毁或电池短路损坏。由由PN结伏安特性式计算可知：当结伏安特性式计算可知：当 UD = 1.5V 时，时，252615001014. 1)1()1( SSUUSDIeIeIITD（A）这时，即使二极管的这时，即使二极管的 IS 很小，例如很小，例如 nA 数量级（数量级（10-9 A），），有：有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 （A）根据计算，干电池输出功率将达到：根据计算，干电池输出功率将达到： P = UI = 1.5V 1.14

18、1016 （A）=1.711016 （W）= 1.71 亿亿亿亿 （W）三峡水库坛子岭介绍：发电容量三峡水库坛子岭介绍：发电容量长江三峡的装机容量长江三峡的装机容量PN结电流方程的推导结电流方程的推导1. 首先分析平衡状态下载流子浓度与内电场首先分析平衡状态下载流子浓度与内电场 电场场强的关系；电场场强的关系；2. 分析在非平衡状态下（即外加电压作用下）分析在非平衡状态下（即外加电压作用下）载流子在耗尽层的电流密度与所加电压的载流子在耗尽层的电流密度与所加电压的关系。关系。3. 从而得到电流与电压间的函数关系。从而得到电流与电压间的函数关系。图图1.1.8 PN结平衡时载流子的分布结平衡时载流

19、子的分布载流子为零载流子为零图图1.1.9 外加正外加正向电压时向电压时PN结载流子的分布结载流子的分布四、PN结的伏安特性UO0.5VUON0.7V反向区反向区截止区截止区导通区导通区正向区正向区图图1.1.8二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线UO死区死区UONU(BR)0ABCD二极管伏安特性曲线的三个区二极管伏安特性曲线的三个区正向导通区正向导通区1. 死区（死区（O-A）；）；2. 导通区（线性区导通区（线性区A-B）；）；反向截止区反向截止区3. 截止区（截止区（O-C）;4. 击穿区（击穿区（C-D）。）。 高掺杂：齐纳击穿（高掺杂：齐纳击穿（|UB | 4 V）; 低掺杂：雪崩

20、击穿（低掺杂：雪崩击穿（|UB | 6 V）;五、五、PN结的电容效应结的电容效应LSC电容器充电电容器充电电容器放电电容器放电五、PN结的电容效应1.势垒电容势垒电容Cb：反向偏置的：反向偏置的PN结，势垒层的离子数随结，势垒层的离子数随 外加电压改变外加电压改变2. 扩散电容扩散电容Cd：正向偏置的：正向偏置的PN结，多子浓度随正向电结，多子浓度随正向电 压的高低而变化。压的高低而变化。图1.1.9 PN结的势垒电容图1.1.10 P区少子浓度分布曲线外加电压大外加电压大外加电压小外加电压小1.2 半导体二极管半导体二极管图1.2.1 二极管的几种外形1.2.1 半导体二极管的几种常见结构

21、半导体二极管的几种常见结构图1.2.2 二极管的几种常见结构参考参考. 硅圆片工艺硅圆片工艺晶片: 只含有极少“缺陷”的单晶硅衬底圆片。“CZ法”生长单晶硅（晶体拉晶仪）目前晶体化的制程，大多是目前晶体化的制程，大多是采柴可拉斯基采柴可拉斯基( (CzycraskyCzycrasky) ) 拉晶法拉晶法 (CZ(CZ法法) )。将一块称为籽晶的单晶硅。将一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融硅中，然后在旋转浸入熔融硅中，然后在旋转籽晶的同时缓慢地把其从熔籽晶的同时缓慢地把其从熔融硅中拉起。结果，就形成融硅中拉起。结果，就形成圆柱形的大单晶棒。圆柱形的大单晶棒。生长时，可在熔融硅中掺入生长时，可在熔融硅中

22、掺入杂质来获得期望的电阻率杂质来获得期望的电阻率 。晶圆尺寸： 寸寸 是是 寸寸 是标准的是标准的寸是标准的寸是标准的 300mm商用直拉单晶硅切割后、加工过电路的硅圆片单晶硅棒 (300mm)大单晶棒切成薄的圆片（wafer） 在大多数CMOS工艺中，圆片的电阻率为0.05到0.1cm，厚度约为500到1000微米。chip硅硅 园园 晶晶光刻加工后，已切片，没分离之前光刻加工后，已切片，没分离之前已分离装盒已分离装盒专业加工后专业加工后装在印刷线路板上装在印刷线路板上1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性图1.2.3 二极管的伏安特性温度升高，使温度升高，使Uon降低，降低，Is变大

23、。变大。曲线向纵轴靠近曲线向纵轴靠近1.2.3 二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流 IF(2)最高反向工作电压最高反向工作电压 UR(3)反向电流反向电流 IR(4)最高工作频率最高工作频率 fM1.2.4 二极管的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路(a) uD 0，二极管导通；，二极管导通；u D 0.7 V，二极管导通；，二极管导通； uD U- 二极管导通，否则截止二极管导通，否则截止 计算输出电压计算输出电压求求Uo方法：方法： 将二极管移去将二极管移去 求求U+，U- U+ U- 二极管导通二极管导通U+U-U+ = 2V ， U

24、- = -2VUo4= -2V + 0.7V = -1.3V 计算输出电压计算输出电压0.7V求求Uo方法：方法： 将二极管移去将二极管移去 求求U+，U- U+ U- 二极管导通，否则截止二极管导通，否则截止 计算输出电压计算输出电压1.3V0V-1.3V2V1.3V-2V1.2.5 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管工作在反向击穿区，在一稳压二极管工作在反向击穿区，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。出稳压特性。一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性见图见图1.2.10 (a)图图1.2.10 稳压管的伏安特性和等效电路稳压管的伏安特性和

25、等效电路二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ：在规定电流下的反向击穿电压值。：在规定电流下的反向击穿电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ:3. 额定功耗额定功耗 PZM：4. 动态电阻动态电阻 rz：5. 温度系数温度系数 ：图图1.2.11 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 例例122 在图在图1211所示稳压管稳压电路中，已知所示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压Uz=6V，最小稳定电流，最小稳定电流Izm=5mA，最大，最大稳定电流稳定电流IZmax=25mA；负载电阻；负载电阻RL=600。求解限流电阻。求解限流电阻R的取值范围。的取值范

26、围。解：从图解：从图1.2.11所示电路可知，所示电路可知，R上电流上电流 IR等于稳压管中等于稳压管中电流电流 IDZ 和负载电流和负载电流 IL 之和，即之和，即 :LDZRIII IDZ=520mAmAK.VRUILZL10606 限流电阻限流电阻R的取值范围为的取值范围为114227。1.2.6 其它类型二极管其它类型二极管一、发光二极管一、发光二极管发光二极管发光二极管的英语名称是的英语名称是 LED。 发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，这发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，这里只对可见光发光二极管做一简单介绍。里只对可见光发光二极管做一简单介绍。发光二极管

27、的发光颜色决定于所用材料，目前有发光二极管的发光颜色决定于所用材料，目前有红红、绿绿、黄黄、橙橙等色，可以制成各种形状，等色，可以制成各种形状，如长方形，圆形如长方形，圆形见图见图1212(a)所示所示等。等。图图1.2.12(b)所示为发光二极管的符号。所示为发光二极管的符号。 ( light-emitting diode )图1.2.12 发光二极管 发光二极管也具有单向导电性。只有当外加的发光二极管也具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在启电压比普通二极管的大，红色的在1.61.8V

28、之之间，绿色的约为间，绿色的约为2V。 正向电流愈大，发光愈强。使用时，应特别注意正向电流愈大，发光愈强。使用时，应特别注意不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等极限参数。压等极限参数。 发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高等优点广泛用于显示电路之中。可靠性高等优点广泛用于显示电路之中。 光电二极管是一种光能与电能进行转换的光电二极管是一种光能与电能进行转换的器件。可以将可见光或红外线转换为电信号。器件。可以将可见光或红外线转换为电信号。 PN结型光电二极管充分利用结型光电二极管充分利用P

29、N结的光敏结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。它的几种常见外形如图它的几种常见外形如图1.2.13(a)所示，符号见图所示，符号见图(b) 。二、光电二极管二、光电二极管图1.2.13 光电二极管的外形和符号图1.2.14 光电二极管的伏安特性无光照：普通二极管特性，正向压降无光照：普通二极管特性，正向压降 Uon 约约1.8V无光照无光照有光照：应工作在有光照：应工作在III象限。象限。无电源，光电池。无电源，光电池。 图图1214(a)所示为光电二极管的伏安特性。在无光照所示为光电二极管的伏安特性。在无光照时，与普通二极管一样，具有单

30、向导电性。时，与普通二极管一样，具有单向导电性。 外加正向电压时，电流与端电压成指数关系，见特性曲外加正向电压时，电流与端电压成指数关系，见特性曲线的第一象限；线的第一象限； 外加反向电压时，反向电流称为暗电流，通常小于外加反向电压时，反向电流称为暗电流，通常小于02A。 在有光照时，特性曲线下移，它们分布在第三、四在有光照时，特性曲线下移，它们分布在第三、四象限内。象限内。 在反向电压的一定范围内，即在第三象限，特性曲在反向电压的一定范围内，即在第三象限，特性曲线是一组横轴的平行线。线是一组横轴的平行线。 光电二极管在零压下受到光照而产生的电流称为光光电二极管在零压下受到光照而产生的电流称为

31、光电流，光电流受入射照度的控制。照度一定时，光电二电流，光电流受入射照度的控制。照度一定时，光电二极管可等效成恒流源。照度愈大，光电流愈大，在光电极管可等效成恒流源。照度愈大，光电流愈大，在光电流大于几十微安时，与照度成线性关系。这种特性可广流大于几十微安时，与照度成线性关系。这种特性可广泛用于遥控、报警及光电传感器之中。泛用于遥控、报警及光电传感器之中。图图1.2.15 例图例图1.2.3 电路图电路图例例123 电路如图电路如图1215所示，已知发光二极管的所示，已知发光二极管的导通电压导通电压UD = 1.6 V，正向电流为，正向电流为520mA时才能发光。时才能发光。试问：试问： (1

32、)开关处于何种位置时发光二极管可能发光开关处于何种位置时发光二极管可能发光? (2)为使发光二极管发光，电路中为使发光二极管发光，电路中R的取值范围为多少的取值范围为多少? 解：解：(1)当开关断开时发光二极管有可能发光。当开关闭合时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。发光二极管的端电压为零，因而不可能发光。(2)因为因为IDmin = 5mA，IDmax = 20mAK8805616IUVRDD.minmaxK22020616IUVRDmavD.min1.3 双极性晶体管双极性晶体管1.3.1 晶体管的结构及类型图图1.3.1 晶体管的几种常

33、见外形晶体管的几种常见外形返回返回图1.3.2 晶体管的结构和符号返回返回图1.3.3 基本共射放大电路返回返回图1.3.4 晶体管内部载流子运动与外部电流返回返回二、晶体管的电流分配关系二、晶体管的电流分配关系从外部看：从外部看：三、晶体管的共射电流放大系数三、晶体管的共射电流放大系数1.3.1 晶体管的共射特性曲线晶体管的共射特性曲线一、输入特性曲线一、输入特性曲线图图1.3.5 晶体管的输入特性曲线晶体管的输入特性曲线二、输出特性曲线二、输出特性曲线图图1.3.6 晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线晶体管三个工作区的条件和特点晶体管三个工作区的条件和特点工作区工作区条件条件特点特点

34、现象现象截止区截止区i B = 0i c= 0uCE=Vcc线性区线性区iB 0uCE 0.7V线性放大线性放大uBE 0.7VuCE 0.7V饱和区饱和区iB IBSiC = ICSuBE 0.7VuCE UCEX UCES UCER UCEO晶体管安全工作区如图晶体管安全工作区如图1.3.7所示所示图图1.3.7 晶体管的极限参数晶体管的极限参数1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对一、温度对 ICBO 的影响的影响 因为因为 ICBO 是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形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

35、剧，使更多的价电子成的，所以，当温度升高时，热运动加剧，使更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少于浓度明显增大。有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少于浓度明显增大。因此，参与漂移运动的少子数目增多，从外部看就是因此，参与漂移运动的少子数目增多，从外部看就是ICBO增增大。可以证明，大。可以证明，温度每升高温度每升高10，ICBO增加约一倍。增加约一倍。反之，当温度降低时反之，当温度降低时ICBO减小。减小。 由于硅管的由于硅管的ICBO比锗管的小得多，所以从绝对数值上看，比锗管的小得多，所以从绝对数值上看，硅管比锗管受温度的影响要小得多。硅管比锗管受温度的影响要小得多。 二、温度

36、对输入特性的影响二、温度对输入特性的影响 与二极管伏安特性相类似，当温度升时，正向特性将左与二极管伏安特性相类似，当温度升时，正向特性将左移，反之将右移，如图移，反之将右移，如图 138所示。当温度变化所示。当温度变化1时，时，|uBE|大约变化大约变化22.5mV，并具有负温度系数，并具有负温度系数，即温度每升即温度每升高高1， |uBE|大约下降大约下降22.5mV。图图1.3.8 温度对晶体管温度对晶体管输入特性的影响输入特性的影响三、温度对输出特性的影响三、温度对输出特性的影响 图图1.3.9所示为一只晶体管在温度变化时输出特性变所示为一只晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图，实线所

37、示为化的示意图，实线所示为20时的特性曲线，虚线所示为时的特性曲线，虚线所示为60时的特性曲线时的特性曲线,说明温度升高时说明温度升高时增大。增大。 图图1.3.9 温度对晶体管温度对晶体管输出特性的输出特性的影响影响一般认为，温度每增高一般认为，温度每增高1，将增大将增大1%。 例例1.3.1 现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表如表132所示，各晶体管所示，各晶体管b-e间开启电压间开启电压Uon均为均为05V。试分别说明各管子的工作状态。试分别说明各管子的工作状态。放大放大饱和饱和放大放大截止截止例例132 在一个单管放大电路中，电源电

38、压为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表已知三只管子的参数如表133所示，请选用一所示，请选用一只管子，并简述理由。只管子，并简述理由。晶体管的选用原则：晶体管的选用原则：值要大，值要大，ICBO要小，要小，UCEO要要合适。合适。表表1.3.3例例132 在一个单管放大电路中，电源电压为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表已知三只管子的参数如表133所示，请选用一所示，请选用一只管子，并简述理由。只管子，并简述理由。表表1.3.3应选用应选用T2，因为综合参数合适。，因为综合参数合适。1.3.6 光电三极管光电三极管图图1.3.10 光电三

39、极管的等效电路、符号和外形光电三极管的等效电路、符号和外形光电三极管可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。光电三极管可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。暗电流（暗电流（ICEO）-无光照时的集电极电流。约为光电二极无光照时的集电极电流。约为光电二极管暗电流的两倍。管暗电流的两倍。亮电流（亮电流（ICEO）-有光照时的集电极电流。约几毫安。有光照时的集电极电流。约几毫安。图图1.3.11 光电三极管的输出特性曲线光电三极管的输出特性曲线照度增加，照度增加，使使IB增大增大,IC随随之增大。之增大。1.4 场效应管场效应管 场效应管场效应管(FET)是利用输入回路的是利用输入回路的电场效应电

40、场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称又称单极型晶体管单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达回路的内阻高达1071012，噪声低，热稳定性，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，且比后者耗电省，这些优点好，抗辐射能力强，且比后者耗电省，这些优点使之从使之从60年代诞生起就广泛地应用于各种电子电年代诞生起就广泛地应用于各种电子电路之中。路之

41、中。Field-Effect Transistor141 结型场效应管结型场效应管 结型场效应管又有结型场效应管又有N沟道和沟道和P沟道两种类型，沟道两种类型， 图图141(a)是是N沟道管的实际结构图，沟道管的实际结构图， 图图(b)为它们的符号。为它们的符号。 图图1.4.1 结型场效应管的结构和符号结型场效应管的结构和符号一、结型场效应管的工作原理一、结型场效应管的工作原理图图1.4.2 N沟道沟道结型场效应管的结构示意图结型场效应管的结构示意图UGS(off)夹断电压夹断电压 图图1.4.3 uDS 0时时 uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用(c) 当当 uGS UGS(

42、off) 时，发生时，发生夹断夹断现象。现象。(a) uGS = 0，导电沟道很宽。，导电沟道很宽。(b) UGS(off) uGS 0，导电沟道变窄。，导电沟道变窄。假设假设(UGS(OFF)=-4V)0V-2V-4VuGS、 uGD （栅极电压）越负，沟道越窄。（栅极电压）越负，沟道越窄。2. uGS为小于零的定值，为小于零的定值，uDS对漏极电流的影响对漏极电流的影响 当当uGS为为UGS(off)0中某一确定值时，若中某一确定值时，若 uDS=0，则虽然存在由，则虽然存在由 uGS 所确定的一定宽度的所确定的一定宽度的导电沟道，但由于导电沟道，但由于 ds 间电压为零，多子不会间电压为

43、零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流产生定向移动，因而漏极电流 iD 为零为零。 图图1.4.4 UGS(off) uGS 0的情况的情况uDS 0时，有电流流过导电沟道，时，有电流流过导电沟道，uGD ( = uG uD) uGS( = uG 0)导电沟道导电沟道 d 端要比端要比 s 端窄端窄例：例：uGS = -2VuDS = 1V1V-2V-3VuGD = uG - uD= -2 -1= -3(V)uGD uGS图图1.4.4 UGS(off) uGS 0的情况的情况 uGS UGS(off) s 端不夹断端不夹断uDS升高，将使升高，将使uGD变的更负。当变的更负。当uGD = U

44、GS(off)时，时，在在d端发生夹断现象，端发生夹断现象，称为称为预夹断预夹断。2V-4V-2V预夹断之后，预夹断之后，uDS 继续增大增大，预夹断区将继续增大增大，预夹断区将向向S端延长。端延长。一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大力加大(只只 能从夹断区的窄缝以较高速度通过能从夹断区的窄缝以较高速度通过)，从，从而导致而导致 iD减小；减小；另一方面，随着另一方面，随着uDS的增的增 大，使大，使 d-s 间的纵向间的纵向电场增强，也必然导致电场增强，也必然导致 iD 增大。增大。实际上，上述实际上，上述 iD 的两种变化趋势相抵消，的两

45、种变化趋势相抵消，uDS的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对iD 形成的形成的 阻力。阻力。因此，从外部看，在因此，从外部看，在uGD UGS(off)的情况下的情况下即即发生预夹断之后，当发生预夹断之后，当 uDS 增大时增大时 iD 几乎不变，即几乎不变，即 iD 几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于 uGS ，表现出，表现出 iD 的恒流特性的恒流特性。3当当uGD UGS(off) 时，时，uGS对对iD的控制作用的控制作用在在uGD = uGS uDS uGS -UGS(off)的情况下，（预夹断之后）的情况下，（预夹断之后）当当 uDS

46、为一为一 常量时，对应于确定的常量时，对应于确定的uGS ，就有确定，就有确定的的 iD。此时，。此时，可以通过改变可以通过改变uGS 来控制来控制 iD 的大小的大小。由于漏极电流受栅由于漏极电流受栅源电压的控制，故称场效源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。应管为电压控制元件。 与晶体管用与晶体管用(= iCiB)来描述动态情况下基极来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作电流对集电极电流的控制作 用相类似，场效应管用相类似，场效应管用用 gm 来描述动态的栅来描述动态的栅源电压对漏极电流的控制源电压对漏极电流的控制作用。作用。gm 称为低频跨导。称为低频跨导。 GSDmuig 由

47、以上分析可知：由以上分析可知： (1) 在在uGD = uGS uDS UGS(off) 的情况下，即的情况下，即当当uDS uGS - UGS(off) (即即 g-d 间未出现夹断间未出现夹断)时，对时，对应于不同的应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。 (2) 当当 uDS 使使 uGD = UGS(off) 时，时，ds 之间预夹断。之间预夹断。(3) 当当 uDS 使使 uGD0的情况的情况uGS = UGS(off)时，时，在在S端也发生夹断，端也发生夹断，这时这时 iD 0称为夹断。称为夹断。 二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线

48、 输出特性曲线描述当栅输出特性曲线描述当栅源电压源电压uGS为常量时，为常量时，漏极电流漏极电流iD与漏与漏源电压源电压 uDS 之间的函数关系，即之间的函数关系，即 : 常量常量 GSUDSDufi对应于一个对应于一个uGS，就有一条曲线，因此输出特性，就有一条曲线，因此输出特性为一族曲线为一族曲线 。1. 输出特性曲线输出特性曲线图图1.4.5 场效应管的输出特性场效应管的输出特性场效应管的三个工作区域场效应管的三个工作区域(1) 可变电阻区可变电阻区(也称非饱和区也称非饱和区)：预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当

49、区域中曲线近似为不同斜率的直线。当 uGS 确定时，确定时，直线的斜率也惟一地被确定，直线斜率的倒数为直线的斜率也惟一地被确定，直线斜率的倒数为 d-s 间等效电阻。因而在此间等效电阻。因而在此 区域中，可以通过改变区域中，可以通过改变 uGS 的大小的大小(即压即压 控的方式控的方式)来改变漏来改变漏源电阻的阻源电阻的阻值，故值，故 称之为可变电阻区。称之为可变电阻区。预夾断轨迹（发生预夹断时，预夾断轨迹（发生预夹断时，uDS 的值）的值）当当uGD=UGS(off)时，导电沟道在时，导电沟道在 D 端夾断，称端夾断，称为为预夾断预夾断。图中的虚线为图中的虚线为预夹断轨迹预夹断轨迹，它是各条

50、曲线上使，它是各条曲线上使uDS = uGS - UGS(off) 即即 uGD= UGS(off) 的点连接而成的点连接而成的。的。uGS 愈大，预夹断时的愈大，预夹断时的 uDS 值也愈大。值也愈大。uGD = uG uD = uGS - uDS保持保持 uGS 不变，改变不变，改变 uDS ，当当 uDS = uGS - UGS(off) 时，发生预夾断。时，发生预夾断。该方程也称为该方程也称为预夾断点轨迹方程预夾断点轨迹方程。uDS = uGS uGD当当 uGD = UGS(off) 时，时，导电沟道在导电沟道在 D 端预夾断。端预夾断。由由 uDS = uGS - UGS(off)

51、 可以算得可以算得当当 UGS（OFF）= - 4V 时，预夹断点轨迹如下：时，预夹断点轨迹如下：uGS0-1-2-3-4uDS43210在输出特性曲线上，表示出预夹断点轨迹在输出特性曲线上，表示出预夹断点轨迹1 2 34(2) 恒流区恒流区(也称饱和区也称饱和区)：图中预图中预 夹断轨迹的右边区域为恒流区。当夹断轨迹的右边区域为恒流区。当 uDS uGS - uGS(off) (即即 uGDuGS(off) )时，各曲线近似为时，各曲线近似为一组横轴的平行线。当一组横轴的平行线。当 uDS 增大时，增大时，iD 仅略有增大。仅略有增大。因而可将因而可将 iD 近似为电压近似为电压 uGS 控

52、制的电流源，故称该控制的电流源，故称该 区域为恒流区。利用场效应管作放大管时，应使其区域为恒流区。利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。工作在该区域。(3)夹断区：夹断区：当当 uGS UGS(th)，建立导电沟道。，建立导电沟道。图图1.4.9 uGS为大于为大于UGS(th)的某一值时的某一值时， uDS对对iD的的影响影响(a)当当 uDS UGS(th) ,导电沟道尚未夹断，导电沟道尚未夹断， 可变电阻区可变电阻区;(b)当当 uDS = uGS - UGS(th) 时，时，uDG = uDS uGS = UGS(th) ,导电沟道预夹断；导电沟道预夹断；(c)当当 uDS uG

53、S - UGS(th) 时，时，uDG = uDS uGS = UGS(th) ,夹断区延长，进入夹断区延长，进入 恒流区恒流区；在在 uDS uGS - UGS(TH ) 时，对应每一个时，对应每一个 uGS 就就有一个确实的有一个确实的 iD 。此时可将。此时可将 iD 视为电压视为电压 uGS 控制控制的电流源。的电流源。 预夹断轨迹：预夹断轨迹：当当 uGD = UGS(th) 时，发生预夹断。时，发生预夹断。 uGD = uGS uDS uDS = uGS uGD发生预夹断时，发生预夹断时，uDS = uGS - UGS(th) 称为预夹断轨迹方程。称为预夹断轨迹方程。2. 特性曲线

54、与电流方程特性曲线与电流方程图图1.4.10 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性管的特性曲线曲线21)()(thGSGSDODUuIi电流方程电流方程式中：式中：IDO 为为 uGS= 2UGS(th) 时的时的 iD 值值 。二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管三、三、P沟道沟道MOS管管相当于相当于PNP三极管。三极管。四、四、VMOS管管一种大功率一种大功率MOS管。管。图图1.4.12 N沟道增强型沟道增强型VMOS管的管的结构示意图结构示意图图图1.4.13 场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数由该点求由该点求DDSDSIUR

55、例例1.4.3图图1.4.16 例例 1.4.3 电路图电路图提示：为使管子工作在恒提示：为使管子工作在恒流区，应使管子工作在预流区，应使管子工作在预夹断状态。夹断状态。uDS uGS - UGS(th)1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 场效应管的栅场效应管的栅 g、源极、源极 s、漏极、漏极d 对应于晶体管的基极对应于晶体管的基极b、发射极、发射极e、集电极、集电极c，它们的作用相类似。，它们的作用相类似。 场效应管场效应管FET源极源极s栅极栅极g漏极漏极d双极型晶体管双极型晶体管BJT发射极发射极e基极基极b集电极集电极c 场效应管用栅场效应管用栅源电压源电压uG

56、S控制漏极电流控制漏极电流iD，栅极基本不取电流；栅极基本不取电流；而而晶体管工作时基极总晶体管工作时基极总要索取一定的电流。要索取一定的电流。因此，要求输入电阻高因此，要求输入电阻高的电路应选用场效应管；而若信号源可以提的电路应选用场效应管；而若信号源可以提供一定的电流，则可选用晶体管。供一定的电流，则可选用晶体管。从第二章从第二章将会了解到，利用晶体管组成的放大电路可将会了解到，利用晶体管组成的放大电路可以得到比场效应管更大的电压放大倍数。以得到比场效应管更大的电压放大倍数。 一、场效应管是电压放大器件，一、场效应管是电压放大器件， 晶体管是电流放大器件。晶体管是电流放大器件。二、场效应管

57、是单极型器件，二、场效应管是单极型器件， 晶体管是双极型器件晶体管是双极型器件 场效应管只有多子参与导电；晶体管内既有多场效应管只有多子参与导电；晶体管内既有多子又有少子参与导电子又有少子参与导电，而少子数目受温度、辐，而少子数目受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境条温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。件变化很大的情况下应选用场效应管。 三、场效应管噪声比晶体管小三、场效应管噪声比晶体管小 场效应管的场效应管的噪声系数噪声系数很小很小，所以低噪声放，所以低噪声放大器

58、的输入级和要求大器的输入级和要求信噪比信噪比较高的电路应较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特制的低噪选用场效应管。当然也可选用特制的低噪声晶体管。声晶体管。 噪声系数噪声系数NF：nosonosiFPPPPN 式中：式中：Psi和和Pso分别为信号的输入和输出功率，分别为信号的输入和输出功率，Pni和和Pno分别为噪声的输入和输出功率。分别为噪声的输入和输出功率。信噪比信噪比定义为放大电路输出的信号功率与噪声功率之比。定义为放大电路输出的信号功率与噪声功率之比。 Noise噪声噪声四、场效应管漏源可以互换四、场效应管漏源可以互换 场效应管的漏极与源极可以互换使用场效应管的漏极与源极可以互换

59、使用，互换，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极与集电后特性变化不大；而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要时才互换。时才互换。 五、场效应管种类多五、场效应管种类多 场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅管，栅源电压源电压uGS可正、可负、可零，均可正、可负、可零，均能控制漏极电流。因而在组成电路时场效应管比能控制漏极电流。因而在组成电路时场效应管比晶体管有更大的灵活。晶体管有更大的灵活。 六、场效应管制造工艺简单，便于集成化六、场效应管制造工艺简单，便于集成化 场效应管和晶体管均可

60、用于放大电路和开关电场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，它们构成了品种繁多的集成电路。但由于路，它们构成了品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成工艺更简单，且具有耗电省、工场效应管集成工艺更简单，且具有耗电省、工作电源电压范围宽等优点，因此场效应管越来作电源电压范围宽等优点，因此场效应管越来越多地应用于大规模和超大规模集成电路之中。越多地应用于大规模和超大规模集成电路之中。 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管1.5.1 单结晶体管单结晶体管 UJT 一、单结晶体管的结构和等效电路一、单结晶体管的结构和等效电路P型半导体引出的电极为型半导体引出的电极为发射极发射极e；N型半导体