模拟电子技术第一章

Chapter1常用半导体器件半导体基础知识PN结的形成及特性半导体二极管半导体三极管场效应晶体管11.1半导体基础知识本征半导体杂质半导体半导体导电过程2自然界的物质按其导电能力的大小可分为：

导体：电阻率ρ<10-4cm

绝缘体：ρ1012cm

半导体：10-3cm<

ρ<109cm

，导电性能介于导体与绝缘体之间。在近代大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要使用硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）材料。半导体、集成电路Semiconductor

Integratedcircuit3它们的最外层都有4电子（价电子）。GeSi电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。4本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体1.1.1本征半导体5共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子1、共价键晶体结构

Si（Ge）在形成晶体时，每个原子的4个价电子均与相邻接原子的价电子形成稳定的共价键。6形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个。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。+4+4+4+4在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。72本征半导体的导电机理在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子8本征激发：因热运动产生自由电子空穴对的现象（又称热激发）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动。能够导电的电荷称为载流子。即自由电子和空穴。空穴导电的实质：价电子依次填补空位的运动。93、电子、空穴的复合与本征浓度复合—自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。在一定温度下，本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。本征半导体热平衡时的载流子浓度——本征浓度10本征半导体的导电机理与特点1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，其导电能力取决于载流子的浓度。但由于载流子的浓度很低，故导电能力很弱。2.当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。温度越高，载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强，因此，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。3.往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。111.1.2杂质半导体在本征Si（或Ge）中掺入微量杂质便形成杂质半导体。掺杂后，由于载流子数量大大增加，导电性能显著增强。且不再取决于温度。根据掺杂材料的不同，杂质半导体分为N型半导体（电子半导体）和P型半导体（空穴半导体）。

121.N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。13+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子施主原子14N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。？152.P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。16+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子受主原子17总结1.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。3.掺杂后的杂质半导体在电性能上依然呈电中性。18+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子移动空穴移动19外加电场漂移电流漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。20杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体211.2PN结的形成及单向导电性

PN结的形成

PN结的单向导电性

PN结的电容特性22在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。1.2.1PN结的形成PN结的形成过程23P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动24扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。25漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。26－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV027最后,多子的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。物理过程如下:

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散

281、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、空间电荷区中内电场吸引P中的电子和N中的空穴（都是少子）向对方漂移（漂移运动），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意291.2.2PN结的单向导电性PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。－－－－－－－－++++++++++++++++30PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。－－－－++++31PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。在一定的温度条件下，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。32PN结伏安特性在PN结的两端加上电压后，通过管子的电流I随管子两端电压V变化的曲线-伏安特性。其中I——PN结二极管的电流(安)

IS——反向饱和电流(安)

u---外加电压(伏)

UT-----温度的电压当量

e———自然对数的底331.2.3PN结的反向击穿特性 1、反向电压小，很小的反向饱和电流。2、加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，PN结被反向击穿(电击穿) ３、发生击穿所需的反向电压UB

称为反向击穿电压。 ４、PN结电击穿可分为“雪崩击穿”和“齐纳击穿”两种类型。34

PN结反向电压增加时，空间电荷区中电场增强，电子和空穴获得很大的能量，在运动中不断与晶体原子发生“碰撞”，当电子空穴能量足够大时，“碰撞”可使价电子激发，形成电子空穴对，称为“碰撞电离”。新产生的电子和空穴，在电场作用下也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子空穴对，这就是载流子的“倍增效应”。雪崩击穿的物理过程35碰撞电离倍增效应当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就象在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。36较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存在一个强电场，它能够直接破坏共价键，将束缚电子拉出来形成电子-空穴对，因而形成较大的反向电流。齐纳击穿一般发生在杂质浓度大的PN结中。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，即使反向电压不太高，在PN结内就可形成很强的电场，容易形成齐纳击穿。齐纳击穿的物理过程37一般整流二极管掺杂浓度不很高，它的电击穿多数是雪崩击穿。齐纳击穿多数出现在特殊的二极管中，如稳压二极管。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，所以使用时应尽量避免出现击穿现象。38

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，二是扩散电容CD

。1.2.4PN结的电容效应39

1、势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。40

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。2、扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。41当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。

势垒电容和扩散电容均是非线性电容。由于CB、CD都并接在PN结上，故CJPN结正偏时,CD

＞＞

CB

，CJ

≈CD；PN结反偏时,CB

＞＞

CD

，CJ

≈CB（10~102pF）。421.3

半导体二极管二极管的结构二极管的特性二极管的主要参数二极管的温度特性二极管的型号二极管的模型及应用其他类型的二极管43在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。1、点接触型二极管一、半导体二极管的结构类型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频路。443、平面型二极管2、面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阳极阴极45

IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，VT=kT/q

称为温度的电压当量，在室温下，VT=26mV。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示：二、半导体二极管的伏安特性曲线(1)二极管元件的伏安特性曲线逐点测量(2)二极管元件的伏安特性公式表示46

锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性硅二极管2CP10的V-I特性反向击穿特性反向特性正向特性硅管的正向压降0.5-0.7伏，锗管的正向压降0.2-0.3伏硅管的反向电流极小，锗管的反向电流较大

硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。47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。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。当在4～7V之间两种击穿都有。48

(1)最大整流电流IF：

二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR：

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VBR。

最大反向工作电压VRM：

为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。三、半导体二极管的参数49

(3)反向电流IR

(4)正向压降VF(5)动态电阻rd室温下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。

IR（硅管）为纳安(nA)级；IR（锗管）为微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅管的VF约0.6～0.7V；锗管约0.2～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即

rd=VF/IF50温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。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VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图01.13所示二极管的伏安特性曲线上看出。四、半导体二极管的温度特性51温度对二极管伏安特性曲线的影响52国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：五、半导体二极管的型号53半导体二极管图片54半导体二极管图片55半导体二极管图片56六、二极管的电路模型及应用（一）二极管的电路模型二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。1、理想模型oiDvD+−iDvD当电源电压远大于二极管的压降时可采用理想模型。即正向偏置时，vD=0，短路；反向偏置时，iD=0，开路。57oiDvDoiDvD2、恒压降模型+−iDvD当二极管的电流iD≥1mA时，可采用恒压降模型。即二极管导通后，管压降是恒定的，典型值为0.7V。3、小信号模型IDQiDvDVDiD+−vDrd58（二）二极管应用举例在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1、整流电路当vs>0，D导通，vo=vs；当vs<0，D截止，vo=0。单向整流电路592、限幅电路二极管D1、D2用恒压源模型，VON=0.7V。当vS>VON时，D1导通，D2截止，vo=0.7V；当vS<−VON时，D2导通，D1截止，vo=−0.7V；当|vS|<VON时，D1、D2均截止，vo=vs。输出电压被限幅在0.7V，称双向限幅电路。603、钳位电路D1的作用是使顶部电压钳位于Vmax=6V；D2的作用是使底部电压钳位于Vmin=−6V。61七、其他类型的二极管稳压二极管变容二极管发光二极管光电二极管62

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。1.稳压二极管(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路63从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。

(1)稳定电压VZ—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)动态电阻rZ

——

与一般二极管的动态电阻相同，rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

rZ=VZ/IZ64

(3)最大耗散功率

PZM—

稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以决定IZmax。

(4)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取决于最大耗散功率，即PZmax

=VZIZmax

。而Izmin对应VZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。65(5)稳定电压温度系数——VZ

温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ＞7V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ＜4V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4V＜VZ＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。66电阻的作用:起限流作用，以保护稳压管；

当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。672.变容二极管C/pF0510152025502010521U/Vak（a）变容二极管的符号（b）结电容与电压的关系变容二极管在高频技术中应用较多。683.光电二极管akakipvp+（a）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。694.发光二极管ak当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号70例1.1如何用模拟万用表的“”档来辨别一只二极管的正、负两极？

模拟型万用表的黑表笔接表内直流电源的正端，而红表笔接负端。711、万用表测电阻时，其内部等效电路为G+–RnV低阻档的Rn小，高阻档Rn大，因而测同一电阻时，选用低阻档，流过被测电阻的电流大。2、二极管具有近似的指数型正向特性，二极管的直流电阻和动态电阻均随iD的增大而减小。用模拟万用表R10和R100档来测同一二极管的正向电阻时，为什么测得的电阻值会不相同？用高阻档测得的值为什么比低阻档测得的大？解：72AOAO例1.2设图示电路中各二极管性能理想，导通时的正向电压降为零、反向截止时的反向电流为零；R=5.1k，试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、O两点间的电压VAO值。73分析：1）由于二极管的特性为非线性，通常用比较二极管2个电极的电位高低来确定其工作状态。2）只含一个二极管时，先将其断开，求断开处的电压，然后来确定其工作状态。3）含二个二极管时，先设一个为截止，按2）判断另一个；然后求被设为截止的二极管两端电压，若大于零，则说明所设错误。74例1.3电路中有三只性能相同的二极管D1、D2、D3和三只220V、40W的灯泡L1、L2、L3互相连后，接入220V的交流电压v。试分析哪只（或哪些）灯泡最亮？哪只（或哪些）二极管承受的反向电压峰值最大？75当电源电压正半周即v>0，D2导通，D1、D3截止，电路等效为：D1、D3各承受v/2的反向电压，峰值为vD1、vD3的波形：76vD2的波形故灯泡L2最亮。当电源电压副负半周即v<0，D1、D3导通；D2截止，等效电路为：D2承受v的反向电压，峰值为77例1.4RDZRLIOIZIUOUI++−−一硅稳压电路如图所示。其中未经稳压的直流输入电压UI=18V，R=1kΩ，RL=2kΩ，硅稳压管DZ的稳定电压UZ=10V，动态电阻及未被击穿时的反向电流均可忽略。（a）试求UO、IO、I和IZ的值；（b）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。78RDZRLIOIZIUOUI++−−（a）试求UO、IO、I和IZ的值DZ被反向击穿，使输出电压稳定，故解：79（b）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。解：若DZ不能被击穿，电路不能稳定。代入UI、R及UZ可求得电路不再稳压时的RL，即分析：稳压管稳压时，管子必须反向击穿，条件是管子两端所接结点，在管子断开时的电压应大于其稳定电压。RDZRLIOIZIUOUI++−−801.4双极型晶体三极管（BJT）半导体三极管的结构

半导体三极管的工作原理

半导体三极管的特性曲线

半导体三极管的主要参数

半导体三极管的型号811.4.1半导体三极管的结构半导体三极管也称双极型晶体管，简称晶体管或三极管。是由2个PN结构成的。按结构可分为：NPN型和PNP型。结构示意图如下：集电极，用C或c表示（Collector）集电区，掺杂浓度低基极，用B或b表示（Base）基区，薄发射极，用E或e表示（Emitter）发射区，掺杂浓度高发射结(Je)集电结(Jc)，面积比发射结大82双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。831.4.2三极管的工作原理

一、共基极接法时BJT内部载流子的传输过程1、发射区向基区注入电子2、电子在基区的扩散与复合3、集电区收集电子4、电流分配关系二、共发射极接法时BJT的电流控制关系84一、共基极接法时BJT内部载流子的传输过程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，共射极共基极共集电极85

要使三极管有放大作用，必须：发射结加正向电压，集电结加反向电压。1、发射区向基区注入电子发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成电流IEN。BJT的工作原理共基接法863、集电区收集电子因基区很薄，基区的电子在集电结反偏电压的作用下，很快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，形成集电极电流ICN。2、电子在基区的扩散与复合基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小（发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度），形成的电流为IEP。进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。在基区被复合的电子形成的电流是IBN。87另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。这部分电流决定于少数载流子浓度，称反向饱和电流。

ICBO的数值很小对三极管的放大没有贡献，而且受温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要尽量设法减少ICBO。884、电流分配关系发射区注入基区的电子，一部分与空穴复合，绝大部分扩散并被集电区收集。管子制成后，复合所占的比例α为定值，大小为0.99~0.995。α—共基电流传输系数，定义为：联立上式，可得：IE的改变控制IC的变化，故BJT为电流控制器件895.三极管的放大作用△Ui=20mv△IE＝lmA

IC=αIE

当α=0.98时，ΔIC＝0．98mAΔUO＝ΔICRL＝0．98mA×lKΩ＝0.98V90三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电区而实现的 91为了保证这一个传输过程，一方面要满足内部条件：要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件：发射结要正向偏置、集电结要反向偏置。92二、共发射极接法时BJT的电流控制关系为保证BJT发射结正偏，集电结反偏，有UCE>UBE>0。BJT内部载流子运动规律同共基接法。IE=IC+IB可得：定义—共发射极电流放大系数，其值一般为几十至几百。93定义基极开路（IB=0）时的集电极电流，称C-E间的反向饱和电流或穿透电流。较小可忽略IB的改变控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制作用。94设α＝0.98，当ΔUi

变化20mV时，能引起基极电流的变化ΔIB=20μA，=49ΔIC＝ΔIB=49×20A=0.98mAΔUC=-ΔICRL=-0.98×1KΩ=-0.98V95从三极管的输入电流控制输出电流这一点看来，这两种电路的基本区别是：共射极电路以基极电流IB作为输入控制电流961.4.3半导体三极管的特性曲线

输入特性：以vCE为参变量，输入电压vBE和输入电流iB之间的关系++−−iBiCvBEvCE以NPN管为例，讨论三极管接成共发射极组态时的输入、输出特性。输出特性：以iB为参变量，输出电压vCE和输出电流iC之间的关系97mAAVVUCEUBERBIBECEB98当vCE≥1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，iC/iB

增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显就，基本重合。实际使用时一般有vCE≥1V。一、输入特性vCE=0时，三极管相当于两个二极管并联，iB

和vBE之间的关系与二极管相似。++−−iBiCvBEvCE死区非线性区线性区99

二、输出特性曲线现取其中一条（IB=40μA）给予说明。当0<vCE<1V时，集电结的反向电压很小，收集电子的能力很弱，iC受vCE的影响很大，iC随vCE的增加而增加。当vCE

>1V，特性曲线比较平坦。因为此时集电结的电场已足够强，扩散到基区的电子大都能到达集电区，故再增加vCE，iC就增加不多。改变iB的值，可得一组输出特性。输出特性曲线100iC受vCE显著控制，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小iC平行于vCE轴的区域，此时，发射结正偏，集电结反偏，

vCE

>0.7

V左右(硅管)。iB=0的曲线下方。此时，发射结反偏或零偏，集电结反偏。1011.4.4半导体三极管的参数一、电流放大系数1、直流电流放大系数共基极：共发射极：2、交流电流放大系数在三极管输出特性曲线间距基本相等并忽略ICBO、ICEO时，两者数值近似相等。因此在应用中，都用α和β代表。102二、极间反向电流1、集电极-基极间反向饱和电流ICBO当发射极开路时，集电极和基极间的反向饱和电流。μA+−ICBOVCC其大小取决于温度和少数载流子的浓度。小功率锗管的ICBO约为10μA，硅管的ICBO则小于1μA。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。测量电路1032、集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO

基极开路，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。μAICEOVCCICEO=（1+β）ICBO。小功率锗管的ICEO约为几十至几百μA，硅管的ICEO约为几μA。ICEO大的管子性能不稳定，通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。104三、极限参数ICM指三极管集电极允许的最大电流。IC超过ICM

时，明显下降。但IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。1、集电极最大允许电流ICM1052、集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。

PCM=iCvCE输出特性上的允许功率损耗线锗管允许结温为硅管允许结温为对大功率管为了提高PCM，通常采用加散热装置的方法。106

3、反向击穿电压反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。107几个击穿电压在大小上有如下关系：V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO发生电压击穿后，管子就不能正常工作。但若击穿时间短，并且不超过PCM，则击穿过程还是可逆的。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。108四、温度对参数和特性的影响1.温度对ICBO

和ICEO的影响温度升高，ICBO

和ICEO都增大

ICEO=（1+）ICBO2.温度对输入输出特性的影响109

1.4.5半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B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开关管表示材料表示器件的种类表示同种器件型号的序号表示同一型号中的不同规格三极管110双极型三极管的参数

参

数型

号

PCM

mW

ICM

mAVR

CBO

VVR

CEO

VVR

EBO

V

IC

BO

μA

f

T

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5A5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DKG23250W30A4003258注：*为f

111半导体三极管图片112半导体三极管图片113例1.5在放大电路中测得4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管），并确定e、b、c三个电极。（a）3V3.7V8V−3V2V2.3V（b）−5V−0.6V0V（c）−0.8V6V−1V（d）114分析：1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。2）硅管|VBE|=0.6~0.8V，锗管|VBE|=0.2~0.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。115（a）3V3.7V8V-3V2V2.3V（b）-5V-0.6V0V（c）-0.8V6V-1V（d）（a）NPN型硅管，-发射极，-基极，-集电极（b）PNP型锗管，-集电极，-基极，-发射极（c）PNP型硅管，-集电极，-基极，-发射极（d）NPN型锗管，-基极，-集电极，-发射极116例1.6测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和、倒置状态，哪些已损坏？硅管-3V0V-2.7V硅管0V0.7V-3.5V发射结、集电结均反偏，管子截止。发射结反偏、集电结正偏均，管子倒置。117硅管-2.8V-1.4V-3.5V锗管1.2V1.3V1.5V锗管1.8V3.7V1.5V发射结正偏、集电结反偏，管子放大。发射结、集电结均正偏，管子饱和。发射结正偏、集电结反偏，管子放大。118锗管-0.3V-3V0V锗管1.3V1.1V1V硅管2V12V-0.7V发射结正偏、集电结反偏，管子放大。发射结、集电结均正偏，管子饱和。VBE=2.7V，远大于发射结正偏时的电压，故管子已损坏。1191.5场效应晶体管

绝缘栅场效应管

结型场效应管

场效应管的主要参数

双极型和场效应三极管的比较120场效应管（FiedlEffectTransistor——FET）是利用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达1015Ω）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。按结构，场效应管可分两大类：绝缘栅型场效应管（IGFET）

结型场效应管（JFET）

1211.5.1绝缘栅场效应三极管

绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)。分为

增强型N沟道、P沟道

耗尽型N沟道、P沟道一、N沟道增强型MOSFET1.结构

它是在P型半导体上生成一层SiO2

薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D(Drain)，一个是源极S(Source)。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G(Gate)。P型半导体称为衬底，用符号B表示。122

当0＜VGS＜VT时，通过栅极和衬底间的电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。P中的少子将向表层聚集，但数量有限，不足以形成导电沟道，不可能形成漏极电流ID。2.工作原理

(1)栅源电压VGS的控制作用

当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。123

当VGS＞VT（开启电压)时，电场比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成电子沟道，将漏极和源极沟通。如果加漏源电压，将形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。

VGS增加，ID将增加。增强型MOS管：VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VT后才会出现漏极电流。124

转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm

的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下

gm=ID/VGS

VDS=const(单位mS)

ID=f(VGS)VDS=const

转移特性曲线管子在饱和区工作（vGS≥VT）时的转移特性曲线可用以下近似公式表示：式中IDO为vGS=2VT时的iD值。

VT2VT125

（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用

当VGS＞VT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS=VDG＋VGS

=－VGD＋VGS

VGD=VGS－VDS

当VDS为0或较小时，相当VGS＞VT，此时VDS

基本均匀降落在沟道中，沟道中存在电位梯度，G与沟道中的电位差由S到D逐步减小，沟道呈斜线分布。图(a)漏源电压VDS对沟道的影响126当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。VGD=VGS－VDS127当VDS增加到VGDVT时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。

当VGS＞VT，且固定为某一值时，

VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。128输出特性曲线——输出特性——转移特性129

二、N沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出导电沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。130

当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。131132

三、P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。1331.5.2结型场效应三极管

1.结型场效应三极管的结构

JFET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。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。

134135

2.结型场效应三极管的工作原理

根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极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。

136

(1)栅源电压对沟道的控制作用当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS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VGS称为夹断电压VGS(off)或VP或UP。137图VGS对沟道的控制作用(a)uGS=0(b)UP<

uGS

<0(c)

uGS

<UP

138

(2)漏源电压对沟道的控制作用

当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。

在栅极加上电压，且VGS＞VP，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。139(a)uDG＜︳UP︳

(b)

uDG

=︳UP︳预夹断

(c)

uDG＞︳UP︳夹断VGD=VGS-VDS140

3结型场效应三极管的特性曲线

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。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。141(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线

图N沟道结型场效应三极管的特性曲线142

1.5.3场效应三极管的参数和型号

1场效应三极管的参数

(1)开启电压VGS(th)(或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

(2)夹断电压VGS(off)(或VP)

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS