现代电子线路01半导体性质-1

2023/12/15第二章No.1第二章：半导体器件的特性本章内容：§2.1半导体根本知识§2.2PN结及二极管§2.3双极型晶体管2023/12/15第二章No.2本章节重点难点一、PN结的单向导电性二、二极管的伏安特性曲线、特殊二极管及其应用一、晶体管的特性曲线与内部载流子运动机理的关系三、BJT三极管的电压电流关系、特性曲线、工作区域与外加电压的关系及小信号等效电路重点：难点：二、直流工作点和交流小信号概念的建立以及小信号等效电路中的参数意义2023/12/15第二章No.3§2.1半导体根本知识一、什么是半导体〔semiconductors〕根据物体导电能力〔电阻率〕的不同，可以将物体分为导体(conductor)、绝缘体(insulator)和半导体。硅、锗纯水硬玻璃橡胶云母石英绝缘体半导体导体半导体的电阻率介于10-3~106之间。电阻率定义？2023/12/15第二章No.4半导体的导电机制不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点：1、当受外界热和光的作用时，半导体的导电能力将发生显著变化；〔光敏电阻、热敏电阻〕常见的半导体有：硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物〔如GaN、GaAs〕、Ⅱ-Ⅵ族化合物〔如一些硫化物和氧化物〕等，目前，硅半导体制品约占整个半导体市场的95%。2、在纯洁的半导体中掺入微量的某些杂质，其导电能力会有显著的增加。硅、锗等各种半导体材料用来制造集成电路各种有哪些优缺点？2023/12/15第二章No.5二、共价键〔covalentbond〕结构以最常见的半导体硅和锗为例，它们的最外层电子〔即价电子，valenceelectron〕都是四个。锗原子GeSi硅原子价电子1、本征半导体〔intrinsicsemiconductor〕2023/12/15第二章No.6通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。+4+4+4+4在硅和锗的本征半导体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。共价键共用电子对形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键内的两个电子称为束缚电子〔bondedelectron〕。完全纯洁的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。2023/12/15SchoolofHefeiUniversityofTechnology第二章No.7共价键有很强的结合力，使原子规那么排列，形成晶体。xyz硅、锗的晶体结构共价键正四面体，键之间的夹角109°28′：每个原子处于四面体中心，而有四个其它原子位于四面体的顶点。空间利用率约34％，杂质粒子很容易在晶体内运动并存在于体内，且为替位杂质的扩散运动也提供了足够的条件。2023/12/15第二章No.8+4+4+4+4在绝对零度〔即T=0K〕和无外界激发〔光照、电磁辐射〕时，共价键中的价电子被束缚，在本征半导体内没有可以自由运动的带电粒子——载流子〔carrier〕，此时半导体相当于绝缘体。束缚电子自由电子空穴在室温〔300K〕下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子〔freeelectron〕，这种现象称为本征激发〔intrinsicexcitation〕。价电子成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称为空穴〔hole〕。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。在本征半导体内，自由电子与空穴总是成对出现的〔称为电子—空穴对〕。因此，在任何时刻，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。2023/12/15第二章No.9本征半导体的导电〔电子—空穴对导电〕半导体导电的特殊性：两种载流子参与导电。外电场E+4+4+4+4自由电子导电：形成电子电流空穴导电：形成空穴电流自由电子电流和空穴电流之和为半导体中的电流〔符号相反，电流方向相同〕。空穴〔可看作带正电的粒子〕的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。2023/12/15第二章No.10本征半导体载流子浓度：电子浓度空穴浓度式中，A为与材料有关的系数，T为绝对温度，k为波耳兹曼常数，EG为禁带宽度〔eV〕，表示热力学零度时挣脱共价键所需要的能量。T=300K时，本征硅的电子和空穴浓度为：本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低〔本征硅的原子浓度为5×1022/cm3〕，所以总的来说导电能力很差〔电阻率为104Ω·cm〕。本征载流子的浓度对温度十分敏感。而且随着温度的升高，根本上按指数规律增加。negativepositive2023/12/15第二章No.112、掺杂半导体〔dopedsemiconductor〕在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子〔电子，空穴〕浓度大大增加。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。N型半导体：掺入五价杂质元素〔如磷、锑〕，主要载流子为电子，也称作电子型半导体；P型半导体：掺入三价杂质元素〔如硼、铟〕，主要载流子为空穴，也称作空穴型半导体。2023/12/15第二章No.12N型半导体+4+4+5+4在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷〔或锑〕，取代晶体点阵中的某些半导体原子，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，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易被激发而形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子〔majoritycarrier〕，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子〔minoritycarrier〕,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子释放一个电子，因此被称为施主杂质〔donorimpurities〕。多余电子N型半导体表示法＋2023/12/15第二章No.13P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素硼〔或铟〕，取代晶体点阵中的某些半导体原子，硼原子的最外层只有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时会产生一个空穴，这个空穴很容易吸引周围的束缚电子来填充而在其它半导体原子处产生一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子,由热激发形成。得到束缚电子的三价杂质原子因接受一个电子，因此被称为受主杂质〔acceptorimpurities〕。空穴P型半导体表示法－+4+4+3+4填充2023/12/15第二章No.14－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体一般掺杂浓度为1014/cm3~1018/cm3，常温下这些粒子都会激发出载流子，即半导体中载流子浓度等于杂质粒子浓度〔远大于本征半导体载流子浓度1010/cm3〕，因此，掺杂可以大大增强半导体的导电能力。2023/12/15第二章No.15一、PN结〔PNjunction〕1、PN结的形成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，在N型半导体和P型半导体的结合面附近，由于多数载流子的相互扩散并且相互结合，会形成一个很薄〔nm～μm〕的由不能移动的带电离子组成的空间电荷区〔spacechargeregion〕，称之为PN结。在这个区域中没有载流子，所以又称之为耗尽层〔depletionlayer〕，电阻率非常高。§2.2

PN结及二极管2023/12/15第二章No.16扩散运动－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体〔由载流子浓度差引起〕PN结处的载流子运动2023/12/15第二章No.17扩散运动－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体内电场E漂移运动〔由内电场引起〕PN结处的载流子运动空间电荷区扩散运动的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，内电场越大。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。2023/12/15第二章No.18扩散运动（diffusion）－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体内电场E漂移运动（drift）PN结处的载流子运动空间电荷区扩散和漂移这一对相反的运动最终将到达动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，即空间电荷区的厚度固定不变。2023/12/15第二章No.192、PN结的单向导电性〔unilateralconductivity〕当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压〔forwardbias〕，简称正偏；反之称为加反向电压〔reversebias〕，简称反偏。－－－－－－－－－－－－++++++++++++ERN区P区内电场外电场(1)PN结正向偏置正向电流PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，抵消内电场的作用，使得PN结变薄。此时，扩散运动将大于漂移运动，从而产生扩散电流。扩散电流由多数载流子形成，所以电流较大。+-2023/12/15第二章No.20－－－－－－－－－－－－++++++++++++ERN区P区内电场外电场(2)PN结反向偏置PN结反偏时，外加电场与内电场方向相同，使得PN结变厚。此时，扩散运动将趋于停止，PN结内存在少量漂移运动，从而产生漂移电流。漂移电流由少数载流子形成，所以电流很小。反向电流PN结的单向导电性：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。2023/12/15第二章No.21(3)PN结的伏安特性〔V-Acharacteristics〕ui0(V)(mA)0.510.51-0.5-1PN结的伏安特性：式中Is为反向饱和电流，UT为温度的电压当量，即k为波耳兹曼常数，q为电子电量反向饱和电流Is：反向电流是由少数载流子形成的，而少数载流子数量很少，即使全部参与导电，也只能产生一个微弱的电流〔μA量级〕，即反向饱和电流。〔voltage-equivalentoftemperature〕〔reversesaturationcurrent〕2023/12/15第二章No.223、PN结的反向击穿〔reversebreakdown〕当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，这种现象称为PN结的反向击穿。此时的电压称为反向击穿电压UBR。ui0(V)(mA)-UBR热击穿：不可逆过程，即过热烧毁；电击穿：可逆过程，能加以利用〔如稳压管〕。雪崩击穿：多发生于掺杂浓度低，PN结厚的情形，所需反向击穿电压较大，电子在运动时能获得较大动能，当与原子发生碰撞时能激发出电子空穴对，从而到达倍增效应；齐纳击穿：多发生于掺杂浓度高，PN结薄的情形，PN结处的强电场能破坏共价键而把电子别离出来形成大量的电子空穴对。〔avalanchebreakdown〕〔Zenerbreakdown〕2023/12/15第二章No.234、PN结的电容效应(1)势垒电容CBPN结反偏时，当外加电压变化时耗尽层中的空间电荷数发生变化，从而形成电容效应，称为势垒电容。PN结厚度相应改变，即在势垒电容类似于平行板电容器。结面积PN结宽度势垒电容与外加电压，反向偏置的PN结常被当作压控可变电容器使用。－－－－－－－－－－－－++++++++++++ERN区P区〔capacitanceeffect〕〔barriercapacitance〕2023/12/15第二章No.24－－－－－－－－－－－－++++++++++++ERN区P区xnNpnPn(2)扩散电容CD电流PN结正偏时，随着多子的扩散运动，在另一区将形成浓度梯度，相当于电荷的积累。当外加电压变化时，浓度梯度将发生变化，即积累的电荷量发生变化，从而形成电容效应，称为扩散电容。PN结电容为两者之和，即一般的，CJ为pf量级。〔diffusioncapacitance〕PN结电容特性总结PN结结电容CjCj

=CD+CB

当PN结正偏时当PN结反偏时2023/12/15第二章No.261、结构工艺在PN结上加上引线和封装，就成为一个晶体二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管正极引线负极引线外壳N型锗片金属触丝含镓的金属触丝压在锗晶体上，在正方向通过很大的瞬间电流，使触丝与半导体熔接在一起，形成PN结。点接触型二极管示意图特点：PN结面积小，结电容小。适用于检波和变频等高频电路。二、晶体二极管〔semiconductordiode〕2023/12/15第二章No.27面接触型二极管示意图平面型二极管示意图正极引线负极引线铝合金小球P型硅N型硅金锑合金底座正极引线负极引线PNP型支持衬底(2)面接触型二极管(3)平面型二极管用合金法〔铝合金球压在N型硅片上，加热使熔合、渗透，形成合金〕或扩散法形成PN结。特点：PN结面积大，结电容大，允许较大电流通过。适用于整流等工频电路。使用集成电路制造工艺生产，根本取代面接触型二极管。特点：PN结面积可大可小。适用范围广。(4)二极管符号D正极负极(anode)(cathode)划分方法及种类解说

按功能划分普通二极管常见的二极管整流二极管专门用于整流的二极管发光二极管专用于指示信号的二极管,能发出可见光稳压二极管专门用于稳压的二极管光敏二极管对光有敏感作用的二极管按照材料划分硅二极管硅材料二极管,常用的二极管锗二极管锗材料二极管按外部封装材料划分塑封二极管大量使用的二极管使用这种封装材料金属封装二极管大功率整流二极管采用这种封装材料玻璃封装二极管检波二极管采用这种封装材料常见的半导体二极管常见二极管外形普通二极管检波二极管桥整二极管开关二极管快速整流二极管发光二极管金封二极管金封可控硅稳压二极管常见二极管外形

二极管电路符号它的电路符号与普通二极管电路符号不同之处在于负极表示方式不同。稳压二极管符号在普通二极管符号的根底上，用箭头形象的表示了这种二极管能够发光。发光二极管符号比较新旧两种符号的不同之处是，三角形老符号要涂黑，新符号不涂黑.旧电路符号电路符号中表示出两根引脚，通过三角形表示正极、负极引脚.新电路符号解说名称电路符号

半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。假设以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如以下图所示〔图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性〕。下面对二极管伏安特性曲线加以说明。

2、伏安特性

图

二极管伏安特性曲线

〔1〕正向特性

二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小〔几乎为零〕,这一局部称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图1.6中OA(OA′)段。当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图1.11中AB(A′B′)段。二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否那么将烧坏PN结。

〔2〕反向特性二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图中OC〔OC′〕段。

〔3〕反向击穿特性二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图中CD(C′D′)段。〔4〕温度对特性的影由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。

二极管导通和截止工作状态电压极性及状态工作状态正向偏置电压足够大二极管正向导通，两引脚间电阻很小.正向偏置电压不够大二极管不足以正向导通，两引脚间内阻还比较大.反向偏置电压不太大二极管反向截止，两个引脚之间的内阻很大.反向偏置电压很大二极管反向击穿，两引脚之间内阻很小，二极管无单向导电性，二极管损坏.+-+-2023/12/15第二章No.383.二极管的主要参数二极管的伏安特性曲线：RUsDuDiDIs——反向饱和电流二极管的直流参数：⑴、最大整流电流IF〔maximumDC(directcurrent)forwardcurrent〕指二极管允许通过的最大正向平均电流。⑵、反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM为保证二极管平安工作，一般情况，取URM=UBR/2〔maximumpeakreversevoltage〕uDiD0(mA)-UBRISUon导通区截止区击穿区死区2023/12/15第二章No.39⑶、反向电流IR〔reversecurrent〕IR越小，说明二极管的单向导电性越好。当温度上升时，IR将会剧增。⑷、导通电压UD〔forwardvoltage〕指二极管导通后的管压降。⑸、开启电压Uon〔cut-involtage〕⑹、最高工作频率fMUD=0.7V硅管0.2V锗管Uon=0.5V硅管0.1V锗管二极管正常工作的上限截止频率。二极管正向电流开始迅速增大时的管压降。

选用二极管的一般原那么是：

〔1〕要求导通后正向压降小时应选择锗管；要求反向电流小时应选硅管。〔2〕要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时选点接触型。〔3〕要求反向击穿电压高时选硅管。〔4〕要求耐高温时选硅管。2023/12/15第二章No.414、分析方法〔1〕-图解分析法如图，求iD、uD。RUsDuDiD线性区非线性区线性方程非线性方程uDiD0(V)(mA)PUsUPIP在二极管伏安平面上画出相应的曲线，两曲线交于P点，那么P点对应的电压电流即为所求。即iD＝IPuD＝UP2023/12/15第二章No.424、分析方法〔2〕-等效电路分析法uDiD0uDiD0理想模型恒压降模型⑴、静态等效电路①、理想模型〔开关模型〕(idealmodel)将二极管当作开关处理：当uD≥0，二极管相当于短路；而uD＜0，二极管相当于断路。②、恒压降模型(constantvoltagedropmodel)UD等效aba'b'UD当uD≥UD时，用二极管导通电压UD来等效；当uD＜UD时，二极管相当于断路。UD=0.7V硅管0.2V锗管即：(DCequivalentcircuits)2023/12/15第二章No.43⑵、动态等效电路用折线来近似二极管的特性曲线，当二极管电压超过开启电压后，用斜线来代替特性曲线，斜线的斜率为工作范围内电流、电压的比值，其倒数为等效的电阻rD，此时的管压降用开启电压Uon等效。(AC(alternatingcurrent)

equivalentcircuits)uDiD0Uon等效aba'即：UonrDb'折线模型①、折线模型(piecewisemodel)2023/12/15第二章No.44②、微变等效电路(smallsignalmodel)uDiD0各模型适用范围：Ui>>UD时，使用理想模型；考虑二极管影响时，使用恒压降模型〔常用〕或折线模型；当外加信号幅度动态范围较小时，使用微变等效电路。只考虑二极管两端的电压在某一固定值附近作微小变化时引起的电流变化，可用曲线在该固定值处的切线来近似表示这一小段曲线，而将二极管等效成一个微变等效电阻rd。即：等效aba'rdb'微变等效电路5.特殊二极管及其应用

稳压二极管变容二极管开关二极管发光二极管激光二极管1.稳压管一、硅稳压管及其伏安特性符号工作条件：

反向击穿后具有稳压特性ak特性IUOUZIZminIZM

UZ

IZIZ+––+特点：*正向特性与普通二极相同*反向击穿特性较陡*反向击穿电压几~几十V，在允许范围内为电击穿二、主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ=

UZ/

IZ

越小稳压效果越好。几

几十

IUOUZIZminIZM

UZ

IZIZ5.稳定电压温度系数CT一般，UZ<4V，CTV<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CTV>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CTV很小。表

几种硅半导体稳压二极管的主要参数

参数型号UZ

/VIZ/mAIZM

/

mArZ/

CTV/(%/°C)PZM/W2CW552CW712DW7A*6.2~7.535~405.8~6.6103103363015100250.060.100.050.250.250.25具有温度补偿的2DW系列123正温度系数负温度系数2DW123对应正极三、使用稳压管本卷须知必须工作在反向偏置(利用正向特性稳压除外)。工作电流应在IZ和IZM之间。串联使用时，稳压值等于各管稳压值之和。不能并联使用，以免因不同管子稳压值的差异造成电流分配不均匀，引起管子过载损坏。2.发光二极管(LED)

1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1

2.5)V2.主要参数电学参数：IFM

，U(BR)

，IR光学参数：峰值波长

P，亮度

L，光通量

发光类型：可见光：红、黄、绿不可见光：红外光符号u/Vi

/mAO1.2特性材料：砷化镓，磷化镓等3.显示类型普通LED七段LED点阵LED4.特点体积小、发光均匀稳定、亮度较高、响应快、寿命长工作电压UF低(约2V)，工作电流小IF(可取10mA)5.应用显示、光电传输系统、与光电管构成光电耦合器件发射电路接收电路光缆3.开关二极管的电路当控制电压为“0〞时，VD1不导通，相当于开路，对L1、C1和L2、C2电路没有影响；当控制电压为“1〞时，控制电压使开关二极管VD1导通，相当于通路，使电路中A点的交流信号通过VD1和C3接地，L2和C2对电路不起作用。从上述分析可知，电路中的二极管相当于一只开关，控制电路中的A点是否接地。C1L1L2C2VD1VD1C3VCCAR“1”使VD1导通“0”使VD1截止电路中的VD1是开关二极管，矩形脉冲控制电压通过R加到VD1正极。4.变容二极管的电子调谐电路正极性的直流电压通过可变电阻R1加到VD1的负极，当这一直流电流大小发生改变时，给VD1加的反向偏置电压的大小发生改变时，其结电容的大小也发生改变。使LC并联谐振电路的振荡频率也发生改变。电容C1与变容二极管VD1结的电容串联，然后与L1并联构成LC并联谐振回路。L1VD1R1C1VCCR2利用势垒电容随外加电压变换的特性可以制成电容量随外加电压变化的变容二极管。5.激光二极管1.物理结构在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经抛光后具有局部反射功能，形成一光谐振腔，在正向偏置条件下，LED结发出光并与光谐振腔相互作用，进一步鼓励从PN结发射的单波长红外光。N型P型光活性半导体抛光面激光2.应用远距离光纤通信的光源、计算机光驱、激光打印机打印头等。思考题1.在图示稳压电路中，输出电压稳定的条件是什么？2.在图示稳压电路中限流电阻的大小对电路性能有何影响？DZIZRLUOUIRIIO+_+_

半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管二是场效应半导体三极管

双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种CCCS器件。

场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。§2.3晶体管〔BJT：bipolarjunctiontransistor〕2023/12/15第二章No.58一、结构特点双极型晶体管又称晶体三极管(semiconductortriode)或晶体管(transistor)，可以近似看作两个二极管背靠背组合而成，它包含两个PN结。发射极(Emitter)用E或e表示基极(Base)用B或b表示集电极(Collector)用C或c表示发射结(Je)集电结(Jc)发射区：掺杂浓度高基区：掺杂浓度低，很薄(μm量级)集电区：中度掺杂，面积较大ebcNPN型硅衬底三区{三极{两个结{发射区基区集电区发射极基极集电极发射结集电结想一想：三极管的集电极和发射极能互换吗？三极管的核心是两个互相联系的PN结。按组合方式不同，分为PNP和NPN两类分类按管芯半导体材料：硅管锗管按内部结构：NPNPNP按工作频率：工作频率大于3MHz高频管工作频率低于3MHz低频管按功率：大功率管〔大于1W〕、小功率管〔小于1W〕按用途：普通放大三极管、开关三极管2023/12/15第二章No.62二、工作原理要使三极管正常工作〔放大〕，外加电压必须满足一定的条件：发射结正偏，集电结反偏。1、载流子的运动NNPecbUe（<1V）Uc（几伏～几十伏）①、e区向b区发射电子：由于发射结正偏，利于扩散运动，形成扩散电流IEN、IEP，而e区掺杂浓度高，故有IEN>>IEP，两者之和形成发射极电流IE。IEP往往被忽略不计。IEIENIEP注：图中箭头所指为载流子的运动方向，而不是电流方向，电子的运动方向与电流方向相反。2023/12/15第二章No.63②、电子在b区的扩散与复合：e区注入到b区的电子，因浓度差而继续向c区扩散，在扩散的过程中有局部电子与b区中的空穴复合，形成电流IBN，由于空穴由基极补充，故IBN是IB的一局部。NNPecbUe（<1V）Uc（几伏～几十伏）IEIENIEPIBNIB2023/12/15第二章No.64③、电子被集电极收集：由于集电结反偏，且所加反偏电压较大，扩散到集电结边沿的电子在电场的作用下很容易漂移过集电结，到达c区，形成电流ICN，构成集电极电流IC的一局部。④、集电结的反向电流：集电结反偏，那么在基极与集电极间有反向饱和电流ICBO〔collector-basecut-offcurrent〕。NNPecbUe（<1V）Uc（几伏～几十伏）IEIENIEPIBNIBICNICBO2023/12/15第二章No.652、电流分配关系定义：——共基直流电流放大系数当IC>>ICBO时，那么一般为0.9~0.99静态〔直流〕(commonbasedirectcurrentamplificationfactor)2023/12/15第二章No.66整理上式，将IE消去，可得：令——共射直流电流放大系数那么：当基极开路，即IB=0时，穿透电流动态〔交流〕：ICBO为本征热激发引起，只与温度有关，与结电压变化无关，当温度一定时是一个常数。(commonemitterdirectcurrentamplificationfactor)2023/12/15第二章No.67定义：——共基电流放大系数——共射电流放大系数那么：α≈1β≈10~100三极管的联接法becbececb共发射极接法〔CEconfiguration〕共基极接法〔CBconfiguration〕共集电极接法〔CCconfiguration〕电压放大倍数大，用于电压放大电路频带宽，功率放大，用于高频放大和宽带放大器，电流缓冲器使用。电压放大倍数≤1，输入电阻大，输出电阻小，用于多级放大器中输入级、输出级及中间隔离级(commonbasealternatingcurrentamplificationfactor)

这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。

iB是基极输入电流，vBE是基极输入电压，加在B、E两电极之间。

iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。

输入特性曲线——iB=f(vBE)

vCE=const

输出特性曲线——

iC=f(vCE)

iB=const共发射极接法三极管的特性曲线，即三、三极管特性曲线(characteristiccurve)共发射极接法的供电电路和电压——电流关系如下图。2023/12/15第二章No.701、输入特性曲线以集电极电压UCE为参变量，输入回路中基极电压UBE与基极电流IB的关系曲线，称为输入特性曲线。即：UBEIB0(V)(μA)0.20.840120800.40.6UCE＝0VUCE≥1VUCE＝0V，相当于两个二极管正向并联的伏安特性；UCE＝0→1V，曲线向右移动明显。在UCE＝UBE〔约0.7V〕以前，集电结处于正偏状态，收集电子的能力弱，随着UCE增大，集电结逐渐过渡到反向偏置，收集电子的能力逐渐增强，使e区的电子更多地漂移到c区，使得IB明显减小，曲线向右移动。当UCE≥1V时，e区注入的电子绝大多数被c区收集，故UCE再增加，IB也不再明显减小，所以UCE≥1V以后的输入特性曲线根本重合。2023/12/15第二章No.71Jc反偏，使e区注入到b区的电子绝大局部漂移到c区。此时IC大小不随UCE明显变化，其大小受IB控制，满足的关系。2、输出特性曲线UCEIC0(V)(mA)28134462放大区饱和区截止区放大区：Je正偏，Jc反偏。当IB等量变化时，输出特性曲线根本是平行等距的。随着UCE的增加，IC稍有增大，使曲线略为上翘，这是由于基调效应〔基区宽度调制效应，base-widthmodulatingeffect〕引起的。(activeregion)2023/12/15第二章No.72UCEIC0(V)(mA)28134462放大区饱和区截止区饱和区：Je正偏，Jc正偏。UCE较小，UCE<UBE，Jc正偏，收集电子的能力很弱，即使增加IB，IC也增加很少，晶体管处于饱和状态，

的关系不再成立。随着UCE的增大，集电结收集电子的能力逐渐增大，IC变化明显，曲线迅速上升。临界饱和线UCB＝0V〔即UCE＝UBE〕的曲线称为临界饱和线。饱和时的电压UCE称为饱和压降，记做UCES，对于小功率硅管，UCES≈0.3V。(saturationregion)(collector-emittersaturationvoltage)2023/12/15第二章No.73UCEIC0(V)(mA)28134462放大区饱和区截止区临界饱和线截止区：Je反偏，Jc反偏。通常将IB＝0的输出特性曲线以下的区域称为截止区，此时IE＝IC＝ICEO，晶体管失去放大作用。严格的讲，应把IE＝0，IB＝－ICBO的曲线下方区域称为截止区。(cutoffregion)2023/12/15第二章No.74输出特性曲线三个区域的特点：放大区：Je正偏，Jc反偏。

，

。饱和区：Je正偏，Jc正偏。UCE<UBE，，UCES≈0.3V。截止区：Je反偏，Jc反偏。IB=0，IE＝IC＝ICEO。击穿区：随着VCE增大，集电结的反偏电压VCB增大，当VCE增大到一定值时，造成IC急剧增大，集电结发生击穿2023/12/15第二章No.75四、三极管的主要参数1、电流放大系数共基极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数共射极电流放大系数共基极电流放大系数一般在工作电流不太大的情况下，可认为，故可以混用。β的取值：如果太小，放大作用太差；而β太大，晶体管的性能会不稳定，所以一般β＝30~120为宜。2023/12/15第二章No.762、极间反向电流ICBO——集电极－基极反向饱和电流。ICEO——穿透电流。ICBO标志晶体管的质量，要求越小越好。对于硅管，ICBO<1μA，ICEO～几μA；对于锗管，ICBO～10μA，ICEO～几十～几百μA。由于ICEO较大，测量容易，通常测量ICEO作为判断晶体管质量的重要依据。发射极开路，集电极、基极间加反向电压时的反向饱和电流。基极开路，集电极、发射极间加反向电压时的反向电流。2023/12/15第二章No.773、特征频率由于PN结结电容的影响，当信号频率增加到一定大小后，α、β都将随频率升高而下降。当β的值下降到等于1时所对应的频率称为特征频率fT。此时晶体管已失去放大能力，故又称之为极限频率。(characteristicfrequency)4、极限参数⑴、集电极最大允许电流ICMIC增大到一定程度时，β将减小。定义β下降到正常值的2/3时所对应的IC为ICM。IC>ICM时，晶体管不一定损坏，但电路的放大倍数将明显下降。(maximumcollectorcurrent)⑵、集电极最大允许耗散功率PCM管耗功率使结温升高，使晶体管性能变差，集电极耗散功率超过PCM时，管子有可能烧毁。(maximumpowerdissipation)2023/12/15第二章No.78U(BR)EBO——c极开路，e、b间的反向击穿电压；⑶、反向击穿特性：U(BR)CBO——e极开路，c、b间的 反向击穿电压；U(BR)CEO——b极开路，c、e间的反向击穿电压；使用时，为保证晶体管平安工作，各值要控制在极限量的60%以内。U(BR)EBO<U(BR)CEO<U(BR)CBOUCEIC0(V)(mA)28134462ICMPCM＝ICM

UCEU(BR)CEO安全工作区过损耗区2023/12/15第二章No.79半导体器件型号由五局部组成。〔场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五局部〕五个局部意义如下：

第一局部：用数字表示半导体器件有效电极数目。2——二极管、3——三极管。第二局部：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。附录1：中国半导体分立器件命名方法表示二极管时：A——N型锗材料、B——P型锗材料、C——N型硅材料、D——P型硅材料。表示三极管时：A——PNP型锗材料、B——NPN型锗材料、C——PNP型硅材料、D——NPN型硅材料。2023/12/15第二章No.80第三局部：用汉语拼音字母表示半导体器件的功能。P——普通管、V——微波管、W——稳压管、C——参量管、Z——整流管、L——整流堆、S——隧道管、N——阻尼管、U——光电器件、K——开关管、X——低频小功率管(f<3MHz，Pc<1W)、G——高频小功率管〔f>3MHz，Pc<1W〕、D——低频大功率管〔f<3MHz，Pc>1W〕、A——高频大功率管〔f>3MHz，Pc>1W〕、T——半导体晶闸管〔可控整流器〕、Y——体效应器件、B——雪崩管、J——阶跃恢复管、CS——场效应管、BT——半导体特殊器件、FH——复合管、PIN——PIN型管、JG——激光器件。第四局部：用数字表示序号。第五局部：用汉语拼音字母表示规格号。

例如：3DG6表示NPN型硅材料高频小功率三极管。2023/12/15第二章No.81附录2：集成电路芯片加工工艺简介以加工2μm设计规那么的硅栅等平面N沟道CMOS反相器电路为例。UDDUiUoTPTNP沟道N沟道1、初始材料P型硅单晶片，电阻率～30Ω·cm，相当于掺杂浓度～5×1014/cm3。2、形成N阱，光刻1⑴、初始氧化〔干氧－湿氧－干氧工艺〕：