第1章-常用半导体器件.ppt

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1、第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管,1.1 半导体基础知识,在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。,将很难导电、电阻率大于1010cm的物质，称为绝缘体。 例如：塑料、橡胶、陶瓷等材料;,将很容易导电、 电阻率小于10-4cm的物质，称为导体。 例如：铜、铝、银等金属材料;,将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3109cm范围内的物质，称为半导体。 常用的半导体材料：硅（Si)和锗(Ge)。,半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性：,热敏特性：纯净的半导体硅，

2、当温度从30升高到40时，电阻率减小一半； 而从30到100时，铜的电阻率减少不到一半。 掺杂特性：纯净硅在室温时的电阻率为 2.14105cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999，但它的电阻率却下降到 0.2cm，几乎减少到原来的百万分之一。,利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件，利用掺杂特性制成的PN结是各种半导体器件的主要组成部分。,1.1.1 本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。 1 本征半导体的晶体结构 常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子

3、结构如图1-1（a）和（b）所示。,图 1-1 硅和锗的原子结构模型 (a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型,硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。 硅和锗的单晶体即为本征半导体。,图 1-2 硅和锗晶体共价键结构示意图,2 本征半导体中的两种载流子 在绝对零度（T=-273或T=0 K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。,在室温下（T=27或T=300 K），本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，与此同时，在该共价键上

4、留下了空位，这个空位称为空穴。,由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对产生，称之为电子-空穴对。 通常将运载电荷的粒子称为载流子。 这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。,本征半导体导电依靠两种载流子-自由电子和空穴,可把空穴看成带正电的粒子，在外加电场作用下可以自由的在晶体中运动，也是一种载流子。 有些自由电子和空穴在运动中相遇，空穴又被自由电子填入，电子空穴成对消失，这种现象称为复合。,3 热平衡载流子的浓度 在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时，两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，

5、与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。 半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。 热平衡状态下的本征半导体：其载流子的浓度是一定的，并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。,式中：浓度单位为cm-3， K是常量（硅为3.881016 cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2）， T为热力学温度， k是玻尔兹曼常数（8.6310-5 eV/K）， Eg0是T = 0 K(即-273)时的禁带宽度(硅为1.21eV，锗为0.785eV)。,（1-1）,本征半导体的载流子浓度和温度、 材料有关。 尽管本征半导体在室温情况下具有一

6、定的导电能力，但是，载流子的数目远小于原子数目，因此本征半导体的导电能力是很低的。,1.1.2 杂质半导体,利用半导体的掺杂特性，人为的在本征半导体中掺入少量的其他元素，可以使本征半导体的导电性能发生显著的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。 根据掺入的杂质不同，杂质半导体可分为N(Negative)型半导体和P(Positive)型半导体。,1 N型半导体 在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。 自由电子：多数载流子(多子) 空 穴：少数载流子(少子) 施主原子：杂质原子,图 1-4 N型半导体结构示意图,2

7、P型半导体 在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。 在P型半导体中，由于掺入的是三价杂质元素， 使空穴浓度远大于自由电子浓度， 空 穴：多数载流子(多子) 自由电子：少数载流子(少子) 受主原子：杂质原子,图 1-5 P型半导体结构示意图,1.1.3 PN结 半导体器件的核心是PN结。 半导体二极管是：单个PN结； 半导体三极管具有：两个PN结； 场效应管的基本结构也是：PN结。,单纯的P型或N型半导体，仅仅是导电能力增强了，因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件。 若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则在

8、两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层PN结。 PN结是构成各种半导体器件的基础。,1、PN结的形成,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,1、PN结的形成,PN结形成过程

9、动画演示,当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时，由多子扩散运动所形成的扩散电流和少子的漂移运动所形成的漂移电流相等，且两者方向相反，此时，空间电荷区（又称耗尽层、阻挡层）宽度一定，PN结电流为零。 在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho, 如图1-6（c）所示。 处于室温时，锗的Uho0.20.3 V，硅的Uho0.50.7 V。,对称PN结: P型区和N型区的掺杂浓度相等时，正离子区与负离子区的宽度也相等;,不对称PN结:当两边掺杂浓度不等时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧;,P型区掺杂浓度大于N型区的称为P+N结； N型区掺杂浓度大于P型区的称为N+P结

10、。,2PN结的单向导电性 1） 正向特性,促进扩散， 阻止漂移， 形成正向电流，为两种 多子电流和。外接R 起限流作用,2）反向特性,阻止扩散， 促进漂移， 形成反向 电流，数值 很小，又称 反向饱和电流。,由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很低，因此反向电流数值很小。 在一定的温度下，当外加反向电压超过某个数值(约为零点几伏)后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大，故又称为反向饱和电流(Reverse Saturation Current)，用IS表示。,PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流， PN结呈导通状态； PN结反向偏置时，结电阻很大， 回路中的反

11、向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。 所以，PN结具有单向导电性。,3）伏安特性 根据理论分析，PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为：,(1-2),式中, IS 为反向饱和电流； UT 为温度电压当量，UT=kT/q，其中： k为玻尔兹曼常数（即为1.3810-23 J/K）， q为电子电荷（约为1.610-19C), T为PN结的绝对温度。 对于室温T=300K来说，UT26mV。若UUT，则可得下列近似式：,即I随U按指数规律变化；当PN结外加反向电压（U为负），且|U|UT时，eU/UT0，则I-IS。即反向电流与反向电压大小无关。 PN结的反向饱和电流IS一般很小

12、(硅PN结：毫微安量级，锗PN结：微安量级)，所以PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标。 I与U的关系曲线如图1-9所示。,3 PN结的击穿特性 如前所述，当PN结外加反向电压时，流过PN结的反向电流很小，但是当反向电压不断增大，超过某一电压值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿(Reverse Breakdown)。 反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压。,图 1-10 PN结的击穿特性,PN结产生反向击穿的原因有以下两种： 1）雪崩击穿：掺杂浓度较低的PN结中，连锁反应，造成载流子急剧增多， 使反向电流“滚雪球”般骤增。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺

13、杂浓度的降低而增大。 空间电荷区变宽内电场加强飘移运动加速动能加大共价键价电子碰撞 产生电子-空穴对电场加速碰撞其他中性原子产生新的电子空穴对。,2）齐纳击穿：PN结两边的掺杂浓度很高时，只要加上不大的反向电压（如4V以下），阻挡层就可能获得2106V/cm以上的电场强度，该场强足以直接破坏共价键，把价电子从共价键中拉出来，齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。,通常情况下，反向击穿电压在7V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，在47V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿，只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下(均指绝对值)时，其性能又可恢复到

14、击穿前的情况。,4 PN结的温度特性 由式（1-2）可知，PN结电流的大小与UT和IS有关，而UT和IS均为温度的函数，所以PN结的伏安特性与温度有关。 实验证明，在室温下，温度每升高1，在同一正向电流下，PN结正向压降减小22.5 mV；温度每升高10，反向饱和电流大约增加 1 倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。 此外, PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明， 雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。,5 PN结的电容特性 实践证明，PN结的单向导电性仅在直流或外加电压变化非常缓慢的情

15、况下才是正确的。当外加电压变化很快时， PN结的单向导电性就不完全成立， 其主要原因是PN结的电容效应。在PN结内部由于载流子运动所产生的电容效应主要有势垒电容和扩散电容。,1） 势垒电容Cb(Barrier Capacitance) 当PN结外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量变小； 当PN结外加反向电压时，空间电荷区变宽，电荷量增加。 随着外加电压U的变化，空间电荷区出现电荷的堆积和消散，与之相应的电荷量Q也随着发生变化，如同电容的充电和放电一样，称此为势垒电容Cb。,势垒电容的大小可用下式表示：,(1-4),势垒电容的大小： 与PN结的结面积S成正比， 与空间电荷区的宽度l成反比， 为

16、半导体材料的介电系数。 由于空间电荷区的宽度l随外加电压U的变化而变化，因此势垒电容是一种非线性电容。,2）扩散电容Cd(Diffusion Capacitance) PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。当PN结处于正向偏置时，P区的多子(空穴)扩散到N区，成为N区中的少子，N区中的多子(自由电子)扩散到P区，成为P区中的少子，这种不是靠热激发而存在的少子称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近空间电荷区边界的中性区非平衡少子浓度高，远离边界的中性区非平衡少子浓度低。当外加的正向电压增加时，扩散到中性区的非平衡少子浓度相应增大，相应的电荷量随之增大； 当外加正向电压减小时，非平衡少子浓度

17、降低，电荷量减小。这种随着外加正向电压的增大或减小而引起的非平衡少子电荷量变化的电容效应，称为扩散电容Cd。,PN结的结电容Cj (Junction Capacitance)为势垒电容Cb和扩散电容Cd之和，即,正偏时，Cb Cd ，Cj主要由Cb决定。,（1-5）,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和符号 将一个PN结用管壳封装起来，在两端加上电极引线就构成了二极管。,面结型: 整流管,点触型: 高频检波和小功率整流,平面型: 大功率整流管或开关管,按制作工艺型：,1.2.2 二极管的伏安特性 二极管的基本结构就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的特性。 但是，由于管

18、子存在电中性区的体电阻和引线电阻等，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流，大电流时更为明显； 当外加反向电压时，由于二极管表面漏电流的存在，使反向电流增大。 尽管如此，一般情况下仍用PN结的伏安特性方程式（1-2）来描述二极管的电压和电流关系。,1.2.3 二极管的主要参数 器件的参数是器件特性的定量描述，也是合理选择和安全运用器件的依据。 各种器件的参数可由手册查得。 常用的二极管主要参数有：,(1) 最大整流电流IF：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。,(4) 最高工作频率fM ：它是指二极管正常工作时的上限频率。 超过此值，由于二极管结电容的作用，二极

19、管的单向导电性将遭到破坏。,(2) 最大反向工作电压UR ：当二极管的反向电压超过最大反向工作电压UR时，管子可能会因反向击穿而损坏。 通常：UR为二极管反向击穿电压U(BR)的一半。,(3) 反向电流IR ：管子未击穿时的反向电流。 此值越小，二极管的单向导电性越好，随着温度的增加，反向电流会急剧增加，使用时要注意温度的影响。,1.2.4 二极管的等效模型 二极管是一种非线性器件，二极管电路的严格分析一般要采用非线性电路的分析方法。 这里主要介绍等效电路分析法。有的等效电路模型较简单，便于近似估算。为了便于分析，在一定的条件下，可用线性模型来代替二极管，模型称为二极管的等效模型（或等效电路）

20、。根据二极管的伏安特性，对应于不同的应用场合，可建立不同的等效模型。 所谓“等效”，是指在一定的条件下，在电路中如果两个电路具有相同的外部效果，即它们在相同的外部连接时，从外部看进去相应的电压，电流完全一样，则称这两个电路是等效的。,图 1-14 理想模型 (a) U-I特性； (b) 代表符号,1. 理想模型,图 1-15 恒压降模型 (a) U-I特性； (b) 代表符号,Uon=0.7V,2恒压降模型,3 折线模型 图中二极管正向压降大于Uon后，用一斜线来描述电压和电流的关系，斜线的斜率为实际二极管特性曲线的斜率1/rD，rD=U/I。因此等效模型为一理想二极管和恒压源Uth及正向电阻

21、rD相串联。,图 1-16 折线模型 (a) U-I 特性； (b) 代表符号,Uth=0.5V,4 微变等效模型 二极管对应微变量所呈现的作用如同一个线性电阻的作用， 故可将二极管等效为一个动态电阻rd，且rd=UD/ID，称为二极管的微变等效电路。,图1-17 二极管的微变等效模型 (a) U-I特性； (b) 代表符号,动态电阻rd还可利用二极管的电流方程求得：,取ID对UD的微分，得微变电导：,则,在室温（T=300K）时：,（1-6）,式中, ID为静态工作点Q的电流。,例1：设简单二极管基本电路如下图所示，R=10K，rD=200,求电路的ID和UD的值。 （1）UDD=10V（2

22、）UDD=1V。 在每种条件下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,注意：上述各种等效电路模型都是在不同的条件下得出的。在使用时，可根据实际情况选择合适的一种，不能乱用。,(1) UDD=10V 使用理想模型： UD=0V, ID=UDD/R=10V/10K=1mA 使用恒压降模型： UD=0.7V, ID=(UDD-UD)/R=(10V-0.7V)/10K=0.93mA 使用折线模型： ID=(UDD-Uon)/(R+rD)=(10V-0.7V)/(10K+0.2K)=0.912mA UD=Uon+IDrD=0.7+0.912mA0.2K=0.88V (2) UDD=1V 使用理想模型

23、： UD=0V, ID=UDD/R=1V/10K=0.1mA 使用恒压降模型： UD=0.7V, ID=(UDD-UD)/R=(1V-0.7V)/10K=0.03mA 使用折线模型： ID=(UDD-Uon)/(R+rD)=(1V-0.7V)/(10K+0.2K)=0.03mA UD=Uon+IDrD=0.7+0.03mA0.2K=0.71V,例2 由二极管组成的开关电路如图1-18所示，判断图中二极管是导通还是截止，并确定电路的输出电压Uo（设二极管是理想二极管）。,1.2.5 稳压二极管 稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。 1 稳压管的伏

24、安特性,2 稳压管的主要参数 （1）稳定电压UZ：稳压管反向击穿后的稳定电压值。 （2）稳定电流IDZ：稳压管正常工作时的参考电流。,（3）额定功耗PZM：稳压管允许的最大稳定电流IZM（或记作IZmax）和稳定电压UZ的乘积。 稳压管的功耗超过此值，会因结温过高而烧毁。 （4）动态电阻rz： 稳压管工作在稳压区时，其端电压变化量与端电流变化量之比，即rz=UZ/IDZ。 rz越小，稳压性能越好。 对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小。,（5）温度系数：温度每变化1所引起的稳定电压的变化量，即=UZ/T。 通常稳定电压低于4V的稳压管具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高时，稳定电压值

25、下降； 稳定电压大于7V的稳压管具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时，稳定电压值上升； 稳定电压在4 7V之间的稳压管，温度系数较小，说明管子的稳定电压受温度的影响小，性能比较稳定。,在使用稳压管组成稳压电路时，应使外加电源的正极接管子的N区，负极接管子的P区，保证稳压管工作在反向击穿区。 由图可见，稳压管并联在负载RL的两端，以使负载两端电压在Ui和RL变化时保持稳定。 此外，为了保证稳压管正常工作时的反向电流在IZminIZmax之间，在电路中串联一个限流电阻R，只有当R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。,图 1-20 稳压管稳压电路,例3：一稳压电路如图所示，其中的直流

26、输入电压Ui是由汽车上的铅酸电池供电，电压在1213.6V之间波动。负载为移动式播放器，当他的音量最大时，需供给的功率为0.5W。 稳压管主要参数：稳定电压Uz=9V，稳定电流的范围Iz= 5mA56mA，额定功率为1W。限流电阻R的值为51。 试分析此稳压电路能否正常工作。,解：负载所消耗的功率=ULIL (1) 负载电流最大值 ILM=PLM/UL=0.5W/9V=56mA (2) 检验稳压管的额定功率： 当空载时(IL=0)时，稳压管的最大功率为： PZ=IRUZ=(UIM-UZ)/R)UZ=(13.6-9)/51)9=0.81W 此功率未超过稳压管的额定功率。 (3) 检验限流电阻R的

27、功率定额： 当UI=UIM且为满负载的情况下，R上所消耗的功率为： PR=URIR=(UIM-UZ) (UIM-UZ)/R=(13.6-9) (13.6-9)/51=0.41W 为了安全和可靠起见，限流电阻R以选用1W的电阻为宜。,又称晶体管，英文名称：Transister。 半导体三极管有两大类型， 一是双极型半导体三极管(BJT)， Bipolar Junction Transistor 二是场效应半导体三极管(FET)。 Field Effect Transistor,1.3 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

28、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。,1.3.1 双极型半导体三极管的结构,NPN型,PNP型,这是基极b,这是发射极e,这是集电极c,这是发射结Je,这是集电结Jc,三极管符号短粗线：基极。 发射极箭头方向：发射极电流的实际方向。,发射区的掺杂浓度大， 集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。 基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,从外表上看两个N区，(或两个P区)是对称的，但发射极和 集电极不能互换。因为实际上：,1 三极管的PN结偏置 为使三极管正常工作，必须给三极管的两个PN结加上合适的直流电压，或者说，两个PN结必须有合适的偏置。 每个

29、PN结可有两种偏置方式（正偏和反偏），所以两个PN结共有四种偏置方式，从而导致三极管有四种不同的工作状态，,表1.1 三极管的四种偏置方式,1.3.2 三极管的工作原理,三极管常作为放大器件使用，因此三极管除具有放大作用的内部结构条件外，还必须有实现放大的外部条件，即：保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。实现发射结正偏、集电结反偏，三个电极的电位关系是： NPN管：UCUBUE； PNP管：UCUBUE。,2. 三种组态,双极型三极管有三个电极，用作四端网络时，任何一个都可以作为输入和输出端的公共电极。因此有三种接法也称三种组态，见下图。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电

30、极接法，集电极作为公共电极，用CC表示； 共 基 极接法，基 极作为公共电极，用CB表示。,3. 三极管内部载流子的运动和各级电流的形成,双极型三极管在制造时要求：发射区的掺杂浓度大，基区掺杂浓度低并要制造得很薄，集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。,在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。 以NPN型三极管的放大状态为例说明三极管内部载流子的运动关系。,IEN,ICN,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IBN,注意：图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同； 电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流。,IE=IEN + IE

31、P 且IEN IEP,IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN,IB= IEP + IBN - ICBO,由此写出三极管三个电极的电流：,发射极电流：IE= IEN IEP 且有IENIEP 集电极电流：IC=ICN+ ICBO ICN=IEN- IBN 且有IEN IBN ， ICNIBN 基 极电流：IB=IEP+ IBNICBO 所以，发射极电流又可以写成 IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB,从以上分析可知，对于NPN型三极管： 集电极电流和基极电流是流入三极管， 发射极电流是流出三极管， 流进的电

32、流等于流出的电流。 由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。,若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,4 三极管的电流分配关系 对高质量的三极管，通常希望：发射区的绝大多数自由电子能够到达集电区，即ICN在IE中占有尽可能大的比例。 为了衡量集电极电子电流ICN所占发射极电流IE的比例大小，一般将ICN和IE的比值定义为共基直流电流放大系数，记作 ，即,（1-10）,将式(1-10)代入式（1-8）可得,（1-11）,当ICBOIC时，可将ICBO忽略，则：,

33、（1-12）,将式（1-9）代入式（1-11），即得,（1-13）,令,（1-14）,称为共射直流电流放大系数。将式(1-14)代入式(1 13)，可得,（1-15）,（1-16）,通常ICEO很小，上式可简化为：,将式（1-18）代入式（1-9），可得,则IC又可表示为：,（1-17）,（1-18）,（1-19）,5. 三极管的电流放大作用 三极管工作在放大状态时，由于其内部结构的特点，即发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结宽，使发射区扩散到基区的大量电子，只有很小的一部分在基区复合形成很小的基极电流IB，大部分越过基区流向集电区，形成集电极电流IC。 管子做成后，IC和IB的比例基本上保持一定

34、。所以IC的大小不但取决于IB，而且远大于IB。 因此只要能控制基极的小电流IB，就可实现对大的集电极电流IC的控制。 所谓三极管的电流放大作用，就是指这种对电流的控制能力，故常把三极管称为电流控制器件。,图中：在输入电压ui作用下，三极管的基极电流将在直流电流IB的基础上叠加一个动态电流IB， 集电极电流也会在直流电流IC的基础上叠加一个动态电流IC 。 IC与IB之比称为共射交流电流放大系数，记作，即,(1-20),如果在ui作用下， 基本不变，则集电极电流：,因此：,(1-21),相应地：将集电极动态电流IC和发射极动态电流IE之比 定义为共基交流电流放大系数，记作，即,(1-22),同

35、理,(1-23),根据和的定义以及三极管中三个电流的关系，可得：,所以与两个参数之间满足下列关系式：,(1-24),1.3.3 三极管的特性曲线,所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线 iB = f (uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC = f (uCE) iB=const,重点介绍发射极接法三极管的特性曲线，即:,B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如下图所示。,共发射极接法的电压-电流关系,UCE

36、=0V的曲线：相当发射结的正向特性曲线。 UCE1V时： UCB= UCE - UBE0，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。 UCE再增加时：曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。,共射接法输入特性曲线,（1）共发射极接法的输入特性曲线,分区： 死区 非线性区 线性区,（2）输出特性曲线,当UCE=0V时：因集电极无收集作用，iC=0。 当UCE稍增大时：发射结虽处于正向电压之下，但集电结反 偏电压很小，如： UCE 1 V UBE=0.7 V UCB= UCE- UBE= 0.7 V

37、 集电区收集电子的能力很弱， iC主要由UCE决定。,共发射极接法输出特性曲线,是以iB为参变量的一族特性曲线。,当UCE增加到使集电结反偏 电压较大时，如： UCE 1 V UBE 0.7 V 运动到集电结的电子基本上都 可以被集电区收集，此后UCE 再增加，电流也没有明显的增 加，特性曲线进入与UCE轴基 本平行的区域。 (与输入特性曲线随UCE增大而 右移的原因是一致的) 。,共发射极接法输出特性曲线,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区 iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的数值较小，一般 uCE0.7 V(硅管)。 此时：发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 输出呈低阻态，

38、相当于开关闭合。,截止区 iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时：发射结反偏，集电结反偏。 输出呈高阻态，ic=0。,放大区 iC平行于uCE轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时：发射结正偏，集电结反偏， 受控恒流源,uCEuBE时，临界饱和状态 uCEuBE时，过饱和状态,1.3.4 三极管的主要参数 1 电流放大系数 电流放大系数是表征三极管放大性能的参数。 1） 共射直流电流放大系数 当忽略穿透电流ICEO时，近似等于集电极电流与基极电流的直流量之比，即,2） 共射交流电流放大系数 定义为集电极电流与基极电流的变化量之比，即,3） 共基直流电流放大系数 当忽略反向饱和电流IC

39、BO时，近似等于集电极电流与发射极电流的直流量之比，即,4） 共基交流电流放大系数 定义为集电极电流与发射极电流的变化量之比，即,在近似分析中可认为，,2 极间反向电流 1） 集电极-基极反向饱和电流ICBO 集电极-基极反向饱和电流ICBO是指发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。 在一定的温度下，这个反向电流基本上是个常数，所以称为反向饱和电流。 由于ICBO是由少数载流子的运动形成的，因此对温度非常敏感。一个好的小功率锗三极管的ICBO约为几微安至几十微安，硅三极管的ICBO更小，有的可达到纳安数量级。,2） 集电极-发射极穿透电流ICEO 集电极-发射极穿透电流ICEO是指基极开路

40、时，集电极与发射极之间的电流。由式（1-16）知三极管的 越大，该管的ICEO越大。 由于ICBO随温度的增加而迅速增大，因此ICEO随温度的增大更为敏感。通常ICBO和ICEO越小，表明管子的质量越好。在实际工作中选用三极管时，不能只考虑的大小，还要注意选用ICBO和ICEO较小的管子。,3 极限参数,如图所示，当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。 至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。,1）集电极最大允许电流ICM,为了保护三极管的集电结不会因为

41、过热而烧毁，集电结上允许耗散功率的最大值为PCM。 PCM=iCuCE PCM值与环境温度有关，温度愈高，PCM值愈小。因此三极管在使用时受到环境温度的限制。硅管的上限温度约为150，锗管约为70。,2） 集电极最大允许功耗PCM,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，其测试时 的原理电路如图所示。,三极管击穿电压的测试电路,1. U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。 CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,2. U(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3. U(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。 对于U(BR)CER表示

42、BE间接有电阻，U(BR)CES表示BE间是短路的。,几个击穿电压在大小上有如下关系： U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU (BR)EBO,1.3.5 温度对三极管参数的影响 由于半导体材料的热敏特性， 三极管的参数几乎都与温度有关。在使用三极管时，主要考虑温度对ICBO、UBEO和三个参数的影响。 1 温度对ICBO的影响 ICBO是由三极管集电结反向偏置时平衡少子的漂移运动形成的。当温度升高时，由本征激发所产生的少子浓度增加，从而使ICBO增大。可以证明，温度每升高10，ICBO增加约 1 倍。通常硅管的ICBO比锗管的要小，因此硅管比锗管受温度的影响要小。

43、,【例1-2】用直流电压表测得某放大电路中一个三极管的三个电极对地电位分别是：U1=3V，U2=9V，U3=3.7V，试判断该三极管的管型及各电位所对应的电极。 解: 由三极管正常放大的工作条件可知，三极管正向偏置时， 硅管的UBE0.7V，锗管的UBE0.2V； 对于NPN型管, UCUBUE，对于PNP型管, UCUBUE。 根据题中已给条件，U3和U1电位差为0.7V，可判断该管是硅管，且U3和U1所对应的电极一个是基极，一个是发射极，则U2所对应的电极一定是集电极c。又因为U2是三个电极电位中最高的电位，该管是NPN型管子。由U1U3U2可知，U1对应发射极e，U2对应集电极c，U3对

44、应基极b。,【例1-3】某三极管的输出特性曲线如图1-28所示。求三极管在UCE=25 V，IC=2mA处的电流放大系数，并确定管子的穿透电流ICEO、反向击穿电压UCEO、集电极最大电流ICM和集电极最大功耗PCM。,由公式IC=IB+ICEO可知，当IB=0时，IC=ICEO， 从IB=0 的那条输出特性曲线所对应的集电极电流为10A，所以：,解: 在点Q（UCE=25V，IC=2mA）处取IB=60A-40A=20A=0.02mA, 此时图中特性曲线上IC对应为：,UCEO是基极开路（即IB=0）时，集电极与发射极之间的击穿电压。 从IB=0的那条特性曲线可以看出UCE50V时，iC迅速

45、增大，所以：,ICEO=10A,UCEO50 V,通过UCE=25 V作垂线与PCM线相交，交点的纵坐标iC=3 mA，所以：,ICM在图中已标出，其值为5mA。,PCM=iCuCE=325=75 mW,1.4 场 效 应 管(Field Effect Transistor),1.4.1 结型场效应管（JFET）：N沟道JFET和P沟道JFET。 在一块N型半导体两侧制作两个高掺杂的P型区，形成两个P+N结。将两个P型区连在一起，引出一个电极称为栅极g，在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为漏极d和源极s，两个P+N结中间的N型区域称为导电沟道，故该结构是N沟道JFET。,单极型晶体管,1）

46、 uGS对导电沟道的控制作用 对于N沟道的JFET，在栅极和源极之间应加负电压（即栅源电压uGS0），以形成漏极电流iD。在外加电压uGS一定时，iD的大小由导电沟道的宽度决定。,2 工作原理,JFET正常工作时，JFET的PN结必须加反偏电压。,2） uDS对iD的影响 当uGS一定时，若uDS=0，虽然存在导电沟道，但是多数载流子不会产生定向移动，所以漏极电流iD为零。,综上分析，uGS和uDS对导电沟道均有影响，但改变uGS，P+N结的宽度发生改变，整个沟道宽度改变，沟道电阻改变，漏极电流跟着改变， 所以漏极电流主要受栅源电压uGS的控制。 由以上分析可得下述结论： (1) JFET栅极

47、和源极之间的PN结加反向偏置电压，故栅极电流iG0，输入电阻很高； (2) JFET是一种电压控制型器件，改变栅源电压uGS，漏极电流iD改变； (3) 预夹断前，iD与uDS呈线性关系；预夹断后，漏极电流iD趋于饱和。,P沟道JFET正常工作时，其各电极间电压的极性与N沟道JFET的相反。,3 特性曲线 1） 输出特性曲线 输出特性曲线是指在栅源电压UGS为某一固定值时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系曲线， 即,（1-27）,对应于一个uGS，就有一条输出曲线，因此输出特性曲线是一特性曲线族，如图1-32所示。图中将各条曲线上uDS=uGS-UGS(off)的点连成一条虚线， 该虚线

48、称为预夹断轨迹。,整个输出特性曲线可划分为四个区： (1) 可变电阻区。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。 它是在uDS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。 其特点是：uGS不变，iD随uDS增大而线性上升，场效应管漏源之间可看成一个线性电阻。改变uGS，特性曲线的斜率改变， 即线性电阻的阻值改变， 所以该区域可视为一个 受uGS控制的可变电阻区。,(2) 饱和区。 饱和区又称为放大区或恒流区。它是在uDS较大，导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。其特点是：uGS不变，iD随uDS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。若取uGS为不同值时，特

49、性曲线是一族平 行线。因此，在该区域iD可 视为一个受电压uGS控制的 电流源。 JFET用作放大管 时，一般就工作在这个区域。,(3) 截止区。当uGSuGS（off）时，导电沟道全部夹断，iD0，场效应管处于截止状态，即图中靠近横轴的区域。 (4) 击穿区。击穿区是当uDS增大到一定数值以后，iD迅速上升所对应的区域。该区产生的原因是：加在沟道中耗尽层的电压太高，使栅漏间的P+N结发生雪崩击穿而造成电流iD迅速 增大。 栅漏击穿电压记为U(BR)GD。 通常不允许场效应管工作在击穿区， 否则管子将损坏。一般把开始出 现击穿的uDS值称为漏源击穿电压， 记为U(BR)DS，U(BR)DS=uGS-