模电第1章常用半导体器件.ppt

模拟电子技术模拟电子技术1.1 半导体的基础知识与半导体的基础知识与PNPN结结1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 场效应管场效应管 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1主主 要要 内内 容：容：二极管二极管 三极管三极管 场效应管场效应管重点重点:掌握二极管的伏安特性；熟悉二极管电路掌握二极管的伏安特性；熟悉二极管电路的分析方法。的分析方法。掌握场效应管原理及特性。掌握场效应管原理及特性。掌握三极管原理及输入输出伏安特性；熟掌握三极管原理及输入输出伏安特性；熟悉三极管的三种工作状态及特点和条件。悉三极管的三种工作状态及特点和条件。21.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体导体 自然界中很容易导电的物质。金属一般都是导体。自然界中很容易导电的物质。金属一般都是导体。绝缘体绝缘体 几乎不导电。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。几乎不导电。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体半导体 导电特性处于导体和绝缘体之间的物质。如导电特性处于导体和绝缘体之间的物质。如锗锗、硅硅 、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电特性半导体的导电特性:当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电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。能力明显改变。-热敏性和光敏性热敏性和光敏性-掺杂性掺杂性31.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用得最多的半导体是现代电子学中，用得最多的半导体是硅硅硅硅(si)(si)(si)(si)和和 锗锗锗锗(Ge)(Ge)(Ge)(Ge)，它们的最外层电子（，它们的最外层电子（价电子价电子价电子价电子）都是四个）都是四个,称称为为“四价半导体四价半导体”。GeSi完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征本征半导体半导体。价电子价电子价电子价电子51.1.1 本征半导体本征半导体完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导体称为本征半导体。导体称为本征半导体。单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构共价键共价键当当温温度度 T=0 K 时时，共共价价键键束束缚缚的的电电子子很很难难成成为为自自由由电电子子,半半导导体体不不导导电电，如如同同绝绝缘体。缘体。6自由电子自由电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为可挣脱原子核的束缚，成为可挣脱原子核的束缚，成为可挣脱原子核的束缚，成为自由电子自由电子自由电子自由电子（带负电），同时共（带负电），同时共（带负电），同时共（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为价键中留下一个空位，称为价键中留下一个空位，称为价键中留下一个空位，称为空穴空穴空穴空穴（带正电）。（带正电）。（带正电）。（带正电）。空穴空穴这一现象称为本征激发或热激发。这一现象称为本征激发或热激发。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理7热激发产生的自由电子热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，和空穴是成对出现的，称为称为电子空穴对电子空穴对.游离的部分自由电子落入游离的部分自由电子落入未饱和共价键，电子空穴未饱和共价键，电子空穴成对消失，称为成对消失，称为复合复合由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平平衡衡，载流子的浓度就一定了。载流子的浓度就一定了。8 在外电场的作用下，在外电场的作用下，空穴吸引临近的价电子空穴吸引临近的价电子来填补，这样的结果相来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为的移动，因此可以认为空穴也是载流子空穴也是载流子空穴也是载流子空穴也是载流子。半导体中有两种载流子：半导体中有两种载流子：自由电子和空穴自由电子和空穴空穴的移动空穴的移动:问题问题:空穴是载流子吗空穴是载流子吗?9 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流现两部分电流现两部分电流现两部分电流:本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；其导电性能很差；其导电性能很差；其导电性能很差；(1)(1)(1)(1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流电子电流电子电流本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理(2)(2)(2)(2)价电子递补空穴价电子递补空穴价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流注意：注意：注意：注意：温度愈高载流子的数目愈多温度愈高载流子的数目愈多温度愈高载流子的数目愈多温度愈高载流子的数目愈多,半导体的导电性能也半导体的导电性能也半导体的导电性能也半导体的导电性能也就愈好。就愈好。就愈好。就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。10 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质的半在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质的半导体，称为导体，称为杂质半导体杂质半导体。1.1.2 杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体(电子半导体电子半导体)P 型半导体型半导体(空穴半导体空穴半导体)一、一、N 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半导体半导体)。12N型半导体型半导体多余多余电子电子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子施主原子施主原子 掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体或或或或N N N N型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。失去一个失去一个电子变为电子变为不能移动不能移动的正离子的正离子 在在N N型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是自由电子是自由电子是多数载流子（简称多子）多数载流子（简称多子）多数载流子（简称多子）多数载流子（简称多子），它它主要由杂质原子提供；主要由杂质原子提供；空穴是空穴是空穴是空穴是少数载流子（简称少子）少数载流子（简称少子）少数载流子（简称少子）少数载流子（简称少子）,由由热激发形成。热激发形成。13二、二、P 型半导体型半导体:掺入少量的掺入少量的3 3价价杂质元素，如硼杂质元素，如硼.空穴空穴 掺杂后空穴数目大量增掺杂后空穴数目大量增掺杂后空穴数目大量增掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导加，空穴导电成为这种半导加，空穴导电成为这种半导加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空体的主要导电方式，称为空体的主要导电方式，称为空体的主要导电方式，称为空穴半导体或穴半导体或穴半导体或穴半导体或 P P P P型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。受主原子受主原子接受一个电子变为接受一个电子变为接受一个电子变为接受一个电子变为不能移动的负离子不能移动的负离子不能移动的负离子不能移动的负离子在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数空穴是多数空穴是多数空穴是多数载流子（简称多子）载流子（简称多子）载流子（简称多子）载流子（简称多子），它主它主要由杂质原子提供；要由杂质原子提供；自由电自由电自由电自由电子是少数载流子（简称少子）子是少数载流子（简称少子）子是少数载流子（简称少子）子是少数载流子（简称少子）,由热激发形成。由热激发形成。153.杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体小结：小结：1.1.掺掺掺掺入入入入杂杂杂杂质质质质的的的的浓浓浓浓度度度度决决决决定定定定多多多多数数数数载载载载流流流流子子子子浓浓浓浓度度度度；温温温温度决定少数载流子的浓度。度决定少数载流子的浓度。度决定少数载流子的浓度。度决定少数载流子的浓度。2.2.杂杂杂杂质质质质半半半半导导导导体体体体载载载载流流流流子子子子的的的的数数数数目目目目要要要要远远远远远远远远高高高高于于于于本本本本征征征征半导体，因而其导电能力大大改善。半导体，因而其导电能力大大改善。半导体，因而其导电能力大大改善。半导体，因而其导电能力大大改善。16一一.PN 结的形成结的形成PN 空间空间电荷区电荷区PN 内电场方向内电场方向扩散运动漂移运动空穴空穴自由电子自由电子扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区，这个空间电荷区就称为空间电荷区，这个空间电荷区就称为空间电荷区，这个空间电荷区就称为空间电荷区，这个空间电荷区就称为PN PN PN PN 结结结结。1.1.3 PN结结17多子的扩散运动多子的扩散运动浓度差浓度差形成空间电荷区形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场PN 结的形成：结的形成：内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。便。便形成稳定的空间电荷区，即形成稳定的空间电荷区，即PN结结.19二二.PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN 1.PN结外加正向电压结外加正向电压(正偏正偏):):内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。PN PN PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPNPNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPNPNPN结处于导通状态结处于导通状态结处于导通状态结处于导通状态.外加电压使外加电压使P P区的电位高于区的电位高于N N 区的电位，称为加区的电位，称为加正正向电压向电压，简称，简称正偏正偏；PNPN结加正向电压结加正向电压20 2.PN 2.PN结外加反向电压结外加反向电压(反偏反偏):):外加电压使外加电压使P P区的电位低于区的电位低于N N 区的电位，称为加区的电位，称为加反反向电压向电压，简称，简称反偏反偏；PNPN结加反向电压结加反向电压内电场被加强，多子的内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电只能形成较小的反向电流。流。PN PN PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，PNPNPNPN结变宽，反向电流较结变宽，反向电流较结变宽，反向电流较结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，小，反向电阻较大，小，反向电阻较大，小，反向电阻较大，PNPNPNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。211 1、PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流；PNPN结导通结导通。结论结论:2 2、PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。向漂移电流。PNPN结截止结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPNPNPN结具有单向导电性结具有单向导电性结具有单向导电性结具有单向导电性。3 3、PNPN结的电流方程结的电流方程:(:(外加电压外加电压u与流过电流与流过电流i的关系的关系)IS:反向饱和电流反向饱和电流U UT T26mV(26mV(常温下常温下)221.2半导体二极管半导体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和容小，用于检波和变频等高频电路变频等高频电路金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型 PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。1.2.1 基本结构：基本结构：25二极管符号二极管符号PN(阳极阳极)(阴极阴极)阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型用于集成电路制作工艺用于集成电路制作工艺中。中。PNPN结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电用于高频整流和开关电路中路中26 二极管二极管伏安特性伏安特性及及电流方程电流方程:二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线27 二极管二极管伏安特性伏安特性:开启电压开启电压开启电压开启电压U U U Uonononon外加正向电压大于开启电外加正向电压大于开启电外加正向电压大于开启电外加正向电压大于开启电压二极管才能导通。压二极管才能导通。压二极管才能导通。压二极管才能导通。导通压降导通压降导通压降导通压降U U U UD D D D 反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电压在一定电压在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持范围内保持范围内保持常数。常数。常数。常数。反向击穿反向击穿电压电压U U(BR)(BR)外加电压大于反向击穿外加电压大于反向击穿外加电压大于反向击穿外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失电压二极管被击穿，失电压二极管被击穿，失电压二极管被击穿，失去单向导电性。去单向导电性。去单向导电性。去单向导电性。硅管硅管硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管锗管锗管0.1V0.1V硅硅硅硅0 0 0 0.60.8V.60.8V锗锗锗锗0 0.20.3V.20.3V28从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移1.1.单向导电性单向导电性电流方程：电流方程：正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线29 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 IF:2 2、最高反向工作电压、最高反向工作电压U UR R3、反向电流反向电流 IR允许流过二极管的最大正向平均电流允许流过二极管的最大正向平均电流.4、最高工作频率最高工作频率fM30二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用一、一、等效电路等效电路(将非线性器件转化成线性器件将非线性器件转化成线性器件)1.1.理想二极管等效电路理想二极管等效电路(a)(a)特性曲线的近似特性曲线的近似(b)(b)等效电路等效电路UPN 0V ;D导通导通；UPN=0V。UPN0V;D截至截至；UPN开路开路。2.2.考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路(a)(a)特性曲线的近似特性曲线的近似(b)(b)等效电路等效电路UPN Uon ;D导通导通；UPN=UD。UPNUon ;D截至截至；UPN开路开路。31 +aDuoubRLio2uDO u u2 2 正半周，正半周，正半周，正半周，V Va aVVb b，二极二极二极二极管管管管D D导通导通导通导通.u2 负半周，负半周，VaV V V VN N N N或或或或 U UD D为正为正为正为正(正向偏置正向偏置正向偏置正向偏置)，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V V VP P P P V V V 8V 8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 u uo o=8V=8V u ui i 8V V VE E集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏 V VC C V VB B EBRBE EC CRC 三极管的三极管的放大作用放大作用是在一定的外部条件控制下，是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。通过载流子传输体现出来的。从电位的角度看：从电位的角度看：从电位的角度看：从电位的角度看：NPN54BECNNPEBRBECIEIBNICNICBO 基区空穴基区空穴基区空穴基区空穴向发射区的向发射区的向发射区的向发射区的扩散可忽略扩散可忽略扩散可忽略扩散可忽略进入进入进入进入P P P P 区的电子少部分区的电子少部分区的电子少部分区的电子少部分与基区的空穴复合，形成与基区的空穴复合，形成与基区的空穴复合，形成与基区的空穴复合，形成电流电流电流电流I I I IBN BN BN BN，多数扩散到集，多数扩散到集，多数扩散到集，多数扩散到集电结电结电结电结从基区扩散来的从基区扩散来的从基区扩散来的从基区扩散来的电子作为集电结电子作为集电结电子作为集电结电子作为集电结的少子，漂移进的少子，漂移进的少子，漂移进的少子，漂移进入集电结而被收入集电结而被收入集电结而被收入集电结而被收集，形成集，形成集，形成集，形成I I I ICNCNCNCN 集电结反偏，集电结反偏，集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流反向电流反向电流I I I ICBOCBOCBOCBO2.内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 发射结正偏，发射结正偏，发射结正偏，发射结正偏，发射区电子不断发射区电子不断发射区电子不断发射区电子不断向基区扩散，形向基区扩散，形向基区扩散，形向基区扩散，形成发射极电流成发射极电流成发射极电流成发射极电流I I I IE E E EIBIC55IC=ICN+ICBO ICIBBENNPEBRBECIEIBNICNICBOIB=IBN-ICBO 共发射极电流放大倍数共发射极电流放大倍数共发射极电流放大倍数共发射极电流放大倍数:C三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系:IE=IBN+ICN当当IB=0时时,IC=ICEO.=IB+IC56IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.96一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据1.1.三极管电流关系三极管电流关系:2.2.当当I IB B 有有微微小小变变化化时时，I IC C 变变化化较较大大。说说明明三三极极管管具具有有电流放大电流放大作用。作用。3.3.电流放大的条件电流放大的条件:发射结正偏发射结正偏发射结正偏发射结正偏,集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏.57三极管的特性曲线三极管的特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线VCCRbVBBcebRc输入输入回路回路输出输出回路回路三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路 A+IBV+UBE+mAICV+UCE 输入特性：输入特性：输出特性：输出特性：581.1.输入特性输入特性输入特性输入特性 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性的一条输入特性曲线可以取代曲线可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。同同PN结的伏安特性结的伏安特性UCE增大曲线右移增大曲线右移UCE增大到一定值曲线右移增大到一定值曲线右移就不明显了就不明显了.正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：NPNNPNNPNNPN型硅管型硅管型硅管型硅管 U UBE BE 0.6 0.7V 0.6 0.7VPNPPNPPNPPNP型锗管型锗管型锗管型锗管 U UBE BE 0.2 0.2 0.3V 0.3VO0.40.8iB/AuBE/VUCE1V60402080602.2.输出特性输出特性输出特性输出特性iC/mAuCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB=03DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线，所变化的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。61 输输出出特特性性曲曲线线分分为为三三个个工工作作区区，对对应应晶晶体体管管的的三种工作状态。三种工作状态。(1)(1)放大区放大区放大区放大区iC/mAuCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.531IB=0大大大大放放放放区区区区3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 在放大区在放大区在放大区在放大区 I IC C=I IB B ，也也也也称为线性区，具有恒流称为线性区，具有恒流称为线性区，具有恒流称为线性区，具有恒流特性。特性。特性。特性。在放大区，发射结在放大区，发射结在放大区，发射结在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于正向偏置、集电结处于正向偏置、集电结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管处于反向偏置，晶体管处于反向偏置，晶体管处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。工作于放大状态。工作于放大状态。工作于放大状态。Q Q1 1Q Q2 263iC/mAuCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB=0(2)(2)截止区截止区截止区截止区截截止止时时,集集电电结结也也处处于于反反向偏置向偏置(UBC 0),),此时此时,IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。的曲线以下的区域称为截止区。IB=0 时时,IC=ICEO(很小很小)。(ICEO0.001mA)0.001mA)截止区截止区截止区截止区IC 0,UCE UCC。64iC/mAuCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB=0(3)(3)饱和饱和饱和饱和区区区区 在饱和区在饱和区在饱和区在饱和区，I IB B I IC C，发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，集电结也处于正集电结也处于正集电结也处于正集电结也处于正偏。偏。偏。偏。深度饱和时深度饱和时深度饱和时深度饱和时，硅管硅管硅管硅管U UCES CES 0.3V 0.3V，锗管锗管锗管锗管U UCES CES 0.1V 0.1V。IC UCC/RC。当当 UCE 0)，晶体管工作于饱和状态。晶体管工作于饱和状态。饱饱饱饱和和和和区区区区65三极管工作状态的确定：三极管工作状态的确定：三极管工作状态的确定：三极管工作状态的确定：iC(mA )uCE(V)IB=0截止区截止区饱和区饱和区放大区放大区截止区：截止区：放大区：放大区：IBICCEB饱和区：饱和区：深度饱和电压：深度饱和电压：66iC(mA )uCE(V)IB=0截止区截止区饱和区饱和区放大区放大区IBICCEB例：已知例：已知 判断三极管工作状态。判断三极管工作状态。结论：结论：时晶体管截止区时晶体管截止区时晶体管在放大区。时晶体管在放大区。时晶体管在饱和区。时晶体管在饱和区。设：三极管导通同时正向电压为设：三极管导通同时正向电压为0.7V0.7V671.电流放大倍数电流放大倍数 则则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为为：三极管的主要参数三极管的主要参数(1)共射极接法电流放大倍数共射极接法电流放大倍数 和和共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为上的交流信号。基极电流的变化量为 i iB B，相应的集电，相应的集电极电流变化为极电流变化为 i iC C，bec共射放大电路共射放大电路一一.主要参数主要参数68（2 2）共基极电流放大系数）共基极电流放大系数 和和共基电流放大系数共基电流放大系数:和和 的换算关系为的换算关系为:共基放大电路共基放大电路 、为电流放大系数。它只与管子的结构为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般。一般 =0.9 0.99，1。692.极间反向电流极间反向电流(1).集电极集电极基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBO I ICBOCBO是指发射极开路，集电极和基极之间加反向电压时是指发射极开路，集电极和基极之间加反向电压时产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流。产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流。作为晶体管的性能指标，作为晶体管的性能指标，I ICBOCBO 越小越好。硅管的越小越好。硅管的I ICBOCBO 比比锗管的小的多。锗管的小的多。VICBONPN管的管的ICBO测量测量 ICBO是集电结反偏由是集电结反偏由少子的漂移形成的反向少子的漂移形成的反向电流，受温度影响大。电流，受温度影响大。温度温度温度温度I ICBOCBO 70(2)(2)穿透电流穿透电流I ICEOCEO ICEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。集电极电流。即输出特性曲线即输出特性曲线IB=0那条那条曲线所对应的曲线所对应的Y坐标的数值。坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿也称为集电极发射极间穿透电流。透电流。ICEOICEO=(+1)ICBO713.极限参数极限参数(1).集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流I IC C上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，当值的下降，当 值值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为I ICMCM。(2).集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U UBR(CEO)BR(CEO)当集当集-射极之间的电压射极之间的电压U UCECE超过一定的数值时，三极管超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是就会被击穿。手册上给出的数值是2525 C C、基极开路时的击基极开路时的击穿电压穿电压U UBR(CEO)BR(CEO)。(3).集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM P P P PCMCMCMCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。过高会烧坏三极管。过高会烧坏三极管。过高会烧坏三极管。P PC C P PCM CM=I IC C U UCECE72 由由P PCMCM、I ICMCM和和V V(BR)CEO(BR)CEO在输出特性曲线上可在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区73iCuCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区74二二.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1.温度对温度对ICBO 的影响的影响2.温度对输入特性温度对输入特性 的影响的影响温度温度温度温度I ICBOCBO 温度升高温度升高1 1o oC C，U UBE BE 减小减小约约2 2 2.5mV2.5mV，具有负的温度系，具有负的温度系数。若数。若U UBE BE 不变，则当温度升不变，则当温度升高时，高时，i iB B将增大，正向特性将增大，正向特性将左移；反之亦然。将左移；反之亦然。753.温度对输出特性温度对输出特性 的影响的影响温度上升时，输出特性曲线上移。温度上升时，输出特性曲线上移。温度升高，温度升高，I IC C增增大，大，增大。增大。温度每温度每升高升高1 1o oC C ，要增加要增加 0.5%0.5%1.0%1.0%76半导体三极管半导体三极管图片图片77小小小小 结结结结 本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：双极性晶体管的结构和类型：双极性晶体管的结构和类型：NPNNPN、PNPPNP 晶体管的电流放大作用和电流分配关系晶体管的电流放大作用和电流分配关系 晶体管具有放大作用的内部条件晶体管具有放大作用的内部条件 晶体管具有放大作用的晶体管具有放大作用的外部条件外部条件 I IE E=I IB B+I IC C=(1+=(1+)I IB B，I IC C=I IB B，晶体管的特性及参数晶体管的特性及参数晶体管的三个工作状态晶体管的三个工作状态 温度对晶体管参数的影响温度对晶体管参数的影响 78例：已知晶体管处于放大状态，判断管子的类型。例：已知晶体管处于放大状态，判断管子的类型。11.3V0V12V3.7V3V12V三极管类型判别举例三极管类型判别举例79iC(mA )uCE(V)IB=0截止区截止区饱和区饱和区放大区放大区IBICCEB例：已知例：已知 判断三极管工作状态。判断三极管工作状态。结论：结论：时晶体管截止区时晶体管截止区时晶体管在放大区。时晶体管在放大区。时晶体管在饱和区。时晶体管在饱和区。设：三极管导通同时正向电压为设：三极管导通同时正向电压为0.7V0.7V三极管工作状态举例三极管工作状态举例作业作业:1.3,1.6,1.08014.5 光电器件光电器件符号符号符号符号14.5.1 14.5.1 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管(LED)(LED)当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。流时，就能发出一定波长范围的光。流时，就能发出一定波长范围的光。流时，就能发出一定波长范围的光。发光二极管的发光二极管的发光二极管的发光二极管的工作电压工作电压工作电压工作电压为为为为1.51.51.51.5 3V3V3V3V，工作电流为，工作电流为，工作电流为，工作电流为几几几几 十几十几十几十几mAmAmAmA。8214.5.2 14.5.2 光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管 光电二极管在反向电压作用下工作。光电二极管在反向电压作用下工作。光电二极管在反向电压作用下工作。光电二极管在反向电压作用下工作。当当当当无光照无光照无光照无光照时时时时,和普通二极管一样和普通二极管一样和普通二极管一样和普通二极管一样,其其其其反向电流很小反向电流很小反向电流很小反向电流很小,称为暗电流。称为暗电流。称为暗电流。称为暗电流。当当当当有光照有光照有光照有光照时时时时,产生的反向电流称为光电流。照度产生的反向电流称为光电流。照度产生的反向电流称为光电流。照度产生的反向电流称为光电流。照度E E越越越越强，光电流也越大。强，光电流也越大。强，光电流也越大。强，光电流也越大。I/I/A AU/U/V VE=0E1E2(a)(a)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性(b)(b)符号符号符号符号E2 E1光电流很小光电流很小光电流很小光电流很小,一般只有几十微安一般只有几十微安一般只有几十微安一般只有几十微安,应用时必须放大。应用时必须放大。应用时必须放大。应用时必须放大。831.4 场效应管场效应管(FET)利利用用电电场场效效应应来来控控制制电电流流的的半半导导体体器器件件，称称为为场场效效应应管管，由由于于只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电也也称称单单极极型三极管。型三极管。场效应管分类场效应管分类:结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特特点点:(1)输入电阻高；热稳定性好；噪声低输入电阻高；热稳定性好；噪声低(2)工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。84DSGN符符号号结型场效应管结型场效应管一、结构及符号一、结构及符号一、结构及符号一、结构及符号N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。85二、工作原理二、工作原理 N N 沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变 UGS 大大小小来来控控制制漏漏极电流极电流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流 I ID D 减减小小，反反之之，漏漏极极 I ID D 电流将增加。电流将增加。*耗耗耗耗尽尽尽尽层层层层的的的的宽宽宽宽度度度度改改改改变变变变主主主主要在沟道区。要在沟道区。要在沟道区。要在沟道区。871.1.设设U UDSDS=0,=0,在在栅栅源源之之间间加加负负电电源源V VGGGG，改改变变V VGGGG(UGS)大大小小。观察观察栅栅-源电压源电压UGS对导电沟道宽度的控制作用对导电沟道宽度的控制作用.沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。可以控制导电沟道的宽度。882.2.在在漏漏源源极极间间加加正正向向VDD，使使 UDS 0。观观察察漏漏-源源电电压压uDS对漏极电流的影响对漏极电流的影响(a)uGDUGS（off）uGSUGS（off）且不变，且不变，VDD(uDS)增大，增大，iD增大增大.(b)uGD=UGS（off）预夹断预夹断(c)uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全的增大，几乎全部用来克服沟道的电部用来克服沟道的电阻，阻，iD几乎不变，进几乎不变，进入入恒流区恒流区，iD几乎仅几乎仅仅决定于仅决定于uGS。89g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压iD低频跨导：低频跨导：1.1.输出特性输出特性:场效应管有三个工作区：场效应管有三个工作区：可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区、恒流区恒流区恒流区恒流区、夹断区夹断区夹断区夹断区三、特性曲线三、特性曲线92夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uDSUGS（off）。转移特性描述转移特性描述uGS对对iD的控制作用的控制作用2.2.2.2.转移特性转移特性转移特性转移特性