第4章常用半导体器件PPT讲稿.ppt

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1、第4章常用半导体器件第1页，共55页，编辑于2022年，星期一第第 4 章章 常用半导体器件常用半导体器件4.1 半导体的基础知识半导体的基础知识4.2 半导体二极管半导体二极管4.3 稳压管稳压管4.4 半导体三极管半导体三极管结束结束第2页，共55页，编辑于2022年，星期一 基本要求：基本要求：1.了解半导体基本知识和了解半导体基本知识和PN结的形成及其单向导电性；结的形成及其单向导电性；2.理解二极管的伏安特性，了解二极管的主要参数；理解二极管的伏安特性，了解二极管的主要参数；3.了解硅稳压管的结构和主要参数；了解硅稳压管的结构和主要参数；4.了解三极管的基本结构和电流放大作用，理解三

2、极管了解三极管的基本结构和电流放大作用，理解三极管 的特的特性曲线及工作特点，了解三极管的主要参数。性曲线及工作特点，了解三极管的主要参数。难点：难点：三极管的电流放大原理以及输入、输出特性；含三极管的电流放大原理以及输入、输出特性；含二极管和稳压管电路分析。二极管和稳压管电路分析。重点：重点：二极管的伏安特性；三极管的输入、输出特性及工二极管的伏安特性；三极管的输入、输出特性及工作特点；含二极管和稳压管电路分析。作特点；含二极管和稳压管电路分析。第3页，共55页，编辑于2022年，星期一第第 4 章章 常用半导体器件常用半导体器件 以电子器件为核心构成的电路称为以电子器件为核心构成的电路称为

3、电子电电子电路路。在电子器件中，由半导体材料制成的器件。在电子器件中，由半导体材料制成的器件统称为半导体器件，它是构成各种电子电路的统称为半导体器件，它是构成各种电子电路的关键元件。半导体器件具有体积小、重量轻、关键元件。半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点，因而得到广泛应用。由半导体器件发展优点，因而得到广泛应用。由半导体器件发展而成的而成的集成电路集成电路，特别是大规模集成电路、超，特别是大规模集成电路、超大规模集成电路，使电子设备在微型化、可靠大规模集成电路，使电子设备在微型化、可靠性、灵活性等方面向前推进了一

4、大步。性、灵活性等方面向前推进了一大步。第4页，共55页，编辑于2022年，星期一第5页，共55页，编辑于2022年，星期一第6页，共55页，编辑于2022年，星期一第7页，共55页，编辑于2022年，星期一第8页，共55页，编辑于2022年，星期一4.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体顾名思义，就是指导电能力介于导体和绝缘体半导体顾名思义，就是指导电能力介于导体和绝缘体半导体顾名思义，就是指导电能力介于导体和绝缘体半导体顾名思义，就是指导电能力介于导体和绝缘体之间（其电阻率在之间（其电阻率在之间（其电阻率在之间（其电阻率在1010-5-5108 8 mm）的材料，如硅、锗、硒）的材

5、料，如硅、锗、硒）的材料，如硅、锗、硒）的材料，如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物等。以及大多数金属氧化物和硫化物等。以及大多数金属氧化物和硫化物等。以及大多数金属氧化物和硫化物等。4.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、按照一定的规律整齐排列的、有晶体结构完全纯净的、按照一定的规律整齐排列的、有晶体结构完全纯净的、按照一定的规律整齐排列的、有晶体结构完全纯净的、按照一定的规律整齐排列的、有晶体结构的半导体，称为的半导体，称为的半导体，称为的半导体，称为本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体。用得最多的半导体是硅或锗用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将它们都是四价元素。

6、将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。第9页，共55页，编辑于2022年，星期一晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子价电子价电子。Si Si Si Si价电子第10页，共55页，编辑于2022年，星期一1.本征半导体激发本征半导体激发 自由电子自由电子空穴空穴共价键共价键SiSiSiSi本征半导体中自

7、由本征半导体中自由电子和空穴的形成电子和空穴的形成 自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，同同时又不断复合。时又不断复合。价电子在获得一定能量（温度价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为核的束缚，成为自由电子自由电子自由电子自由电子（带负电），（带负电），（带负电），（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为同时共价键中留下一个空位，称为同时共价键中留下一个空位，称为同时共价键中留下一个空位，称为空空穴穴（带正电）（带正电）。这一现象称为。这一现象称为本征本征激发激发，又叫，又叫热激发热激发。温度愈高，晶体中产生的自

8、由电子数愈多。温度愈高，晶体中产生的自由电子数愈多。第11页，共55页，编辑于2022年，星期一在在外外电电场场的的作作用用下下，自自由由电电子子逆逆着着电电场场方方向向定定向向运运动动形形成成电电子子电电流流。带带正正电电的的空空穴穴吸吸引引相相邻邻原原子子中中的的价价电电子子来来填填补补，而而在在该该原原子子的的共共价价键键中中产产生生另另一一个个空空穴穴。空空穴穴被被填填补补和和相相继继产产生生的的现现象象，可可以以看看成成空空穴穴顺顺着着电电场场方方向向移移动动，形形成成空空穴穴电电流流。可可见见在在半半导导体体中中有有自自由由电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子，它它们们都能参与

9、导电。都能参与导电。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向SiSiSiSiSiSi载流子第12页，共55页，编辑于2022年，星期一2.2.半导体的导电特性：半导体的导电特性：半导体的导电特性：半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：掺杂性：掺杂性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变(可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导

10、可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化(可做可做可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等)。热敏性：热敏性：热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升

11、高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强第13页，共55页，编辑于2022年，星期一4.1.2 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体1.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五五价价元元素素磷磷，当当某某一一个个硅硅原原子子被被磷磷原原子子取取代代时时，磷磷原原子子的的五五个个价价电电子子中中只只有有四四个个用用于于组组成成共共价价键键，多多余余的的一一个个很很容容易易挣挣脱脱磷磷原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子。因因而而自自由由电电子子的的数数量量大大大大增增加加，是是多多数数载载流流子子，空空穴穴是是少少数数载载流流子子，

12、将这种半导体称为将这种半导体称为 N 型半导体。型半导体。SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子多余价电子本本征征半半导导体体中中由由于于载载流流子子数数量量极极少少，导导电电能能力力很很低低。如如果果在在其其中中参参入入微微量量的的杂杂质质(某某种种元元素素)将将使使其其导导电电能能力力大大大大增强。增强。第14页，共55页，编辑于2022年，星期一空位空位2.P 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三三价价元元素素硼硼，在在组组成成共共价价键键时时将将因因缺缺少少一一个个电电子子而而产产生生一一个个空空位位，相相邻邻硅硅原原子子的的价价电电子子很很容容易易填填补补这

13、这个个空空位位，而而在在该该原原子子中中便便产产生生一一个个空空穴穴，使使空空穴穴的的数数量量大大大大增增加加，成成为为多多数数载载流流子子，电电子子是是少少数数载载流流子子，将将这这种种半半导导体体称称为为 P 型半导体。型半导体。SiSiSiSiSiSiSi空穴空穴价电子填补空位价电子填补空位B第15页，共55页，编辑于2022年，星期一4.1.3 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN 结结的的形形成成 用用专专门门的的制制造造工工艺艺在在同同一一块块半半导导体体单单晶晶上上，形形成成 P 型型半半导导体体区区域域和和 N 型型半半导导体体区区域域，在在这这两两个个区区域域的的交

14、交界界处处就就形形成成了了一一个个特特殊殊的的薄薄层层，称为称为 PN 结。结。P 区区N 区区由浓度差，N区的电子向P区扩散,P区的空穴向N区扩散,相遇并复合掉。称为扩散运动。空间电荷区空间电荷区第16页，共55页，编辑于2022年，星期一1.PN 结结的的形形成成P 区区N 区区 内电场的建立，形成漂移运动；随着扩散运动的进行，空间电荷区变宽，同时漂移运动增强，扩散运动减弱。当漂移运动与扩散运动达到动态平衡，形成一个空间电荷区，称为PN结。空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向漂移运动漂移运动扩散运动继续扩散运动继续PN结结PN结第17页，共55页，编辑于2022年，星期一2.PN 结的

15、单向导电性结的单向导电性外外加加正正向向电电压压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIFP 区区N 区区 外电场驱使外电场驱使P区的空穴进区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负入空间电荷区抵消一部分负空间电荷空间电荷 N区电子进入空间电区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷区抵消一部分正空间电荷荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流空间电荷区空间电荷区第18页，共55页，编辑于2022年，星期一P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR外外加加反反向向电电压压 外电场驱使空间电荷

16、区两外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，多数侧的空穴和自由电子移走，多数载流子的扩散运动难于进行载流子的扩散运动难于进行少数载流子越过少数载流子越过 PN 结形成很小的反向电流结形成很小的反向电流 返回返回空间电荷区空间电荷区单向导电性第19页，共55页，编辑于2022年，星期一4.2 半导体二极管半导体二极管4.2.1 基本结构基本结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。分，有点接触型和面接触型两类。(a)点接触型点接触型符号符号:正极正极负极负极金锑合金金锑合金(b

17、)面接触型面接触型N型锗型锗 正极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳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)平面型平面型第20页，共55页，编辑于2022年，星期一4.2.2 伏安特性伏安特性 二二极极管管和和 PN 结结一一样样，具具有有单单向向导导电电性性，由由伏伏安安特特性性曲曲线线可可见见，当当外外加加正正向向电电压压很很低低时时，电电流流很很小小，几几乎乎为为零零。正正向向电电压压超超过过一一定定数数值值后后，电电流流很很快快增增大大，将将这这一一定定数数值值的的正正向

18、向电电压压称称为为死死区区电电压压。通通常常，硅硅管管的的死死区区电电压压约约为为0.5V，锗锗管管约约为为0.1V。导导通通时时的的正向压降，硅管约为正向压降，硅管约为0.6 0.7V，锗管约为，锗管约为0.2 0.3V。604020 0.02 0.0400.40.82550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性I/mAU/V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0PN+PN+第21页，共55页，编辑于2022年，星期一 在在二二极极管管上上加加反反向向电电压压时时，反反向向

19、电电流流很很小小。但但当当反反向向电电压压增增大大至至某某一一数数值值时时，反反向向电电流流将将突突然然增增大大。这这种种现现象象称称为为击击穿穿，二二极极管管失失去去单单向向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。4.2.3 主要参数主要参数 1.最大整流电流最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是它是保证二极管不被击穿而给

20、出的反向峰值电压，一般是反向击穿反向击穿电压的一半或三分之二。电压的一半或三分之二。3.最大反向峰值电流最大反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。第22页，共55页，编辑于2022年，星期一 二二极极管管的的应应用用范范围围很很广广，主主要要都都是是利利用用它它的的单单向向导导电电性性。它它可可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。二极管的单向导电性 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴

21、极接负二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时，）时，）时，）时，二极管二极管二极管二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时，）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。小。外加电压大于反向击穿电

22、压二极管被击穿，失去单向导电性。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。第23页，共55页，编辑于2022年，星期一 二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0 0.60.7V锗锗0.20.3V 分析方法：分析方法：分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位

23、将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。的正负。的正负。若若 V阳阳 V阴阴阴阴或或 U UD为正为正(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 V V阳阳阳阳 V U U阴阴阴阴 二极管导通二极管导通二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V第26页，共55页，编辑于2022年，星期一【解解】分析；分析；两个二极管的阴极接在一起，两个二极管的阴极接在一起，两个二极管的阴极接在一起，两个二极管的阴极接在一起，取取取取 B B 点作参考点，断开二极管，分析二极点

24、作参考点，断开二极管，分析二极点作参考点，断开二极管，分析二极点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。管阳极和阴极的电位。管阳极和阴极的电位。管阳极和阴极的电位。忽略管压降，二极管可看作短路，忽略管压降，二极管可看作短路，忽略管压降，二极管可看作短路，忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB =0 V=0 V【*例例 4.2】电路如图，求：电路如图，求：U UABABD D1 1承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为6 V6 V流过流过流过流过 D D2 2 的电流为的电流为的电流为的电流为 在这里，在这里，在这里，在这里，D D2 2 起钳位作起钳位作起钳位

25、作起钳位作用，用，用，用，D D1 1起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。BD16V12V3k AD2UAB+U U1 1阳阳阳阳 =6 V6 V，U U2 2阳阳阳阳=0 V=0 VU U1 1阴阴阴阴 =U U2 2阴阴阴阴=12 V12 VU UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V=12V UD2 UD1 D D2 2 优先导通，优先导通，优先导通，优先导通，D D1 1截止。截止。截止。截止。第27页，共55页，编辑于2022年，星期一【例例 4.2】下图是二极管限幅电路，二极管下图是二极管限幅电路，二极管D的正向压降可忽略不计，的正向压降可忽略不计，ui=6 si

26、n t V，E=3 V，试画出试画出 uo 波形波形 。【解解】在在ui正半周正半周,且且ui E时，时，D导通，导通，uo=E=3 V；在在ui正半周，但正半周，但ui E 及及 ui 负半周时，负半周时，D 均截止，均截止，uo=ui。DE3VRuiuo+t t ui/Vuo/V63300 2 2 6第28页，共55页，编辑于2022年，星期一 4.3 稳压管稳压管 稳稳压压管管是是一一种种特特殊殊的的面面接接触触型型半半导导体体硅硅二二极极管管。其其表表示示符符号号如如下下图所示。图所示。稳稳压压管管工工作作于于反反向向击击穿穿区区。从从反反向向特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，反反

27、向向电电压压在在一一定定范范围围内内变变化化时时，反反向向电电流流很很小小。当当反反向向电电压压增增高高到到击击穿穿电电压压时时，反反向向电电流流突突然然剧剧增增，稳稳压压管管反反向向击击穿穿。此此后后，电电流流虽虽然然在在很很大大范范围围内内变变化化，但但稳稳压压管管两两端端的的电电压压变变化化很很小小。利利用用这这一一特特性性，稳压管稳压管在电路中能起作用。在电路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向正向 +反向反向 UZ IZ4.3.1 伏安特性伏安特性 第29页，共55页，编辑于2022年，星期一 由于制造工艺的不同，其反向击穿电压一般比普通二极管低很多（普由于制造工艺的不同

28、，其反向击穿电压一般比普通二极管低很多（普通二极管为数百伏，一般硅稳压管为几伏至几十伏）。通二极管为数百伏，一般硅稳压管为几伏至几十伏）。（1）工作在反向击穿状态，即伏安特性曲线中的第三象限。）工作在反向击穿状态，即伏安特性曲线中的第三象限。稳压管的工作特点稳压管的工作特点:（2）反向击穿是可逆的，当去掉反向电压时，稳压管恢复正常。）反向击穿是可逆的，当去掉反向电压时，稳压管恢复正常。（3）反向击穿特性曲线很陡。）反向击穿特性曲线很陡。（4）稳压管在使用时要串联适当数值的限流电阻，防止造成热击穿而）稳压管在使用时要串联适当数值的限流电阻，防止造成热击穿而损坏。损坏。含稳压管电路的分析含稳压管电

29、路的分析:（1）施加正向电压，稳压管（）施加正向电压，稳压管（PN结）处于导通状态；结）处于导通状态；（2）施加反向电压且小于反向击穿电压，稳压管处于截至状态；）施加反向电压且小于反向击穿电压，稳压管处于截至状态；（3）施加反向击穿电压，稳压管处于稳压状态。）施加反向击穿电压，稳压管处于稳压状态。第30页，共55页，编辑于2022年，星期一 4.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1.稳定电压稳定电压 UZ 4.稳定电流稳定电流 IZ 3.动态电阻动态电阻 rZ2.电压温度系数电压温度系数 U5.最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM【例例例例4.34.3】图中通过稳压管的电流图中通过稳

30、压管的电流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流电阻，其值是否是限流电阻，其值是否合适？合适？IZDZ+20R=1.6 k UZ=12V IZM=18 mAIZIZ IZM，电阻值合适。，电阻值合适。【解解】:返回返回第31页，共55页，编辑于2022年，星期一【*例例 4.3】图市电路，两个稳压管图市电路，两个稳压管VDZ1和和VDZ2，其稳定电压分别为，其稳定电压分别为6.5V和和8.5V，正向压降都是，正向压降都是0.5V。试分析稳压管的状态并求输出电压。试分析稳压管的状态并求输出电压。（b b）因因VDZ1、VDZ2处于反向偏置且出输入电压大于稳压值，故均处于反向偏置且出输入电压大于稳

31、压值，故均处于稳压状态。处于稳压状态。【解解】（a）因）因VDZ2处于处于正向偏置而导通，将正向偏置而导通，将VDZ1反向偏置电压嵌位在反向偏置电压嵌位在0.5V，故，故VDZ1处于截止状态。处于截止状态。UO=0.5VUO=UVDZ1-UVDZ2=6.5-8.5=-2V第32页，共55页，编辑于2022年，星期一4.4 半导体三极管半导体三极管4.4.1 基本结构基本结构N 型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BECN 型硅型硅P 型硅型硅(a)平面型平面型N 型锗型锗ECB铟球铟球铟球铟球PP(b)合金型合金型第33页，共55页，编辑于2022年，星期一1.NPN 型三极管型三极管集电区集

32、电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极 C基极基极 B发射极发射极 EP 不论平面型或合金型，都分成不论平面型或合金型，都分成 NPN 或或PNP 三层，因此又三层，因此又把晶体管分为把晶体管分为 NPN 型和型和 PNP 型两类。型两类。ECB符号符号T第34页，共55页，编辑于2022年，星期一集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区N集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPPN2.PNP 型三极管型三极管CBET符号符号结构特点：结构特点：发射区载流子浓度高，基区薄（载流子浓度）低，集电结发射区载流子浓度高，基区薄（载流子浓度）低，集电结

33、结面积大。结面积大。第35页，共55页，编辑于2022年，星期一4.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理 我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具有放大作用，型管，为了使晶体管具有放大作用，电源电源 EB 和和 EC 的极性必须使的极性必须使发射结上加正向电压发射结上加正向电压(正向偏置正向偏置)，集电结，集电结加反向电压加反向电压(反向偏置反

34、向偏置)。mA AVVmAICECIBIERB+UBE+UCE EBCEB3DG100 设设 EC=6 V，改改变变可可变变电电阻阻 RB，则则基基极极电电流流 IB、集集电电极极电电流流 IC 和和发发射射极极电电流流 IE 都都发发生生变变化化，测测量量结结果果如如下下表：表：1.电流分配电流分配第36页，共55页，编辑于2022年，星期一IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据结论：结论

35、：(1)符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律(2)IC 和和 IE 比比 IB 大得多。大得多。从第三列和第四列的数据可得从第三列和第四列的数据可得 这就是晶体管的电流放大作用。这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流称为共发射极静态电流(直流直流)放大系数。电流放大作用还体现在放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化基极电流的少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化可以引起集电极电流较大的变化 IC。式中，式中，称为称为动态电流动态电流(交流交流)放大系数放大系数第37页，共55页，编辑于2022年，星期一 (3)当当 IB=0(将基极开路将基极开路)时，时，IC=ICEO，

36、表中第表中第1列列数据数据 ICEO 0UBC VB VE对于对于 PNP 型三极管应满足型三极管应满足:UEB 0UCB 0即即 VC VB 0，UBC UBE。ICEC=UCCIBRB+UBE +UCE EBCEB共发射极电路共发射极电路IB=0IC/mAUCE /V1220 A40 A60 A80A100 A1234O369放放 大大 区区 第45页，共55页，编辑于2022年，星期一饱和区饱和区(2)截止区截止区 IB=0 的的曲曲线线以以下下的的区区域域称称为为截截止止区区。IB=0 时时,IC=ICEO(很很小小)。对对 NPN 型型硅硅管管，当当UBE 0.5 V 时时，即即已已

37、开开始始截截止止，但但为为了了使使晶晶体体管管可可靠靠截截止止，常常使使 UBE 0，截截止止时时集集电电结结也也处处于于反反向向偏偏置置(UBC 0)，此此时时,IC 0，UCE UCC。(3)饱和区饱和区 当当 UCE 0)，晶晶体体管管工工作作于于饱饱和和状状态态。在在饱饱和和区区，IC 和和 IB 不不成成正正比比。此此时时，发发射射结结也也处处于于正正向向偏置，偏置，UCE 0，IC UCC/RC。IB=0IC/mAUCE /V1220 A40 A60 A80A100 A1234O369截止区截止区第46页，共55页，编辑于2022年，星期一 当当晶晶体体管管饱饱和和时时，UCE 0

38、，发发射射极极与与集集电电极极之之间间如如同同一一个个开开关关的的接接通通，其其间间电电阻阻很很小小；当当晶晶体体管管截截止止时时，IC 0，发发射射极极与与集集电电极极之之间间如如同同一一个个开开关关的的断断开开，其其间间电电阻阻很很大大，可可见见，晶晶体体管管除除了了有有放放大大作作用用外，还有开关作用。外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示晶体管的三种工作状态如下图所示+UBE 0 ICIB+UCE(a)放大放大 UBC 0+IC 0 IB=0+UCE UCC (b)截止截止 UBC 0 IB+UCE 0 (c)饱和饱和 UBC 0+第47页，共55页，编辑于2022年，星期一

39、 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/VUCE/V UBE/V UBE/V 开始截开始截止止 可靠截止可靠截止硅管硅管(NPN)锗管锗管(PNP)0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值第48页，共55页，编辑于2022年，星期一【例例4.4】在在图图4.17所示的所示的电电路中，路中，UCC=6V，RC=3k，RB=10k，=25。当输入电压。当输入电压Ui分别为分别为3V、1V和和-1V时，试问晶体管处于何种工作状态时，试问晶体管处于何种工作状态？【解解】当晶体

40、管当晶体管处处于于临临界界饱饱和和时时，UCES=0.3V0 当当Ui=3V时，时，晶体管已处于深度饱和状态。晶体管已处于深度饱和状态。当当Ui=1V时，时，晶体管已处于放大状态。，晶体管已处于放大状态。当当Ui=-1V时，时，UBE0,晶体管处于截止状态。晶体管处于截止状态。第49页，共55页，编辑于2022年，星期一5mA【*例例4.5】已知两只晶体管其电流放大系数分别为已知两只晶体管其电流放大系数分别为50和和100，现测得，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示，分别求另一个放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示，分别求另一个电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子

41、的类型。电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子的类型。【解解】由由IE=(1+)IB和和IC=IB可知：可知：在（在（a）图中）图中10010A=1mA，故另一电极，故另一电极为发射极为发射极1.01mA，流出。，流出。NPN型晶体管。型晶体管。在（在（b）图中）图中(50+1)100A=5.1mA，故另一电极为集电极，故另一电极为集电极5mA，流出。，流出。PNP型晶体管。型晶体管。1.01mA第50页，共55页，编辑于2022年，星期一【*例例4.6】三极管各极对公共端电位如图，则处于放大状态的硅三极管各极对公共端电位如图，则处于放大状态的硅三极管是哪一个？三极管是哪一个？【解解】

42、均为均为NPN类型类型（a）图中）图中UBE=-0.1V0，说明是硅管。，说明是硅管。由由VCVBVE，即，即V3V1V2BE=V1-V20，说明，说明NPN型。型。第52页，共55页，编辑于2022年，星期一4.4.4 主要参数主要参数1.电流放大系数电流放大系数 ，当晶体管接成共发射极电路时，在静态当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号无输入信号)时集电极电时集电极电流与基极电流的比值称为流与基极电流的比值称为静态电流静态电流(直流直流)放大放大系数系数 当晶体管工作在动态当晶体管工作在动态(有输入信号有输入信号)时，基极电流的变化量为时，基极电流的变化量为 IB，它引起集电极电流

43、的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC。IC 与与 IB的比值称为的比值称为动态动态电流电流(交流交流)放大系数放大系数 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下较小的情况下,可近似认为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。第53页，共55页，编辑于2022年，星期一2.极间反向漏电流极间反向漏电流 ICBO 是是当当发发射射极极开开路路时时流流经经集集电电结结的反向电流，其值很小。的反向电流，其值很小。集射极反向截止电流集射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，时的集电极电流，也称为

44、也称为穿透电流穿透电流，其值越小越好。，其值越小越好。集基极反向饱和电流集基极反向饱和电流 ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度温度I ICBOCBO A+ECICBO AICEOIB=0+ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。第54页，共55页，编辑于2022年，星期一 集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 基基极极开开路路时时，加加在在集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的最最大大允允许许电电压压，称称为为集集射射反反相相击穿电压击穿电压

45、U(BR)CEO。当当晶晶体体管管因因受受热热而而引引起起的的参参数数变变化化不不超超过过允允许许值值时时，集集电电极极所所消消耗耗的的最最大大功功率率，称称为为集集电电极极最最大大允允许许耗耗散散功率功率 PCM。ICMU(BR)CEOPCM 由由 ICM、U(BR)CEO、PCM 三三者共同确定晶体管的安全工作区。者共同确定晶体管的安全工作区。集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流电流，称为集电极最大允许电流 ICM。3.极限参数极限参数PCM=ICMUCEUCEOIC安安全全 工工 作作 区区第55页，共55页，编辑于2022年，星期一