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1、模拟电子教程基础第一章模拟电子教程基础第一章1本讲稿第一页，共八十六页第一章第一章 半导体器件半导体器件 1.1 半导体半导体的特性的特性 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 双极结型三极管双极结型三极管2本讲稿第二页，共八十六页1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体一、导体一、导体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属金属一般都是导体。一般都是导体。二、绝缘体二、绝缘体 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。三、半导体三、半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和
2、绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。1.1 半导体的特性半导体的特性3本讲稿第三页，共八十六页半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。4本讲稿第四页，共八十六页1.1.
3、2 本征半导体本征半导体一、本征半导体结构一、本征半导体结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。最外层电子（价电子）都是四个。5本讲稿第五页，共八十六页本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面
4、体的顶点，每个原子与其相临其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：6本讲稿第六页，共八十六页硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示除去价除去价电子后电子后的原子的原子7本讲稿第七页，共八十六页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束束缚电子缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半
5、导体的导因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，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。构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。列，形成晶体。+4+4+4+48本讲稿第八页，共八十六页二、本征激发二、本征激发在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以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（即运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0
6、，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足在常温下，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，成为够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同，同时共价键上留下一个空位，称为时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴9本讲稿第九页，共八十六页+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子10本讲稿第十页，共八十六页2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当
7、于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由自由电子电子和和空穴空穴。11本讲稿第十一页，共八十六页温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载
8、流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。12本讲稿第十二页，共八十六页1.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使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浓度大大增加。半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。（空穴半导体）。N 型半导体：
9、型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。13本讲稿第十三页，共八十六页一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最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，其中四个与相邻的半导体原子外层有五个价电子，其中四个与相邻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，这样磷原受束缚，很容易被激发而成为自由电
10、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，称为出一个电子，称为施主原子施主原子。14本讲稿第十四页，共八十六页+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电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。自由电子称为子浓度远大于空穴浓
11、度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为，空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。15本讲稿第十五页，共八十六页二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原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，与相邻的子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的
12、带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。16本讲稿第十六页，共八十六页杂质半导体的示意表示法：杂质半导体的示意表示法：P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认。近似认为多子与杂质浓度相等。为多子与杂质浓度相等。17本讲稿第十七页，共八十六页小结小结 1、半导体的导电能力介于导体
13、与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。18本讲稿第十八页，共八十六页1.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了成了PN 结。结。1.
14、2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管一、多子扩散一、多子扩散19本讲稿第十九页，共八十六页P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区区逐渐加宽，空间电荷区越宽。越宽。内电场越强，就使漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。20本讲稿第二十页，共八十六页漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于所
15、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。两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。二、少子漂移二、少子漂移21本讲稿第二十一页，共八十六页+空间电空间电荷区荷区N型区型区P型区型区电位电位VV022本讲稿第二十二页，共八十六页1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴.N区区 中中的电子（的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），数）
16、，数量有限，因此由它们形成的电流很小。量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:23本讲稿第二十三页，共八十六页1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是：P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。24本讲稿第二十四页，共八十六页+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩
17、散电流。的扩散电流。25本讲稿第二十五页，共八十六页二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。RE26本讲稿第二十六页，共八十六页1.2.3 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构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。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号
18、：27本讲稿第二十七页，共八十六页 二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR28本讲稿第二十八页，共八十六页三、主要参数三、主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧增，二极管的单向导电性被破坏，
19、甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般一般是是UBR的一半。的一半。29本讲稿第二十九页，共八十六页3.反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数
20、，二极管的应用是主要利以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。面介绍两个交流参数。30本讲稿第三十页，共八十六页4.微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工作是二极管特性曲线上工作点点Q 附近电压的变化与电流的附近电压的变化与电流的变化之比：变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的微小变附近的微小变化区域内的电阻。化区域内的电阻。31本讲稿第三十一页，共八十六页5.二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容
21、由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒势垒电容电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电势垒电容容。扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流（扩散为了形成正向电流（扩散电流），注入电流），注入P 区的少子（电子）区的少子（电子）在在P 区有浓度差，越靠近区有浓度差，越靠近PN结浓度越结浓度越大，即在大，即在P 区有电子的积累。同理，在区有电子的积累。同理，在N
22、区有空穴的积累。正向电流大，积累区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-N32本讲稿第三十二页，共八十六页CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电容的综合效应容的综合效应rd33本讲稿第三十三页，共八十六页二极管：二极管：死区电压死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想理想二
23、极管：二极管：死区电压死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流34本讲稿第三十四页，共八十六页二极管的应用举例二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo35本讲稿第三十五页，共八十六页1.2.4 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳稳压压误误差差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：rz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。一、结构一、结构二、特性二、特性36本讲稿第三十六页，共八十六页（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳
24、定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗三、稳压二极管的参数三、稳压二极管的参数（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻37本讲稿第三十七页，共八十六页负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发生当输入电压由正常值发生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流解：令输入电压达到上限时，流过稳压管
25、的电流为为Izmax。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。方程方程138本讲稿第三十八页，共八十六页令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin。方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：39本讲稿第三十九页，共八十六页1.2.5 特殊二极管特殊二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加一、光电二极管一、光电二极管40本讲稿第四十页，共八十六页二、二、发光二极管发光二极管有正向电流流过时，有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，发出一
26、定波长范围的光，目前的发光管可以发出目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极它的电特性与一般二极管类似。管类似。41本讲稿第四十一页，共八十六页1.3.1 基本结构和类型基本结构和类型BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型1.3 半导体三极管半导体三极管一、结构一、结构42本讲稿第四十二页，共八十六页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高43本讲稿第四十三页，共
27、八十六页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结二、类型二、类型有有PNP型和型和NPN型；硅管和锗管；大功率管和小型；硅管和锗管；大功率管和小功率管；高频管和低频管。功率管；高频管和低频管。44本讲稿第四十四页，共八十六页1.3.2 三极管的连接方式三极管的连接方式BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形
28、扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。一、共发射极接法一、共发射极接法二、共集电极接法二、共集电极接法三、共基极接法三、共基极接法1.3.3 电流放大原理电流放大原理45本讲稿第四十五页，共八十六页BECNNPEBRBECIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为集子作为集电结的少电结的少子，漂移子，漂移进入集电进入集电结而被收结而被收集，形成集，形成ICE。一、载流子传输过程一、载流子传输过程 发射、复合、收集发射、复合、收集46本讲稿第四十六页，共八十六页IB=IBE
29、-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE二、各极电流关系二、各极电流关系47本讲稿第四十七页，共八十六页48本讲稿第四十八页，共八十六页ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。电结反偏。三、电流放大系数三、电流放大系数49本讲稿第四十九页，共八十六页BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管50本讲稿第五十页，共八十六页1.3.4 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECE
30、B 实验线路实验线路51本讲稿第五十一页，共八十六页一、一、输入特性输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管，锗管0.2V。52本讲稿第五十二页，共八十六页二、二、输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域此区域满足满足IC=IB称称为线性为线性区（放区（放大区）。大区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关
31、，有关，IC=IB。53本讲稿第五十三页，共八十六页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。54本讲稿第五十四页，共八十六页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 56本讲稿第五十六页，共八十六页例：例：=50，USC=12V，RB=
32、70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB=-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 57本讲稿第五十七页，共八十六页例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB=2V时：时：58本讲稿第五十八页，共
33、八十六页USB=5V时时:例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。59本讲稿第五十九页，共八十六页1.3.5 主要参数主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于
34、动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上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的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电相应的集电极电流变化为极电流变化为 IC，则则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为：为：1.电流放大倍数电流放大倍数和和 60本讲稿第六十页，共八十六页例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=61本讲稿第六十一页，共八十六页2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反电结反偏由
35、少偏由少子的漂子的漂移形成移形成的反向的反向电流，电流，受温度受温度的变化的变化影响。影响。62本讲稿第六十二页，共八十六页BECNNPICBOICEO=IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，形成区，形成IBE。根据放大关系，根据放大关系，由于由于IBE的存在，的存在，必有电流必有电流 IBE。集电结反集电结反偏有偏有ICBO3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响受温度影响很大，当温度上很大，当温度上升时，升时，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相应增加。相应增加。三极三极管的温度特性较差管的温度特性较差。63本讲稿第六十三页，共八十六页
36、4.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IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，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三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。64本讲稿第六十四页，共八十六页6.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流
37、过三极管，所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区65本讲稿第六十五页，共八十六页66本讲稿第六十六页，共八十六页1.4 1.4 场效应晶体管场效应晶体管(FET)场效应管场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，属于压控器件。由于它仅靠多子参加导电，又称单极型晶体管单极型晶体管。一、结型场效应管一、结型场效应管(JFET)结型场效应管结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。图1.4.1是N沟道
38、结型场效应管的结构示意图，图1.4.2（a）是N沟道结型场效应管的符号。图1.4.1中，在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极栅极G，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极漏极D，一个称为源极源极S。P区与N区交界面形成耗尽层耗尽层，漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道导电沟道。注意注意：箭头指向是PN结的正偏方向67本讲稿第六十七页，共八十六页图1.4.1 N沟道结型场效应管的结构示意图(a)N沟道管 （b）P沟道管 图1.4.2 结型场效应管的符号 68本讲稿第六十八页，共八十六页(一)结型场效应管的工作原理1、当 （即 、短路）时，导
39、电沟道的控制作用 图1.4.3 时，对导电沟道的控制作用 当 且 时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，如图1.4.3(a)所示。当 增大时，耗尽层加宽，沟道变窄（如图1.4.3(b)所示），沟道电阻增大。当 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失（如图1.4.3(c)所示），沟道电阻趋于无穷大，称此时 的值为夹断电压 。69本讲稿第六十九页，共八十六页2、当 为 0中某一固定值时，对漏极电流的影响。若 ，则有电流 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽。换言之，靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如图1.
40、4.4(a)所示。（a）（b）（c）图1.4.4 且 的情况 70本讲稿第七十页，共八十六页 因为栅漏电压 ，所以当 逐渐增大时，逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。一旦 的增大使 等于 ，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，如图1.4.4(b)所示，称 为预夹断预夹断。若 继续增大，则 ，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长，如图1.4.4(c)所示。因此，当 时，当 增大时 几乎不变，即 几乎仅仅决定于 ，表现出 的恒流性和受控性。71本讲稿第七十一页，共八十六页(二)结型场效应管的特性曲线1、漏极特性（输出特性曲线）描述当栅源电压 为常量时，漏极电流 与漏源电压 之间的函
41、数关系，即 对应于一个 ，就有一条曲线，因此漏极特性为一族曲线，如图1.4.5（b）所示（a）转移特性 （b）漏极特性 图1.4.5 结型场效应管的特性曲线 72本讲稿第七十二页，共八十六页场效应管有三个工作区：(1)可变电阻区可变电阻区：图1.4.5（b）中的虚线为预夹断轨迹预夹断轨迹，它是各条曲线上使 的点连接而成的。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。恒流性和受控性恒流性和受控性利用场效应管作为放大管时，应使其工作在该区域。(3)夹断区夹断区：当 时，导电沟道被夹断，。(2)恒流区（饱和区）恒流区（饱和区）：各曲线近似为一组恒轴的平行线。73本讲稿第七十
42、三页，共八十六页2、转移特性 描述当漏源电压 为常量时，漏极电流 与栅源电压 之间的函数关系，即 当场效应管工作在恒流区时，可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。如图1.4.5（a）所示。可见转移特性曲线与漏极特性曲线有严格的对应关系。】根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可得到恒流区中 的近似表达式为 应当指出应当指出：为保证N N沟道沟道结型场效应管栅源间的耗尽层加反向电压，。74本讲稿第七十四页，共八十六页二、绝缘栅型二、绝缘栅型场效应场效应管管 绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离而得名。又因为栅极为金属铝，故又称为MOS管。MOS管分为四种
43、类型：N沟道耗尽型管、沟道耗尽型管、N沟道增强型管、沟道增强型管、P沟道耗尽型沟道耗尽型管和管和P沟道增强型管。沟道增强型管。下面以N沟道耗尽型管沟道耗尽型管为例进行讲解：（一）结构与符号 B端为衬底，经常与源极短接在一起。(a)结构图；(b)符号图1.4.6 N耗MOS管的结构与符号 75本讲稿第七十五页，共八十六页（二）N沟道的形成（导电粒子为自由电子N型半导体的多子）当不加外电场()时，在二氧化硅层中事先掺入的正离子(带正电荷)由于静电感应能在P型衬底表面处(两N+区之间)感应出同等数量的负电荷(电子)，形成N型导电沟道（又称反型层），把两个N+区连接起来。图1.4.7 N沟道的形成与外
44、电场对N沟道的影响 反型层的形成是MOS管能工作的关键。必须指出必须指出：当不加外电场时N沟道就已经存在，这是耗尽型的特点。76本讲稿第七十六页，共八十六页（三）特性曲线及工作原理(a)转移特性；(b)漏极特性图1.4.8 N耗MOS管的特性曲线 77本讲稿第七十七页，共八十六页1、转移特性 如图1.4.8(a)所示，转移特性曲线与N沟道结型管相仿，不同的是 可以为正值。转移特性反映 对 的控制规律，控制原理可以分四种情况讨论：(1)时，来源于外电场VGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加，由静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，N沟道变宽，沟道电阻减小，漏电流成指数规律的增
45、加。(2)时，N沟道已经存在，因此 不为零，仍记以IDSS ，但不是最大值。(3)时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分SiO2中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电阻增加，从而漏电流ID成指数规律减小。(4)时，SiO2层中的正电荷全部被负电源中和，N沟道中电子全部消失，也就是说N沟道不存在了，沟道电阻为无穷大，漏电流 ，管子截止(夹断)。78本讲稿第七十八页，共八十六页 综上述可知，MOS管与J型管的导电机构不同。J型管利用耗尽区的宽窄度控制漏流 ；而MOS管是利用感应电荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制 的目的。2、漏极特性 如图1.4.8(b)所示，MOS管的漏极特性与
46、J型管类似。对N沟道也有楔形影响。越大，N沟道的楔形程度越严重。一定，楔形一定。改变 大小可改变N沟道的宽窄度，从正到负，即漏极特性曲线由上而下，反映 对 的控制作用。可见，这种管子也有受控性及恒流性，也分三个区。79本讲稿第七十九页，共八十六页三、场效应管的主要参数(一)直流参数 1、夹断电压 ：是指在 为常量情况下，时对应的 值。适用于J型管及耗尽型的MOS管。约有几伏数量级。2、开启电压 是指在 为常量情况下，使 大于零所需要的最小 值。适用于增强型MOS管。3、饱和漏极电流 ：对于耗尽型管，在UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为 。4、直流输入电阻 ：指栅源电压与栅极电流的比值
47、。对于J型管，在107至109；对MOS管一般可达1012至1015。80本讲稿第八十页，共八十六页(二)交流参数 低频跨导 ：（数值大小表示 对 控制作用的强弱）在管子工作在恒流区且 为常量的条件下，的微小变化量 与引起它变化的 之比，称为低频跨导。即 （单位是“S”西门子）是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，与切点的位置密切相关。(三)极限参数1、最大漏极电流 ：是管子正常工作时漏极电流的上限值。2、击穿电压(1)指在漏极特性中使 开始剧增的 值；(2)对J型管，使反向饱和电流开始剧增时所对应的 值。对MOS管，使SiO2绝缘层击穿的 值。81本讲稿第八十一页，共八十六页四、微变等效电路及
48、其参数 根据漏极特性曲线族具有受控性及恒流性，在低频小信号情况下可画出FET简化的等效电路如图1.4.9所示。其中 极性与 的方向、大小是受控关系。即 82本讲稿第八十二页，共八十六页的大小有三种求法。(1)在漏极特性上确定 的方法与相同，如图1.4.10（a）所示。(2)在转移特性上求 ，如图1.4.10（b）所示。可见,的几何意义是过静态工作点Q作外切线的斜率。(3)用计算法求 ：83本讲稿第八十三页，共八十六页（a）在漏极特性上求gm（b）在转移特性上求gm 图1.4.10 求 五、场效应管和双极型三极管的比较 我们在了解场效应管的一般性能以后，下面再把它和双极型三极管相比，作为选用的依
49、据。84本讲稿第八十四页，共八十六页 1、场效应管是电压控制元件，而双极型三极管则是电流控制元件，所以在向信号源基本不取电流的情况下，应该用场效应管；而在信号电压较弱但又允许取一定电流的情况下，应该选用双极型三极管。2、场效应管是利用多数载流子导电(例如N型硅中的自由电子)，而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流子。少数载流子的数目容易受温度或核辐射等外界因素的影响，因此在环境条件变化比较剧烈的情况下，采用场效应管比较合适。场效应管有一个零温度系数工作点，即当栅极电压在某一合适的数值时，不受温度变化的影响。3、场效应管的噪声系数比三极管要小，因此在低噪声放大器的前级，常选用场效应管。85本讲稿第八十五页，共八十六页 6、场效应管的工作频率较低，不适合高频运用。绝缘栅场效应管容易被感应电压击穿，称栅穿。使用和保存时应注意防栅穿，如保存时将各电极短接在一起，焊接时电烙铁要有良好的接地线或断电后利用余热焊接。5、场效应管能在很小的电流、很低的电压条件下工作，故适用于作为小功率无触点开关和由电压控制的可变电阻，而且它的制造工艺便于集成化，因而在电子设备中得到广泛的应用。4、有些场效应管的源极和漏极可以互换，栅极电压可正可负，灵活性比双极型三极管强。86本讲稿第八十六页，共八十六页