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1、会计学1模拟电子技术模拟电子技术(jsh)基础简明教程第三版基础简明教程第三版杨素行杨素行 第一页，共90页。1.1半导体的特性半导体的特性(txng)1.导导体体(dot)：电电阻阻率率 109 cm 物物质质(wzh)。如如橡橡胶、塑料等。胶、塑料等。3.半半导导体体：导导电电性性能能介介于于导导体体和和半半导导体体之之间间的的物物质质。大大多数半导体器件所用的主要材料是硅多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。第1页/共90页第二页，共90页。硅原子结构硅原子结构图图 硅原子结构硅原子结构(a)硅的
2、原子结构图硅的原子结构图最外层最外层(wi cn)电电子称价电子子称价电子 价电子价电子锗原子锗原子(yunz)也是也是 4 价元素价元素4 价价元元素素的的原原子子常常常常用用+4 电电荷荷(dinh)的的正正离离子子和和周周围围 4个价电子表示。个价电子表示。+4(b)简化模型简化模型第2页/共90页第三页，共90页。本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4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(jyu)晶晶体体结结构构的的半半导导体体称为本征半导体。称为本征半导体。将将硅硅或或锗锗材材料料(cilio)提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子
3、子结结构构为为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构(jigu)当当温温度度 T=0 K 时时，半半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。第3页/共90页第四页，共90页。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 本征半导体中的本征半导体中的 自由电子自由电子(z yu din z)和空穴和空穴自由电子自由电子(z yu din z)空穴空穴(kn xu)若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中留下一个空位中留下一个空位空穴。空穴。T 自自由
4、由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但但很很微弱。微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。第4页/共90页第五页，共90页。1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，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，称称为为(chn wi)电子电子-空穴对。空穴对。3.本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子(z yu din z)和和空空穴穴的的浓浓度度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由
5、由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生(chnshng)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(chnshng)与与复复合合运运动动会会达达到到平平衡衡，载载流流子子的的浓浓度度就就一定了。一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。第5页/共90页第六页，共90页。杂质杂质(zzh)(zzh)半导体半导体杂质杂质(zzh)半导体有两半导体有两种种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、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
6、5 价价杂杂质质(zzh)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半导导体体)。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。第6页/共90页第七页，共90页。本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中(qzhng)4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多多余余一一个个电电子子只只受受自自身身原原子子核核吸吸引引，在在室室温温下下即即可可成成为为自由电子。自由电子。自
7、自由由电电子子浓浓度度(nngd)远远大大于于空空穴穴的的浓浓度度(nngd)，即即 n p。电电子子称称为为多多数数载载流流子子(简简称称多多子子)，空空穴穴称称为为少数载流子少数载流子(简称少子简称少子)。第7页/共90页第八页，共90页。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.4N 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构第8页/共90页第九页，共90页。二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4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 3 价价杂杂质质(zzh)元元素素，如硼、镓、铟等，即构成如硼、镓、铟等，即
8、构成 P 型半导体。型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子(dinz)浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子(dinz)为为少少数数载载流子。流子。3 价价杂杂质质(zzh)原原子称为受主原子。子称为受主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构第9页/共90页第十页，共90页。说说明明(shumng)：1.掺掺入入杂杂质质(zzh)的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温度决定少数载流子的浓度。温度决定少数载流子的浓度。3.杂质杂质(zzh)半导体总体上保持电中性。半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方
9、法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体体，因而其导电能力大大改善。因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法第10页/共90页第十一页，共90页。1.2半导体二极管半导体二极管PN 结及其单向结及其单向(dn xin)导导电性电性 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂(chn z)成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂(chn z)成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交
10、交界处就形成了一个特殊的薄层，称为界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成(xngchng)第11页/共90页第十二页，共90页。一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动(yndng)耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩扩 散散(kusn)运动运动2.扩扩 散散 运运 动动(yndng)形形 成成 空空间电荷区间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子的扩散运动。子的扩散运动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。图图 PN第12页/共90页第十三页，共90页。3.空空间间电电荷荷区区产产生生(chnshng)内内电电场
11、场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒；电位壁垒；内电场；内电场阻止内电场；内电场阻止(zzh)多子的扩散多子的扩散 阻挡层。阻挡层。4.漂移漂移(pio y)运动运动内内电电场场有有利利于于少子运动少子运动漂移。漂移。阻挡层阻挡层图图(b)第13页/共90页第十四页，共90页。5.扩散扩散(kusn)与漂移的动态平衡与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加(zngji)；当扩散电流与漂移
12、电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空空间间电电荷荷区区的的宽宽度度(kund)约约为为几几微微米米 几几十微米；十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。第14页/共90页第十五页，共90页。二、二、二、二、PN PN 结的单向结的单向结的单向结的单向(dn(dn xin)xin)导电性导电性导电性导电性1.PN 外加正向外加正向(zhn xin)电压电
13、压又称正向偏置又称正向偏置(pin zh)，简称正偏。简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图图 PN第15页/共90页第十六页，共90页。在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止为防止(fngzh)电流过大，可接入电阻电流过大，可接入电阻 R。2.PN 结外加结外加(wiji)反向电压反向电压(反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向(
14、fngxing)一一致，增强了内电场的作用；致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散散电电流流，电路中产生反向电流电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第16页/共90页第十七页，共90页。空间电荷区空间电荷区图图 反相偏置反相偏置(pin zh)的的 PN 结结反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着着温度升高温度升高(shn o)，IS 将急剧增大。将
15、急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第17页/共90页第十八页，共90页。综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常(fichng)小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结处于截止状态。结处于截止状态。可见，可见，PN 结具有单向导电性。结具有单向导电性。第18页/共90页第十九页，共90页。二极管的伏安二极管的伏安(f n)特性特性将将 PN 结结封封装装在在塑塑料料、玻玻璃璃或或金
16、金属属外外壳壳里里，再再从从 P 区区和和 N 区分别焊出两根引线区分别焊出两根引线(ynxin)作正、负极。作正、负极。二极管的结构二极管的结构(jigu)：(a)外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号符号图图 二极管的外形和符号二极管的外形和符号第19页/共90页第二十页，共90页。半半 导导 体体 二二 极极 管管 的的 类类 型型(lixng)：按按 PN 结结 结结 构构 分分：有有 点点 接接 触触(jich)型型 和和 面面 接接 触触(jich)型二极管。型二极管。点点接接触触(jich)型型管管子子中中不不允允许许通通过过较较大大的的电
17、电流流，因因结结电容小，可在高频下工作。电容小，可在高频下工作。面面接接触触(jich)型型二二极极管管 PN 结结的的面面积积大大，允允许许流流过过的的电流大，但只能在较低频率下工作。电流大，但只能在较低频率下工作。按按用用途途划划分分：有有整整流流(zhngli)(zhngli)二二极极管管、检检波波二二极极管管、稳稳压压二二极极管管、开开关关二二极极管管、发发光光二二极极管管、变变容容二极管等。二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。第20页/共90页第二十一页，共90页。二极管的伏安二极管的伏安(f n)特性特性在在二二极极管管的的两两
18、端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流(dinli)，I=f(U)之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/V正向正向(zhn xin)特性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 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第21页/共90页第二十二页，共90页。1.正向正向(zhn xin)特性特性当当正正向向电电压压比比较较小小时时，正正向向电电流流(dinli)很很小小，
19、几几乎乎为为零。零。相相应应的的电电压压(diny)叫叫死死区区电电压压(diny)。范范围围称称死死区区。死死区区电电压压(diny)与与材材料料和和温温度度有有关关，硅硅管管约约 0.5 V 左右，锗管约左右，锗管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当当正正向向电电压压超超过过死死区区电电压压后后，随随着电压的升高，正向电流迅速增大。着电压的升高，正向电流迅速增大。第22页/共90页第二十三页，共90页。2.反反 向向(fn xin)特性特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当当电电压压超超过过零零
20、点点几几伏伏后后，反反向向电电流流不不随随电电压压增增加加而而增增大大(zn d)，即饱和；，即饱和；二二极极管管加加反反向向电电压压(diny)，反向电流很小；，反向电流很小；如如果果反反向向电电压压继继续续升升高高，大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电电流流会突然增大；会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击击穿穿并并不不意意味味管管子子损损坏坏，若若控控制制击击穿穿电电流流，电电压压降降低低后后，还还可恢复正常。可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)第23页/共90页第二十四页，共90页。3.伏安特性伏安特
21、性(txng)表达式表达式(二极管方程二极管方程)IS：反向饱和电流：反向饱和电流UT：温度的电压当量：温度的电压当量(dngling)在常温在常温(300 K)下，下，UT 26 mV二二极极管管加加反反向向(fn xin)电电压压，即即 U UT，则，则 I -IS。二极管加正向电压，即二极管加正向电压，即 U 0，且，且 U UT，则，则，可得，可得 ，说明电流，说明电流 I 与电压与电压 U 基本上成指数关系。基本上成指数关系。第24页/共90页第二十五页，共90页。结结论论(jiln)：二二极极管管具具有有单单向向导导电电性性。加加正正向向电电压压(diny)时时导导通通，呈呈现现很
22、很小小的的正正向向电电阻阻，如如同同开开关关闭闭合合；加加反反向向电电压压(diny)时时截截止止，呈呈现现很很大大的的反反向向电电阻阻，如如同同开开关断开。关断开。从从二二极极管管伏伏安安特特性性曲曲线线可可以以(ky)(ky)看看出出，二二极极管管的的电电压压与与电电流流变变化化不不呈呈线线性性关关系系，其其内内阻阻不不是是常常数数，所所以以二二极极管管属属于非线性器件。于非线性器件。第25页/共90页第二十六页，共90页。二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流最大整流(zhngli)电流电流 IF 二极管长期运行时，允许二极管长期运行时，允许(ynx)通过的最大正向平均电流。通过的
23、最大正向平均电流。2.最最高高反反向向(fn xin)工工作作电电压压 UR工工作作时时允允许许加加在在二二极极管管两两端端的的反反向向电电压压值值。通通常常将将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR。3.反向电流反向电流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4.最高工作频率最高工作频率 fMfM 值值主主要要 决决定定于于 PN 结结结结电电容容的的大大小小。结结电电容容愈愈大大，二二极极管允许的最高工作频率愈低。管允许的最高工作频率愈低。第26页/共90页第二十七页，共90页。二极管的电容二极管的电容(dinrng)效效应应当二极管上的电压发生变化时，当二
24、极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷(dinh)量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括电容效应包括(boku)两部分两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1.势垒电容势垒电容是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加正向电压结加正向电压（b)PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+UV第27页/共90页第二十八页，共90页。空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，如如同同(rtng)电容的放电和充
25、电过程。电容的放电和充电过程。势垒电容的大小势垒电容的大小(dxio)可用下式表示：可用下式表示：由由于于 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 U 而而变变化化，因因此此势势垒垒电电容容 Cb不不是是(b shi)一一个个常常数数。其其 Cb=f(U)曲线如图示。曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S：结面积；：结面积；l：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OUCb图图 1.2.8第28页/共90页第二十九页，共90页。2.扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累是由多数载流子在扩散过程中积累(jli)而引起的。而引起的。在在某某个个正正向向电电
26、压压下下，P 区区中中的的电电子子浓浓度度 np(或或 N 区区的的空空穴穴浓浓度度 pn)分布分布(fnb)曲线如图中曲线曲线如图中曲线 1 所示。所示。x=0 处处为为 P 与与 N 区的交界处区的交界处当当电电压压加加大大，np(或或 pn)会会升升高高(shn o)，如如曲曲线线 2 所所示示(反反之之浓浓度度会会降低降低)。OxnPQ12 Q当当加加反反向向电电压压时时，扩扩散散运运动动被被削削弱弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。Q正正向向电电压压时时，变变化化载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生变变化化，相相当当于于电电容容器器充充电电和和放放电电的的过过程程 扩
27、散电容效应。扩散电容效应。图图 第29页/共90页第三十页，共90页。综上所述：综上所述：PN 结结总总的的结结电电容容 Cj 包包括括势势垒垒电电容容 Cb 和和扩扩散散电电容容 Cd 两两部部分分。一一般般来来说说，当当二二极极管管正正向向(zhn xin)偏偏置置时时，扩扩散散电电容容起起主主要要作作用用，即即可可以以认认为为 Cj Cd；当当反反向向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值值都都很很小小，通通常常(tngchng)为为几几个个皮皮法法 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。几十皮法，有些结面积大的二
28、极管可达几百皮法。第30页/共90页第三十一页，共90页。稳压管稳压管一一种种(y(y zhn)zhn)特特殊殊的的面接触型半导体硅二极管。面接触型半导体硅二极管。稳稳压压管管工工作作(gngzu)(gngzu)于于反反向击穿区。向击穿区。I/mAU/VO+正向正向 +反向反向 U(b)(b)稳压管符号稳压管符号(fho)(fho)(a)稳压管伏安特性稳压管伏安特性+I图图 稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号第31页/共90页第三十二页，共90页。稳压管的参数稳压管的参数(cnsh)(cnsh)主要有以下几项：主要有以下几项：1.稳定稳定(wndng)电电压压 UZ3.动态动态(dn
29、gti)电阻电阻 rZ2.稳定电流稳定电流 IZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正正常常工工作作的的参参考考电电流流。I IZ，只要不超过额定功耗即可。，只要不超过额定功耗即可。rZ 愈愈小小愈愈好好。对对于于同同一一个个稳稳压压管管，工工作作电电流流愈愈大，大，rZ 值愈小。值愈小。IZ=5 mA rZ 16 IZ=20 mA rZ 3 IZ/mA第32页/共90页第三十三页，共90页。4.电压温度电压温度(wnd)系数系数 U 稳压管的参数主要稳压管的参数主要(zhyo)(zhyo)有以下几项：有以下几项：稳稳压压管管电电流流不不变变时时，环
30、环境境温温度度每每变变化化 1 引引起起稳稳定定(wndng)电压变化的百分比。电压变化的百分比。(1)UZ 7 V,U 0；UZ 4 V，U 0；(2)UZ 在在 4 7 V 之间，之间，U 值比较小，性能比较稳定。值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ =9 10.5 V，U =0.09%/2CW11：UZ =3.2 4.5 V，U =(0.05 0.03)%/(3)2DW7 系系列列为为温温度度补补偿偿稳稳压压管管，用用于于电电子子设设备备的的精精密密稳稳压源中。压源中。第33页/共90页第三十四页，共90页。2DW7 系列系列(xli)稳压管结构稳压管结构(a)2DW7(a)2DW7
31、 稳压管外形稳压管外形(wi xn)(wi xn)图图(b)内部结构示意图内部结构示意图管管子子(gun zi)内内部部包包括括两两个个温温度度系系数数相相反反的的二二极极管管对对接接在在一一起。起。温温度度变变化化时时，一一个个二二极极管管被被反反向向偏偏置置，温温度度系系数数为为正正值值；而而另另一一个个二二极极管管被被正正向向偏偏置置，温温度度系系数数为为负负值值，二二者者互互相相补补偿偿，使使 1、2 两两端端之之间间的的电电压压随随温温度度的的变变化化很很小小。例例：2DW7C，U =0.005%/图图 2DW7 稳压管稳压管第34页/共90页第三十五页，共90页。5.额定额定(dn
32、g)功功耗耗 PZ额额定定功功率率(dn n l)决决定定于于稳压管允许的温升。稳压管允许的温升。PZ=UZIZPZ 会会转转化化(zhunhu)为为热热能能，使使稳稳压压管管发发热。热。电工手册中给出电工手册中给出 IZM，IZM=PZ/UZ 例例 求求通通过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ 等等于于多多少少？R 是是限限流流电电阻阻，其值是否合适？其值是否合适？IZVDZ+20 VR=1.6 k+UZ=12 V IZM=18 mA例题电路图例题电路图IZ IZM，电阻值合适。，电阻值合适。解解 第35页/共90页第三十六页，共90页。VDZR使用使用(shyng)稳压管需要注意的几个问题：
33、稳压管需要注意的几个问题：图图 稳压管电路稳压管电路(dinl)UOIO+IZIRUI+1.外外 加加 电电 源源 的的 正正 极极 接接 管管(jigun)子子的的 N 区区，电电源源的的负负极极接接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；区，保证管子工作在反向击穿区；RL2.稳稳压压管管应应与与负负载载电电阻阻 RL 并并联联；3.必必须须限限制制流流过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ，不不能能超超过过规规定定值值，以以免免因因过过热而烧毁管子。热而烧毁管子。第36页/共90页第三十七页，共90页。1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称又称半导体三极管、晶体管
34、，或简称(jinchng)为三极管。为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三三极极管管的的外外形形(wi xn)如如下下图图所所示。示。三三极极管管有有两两种种类类型型：NPN 和和 PNP 型型。主主要要以以 NPN 型型为为例进行例进行(jnxng)讨论。讨论。图图 三极管的外形三极管的外形第37页/共90页第三十八页，共90页。三极管的结构三极管的结构(jigu)常常用用的的三三极极管管的的结结构构有有硅硅平平面面(pngmin)管管和和锗锗合合金管两种类型。金管两种类型。图三极管的结构图三极管的结构(jigu)(a)平面型平面型(NPN)(b)合金型合金型
35、(PNP)NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发发射射极极，b基基极极，c 集集电极。电极。第38页/共90页第三十九页，共90页。平面型平面型(NPN)三极管制作三极管制作(zhzu)工艺工艺NcSiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散ePN在在 N 型型硅硅片片(集集电电区区)氧氧化化膜膜上上刻刻一一个个窗窗口口，将将硼硼杂杂质质(zzh)进进行行扩扩散散形形成成 P 型型(基基区区)，再再在在 P 型型区区上上刻刻窗窗口口，将将磷磷杂杂质质(zzh)进进行行扩扩散散形形成成N型型的的发发射射区区。引引出出三三个个电电极极即可。即可。合合金金型型三三极极管管制制作作工工艺艺：在在 N 型型锗
36、锗片片(基基区区)两两边边各各置置一一个个铟铟球球，加加温温铟铟被被熔熔化化并并与与 N 型型锗锗接接触触(jich)，冷冷却却后后形形成成两两个个 P 型型区区，集电区接触集电区接触(jich)面大，发射区掺杂浓度高。面大，发射区掺杂浓度高。第39页/共90页第四十页，共90页。图图 三极管结构三极管结构(jigu)示意图和符号示意图和符号(a)NPN 型型ecb符号符号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集电极集电极 c基极基极(j j)b发射极发射极 eNNP第40页/共90页第四十一页，共90页。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集电极集电极
37、c发射极发射极 e基极基极(j j)bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型第41页/共90页第四十二页，共90页。三极管的放大三极管的放大(fngd)作作用用和载流子的运动和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论(toln)图三极管中的两个图三极管中的两个(lin)PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实现三极管若实现放大，必须从放大，必须从三极三极管内部结构管内部结构和和外外部所加电源的极部所加电源的极性性来保证。来保证。不不具具备备放大作用放大作用第42页/共90页第四十三页，共90页。三三 极
38、极 管管 内内 部部 结结 构构 要要 求求(yoqi)：NNPebcN N NP P P1.发射区高掺杂发射区高掺杂(chn z)。2.基基区区做做得得很很薄薄。通通常常只只有有几几微微米米到到几几十十微微米米，而而且且(r qi)掺杂较少。掺杂较少。三三极极管管放放大大的的外外部部条条件件：外外加加电电源源的的极极性性应应使使发发射射结结处于正向偏置处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。第43页/共90页第四十四页，共90页。becRcRb三极管中载流子运动三极管中载流子运动(yndng)过程过程I EIB1.发发射射发
39、发射射区区的的电电子子(dinz)越越过过发发射射结结扩扩散散到到基基区区，基基区区的的空空穴穴扩扩散散到到发发射射区区形形成成发发射射极极电电流流 IE(基基区区多多子子数数目目较较少少，空穴电流可忽略空穴电流可忽略)。2.复复合合和和扩扩散散电电子子到到达达基基区区，少少数数与与空空穴穴(kn xu)复复合合形形成成基基极极电电流流 Ibn，复复 合合 掉掉 的的 空空 穴穴(kn xu)由由 VBB 补充。补充。多多数数电电子子在在基基区区继继续续扩扩散散，到达集电结的一侧。到达集电结的一侧。图图 三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动第44页/共90页第四十五页，共90页。becI
40、EI BRcRb三极管中载流子运动三极管中载流子运动(yndng)过程过程3.收收集集集集电电结结反反偏偏，有有利利于于收收集集基基区区扩扩散散过过来来的的电电子子(dinz)而而形形成成集集电电极极电流电流 Icn。其其能能量量来来自自外外接接电电源源 VCC。I C另另外外，集集电电区区和和基基区区的的少少子子在在外外电电场场的的作作用用下下将将进进行行 漂漂 移移 运运 动动 而而 形形 成成(xngchng)反反向向饱饱和和电电流流，用用ICBO表示。表示。ICBO图图 三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动第45页/共90页第四十六页，共90页。beceRcRb三极管的电流三极管的
41、电流(dinli)分配关系分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp一一般般要要求求 ICn 在在 IE 中中占占的的比比例例(bl)尽尽量量大大。而而二二者者之之比比称称直直流流电电流流放放大大系系数数，即即一般一般(ybn)可达可达 0.95 0.99第46页/共90页第四十七页，共90页。三个极的电流之间满足三个极的电流之间满足(mnz)节点电流定律，即节点电流定律，即IE=IC+IB代入代入(1)式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。第47页/共90页第四十八页，共90页。上式中
42、的后一项常用上式中的后一项常用(chn yn)ICEO 表示，表示，ICEO 称穿透电称穿透电流。流。当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略(hl)ICEO，则由上式可，则由上式可得得共共射射直直流流电电流流放放大大系系数数 近近似似等等于于 IC 与与 IB 之之比比。一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。第48页/共90页第四十九页，共90页。三极管的电流三极管的电流(dinli)分配关系分配关系一组三极管电流关系一组三极管电流关系(gun x)典型数据典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.
43、14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961.任何一列电流关系任何一列电流关系(gun x)符合符合 IE=IC+IB，IB IC 0(2)UCE 0 时的输入特性时的输入特性(txng)(txng)曲线曲线当当 UCE UCE 0 0 时时，这这个个电电压压有有利利于于将将发发射射区区扩扩散散到到基基区区的电子的电子(dinz)(dinz)收集到集电极。收集到集电极。UCE UBE，三三极极管管处处于于(chy)放放大状态。大状态。*特性右移特性右移(因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子)OIB/AUCE 1 时的输入特
44、性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特特性性曲线重合。曲线重合。图图 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图图 三极管的输入特性三极管的输入特性第54页/共90页第五十五页，共90页。二、输出特性二、输出特性图图 NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线(qxin)IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321划划分分(hu fn)三三个个区区：截止区、放大区和饱和区。截止区、放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱和区饱和区放放大大
45、区区1.截截 止止(jizh)区区 IB 0 的区域。的区域。两个结都处于反向偏置。两个结都处于反向偏置。IB=0 时时，IC=ICEO。硅硅管管约约等等于于 1 A，锗锗管管约约为几十为几十 几百微安。几百微安。截止区截止区截止区截止区第55页/共90页第五十六页，共90页。2.放大放大(fngd)区：区：条件条件(tiojin)：发射结：发射结正偏正偏集电结反偏集电结反偏特特点点：各各条条输输出出特特性性曲曲线线比比较较(bjio)平平坦坦，近近似似为为水水平线，且等间隔。平线，且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5
46、10 154321放放大大区区集集电电极极电电流流和和基基极极电电流流体体现放大作用，即现放大作用，即放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特特点点：IC 基基本本上上不不随随 IB 而而变变化化，在在饱饱和和区区三三极极管管失失去去放放大大(fngd)作作用用。I C IB。当当 UCE=UBE，即即 UCB=0 时时，称称临临界界饱饱和和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管)，UCES 0.2 V(锗管锗管)饱和区饱和区饱和区饱和区饱和区饱和区第57页/共90页第五十八页，共90页。三极管的
47、主要参数三极管的主要参数三极管的连接三极管的连接(linji)方式方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法共基极接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共发射极接法共发射极接法图图 NPN 三极管的电流放大三极管的电流放大(fngd)关系关系一、电流一、电流(dinli)放大系数放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：第58页/共90页第五十九页，共90页。1.共射电流共射电流(dinli)放大放大系数系数 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数忽略忽略(hl)穿透电流穿透电流 ICEO 时，时，3.共基电流共基
48、电流(dinli)放大系放大系数数 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时，时，和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：第59页/共90页第六十页，共90页。二、反向二、反向(fn xin)饱和电流饱和电流1.集电极和基极集电极和基极(j j)之间的反向饱和电流之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向集电极和发射极之间的反向(fn xin)饱和电流饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电测量电路路(b)ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小小功功率率
49、锗锗管管 ICBO 约约为为几几微微安安；硅硅管管的的 ICBO 小小，有有的的为为纳纳安安数数量级。量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流。之间的电流。值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。图图 反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路第60页/共90页第六十一页，共90页。三、三、极限极限(jxin)参数参数1.集电极最大允许集电极最大允许(ynx)电流电流 ICM 当当 IC 过过大大时时，三三极极管管的的 值值要要减减小小。在在 IC=ICM 时时，值值下降下降(xijing)到额定值的三分之二。到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率
50、集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区 将将 IC 与与 UCE 乘乘积积等等于于规规定定的的 PCM 值值各各点点连连接接起起来来，可得一条双曲线。可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区图图 三极管的安全工作区三极管的安全工作区第61页/共90页第六十二页，共90页。3.极极 间间 反反 向向 击击 穿穿(j chun)电压电压外加外加(wiji)在三极管各电极之间的最大允许反向电压。在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(B