山東理工大學(xué)模電第一章2X.ppt

(1-1),參考書,1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題集 隨書 2、電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光 主編 高等教育出版社 3、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 余孟嘗 主編 高等教育出版社,(1-2),第一章 常用半導(dǎo)體器件,半導(dǎo)體器件是近代電子學(xué)的重要組成部分. 體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。,復(fù)習(xí),1. 半導(dǎo)體及特性,2. 名詞解釋（6個）,4. * 重點(diǎn)與考點(diǎn)：3-判斷、選擇題,3. 2個*（*1、電流與載流子的關(guān)系；*2、N、P、本征半導(dǎo)體呈中性）,(1-4),N型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價(jià)電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。,(1-5),N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,(1-6),N型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。,3、摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,(1-7),P型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。,(1-8),空穴,P型半導(dǎo)體,硼原子,(1-9),總 結(jié),1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。 N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,(1-10),雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,(1-11),1.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1.2.1 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。,(1-12),P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,空間電荷區(qū),PN結(jié)處載流子的運(yùn)動,(1-13),擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,(1-14),所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,(1-15),空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,(1-16),(1-17),1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。,3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,請注意,(1-18),1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。,PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。,(1-19),PN結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場被削弱， 多子的擴(kuò)散加強(qiáng) 能夠形成較大的 擴(kuò)散電流。,(1-20),PN結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,(1-21),PN結(jié)加上正向電壓,(1-22),(1-23),PN結(jié)伏安特性,在PN結(jié)的兩端加上電壓后，通過管子的電流I隨管子兩端電壓V變化的曲線-伏安特性。,其中 IPN結(jié)二極管的電流(安) IS反向飽和電流(安) u -外加電壓(伏) UT-溫度的電壓當(dāng)量 e自然對數(shù)的底,(1-24),1.2.3 PN結(jié)的反向擊穿特性,1、反向電壓小，很小的反向飽和電流。 2、加到PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加，PN結(jié)的反向擊穿(電擊穿) 、發(fā)生擊穿所需的反向電壓UB 稱為反向擊穿電壓。 、PN結(jié)電擊穿可分為“雪崩擊穿”和“齊納擊穿”兩種類型。,(1-25),PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中電場增強(qiáng)，電子和空穴獲得很大的能量，在運(yùn)動中不斷與晶體原子發(fā)生“碰撞”，當(dāng)電子空穴能量足夠大時，“碰撞”可使價(jià)電子激發(fā)，形成電子空穴對，稱為“碰撞電離”。新產(chǎn)生的電子和空穴，在電場作用下也向相反的方向運(yùn)動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產(chǎn)生電子空穴對，這就是載流子的“倍增效應(yīng)” 。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就象在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。,雪崩擊穿的物理過程,(1-26),(1-27),較高的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存在一個強(qiáng)電場，它能夠直接破壞共價(jià)鍵，將束縛電子拉出來形成電子-空穴對，因而形成較大的反向電流。齊納擊穿一般發(fā)生在雜質(zhì)濃度大的PN結(jié)中。因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也大，因而空間電荷區(qū)很窄， 即使反向電壓不太高，在PN結(jié)內(nèi)就可形成很強(qiáng)的電場，容易形成齊納擊穿。,齊納擊穿的物理過程,(1-28),一般整流二極管摻雜濃度不很高，它的電擊穿多數(shù)是雪崩擊穿。齊納擊穿多數(shù)出現(xiàn)在特殊的二極管中，如穩(wěn)壓二極管。由于擊穿破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕允褂脮r應(yīng)盡量避免出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。,(1-29),1.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。 一是勢壘電容CT 二是擴(kuò)散電容CD,(1-30),(1) 勢壘電容CT,勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。,勢壘電容示意圖,(1-31),擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。,(2) 擴(kuò)散電容CD,反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形 成類似的濃度梯度分布曲線。,(1-32),圖 擴(kuò)散電容示意圖,當(dāng)外加正向電壓 不同時，擴(kuò)散電流即 外電路電流的大小也 就不同。所以PN結(jié)兩 側(cè)堆積的多子的濃度 梯度分布也不同，這 就相當(dāng)電容的充放電 過程。勢壘電容和擴(kuò) 散電容均是非線性電 容。,(1-33),勢壘、擴(kuò)散電容都與結(jié)面積S成正比 點(diǎn)接觸二極管的結(jié)面積很小，CT、CD都很小，只有0.5幾pF。 面結(jié)合型二極管中的整流管，因結(jié)面積大，CT、CD約在幾pF200pF。 在等效電路中，CT和CD是并聯(lián)的，總的結(jié)電容為兩者之和，即 C=CT+CD。當(dāng)PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散電容起主要作用，CCD，當(dāng)PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用，CCT。,(1-34),1.3 半導(dǎo)體二極管,半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型,半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線,半導(dǎo)體二極管的參數(shù),半導(dǎo)體二極管的溫度特性,半導(dǎo)體二極管的型號,特殊二極管,(1-35),1.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),在PN結(jié)上加上引線和外殼，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小， 用于檢波和變頻等高頻電路。,(1-36),(3) 平面型二極管,往往用于集成電路制造工 藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用 于高頻整流和開關(guān)電路中。,(2) 面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用 于工頻大電流整流電路。,(b)面接觸型,(1-37),面接觸型,(1-38),1.3.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性,式中IS 為反向飽和電流，u為二極管兩端的電壓降，UT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300 K），則有UT=26 mV。,處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示,(1.1),(1-39),圖 二極管的伏安特性曲線,圖示,(1-40),(1) 正向特性,硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。,當(dāng)0VVth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。,當(dāng)V0即處于正向特性區(qū)域。 正向區(qū)又分為兩段：,當(dāng)VVth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。,(1-41),(2) 反向特性,當(dāng)V0時，即處于反向特性區(qū)域。 反向區(qū)也分兩個區(qū)域：,當(dāng)VBRV0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS 。,當(dāng)VVBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。,(1-42),在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很?。绘N二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。,從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|7V時, 主要是雪崩擊穿；若|VBR|4V時, 則主要是齊納擊 穿。當(dāng)在4V7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得 零溫度系數(shù)點(diǎn)。,(1-43),伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.1V。,導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。,反向擊穿電壓U(BR),(1-44),1.3.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù),半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓URM、反向電流IR、最高工作頻率fM和結(jié)電容Cj等。幾個主要的參數(shù)介紹如下：,(1) 最大整流電流IF,二極管長期連續(xù)工 作時，允許通過二 極管的最大整流 電流的平均值。,(2) 反向擊穿電壓UBR 和最大反向工作電壓URM,(1-45),(3) 反向電流IR,(4) 正向壓降UF,(5) 動態(tài)電阻rd,在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。,在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。,反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然， rd與工作電流的大小有關(guān)，即 rd =VF /IF,(1-46),vD,rD是二極管特性曲線工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對Q附近的微小變化量的電阻。,(1-47),半導(dǎo)體二極管的型號,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：,(1-48),半導(dǎo)體二極管圖片,(1-49),半導(dǎo)體二極管圖片,(1-50),半導(dǎo)體二極管圖片,(1-51),半導(dǎo)體二極管的溫度特性,溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12，反向電流大約增加一倍。,另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減 小，每增加1，正向壓降VF(VD)大約減小2mV， 即具有負(fù)的溫度系數(shù)。,(1-52),圖 溫度對二極管伏安特性曲線的影響,圖示,(1-53),1.3.4 二極管的模型,1. 理想模型 所謂理想模型，是指在正向偏置時，其管壓降為零，相當(dāng)于開關(guān)的閉合。當(dāng)反向偏置時，其電流為零，阻抗為無窮，相當(dāng)于開關(guān)的斷開。具有這種理想特性的二極管也叫做理想二極管。 在實(shí)際電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的管壓降時，利用此模型分析是可行的。,(1-54),2恒壓降模型 所謂恒壓降模型模型，是指二極管在正向?qū)〞r，其管壓降為恒定值，且不隨電流而變化。硅管的管壓降為0.7V，鍺管的管壓降為0.3V。 只有當(dāng)二極管的電流ID大于等于1ma時才是正確的。 在實(shí)際電路中，此模型的應(yīng)用非常廣泛。,(1-55),例1.3.1 一限幅電路如圖1.3.6（a）所示，R=1k,UREF=3V。（1）當(dāng)ui=0V、6V時，用兩種模型分別求輸出uO的值；（2）當(dāng)ui=6sint V時，畫出輸出電壓uo的波形（用理想模型）。,(1-56),例：二極管的應(yīng)用：,uo,(1-57),1.3.5 穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣,圖見下頁,(b),(1-58),圖 穩(wěn)壓二極管的伏安特性,(a)符號 (b) 伏安特性 (c)應(yīng)用電路,(b),(c),(a),(1-59),從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。,(1) 穩(wěn)定電壓VZ ,(2) 動態(tài)電阻rZ ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。,其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(1-60),(3) 最大耗散功率 PZM ,穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時PN結(jié)的功率損耗為 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以決定IZmax。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作 電流IZmin ,穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin對應(yīng)VZmin。 若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,(1-61),(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)VZ,溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)VZ 7 V時，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。 當(dāng)VZ4 V時， VZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。 當(dāng)4 VVZ 7 V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。,(1-62),穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。,(c),(1-63),光電二極管,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,(1-64),發(fā)光二極管,有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。,(1-65),1.4 半導(dǎo)體三極管,1.4.1 基本結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,(1-66),基區(qū)：較薄，摻雜濃度低,集電區(qū)：面積較大,發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度較高,(1-67),發(fā)射結(jié),集電結(jié),(1-68),雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示。 它有兩種類型:NPN型和PNP型。 圖 兩種極性的雙極型三極管,e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je),c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc),中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極， 用B或b表示（Base）；,一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極， 用E或e表示（Emitter）；,另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極， 用C或c表示（Collector）。,(1-69),雙極型三極管的符號在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。 從外表上看兩個N區(qū),(或兩個P區(qū))是對稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大。基區(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。,(1-70),1.4.2 電流分配和放大原理,EB,RB,Ec,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。,1,進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。,1 載流子傳輸過程,(1-71),EB,RB,Ec,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。,2,(1-72),IB=IBE-ICBOIBE,3,(1-73),(1-74),由載流子的傳輸過程可知，由于電子在基區(qū)的復(fù)合，發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子并非全部到達(dá)集電極，管子制成后，復(fù)合所占的比例就定了。也就是由發(fā)射區(qū)注入的電子傳輸?shù)郊娊Y(jié)所占的百分比是一定的，這個百分比用表示，稱為共基極電流放大系數(shù)。,2 三極管內(nèi)的電流分配關(guān)系,(1-75),IC=Inc+ICBO,(1-76),IE=IB+IC IC=IE+ICBO IB=IB-ICBO IB=(1-)IE,(1-77),雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入, 兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)。,共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;,共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；,3 三極管的放大作用,(1-78),共基極放大電路,Ui=20mv IE l mA IC=IE 當(dāng)=0.98 時，IC098mA UOIC RL098mAlK0.98V,(1-79),三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電區(qū)而實(shí)現(xiàn)的。,(1-80),為了保證這一個傳輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很?。涣硪环矫嬉獫M足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置、集電結(jié)要反向偏置。,(1-81),三極管內(nèi)各個電流之間有確定的分配關(guān)系，所以只要輸入電流(IE) 給定了，輸出電流(IC)和輸出電壓便基本確定了。,(1-82),輸入信號Ui 是首先 通過發(fā)射極的電壓變化改變輸入電流IE的，再利用IE 的變化去控制IC，而表征三極管電流控制作用的參數(shù)就是電流放大系數(shù)。,(1-83),4. 共射極連接方式,設(shè)0.98，當(dāng)Ui 變化20 mV時，能引起基極電流的變化IB =20A,ICIE=0.981mA=0.98mA UC=-ICRL=-0.981K=-0.98V,(1-84),從三極管的輸入電流控制輸出電流這一點(diǎn)看來，這兩種電路的基本區(qū)別是： 共射極電路以基極電流IB作為輸入控制電流,(1-85),共基極電路是以發(fā)射極電流IE作為輸入控制電流。 用IB 作為輸入控制電流的好處是信號源消耗的功率很小。,(1-86),對于共射極電路，研究其放大過程主要是分析集電極電流(輸出電流)與基極電 流(輸入電流)之間的關(guān)系。 共射極和共基極的接法不同。但它們放大信號的物理本質(zhì)是相同的。 通過共基極電流放大系數(shù)來導(dǎo)出表征三極管在共射極接法時放大能力的電流放大系數(shù)(以表示) 。,(1-87),(1-88),共射極電路不但能得到電壓放大，而且還可得到電流放大，所以共射極電路是目前應(yīng)用最廣泛的一種組態(tài),發(fā)射區(qū)每向基區(qū)供給一個復(fù)合用的載流子，就要向集電區(qū)供給多個載流子,(1-89),1.4.3 特性曲線,三極管的特性曲線是指三極管各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)。 由于三極管和二極管一樣也是非線性元件，不能用一個固定的數(shù)值或一個簡單的方程式來表示各電極電壓與電流之間的關(guān)系，所以要用伏安特性曲線對它進(jìn)行描述。 伏安特性不象二極管那樣簡單。 工程上最常用到的是三極的輸入特性和輸出特性曲線。,(1-90),輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const 輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const,1 共發(fā)射極電路的特性曲線,(1-91),這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。 iB是輸入電流，uBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，uCE是輸出電壓，從C、E 兩電極取出。,輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const 輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const,(1-92),共射極電路的特性曲線,IC,實(shí)驗(yàn)線路,(1-93),簡單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和uBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。 為了排除uCE的影響，在討論輸入特性曲線時，應(yīng)使uCE=const(常數(shù))。,uCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部反饋?zhàn)饔媒忉?，即uCE對iB的影響 。,(1-94),共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖。其 中uCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。 當(dāng)vCE1V時， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB 增大，特性曲線將向右稍微移動一些。但vCE再增加時，曲線右移很不明 顯。曲線的右移是三極 管內(nèi)部反饋所致，右移 不明顯說明內(nèi)部反饋很 小。輸入特性曲線的分 區(qū)：死區(qū) 非線性區(qū) 線性區(qū) 圖共射接法輸入特性曲線,(1-95),(2)輸出特性曲線,輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const,(1-96),共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖所示，它是以 iB為參變量的一族特性曲線?，F(xiàn)以其中任何一條加以說明， 當(dāng)uCE=0 V時，因集電極無收集作用，iC=0。當(dāng)uCE稍增大時， 發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓 之下，但集電結(jié)反偏電 壓很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V 集電區(qū)收集電子的能力 很弱，iC主要由vCE決定。 圖共發(fā)射極接法輸出特性曲線,(1-97),當(dāng)uCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時，如 uCE 1 V uBE 0.7 V 運(yùn)動到集電結(jié)的電子 基本上都可以被集電 區(qū)收集，此后uCE再增 加，電流也沒有明顯 的增加，特性曲線進(jìn) 入與uCE軸基本平行的 區(qū)域 (這與輸入特性曲 線隨uCE增大而右移的 圖共發(fā)射極接法輸出特性曲線 原因是一致的),(1-98),輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:,飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE的 數(shù)值較小，一般uCE0.7 V(硅管)。此時 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域， 曲線基本平行等距。 此時，發(fā) 射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于 0.7 V左右(硅管) 。,(1-99),IC(mA ),此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。,當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。,(1-100),此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。,(1-101),此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。,(1-102),半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類: 直流參數(shù) 交流參數(shù) 極限參數(shù) (1)直流參數(shù) 直流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,1.4.4 半導(dǎo)體三極管的參數(shù),(1-103),在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性 曲線上，通過垂直于X軸的直線(uCE=const)來求 取IC / IB ，如圖所示。在IC較小時和IC較大 時， 會有所減小，這一關(guān)系見圖02.08。,圖02.08 值與IC的關(guān)系,圖 在輸出特性曲線上決定,(1-104),2.共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE 顯然 與 之間有如下關(guān)系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ ,(1-105),極間反向電流 1.集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是 Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當(dāng)于 集電結(jié)的反向飽和電流。,2.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO和ICBO有如下關(guān)系 ICEO=（1+ ）ICBO 相當(dāng)基極開路時，集電極和發(fā)射極間的反向 飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng) 的Y坐標(biāo)的數(shù)值。,(1-106),圖 ICEO在輸出特性曲線上的位置,(1-107),(2)交流參數(shù) 交流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const,在放大區(qū) 值基本不變，可在共射接法輸出 特性曲線上，通過垂 直于X 軸的直線求取 IC/IB?；蛟趫D上 通過求某一點(diǎn)的 斜率得到。,圖 在輸出特性曲線上求,(1-108),2.共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const 當(dāng)ICBO和ICEO很小時，、 ，可以不加區(qū)分。,特征頻率fT 三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與 工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號頻率增加時，三極管的將會下降。當(dāng)下降到1時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。,(1-109),(3)極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM,當(dāng)集電極電流增加時， 就 要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的7030 時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電 流ICM。至于值下降多少，不同型號的三極管， 不同的廠家的規(guī)定有 所差別?？梢姡?dāng) ICICM時，并不表 示三極管會損壞。 圖02.08 值與IC的關(guān)系,(1-110),集電極最大允許功率損耗PCM,集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集電結(jié)上。在計(jì)算時往往用VCE取代VCB。,(1-111),反向擊穿電壓,反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電 壓的能力，其測試時的原理電路如圖所示。 圖 三極管擊穿電壓的測試電路,(1-112),1.V(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電壓。 下標(biāo)BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB 代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。,2.V(BR) EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。,3.V(BR)CEO基極開路時集電極和發(fā)射極間的 擊穿電壓。 對于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO,(1-113),由PCM、 ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)，見圖。 圖 輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū),(1-114),1.5 場效應(yīng)晶體管,由于三極管工作時,總是從信號源吸取電流,它是一種電流控制器件,輸入阻抗較低。效應(yīng)管是通過改變輸入電壓（或電場）來控制輸出電流，屬于電壓控制器件。它幾乎不從信號源吸取電流，輸入阻抗很高，可達(dá)1010以上。另外，它還具有穩(wěn)定性好、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。,結(jié)型場效應(yīng)管JFET,絕緣柵型場效應(yīng)管MOS,場效應(yīng)管有兩種:,(1-115),N溝道增強(qiáng)型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖 。其中： D(Drain)為漏極，相當(dāng)c； G(Gate)為柵極，相當(dāng)b； S(Source)為源極，相當(dāng)e。 圖 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖,1.5.1 絕緣柵場效應(yīng)三極管,絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為 增強(qiáng)型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道,(1-116),一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。,(1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET 結(jié)構(gòu),根據(jù)圖， N溝道增強(qiáng) 型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，,(1-117),(1-118),當(dāng)柵極加有電壓時，若 0VGSVGS(th)時，通過柵極和 襯底間的電容作用，將靠近柵極 下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下 方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的 耗盡層。耗盡層中的少子將向表 層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。,工作原理 1柵源電壓VGS的控制作用,當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。,(1-119),VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用 ID=f(VGS)VDS=const 這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖。,進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th) 時（ VGS(th) 稱為開啟電壓)，由于此 時的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近 柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較 多的電子，可以形成溝道，將漏極 和源極溝通。如果此時加有漏源電 壓，就可以形成漏極電流ID。在柵 極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子， 因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性 相反，故稱為反型層。,隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為 增強(qiáng)型MOS管。,(1-120),(1-121),圖 VGS對漏極電流的控制特性轉(zhuǎn)移特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓 對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以 gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下 gm=ID/VGS VDS=const (單位mS),ID=f(VGS)VDS=const,(1-122),2漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,圖 (a) 漏源電壓VDS對溝道的影響,(1-123),當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,當(dāng)VDS增加到使VGS=VGS(th)時，溝道如圖所 示。這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的 情況，稱為預(yù)夾斷。,當(dāng)VDS增加到VGSVGS(th)時，溝道如圖所示。 此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 VDS增加的部分基本 降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。,當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時， VDS對ID的影響， 即ID=f(VDS)VGS=const這一關(guān)系曲線如圖所示。這 一曲線稱為漏極輸出特性曲線。,(1-124),(1-125),(1-126),(1-127),(2)N溝道耗盡型MOSFET,當(dāng)VGS0時，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特 性曲線如下圖所示。,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖 所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。,(1-128),(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線 圖 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu) 和轉(zhuǎn)移特性曲線,(1-129),(1-130),(3)P溝道耗盡型MOSFET,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。,(1-131),1.5.2 結(jié)型場效應(yīng)三極管,(1)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu) JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理則相同。JFET的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。一個P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。 圖結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)）,(1-132),(1-133),(2) 結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理,根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。,(1-134), 柵源電壓對溝道的控制作用,當(dāng)VGS=0時，在漏、源之間加有一定電壓時，在漏、源間將形成多子的漂移運(yùn)動，產(chǎn)生漏極電流。 當(dāng)VGS0時，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏、源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)漏極電流為零時所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。,(1-135),圖 VGS對溝道的