楊素行 第三版 模擬電子技術基礎簡明教程課件 第一章

第一章

半導體器件1.1半導體的特性1.2半導體二極管1.3雙極型三極管(BJT)1.4場效應三極管1.1半導體的特性

1.導體：電阻率

<10-4

·

cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。2.絕緣體：電阻率

>109·

cm物質(zhì)。如橡膠、塑料等。3.半導體：導電性能介于導體和半導體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。半導體導電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。硅原子結(jié)構(gòu)圖1.1.1硅原子結(jié)構(gòu)(a)硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱價電子價電子鍺原子也是4價元素4價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型1.1.1

本征半導體

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖1.1.2單晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)當溫度T=0

K時，半導體不導電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.3本征半導體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T

，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱。空穴可看成帶正電的載流子。1.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。3.本征半導體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni

=pi

。4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。1.1.2雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體有兩種N型半導體P型半導體一、N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導體(或稱電子型半導體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。本征半導體摻入5價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.4N型半導體的晶體結(jié)構(gòu)二、P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n。空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.5P型半導體的晶體結(jié)構(gòu)說明：1.摻摻入雜質(zhì)質(zhì)的濃度度決定多多數(shù)載流流子濃度度；溫度度決定少少數(shù)載流流子的濃濃度。3.雜雜質(zhì)半導導體總體體上保持持電中性性。4.雜雜質(zhì)質(zhì)半導導體的的表示示方法法如下下圖所所示。。2.雜質(zhì)半半導體體載流子子的數(shù)數(shù)目要遠遠遠高于于本征征半導導體，，因而而其導導電能能力大大大改改善。。(a)N型型半導導體(b)P型型半導導體圖1.1.6雜雜質(zhì)半半導體體的的的簡化化表示示法1.2半半導體體二極極管1.2.1PN結(jié)結(jié)及及其單單向?qū)щ娦孕栽谝粔K塊半導導體單單晶上上一側(cè)側(cè)摻雜雜成為為P型型半導導體，，另一一側(cè)摻摻雜成成為N型型半半導體體，兩兩個區(qū)區(qū)域的的交界界處就就形成成了一一個特特殊的的薄層層，稱為PN結(jié)結(jié)。PNPN結(jié)圖1.2.1PN結(jié)結(jié)的的形成成一、PN結(jié)結(jié)中載載流子子的運運動耗盡層層空間電荷區(qū)PN1.擴擴散散運動動2.擴擴散散運動動形成成空間間電荷荷區(qū)電子和和空穴穴濃度度差形形成多數(shù)載載流子子的擴擴散運運動。。——PN結(jié)結(jié)，耗耗盡層層。圖1.2.1PN3.空空間間電荷荷區(qū)產(chǎn)產(chǎn)生內(nèi)內(nèi)電場場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場UD空間電電荷區(qū)區(qū)正負負離子子之間間電位位差UD——電位壁壁壘；——內(nèi)電場場；內(nèi)電電場阻阻止多多子的的擴散散——阻擋層層。4.漂漂移移運動動內(nèi)電場場有利利于少少子運運動——漂移。。少子的的運動動與多多子運運動方方向相相反阻擋層圖1.2.1(b)5.擴擴散散與漂漂移的的動態(tài)態(tài)平衡衡擴散運運動使使空間間電荷荷區(qū)增增大，，擴散散電流流逐漸漸減小小；隨著內(nèi)內(nèi)電場場的增增強，，漂移移運動動逐漸漸增加加；當擴散散電流流與漂漂移電電流相相等時時，PN結(jié)結(jié)總總的電電流空間電電荷區(qū)區(qū)的寬寬度約約為幾幾微米米~幾幾十微微米；；等于零零，空空間電電荷區(qū)區(qū)的寬寬度達達到穩(wěn)穩(wěn)定。。即擴散運運動與與漂移運運動達達到動動態(tài)平平衡。。電壓壁壁壘UD，硅材材料約約為(0.6~0.8)V,鍺材料料約為為(0.2~0.3)V。二、PN結(jié)結(jié)的單單向?qū)щ娦孕?.PN外加正正向電電壓又稱正正向偏偏置，，簡稱稱正偏偏。外電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。圖1.2.2PN在PN結(jié)結(jié)加加上一一個很很小的的正向向電壓壓，即即可得得到較較大的的正向向電流流，為為防止止電流流過大大，可可接入入電阻阻R。2.PN結(jié)結(jié)外加反反向電電壓(反偏)反向接接法時時，外外電場場與內(nèi)內(nèi)電場場的方方向一一致，，增強強了內(nèi)內(nèi)電場場的作作用；；外電場場使空空間電電荷區(qū)區(qū)變寬寬；不利于于擴散散運動動，有有利于于漂移移運動動，漂漂移電電流大大于擴擴散電電流，，電路路中產(chǎn)產(chǎn)生反反向電電流I；由于少少數(shù)載載流子子濃度度很低低，反反向電電流數(shù)數(shù)值非非常小小?？臻g電荷區(qū)圖1.2.3反反相偏偏置的的PN結(jié)結(jié)反向電電流又又稱反向飽飽和電電流。對溫度度十分分敏感感，隨著溫溫度升升高，，IS將急劇劇增大大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS綜上所所述：：當PN結(jié)結(jié)正正向偏偏置時時，回回路中中將產(chǎn)產(chǎn)生一一個較較大的的正向向電流流，PN結(jié)結(jié)處于于導通狀狀態(tài)；當PN結(jié)結(jié)反向向偏置置時，，回路路中反反向電電流非非常小小，幾幾乎等等于零零，PN結(jié)結(jié)處于于截止狀狀態(tài)。可見，，PN結(jié)結(jié)具具有單向?qū)щ娦孕浴?.2.2二極管管的伏伏安特特性將PN結(jié)結(jié)封封裝在在塑料料、玻玻璃或或金屬屬外殼殼里，，再從從P區(qū)區(qū)和N區(qū)區(qū)分分別焊焊出兩兩根引引線作作正、、負極極。二極管管的結(jié)結(jié)構(gòu)：：(a)外形圖圖半導體體二極極管又又稱晶晶體二二極管管。(b)符號圖1.2.4二二極管管的外外形和和符號號半導體體二極極管的的類型型：按PN結(jié)結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)分：有點接接觸型型和面面接觸觸型二二極管管。點接觸觸型管管子中中不允允許通通過較較大的的電流流，因因結(jié)電電容小小，可可在高高頻下下工作作。面接觸觸型二二極管管PN結(jié)結(jié)的的面積積大，，允許許流過過的電電流大大，但但只能能在較較低頻頻率下下工作作。按用途途劃分分：有整流流二極極管、、檢波波二極極管、、穩(wěn)壓壓二極極管、、開關關二極極管、、發(fā)光光二極極管、、變?nèi)萑荻O極管等等。按半導導體材材料分分：有硅二二極管管、鍺鍺二極極管等等。二極管管的伏伏安特特性在二極極管的的兩端端加上上電壓壓，測測量流流過管管子的的電流流，I=f(U)之間的的關系系曲線線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特特性硅管的的伏安安特性性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0圖1.2.4二二極管管的伏伏安特特性1.正正向向特性性當正向向電壓壓比較較小時時，正正向電電流很很小，，幾乎乎為零零。相應的的電壓壓叫死區(qū)電電壓。范圍圍稱死區(qū)。。死區(qū)區(qū)電壓壓與材料料和溫溫度有有關，，硅管管約0.5V左左右右，鍺鍺管約約0.1V左左右。。正向特特性死區(qū)電電壓60402000.40.8I/mAU/V當正向向電壓壓超過過死區(qū)區(qū)電壓壓后，，隨著著電壓壓的升升高，，正向向電流流迅速速增大大。2.反反向向特性性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性當電壓壓超過過零點點幾伏伏后，，反向向電流流不隨隨電壓壓增加加而增增大，，即飽飽和；；二極管管加反反向電電壓，，反向向電流流很小??；如果反反向電電壓繼繼續(xù)升升高，，大到到一定定數(shù)值值時，，反向向電流流會突突然增增大；；反向飽和電流這種現(xiàn)現(xiàn)象稱稱擊穿，對應應電壓壓叫反向擊擊穿電電壓。擊穿并并不意意味管管子損損壞，，若控控制擊擊穿電電流，，電壓壓降低低后，，還可可恢復復正常常。擊穿電壓U(BR)3.伏伏安安特性性表達達式(二極極管方方程)IS：反向向飽和和電流流UT：溫度度的電電壓當當量在常溫溫(300K)下，UT26mV二極管管加反反向電電壓，，即U<0，且且|U|>>UT，則I-IS。二極管加正向電壓，即U>0，且U>>UT

，則，可得，說明電流I與電壓U基本上成指數(shù)關系。結(jié)論：：二極管管具有有單向向?qū)щ婋娦?。。加正正向電電壓時時導通通，呈呈現(xiàn)很很小的的正向向電阻阻，如如同開開關閉閉合；；加反反向電電壓時時截止止，呈呈現(xiàn)很很大的的反向向電阻阻，如如同開開關斷斷開。。從二極管管伏安特特性曲線線可以看看出，二二極管的的電壓與與電流變變化不呈呈線性關關系，其其內(nèi)阻不不是常數(shù)數(shù)，所以以二極管管屬于非非線性器器件。1.2.3二二極管的的主要參參數(shù)1.最最大整流流電流IF二極管長長期運行行時，允允許通過過的最大大正向平平均電流流。2.最最高反向向工作電電壓UR工作時允允許加在在二極管管兩端的的反向電電壓值。通常將將擊穿電電壓UBR的一半定定義為UR。3.反反向電流流IR通常希望望IR值愈小愈愈好。4.最最高工作作頻率fMfM值主要決決定于于PN結(jié)結(jié)結(jié)電容的的大小。。結(jié)電容愈愈大，二二極管允允許的最最高工作作頻率愈愈低。二極管規(guī)規(guī)格表上上列舉的的參數(shù)及及說明

SYMBOLPARAMETERLIMITINGVALUESVRRMrepetitivepeakreversevoltageVRcontinuousreversevoltageIF(AV)

averageforwardcurrentIFRMrepetitivepeakforwardcurrentIFSM

non-repetitivepeakforwardcurrentERSMnon-repetitivepeakreverseavalancheenergyTstgstoragetemperatureTjjunctiontemperatureELECTRICALCHARACTERISTICSVF

forwardvoltageV(BR)R

reverseavalanchebreakdownvoltageIR

reversecurrenttrr

reverserecoverytimeCddiodecapacitanceTHERMALCHARACTERISTICSRthj-tp

thermalresistancefromjunctiontotie-pointRthj-a

thermalresistancefromjunctiontoambient*1.2.4二二極管管的電容容效應當二極管管上的電電壓發(fā)生生變化時時，PN結(jié)中中儲存的的電荷量量將隨之之發(fā)生變變化，使使二極管管具有電電容效應應。電容效應應包括兩兩部分勢壘電容容擴散電容容1.勢勢壘電電容是由PN結(jié)結(jié)的空間間電荷區(qū)區(qū)變化形形成的。。(a)PN結(jié)結(jié)加正向向電壓（b)PN結(jié)結(jié)加反向向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV空間電荷荷區(qū)的正正負離子子數(shù)目發(fā)發(fā)生變化化，如同同電容的的放電和和充電過過程。勢壘電容容的大小小可用下下式表示示：由于PN結(jié)結(jié)寬度l隨外加電電壓U而變化，，因此勢壘電容容Cb不是一個個常數(shù)。其Cb=f(U)曲線如圖圖示。：半導體體材料的的介電比比系數(shù)；；S：結(jié)面積積；l：耗盡層層寬度。。OUCb圖1.2.82.擴擴散電電容CdQ是由多數(shù)數(shù)載流子子在擴散散過程中中積累而而引起的的。在某個正正向電壓壓下，P區(qū)中中的電子子濃度np(或N區(qū)區(qū)的空空穴濃度度pn)分布曲線線如圖中中曲線1所所示。x=0處處為P與與N區(qū)區(qū)的交交界處當電壓加加大，np(或pn)會升高，，如曲線線2所所示(反之濃度度會降低低)。OxnPQ12Q當加反向向電壓時時，擴散散運動被被削弱，，擴散電電容的作作用可忽忽略。Q正向電壓壓時，變變化載流流子積累累電荷量量發(fā)生變變化，相相當于電電容器充充電和放放電的過過程———擴擴散電容容效應。。圖1.2.9綜上所述述：PN結(jié)結(jié)總的結(jié)結(jié)電容Cj包括勢壘壘電容Cb和擴散電電容Cd兩部分。。一般來來說，當當二極管管正向偏偏置時，，擴散電電容起主主要作用用，即可可以認為為CjCd；當反向向偏置時時，勢壘壘電容起起主要作作用，可可以認為為CjCb。Cb和Cd值都很小小，通常常為幾個個皮法~幾幾十皮法法，有些些結(jié)面積積大的二二極管可可達幾百百皮法。。1.2.5穩(wěn)穩(wěn)壓管一種特殊殊的面接接觸型半半導體硅硅二極管管。穩(wěn)壓管工作于反反向擊穿穿區(qū)。I/mAU/VO+正向+反向U(b)穩(wěn)壓管符符號(a)穩(wěn)壓管伏伏安特性性+I圖1.2.10穩(wěn)穩(wěn)壓管的的伏安特特性和符符號穩(wěn)壓管的的參數(shù)主主要有以以下幾項項：1.穩(wěn)穩(wěn)定電壓壓UZ3.動動態(tài)態(tài)電阻rZ2.穩(wěn)穩(wěn)定電電流IZ穩(wěn)壓管工工作在反反向擊穿穿區(qū)時的的穩(wěn)定工工作電壓壓。正常工作作的參考考電流。。I<IZ時，管管子的穩(wěn)穩(wěn)壓性能能差；I>IZ，只要不不超過額額定功耗耗即可。。rZ愈小愈好好。對于于同一個個穩(wěn)壓管管，工作作電流愈愈大，rZ值愈小。。IZ=5mArZ16IZ=20mArZ3IZ/mA4.電電壓溫度度系數(shù)U穩(wěn)壓管電電流不變變時，環(huán)環(huán)境溫度度每變化化1℃℃引引起穩(wěn)定定電壓變變化的百百分比。。(1)UZ>7V,U>0；；UZ<4V，U<0；(2)UZ在4~7V之之間，，U值比較小小，性能能比較穩(wěn)穩(wěn)定。2CW17：UZ=9~10.5V，，U=0.09%/℃2CW11：UZ=3.2~4.5V，U=-(0.05~0.03)%/℃(3)2DW7系列列為溫度度補償穩(wěn)穩(wěn)壓管，，用于電電子設備備的精密密穩(wěn)壓源源中。穩(wěn)壓管規(guī)規(guī)格表上上列舉的的參數(shù)及及說明

SYMBOLPARAMETERLIMITINGVALUESPDMax.SteadyStatePowerDissipationPDSteadyStatePowerDissipationTj,TstgOperatingandStorageTemperatureRangeELECTRICALCHARACTERISTICSVZ

ReverseZenerVoltage@IZT

IZTReverseCurrentZZTMaximumZenerImpedance@IZT

IZKReverseCurrentZZK

MaximumZenerImpedance@IZK

IRReverseLeakageCurrent@VRVR

BreakdownVoltageIFForwardCurrentVF

ForwardVoltage@IFIZMMaximumDCZenerCurrent2DW7系列列穩(wěn)壓管管結(jié)構(gòu)(a)2DW7穩(wěn)壓壓管外形形圖(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖圖管子內(nèi)部部包括兩個溫度度系數(shù)相相反的二二極管對對接在一起。。溫度變化化時，一一個二極極管被反反向偏置置，溫度度系數(shù)為為正值；；而另一一個二極極管被正正向偏置置，溫度度系數(shù)為為負值，，二者互互相補償償，使1、、2兩兩端之間間的電壓壓隨溫度度的變化化很小。。例：2DW7C，U=0.005%/℃圖1.2.122DW7穩(wěn)壓壓管5.額額定定功耗PZ額定功率率決定于于穩(wěn)壓管管允許的的溫升。。PZ=UZIZPZ會轉(zhuǎn)化為為熱能，，使穩(wěn)壓壓管發(fā)熱熱。電工手冊中中給出IZM，IZM=PZ/UZ[例]求通過穩(wěn)壓壓管的電流流IZ等于多少？？R是限流電阻阻，其值是是否合適？？IZVDZ+20VR=1.6k+

UZ=12V-

IZM=18mA例題電路圖IZ<IZM，電阻值合合適。[解]VDZR使用穩(wěn)壓管管需要注意意的幾個問問題：圖1.2.13穩(wěn)穩(wěn)壓管電電路UOIO+IZIRUI+1.外加電源的正極極接管子的的N區(qū)區(qū)，電源的負極接P區(qū)，保證管子子工作在反反向擊穿區(qū)區(qū)；RL2.穩(wěn)壓管應與負載電阻RL并聯(lián)；3.必須限制流流過穩(wěn)壓管管的電流IZ，不能超過過規(guī)定值，以免因過過熱而燒毀毀管子。1.3雙雙極型三極極管(BJT)又稱半導體體三極管、、晶體管，，或簡稱為為三極管。。(BipolarJunctionTransistor)三極管的外外形如下圖圖所示。三極管有兩兩種類型：：NPN和PNP型。主要以NPN型型為例進行行討論。圖1.3.1三三極管的外外形1.3.1三極管管的結(jié)構(gòu)常用的三極極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)有硅平面面管和鍺合合金管兩種種類型。圖1.3.2三極極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe發(fā)射極極，b基極極，c集集電極。平面型(NPN)三極管制作作工藝NcSiO2b硼雜質(zhì)擴散e磷雜質(zhì)擴散磷雜質(zhì)擴散磷雜質(zhì)擴散硼雜質(zhì)擴散硼雜質(zhì)擴散PN在N型型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻刻一個窗口口，將硼雜雜質(zhì)進行擴擴散形成P型(基區(qū))，再在P型區(qū)上上刻窗口，，將磷雜質(zhì)質(zhì)進行擴散散形成N型型的發(fā)射區(qū)區(qū)。引出三三個電極即即可。合金型三極極管制作工工藝：在N型型鍺片(基區(qū))兩邊各置一一個銦球，，加溫銦被被熔化并與與N型型鍺接觸，，冷卻后形形成兩個P型區(qū)區(qū)，集電區(qū)區(qū)接觸面大大，發(fā)射區(qū)區(qū)摻雜濃度度高。圖1.3.3三三極管結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖和和符號(a)NPN型型ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號NNPPN圖1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(b)PNP型1.3.2三極管管的放大作作用和載流子的的運動以NPN型三極極管為例討討論圖1.3.4三極極管中的兩兩個PN結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實實現(xiàn)放大，，必須從三極管內(nèi)部部結(jié)構(gòu)和外部所加電電源的極性性來保證。不具備放大大作用三極管內(nèi)部部結(jié)構(gòu)要求求：NNPebcNNNPPP1.發(fā)射區(qū)高摻摻雜。2.基區(qū)做得很很薄。通常只有有幾微米到到幾十微米米，而且摻雜較少。三極管放大大的外部條條件：外加電源源的極性應應使發(fā)射結(jié)處于于正向偏置置狀態(tài)，而集電結(jié)處于于反向偏置置狀態(tài)。3.集電結(jié)面積積大。becRcRb三極管中載載流子運動動過程IEIB1.發(fā)射射發(fā)射區(qū)的電電子越過發(fā)發(fā)射結(jié)擴散散到基區(qū)，，基區(qū)的空空穴擴散到到發(fā)射區(qū)——形成發(fā)射極極電流IE(基區(qū)多子數(shù)數(shù)目較少，，空穴電流流可忽略)。2.復合合和擴散電子到達基基區(qū)，少數(shù)數(shù)與空穴復復合形成基基極電流Ibn，復合掉的空空穴由VBB補充。多數(shù)電子在在基區(qū)繼續(xù)續(xù)擴散，到到達集電結(jié)結(jié)的一側(cè)。。圖1.3.5三三極管中載載流子的運運動becIEIBRcRb三極管中載載流子運動動過程3.收集集集電結(jié)反偏偏，有利于于收集基區(qū)區(qū)擴散過來來的電子而而形成集電電極電流Icn。其能量來自自外接電源源VCC。IC另外，集電電區(qū)和基區(qū)區(qū)的少子在在外電場的的作用下將將進行漂移移運動而形形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖1.3.5三三極管中載載流子的運運動beceRcRb三極管的電電流分配關關系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO(A)IE=ICn+IBn+IEp(B)一般要求ICn在IE中占的比例例盡量大。而而二者之比比稱直流電流放放大系數(shù)，即一般可達0.95~0.99IB+ICBO=IBN+IEp(C)將三極管電電流分配關關系式（A）（B）（C））合并化簡得得到：IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流電流放大系數(shù)。上式中的后后一項常用用ICEO表示，ICEO稱穿透電流流。當ICEO<<IC時，忽略ICEO，則由上式式可得共射直流電流放大系數(shù)近似等于IC與IB之比。一般值約為幾十~幾百。三極管的電電流分配關關系一組三極管管電流關系系典型數(shù)據(jù)據(jù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.任何一列電電流關系符符合IE=IC+IB，IB<IC<IE,ICIE。2.當IB有微小變化化時，IC較大。說明明三極管具有有電流放大大作用。

3.

共射電流放大系數(shù)共基電流放大系數(shù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.在表的第一一列數(shù)據(jù)中中，IE=0時時，IC=0.001mA=ICBO，ICBO稱為反向飽和電電流。在表的第二二列數(shù)據(jù)中中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO，稱為穿透電流。根據(jù)和的定義，以以及三極管管中三個電電流的關系系，可得故與兩個參數(shù)之之間滿足以以下關系：：直流參數(shù)與交流參數(shù)、的含義是不同的，但是，對于大多數(shù)三極管來說，與，與的數(shù)值卻差別不大，計算中，可不將它們嚴格區(qū)分。輸出回路輸入回路+UCE-1.3.3三極管的特特性曲線特性曲線是是選用三極極管的主要要依據(jù)，可可從半導體體器件手冊冊查得。IBUCE圖1.3.6三三極管共射射特性曲線線測試電路路ICVCCRbVBBcebRcV+V+A++mA輸入特性：：輸出特性：：+UCE-+UCE-IBIBIBUBE一、輸入特特性(1)UCE=0時時的輸入特特性曲線RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A當UCE=0時時，基極和和發(fā)射極之之間相當于于兩個PN結(jié)并并聯(lián)。所以以，當b、e之之間加正向向電壓時，，應為兩個個二極管并并聯(lián)后的正正向伏安特特性。圖1.3.7(上中圖)圖1.3.8(下圖)(2)UCE>0時時的輸入特特性曲線當UCE>0時時，這個電電壓有利于于將發(fā)射區(qū)區(qū)擴散到基基區(qū)的電子子收集到集集電極。UCE>UBE，三極管處處于放大狀狀態(tài)。*特性右移(因集電結(jié)結(jié)開始吸引引電子)OIB/AUCE≥1時時的輸入特特性具有實實用意義。。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAUBE*UCE≥1V，特特性曲線重重合。圖1.3.6三三極管共射射特性曲線線測試電路路圖1.3.8三三極管的輸輸入特性二、輸出特特性圖1.3.9NPN三三極管的輸輸出特性曲曲線IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321劃分三個區(qū)區(qū)：截止區(qū)區(qū)、放大區(qū)區(qū)和飽和區(qū)區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)1.截止止區(qū)IB≤0的區(qū)域域。兩個結(jié)都處處于反向偏偏置。IB=0時，IC=ICEO。硅管約等于于1A，鍺管管約為幾十十~幾幾百微安。。截止區(qū)截止區(qū)2.放大大區(qū)：條件：發(fā)射結(jié)正偏偏集電結(jié)反偏偏特點：各條輸出特特性曲線比比較平坦，，近似為水水平線，且且等間隔。。二、輸出特特性IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321放大區(qū)集電極電電流和基基極電流流體現(xiàn)放放大作用用，即放大區(qū)放大區(qū)對NPN管管UBE>0，，UBC<0圖1.3.9NPN三三極管的的輸出特特性曲線線3.飽飽和區(qū)：：條件：兩個結(jié)結(jié)均正偏偏IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321對NPN型型管，UBE>0UBC>0。。特點：IC基本上不不隨IB而變化，，在飽和和區(qū)三極極管失去去放大作作用。ICIB。當UCE=UBE，即UCB=0時時，稱稱臨界飽和和，UCE<UBE時稱為過飽和。飽和管壓壓降UCES<0.4V(硅管)，UCES<0.2V(鍺管)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)1.3.4三極管的的主要參參數(shù)三極管的的連接方方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基極接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共發(fā)射極接法圖1.3.10NPN三三極管管的電流流放大關關系一、電流流放大系系數(shù)是表征管管子放大大作用的的參數(shù)。。有以下下幾個：：1.共共射電流流放大系系數(shù)2.共射直流電流放大系數(shù)忽略穿透透電流ICEO時，3.共共基電流流放大系系數(shù)4.共基直流電流放大系數(shù)忽略反向向飽和電電流ICBO時，和這兩個參參數(shù)不是是獨立的的，而是是互相聯(lián)聯(lián)系，關關系為：：二、反向向飽和電電流1.集集電極和和基極之之間的反反向飽和和電流ICBO2.集電電極和發(fā)發(fā)射極之之間的反反向飽和和電流ICEO(a)ICBO測量電路路(b)ICEO測量電路路ICBOcebAICEOAceb小功率鍺鍺管ICBO約為幾微安安；硅管的的ICBO小，有的為為納安數(shù)量量級。當b開開路時，c和e之間間的電流。。值愈大，則該管的ICEO也愈大。圖1.3.11反反向飽和和電流的測測量電路三、極限限參數(shù)1.集電電極最大允允許電流ICM當IC過大時，三三極管的值要減小。。在IC=ICM時，值下降到額額定值的三三分之二。。2.集電電極最大允允許耗散功功率PCM過損耗區(qū)安全工作區(qū)將IC與UCE乘積等于規(guī)規(guī)定的PCM值各點連接接起來，可可得一條雙雙曲線。ICUCE<PCM為安全工作作區(qū)ICUCE>PCM為過損耗區(qū)區(qū)ICUCEOPCM=ICUCE安全工作區(qū)安全工作區(qū)過損耗區(qū)過損耗區(qū)圖1.3.11三三極管的的安全工作作區(qū)3.極間間反向擊穿穿電壓外加在三極極管各電極極之間的最最大允許反反向電壓。。U(BR)CEO：基極開路路時，集電電極和發(fā)射射極之間的的反向擊穿穿電壓。U(BR)CBO：發(fā)射極開開路時，集集電極和基基極之間的的反向擊穿穿電壓。安全工作區(qū)區(qū)同時要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。過電壓ICU(BR)CEOUCEO過損耗區(qū)安全工作區(qū)ICM過流區(qū)圖1.3.11三三極管的的安全工作作區(qū)1.3.5PNP型三極極管放大原理與與NPN型基本本相同，但但為了保證證發(fā)射結(jié)正正偏，集電電結(jié)反偏，，外加電源源的極性與與NPN正好相相反。圖1.3.13三三極管外外加電源的的極性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uouiPNP三三極管電流流和電壓實實際方向。。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三三極管各極極電流和電電壓的規(guī)定定正方向。。PNP三三極管中各各極電流實實際方向與與規(guī)定正方方向一致。。電壓(UBE、UCE)實際方向與與規(guī)定正方方向相反。。計算中UBE、UCE為負值；輸輸入與輸出出特性曲線線橫軸為(-UBE)、(-UCE)。1.4場場效應三極極管只有一種載載流子參與與導電，且且利用電場場效應來控控制電流的的三極管，，稱為場效應管，也稱單極型三極極管。場效應管分分類結(jié)型場效應應管絕緣柵場效效應管特點單極型器件件(一種載流子子導電)；輸入電阻高高；工藝簡單、、易集成、、功耗小、、體積小、、成本低。。DSGN符號1.4.1結(jié)型場場效應管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1N溝道結(jié)結(jié)型場效應應管結(jié)構(gòu)圖圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源源極之間加加上一個正正向電壓，，N型半半導體中多多數(shù)載流子子電子可以以導電。導電溝道是是N型型的，稱N溝道結(jié)結(jié)型場效應應管。P溝道場場效應管圖1.4.2P溝道結(jié)結(jié)型場效應應管結(jié)構(gòu)圖圖N+N+P型溝道GSDP溝道場場效應管是是在P型型硅棒的的兩側(cè)做成成高摻雜的的N型型區(qū)(N+)，導電溝道為為P型型，多數(shù)載流流子為空穴穴。符號GDS二、工作原原理N溝道結(jié)結(jié)型場效應應管用改變UGS大小來控制制漏極電流流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源源極之間加加反向電壓壓，耗盡層層會變寬，，導電溝道道寬度減小小，使溝道道本身的電電阻值增大大，漏極電電流ID減小，反之之，漏極ID電流將增加加。*耗盡層的寬寬度改變主主要在溝道道區(qū)。1.設UDS=0，在柵源之間間加負電源源VGG，改變VGG大小。觀察察耗盡層的的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時時，耗盡層層比較窄，，導電溝比比較寬UGS由零逐漸增增大，耗盡盡層逐漸加加寬，導電電溝相應變變窄。當UGS=UP，耗盡層合合攏，導電電溝被夾斷斷，夾斷電電壓UP為負值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG2.在漏漏源極間加加正向VDD，使UDS>0，在在柵源間加加負電源VGG，觀察UGS變化時耗盡盡層和漏極極ID。UGS=0，UDG<，ID較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當UDS>0時時，耗盡層層呈現(xiàn)楔形形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,預預夾斷UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改變UGS，，改變了PN結(jié)中中電場，控控制了ID，故稱場效效應管；(2)結(jié)型場效應應管柵源之之間加反向向偏置電壓壓，使PN反偏偏，柵極基基本不取電電流，因此此，場效應應管輸入電電阻很高。。(c)(d)三、特性曲曲線1.轉(zhuǎn)移移特性(N溝道結(jié)結(jié)型場效應應管為例)O

UGSIDIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特性UGS=0，，ID最大；UGS愈負，ID愈?。籙GS=UP，ID0。兩個重要參參數(shù)飽和漏極電電流IDSS(UGS=0時時的ID)夾斷電壓UP(ID=0時時的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+mA1.轉(zhuǎn)移移特性OuGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性2.漏漏極特性當柵源之之間的電壓壓UGS不變時，漏漏極電流ID與漏源之間間電壓UDS的關系，即即結(jié)型場效應應管轉(zhuǎn)移特特性曲線的的近似公式式：≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預夾斷軌跡恒流流區(qū)區(qū)擊穿區(qū)可變變電電阻阻區(qū)區(qū)漏極極特特性性也也有有三三個個區(qū)區(qū)：：可變變電電阻阻區(qū)區(qū)、、恒恒流流區(qū)區(qū)和和擊擊穿穿區(qū)區(qū)。。2.漏漏極極特特性性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+mA圖1.4.6(b)漏極特特性場效應應管的的兩組組特性性曲線線之間間互相相聯(lián)系系，可可根據(jù)據(jù)漏極極特性性用作作圖的的方法法得到到相應應的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特特性。。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場場效應應管柵柵極基基本不不取電電流，，其輸輸入電電阻很很高，，可達達107以以上。。如希希望得得到更更高的的輸入入電阻阻，可可采用用絕緣緣柵場場效應應管。。圖1.4.7在在漏極極特性性上用用作圖圖法求求轉(zhuǎn)移移特性性1.4.2絕緣柵柵型場場效應應管由金屬屬、氧氧化物物和半半導體體制成成。稱稱為金屬-氧化化物-半導導體場場效應應管，或簡簡稱MOS場場效應應管。特點：：輸入入電阻阻可達達109以上。。類型N溝溝道P溝溝道增強型型耗盡型型增強型型耗盡型型UGS=0時時漏源源間存存在導導電溝溝道稱稱耗盡型型場效效應管管；UGS=0時時漏源源間不不存在在導電電溝道道稱增強型型場效效應管管。一、N溝溝道增增強型型MOS場場效應應管1.結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引引線B柵極G圖1.4.8N溝溝道增增強型型MOS場場效效應管管的結(jié)結(jié)構(gòu)示示意圖圖2.工工作原原理絕緣柵柵場效效應管管利用用UGS來控制制“感應電電荷”的多少少，改改變由由這些些“感應電電荷”形成的的導電電溝道道的狀狀況，，以控控制漏漏極電電流ID。工作原原理分分析(1)UGS=0漏源之之間相相當于于兩個個背靠靠背的的PN結(jié)結(jié)，，無論論漏源源之間間加何何種極極性電電壓，，總是不不導電電。SBD圖1.4.9(2)UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型型襯底底中的的電子子被吸吸引靠靠近SiO2與空穴穴復合合，產(chǎn)生由由負離離子組組成的的耗盡盡層。。增大UGS耗盡層層變寬寬。VGG---------(3)UDS=0，UGS≥UT由于吸吸引了了足夠夠多的的電子子，會在耗耗盡層層和SiO2之間形形成可可移動動的表表面電電荷層層——---N型溝道反型層層、N型型導電電溝道道。UGS升高，，N溝溝道道變寬寬。因因為UDS=0，，所以以ID=0。UT為開始始形成成反型型層所所需的的UGS，稱開啟電電壓。(4)UDS對導電電溝道道的影影響(UGS>UT)導電溝溝道呈呈現(xiàn)一一個楔楔形。。漏極極形成成電流流ID。b.UDS=UGS–UT，UGD=UT靠近漏漏極溝溝道達達到臨臨界開開啟程程度，，出現(xiàn)現(xiàn)預夾夾斷。。c.UDS>UGS–UT，UGD<UT由于夾夾斷區(qū)區(qū)的溝溝道電電阻很很大，，UDS逐漸增增大時時，導導電溝溝道兩兩端電電壓基基本不不變，，ID因而基基本不不變。。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖1.4.11UDS對導電電溝道道的影影響(a)UGD>UT(b)UGD=UT(c)UGD<UT3.特特性性曲線線(a)轉(zhuǎn)移移特性性(b)漏極極特性性ID/mAUDS/VO預夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)UGS<UT，ID=0；UGS≥UT，形成成導電電溝道道，隨隨著UGS的增加加，ID逐漸增增大。。(當UGS>UT時)三個區(qū)區(qū)：可可變電電阻區(qū)