計算機電子電路技術(shù) 第5章 半導(dǎo)體器件1015

電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：卞維新bwx2353@安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院2012.9第5章半導(dǎo)體器件5.1半導(dǎo)體的基本知識5.2半導(dǎo)體二極管5.3半導(dǎo)體三極管5.4場效應(yīng)晶體管1.PN結(jié)的形成物質(zhì)從濃度大的地方向濃度小的地方運動叫擴散。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，因為空穴在P區(qū)中是多子，在N區(qū)中是少子；同樣，電子在N區(qū)中是多子，在P區(qū)中是少子，所以在P、N兩區(qū)交界處，由于載流子濃度的差異，要發(fā)生電子和空穴的擴散運動，多子都要向?qū)Ψ絽^(qū)域移動。當(dāng)電子和空穴相遇時會復(fù)合消失。假設(shè)擴散運動的方向由正指向負(P區(qū)指向N區(qū))，則空穴將順擴散運動方向移動，電子將逆擴散運動方向移動。5.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦訮型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴散到對方的載流子在P區(qū)和N區(qū)的交界處附近被相互中和掉，使P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導(dǎo)體交界處逐漸形成由正、負離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡層）。由于P區(qū)一側(cè)帶負電，N區(qū)一側(cè)帶正電，所以出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。 當(dāng)擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產(chǎn)生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結(jié)的電流為0。內(nèi)電場空間電荷區(qū)耗盡層電子空穴P區(qū)N區(qū)擴散的結(jié)果在兩區(qū)交界處的P區(qū)一側(cè)，出現(xiàn)了一層帶負電荷的粒子區(qū)(即不能移動的負離子)；在N區(qū)一側(cè)，出現(xiàn)了一層帶正電荷的粒子區(qū)(即不能移動的正離子)，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)，如圖。濃度差

多子擴散空間電荷區(qū)

(雜質(zhì)離子)

內(nèi)電場促少子阻多子漂移擴散動態(tài)平衡時PN結(jié)形成過程：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區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3).P

區(qū)中的電子和N區(qū)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。注意:2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

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、N區(qū)加正電壓。一、PN結(jié)正向偏置－－－－++++RUf內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

(1)當(dāng)0≤Uf＜UT時，UT為死區(qū)電壓，或稱門坎電壓。這時由于外電場還不足以克服內(nèi)電場對載流子擴散所造成的阻力，所以正向電流If幾乎為零，PN結(jié)呈現(xiàn)出一個大電阻，好像有一個門坎。

(2)當(dāng)Uf≥UT后，這時在外電場的作用下，內(nèi)電場被大大削弱，多子不斷地向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，且進入空間電荷區(qū)后，一部分空穴會與負離子中和，一部分電子會與正離子中和，使空間電荷量減少，PN結(jié)變窄。空間電荷區(qū)中載流子數(shù)量的增加，相當(dāng)于PN結(jié)電阻的減小。這樣，載流子就能順利地越過PN結(jié)，形成閉合的回路，產(chǎn)生較大的正向電流If。因為外電源不斷地向半導(dǎo)體提供空穴和電子，所以使電流If得以維持。PN結(jié)的正向特性曲線如圖5.10(b)所示。

(1)空間電荷區(qū)變窄的過程，相當(dāng)于載流子充進了PN結(jié)。P區(qū)一側(cè)充正電(充入空穴)，N區(qū)一側(cè)充負電(充入電子)，這現(xiàn)象如同一個電容器的充電，此電容稱為耗盡層電容Ct。它是由耗盡層內(nèi)電荷存儲作用引起的。我們知道,耗盡層內(nèi)有不能運動的正負離子,因而該層缺少載流子,導(dǎo)電率很低,相當(dāng)于介質(zhì),而它兩邊的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率相對很高,相當(dāng)于金屬。當(dāng)外加電壓改變時,耗盡層的電荷量也要改變,引起電容效應(yīng),耗盡層有勢壘,因此稱為勢壘電容。

需要指出的是：Ct在反向電壓作用時數(shù)值小,由于勢壘電容與結(jié)是并聯(lián)的,反向偏置時結(jié)電阻很大,盡管勢壘電容很小,但它在高頻時的影響不可忽略。而在正向電壓作用時,盡管勢壘電容較大,但正向偏置時結(jié)電阻很小,勢壘電容的作用相對來說反而較小。特點： 跟PN結(jié)的面積成正比，跟阻擋層的寬度成反比。因此，反偏時，反偏電壓越大，Ct越??；正偏時，正偏電壓越大，Ct越大。C=εS/4πkd(2)PN結(jié)處于正偏時，還存在著電荷存儲效應(yīng)。叫做擴散電容,用Cd表示。PN結(jié)加正向電壓時P區(qū)的空穴注入到N區(qū),N區(qū)的電子注入到P區(qū)。從P區(qū)注入到N區(qū)的帶正電的空穴,將吸引N區(qū)里帶負電的電子到其附近,它們不會立即復(fù)合,而有一定的壽命。同樣,從N區(qū)注入到P區(qū)的帶負電的電子,將吸引P區(qū)里帶正電的空穴到其附近。這樣就形成了在勢壘區(qū)以外的P區(qū)和N區(qū)正負電荷混合貯存在半導(dǎo)體同一空間的現(xiàn)象。我們知道,只要能貯存電荷,就呈現(xiàn)電容效應(yīng),擴散電容就是這樣一種特殊電容。當(dāng)外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同(相當(dāng)于電容的充放電)。電容效應(yīng)在交流信號作用下才會表現(xiàn)出來。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的電子在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。擴散電容Cd與普通電容不同。除了上面已經(jīng)指出的它不像普通電容器那樣,正負電荷分別貯存在電容器的兩個極板上以外,它也是非線性電容,其容量與通過PN結(jié)的正向電流成正比。二、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制(可忽略擴散電流)。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。RUR外加反向電壓UR促使PN結(jié)轉(zhuǎn)化為截止?fàn)顟B(tài)反向電壓又稱為反向偏置電壓，簡稱反偏電壓。當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓UR(外電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū))時，如圖所示，外電場方向與自建電場方向一致，加強了漂移運動，削弱了擴散運動。這時在外電場的作用下，空間電荷量增加，PN結(jié)變寬，如圖?？臻g電荷區(qū)中幾乎無載流子，近似于電路的開路狀態(tài)，擴散電流趨于零。這時由熱激發(fā)產(chǎn)生的少子，可以在結(jié)電場的作用下通過PN結(jié)，形成反向電流IR，但因為少子數(shù)量有限，IR很小，所以這時仍可認為PN結(jié)是截止的。因此，PN結(jié)處于反偏時，電阻是很大的。PN結(jié)的反向特性曲線如圖所示。

IR有時也稱為反向飽和電流IS。這是因為當(dāng)溫度不變時，少子的濃度不變，所以在一定的電壓范圍內(nèi)，IR幾乎不隨反偏電壓的增加而變大，見圖。但溫度升高會使少子增加，故IR會隨溫度的上升而增長很快，這就是PN結(jié)的溫度特性。由此可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦约皽囟忍匦?。需要指出的是?/p>

(1)空間電荷區(qū)變寬的過程，相當(dāng)于PN結(jié)放出載流子的過程。這現(xiàn)象如同一個電容器的放電，如前所述，此電容稱為耗盡電容(勢壘電容)Ct。

(2)PN結(jié)處于反偏時，載流子數(shù)目很少，故反向擴散電容Cd很小，可忽略。這時Ct>>Cd。由上節(jié)可知，PN結(jié)上有耗盡層電容Ct和擴散電容Cd,我們通常用結(jié)電容Cj來表征PN結(jié)的電容效應(yīng)：

Cj=Ct+Cd

結(jié)電容的充、放電效應(yīng)與普通電容相似，不同的是結(jié)電容的容量大小要隨外加電壓的大小而改變。當(dāng)PN結(jié)運用在高頻時，要考慮到結(jié)電容的作用。PN結(jié)的高頻等效電路如圖5.12所示。

3PN結(jié)的結(jié)電容Cj勢壘電容在正偏和反偏時均不能忽略。而反向偏置時，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴散電容。圖5.12PN結(jié)的高頻等效電路當(dāng)PN結(jié)反偏電壓UR超過某一數(shù)值時，反向電流IR會突然增大，出現(xiàn)反向電壓擊穿現(xiàn)象，簡稱為反向擊穿。發(fā)生反向擊穿所需的電壓稱為反向擊穿電壓UB。PN結(jié)的反向擊穿特性曲線如圖5.13所示。4.PN結(jié)的擊穿特性圖5.13反向擊穿特性曲線

反向擊穿現(xiàn)象有兩種類型：

(1)雪崩擊穿。當(dāng)反向電壓太高時，載流子在阻擋層中將受到強烈的電場加速作用，獲得足夠的能量去碰撞原子，產(chǎn)生新的電子—空穴對。被撞出的載流子獲得能量后又可能再去碰撞別的原子，如此連鎖反應(yīng)造成了載流子的劇增。這種擊穿多發(fā)生在摻雜濃度不大的PN結(jié)。雪崩擊穿電壓一般高于6V。

(2)齊納擊穿。當(dāng)反向電壓足夠大時，阻擋層中的強電場會將電子從共價鍵中強行拉出，產(chǎn)生電子—空穴對，使載流子劇增(其效果與溫度升高相仿)。這種擊穿多發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)。齊納擊穿電壓一般低于6V。

PN結(jié)被擊穿后，PN結(jié)上的壓降高，電流大，功率大。當(dāng)PN結(jié)上的功耗使PN結(jié)發(fā)熱，并超過它的耗散功率時，PN結(jié)將發(fā)生熱擊穿。這時PN結(jié)的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆5.2半導(dǎo)體二極管

5.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與分類半導(dǎo)體二極管又稱晶體二極管，簡稱為二極管。它是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼做成的。從P區(qū)引出的電極稱為陽極(正極)，從N區(qū)引出的電極稱為陰極(負極)。PN結(jié)的四大基本屬性，也就是二極管的基本屬性。二極管的符號如圖5.14(C)所示，用字母VD表示。圖5.14半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(a)點接觸型；(b)面接觸型；(C)符號

5.2.2二極管的伏安特性曲線二極管的電壓—電流關(guān)系曲線稱伏安特性曲線。此特性曲線就是PN結(jié)的正向、反向及反向擊穿特性曲線。圖5.15(a)和(b)分別是Si和Ge二極管的特性曲線。在室溫下，Si管、Ge管的死區(qū)電壓UT、正向?qū)妷篣D及反向飽和電流IS的數(shù)值如表5.1所示。圖5.15二極管的伏安特性曲線

(a)Si管；(b)Ge管其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）正向：反向：近似PN結(jié)方程表5.1Si和Ge二極管的UT、UD及IS值

5.2.3二極管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)

1)最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。當(dāng)二極管電流I＞IF時，PN結(jié)會因為太熱而燒壞。

2)最高反向工作電壓URM

最高反向工作電壓URM通常取二極管反向擊穿電壓UB的一半。

3)反向電流IR

反向電流IR即為反向飽和電流IS。其值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。

4)直流電阻RD

直流電阻RD是指二極管兩端的直流電壓與流過的直流電流之比。即(5―1)圖5.16二極管的電阻(a)直流電阻RD；(b)微變電阻rD

表5.2國家標(biāo)準對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：二極管符號：D代表P型Ge

5.2.4二極管應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用范圍很廣，利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可組成整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)等電路。利用二極管的其它特性，可使其應(yīng)用在穩(wěn)壓、變?nèi)荨囟妊a償?shù)确矫?。整流、鉗位、開關(guān)電路將在后面有關(guān)章節(jié)中提到，現(xiàn)簡單介紹一下限幅電路。限幅器又稱削波器，主要是限制輸出電壓的幅度。為討論方便起見，假設(shè)二極管VD為理想二極管，即正偏導(dǎo)通時，忽略VD的正向壓降，近似認為VD短路；反偏截止時，近似認為VD開路。例1電路及輸入電壓UI的波形如圖5.17所示。畫出輸出電壓Uo的波形如圖5.17(b)所示。圖5.17二極管單向限幅電路

(a)電路；(b)波形解：當(dāng)ui＞+5V時，uo=+5V(VD正偏短路)；當(dāng)ui

≤+5V時，uo=Ui

(VD反偏開路)。故可畫出輸出uo的波形，如圖5.17(b)所示。

解：①當(dāng)ui＞+10V時：VD1正偏短路，VD2反偏開路，uo=+10V。②當(dāng)ui

＜-10V時：VD1反偏開路，VD2正偏短路，uo=-10V。

③當(dāng)-10V＜UI≤+10V時：

VD1、VD2均反偏開路，uo=ui。

uo波形如圖5.18(b)所示。例2電路及輸入電壓Ui的波形如圖5.18所示，畫出輸出電壓uo的波形。圖5.18二極管雙向限幅電路

(a)電路；(b)波形

5.2.5穩(wěn)壓管

1.穩(wěn)壓管通常，我們不希望二極管工作在反向擊穿區(qū)，因為一旦PN結(jié)反向擊穿，反向電流IR會猛增，使IR·UR＞PM，引起熱擊穿，燒毀二極管。但是，利用PN結(jié)的反向擊穿現(xiàn)象，卻可以起到穩(wěn)定電壓的作用，即通過管子的電流在很大的范圍內(nèi)變化，而管子兩端的電壓卻變化很小。那么如何將“擊穿”轉(zhuǎn)化為“穩(wěn)壓”呢?其依據(jù)的條件是：

(1)工藝上通過控制半導(dǎo)體內(nèi)所摻雜的成份。

(2)外電路中所串聯(lián)的限流電阻。圖5.19穩(wěn)壓管符號及特性曲線

(a)符號；(b)伏安特性曲線陽極因為這種二極管具有穩(wěn)定電壓的作用，所以要與用于整流、檢波等用途的普通二極管區(qū)別開，稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管用字母VDZ表示，它的符號如圖5.19(a)所示。圖5.19(b)是它的伏安特性曲線，由圖(b)可知，穩(wěn)壓管在反向擊穿時的曲線比較陡直。值得指出的是：穩(wěn)壓管必須工作在反向偏置(利用正向穩(wěn)壓的除外)，即陰極接電源正極，陽極接電源負極，如圖5.19(a)所示。如果極性接錯，二極管就處于正向偏置狀態(tài)，穩(wěn)壓效果就差了。另外，穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，一般不能并聯(lián)使用，因為并聯(lián)有時會因電流分配不勻而引起管子過載損壞。

2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

1)穩(wěn)定電壓UZ

UZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。由于制造工藝不易控制，即使同一型號的管子，UZ的值也會稍有不同。

2)穩(wěn)定電流IZ和最大穩(wěn)定電流IZMIZ的穩(wěn)壓管正常工作時的反向電流，這是一個參考值。IZM是穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。當(dāng)穩(wěn)壓管工作電流I＜IZ時，沒有穩(wěn)壓效果；正常工作時，

IZ＜I＜IZM。

3)動態(tài)電阻rZ

rZ相當(dāng)于二極管的微變等效電阻，因此(5―4)rZ越小(ΔIZ越大)，穩(wěn)壓性能越好。

4)電壓溫度系數(shù)αα是UZ受溫度變化的系數(shù)，常用溫度每增加1℃時，UZ改變的百分數(shù)來表示。一般來說，硅穩(wěn)壓管的UZ＜4V時，α＜0；UZ＞7V時，α＞0;4V≤UZ≤7V時，α最小，這時溫度穩(wěn)定性最好。

5)最大耗散功率PMPM是保證管子不發(fā)生熱擊穿的極限值。(5―5)

3.穩(wěn)壓管應(yīng)用舉例利用穩(wěn)壓管反向擊穿時電壓基本穩(wěn)定的特性，可做成穩(wěn)壓電路。最簡單的穩(wěn)壓電路如圖5.20(a)所示。圖中，Ui和Uo分別是輸入和輸出電壓，R是限流電阻，RL是負載電阻，Uo=Ui-IRR=UZ。下面通過兩道例題來說明，只要穩(wěn)壓管是工作在擊穿區(qū)，當(dāng)負載RL變化，或信號源Ui有變化時，穩(wěn)壓管都能起到穩(wěn)壓的作用，使輸出Uo=UZ不變。這就是穩(wěn)壓管的主要用途。圖5.20穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路a.Ui不穩(wěn)定

Ui↑→UO↑→UZ↑

→IZ↑→IR↑→IRR↑

UO↓b.RL改變

RL↓

→UO↓

→UZ↓→

IRR↓→IZ↓→IR↓UO↑問題：不加R可以嗎？穩(wěn)壓條件是什么？電阻R的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。Uo=Ui-IRR=UZ例3在圖5.20(a)所示的電路中，分別求RL等于30kΩ、4kΩ和3kΩ時，流過穩(wěn)壓管的電流IZ的值。解：①當(dāng)RL=30kΩ時：因為VD兩端的電壓足以引起VD擊穿(VD臨界擊穿時的RL值，見本例③的解)，故VD近似為一個30V的電壓源。見圖5.20(b)中的C點。②當(dāng)RL=4kΩ時：

VD仍工作在擊穿區(qū)，仍可將其近似為30V的電壓源。見圖5.20(b)中的a點。由圖(b)看出，只要當(dāng)VD工作在擊穿區(qū)時，負載雖然有變化，使VD的工作點從C點移到a點，ΔIZ變化很大，但ΔUZ卻變化很小，Uo=UZ近似不變。③當(dāng)RL=3kΩ時：這時，VD工作在擊穿的臨界狀態(tài)，如圖5.20(b)所示。由此可求出，臨界擊穿時例4在圖5.20(a)所示的電路中，當(dāng)負載RL開路(RL=∞)時，求UI從40V變化到60V時，流過穩(wěn)壓管的電流IZ的值。解：因為Ui=40V~60V，均超過了VD的反向擊穿電壓，所以VD工作在擊穿區(qū)，這時VD可近似為30V的電壓源。又因為RL開路，所以IZ=IR。

當(dāng)Ui=40V時：見圖5.20(b)中的b點。見圖5.20(b)中的d點。所以，5mA＜IZ＜15mA。由圖(b)看出，只要VD工作在擊穿區(qū)，當(dāng)輸入信號Ui發(fā)生變化，使VD的工作點從b點移到d點時，雖然ΔIZ變化很大，但ΔUZ變化很小，Uo=UZ近似不變。當(dāng)Ui=60V時：補充：二極管與門和或門電路

1.電路2.工作原理A、B為輸入信號（+3V或0V）Y為輸出信號VCC＝+10V電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BＹ0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V一、二極管與門用邏輯1表示高電平（此例為≥+3V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.邏輯賦值并規(guī)定高低電平4.真值表ABY000010100111二極管與門的真值表A、B全1，Y才為1?？梢妼崿F(xiàn)了與邏輯5.邏輯符號6.工作波形(又一種表示邏輯功能的方法）7.邏輯表達式Y(jié)＝AB二極管與門（a）電路（b）邏輯符號（c）工作波形1.電路2.工作原理電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B為輸入信號（+3V或0V）F為輸出信號二、二極管或門4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可見實現(xiàn)了或邏輯3.邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1表示高電平（此例為≥+2.3V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0V）ABF000011101111A、B有1，F(xiàn)就1。二極管或門的真值表

二極管或門（a）電路（b）邏輯符號（c）工作波形5.邏輯符號6.工作波形7.邏輯表達式F＝A+B5.3半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管又稱雙極型晶體管，簡稱BJT。BJT的種類很多，按頻率分，有高頻管、低頻管；按功率分，有大、中、小功率管；按半導(dǎo)體材料分，有SI管、Ge管；按結(jié)構(gòu)分，有NPN型和PNP型等。目前生產(chǎn)的Si管多數(shù)為NPN型，Ge管多數(shù)為PNP型。常見的幾種BJT的外形如圖5.21所示。圖5.21幾種BJT的外形1.結(jié)構(gòu)簡介不管是NPN型還是PNP型管子，它們的基本原理都相同，都有三個電極(發(fā)射極e、基極b、集電極C)和兩個PN結(jié)(發(fā)射結(jié)(e結(jié))、集電結(jié)(C結(jié)))。5.3.1BJT的放大原理和電流關(guān)系雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。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）。雙極型三極管的符號中，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。從外表上看兩個N區(qū),(或兩個P區(qū))是對稱的，實際上發(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。因為放大器一般是四端網(wǎng)絡(luò)，而BJT只有三個電極，所以組成放大電路時，勢必要有一個電極作為輸入與輸出信號的公共端。根據(jù)所選擇的公共端電極的不同，BJT有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種不同的連接方式(指對交流信號而言)，如圖5.23所示。2.BJT的三種連接方式圖5.23BJT的三種連接方式(a)共基極電路；(b)共發(fā)射極電路；(C)共集電極電路3.放大原理和電流關(guān)系雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?/p>

若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓，如圖所示?，F(xiàn)以

NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo

在發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏條件下，三極管中載流子的運動：(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子：在VBB作用下，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子形成IEN，基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散形成IEP。IEN>>IEP方向相同VBBVCC(2)電子在基區(qū)復(fù)合和擴散由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散，擴散過程中少部分電子與基區(qū)空穴復(fù)合形成電流IBN。由于基區(qū)薄且濃度低，所以IBN較小。(3)集電結(jié)收集電子由于集電結(jié)反偏，所以基區(qū)中擴散到集電結(jié)邊緣的電子在電場作用下漂移過集電結(jié)，到達集電區(qū)，形成電流ICN。VBBVCC(4)集電極的反向電流集電結(jié)收集到的電子包括兩部分： 發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子——ICN

基區(qū)的少數(shù)載流子——ICBOVBBVCC

IE=IEN+IEP

且有IEN>>IEP

IEN=ICN+IBN

且有IEN>>IBN

，ICN>>IBN

IC=ICN+ICBO

IB=IEP+IBN－ICBOIE=IC+IBVBBVCC晶體管一旦制成，從e區(qū)發(fā)射的電子到達C區(qū)的比例也就定了，此比例稱為電流放大系數(shù)。通常將IC與IB的比值定義為共射直流電流放大系數(shù)

，將變化量ΔIC與ΔIB的比值定義為共射交流電流放大系數(shù)β。即一般情況下，≈β，故可得：IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB一般情況下，，則同理，把IC與IE的比值定義為共基極直流電流放大系數(shù)；把變量ΔIC與ΔIB的比值定義為共基極交流電流放大系數(shù)α。即的值小于1,但接近1，一般為0.98~0.999。??由于α與β是同一管子不同電極間的關(guān)系，二者之間必存在一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系：所以因為e結(jié)加正向電壓，所以由PN結(jié)的正向特性可知，BJT的b、e極之間只要有較小的變化量ΔUBE，就可產(chǎn)生較大的ΔIB，通過BJT的電流放大，又可引起更大的ΔIC，而ΔIC流過集電極負載電阻Rc后，在其兩端產(chǎn)生的電壓ΔUCE(對直流電源UCC而言，其變化量為零)，將會比ΔUBE大很多倍，這樣，BJT的電流放大就被轉(zhuǎn)換為電壓放大的形式了。表示即輸入回路輸出回路(1)無交流信號

UBB接輸入回路,使發(fā)射結(jié)正偏

UCC接輸出回路,使集電結(jié)反偏在這種偏置下產(chǎn)生IE、IC、IB.IC=βIB,這是對直流電流的放大作用.三極管的電流放大作用UBBUCCRCRBIC=βIBIE=IC+IBIB

如圖所示稱為三極管的共發(fā)射極放大電路。因為這個電路中包含由三極管的基極b與發(fā)射極e構(gòu)成的輸入回路和由集電極c與發(fā)射極e構(gòu)成的輸出回路，三極管的發(fā)射極作為輸入和輸出回路的公共端，所以稱為共發(fā)射極放大電路。三極管的共發(fā)射極放大電路(2)加入交流信號后A.ΔIc是ΔIB的β倍,三極管對ΔIB有放大作用,β越大,控制能力越強,所以三極管是一個有電流放大的電流控制元件.B.ΔIc在RC上產(chǎn)生的輸出電壓ΔUo,而ΔUo比ΔUi大約大幾十倍,可以得到電壓放大三極管的電流放大作用UBBUCCRCRB 例5在圖示的電路中，如果ΔUBE=15mV,ΔIB=20μA,β=50，Rc=1kΩ，求ΔIC和Au。解：

BJT各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，稱為伏安特性曲線。它是BJT內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。由于三極管有三個電極，所以它的伏安特性就不像二極管那樣簡單。工程上最常用的是BJT的輸入和輸出特性曲線。圖5.25為NPN型管共發(fā)射極電路的測試電路。5.3.2BJT的特性曲線圖5.25BJT的共發(fā)射極特性曲線測試電路若以輸出電壓uCE為參變量，則輸入電壓UBE和輸入電流iB的函數(shù)式可表示為常數(shù)測試時，在圖5.25的電路中，先固定uCE為某一常數(shù)，例如，令uCE=0V，測得一組uBE與iB的數(shù)據(jù)，畫出一條曲線；再固定uCE為另一常數(shù)，又測得一組uBE與iB的數(shù)據(jù)，畫出另一條曲線,……如圖所示。1.共發(fā)射極輸入特性輸入回路輸出回路(1)當(dāng)UCE=常數(shù)

時，UBE

和iB之間的關(guān)系曲線，用函數(shù)關(guān)系式表示為:(1)UBE

和iB之間的關(guān)系曲線(2)用UCE=1V的輸入特性曲線來代表UCE＞1V所有輸入特性曲線(3)輸入特性的死區(qū)電壓：硅管約為0.5V；鍺管約為0.1V。發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通后：硅管UBE=0.7V；鍺管UBE=0.3V1006080400.2UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。輸入回路輸出回路(1)UCE=0時：b、e間加正向電壓，JC和JE都正偏，JC沒有吸引電子的能力。所以其特性相當(dāng)于兩個二極管并聯(lián)PN結(jié)的特性。

UCE=0V：兩個PN結(jié)并聯(lián)(2)UCE>1V時，b、e間加正向電壓，這時JE正偏，JC反偏。發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的載流子絕大部分被JC收集，只有小部分與基區(qū)多子形成電流IB。所以在相同的UBE下，IB要比UCE=0V時小。

UCE>1V：

IB比UCE=0V時小(3)UCE介于0~1V之間時，JC反偏不夠，吸引電子的能力不夠強。隨著UCE的增加，吸引電子的能力逐漸增強，iB逐漸減小，曲線向右移動。

0<UCE<1V:UCEIB右移是由于此時集電結(jié)處于反向偏置,發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子大部分擴散到集電區(qū),基區(qū)復(fù)合減少,因而相同的UBE條件下IB將降低;UCE繼續(xù)增大時,曲線應(yīng)該繼續(xù)右移。但UCE大到一定值后,UBE不變,集電結(jié)的反向電壓已將注入到基區(qū)的電子基本上收集到集電極,再增加UCE,IB基本不變,故曲線重合。為什么曲線右移？若以輸入電流iB為參變量，則輸出電壓uCE和輸出電流iC的函數(shù)式可表示為常數(shù)2.共發(fā)射極輸出特性

(1)是研究當(dāng)iB=常數(shù)

時，UCE和iC之間的關(guān)系曲線，用函數(shù)表示為:輸入回路輸出回路(2)輸出特性曲線,當(dāng)UCE較小時起始部份很陡，當(dāng)UCE略有增加，iC

增加很快，當(dāng)UCE＞1V

以后，再增加UCE、iC

增加不明顯。(3)如改變IB則得到另一條輸出特性曲線。輸入回路輸出回路（a）輸入特性曲線;（b）輸出特性曲線3、把輸出特性曲線劃分成三個區(qū)510152012340飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)(3)飽和區(qū)區(qū)域：uCE

＜0.7v

以左部分條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。uBE>0,uBC>0

特點：失去放大能力，即iC＝βiB不成立,即iB不能控制iC

的變化。(1)截止區(qū)：區(qū)域：iB≤0

輸出特性曲線以下的區(qū)域為截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏uBE<0,uBC<0

。特點：iB=0時，iC

≈iE=ICEO=0，三極管CE間為開路。(2)放大區(qū)區(qū)域：iB＝0以上多條的輸出特性曲線。條件：發(fā)射結(jié)正偏，uBE>0,集電結(jié)反偏，uBC<0

特點：(A)有放大特性：iC＝βiB(B)有恒流特性：iC與uCE無關(guān)。ICEO輸入回路輸出回路由上節(jié)知道，BJT有三個工作區(qū)域。下面再結(jié)合圖5.25的共發(fā)射極電路，具體討論如下。

1.截止區(qū)

E結(jié)、C結(jié)均為反偏，BJT無放大作用。這時

IB≈0;IC≈0

UCE=UCC-ICRC≈UCC5.3.3BJT的三個工作區(qū)域

2.放大區(qū)

E結(jié)正偏、C結(jié)反偏(對于NPN型管，UC＞UB、UB＞UE。對于PNP型管，UC＜UB、UB＜UE)，BJT有放大作用。這時:IB＞0;IC=βIB

UCE=UCC-ICRc輸出特性有一定傾斜。這表明集電極和發(fā)射極之間電壓UCE對集電極電流有一定的影響。當(dāng)UCE增大時,UCB也要增大,這樣集電結(jié)勢壘區(qū)就要變寬,造成基區(qū)寬度變窄,我們稱這一現(xiàn)象為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(簡稱基調(diào)效應(yīng))或厄立(Early)效應(yīng)。另一方面在保持IB一定的前提下,UCE增加也會使UBE稍稍增加,使發(fā)射極電流IE增大,IC勢必增大,故曲線向上傾斜。

3.飽和區(qū)

E結(jié)、C結(jié)均為正偏，UCE=UCES很小。UCE的減小使C結(jié)收集電子的能力減弱，也即e區(qū)發(fā)射有余，而C極收集不足，以致IC幾乎不再隨IB的增大而增大，BJT失去放大作用。因為UCES最小只能接近于零，所以由可求出集電極飽和電流為①當(dāng)IB固定時,UCE從零逐漸增加,IC就急劇上升,說明UCE對IC有強烈的控制作用。②當(dāng)UCE固定時,IB增大,IC增加不多,出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象。繼續(xù)增大I