模電第一章晶體二極管及其基本電路Yl2010

模擬電子技術(shù)閆林電子系副教/p>

答疑地點(diǎn)3-209時間

主要參考書江曉安模擬電子技術(shù)西安電子科技大學(xué)出版社童詩白、華成英，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，（第四版），高等教育出版社<清華大學(xué)>康華光，《電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)》，第四版，高等教育出版社<華中科技大學(xué)>第一節(jié)半導(dǎo)體的特性本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體下頁總目錄第一章半導(dǎo)體器件1.半導(dǎo)體(semiconductor)共價鍵Covalentbond半導(dǎo)體的定義：將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一大類物質(zhì)統(tǒng)稱為半導(dǎo)體。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用主要材料是硅和鍺一、本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductors)價電子在硅(或鍺)的晶體中,原子在空間排列成規(guī)則的晶格。晶體中的價電子與共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4下頁首頁上頁2.本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductors)純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中，由于晶體中共價鍵的結(jié)合力很強(qiáng)，在熱力學(xué)溫度零度（即T=0K，在絕對零度(-273℃)時）

價電子的能量不足以掙脫共價鍵的束縛，晶體中不存在能夠?qū)щ姷妮d流子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。下頁上頁首頁+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體中的載流子帶負(fù)電的自由電子Freeelectron帶正電的空穴hole如果溫度升高，少數(shù)價電子將掙脫共價鍵束縛成為自由電子。在原來的共價鍵位置留下一個空位，稱之為空穴。下頁上頁首頁+4+4+4+4+4+4+4+4+4半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。在一定溫度下電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡。在本征半導(dǎo)體中，兩種載流子總是成對出現(xiàn)稱為電子–空穴對本征載流子的濃度對溫度十分敏感電子-空穴對兩種載流子濃度相等下頁上頁首頁半導(dǎo)體中的載流子——自由電子和空穴

在絕對零度(-273℃)時，所有價電子都被束縛在共價鍵內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高時，鍵內(nèi)電子因熱激發(fā)而獲得能量。其中獲得能量較大的一部分價電子，能夠掙脫共價鍵的束縛離開原子而成為自由電子。與此同時在共價鍵內(nèi)留下了與自由電子數(shù)目相同的空位，稱為本征激發(fā)。

空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體的特點(diǎn)1.N型（或電子型）半導(dǎo)體(N-typesemiconductor)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體則原來晶格中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子與周圍四個硅原子組成共價鍵時多余一個電子。這個電子只受自身原子核吸引，在室溫下可成為自由電子。在4價的硅或鍺中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，下頁上頁在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)，就成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子首頁+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由電子的雜質(zhì)原子固定在晶格上不能移動，并帶有正電荷，稱為正離子。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，電子的濃度大大高于空穴的濃度。因主要依靠電子導(dǎo)電，故稱為電子型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子Majoritycarrier少數(shù)載流子Minoritycarrier下頁上頁5價的雜質(zhì)原子可以提供電子，所以稱為施主原子。首頁+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，空位2.P型半導(dǎo)體(P-typesemiconductor)

當(dāng)它與周圍的硅原子組成共價鍵時，將缺少一個價電子，產(chǎn)生了一個空位。空位為電中性。下頁上頁首頁硅原子外層電子由于熱運(yùn)動填補(bǔ)此空位時，雜質(zhì)原子成為負(fù)離子，硅原子的共價鍵中產(chǎn)生一個空穴。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴的濃度遠(yuǎn)高于自由電子的濃度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室溫下仍有電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合。多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，所以又稱為空穴型半導(dǎo)體。下頁上頁3價的雜質(zhì)原子產(chǎn)生多余的空穴，起著接受電子的作用，所以稱為受主原子。少數(shù)載流子首頁在雜質(zhì)半導(dǎo)體中：雜質(zhì)濃度不應(yīng)破壞半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入雜質(zhì)的濃度；而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)：摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，并使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體以不同方式組合，可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導(dǎo)體器件。總結(jié)上頁首頁第二節(jié)半導(dǎo)體二極管PN結(jié)及其單向?qū)щ娦远O管的伏安特性二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管總目錄下頁-++++++++++++-----------1.PN結(jié)中載流子的運(yùn)動-++++++++++++-----------空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho又稱耗盡層，即PN結(jié)。最終擴(kuò)散(diffusion)運(yùn)動與漂移(drift)運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，PN結(jié)中總電流為零。內(nèi)電場又稱阻擋層，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，卻有利于漂移運(yùn)動。硅約為（0.6~0.8）V鍺約為（0.2~0.3）V一、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詳U(kuò)散漂移下頁上頁首頁正向電流外電場削弱了內(nèi)電場有利于擴(kuò)散運(yùn)動，不利于漂移運(yùn)動?？臻g電荷區(qū)變窄2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷?-U-++++++++++++-----------RE耗盡層內(nèi)電場Uho-U外電場I稱為正向接法或正向偏置（簡稱正偏）forwardbiasPN結(jié)處于正向?qū)?on)狀態(tài)，正向等效電阻較小。下頁上頁首頁+-U-++++++++++++-----------RE稱為反向接法或反向偏置（簡稱反偏）一定溫度下，E超過某一值后I飽和，稱為反向飽和電流IS

。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǎ聪蚪刂?。?nèi)電場外電場Uho+U空間電荷區(qū)外電場增強(qiáng)了內(nèi)電場有利于漂移運(yùn)動，不利于擴(kuò)散運(yùn)動。反向電流非常小，PN結(jié)處于截止(cut-off)狀態(tài)。加反向電壓I反向電流IS

對溫度十分敏感。下頁上頁首頁動畫二、二極管的伏安特性陽極從P區(qū)引出，陰極從N區(qū)引出。1.二極管的類型從材料分：硅二極管和鍺二極管。從管子的結(jié)構(gòu)分：對應(yīng)N區(qū)對應(yīng)P區(qū)點(diǎn)接觸型二極管，工作電流小，可在高頻下工作，適用于檢波和小功率的整流電路。面接觸型二極管，工作電流大，只能在較低頻率下工作，可用于整流。開關(guān)型二極管，在數(shù)字電路中作為開關(guān)管。

二極管的符號陽極anode陰極cathode下頁上頁首頁302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死區(qū)電壓IsUBR反向特性+-UDI2.二極管的伏安特性下頁上頁首頁動畫當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管導(dǎo)通,電流與電壓關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系。硅二極管為0.7V左右鍺二極管為0.2V左右死區(qū)電壓正向特性0.51.01.5102030U/VI/mAO

二極管正向特性曲線硅二極管為0.5V左右鍺二極管為0.1V左右死區(qū)電壓：導(dǎo)通壓降：正向特性下頁上頁首頁反偏時，反向電流值很小，反向電阻很大，反向電壓超過UBR則被擊穿。IS反向特性UBR結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦裕驅(qū)?，反向截止。二極管方程：反向飽和電流反向擊穿電壓若|U|>>UT則I≈-

IS

式中：

IS為反向飽和電流

UT

是溫度電壓當(dāng)量，

常溫下UT近似為26mV。反向特性24-I/μAI/mAU/V2010O若U

>>UT則下頁上頁首頁三、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF指二極管長期運(yùn)行時，允許通過管子的最大正向平均電流。IF的數(shù)值是由二極管允許的溫升所限定。

最高反向工作電壓UR工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR

。下頁上頁首頁室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值愈小愈好。IR受溫度的影響很大。

最高工作頻率fM值主要決定于結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，則二極管允許的最高工作頻率愈低。下頁上頁反向電流IR首頁二極管除了具有單向?qū)щ娦砸酝?，還具有一定的電容效應(yīng)。勢壘電容Cb由PN結(jié)的空間電荷區(qū)形成，又稱結(jié)電容，反向偏置時起主要作用。擴(kuò)散電容Cd由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中的積累引起，正向偏置時起主要作用。下頁上頁首頁4二極管基本電路及其分析方法4.1二極管正向V-特性的建模1.理想模型在正向偏置時，其管壓降為0V;而在反向偏置時，認(rèn)為電阻無窮大。iDVDiDvD2.恒壓降模型二極管導(dǎo)通后,其管壓降認(rèn)為是恒定的,且不隨電流而變化,典型值是

0.7V。不過，這只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時才是正確的。3.折線模型二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而增加。Vth約為0.5V,其中，Vth和rD的值不是固定不變的。(見例題)DivDiDVDrDthv2.4.2模型分析法1.限幅電路在電子技術(shù)中，常用限幅電路對各種信號進(jìn)行處理。它是用來讓信號在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，有選擇地傳輸一部分。（見例題）2.開關(guān)電路在開關(guān)電路中，利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_電路。在分析這種電路時，應(yīng)掌握一條基本原則，即判斷電路中二極管處于導(dǎo)

通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，可以先將二極管斷開，然后觀察（或經(jīng)過計(jì)算）陽、陰兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。（見例題）3.低電壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源是電子電路中常見的組成部分。利用二極管正向壓降基本恒定的特點(diǎn)，可以構(gòu)成低電壓穩(wěn)壓電路。（見例題）1–4-3二極管基本應(yīng)用電路利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可?shí)現(xiàn)整流、限幅及電平選擇等功能。一、二極管整流電路把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖1–17(a)所示。若二極管為理想二極管，當(dāng)輸入一正弦波時，由圖可知：正半周時，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開關(guān)閉合)，uo=ui；負(fù)半周時，二極管截止(相當(dāng)開關(guān)打開)，uo=0。其輸入、輸出波形見圖1–17(b)。整流電路可用于信號檢測，也是直流電源的一個組成部分。圖1–17二極管半波整流電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關(guān)系二、二極管限幅電路限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換和整形。一個簡單的上限幅電路如圖1–19(a)所示。當(dāng)ui≥E+UD(on)=2.7V時，V導(dǎo)通，uo=2.7V，即將ui的最大電壓限制在2.7V上；當(dāng)ui<2.7V時，V截止，二極管支路開路，uo=ui。圖1–19(b)畫出了輸入一5V的正弦波時，該電路的輸出波形。將輸入信號中高出2.7V的部分削平了。1–5–1穩(wěn)壓二極管(齊納二極管)特殊工藝制造，雜質(zhì)濃度比較大。穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。一、穩(wěn)壓二極管的特性穩(wěn)壓二極管的電路符號及伏安特性曲線如圖1–21所示。由圖可見，它的正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時(IZmin<I<IZmax)，其兩端電壓幾乎不變。1–5其它二極管簡介圖1-21穩(wěn)壓二極管及其特性曲線（a)電路符號（b)伏安特性曲線穩(wěn)壓管特點(diǎn)：1、PN結(jié)易擊穿，其擊穿電壓比普通二極管擊穿電壓低很多；2、PN結(jié)面積大，散熱條件好，使反向擊穿在較大范圍內(nèi)是可逆的。穩(wěn)壓管特性：當(dāng)穩(wěn)壓管處于正向偏置時，其特性和普通二極管特性相同。當(dāng)穩(wěn)壓管處于反向偏置時，（1）如果電壓較小，（＜UZ）則處于截止?fàn)顟B(tài)，電流近似為0；（2）如果電壓達(dá)到擊穿電壓值（UZ），電流迅速增大，穩(wěn)壓管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。這表明，穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，能通過調(diào)整自身電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管擊穿后，電流急劇增大，使管耗相應(yīng)增大。因此必須對擊穿后的電流加以限制，以保證穩(wěn)壓二極管的安全。圖1–22穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZUZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。由于制作工藝的原因，即使同型號的穩(wěn)壓二極管，UZ的分散性也較大。使用時可通過測量確定其準(zhǔn)確值。2額定功耗PZPZ是由管子結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。PZ與PN結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時不允許超過此值。3穩(wěn)壓電流IZIZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時的參考電流。工作電流小于此值時，穩(wěn)壓效果差，大于此值時，穩(wěn)壓效果好。穩(wěn)定電流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作電流不允許超過此值，否則會燒壞管子。另外，工作電流也有最小值IZmax的限制，小于此值時，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。4動態(tài)電阻rZrZ是穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。rZ隨工作電流增大而減小。rZ的數(shù)值一般為幾歐姆到幾十歐姆。5溫度系數(shù)αα是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù)，用單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量表示。通常，UZ<5V時具有負(fù)溫度系數(shù)(因齊納擊穿具有負(fù)溫系數(shù))；UZ>7V時具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù))；而UZ在5V到7V之間時，溫度系數(shù)可達(dá)最小。三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路如圖1–22所示。圖中Ui為有波動的輸入電壓，并滿足Ui>UZ。R為限流電阻，RL為負(fù)載。圖1–22穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路1–5–2變?nèi)荻O管如前所述，PN結(jié)加反向電壓時，結(jié)上呈現(xiàn)勢壘電容，該電容隨反向電壓增大而減小。利用這一特性制作的二極管，稱為變?nèi)荻O管。它的電路符號如圖1–23所示。變?nèi)荻O管的結(jié)電容與外加反向電壓的關(guān)系由式(1–5)決定。它的主要參數(shù)有：變?nèi)葜笖?shù)、結(jié)電容的壓控范圍及允許的最大反向電壓等。圖1–23變?nèi)荻O管符號1–5–3光電二極管光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是管殼上留有一個能入射光線的窗口。圖1–25示出了光電二極管的電路符號，其中，受光照區(qū)的電極為前級，不受光照區(qū)的電極為后級。圖1–25光電二極管符號1–5–4發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。它由一個PN結(jié)構(gòu)成，其電路符號如圖1–26所示。當(dāng)發(fā)光二極管正偏時，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子被復(fù)合時，會發(fā)出可見光和不可見光。圖1–26發(fā)光二極管符號

三、寫出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。

電路舉例：判各二極管狀態(tài)，求Uo值。四、已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖T1.4所示電路中UO1和UO2各為多少伏。

圖T1.4解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。

1.4電路如圖P1.4所示，已知ui＝5sinωt(V)，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0V。試畫出ui與uO的波形，并標(biāo)出幅值。

1.5電路如圖P1.5（a）所示，其輸入電壓uI1和uI2的波形如圖（b）所示，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。試畫出輸出電壓uO的波形，并標(biāo)出幅值。圖P1.5[例1.2.1]已知Ui=

Umsinωt，畫出uo和uD的波形VDR+-+-uiuo+-uDioUmωtuooωtuDoui

＞0

時二極管導(dǎo)通，uo=

uiuD

=

0ui

＜0

時二極管截止，uD

=

uiuo=

0-UmioUmωtuio下頁上頁首頁[例1.2.2]二極管可用作開關(guān)EVDESEVDES正向偏置，相當(dāng)于開關(guān)閉合。反向偏置，相當(dāng)于開關(guān)斷開。下頁上頁首頁四、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種面接觸型二極管，與二極管不同之處：1.采用特殊工藝，擊穿狀態(tài)不致?lián)p壞；2.擊穿是可逆的。符號及特性曲線如下圖所示：ΔUΔI+-IUO

穩(wěn)壓管的伏安特性和符號ΔUΔI值很小有穩(wěn)壓特性陰極陽極下頁上頁首頁1.穩(wěn)定電壓UZ，穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的工作電壓。2.穩(wěn)定電流Iz

，穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。3.動態(tài)內(nèi)阻rz

，穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。

rz=ΔU/ΔI4.電壓的溫度系數(shù)αU，穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度對穩(wěn)定電壓的影響。5.額定功耗Pz

，電流流過穩(wěn)壓管時消耗的功率。主要參數(shù)：下頁上頁首頁使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時的注意事項(xiàng)：UoRLVDZRUiIRIoIZ++--

穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載RL并聯(lián)，必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，下頁上頁首頁[例1.2.3]電路如圖所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,

對應(yīng)ΔUZ=0.3V。求rZ，選擇限流電阻R。下頁上頁首頁UoRLVDZRUiIRIoIZ++--+-UZ解：IZ=IR-Io=UI-UZR-UZRLIZmax＞UImax-UZR-UZRLmaxIZmin

＜UImin-UZR-UZRLminrZ

=ΔIZΔUZ=6.7Ω15

-

650

+61=160

ΩR＞R＜10

-

65

+60.6=267

ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mA下頁上頁首頁UoRLVDZRUiIRIoIZ++--+-UZ+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例1.2.4]有兩個穩(wěn)壓管

VD1和

VD2，它們的穩(wěn)壓值為UZ1=6V，UZ2=8V，正向?qū)▔航稻鶠?/p>

UD=0.6

V，將它們串聯(lián)可得到幾種穩(wěn)壓值。U=UD+UD=1.2VU=UZ1+UD=6.6VU=UZ1+UZ2=14VU=UD+UZ2=8.6V下頁上頁首頁上頁首頁課堂練習(xí)第三節(jié)雙極型三極管三極管的結(jié)構(gòu)三極管中載流子的運(yùn)動和電流分配關(guān)系三極管的特性曲線三極管的主要參數(shù)總目錄下頁1.3半導(dǎo)體三極管幾種半導(dǎo)體三極管的外形1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)及類型三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號

無論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個區(qū):發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū),并相應(yīng)地引出三個電極：發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時,在三個區(qū)的兩兩交界處,形成兩個PN結(jié),分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。常用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺,因此共有四種三極管類型。它們對應(yīng)的型號分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。半導(dǎo)體三極管晶體管(transistor)雙極型三極管或簡稱三極管制作材料：分類：它們通常是組成各種電子電路的核心器件。雙極結(jié)型又稱為：硅或鍺NPN型PNP型下頁上頁首頁一、三極管的結(jié)構(gòu)三個區(qū)發(fā)射區(qū)：雜質(zhì)濃度很高基區(qū)：雜質(zhì)濃度低且很薄集電區(qū)：無特別要求發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)cbeNPN型三極管的結(jié)構(gòu)和符號兩個PN結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)三個電極發(fā)射極

e基極

b集電極

c集電極

ccollector基極

bbase發(fā)射極

eemitterNPN下頁上頁首頁RbRcEBECecb發(fā)射極電流二、三極管中載流子的運(yùn)動和電流分配關(guān)系發(fā)射:發(fā)射區(qū)大量電子向基區(qū)發(fā)射。2.復(fù)合和擴(kuò)散：電子在基區(qū)中復(fù)合擴(kuò)散。3.收集：將擴(kuò)散過來的電子收集到集電極。同時形成反向飽和電流ICBO。IEICIBICNIENIBNICBO集電極電流基極電流下頁上頁首頁動畫RbRcEBECecbIEICIBICNIENIBNICBOIC

=

ICN+

ICBOIE

=

ICN+

IBNIC

=αIE+

ICBO將代入IC

=

ICN+

ICBO得當(dāng)ICBO

<<IC時，可得≈ICIEαIEN

=

ICN+

IBNIE

=

IENIE

=

IC+

IB下頁上頁ICNα=IE通常將定義為共基直流電流放大系數(shù)。首頁β≈ICIBIE

=

IC+

IBβ稱為共射直流電流放大系數(shù)。IE=IC+IBIC

≈βIBIE=（1+β）IB下頁上頁首頁β1+βα

=β=α1-α1.3.4三極管的特性曲線圖1–33三極管共發(fā)射極特性曲線測試電路三、三極管的特性曲線1.輸入特性IB=f（UBE）UCE=

常數(shù)UCE=0VUCE=2V當(dāng)UCE大于某一數(shù)值后，各條輸入特性十分密集，通常用UCE

>1時的一條輸入特性來代表。UBE/ViB/μAO

三極管的輸入特性下頁上頁UBEib+-UCE=0VBBRbbec

三極管的輸入回路首頁2.輸出特性iC/mAOuCE/ViB=80μА6040200IC=f(UCE)IB=常數(shù)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)：IB≤0的區(qū)域，IC

≈0，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏。2.

放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏ΔIC=βΔIB

3.

飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏，UCE較小，IC

基本不隨IB

而變化。當(dāng)UCE=UBE時，為臨界飽和；當(dāng)UCE<UBE

時過飽和。截止區(qū)下頁上頁首頁動畫發(fā)射結(jié)反向偏置,集電結(jié)反向偏置,三極管工作在截止區(qū),可調(diào)換

EB極性。發(fā)射結(jié)反向偏置,三極管工作在截止區(qū),可調(diào)換

EC極性,或?qū)T更換為PNP型。兩PN結(jié)均正偏三極管工作在飽和區(qū)。[例1.3.1]判斷圖示各電路中三極管的工作狀態(tài)。0.7VVT0.3V下頁上頁RbRcECEBVTRbRcECVT首頁EB=IBRb+UBEIBICIB

=

46.5

μAβIB

=

2.3mA假設(shè)三極管飽和，UCES=0.3

V則ICS=EC-UCESRc=4.85

mAβIB

<ICS假設(shè)不成立，三極管工作在放大區(qū)。或者IC=βIB

=

2.3mAUCE=EC-ICRc=5.4

V發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏，三極管工作在放大區(qū)。下頁上頁RbRCECEBVT2k200k10V10Vβ=50首頁EB=IBRb+UBEIBICIB

=

465

μAβIB

=

23mA假設(shè)三極管飽和，UCES=0.3

V則ICS=EC-UCESRc=4.85

mAβIB

>ICS假設(shè)成立，三極管工作在飽和區(qū)。或者IC=βIB

=

23mAUCE=EC-ICRc=-36

V發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏，三極管工作在飽和區(qū)。下頁上頁RbRCECEBVT2k20k10V10Vβ=50首頁四、三極管的主要參數(shù)2.反向飽和電流β=ΔICΔIBβ≈ICIB共基直流電流放大系數(shù)αα=ΔICΔIE

共基電流放大系數(shù)αα=ICNIEβ共射直流電流放大系數(shù)集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO集電極和發(fā)射極之間的穿透電流

ICEOICEO=（1+）ICBOβ兩者滿足1.電流放大系數(shù)

共射電流放大系數(shù)β下頁上頁首頁3.極限參數(shù)a.集電極最大允許電流

ICMiC/mAOuCE/V三極管的安全工作區(qū)過流區(qū)集射反向擊穿電壓U(BR)CEO集基反向擊穿電壓U(BR)CBOICUCE=PCM過壓區(qū)安全工作區(qū)ICM過損耗區(qū)U(BR)CEOc.極間反向擊穿電壓b.集電極最大允許耗散功率

PCM下頁上頁首頁下頁上頁五、PNP型三極管PNP型三極管的放大原理與NPN型基本相同，但外加電源的極性相反。~VBBuiRbRcVT+-uoVCC~VBBuiRbRcVT+-uoVCC首頁在由PNP三極管組成的放大電路中，三極管中各極電流和電壓的實(shí)際方向如圖(a)所示，根據(jù)習(xí)慣三極管中電流和電壓的規(guī)定正方向如圖(b)所示。UCE

UBE

IE

IC

IB

cbe(-)

(+)

(+)

(-)

(a)UCE

UBE

IE

IC

IB

cbe(-)

(+)

(+)

(-)

(b)定量計(jì)算中，將得出PNP三極管的UBE和UCE為負(fù)值。在PNP三極管的輸入和輸出特性曲線中，電壓坐標(biāo)軸上將分別標(biāo)注“-UBE”和“-UCE”。電流實(shí)際方向與規(guī)定方向一致，電壓實(shí)際方向與規(guī)定方向相反。下頁上頁首頁上頁首頁課堂練習(xí)第四節(jié)場效應(yīng)三極管結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管場效應(yīng)管的主要參數(shù)下頁總目錄場效應(yīng)三極管中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道下頁上頁首頁一、結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)N型溝道耗盡層GDSGDSP+P+N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號柵極漏極源極下頁上頁首頁2.工作原理UGS=0UGS<0UGS=UGS(off)⑴當(dāng)UDS=0時，UGS對耗盡層和導(dǎo)電溝道的影響。ID=0ID=0下頁上頁首頁N型溝道GDSP+P+N型溝道GDSP+P+GDSP+P+IS=IDIDISIDISUGS=0，UDG<|UGS(off)|UGS<0，UDG<|UGS(off)|⑵.當(dāng)UDS＞0時，UGS對耗盡層和ID的影響。NP+P+VGGVDDGDSNP+P+VDDGDS溝道較寬，ID

較大。溝道變窄，

ID

較小。下頁上頁首頁NP+P+IDISVGGVDDP+P+IDISVGGVDDUGS<0，UDG=|UGS(off)|，UGS≤

UP，UDG

>

|UGS(off)|，ID≈0，導(dǎo)電溝道夾斷。ID更小，導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷。下頁上頁首頁動畫3.特性曲線⑴.轉(zhuǎn)移特性ID=f（UGS）|UDS=常數(shù)GDSmAVVIDVGGVDD場效應(yīng)管特性曲線測試電路Ｎ溝道結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性

IDSSUP飽和漏極電流柵源間加反向電壓UGS

<

0利用場效應(yīng)管輸入電阻高的優(yōu)點(diǎn)。UGS/VID/mAO下頁上頁首頁⑵.漏極特性ID=f（UDS）|UGS=常數(shù)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)|UGS(off)|8VIDSSUGS=0-4-2-6-8ID/mAUDS/VO|UDS-UGS|=|UP|可變電阻區(qū)：ID與UDS基本上線性關(guān)系，但不同的UGS其斜率不同。恒流區(qū)：又稱飽和區(qū)，ID幾乎與UDS無關(guān)，ID的值受UGS控制。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的漏極特性擊穿區(qū)：反向偏置的PN結(jié)被擊穿，

ID電流突然增大。夾斷電壓下頁上頁首頁二、絕緣柵場效應(yīng)管1.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管⑴.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BSGDSiO2鋁P襯底雜質(zhì)濃度較低，引出電極用B表示。N+兩個區(qū)雜質(zhì)濃度很高，分別引出源極和漏極。柵極與其它電極是絕緣的，通常襯底與源極在管子內(nèi)部連接。SGDB下頁上頁首頁P(yáng)型襯底N+SGDBN+開啟電壓，用UT表示⑵.工作原理當(dāng)UGS增大到一定值時，形成一個N型導(dǎo)電溝道。N型溝道UGS>UT時形成導(dǎo)電溝道VGG導(dǎo)電溝道的形成假設(shè)UDS=0，同時UGS

>0

靠近二氧化硅的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層，若增大UGS

，則耗盡層變寬。又稱之為反型層導(dǎo)電溝道隨UGS增大而增寬。下頁上頁首頁UDS對導(dǎo)電溝道的影響UGS為某一個大于UT的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，且UDS<

UGS

-UT即UGD=UGS-UDS

>UT則有電流ID

產(chǎn)生，ID使導(dǎo)電溝道發(fā)生變化。當(dāng)UDS

增大到UDS=UGS

-UT即UGD=UGS-UDS

=UT

時，溝道被預(yù)夾斷，

ID

飽和。P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對導(dǎo)電溝道的影響下頁上頁首頁⑶.特性曲線IDOUT2UT預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)ID/mAUDS/VOUGS/VID/mAO當(dāng)UGS

≥

UGS(th)時。下頁上頁截止區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用一下公式表示：首頁2.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管預(yù)先在二氧化硅中摻入大量的正離子，使UGS=0時，產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS<0時，溝道變窄，達(dá)到某一負(fù)值時被夾斷，ID≈0，稱為夾斷電壓。UGS>0時，溝道變寬，ID增大。GDSB下頁上頁首頁P(yáng)型襯底N+N+SGDBN型溝道++++++動畫耗盡型：UGS

=0時無導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：UGS

=0時有導(dǎo)電溝道。特性曲線IDSSUP預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)IDSSID/mAUDS/VOUGS=0-2-1+1+2UGS/VOID/mA下頁上頁截止區(qū)首頁三、場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)⑴.飽和漏極電流IDSS是耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓uGS等于零，而漏源之間的電壓uDS大于夾斷電壓時對應(yīng)的漏極電流。⑵.夾斷電壓UP是耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。其定義是當(dāng)uDS一定時，使iD減小到某一個微小電流時所需的uGS值。下頁上頁首頁⑶.開啟電壓UGS(th)UGS(th)是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。其定義是當(dāng)uDS一定時，使漏極電流達(dá)到某一數(shù)值時所需加的uGS值。⑷.直流輸入電阻RGS柵源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。結(jié)型場效應(yīng)管的RGS一般在107Ω以上，絕緣柵場效應(yīng)管的RGS更高，一般大于109Ω。下頁上頁首頁2.交流參數(shù)⑴.低頻跨導(dǎo)gm用以描述柵源之間的電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。⑵.極間電容場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括CGS、CGD和CDS。極間電容愈小，管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。下頁上頁首頁3.極限參數(shù)⑴.漏極最大允許耗散功率PDM漏極耗散功率等于漏極電流與漏源之間電壓的乘積，即PD=iDuDS。⑵.

漏源擊穿電壓U（BR）DS在場效應(yīng)管的漏極特性曲線上，當(dāng)漏極電流iD急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的uDS

。⑶.柵源擊穿電壓U（BR）GS下頁上頁首頁上頁首頁課堂練習(xí)1.3半導(dǎo)體三極管圖1-28幾種半導(dǎo)體三極管的外形1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)及類型圖1–29三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號無論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個區(qū):發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū),并相應(yīng)地引出三個電極：發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時,在三個區(qū)的兩兩交界處,形成兩個PN結(jié),分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。常用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺,因此共有四種三極管類型。它們對應(yīng)的型號分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。1.3.2三極管的三種連接方式圖1-30三極管的三種連接方式1.3.3三極管的放大作用1.載流子的傳輸過程發(fā)射。(2)擴(kuò)散和復(fù)合。(3)收集。圖1–31三極管中載流子的傳輸過程2.電流分配圖1-32三極管電流分配集電極電流ＩＣ由兩部分組成：ＩＣｎ和ＩＣＢＯ,前者是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的,后者是由集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)載流子漂移運(yùn)動形成的,稱為反向飽和電流。于是有ＩＣ＝ＩＣｎ＋ＩＣＢＯ(1-6)發(fā)射極電流ＩＥ也由兩部分組成：ＩＥｎ和ＩＥｐ。ＩＥｎ為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流,ＩＥｐ是由基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的空穴所形成的電流。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)是重?fù)诫s,所以ＩＥｐ忽略不計(jì),即ＩＥ≈ＩＥｎ。ＩＥｎ又分成兩部分,主要部分是ＩＣｎ,極少部分是ＩＢｎ。ＩＢｎ是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合時所形成的電流,基區(qū)空穴是由電源ＵＢＢ提供的,故它是基極電流的一部分。基極電流ＩＢ是ＩＢｎ與ＩＣＢＯ之差：(1-7)(1-8)發(fā)射區(qū)注入的電子絕大多數(shù)能夠到達(dá)集電極,形成集電極電流,即要求ＩＣｎ>>ＩＢｎ。通常用共基極直流電流放大系數(shù)衡量上述關(guān)系,用α來表示,其定義為(1-9)一般三極管的α值為0.97～0.99。將(１-９)式代入(１-６)式,可得(1-10)通常ＩＣ>>ＩCBO,可將ＩＣＢＯ忽略,由上式可得出(1-11)三極管的三個極的電流滿足節(jié)點(diǎn)電流定律,即將此式代入(1-10)式得(1-12)經(jīng)過整理后得令

β稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)IC>>ICBO時,β又可寫成(1-13)(1-14)則其中ICEO稱為穿透電流,即一般三極管的β約為幾十～幾百。β太小,管子的放大能力就差,而β過大則管子不夠穩(wěn)定。表1-3三極管電流關(guān)系的一組典型數(shù)據(jù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96相應(yīng)地,將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比,定義為共基極交流電流放大系數(shù),即故顯然β與β,α與α其意義是不同的,但是在多數(shù)情況下β≈β,α≈α。例如,從表１-３知,在ＩＢ＝００３mA附近,設(shè)ＩＢ由００２mA變?yōu)椋埃埃磎A,可求得1.3.4三極管的特性曲線圖1–33三極管共發(fā)射極特性曲線測試電路1.輸入特性當(dāng)ＵＣＥ不變時,輸入回路中的電流ＩＢ與電壓ＵＢＥ之間的關(guān)系曲線稱為輸入特性,即圖1-34三極管的輸入特性2.輸出特性當(dāng)ＩＢ不變時,輸出回路中的電流ＩＣ與電壓ＵＣＥ之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性,即圖1-35三極管的輸出特性