ch4半導(dǎo)體二極管、三極管和場效應(yīng)管

1、本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：,1.二極管的單向?qū)щ娦浴⒎€(wěn)壓管的原理。,2.三極管的電流放大原理， 如何判斷三極管的管型 、管腳和管材。,3.場效應(yīng)管的分類、工作原理和特性曲線。,1、什么是半導(dǎo)體,4.1 PN結(jié),一、半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識,絕緣體UT時,當(dāng) u|U T |時,4. PN結(jié)的電流方程,4.1 PN結(jié),三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?下一頁,前一頁,第 1-21 頁,退出本章,5. PN結(jié)的伏安特性曲線,正偏,IF（多子擴(kuò)散）,IR（少子漂移）,反偏,反向飽和電流,反向擊穿電壓,反向擊穿,4.1 PN結(jié),三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?下一頁,前一頁,第 1-22 頁,退出本章,6. PN結(jié)的電容效應(yīng),當(dāng)外加電

2、壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。,(1) 勢壘電容CB,4.1 PN結(jié),三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?下一頁,前一頁,第 1-23 頁,退出本章,(2) 擴(kuò)散電容CD,當(dāng)外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的非平衡少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。,平衡少子：PN結(jié)處于平衡時的少子。,非平衡少子：外加正向電壓時，從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子。,4.1 PN結(jié),三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?下一頁,前一頁,第 1-24 頁,退出本章, PN結(jié)結(jié)電容（極間電容）CJ,CJ = CB + CD,由于一般

3、很小，對于低頻信號呈現(xiàn)較大的容抗，其作用 可忽略不計，所以，只有在信號頻率較高時，才考慮電 容的作用。,4.1 PN結(jié),三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?下一頁,前一頁,第 1-25 頁,退出本章,半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體:本征激發(fā),PN結(jié),形成過程,單向?qū)щ娦?小結(jié)：,4.1 PN結(jié),三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?二極管 = PN結(jié) + 管殼 + 引線,1、結(jié)構(gòu),2、符號,4.2 半導(dǎo)體二極管,一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型,下一頁,前一頁,第 1-27 頁,退出本章,3、二極管的分類：,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。,4.2 半導(dǎo)體二極管,一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和

4、類型,3）、 平面型二極管,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。,4.2 半導(dǎo)體二極管,一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型,下一頁,前一頁,第 1-29 頁,退出本章,硅：0.5 V 鍺： 0.1 V,(1) 正向特性,導(dǎo)通壓降,(2) 反向特性,死區(qū) 電壓,實(shí)驗(yàn)曲線,硅：0.7 V 鍺：0.3V,4.2 半導(dǎo)體二極管,二、半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線,下一頁,前一頁,第 1-30 頁,退出本章,(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)

5、反向擊穿電壓UBR,二極管反向電流 急劇增加時對應(yīng)的反向 電壓值稱為反向擊穿 電壓UBR。,(3) 反向電流IR,在室溫下，在規(guī)定的反向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。,(4) 最高工作頻率fM,二極管工作的上限頻率,4.2 半導(dǎo)體二極管,三、二極管的主要參數(shù),下一頁,前一頁,第 1-31 頁,退出本章,1、理想等效電路模型,正偏,反偏,2、恒壓源等效電路,U ON :二極管的導(dǎo)通壓降。硅管 0.7V，鍺管 0.3V。,4.2 半導(dǎo)體二極管,四、二極管的等效電路,下一頁,前一頁,第 1-32 頁,退出本章,1、理想二極管模型,相對誤差：,硅二

6、極管電路如圖所示，若已知回路電流I測量值 為 9.32mA，試分別用理想模型和恒壓降模型計算回路電流I，并比較誤差。,2、恒壓降模型,解：,相對誤差：,0.7V,例1：,4.2 半導(dǎo)體二極管,四、二極管的等效電路,下一頁,前一頁,第 1-33 頁,退出本章,例：電路如圖所示，R1k，UREF=2V，輸入信號為ui。 (1)若 ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、恒壓降模型計算電流I和輸出電壓uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。,4.2 半導(dǎo)體二極管,四、二極管的等效電路,下一頁,前一頁,第 1-34 頁,退出本章,（2）如果ui為幅度4V的交流三角波

7、，波形如圖（b）所示，UREF=2V,分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。,解：采用理想二極管 模型分析。波形如圖所示。,4.2 半導(dǎo)體二極管,四、二極管的等效電路,下一頁,前一頁,第 1-35 頁,退出本章,采用恒壓降模型分析，波形如圖所示。,4.2 半導(dǎo)體二極管,四、二極管的等效電路,下一頁,前一頁,第 1-36 頁,退出本章,1、整流,已知ui10sint (V)，二極管正向?qū)妷嚎珊雎圆挥嫛Ｔ嚠嫵鰑i與uO的波形。,4.2 半導(dǎo)體二極管,五、二極管的應(yīng)用,下一頁,前一頁,第 1-37 頁,退出本章,0.7V,-0.7V,0.7V,2、限幅

8、,已知硅二極管組成電路，試畫出在輸入信號ui作用下輸出電壓uo波形。,五、二極管的應(yīng)用,4.2 半導(dǎo)體二極管,-0.7V,uO,ui,t,t,下一頁,前一頁,第 1-38 頁,退出本章,3、用于數(shù)字電路,例：分析如圖所示電路的功能。,解：,4.2 半導(dǎo)體二極管,五、二極管的應(yīng)用,下一頁,前一頁,第 1-39 頁,退出本章,正向同二極管,1、符號：,穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū),4.2 半導(dǎo)體二極管,六、穩(wěn)壓二極管,下一頁,前一頁,第 1-40 頁,退出本章,穩(wěn)定電壓,2、伏安特性：,3、穩(wěn)壓二極管的主要 參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓UZ,(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

9、反向工作電壓。,rZ =U /I rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。,(3) 最小穩(wěn)定工作 電流IZmin,保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流，若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流IZmax,超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。,4.2 半導(dǎo)體二極管,六、穩(wěn)壓二極管,下一頁,前一頁,第 1-41 頁,退出本章,4、穩(wěn)壓原理,RL,UO,IDZ,IR,UO,UR,如圖所示電路，若負(fù)載發(fā)生變化引起輸出減小，可利用該電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用。,4.2 半導(dǎo)體二極管,六、穩(wěn)壓二極管,下一頁,前一頁,第 1-42 頁,退出本章,4.3 雙極型晶體管,1 晶體管的結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN

10、型,PNP型,4.3 雙極型晶體管,一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型,兩PN結(jié)、三區(qū)、三極,集電區(qū),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電結(jié),發(fā)射結(jié),下一頁,前一頁,第 1-44 頁,退出本章,NPN型三極管,PNP型三極管,4.3 雙極型晶體管,2 符號,下一頁,前一頁,第 1-45 頁,退出本章,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,4.3 雙極型晶體管,一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型,3 晶體管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),下一頁,前一頁,第 1-46 頁,退出本章,1、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動,發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流 發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)形成發(fā)射極電流 IE (

11、基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。,2. 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與 空穴的復(fù)合運(yùn)動形成基極 電流 電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù) 合形成基極電流 Ibn，復(fù)合掉的 空穴由 VBB 補(bǔ)充。,多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。,二、晶體管的電流分配及其放大作用,4.3 雙極型晶體管,下一頁,前一頁,第 1-47 頁,退出本章,3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動形成集電極電流Ic 集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過來的電子而形成集電極電流 Icn。 其能量來自外接電源 VCC 。,另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。,二、晶體管的電流分配及其放大作

12、用,4.3 雙極型晶體管,下一頁,前一頁,第 1-48 頁,退出本章,2、晶體管的電流分配關(guān)系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,IB=IEp+ IBnICBO,IE =IC+IB,二、晶體管的電流分配及其放大作用,4.3 雙極型晶體管,下一頁,前一頁,第 1-49 頁,退出本章,3、晶體管的共射電流放大系數(shù),整理可得：,ICBO 稱反向飽和電流,ICEO 稱穿透電流,1) 共射直流電流放大系數(shù),2) 共射交流電流放大系數(shù),二、晶體管的電流分配及其放大作用,4.3 雙極型晶體

13、管,下一頁,前一頁,第 1-50 頁,退出本章,3) 共基直流電流放大系數(shù),或,4) 共基交流電流放大系數(shù),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(yán)格區(qū)分。,5) 與的關(guān)系,二、晶體管的電流分配及其放大作用,4.3 雙極型晶體管,4、三極管的電流方向,發(fā)射極的電流方向與發(fā)射極的箭頭方向一致,二、晶體管的電流分配及其放大作用,4.3 雙極型晶體管,下一頁,前一頁,第 1-52 頁,退出本章,1、輸入特性,工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。,死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。,4.3

14、 雙極型晶體管,三、晶體管的共射特性曲線,iB=f(uBE) UCE=const,下一頁,前一頁,第 1-53 頁,退出本章,2、輸出特性,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)，,4.3 雙極型晶體管,三、晶體管的共射特性曲線,iC=f(uCE) IB=const,下一頁,前一頁,第 1-54 頁,退出本章,此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。,4.3 雙極型晶體管,三、晶體管的共射特性曲線,下一頁,前一頁,第 1-55 頁,退出本章,此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V,(3)

15、截止區(qū)： UBE0，即UC UB UE 。,解：,三、晶體管的共射特性曲線,4.3 雙極型晶體管,下一頁,前一頁,第 1-62 頁,退出本章,（1）U1=3.5V、U2=2.8V、 U3=12V （2）U1=3V、 U2=2.8V、 U3=12V （3）U1=6V、 U2=11.3V、 U3=12V （4）U1=6V、 U2=11.8V、 U3=12V 判斷它們是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？并確定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 鍺 （3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅 （4）U1 c、U2 b、U3

16、e PNP 鍺,解：,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位 于哪個區(qū)？,1） USB = - 2V時：,IB=0 ， IC=0,Q位于截止區(qū),4.3 雙極型晶體管,三、晶體管的共射特性曲線,解：,下一頁,前一頁,第 1-63 頁,退出本章,2）USB =5V時:,IB IBmax， Q位于飽和區(qū)。(實(shí)際上，此時IC和IB 已不是的關(guān)系，晶體管飽和失真）,4.3 雙極型晶體管,三、晶體管的共射特性曲線,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時，晶

17、體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個區(qū)？,ICMAX (USCUCES)/RC,(120.3)/6 1.95(mA),下一頁,前一頁,第 1-64 頁,退出本章,IBMAX ICMAX/ 1.95/50=0.039 mA,IB IBmax (=1.95mA) ， Q位于放大區(qū)。,3）USB =2V時：,4.3 雙極型晶體管,三、晶體管的共射特性曲線,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個區(qū)？,下一頁,前一頁,第 1-65 頁,退出本章,IBMAX ICMAX/ 1.95/50=0.039 mA,例： 電路如圖所

18、示， =50，當(dāng)開關(guān)S分別接到ABC三個觸點(diǎn)時，判斷三極管的工作狀態(tài)。,三、晶體管的共射特性曲線,4.3 雙極型晶體管,4.3 雙極型晶體管,四、晶體管的主要參數(shù),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),1）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù),=（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,2）共基直流電流放大系數(shù),3）集電極基極間反向飽和電流ICBO,集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,2、交流參數(shù),1）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =iC/iBUCE=const,2） 共基極交流電流放大系數(shù) =iC/iE UCB=const,3）特征

19、頻率 fT,值下降到1的信號頻率,四、晶體管的主要參數(shù),4.3 雙極型晶體管,1）最大集電極耗散功率PCM,PC= iCuCE,3、 極限參數(shù),2）最大集電極電流ICM,3）反向擊穿電壓, UCBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)反 向擊穿電壓。, U EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。, UCEO基極開路時集電極和發(fā)射 極間的擊穿電壓。,幾個擊穿電壓有如下關(guān)系 UCBOUCEOUEBO,四、晶體管的主要參數(shù),4.3 雙極型晶體管,4、 溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響,1）溫度對ICBO的影響,溫度每升高100C ， ICBO增加約一倍。 反之，當(dāng)溫度降低時ICBO減少。,硅管的ICBO比鍺管的小得

20、多。,2）溫度對輸入特性的影響,溫度升高時正向特性左移，反之右移,3）溫度對輸出特性的影響,溫度升高將導(dǎo)致 IC 增大,溫度對輸出特性的影響,場效應(yīng)管：一種載流子參與導(dǎo)電，利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管，又稱單極型三極管。,場效應(yīng)管分類,結(jié)型場效應(yīng)管,絕緣柵場效應(yīng)管,特點(diǎn),單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；,輸入電阻高；,工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。,4.4 場效應(yīng)管,N溝道,P溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,（耗盡型）,場效應(yīng)管分類：,由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱 MOS 場效應(yīng)管。,特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)

21、 1010 以上。,類型,N 溝道,P 溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,增強(qiáng)型,耗盡型,UGS = 0 時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；,UGS = 0 時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。,一、絕緣柵型場效應(yīng)管,1、N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管,結(jié)構(gòu),B,G,S,D,源極 S,漏極 D,襯底引線 B,柵極 G,1. 工作原理,絕緣柵場效應(yīng)管利用 UGS 來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流 ID。,2.工作原理分析,(1)UGS = 0,漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。,(2) UDS = 0，0 UGS UT， UGD UT,(b) UGD = UT,(c) UGD UGS