第1章--常用半導(dǎo)體器件PrelectEdition

1、第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 1.3 雙極型晶體管,半導(dǎo)體器件，如晶體二極管、晶體三極管、MOS管以及集成電路等，是現(xiàn)在構(gòu)成電子電路的基本元器件。本章首先介紹半導(dǎo)體中的載流子和PN結(jié)，然后介紹半導(dǎo)體二極管、雙極型三極管等半導(dǎo)體器件的原理、特性及主要參數(shù)，并分析討論由這些器件組成的幾種簡(jiǎn)單電路。講這些的目的是為了分析討論由這些器件組成的電路。,第二講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),一、本征半導(dǎo)體,二、雜質(zhì)半導(dǎo)體,三、PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?四、PN結(jié)的電容效應(yīng),1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),物體的導(dǎo)電性能取決于該物體內(nèi)是否存在可自由移動(dòng)的帶電粒子及其多寡（電流是

2、由帶電粒子按一定方向移動(dòng)形成的）。在常態(tài)下許多金屬（如銀、銅、鋁等）中存在較多的能夠自由移動(dòng)的、帶負(fù)電的自由電子，是電的良導(dǎo)體；而稀有氣體（氦、氖、氬、氪、氙、氡）和金剛石等的最外層電子，或受原子核的束縛力很強(qiáng)，或受共價(jià)鍵的束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，是絕緣體。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料硅(Si)和鍺(Ge)均為IV A族元素，其原子結(jié)構(gòu)如圖1.1.1所示。,圖1.1.1 Si和Ge的原子結(jié)構(gòu)示意圖 (a) Si原子；(b) Ge原子；(c) 簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型,1.1.1 本征(Intrinsic)半導(dǎo)體 將純凈的半導(dǎo)體制成單晶體，如將高純硅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)

3、99.999 999 999%）拉制成單晶硅，即為本征半導(dǎo)體。晶體中的原子形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格。晶格中原子之間的距離非常近，每一個(gè)原子的最外層的四個(gè)電子，不僅受到自身所屬原子核的吸引，圍繞自身所屬原子核運(yùn)動(dòng)，還受到相鄰原子核的吸引出現(xiàn)在相鄰原子最外層電子所屬軌道上，為相鄰的原子核共用，即與其相鄰的四個(gè)原子的最外層電子組成共價(jià)鍵，成為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如 圖1.1.2所示。,圖1.1.2 本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖,半導(dǎo)體材料還有化合物，如GaAs,本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖,晶體中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。在熱力學(xué)溫度零度（即攝氏-273.16度），價(jià)電子沒(méi)有能力脫離共價(jià)鍵的束縛，晶體中沒(méi)有能

4、自由移動(dòng)的帶電粒子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。但是半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，在常溫下，有極少數(shù)的價(jià)電子因熱激發(fā)獲得足夠的能量脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位置，稱為空穴，如圖1.1.3所示。每個(gè)電子帶一個(gè)負(fù)電荷，晶格中的原子因失去一個(gè)電子帶正電，即每個(gè)空穴帶一個(gè)正電荷。半導(dǎo)體中有兩種載流子，電子和空穴。 電子空穴對(duì)電子電流空穴電流載流子,圖1.1.3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴,本征半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在電子空穴對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)，自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，兩者一起消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合都在不停的發(fā)生，在一定的溫

5、度下，本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)與復(fù)合的電子空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。即在一定溫度下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度是一定的。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵束縛的自由電子增多，空穴也相應(yīng)增多；電子空穴對(duì)的增多也增加了電子空穴對(duì)復(fù)合的機(jī)會(huì)，最終在升高的載流子濃度下達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)電能力提高。,同理，當(dāng)溫度降低時(shí)，載流子的濃度降低，導(dǎo)電能力下降。因此，本征半導(dǎo)體的載流子濃度受溫度的影響，是溫度的函數(shù)。本征半導(dǎo)體載流子的濃度為 (1.1.1) 式(1.1.1)表明，當(dāng)T=0K時(shí)，自由電子與空穴的濃度均為0，本征半導(dǎo)體成為絕緣體；當(dāng)溫度升高時(shí)，本征半導(dǎo)體載流子的濃度超線性升高。這就是半導(dǎo)體材料的

6、熱敏性。它既是造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因，又可加以利用制作熱敏器件。另外，半導(dǎo)體載流子濃度還受輻射影響，可作為光敏材料。,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入微量合適的雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中的載流子是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的，數(shù)量很少，因此其導(dǎo)電能力很弱。摻入雜質(zhì)元素，會(huì)使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化?？刂茡饺腚s質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。電子濃度高于空穴濃度的稱為N(Negative)型半導(dǎo)體，空穴濃度高于電子濃度的稱為P(Positive)型半導(dǎo)體。,一、N型半導(dǎo)體 在本征硅(或鍺)中摻入VA族元素（如磷P、砷As、銻Sb等），則晶格結(jié)構(gòu)中某些位置由雜質(zhì)原

7、子占據(jù)。由于VA族元素原子的最外層有5個(gè)價(jià)電子，所以除了與四周硅原子形成共價(jià)鍵外，雜質(zhì)原子還多出一個(gè)電子。這個(gè)電子不受共價(jià)鍵的束縛，雜質(zhì)原子對(duì)這個(gè)價(jià)電子的束縛力也較弱，在常溫下，由于熱激發(fā)，成為自由電子，而雜質(zhì)原子則缺失了一個(gè)電子，又因其在晶格上，成為不能移動(dòng)的正離子。但整個(gè)N型半導(dǎo)體是電中性的。如圖1.1.4所示。,圖1.1.4N型半導(dǎo)體示意圖,由于摻入晶體的雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。摻入的雜質(zhì)越多，自由電子的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。N型半導(dǎo)體中自由電子的濃度大于空穴的濃度，因此稱自由電子為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。 在N型半導(dǎo)體中，由于自由電子的濃

8、度增加，于是增加了電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)，因此在同一溫度下本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴的濃度降低。J.米爾曼證明了半導(dǎo)體中兩種載流子的濃度的乘積在同一溫度下是恒定值，與摻雜濃度無(wú)關(guān)，即,因此，N型半導(dǎo)體中自由電子越多則空穴越少。例如，本征硅中硅原子的濃度為5.11022cm-3，摻入十億分之一(10-9)的施主元素，則施主原子的濃度為5.11013cm-3，常溫下(T=300K時(shí))每個(gè)施主原子提供一個(gè)自由電子，于是由摻入的雜質(zhì)提供的自由電子的濃度 cm-3。這個(gè)濃度遠(yuǎn)大于300K時(shí)本征硅激發(fā)產(chǎn)生的自由電子濃度1.431010 cm-3，所以自由電子的濃度n基本上等于ND。于是空穴濃度為 cm-3。由此可見(jiàn)

9、p遠(yuǎn)小于n，N型半導(dǎo)體中的電流基本上是自由電子的電流。此摻雜濃度的N型半導(dǎo)體的電阻率約為89.3cm，而本征硅300K時(shí)的電阻率約為2.14105cm。即微量的摻雜可大幅提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。,二、P型半導(dǎo)體 在本征硅(或鍺)中摻入IIIA族元素（如硼B(yǎng)、鋁Al、銦In等），則形成P型半導(dǎo)體。由于IIIA族元素原子的最外層有3個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它們與四周硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)“空位”（空位為電中性）如圖1.1.5所示。這些空位形成受主能級(jí)，在室溫下受主能級(jí)非常接近價(jià)帶頂部能級(jí)，使得價(jià)帶中的價(jià)電子躍遷到受主能級(jí)，同時(shí)在價(jià)帶形成空穴，而雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子。因雜質(zhì)原子共價(jià)鍵中的空位

10、吸收電子，故稱之為受主原子。,圖15 P型半導(dǎo)體示意圖,硼（B）,多數(shù)載流子,半導(dǎo)體中的電流 在半導(dǎo)體中有兩種電流。 一、漂移電流 在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱為漂移電流。它類似于金屬導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流。 漂移電流的大小將由半導(dǎo)體中載流子濃度、遷移速度及外加電場(chǎng)的強(qiáng)度等因素決定。,2、擴(kuò)散電流 在半導(dǎo)體中，因某種原因使載流子的濃度分布不均勻時(shí)，載流子會(huì)從濃度大的地方向濃度小的地方作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而形成擴(kuò)散電流。 半導(dǎo)體中某處的擴(kuò)散電流主要取決于該處載流子的濃度差(即濃度梯度)。濃度差越大，擴(kuò)散電流越大，而與該處的濃度值無(wú)關(guān)。反映在濃度分布曲線上，擴(kuò)散電流正比于濃度分布

11、線上某點(diǎn)處的斜率。,P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。,N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。,1.1.3 PN結(jié)一、PN結(jié)的形成,PN結(jié)的形成,因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。,參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。,由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。另一方面，內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。,PN結(jié) / 空間電荷區(qū) /阻擋層 / 耗盡層 PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的電流為0，空間電荷區(qū)有一定

12、的寬度，并有一定的電位差Uho?？臻g電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)電荷的電量相等，因此，當(dāng)P區(qū)與N區(qū)摻雜濃度相等時(shí)，負(fù)離子區(qū)的寬度與正離子區(qū)的寬度也相等，稱為對(duì)稱結(jié)；當(dāng)兩邊摻雜濃度不相等時(shí)，摻雜濃度高的一側(cè)的離子區(qū)較摻雜濃度低的一側(cè)的離子區(qū)窄，稱為不對(duì)稱結(jié)，如圖1.1.7所示，,圖1.1.7 不對(duì)稱PN結(jié) +號(hào)表示摻雜濃度高。這兩種結(jié)在外部特性上沒(méi)有差別。,PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,PN結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。,二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二、PN結(jié)的

13、單向?qū)щ娦?使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)外加正向電壓或正向偏置(簡(jiǎn)稱正偏) 。外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，使阻擋層的勢(shì)壘降低，或者說(shuō)，外電場(chǎng)將P區(qū)的多子空穴和N區(qū)的多子自由電子推向空間電荷區(qū)，使其變窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，打破了原來(lái)的平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。由于電源的作用，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不斷地進(jìn)行，形成正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。 由于PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)其上的壓降不到1V，所以在其回路中必須串接電阻以限制電流，防止PN結(jié)因電流過(guò)大而燒毀。,圖1.1.8 PN結(jié) 加正向電壓時(shí)導(dǎo)通,使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)外加反向電壓或反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏)，如圖1.1.9示。此時(shí)外電

14、場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，使空間電荷區(qū)變寬，進(jìn)一步阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但加劇了漂移運(yùn)動(dòng)，這也打破了原來(lái)的平衡，使得參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目多于參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目，形成反向電流，也稱為漂移電流。由于少子的濃度很低，即使所有少子都參與漂移運(yùn)動(dòng)，反向電流也非常小，在近似分析中常將其忽略不計(jì)，認(rèn)為PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,圖1.1.9 PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止,三、PN結(jié)的伏安特性 根據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概念和載流子的波爾茲曼分布規(guī)律，以突變結(jié)為例，可得到PN結(jié)所加端電壓與流過(guò)PN結(jié)的電流的關(guān)系為 (1.1.3) 式中， 為反向飽和電流，q為電子的電量，k為波耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。記 ，則 (1.1.4) 由于k和

15、q為常量，故UT為熱力學(xué)溫度T（K）的函數(shù)，即UT是T的電壓當(dāng)量，稱為溫度電壓當(dāng)量。常溫下，即T=300K時(shí)， UT 26mV。這是今后常用的一個(gè)參數(shù)。,式(1.1.4)同樣適用于擴(kuò)散結(jié)。 由式(1.1.4)，當(dāng)PN結(jié)外加正向 電壓，且uUT時(shí)， ，即i隨u按指數(shù)規(guī)律 變化；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓， 且|u|UT時(shí)(|u|U(BR)， ， ，為反向飽和電流。 圖1.1.10 PN結(jié)的伏安特性,四、 PN結(jié)的擊穿 外加反向電壓時(shí)，反向電流不僅很小，而且當(dāng)反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏后，幾乎全部少子皆參與導(dǎo)電，即反向飽和電流，因此在一定的外加電壓范圍內(nèi)反向電流的幅值幾乎不隨電壓的增大而增加，反向特性曲線為一

16、水平線。由于少子濃度受溫度影響，所以反向飽和電流的大小主要受溫度影響。但是反向電壓超過(guò)U(BR)后，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，U(BR)稱為擊穿電壓。 PN結(jié)的擊穿按機(jī)理分為齊鈉擊穿和雪崩擊穿兩種情況。 對(duì)于硅材料的PN結(jié)，反向擊穿電壓在7V以上的一般為雪崩擊穿；4V以下的一般為齊鈉擊穿；47V之間的則兩種情況都有。,五、 PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)的電容效應(yīng)分為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。 1.勢(shì)壘電容 圖1.1.11PN結(jié)的勢(shì)壘電容 (a)耗盡層的電荷隨外加電壓變化(b)勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系,空間電荷區(qū)寬窄的變化電荷的積累與釋放,空間電荷區(qū)寬窄變化所等效的電容稱為勢(shì)壘電容，用Cb表

17、示，它與結(jié)面積、半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)成正比，與空間電荷區(qū)寬度成反比。Cb具有非線性，因?yàn)榭臻g電荷區(qū)寬度與外加電壓有關(guān)?？梢岳眠@一特性制成各種變?nèi)荻O管。Cb與外加電壓u的關(guān)系如圖1.1.11(b) 所示，解析表達(dá)式為 式中：Cb0為外加電壓u=0時(shí)的Cb值，它由PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等決定，Uho為空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)電位差，n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關(guān)。,2.擴(kuò)散電容 正向偏置的PN結(jié)，多子在擴(kuò)散過(guò)程中越過(guò)PN結(jié)到達(dá)另一區(qū)則成為另一區(qū)的少子。這種少子的積累也有電容效應(yīng)。PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱為平衡少子，PN結(jié)處于正向偏置時(shí)從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N 擴(kuò)散到P區(qū)的電子稱為非平衡少

18、子。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，靠近耗盡層交界面處非平衡少子的濃度高，離交界面遠(yuǎn)的地方濃度低，非平衡少子的濃度自高到低逐漸衰減，直到零，形成一定的濃度梯度，如圖1.1.12所示，從而形成擴(kuò)散電流。,圖1.1.12 P區(qū)少子濃度分布曲線,擴(kuò)散路程中電荷的積累與釋放,同理，在N區(qū)一側(cè)，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的增加量Qp。這種外加電壓改變引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應(yīng)，稱為擴(kuò)散電容，用Cd表示。 Cd也具有非線性，它與流過(guò)PN結(jié)的正向電流i、溫度的電壓當(dāng)量UT以及非平衡少子的壽命 有關(guān)。i越大、 越大、UT越小，Cd就越大。 Cb和Cd皆等效地并接在PN結(jié)上，

19、因而，PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj = Cb + Cd (1.1.15),六、 PN結(jié)的溫度特性 因?yàn)镮S是PN結(jié)加反向電壓時(shí)少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，使更多的價(jià)電子有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，從而使少子濃度明顯增大。因此，參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目增多，即IS增大。反之，當(dāng)溫度降低時(shí)IS減少。因此，PN結(jié)伏安特性對(duì)溫度變化很敏感，溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，反向擊穿電壓減小，如圖1.1.10中虛線所示。在室溫附近，若保持 正向電流不變，則溫度每升高1，結(jié)電 壓減小約22.5mV；溫度每升高10， 反向飽和電流約增大一倍。,第三講 半導(dǎo)體二極管,一

20、、二極管的組成,二、二極管的伏安特性及電流方程,三、二極管的等效電路,四、二極管的主要參數(shù),五、穩(wěn)壓二極管,一、二極管的組成,將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成二極管。,點(diǎn)接觸型： 結(jié)面積小，結(jié)電容小 故結(jié)允許的電流小 最高工作頻率高,面接觸型： 結(jié)面積大，結(jié)電容大 故結(jié)允許的電流大 最高工作頻率低,平面型： 結(jié)面積可小、可大 小的工作頻率高 大的結(jié)允許的電流大,圖1.2.2 晶體二極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào) (c)平面型(d)電路符號(hào),二、二極管的伏安特性及電流方程 二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性,開(kāi)啟電壓,反向飽和電流,擊穿電壓,溫度的 電壓當(dāng)量,從二極管的伏安特性可以反映出： 1

21、、單向?qū)щ娦?正向特性為指數(shù)曲線,反向特性為橫軸的平行線,2、伏安特性受溫度影響,T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,與PN結(jié)的溫度特性一樣，二極管的伏安特性對(duì)溫度非常敏感。環(huán)境溫度升高，二極管的正向特性曲線左移，反向特性曲線下移，反向擊穿電壓減小，如圖1.2.3所示。在室溫附近，溫度每升高1度，正向壓降約減小22.5mV；溫度每升高10度，反向電流約增大1倍。 在近似分析時(shí)，仍用PN結(jié)的描述二極管的伏安特性。,1.2.3 二極管的主要參數(shù) 一、最大整流電流IF IF是二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流，該值與PN結(jié)面積和外部

22、散熱條件有關(guān)。在規(guī)定的散熱條件下，若二極管的正向平均電流超過(guò)此值，則二極管將因結(jié)溫過(guò)高而燒壞。若達(dá)不到規(guī)定的散熱條件，則最大正向平均電流須小于此值。 二、最高反向工作電壓UR UR是二極管工作時(shí)允許外加的最大電壓（最大瞬時(shí)值），超過(guò)此值時(shí)，二極管有可能反向擊穿損壞。通常UR為U(BR)的一半。,三、反向電流IR IR是二極管未擊穿時(shí)的反向電流。就是IS。IR越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。IR對(duì)溫度非常敏感，使用時(shí)需注意IR的溫度條件。 四、最高工作頻率fM fM是二極管工作頻率的上限。當(dāng)工作頻率超過(guò)此限時(shí)，結(jié)電容的充放電過(guò)程將不可忽略，二極管不能很好地體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴?五、直流電阻RD RD定

23、義為二極管的直流電壓與流過(guò)它的直流電流之比，即 (1.2.1),圖1.2.7二極管等效電阻的幾何意義 (a)直流電阻RD(b)交流電阻rd,六、交流電阻rd rd定義為二極管在其工作點(diǎn)(IDQ,UDQ)處的電壓與電流的微商，即 (1.2.2) rd的幾何意義是二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。 rd可以通過(guò)對(duì)式(1.1.4)求導(dǎo)得出,即 (1.2.3) 可見(jiàn)rd與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關(guān)。室溫條件下(T=300K):,1.2.4二極管的等效電路 根據(jù)二極管的伏安特性，可以構(gòu)造出幾種等效電路，通常根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、幅值大?。⒉煌姆治鲆筮x用其

24、中的一種。 二極管是一種非線性電阻(導(dǎo))元件，在大信號(hào)工作時(shí)，其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?，而?dǎo)通后所呈現(xiàn)的非線性往往是次要的折線化等效電路。,1、將伏安特性折線化,理想 二極管,近似分析中最常用,理想開(kāi)關(guān) 導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)IS0,導(dǎo)通時(shí)UDUon 截止時(shí)IS0,導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系,應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！,2、二極管的微變等效電路 當(dāng)二極管外加電壓為正向直流電壓UD與小幅值交流電壓uD之和時(shí)，若該交流電壓為零時(shí)二極管電流為ID，則在uD作用下二極管的電流將在ID附近變化，變化量為iD。因此對(duì)于交流分量而言，二極管可等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻rd，這就是二極管的交流電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻

25、。也就是微變等效電路。,Q越高，rD越小。,ui=0時(shí)直流電源作用,小信號(hào)作用,靜態(tài)電流,因此二極管的微變等效電路實(shí)質(zhì)上是以正向特性曲線上的某一點(diǎn)的切線代替該點(diǎn)及其附近小范圍內(nèi)的一段曲線，即以直代曲。由于二極管的正向特性為指數(shù)曲線，ID越大，rd越小，因此在用微變等效電路之前，還需用折線等效電路求出交流信號(hào)為零時(shí)的ID，才能得到微變等效電路之rd。 本節(jié)涉及了二極管的三種等效電阻，rD與RD是完全不同的。在意義和阻值兩方面rD更接近于rd，rD適用于大信號(hào)，rd適用于小信號(hào)。RD純粹是直流參數(shù)。用萬(wàn)用表電阻擋測(cè)得的二極管正向?qū)娮杈褪菍?duì)應(yīng)于某一ID的RD,【例1.2.1】電路如圖所示，ui為

26、正弦交流信號(hào)，有效值為5mV，二極管導(dǎo)通電壓UD約為0.7V，常溫下UT約為26mV，電容C對(duì)交流信號(hào)可視為短路。試估算二極管中流過(guò)的交流電流有效值。,解：分析本題需要先直流后交流。 首先令 ui = 0，得到直流通路，用折線等效電路計(jì)算出ID，然后由式(1.2.3)計(jì)算rd，令直流電壓等于0，得到交流通路，以rd代替交流通路中的二極管，計(jì)算Id。 直流：電容C對(duì)直流相當(dāng)于開(kāi)路。 一方面由于直流電源的電壓為2V，二極管導(dǎo)通電壓UD與其相比不能忽略，不能采用理想二極管作為二極管的等效電路；另一方面二極管的rD（二極管充分導(dǎo)通時(shí)rDrd）遠(yuǎn)小于500，不需要采用圖 (c)所示等效電路。因此采用圖(

27、b)所示的等效電路，得到,分析交流時(shí)二極管采用微變等效電路。 由于電容C對(duì)交流相當(dāng)于短路，ui直接作用于rd兩端，于是 iD波形是在直流分量ID的基礎(chǔ)上疊加上與ui同頻率的交流分量id，,1.2.5二極管基本應(yīng)用電路 一、二極管整流電路 把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管半波整流電路如圖1.2.8(a)所示。當(dāng)輸入一正弦波ui時(shí)，若ui的有效值Ui遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電壓UD，則用理想二極管模型，正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，uo=ui；負(fù)半周時(shí)，二極管截止， uo=0。其輸入、輸出波形見(jiàn)圖12.8(b)。整流電路是直流電源的一個(gè)組成部分，祥見(jiàn)第十章，也可用于信號(hào)檢測(cè)。半波整流電路還可用于調(diào)

28、節(jié)負(fù)載功率。,圖1.2.8二極管半波整流電路及波形 (a)電路； (b)輸入、輸出波形關(guān)系,圖1.18 限幅電路的傳輸特性,二、二極管限幅電路 限幅電路的傳輸特性,圖1.19二極管上限幅電路及波形 (a)電路(b)輸入、輸出波形關(guān)系,圖1.2.9二極管低電平選擇電路及波形 (a)電路(E=10V)； (b)輸入、輸出波形關(guān)系,三、二極管電平選擇電路 從多路輸入信號(hào)中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。一種二極管低電平選擇電路如圖1.2.9(a)所示。,D,D,因此，該電路能選出任意時(shí)刻兩路信號(hào)中的低電平信號(hào)。圖120(b)畫(huà)出了當(dāng)u1, u2為方波時(shí)，輸出端選出的低電平波形。如果把

29、高于2.3V的電平當(dāng)作高電平，并作為邏輯1，把低于0.7V的電平當(dāng)作低電平，并作為邏輯0，由圖120(b)可知，輸出與輸入之間是邏輯與的關(guān)系。因此，當(dāng)輸入為數(shù)字量時(shí)，該電路也稱為與門(mén)電路。 將圖120(a)電路中的D1,D2反接，將E改為負(fù)值，則變?yōu)楦唠娖竭x擇電路。如果輸入也為數(shù)字量，則該電路就變?yōu)榛蜷T(mén)電路。 (3rd Edition, Problem 1.5),五、穩(wěn)壓二極管,1、伏安特性,進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流,不至于損壞的最大電流,由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。,2、主要參數(shù),穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,動(dòng)態(tài)電阻rz

30、UZ /IZ,2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) （1）穩(wěn)定電壓UZ：UZ是擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。由于半導(dǎo)體器件參數(shù)的分散性，同一型號(hào)的穩(wěn)壓管的UZ存在一定的分散性。例如，型號(hào)為2CW11的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為3.24.5V。但就某一只管子而言，UZ的值是確定的。使用時(shí)可通過(guò)測(cè)量確定其準(zhǔn)確值。 （2）穩(wěn)定電流IZ：IZ 是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流，電流低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果差，甚至根本不穩(wěn)壓，故也常將IZ 記作IZmin。只要不超過(guò)穩(wěn)壓管的額定功耗。電流愈大，穩(wěn)壓效果愈好。 （3）額定功耗PZM：PZM等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ與最大穩(wěn)定電流IZM（或記作IZmax）的乘積。穩(wěn)壓管的功耗

31、超過(guò)此值時(shí)，會(huì)因結(jié)溫升高而損壞。對(duì)于一只具體的穩(wěn)壓管，,可以通過(guò)其PZM的值，求出IZM的值。這是由于UZ存在一定的分散性，因此一般給出PZM值，而不是IZM值。 （4）動(dòng)態(tài)電阻rz：rz是穩(wěn)壓管在擊穿狀態(tài)端電壓變化量與其電流變化量之比，即UZ/IZ。rz愈小，電流變化時(shí)UZ的變化愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性愈好。對(duì)于不同型號(hào)的管子，rz將不同，從幾歐到幾十歐。對(duì)于同一只管子，工作電流愈大，rz愈小。 （5）溫度系數(shù) ： 是反映穩(wěn)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(duì)變化量表示, 即 = UZ /T。穩(wěn)壓值小于4V的管子具有負(fù)溫度系數(shù)（屬于齊鈉擊穿）；穩(wěn)壓值大于7 V的管子具有正溫度系

32、數(shù)（屬于雪崩擊穿）；而穩(wěn)壓值在47V之間的管子，溫度系數(shù)非常?。R鈉擊穿和雪崩擊穿均有）。,圖1.2.11穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,3、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路,限流電阻,限流電阻R的選擇方法：由圖1.2.11可知，IZ = IR IL，當(dāng)Ui、RL變化時(shí)，IZ應(yīng)始終滿足IZmin IZIZmax。 一方面，Ui為最小值Uimin時(shí)，IR = (Ui UZ)/R最小； Ui為最大值Uimax時(shí)，IR 最大。 另一方面，RL最小時(shí)IL最大，為UZ/RLmin，RL最大時(shí)IL最小，為UZ / RLmax。 因此，當(dāng)Ui =Uimin，RL = RLmin時(shí)，IZ最小，須保證不小于IZmin ，否則影響穩(wěn)壓效果；當(dāng)

33、Ui =Uimax，RL = RLmax時(shí)，IZ最大，須保證不大于IZmax ，否則穩(wěn)壓管可能損毀。于是,即,即,由此可得限流電阻的取值范圍是,(1.2.4a),(1.2.4b),若出現(xiàn)RminRmax的結(jié)果，則說(shuō)明在給定條件下，已超出所給穩(wěn)壓管的工作范圍。這時(shí)，需要改變使用條件或重新選擇大容量穩(wěn)壓二極管，以滿足 Rmin Rmax 。,1.2.6其它類型二極管 一、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管(LED, light-emitting diode)是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。 它由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成， 如圖1.2.12所示。 圖1.2.12發(fā)光二極管 (a)外形(b)符號(hào),PN結(jié)能夠發(fā)光的原理是

34、，當(dāng)電子空穴復(fù)合時(shí)，即電子從導(dǎo)帶回到價(jià)帶時(shí)，釋放出禁帶寬度能量。在硅半導(dǎo)體中，由于其禁帶寬度較小，該能量轉(zhuǎn)化為晶格振蕩的內(nèi)能。在砷化鎵等禁帶寬度較大的半導(dǎo)體中，該能量呈現(xiàn)為電磁輻射，其波長(zhǎng)為 (1.2.5) 式中h是普朗克常數(shù)，c是光速， 是禁帶寬度。 當(dāng)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)要吸收同樣波長(zhǎng)的光子。為避免發(fā)出的光子被吸收而發(fā)不出光，當(dāng)電子空穴復(fù)合時(shí)，需要在同一區(qū)域內(nèi)同時(shí)保有大量剩余的電子和空穴。這在本征半導(dǎo)體中是做不到的。,這種情況在正偏的PN結(jié)中是可以出現(xiàn)的。PN結(jié)正向偏置時(shí)，電源經(jīng)P/N區(qū)向PN結(jié)源源不斷地注入空穴/電子，這些電子空穴相遇復(fù)合時(shí)，會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光或不可見(jiàn)光。因此需要PN結(jié)，并且

35、是高摻雜的，還要施加較大的正向電壓。 發(fā)光二極管通常由鎵、砷、磷等IIIA族和VA族元素的化合物制成。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料的禁帶寬度，越大越偏藍(lán)，通常有紅、綠、黃、橙、藍(lán)、白等色。發(fā)光二極管可以制成各種形狀，如七段數(shù)碼顯示器。還可制成激光二極管。激光二極管可用于光驅(qū)等。P.11(Ed.4)Si禁帶寬度1.21eV，Ge禁帶寬度0.785eV. Si二極管開(kāi)啟電壓0.5V，Ge二極管開(kāi)啟電壓0.1V. 發(fā)光二極管的發(fā)光顏色越偏藍(lán)，開(kāi)啟電壓越高.,二、 光電二極管 利用PN結(jié)還可制成光電池，其原理如下。 采用擴(kuò)散方法，在P型表面摻入N型的雜質(zhì)，那么，在P型表面上就形成了一個(gè)N型薄層，

36、從而構(gòu)成PN結(jié)。當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時(shí)，光子會(huì)產(chǎn)生如下的電子空穴對(duì) e + e+ 于是在PN結(jié)處空間電荷區(qū)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的電子將移到N區(qū)中，而空穴則移到P區(qū)中，從而使PN結(jié)兩邊分別帶上正負(fù)電荷。這樣，在光的照射下，PN結(jié)就相當(dāng)于一個(gè)電池。 這種由光的照射，使PN結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng)。,PN結(jié)型光電二極管是一種利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的半導(dǎo)體器件，將光能轉(zhuǎn)換為電能，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是管殼上留有一個(gè)能入射光線的窗口。圖1.2.13示出了光電二極管的外形和電路符號(hào)，其中，受光照區(qū)的電極為前級(jí)，不受光照區(qū)的電極為后級(jí)。,圖1.2.13 光電二極管的外形和符號(hào),圖1

37、.2.14光電二極管的伏安特性 (a) 伏安特性(b) 1st 象限等效電路 (c) 3rd 象限等效電路(d) 4th 象限等效電路,討論一 判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。,判斷二極管工作狀態(tài)的方法？,討論二,1、V2V、5V、10V時(shí)二極管中的直流電流各為多少？ 2、若輸入電壓的有效值為5mV，則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少？,V 較小時(shí)應(yīng)實(shí)測(cè)伏安特性，用圖解ID。,Q,ID,V5V時(shí)，,V=10V時(shí)，,uD=V-iR,討論二,V2V，ID2.6mA，,V5V，ID 8.6mA，,V10V，ID 20mA，,在伏安特性上，Q點(diǎn)越高，二極管的動(dòng)態(tài)電阻越??！,第四講 晶

38、體三極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型,二、晶體管的放大原理,三、晶體管的共射輸入、輸出特性,四、溫度對(duì)晶體管特性的影響,五、主要參數(shù),1.3 雙極型晶體管,圖1.3.1晶體管的幾種常見(jiàn)外形 1.3.1 晶體管的基本結(jié)構(gòu)及類型,一、三極管的結(jié)構(gòu)、類型和符號(hào),中功率管,大功率管,圖1.3.2晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) (a)NPN管結(jié)構(gòu)示意圖；(b) NPN管和PNP管的符號(hào)；(c) NPN平面管結(jié)構(gòu)剖面圖,晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。,多子濃度高,多子濃度很低，且很薄,面積大,132 晶體管的電流放大原理 晶體管實(shí)現(xiàn)放大作用的外部條件是同時(shí)滿足發(fā)射結(jié)正向偏置和集電結(jié)反向偏置。圖1.3.3所示的基本共

39、射放大電路滿足這個(gè)條件，是分析晶體管電流放大特性的典型接法。該電路發(fā)射極接地，b、e間加一較小電壓VBB，使發(fā)射結(jié)正偏，Rb是偏置電阻；c、e間加一較大電壓VCC，雖然b點(diǎn)電位比e點(diǎn)高,由于VCC大于VBB，所以c點(diǎn)電位比 b點(diǎn)高，集電結(jié)反偏。圖中基極 發(fā)射極回路的uI為輸入電壓 信號(hào)， uO從集電極發(fā)射極回路 輸出，即發(fā)射極是兩個(gè)回路的公 共端,故稱該電路為共射放大電路。,二、晶體管的放大原理,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)形成集電極電流IC。,少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng),因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū),因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴

40、復(fù)合,因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū),基區(qū)空穴的擴(kuò)散,一、放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過(guò)程 1發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 因?yàn)榘l(fā)射結(jié)加正向電壓，因而發(fā)射結(jié)兩側(cè)多子的擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì)，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成電子注入電流IEN；同時(shí)基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴，形成IEP。這兩個(gè)電流之和就是發(fā)射極電流IE，即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成了發(fā)射極電流IE。由于基區(qū)雜質(zhì)濃度很低，發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度很高，所以，近似分析時(shí)IEP可忽略不計(jì)。,2電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合 注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)中的非平衡少子，它在發(fā)射結(jié)處濃度最大，在集電結(jié)處濃度最小。因此，在基區(qū)中形成了非平衡電子的濃度差，注入基區(qū)的電子

41、繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，非平衡電子會(huì)與基區(qū)中的空穴相遇，使部分電子因復(fù)合而消失?；鶇^(qū)中與電子復(fù)合的空穴由基極電源提供，形成基區(qū)復(fù)合電流IBN，它是基極電流IB的主要部分。,3擴(kuò)散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集 由于基區(qū)雜質(zhì)濃度很低且厚度很?。ɑ鶇^(qū)厚度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散長(zhǎng)度），注入到基區(qū)的電子絕大部分來(lái)不及復(fù)合就擴(kuò)散到集電結(jié)的邊界，集電結(jié)面積大又加了反向電壓，由于集電結(jié)反偏，在結(jié)內(nèi)形成了較強(qiáng)的電場(chǎng)，這些電子在該電場(chǎng)作用下漂移到集電區(qū)，形成漂移電流ICN；同時(shí)，集電區(qū)與基區(qū)的平衡少子也參與漂移運(yùn)動(dòng)形成反向飽和電流ICBO。由此可見(jiàn)，在集電極電源VCC的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。由于ICBO遠(yuǎn)

42、小于ICN，在近似分析中可忽略不計(jì)。,根據(jù)以上分析，晶體管三個(gè)電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系： (1.3.1) (1.3.2) (1.3.3) 從外部看，作為一個(gè)廣義節(jié)點(diǎn)，晶體管三個(gè)極的電流滿足基爾霍夫電流定律(KCL) (1.3.4) 后面分析晶體管電路時(shí)常用該式。,二、晶體管的電流放大系數(shù) 為了描述晶體管的電流放大能力，通常引入兩個(gè)參數(shù)，共射電流放大系數(shù)和共基電流放大系數(shù)。 ICN與 之比定義為共射直流電流放大系數(shù)，根據(jù)式(1.3.2)和(1.3.3)可得 (1.3.5) 其含義是，若忽略IEP，基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子，就有個(gè)電子擴(kuò)散到集電區(qū)，它近似反映了擴(kuò)散到集電區(qū)的電

43、流ICN與基區(qū)復(fù)合電流IBN之間的比例關(guān)系。從中解出IC可得 (1.3.6),帶入式(1.3.4)可得 (1.3.7) 式中 稱為穿透電流，其物理意義是，當(dāng)基極開(kāi)路(IB=0)時(shí)，在集電極電源VCC作用下的集電極、發(fā)射極之間的電流，而ICBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。通常，IBICBO， 1，所以近似分析計(jì)算中常用 (1.3.8) (1.3.9),當(dāng)有輸入電壓uI時(shí)，晶體管的基極電流將在IB基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iB，則集電極電流也將在IC基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iC ， iC與iB之比定義為共射交流電流放大系數(shù)，即 (1.3.10) 由于晶體管導(dǎo)通時(shí)，在較寬的電流數(shù)值范圍內(nèi) 基本不變，因此

44、在近似分析中不對(duì) 與 加以區(qū)分，皆以 表示。 ICN與IE之比定義為共基直流電流放大系數(shù) ，它是以發(fā)射極電流作為輸入電流，以集電極電流作為輸出電流時(shí)的電流放大系數(shù) (1.3.11),帶入式(1.3.2)可得 (1.3.12) 將式(1.3.4)、(1.3.5)代入式(1.3.11)，得到 與的關(guān)系 或(1.3.13) 當(dāng)有輸入電壓uI時(shí)，晶體管的射極電流將在IE基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iE ，集電極電流也將在IC基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流iC， iC與iE之比定義為共基交流放大系數(shù) (1.3.14) 與、不加區(qū)分，皆以表示一樣，與也不加區(qū)分，皆以表示。,三、影響晶體管的電流放大系數(shù)的因素 由式(1.3.5)

45、、式(1.3.11)有 (1.3.15) (1.3.16) 因此，為了增大電流放大系數(shù)需要(1)提高注入基區(qū)的非平衡少子到達(dá)集電區(qū)的比例，(2)降低注入基區(qū)的非平衡少子與空穴復(fù)合的比例，(3)降低由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的非平衡少子與由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平衡少子的比例。其中前兩項(xiàng)是一回事情，需要的措施是降低基區(qū)的摻雜濃度，減少基區(qū)厚度，使基區(qū)厚度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散長(zhǎng)度；,后一項(xiàng)需要的措施是使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。 若，則,電流分配： IEIBIC IE擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流 IB復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流 IC漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流,穿透電流,集電結(jié)反向電流,直流電流放大系數(shù),交流電流放大系數(shù),為什么基極開(kāi)路

46、集電極回路會(huì)有穿透電流？,共發(fā)射極特性曲線測(cè)量電路,1.3.3晶體管的共射特性曲線,1、輸入特性,為什么UCE增大曲線右移？,對(duì)于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。,為什么像PN結(jié)的伏安特性？,為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？,圖1.3.5 硅NPN管的共射輸入特性曲線,輸入特性曲線描述以管壓降UCE為參變量，基極電流iB 與發(fā)射結(jié)壓降 uBE之間的函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)UCE = 0時(shí)，相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路。因此，輸入回路相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)(發(fā)射結(jié)與集電結(jié))并聯(lián)，輸入特性曲線與PN結(jié)的伏安特性相類似，呈指數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖1.3.5中標(biāo)注

47、UCE = 0的那條曲線。 當(dāng)UCE增大時(shí)，由于發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平衡少子有一部分越過(guò)集電結(jié)形成集電極電流iC，使得在基區(qū)參與復(fù)合運(yùn)動(dòng)的非平衡少子將隨UCE的增大(即集電結(jié)反向電壓的增大)而減少，因此要獲得同樣的iB，就必須加大uBE，使發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入更多的電子，反映在輸入特性上就是曲線右移，見(jiàn)圖1.3.5中標(biāo)注的UCE 1V的曲線。,當(dāng)UCEUBE時(shí)，集電結(jié)反偏，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分漂移到集電極，只有一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流IB。 當(dāng)UCE1V時(shí)，集電結(jié)的電場(chǎng)已足夠強(qiáng)，可以將發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的絕大部分非平衡少子都收集到集電區(qū)，因而再增大UCE，iC也不明顯增大，即iB已基

48、本不變，不同UCE值的各條輸入特性曲線幾乎重疊在一起。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于小功率管，可以近似地用UCE大于1V任何一條曲線來(lái)代表UCE大于1V的所有曲線。,2、輸出特性,是常數(shù)嗎？什么是理想三極管？什么情況下 ?,對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。所以輸出特性是一族曲線。,為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),在輸出特性曲線上可以劃分三個(gè)區(qū)域：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)，對(duì)應(yīng)于三種工作狀態(tài)。 對(duì)于某一條曲線，當(dāng)uCE從零逐漸增大時(shí)，集電結(jié)電場(chǎng)隨之增強(qiáng)，收集基區(qū)非平衡少子的能力逐漸增強(qiáng)，因而iC也就逐漸增大。而當(dāng)uCE增

49、大到一定數(shù)值時(shí)集電結(jié)電場(chǎng)足以將基區(qū)非平衡少子的絕大部分收集到集電區(qū)來(lái)，uCE再增大收集能力已不能明顯提高，表現(xiàn)為曲線幾乎平行于橫軸，即iC幾乎僅僅決定于IB。然而，曲線是略向上斜的。這是因?yàn)閡CE增大，c結(jié)反向電壓增大，使c結(jié)展寬，所以有效基區(qū)寬度變窄，這樣基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)減少，即iB要減小。在iB不變的條件下， iC略有增大。這種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。,三、晶體管的三種工作狀態(tài) (1)截止區(qū)：一般將輸出特性曲線上IB = 0線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。晶體管處于截止區(qū)狀態(tài)的充分條件是，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置。對(duì)于NPN管，uBE 0，uCE 0 。此時(shí)，沒(méi)有擴(kuò)散電流流過(guò)發(fā)射結(jié)，當(dāng)

50、IB 0時(shí)，iC ICEO。由于穿透電流CEO很小，這條輸出特性曲線是一條幾乎與橫軸重合的直線。小功率硅管的ICEO在1A以下，鍺管的ICEO小于幾十A 。因此在近似分析中可以認(rèn)為晶體管截止時(shí)的iC 0。,(2)放大區(qū)：晶體管處于放大狀態(tài)的充分條件是，發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，對(duì)于NPN管，uBE Uon、uCE uBE。這就是輸出特性中曲線比較平坦的部分。此時(shí)，iC幾乎僅僅決定于IB，而于uCE無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出IB對(duì)iC的控制作用，即滿足iC =iB 。在理想情況下，當(dāng)IB按等差變化時(shí)，輸出特性是一族與橫軸平行的等距離直線。 (3)飽和區(qū)：其特征是發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏置，對(duì)于NPN管

51、，uBE Uon、uCE uBE，對(duì)應(yīng)于輸出特性曲線靠近iC軸的區(qū)域，各條曲線的大斜率上升部分。此時(shí)iC不僅與IB有關(guān)，而且明顯隨uCE增大而增大，iC小于 IB 。對(duì)于小功率管，通常認(rèn)為uCE = uBE（即c結(jié)零偏）時(shí)，晶體管處于臨界狀態(tài)，即臨界飽和或臨界放大狀態(tài)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軌跡為臨界飽和線。,晶體管的三個(gè)工作區(qū)域,晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路電流 iC幾乎僅僅決定于輸入回路電流 iB；即可將輸出回路等效為電流 iB 控制的電流源iC 。,135 溫度對(duì)晶體管參數(shù)及特性的影響 溫度對(duì)三極管特性的影響, 主要體現(xiàn)在ICBO、 和uBE與iB的關(guān)系的變化上。 因?yàn)镮CBO是集電結(jié)加反向電壓時(shí)

52、平衡少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，所以溫度對(duì)晶體管ICBO的影響類似對(duì)PN結(jié)IS的影響，溫度每升高10， ICBO增大一倍。 uBE與iB的關(guān)系與PN結(jié)的電壓電流關(guān)系類似。因此，與溫度變化對(duì)PN結(jié)的影響類似，溫度每升高1， uBE減小22.5mV。溫度對(duì)的影響表現(xiàn)為，隨溫度的升高而增大，溫度每升高1，值增大0.5%1% (即/T(0.51)%/)。 由于硅管的ICBO比鍺管的小得多，所以從絕對(duì)數(shù)值上看，硅管比鍺管受溫度的影響要小得多。,四、溫度對(duì)晶體管特性的影響,1.3.5晶體管的主要參數(shù) 一、電流放大系數(shù) 電流放大系數(shù)的大小反映了三極管放大能力的強(qiáng)弱，由1.3.2節(jié)，有4種： 1共射直流電流放大系數(shù) 當(dāng)IC ICEO時(shí)， 。 2共射交流電流放大系數(shù),3共基直流電流放大系數(shù) 當(dāng)ICEO可忽略時(shí)， 4共基交流電流放大系數(shù) 近似分析中可以認(rèn)為， ， 。 應(yīng)當(dāng)指出，值與測(cè)試條件有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，在iC很大或很小時(shí)，值較小。只有在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)，值才比較大，且基本不隨iC而變化。因此，在查手冊(cè)時(shí)應(yīng)注意值的測(cè)試條件。尤其是大功率管更應(yīng)強(qiáng)