第14章 半導體器件

1、電子與通信工程系電子與通信工程系 電子學教研室電子學教研室 張智娟張智娟 課課 程程 簡簡 介介一、電子技術組成電子技術組成1.1.模擬電子技術模擬電子技術：半導體器件：半導體器件：二極管，三極管（晶體管）二極管，三極管（晶體管）, ,場效應管場效應管 分立元件電路：分立元件電路：共射極、共集電極共射極、共集電極、共基極放大電路，、共基極放大電路，差動放大電路，功放放大電路差動放大電路，功放放大電路集成電路：集成電路：集成運放集成運放，集成功放，集成功放信號：信號：產生產生，放大放大，反饋反饋，運算運算，比較比較2.2.數字電子技術：數字電子技術：組合邏輯電路：分析和組合邏輯電路：分析和設計設

2、計，門電路是基本單元，門電路是基本單元時序邏輯電路：時序邏輯電路：分析和分析和設計，觸發(fā)器是基本單元設計，觸發(fā)器是基本單元二、二、 學習方法：學習方法：1. 1. 理解理論知識理解理論知識2. 2. 重視實踐重視實踐: : 作業(yè)、實驗作業(yè)、實驗三、三、 考核成績考核成績1. 1. 考試成績：考試成績： 70%70%2. 2. 平時成績：平時成績： 30%(30%(包括作業(yè)、考包括作業(yè)、考勤、課上練習、期中考試）勤、課上練習、期中考試）理論聯(lián)系實際理論聯(lián)系實際導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為自然界中很容易導電的物質稱為導體導體，金屬，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物

3、質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣 體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，常用，常用的半導體材料的半導體材料 有有硅硅Si和和鍺鍺Ge以及以及砷化鎵砷化鎵GaAs等。等。14.1 14.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 根據物體導電能力根據物體導電能力( (電阻率電阻率) )的不同，來劃分導體、的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。絕緣體和半導體。 半導體半導體的導電機理不同于其它物質，所以的導電機理不同于其它物質，所以它具有不

4、同于其它物質的特點。例如：它具有不同于其它物質的特點。例如： 當受外界熱和光的作用時，它的導電能力當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化明顯變化。 純凈的半導體中摻入某些雜質，其導電能純凈的半導體中摻入某些雜質，其導電能力力明顯改變（增加幾十萬幾百萬倍）明顯改變（增加幾十萬幾百萬倍）。1.1.摻雜性摻雜性2.2.熱敏性和光敏性熱敏性和光敏性14.1.1 14.1.1 本征半導體本征半導體（純凈和具有晶體結構的半導體）（純凈和具有晶體結構的半導體）一、本征半導體的結構特點一、本征半導體的結構特點 現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的

5、最外層都有外層都有4 4個電子，由于外層電子受原子核的束縛力最弱，稱個電子，由于外層電子受原子核的束縛力最弱，稱為為價電子價電子。鍺鍺和硅的原子結構和硅的原子結構SiGe14 32 4 4 價價電電子子價電子價電子原子核原子核晶體結構：晶體結構：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子(a) 硅晶體的空間排列（b）硅單晶中的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是

6、八個，構成穩(wěn)定結構。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個九個9”。本征半導體本征半導體完全純凈、結構完整的半導體晶體（完全純凈、結構完整的半導體晶體（化學成分純凈化學成分純凈）+4+4+4+4+4+4+4+4 絕對溫度（絕對溫度（-273）T=0K時，時，共價鍵結構非常穩(wěn)定，所有的價共價鍵結構非常穩(wěn)定，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，這時半導體不能導電，相鍵中，這時半導體不能導電，相當于絕緣體當于絕緣體。 溫度升高或受到光的照射時：溫度升高或受到光的照射時：u價電子掙脫原子

7、核的束縛，成為價電子掙脫原子核的束縛，成為自由電子自由電子。u 原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴空穴。這一現象稱為這一現象稱為本征激發(fā)，本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)。熱激發(fā)。與本征激發(fā)相反的現象與本征激發(fā)相反的現象復合復合溫度一定時：溫度一定時：自由電子數自由電子數=空穴數空穴數注意：注意：1.由于自由電子和空穴總是成對出現，整個半導體對外仍處于中性。由于自由電子和空穴總是成對出現，整個半導體對外仍處于中性。2.溫度越高，載流子數目越多，導電性能越好。所以溫度越高，載流子數目越多，導電性能越好。所以溫度對半導體溫度對半導體 器件性能影響很大。器件性能影響

8、很大。 本本 征征 激激 發(fā)發(fā) 演演 示示二、本征半導體的導電機理二、本征半導體的導電機理l導電過程導電過程在外電場的作用下半導體是靠在外電場的作用下半導體是靠自由電子自由電子和和空穴空穴的移動來導電的。的移動來導電的。（1）自由電子定向移動形成電流。）自由電子定向移動形成電流。（2）空穴定向移動形成電流。）空穴定向移動形成電流。 在外電場作用下，電子、電子、空穴空穴運動方向相反運動方向相反，對電流的貢獻是迭加迭加的。載流子：運載電荷的粒子。載流子：運載電荷的粒子。自由電子自由電子載流子：帶單位負電載流子：帶單位負電空穴空穴載流子載流子 ：帶單位正電：帶單位正電本征半導體內有兩種載流子。本征半

9、導體內有兩種載流子。 本征半導體中有兩種載流子本征半導體中有兩種載流子帶負電的自由電子和帶正電帶負電的自由電子和帶正電的空穴，的空穴， 它們均參與導電。這是它們均參與導電。這是半導體導電區(qū)別與導體導電半導體導電區(qū)別與導體導電的一個重要特點的一個重要特點。 溫度越高，載流子的濃度越高，因此本征半導溫度越高，載流子的濃度越高，因此本征半導體的導電能力越強，體的導電能力越強，溫度溫度是影響半導體性能的一個是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩

10、部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： （1 1）自由電子移動產生的電流。）自由電子移動產生的電流。 （2 2）空穴移動產生的電流。）空穴移動產生的電流。 在本征半導體中，自由電子和空穴成對出現，在本征半導體中，自由電子和空穴成對出現，同時又不斷的復合、消失。同時又不斷的復合、消失。14.1.2 14.1.2 N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，形成在本征半導體中摻入某些微量的雜質，形成雜質半導雜質半導體體，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。根據摻入雜質種類雜

11、半導體的某種載流子濃度大大增加。根據摻入雜質種類的不同，可以分為兩大類的不同，可以分為兩大類：N N型半導體型半導體和P P型半導體。型半導體。1 1 N型半導體2 2 P型半導體1 1、N N型半導體（電子型半導體）型半導體（電子型半導體）在硅或鍺晶體中摻入在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷少量的五價元素磷，形成，形成N N型半導體。型半導體。 N N型半導體型半導體因為因為自由電子數目自由電子數目的大量增加而的大量增加而提高導電性能。提高導電性能。N型半導體中：型半導體中：多數載流子（多數載流子（多子多子）為）為自由電子自由電子,主要由摻雜原子提供。主要由摻雜原子提供。少數載流子（少數載流

12、子（少子少子）為）為空穴空穴 ，由熱激發(fā)形成。，由熱激發(fā)形成。44445多多余余電電子子磷原子磷原子2 2、P P型半導體（空穴型半導體）型半導體（空穴型半導體）+4+4+4+4+3+3+4+4空穴空穴硼原子硼原子-3-3 在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入三價三價雜質元雜質元素（如硼），形成素（如硼），形成 P型半導體。型半導體。 P P型半導體：型半導體：以空穴導電作為主要導以空穴導電作為主要導電方式，又稱電方式，又稱空穴空穴型半導體。型半導體。 P型半導體中：型半導體中：多數載流子多數載流子（多子多子）為）為空穴空穴, 主要由摻雜原子提供。主要由摻雜原子提供。少數載流子少數載流子（少子

13、少子）為）為自由電子自由電子 ，由熱激發(fā)形成。，由熱激發(fā)形成。注意：無論注意：無論P型、型、N型半導體，整體仍然是電中性，不帶電的。型半導體，整體仍然是電中性，不帶電的。3.3.雜質半導體的符號雜質半導體的符號N型半導體型半導體P型半導體型半導體+多子多子自由電子自由電子少子少子空穴空穴多子多子空穴空穴少子少子自由電子自由電子少子濃度少子濃度與溫度有關，與摻雜無關與溫度有關，與摻雜無關多子濃度多子濃度與溫度無關，與摻雜有關與溫度無關，與摻雜有關小小 結結2. N2. N型半導體中型半導體中 是多子，其中大部分是是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，摻雜提供的電子，N N型半導體中型半導體中 是少

14、子，是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數量的關系，少子的遷移也能形成電流，由于數量的關系，起導電作用的主要是多子起導電作用的主要是多子。近似認為多子與近似認為多子與雜質濃度相等。雜質濃度相等。3. 3. P P型半導體中型半導體中 是多子，是多子， 是少子是少子。1. 1. 本征半導體中受激發(fā)產生的電子很少。本征半導體中受激發(fā)產生的電子很少。1. PN結的形成結的形成 在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成分別形成P型半型半導體導體和和N型半導體型半導體。 P型半導體和型半導體和N型半導體的交界面形成一型半導體的交界面形成一個特殊的薄層，個

15、特殊的薄層，稱為稱為PN結，又稱耗盡層、空間電荷區(qū)。結，又稱耗盡層、空間電荷區(qū)。14.2 14.2 PN 結及其單向導電性結及其單向導電性NP+-NP+-PN結結P型半導體和型半導體和N 型半導體的結合面型半導體的結合面上物理過程上物理過程: :空間電荷區(qū)（PN結）結）PN內電場內電場耗盡層耗盡層兩側載流子存在濃度差兩側載流子存在濃度差多子擴散運動多子擴散運動空穴：空穴：PN；電子；電子NP空穴和電子產生復合空穴和電子產生復合雜質離子不移動形成空間雜質離子不移動形成空間電荷區(qū)電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內電場空間電荷區(qū)形成內電場促進少子漂移運動促進少子漂移運動阻止多子擴散運動阻止多子擴散運動多子的擴散

16、和多子的擴散和少子的漂移達少子的漂移達到動態(tài)平衡到動態(tài)平衡形成形成PN結結PNPN結的形成過程動畫演示結的形成過程動畫演示擴散運動擴散運動漂移運動漂移運動+P型半導體+N型半導體+WER空間電荷區(qū)內電場E(1) 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏）電源正極接電源正極接P區(qū)，負極接區(qū)，負極接N區(qū)區(qū) 外電場的方向與內電場方向相反。外電場的方向與內電場方向相反。 外電場削弱內電場外電場削弱內電場耗盡層變窄耗盡層變窄擴散運動擴散運動漂移運動漂移運動多子多子擴散形成正向電流擴散形成正向電流I I F F正向電流正向電流2 2、 PN結的單向導電性結的單向導電性外電場方向外電場方向(2) (2) 加反向電

17、壓加反向電壓電源正極接電源正極接N N區(qū)，負極接區(qū)，負極接P P區(qū)區(qū) 外電場加強內電場外電場加強內電場耗盡層變寬耗盡層變寬漂移運動擴散運動漂移運動擴散運動少子漂移形成反向電流少子漂移形成反向電流I I R R+內電場+E+EW+空 間 電 荷 區(qū)+R+IRP PN N 在一定的溫在一定的溫度下，由本征激度下，由本征激發(fā)產生的少子濃發(fā)產生的少子濃度是一定的，故度是一定的，故I IR R基本上與外加基本上與外加反壓的大小無關反壓的大小無關，所以稱為所以稱為反向反向飽和電流飽和電流。但。但I IR R與溫度有關與溫度有關。 外電場的方向與內電場方向相同。外電場的方向與內電場方向相同。外電場方向外電場

18、方向PN結結單向導電性動畫單向導電性動畫 PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻， 稱PN結導通； PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻， 稱PN結截止。 由此可以得出結論： PN結具有單向導電性。結結 論論14.3 二極管14.3.1 14.3.1 基本結構基本結構結構：結構：二極管二極管(Diode) PNPN結結 管殼管殼 引線引線符號：符號：分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結構分按結構分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型陽極（正極）陽極（正極） 陰極（負極）陰極（負極）曾用符號：二極管常見的幾種結構二極管常見的幾

19、種結構1. 1. 點接觸型二極管點接觸型二極管N型 鍺正 極 引 線負 極 引 線外 殼金 屬 觸 絲PN結面積小，結電結面積小，結電容小，不能承受高的容小，不能承受高的反向電壓和大的電流，反向電壓和大的電流，往往用來作小電流整往往用來作小電流整流、高頻檢波和及開流、高頻檢波和及開關作用。關作用。2. 面接觸型二極管面接觸型二極管負 極 引 線正 極 引 線N型 硅P型 硅鋁 合 金 小 球底 座PN結面積大，結面積大，用于工頻大用于工頻大電流整流電電流整流電路。路。3. 3. 平面型二極管平面型二極管SiO2正 極 引 線負 極 引 線N型 硅P型 硅用于集成電路制用于集成電路制造工藝中。造

20、工藝中。PN 結面積可大可小，結面積可大可小，用于高頻整流和用于高頻整流和開關電路中。開關電路中。常見的半導體二極管常見的半導體二極管半導體二極管的型號半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：代表器件的類型，代表器件的類型，P P為普通管，為普通管，Z Z為整流管，為整流管，K K為開關管為開關管2AP9用數字代表同類器件的不同規(guī)格用數字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的材料，代表器件的材料，A為為N型型Ge，B為為P型型Ge， C為為N型型Si， D為為P型型Si。2代表二極管，代表二極管，3代表三極管。代表三極管。反向擊穿反向擊穿電

21、壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+ 伏安特性：描繪二極管兩端電流與端電壓之間的關系或曲線。伏安特性：描繪二極管兩端電流與端電壓之間的關系或曲線。14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性說明：說明：1. 二極管與二極管與PN結伏安特性的區(qū)別結伏安特性的區(qū)別二者均具有單向導電性，但由于二極管存在半導體體電二者均具有單向導電性，但由于二極管存在半導體體電阻和引線電阻，正向偏置在電流相同的情況下，二極管端電阻和引線電阻，正向偏置在電流相同的情況下，二極管端電壓大于壓大于PNPN結的端電壓，或者說在相同正向偏置下，二極管電結的端電壓，或者說在相同正向偏置下，二極管電流小于流小于PNPN

22、結電流；另外，二極管表面存在漏電流，其反相電結電流；另外，二極管表面存在漏電流，其反相電流增大。流增大。2. 2. 溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管伏安特性的影響二極管的特性對溫度很敏感，環(huán)境溫度升高時，二極二極管的特性對溫度很敏感，環(huán)境溫度升高時，二極管正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。管正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。14.3.3 14.3.3 主要參數主要參數1. 1. 最大整流電流最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。3. 3. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR 二極管反向擊穿時的電壓值。擊

23、穿時反向電流劇增，二極管的二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓電壓URWM一般是一般是UBR 的一半或三分之二。的一半或三分之二。2. 2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URWM保證二極管不被擊穿時的反向峰值電壓。一般為保證二極管不被擊穿時的反向峰值電壓。一般為1/21/2U(BR) 2 2/3 U(BR) 4. 4. 反向電流反向電流 IRM 指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說

24、明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導通導通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的， 例例1: 圖示電路，輸入端圖示電路，輸入端A的電位的電位VA=+3V，B的電位的電位VB=0V，求輸出端，求輸出端Y的電位的電位VY。如果二極管為理想二極管或如果二極管為理想二極管或忽略二極管壓降，忽略二極管壓降， VY=+3V如果二極管為硅二極管，如果二極管為硅二極管，VY=+2.3V如果二極管為鍺二極管，如果二極管為鍺二極管，VY=+2.7V解：解：DA優(yōu)先導通，優(yōu)先導通， DA導通后，導通

25、后， DB上加的是反向電壓，因上加的是反向電壓，因而截止。所以，而截止。所以，DA導通，導通，DB截止。截止。DA起鉗位作用起鉗位作用DB起隔離作用起隔離作用二極管的應用二極管的應用-12VVAVB+3V0VDBDAVY 判斷二極管導通還是截止的原則：先將二極管斷開，然后判斷二極管導通還是截止的原則：先將二極管斷開，然后觀察或計算二極管正、負兩極間是正向電壓還是反向電壓，若觀察或計算二極管正、負兩極間是正向電壓還是反向電壓，若正向則導通，否則截止。正向則導通，否則截止。 例例：二極管構成的限幅電路如圖所示二極管構成的限幅電路如圖所示，R1k，UREF=2V，(1) 若若 ui為為4 4V的直流

26、信號，試計算電路的電流的直流信號，試計算電路的電流I和輸出電壓和輸出電壓uo,(2) 如果如果ui為幅度為為幅度為4V的交流三角波，波形如圖的交流三角波，波形如圖（b）所示所示，試分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。試分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。解解：（1）二極管的應用例二極管的應用例2 2：+-+UREFIuiRuoD D0-4V4Vuit2V2Vuot（2）解：解： +-+UREFIuiRuoD D14.4 穩(wěn)壓二極管-特殊的面接觸型半導體硅二極管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡，電曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。壓越穩(wěn)定。UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrr rz z越

27、小，越小，穩(wěn)穩(wěn)壓 性 能 越壓 性 能 越好。好。正向同二正向同二極管極管符號：符號：工作條件：工作條件：反向擊穿反向擊穿 穩(wěn)壓管工作于穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓穩(wěn)壓管擊穿時，電流雖管擊穿時，電流雖然在很大范圍內變然在很大范圍內變化，但穩(wěn)壓管兩端化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓作用。注意：反偏電壓注意：反偏電壓UZ；反向擊穿。；反向擊穿。（4 4）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流I IZ Z、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流I Izmaxzmax、I Izminzmin。（5 5）最大允許功耗）最

28、大允許功耗不發(fā)生熱擊穿的最大功率。不發(fā)生熱擊穿的最大功率。 ZmaxZZMIUP穩(wěn)壓二極管的主要參數穩(wěn)壓二極管的主要參數: :（1 1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓 UZ 正常工作下穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。正常工作下穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。（2 2）電壓溫度系數）電壓溫度系數 U（%/%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數。（3 3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與相應電流變化量的比值。穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與相應電流變化量的比值。ZZIUZrrZ = UZ / IZ 值越小，穩(wěn)壓效果越好。值越小，穩(wěn)壓效果越好。越大穩(wěn)壓效果越好，小于越大穩(wěn)壓效果越好，小于 Izmin 時不

29、穩(wěn)壓。時不穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管的應用例穩(wěn)壓二極管的應用例3：5mA 20mA, V,6minmaxzzzIIU穩(wěn)壓管的技術參數穩(wěn)壓管的技術參數: :負載電阻負載電阻RL600，求限流求限流電阻電阻R取值范圍。取值范圍。解：解：mA5,mA20,6minmaxZZZIIVU+UZ-IZDZRILIR+Ui=15V-RL 現有兩個穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值為現有兩個穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值為3v3v，5V5V，正向導通壓降為，正向導通壓降為0.7V0.7V，配合適的電源、電阻，可得到幾種輸出電壓。配合適的電源、電阻，可得到幾種輸出電壓。2. 雙管雙管：解：解：1. . 單管：單管：兩只穩(wěn)壓管串聯(lián)兩只穩(wěn)壓管串聯(lián)兩只穩(wěn)

30、壓管并聯(lián)：兩只穩(wěn)壓管并聯(lián)：穩(wěn)壓二極管的應用例穩(wěn)壓二極管的應用例4：半導體三極管又稱半導體三極管又稱晶體三極管晶體三極管，簡稱，簡稱晶體管晶體管或或三極管三極管。在三極管內，有兩種載流子：電子與空穴，它們同時參與導在三極管內，有兩種載流子：電子與空穴，它們同時參與導電，故晶體三極管又稱為電，故晶體三極管又稱為雙極型三極管雙極型三極管，簡記為，簡記為BJT（英文（英文Bipo1ar Junction Transistor的縮寫）。它的基本功能是具有的縮寫）。它的基本功能是具有電流放大作用。電流放大作用。三極管屬于三極管屬于電流控制型器件，電流控制型器件，是各種電子線路的核心部是各種電子線路的核心部

31、件。件。 14.5 雙極型晶體管14.5.1 14.5.1 基本結構基本結構N NN NP P集電極集電極C基極基極B發(fā)射極發(fā)射極ENPN注：符號中箭頭的方向表示發(fā)射結正偏時發(fā)射極電流的方向。注：符號中箭頭的方向表示發(fā)射結正偏時發(fā)射極電流的方向。基區(qū)基區(qū)，電極稱為，電極稱為基極基極 B（Base）發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)，電極稱為，電極稱為發(fā)發(fā)射極射極 E（Emitter）集電區(qū)集電區(qū)，電極稱為，電極稱為集電集電極極 C（Collector）集電結集電結Jc發(fā)射結發(fā)射結 Je符號符號: :BCEP PP PN N集電極集電極C基極基極B發(fā)射極發(fā)射極EPNPBCE符號：符號：三極管的基本類型有兩種：NPN型

32、 和 PNP型。最常見的有平面型和合金型。三極管結構特點：三極管結構特點：為了保證三極管具有良好的電流放大作用，在制造三極管的工藝為了保證三極管具有良好的電流放大作用，在制造三極管的工藝過程中，必須作到：過程中，必須作到：使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高，以有效地發(fā)射載流子；使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高，以有效地發(fā)射載流子；以上三條實際上是三極管放大作用的以上三條實際上是三極管放大作用的內部條件內部條件。2. 2. 使基區(qū)摻雜濃度最小，且基區(qū)最薄，以有效地傳輸使基區(qū)摻雜濃度最小，且基區(qū)最薄，以有效地傳輸載流子；載流子；3. 3. 使集電區(qū)面積最大，且摻雜濃度小于發(fā)射區(qū)，以有使集電區(qū)面積最大，且摻雜濃度小于發(fā)射

33、區(qū)，以有效地收集載流子。效地收集載流子。 一、實驗一、實驗14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理共射極放大電路共射極放大電路RBICIBECEBIEBCEVmAmAA+UBE_V+UCE_共射：指輸入回路和輸出回路以發(fā)射極為公共端（接地）共射：指輸入回路和輸出回路以發(fā)射極為公共端（接地）發(fā)射結正偏：發(fā)射結正偏：由由EB保證保證集電結反偏：集電結反偏：由由EC、EB保證保證 UCB=UCE UBE 0放大狀態(tài)放大狀態(tài)外部條件外部條件IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.72

34、1.542.363.184.05晶晶體體管管電電流流測測量量數數據據結論結論: :1. IC IB , IC IE , IE=IC+IB, IC IB常數；BCBCBCBCIIIIIIII1.23. 當當IB=0（將基極開路）時，（將基極開路）時， IC=ICEO， ICEO 0二、二、 電流放大原理電流放大原理共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法C區(qū)區(qū)B區(qū)區(qū)E區(qū)區(qū)+UCE UBEUCBNNPEBECRBRCEBCEBECRCbRbceNPNIEP IENIE發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散載流子，形成發(fā)射極電流發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散載流子，形成發(fā)射極電流 發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏E區(qū)多子（電子）區(qū)多子（電子） 注入注入B區(qū)區(qū)IE

35、NENB區(qū)多子（空穴）區(qū)多子（空穴）注入注入E區(qū)區(qū)IEPEP經EB結擴散擴散 由于發(fā)射區(qū)雜質濃度比基區(qū)高得由于發(fā)射區(qū)雜質濃度比基區(qū)高得多，多，IEPEP和和IENEN相比，其值很小可以略。相比，其值很小可以略。發(fā)射極電流發(fā)射極電流 I IE E = I = IENEN + I + IEP EP I IENEN 電子在基區(qū)中的擴散與復合電子在基區(qū)中的擴散與復合 注入到基區(qū)的載流子電子在靠近發(fā)射結注入到基區(qū)的載流子電子在靠近發(fā)射結一側積累起來，形成一定的濃度梯度。一側積累起來，形成一定的濃度梯度。 靠發(fā)射結濃度高，靠集電結濃度低?？堪l(fā)射結濃度高，靠集電結濃度低。濃度差使電子向集電結擴散。濃度差使電

36、子向集電結擴散。 由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度低，由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度低，電子與空穴復合機會少，電子與空穴復合機會少，IB很小。很小。 在擴散過程中，有一部分電子與基區(qū)在擴散過程中，有一部分電子與基區(qū)中的空穴復合，同時基區(qū)被復合掉的空穴中的空穴復合，同時基區(qū)被復合掉的空穴由電源由電源EB提供，形成復合電流提供，形成復合電流IBE I IB B.這樣保證大部分電子擴散到集電結，有利于放大。EBECRCbRbceNPN IEIB IBE集電區(qū)收集擴散過來的電子集電區(qū)收集擴散過來的電子。 因為集電結反偏，收集擴散到集因為集電結反偏，收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

37、。另外，。另外，集電區(qū)的少子形成漂移電流集電區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。EBECRCbRbceNPN iEiBibe iceiCiCBO CC NC B OIIINNPBBVCCVRbRCebcRcVccRbVbbIENEPIIEBICNICICBOI三極管載流子三極管載流子動畫演示動畫演示BCEIII當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結面積等確定，當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關系確定。故電流的比例關系確定。CECCBOCBEBCBOBIIIIIIII CEOBCBOBC)1(IIIII CCBO,1IICBII EB(1)II ICE

38、O(穿透電流穿透電流)基基極開路（極開路（IB=0）時，在）時，在集電極電源集電極電源Ucc作用下作用下的集電極與發(fā)射極之間的集電極與發(fā)射極之間形成的電流。形成的電流。ICBO發(fā)射極開路時，發(fā)射極開路時，集電結的反向飽和電流，集電結的反向飽和電流，受溫度影響大。受溫度影響大。 基極電流對集電極基極電流對集電極電流的放大能力電流的放大能力放大外部條件：放大外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏發(fā)射結正偏，集電結反偏NPN型：型：UBE0UBC0C極電位最高極電位最高高高中中低低PNP型：型：UBE 0UBC 0C極電位最低極電位最低高高中中低低與與NPN型的工作原理基本相似，只是電源極性反接即可。型的

39、工作原理基本相似，只是電源極性反接即可。例例. 三極管工作在正常放大狀態(tài)時三極管工作在正常放大狀態(tài)時,根據以下測得的各個極的端電壓來判根據以下測得的各個極的端電壓來判斷三極管的類型斷三極管的類型,是是NPN還是還是PNP管管?是硅管還是鍺管是硅管還是鍺管?-2V-7V-2.3V0V-0.7V5V-10V-2.7V-2V2.7V8V3Vbbbbeeecccce解解：1. NPN1. NPNV VC CV VB B V VE E， PNPPNPV VC C V VB B IC ，UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。飽和區(qū)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，發(fā)射結正偏，集電結正偏。集電結正偏。I IC C不隨不

40、隨I IB B變化變化, ,無無放大作用放大作用,I,IB B對對I IC C控制作用消失?？刂谱饔孟?。深度飽和時，深度飽和時， 硅管硅管UCES 0.3V， 鍺管鍺管UCES 0.1V。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0，IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) (3) 截止區(qū)：截止區(qū)：發(fā)射結反偏，集電結反偏。發(fā)射結反偏，集電結反偏。 UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 注：注：放大電路中三極管工作區(qū)域放大電路中三極管工作區(qū)域可通過三個電極的電位來判斷?？赏ㄟ^三

41、個電極的電位來判斷。例：測得三極管三個極的電位如圖所示，試判斷三極管的例：測得三極管三個極的電位如圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。3V8V3.7V3V12V2V3V3.3V3.7V14.5.4 主要參數主要參數 前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。接法，相應地還有共基、共集接法。共射共射直流電流放大倍數直流電流放大倍數：BCII_ 工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為基極電流的變化量為

42、 IB，相應的集電極電流變化為相應的集電極電流變化為 IC，則則交流電流放交流電流放大倍數大倍數為：為：BIIC1. 電流放大倍數電流放大倍數 和和 _ 表示晶體管特性的數據稱為晶體管的參數，晶體管的參數也是設計電表示晶體管特性的數據稱為晶體管的參數，晶體管的參數也是設計電路、選用晶體管的依據。路、選用晶體管的依據。常用晶體管的常用晶體管的 值在值在20 200之間。之間。 和和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0 較小的情況下，兩者數值接近。較小的情況下，兩者數值接近。 例：例：UCE=6V時時：IB = 40 A, IC =1.5 mA

43、； IB =60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的計算中，一般作近似處理：在以后的計算中，一般作近似處理： =2. 集集- -基極反向截止電流基極反向截止電流 ICBOICBO是是發(fā)射極開路發(fā)射極開路時，時，集電結反偏，集電結反偏，由少子的漂移形由少子的漂移形成的反向電流，成的反向電流，它實際上就是一它實際上就是一個個PN結的反向電結的反向電流。流。易受溫度變易受溫度變化的影響。化的影響。溫度溫度 I ICBOCBO 鍺管：鍺管：I CBO為微安數量級，為微安數量級， 硅管：硅管：I CBO為納安數量級。為納安數量級。發(fā)射極開路，集電極基極間的反向飽和電流。發(fā)射極開路，集電極基極間的反向飽和電流。ICBO A+EC3. 集集- -射極反向截止電流射極反向截止電流 ICEOICEO受溫度影響很大，受溫度影響很大，溫度溫度I ICEOCEO ，所，所以以 IC也 相 應 增 加 。也 相 應 增 加 。三極管的溫度特性較差。三極管的