第二章 常用半導(dǎo)體器件原理

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)12.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)導(dǎo)體：對電信號有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。絕緣體：對電信號起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于108~1020

·m。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨摻雜、溫度和光照等因素發(fā)生顯著變化，這些特點使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。2.1.1半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別22.1.2本征半導(dǎo)體純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。

硅和鍺都是四價元素，硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個電子，稱為價電子，其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡化模型代表。由于原子呈中性，在圖中原子核用帶圓圈的+4符號表示。3(1-4)共價鍵中的兩個電子被束縛在共價鍵中，稱為束縛電子。共價鍵中的束縛電子是不能導(dǎo)電的。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵的結(jié)合力使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+44(1-5)在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子,即載流子(Carrier)

，它沒有導(dǎo)電能力，相當(dāng)于絕緣體。本征半導(dǎo)體共價鍵中的價電子接受外界能量激發(fā)，獲得足夠的能量掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象稱為，叫本征激發(fā)。本征激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。

如:在常溫下，由于獲得熱能，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子(Freeelectron)

(帶負(fù)電），同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴(Hole)（帶正電）。空位－空穴是一個帶正電的粒子其電量與電子相等，符號相反，在外加電場作用下，可以自由地在晶體體中運動，從而和自由電子一樣可以參加導(dǎo)電。載流子、自由電子和空穴

自由電子和空穴在自由移動過程中相遇時，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對載流子，這個過程稱為復(fù)合。5本征激發(fā)共價鍵二種載流子復(fù)合6本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。2.空穴移動產(chǎn)生的電流。

分別用ni和pi表示自由電子和空穴的濃度(cm-3)

其中

T為絕對溫度(K)；EG0為T=0K時的禁帶寬度，硅原子為1.21eV，鍺為0.78eV；k=8.6310-5eV/K為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)。

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。2.1.3N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。人工少量摻雜某些元素的原子，可顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

7一、N型半導(dǎo)體（Negative負(fù)）

在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷(或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子很容易被激發(fā)而成為自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度。這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，磷原子稱為施主原子。多數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一空穴

熱平衡時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度ni的平方，所以少子空穴的濃度pn為

自由電子濃度(雜質(zhì)濃度)少子濃度與溫度關(guān)系極大多余電子磷原子8二、P型半導(dǎo)體（Positive正）

在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空位。這個空位可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子多數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一自由電子

而少子--自由電子的濃度np為環(huán)境溫度也明顯影響np的取值?？昭舛?摻雜濃度)92.1.4漂移電流和擴(kuò)散電流

半導(dǎo)體中載流子進(jìn)行定向運動，就會形成半導(dǎo)體中的電流。

半導(dǎo)體電流半導(dǎo)體電流漂移電流：在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流，該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強(qiáng)度。擴(kuò)散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散電流，該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。102.2PN結(jié)

在同一片半導(dǎo)體基片上，通過摻雜工藝，一邊做成P型半導(dǎo)體，另一邊做成N型半導(dǎo)體，則P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面處會形成一個有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為PN結(jié)。2.2.1PN結(jié)的形成多子擴(kuò)散

空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生少子漂移動態(tài)平衡11

空間電荷區(qū)：又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。空間電荷區(qū)中沒有載流子在摻雜濃度不對稱的PN結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一邊延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。122.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸?、正向偏置的PN結(jié)正向偏置耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散運動加強(qiáng)，漂移運動減弱正向電流二、反向偏置的PN結(jié)反向偏置耗盡區(qū)變寬擴(kuò)散運動減弱，漂移運動加強(qiáng)反向電流正向電流擴(kuò)散運動加強(qiáng)，漂移運動減弱正向電流擴(kuò)散運動加強(qiáng)，漂移運動減弱耗盡區(qū)變窄正向電流擴(kuò)散運動加強(qiáng)，漂移運動減弱正向偏置耗盡區(qū)變窄正向電流擴(kuò)散運動加強(qiáng)，漂移運動減弱13

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?/p>

PN結(jié)只需要較小的正向電壓，就能產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變(指數(shù)特性)

而在反偏時，少子只能提供很小很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。142.2.3PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)PN結(jié)上的反向電壓足夠大時，反向電流急增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿。發(fā)生反向擊穿時的電壓UBR稱為反向擊穿電壓

雪崩擊穿：反偏的PN結(jié)中，耗盡區(qū)中少子在漂移運動中被電場作功，動能增大。當(dāng)少子的動能足以使其在與價電子碰撞時發(fā)生碰撞電離，把價電子擊出共價鍵，產(chǎn)生一對新的自由電子和空穴，連鎖碰撞使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的PN結(jié)中。齊納擊穿：在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強(qiáng)的電場。電場強(qiáng)到能直接將價電子拉出共價鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使得反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。

一般來說，對硅材料的PN結(jié)，UBR>7V時為雪崩擊穿；UBR<5V時為齊納擊穿；UBR介于5-7V時，兩種擊穿都有。

PN結(jié)擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護(hù)PN結(jié)不受損壞。PN結(jié)擊穿152.2.4PN結(jié)的電容特性

PN結(jié)能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關(guān)，這說明PN結(jié)具有電容效應(yīng)。一、勢壘電容CT0為u=0時的CT，與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在1/3~6之間。當(dāng)反向電壓u絕對值增大時，CT將減小。勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容16二、擴(kuò)散電容

PN結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴(kuò)散電容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時，CD遠(yuǎn)大于CT，即Cj

CD；反偏的PN結(jié)中，CT遠(yuǎn)大于CD，則Cj

CT。ＰＮ結(jié)正偏時，擴(kuò)散進(jìn)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。正向電壓、電流越大，積累的電荷越多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容172.3晶體二極管2.3.1二極管的伏安特性一一指數(shù)特性IS為反向飽和電流，q為電子電量(1.60

10-19C)；UT=kT/q，稱為熱電壓，在室溫27℃即300K時，UT=26mV。一、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿當(dāng)uD>UD(on)時，iD明顯增大，二極管導(dǎo)通，UD(on)稱為導(dǎo)通電壓(死區(qū)電壓)；uD<0時，二極管是截止的；當(dāng)反向電壓足夠大時，二極管中的反向電流急劇增大，二極管被擊穿。18二、二極管的管壓降

當(dāng)電源電壓E變化時，負(fù)載線平移到新的位置，ID有比較大的變化，而UD變化不大，仍然近似等于UD(on)，所以認(rèn)為UD(on)是導(dǎo)通二極管的近似管壓降(硅管約0.6---0.7v,鍺管約0.2---0.3v)。三、二極管的電阻交流電阻直流電阻19RD

和rD隨工作點的位置變化而改變2.3.2溫度對二極管伏安特性的影響T增大；

Is增大，T增大10度，Is增大一倍。減小，雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。202.3.3二極管的近似伏安特性和簡化電路模型21【例2.3.1】電路如圖(a)所示，計算二極管中的電流ID。已知二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.6V，交流電阻rD近似為零。解：可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將相應(yīng)的電路模型代入，得到圖(b)。節(jié)點A的電壓UA

=E

-I1R1

=-I2R2

=-E

+UD(on)

=-5.4，解得I1

=5.7mA，I2

=5.4mA，于是ID

=I1

+I2

=11.1mA。22工作電流IZ可以在IZmin到IZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向電壓成為穩(wěn)定電壓UZ。IZ應(yīng)大于IZmin以保證較好的穩(wěn)壓效果。同時，外電路必須對IZ進(jìn)行限制，防止其太大使管耗過大，甚至燒壞PN結(jié)，如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為PM，則IZ應(yīng)小于IZmax=PM/UZ。2.3.4穩(wěn)壓二極管23工作條件：IZmin<IZ<IZmax1、Vi=Vimin，RL=RLMin時IZ最?。?/p>

IZDZILRLV0ViR24工作條件：IZmin<IZ<IZmax2、Vi=Vimax，RL=RLMax時IZ最大：結(jié)論：

IZDZILRLV0ViR25［例2.3.2］穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓UZ=6V。當(dāng)限流電阻R=200時，求工作電流IZ

和輸出電壓UO；當(dāng)R=11k時，再求IZ

和UO。

1.當(dāng)R=200

時，穩(wěn)壓二極管DZ處于擊穿狀態(tài)2.當(dāng)R=11k

時，DZ處于截止?fàn)顟B(tài)，IZ

=0解:首先要判斷穩(wěn)壓二極管能否擊穿,方法是假設(shè)穩(wěn)壓管斷開,看UO是否大于UZ.262.3.5其它二極管2.光電二極管3.發(fā)光二極管（LED）4.肖特基二極管1.變?nèi)荻O管27(1-28)二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。

左圖為變?nèi)荻O管的代表符號，

右圖是變?nèi)荻O管的特性曲線。不同型號的管子，其電容最大值可能5-300pF。最大電容與最小電容之比約為5:1。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。1.變?nèi)荻O管28(1-29)管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。將光能轉(zhuǎn)化為電能。在光照下，耗盡區(qū)激發(fā)出大量的電子、空穴對，加反偏電壓，形成反向電流，且隨光照強(qiáng)度的增加而上升。2.光電二極管29(1-30)有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。發(fā)光亮度與正向工作電流成正比，典型值10mA3.發(fā)光二極管（LED）30(1-31)肖特基勢壘二極管（也叫熱載子二極管）在機(jī)械構(gòu)造上與點接觸二極管很相似，但它比點接觸二極管要耐用，而且功率也更大。這種形式的電路是威廉姆·肖特基（WilliamSchottky）在1938年研究多數(shù)載流子的整流現(xiàn)象時提出的。4.肖特基二極管31“肖特基勢壘”是一種量子力學(xué)勢壘，形成于金屬和半導(dǎo)體的界面處。反向偏置電壓增加時勢壘也增加，正向偏置時勢壘減少（或者接近消失）。反向偏置時半導(dǎo)體材料的電子沒有足夠的能量越過勢壘，所以此時沒有電流。當(dāng)正向偏置時，勢壘減少直至電子可以穿過它，從半導(dǎo)體流入金屬區(qū)域。肖特基二極管為一個整流元件，廣泛應(yīng)用于混頻器和檢波電路中。雙平衡混頻器（DBM）電路通常是由一組匹配的肖特基二極管組成。雙平衡混頻器可用于超外差接收和產(chǎn)生抑制載波的雙邊帶信號，還可以用于相敏檢波器。許多雙平衡混頻器工作到微波頻譜的低端。32晶體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP92代表二極管，3代表三極管表示二極管時：A-N型鍺材料、B-P型鍺材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三極管時：A-PNP型鍺材料、B-NPN型鍺材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料P-普通管、V-微波管、W-穩(wěn)壓管、X-低頻小功率管(f<3MHz,Pc<1W)、C-參量管、Z-整流管、L-整流堆、G-高頻小功率管(f>3MHz,Pc<1W)、N-阻尼管、K-開關(guān)管、Y-體效應(yīng)器件、D-低頻大功率管(f<3MHz,Pc>1W)S-隧道管、U-光電器件、B-雪崩管、A-高頻大功率管(f>3MHz,Pc>1W)T-半導(dǎo)體晶閘管(可控整流器)、J-階躍恢復(fù)管、CS-場效應(yīng)管、BT-半導(dǎo)體特殊器件、FH-復(fù)合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件用數(shù)字表示同一類型產(chǎn)品的序號332.3.6二極管應(yīng)用電路舉例

一、整流電路

［例2.3.3］分析圖(a)所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。

解：當(dāng)ui>0.7V時，D處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓uo=ui-0.7；當(dāng)ui<0.7V時，D處于截止?fàn)顟B(tài)，等效成開路，所以uo=0。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(b)所示，傳輸特性則如圖(c)所示。電路實現(xiàn)的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on)

得到輸出。

34［例2.3.4］分析圖(a)所示的二極管橋式整流電路的工作原理，其中的二極管D1~D4為理想二極管，輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。

電路實現(xiàn)的是全波整流-----又稱”絕對值電路。當(dāng)ui>0時，D1和D2導(dǎo)通，而D3和D4截止,故uo=ui；當(dāng)ui<0時，D1和D2截止，而D3和D4導(dǎo)通,故uo=-ui。35二、限幅電路［例2.3.5］二極管限幅電路如圖(a)所示，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

當(dāng)ui>2.7V時，D導(dǎo)通，所以uo=2.7V；當(dāng)ui<2.7V時，D截止，其支路等效為開路，uo=ui。于是得到uo的波形，如圖(c)所示，該電路把ui超出2.7V的部分削去后輸出，是上限幅電路。

首先判斷二極管是導(dǎo)通或截止.36［例2.3.6］二極管限幅電路如圖(a)所示，其中二極管D1和D2的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.3V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

首先判斷二極管是導(dǎo)通或截止.解：當(dāng)ui<-2.3V時，D1導(dǎo)通，uo=-2.3V；當(dāng)ui>-2.3V時，D1截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D1實現(xiàn)了下限幅；當(dāng)ui>2.3V時，D2導(dǎo)通，uo=2.3V；當(dāng)ui<2.3V時，D2截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D2實現(xiàn)了上限幅。綜合uo的波形如圖(c)所示，該電路把ui超出2.3V的部分削去后進(jìn)行輸出，完成雙向限幅。

37三、電平選擇電路

［例2.3.7］圖(a)給出了一個二極管電平選擇電路，其中二極管D1和D2為理想二極管，輸入信號ui1和ui2波形如圖(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號uo的波形。

解:當(dāng)t<T1時,D2比D1正偏壓更大,則D2首先導(dǎo)通，uo=ui2=0，導(dǎo)致D2反偏而截止；反之，當(dāng)T1<t<T2時,ui1=ui2=3V，則D2,D1均導(dǎo)通，uo=ui1=ui2=3V；當(dāng)t>T3時,D1,D2也同時導(dǎo)通，uo=ui1=ui2=0。該電路完成低電平選擇功能，

并實現(xiàn)了邏輯“與”運算。

382.4雙極型晶體管

NPN型晶體管PNP型晶體管39(4-40)

結(jié)構(gòu)特點：管芯結(jié)構(gòu)剖面圖發(fā)射極和集電極不能互換。1、發(fā)射區(qū)相對于基區(qū)摻雜濃度大；2、基區(qū)很薄;3、集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)40(4-41)BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)兩種結(jié)構(gòu)兩個結(jié)三個區(qū)三個極

三種組態(tài)四種組合(狀態(tài))結(jié)構(gòu)特點：41(4-42)開關(guān)工作

BE結(jié)BC結(jié)工作狀態(tài)正偏正偏反偏反偏正偏反偏反偏正偏飽和截止放大倒置四種工作狀態(tài)42(4-43)三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏43三、集電區(qū)收集自由電子

收集電流ICN

反向飽和電流ICBO2.4.1晶體管的工作原理一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子

電子注入電流IEN，空穴注入電流IEP

二、基區(qū)中自由電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合

基區(qū)復(fù)合電流IBN

44(4-45)BECNNPEBRBECIE進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBN

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。直流偏置發(fā)射結(jié)加正向電壓集電結(jié)加反向電壓

RC發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IEN。IBN從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICN。ICNIEN內(nèi)部載流子的傳輸過程45(4-46)RCBECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOIBNICN從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICN。IB=IBN-ICBOIB內(nèi)部載流子的傳輸過程46(4-47)IB=IBN-ICBOIBBECNNPEBRBECIEICBOICNIC=ICN+ICBOIBNIEIEN

=IBN+ICNRC基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散形成IEP,可忽略。IEP內(nèi)部載流子的傳輸過程47(4-48)以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管?；駼JT(BipolarJunctionTransistor)。

雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個PN結(jié)組合而成，是一種電流控制電流源器件（CCCS）。

雙極型半導(dǎo)體三極管(BJT)

雙極型的含義：兩種載流子參與導(dǎo)電48晶體管的放大能力參數(shù)

共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關(guān)系：49晶體管各極電流關(guān)系

描述：描述：

50(4-51)BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管三極管各極電流方向512.4.2晶體管的伏安特性一、輸出特性

放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏)共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：共基極交流電流放大倍數(shù)：近似關(guān)系：

恒流輸出和基調(diào)效應(yīng)飽和區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏)

飽和壓降

uCE(sat)

截止區(qū)(發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏)

各極電流絕對值很小52二、輸入特性

當(dāng)uBE大于導(dǎo)通電壓UBE(on)時，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下uBE近似等于UBE(on)，所以也可以認(rèn)為UBE(on)是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)uBE<UBE(on)時，晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。晶體管電流方程：53(4-54)符號規(guī)定UA大寫字母、大寫下標(biāo)，表示直流量。uA小寫字母、大寫下標(biāo)，表示全量。ua小寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量Ua大寫字母、小寫下標(biāo)，表示正弦信號有效值。54(4-55)信號源負(fù)載模擬信號的放大共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；

是共射電流放大系數(shù)，一般

>>1三極管的三種組態(tài)55(4-56)信號源負(fù)載共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。

為共基電流放大系數(shù)，一般

=0.90.99三極管的三種組態(tài)56(4-57)信號源負(fù)載共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;IE=IB（1＋β）三極管的三種組態(tài)57(4-58)共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；BJT的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài)582.4.3晶體管的近似伏安特性和簡化直流模型近似伏安特性簡化直流模型I——放大區(qū)II——飽和區(qū)III——截止區(qū)592.4.4直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析3．如果第2步判斷集電結(jié)正偏，則晶體管處于飽和狀態(tài)。這時UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)，UCB=UCE-UBE，再由這三個極間電壓和外電路計算IB、IC和IE。

確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：

1．根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。如果發(fā)射結(jié)反偏或正偏電壓不到|UBE(on)|，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IB、IC和IE均為零，再由外電路計算極間電壓UBE、UCE和UCB；2．如果第1步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達(dá)到|UBE(on)|，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。如果集電結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時UBE=UBE(on)。根據(jù)外電路和UBE(on)計算IB，接下來IC=bIB，IE=IB+IC。再由這三個極電流和外電路計算UCE和UCB；60［例2.4.1］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=0.6V，=50。當(dāng)輸入電壓UI分別為0V、3V和5V時，判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計算輸出電壓UO。解：晶體管三個極電流的正方向如圖中所示。當(dāng)UI=0V時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；當(dāng)UI=3V時，晶體管處于放大或飽和狀態(tài)，假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，IB=[UI-UBE(on)]/RB

=40A，IC=bIB=2mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V>0，所以集電結(jié)反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)UI=5V時，計算得到UCB=-3.28V<0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat)

。

61［例2.4.2］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=-0.7V，=50。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計算IB、IC和UCE。解：圖中晶體管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A<0，所以晶體管處于放大或飽和狀態(tài)。IC=bIB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V<0，所以集電結(jié)反偏，晶體管處于放大狀態(tài)，IB=-37.4A，IC=-1.87mA，UCE=UCB+UBE(on)=-4.44V。

62(4-63)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）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)分類：場效應(yīng)管是利用改變電場來控制固體材料導(dǎo)電能力的有源器件。時溝道不存在

時溝道存在

2.5場效應(yīng)管

632.5場效應(yīng)管

場效

應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。FET英文為（FieldEffectTransistor），簡寫成FET。642.5.1結(jié)型場效應(yīng)管

2.5場效應(yīng)管

電路符號中柵極的箭頭方向可理解為兩個PN結(jié)的正向?qū)щ姺较?/p>

65(4-66)S-----稱為源極D-----稱為漏極G-----稱為柵極電路符號（N溝道）N型兩側(cè)高濃度擴(kuò)散兩個，形成，中間為導(dǎo)電溝道。兩個引一個電極，N區(qū)引兩電極S、D。2.5.1結(jié)型場效應(yīng)管

66一、工作原理

飽和電流IDSS夾斷電壓UGS(off)

柵極電流IG

0輸入阻抗很大UGS增大導(dǎo)電溝道變窄ID減小67二、輸出特性恒流區(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|=|uDS

-uGS|>|UGS(off)|)uGS和iD為平方率關(guān)系。預(yù)夾斷導(dǎo)致uDS對iD的控制能力很弱?？勺冸娮鑵^(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且

|uDG|<|UGS(off)|)

uDS的變化明顯改變iD的大小。

截止區(qū)(|uGS|>|UGS(off)|)

iD

=068三、轉(zhuǎn)移特性預(yù)夾斷69(4-70)結(jié)型場效應(yīng)管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。702.5.2絕緣柵場效應(yīng)管

絕緣柵場效應(yīng)管記為MOSFET，根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)電溝道，MOSFET又分為增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET。

絕緣柵場效應(yīng)管基片引線上的箭頭向內(nèi)為N溝道，向外為P溝道71一、工作原理

UGS=0ID＝0UGS>UGS(th)電場反型層導(dǎo)電溝道ID>0UGS控制ID的大小N溝道增強(qiáng)型MOSFET72N溝道耗盡型MOSFET在UGS

=0時就存在ID=ID0。UGS的增大將增大ID。當(dāng)UGS

<0時，且|UGS|足夠大時，導(dǎo)電溝道消失，ID

=0，此時的UGS為夾斷電壓UGS(off)

。

N溝道耗盡型MOSFET二、特性曲線

預(yù)夾斷N溝道增強(qiáng)型MOSFET73n為導(dǎo)電溝道中自由電子運動的遷移率；Cox為單位面積的柵極電容；W和L分別為導(dǎo)電溝道的寬度和長度，W/L為寬長比。74N溝道耗盡型MOSFET75(4-76)關(guān)于場效應(yīng)管符號的說明：N溝道增強(qiáng)型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、分開，表示零柵壓時溝道不通。表示襯底在內(nèi)部沒有與源極連接。N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時溝道已經(jīng)連通。N溝道結(jié)型MOS管。沒有絕緣層。如果是P溝道，箭頭則向外。762.5.3各種場效應(yīng)管的比較以及場效應(yīng)管與晶體管的對比

電路符號

特性曲線77

雙極型晶體管場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型N溝道P溝道PNP型絕緣柵增強(qiáng)型

N溝道P溝道絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道C、E一般不可倒置D、S一般可倒置載流子多子擴(kuò)散、少子漂移多子漂移輸入量電流電壓控制CCCS(β)VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，并有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的比較78與雙極型晶體管相比，場效應(yīng)管具有如下特點：（1）場效應(yīng)管是電壓控制器件，它通過VGS(柵源電壓)來控制ID（漏極電流）；（2）場效應(yīng)管的控制輸入端電流極小，因此它的輸入電阻(107-1012Ω)很大。（3）它是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此它的溫度穩(wěn)定性較好；（4）它組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù)；（5）場效應(yīng)管的抗輻射能力強(qiáng)；（6）由于不存在雜亂運動的電子擴(kuò)散引起的散粒噪聲，所以噪聲低。79［例2.5.1］判斷圖中場效應(yīng)管的工作狀態(tài)。

=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)>-UGS(off)

，所以該場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。圖(b)中是P溝道增強(qiáng)型MOSFET，UGS=-5(V)<UGS(th)

，所以該場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，UDG=UDD-IDRD-UGS=4(V)>-UGS(th)

，所以該場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。

解：圖(a)中是N溝道JFET，UGS=0>UGS(off)

，所以該場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且ID80NPN晶體管結(jié)型場效應(yīng)管JEFT增強(qiáng)型NMOSEFT指數(shù)關(guān)系平方律關(guān)系81

場效應(yīng)管和晶體管的主要區(qū)別包括：

1、晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)時，存在一定的基極電流，輸入電阻較小。場效應(yīng)管中，JFET的輸入端PN結(jié)反偏，MOSFET則用SiO2絕緣體隔離了柵極和導(dǎo)電溝道，所以場效應(yīng)管的柵極電流很小，輸入電阻極大。2、晶體管中主要導(dǎo)電依靠基區(qū)中非平衡少子的擴(kuò)散運動，所以導(dǎo)電能力容易受外界因素如溫度的影響。場效應(yīng)管則依靠自由電子或空穴之一的多子在導(dǎo)電溝道中作漂移運動實現(xiàn)導(dǎo)電，導(dǎo)電能力不易受環(huán)境的干擾。3、場效應(yīng)管的源極和漏極結(jié)構(gòu)對稱，可以互換使用。晶體管雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是同型的雜質(zhì)半導(dǎo)體，但由于制作工藝不同，二者不能互換使用。82(4-83)BJT共射電路組成A.核心器件BJTB.偏置電路—提供放大外部條件C.輸入、輸出電路—vi的引入，vo引出83(4-84)放大元件iC=iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。vivo輸入輸出參考點Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射電路組成84(4-85)使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點IB和VBE。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL基極電源與基極電阻BJT共射電路組成85(4-86)集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射電路組成86(4-87)集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射電路組成87(4-88)耦合電容：電解電容，有極性，大小為10F~50F作用：隔直通交隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時能使信號順利輸入輸出。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射電路組成88(4-89)單電源供電可以省去Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射電路組成89(4-90)Rb單電源供電+VCCRCC1C2TRLBJT共射電路組成90(4-91)習(xí)慣畫法RLRCRb+VCCC1C2共射極基本放大電路VBBRLRCRbC1C2VCCBJT共射電路組成91(4-92)RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLUiUo分壓式偏置電路BJT共射電路組成92(4-93)（1）自偏壓電路vGSFET電路組成93(4-94)（2）分壓式偏置電路FET電路組成94(4-95)Rb+VCCRCC1C2TICVBEVCE(IC,VCE)(IB,VBE)RLIB放大器件靜態(tài)工作點的概念95(4-96)Q點：UGS、ID、UDSvGS=VDS=已知UP，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q點的

UGS、ID、UDS放大器件靜態(tài)工作點的概念96(4-97)1BJT的小信號建模3共射極放大電路的小信號模型分析H參數(shù)的引出H參數(shù)小信號模型模型的簡化H參數(shù)的確定（意義、思路）利用直流通路求Q點畫小信號等效電路求放大電路動態(tài)指標(biāo)輸入電阻輸出電阻2放大電路的主要性能指標(biāo)增益2.6晶體三極管和場效應(yīng)管的低頻交流小信號簡化模型97(4-98)建立小信號模型的意義建立小信號模型的思路當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。由