第二章電子技術基礎

電子技術安徽師范大學數(shù)學計算機科學學院2014.2第一章半導體器件1半導體的基本知識2半導體二極管3半導體三極管4場效應晶體管1半導體的基本知識導體、半導體和絕緣體一、導體自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。二、絕緣體有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、半導體另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。1.1.1半導體的導電特性半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：

當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。二極管、三極管屬于此類。本征半導體——化學成分純凈的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。電子技術中用的最多的是硅和鍺。它們的最外層電子（價電子）都是四個。一、本征半導體1、本征半導體結構圖5.1Ge和Si原子的模型GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。外層電子受原子核的束縛力最小，成為價電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的。

純凈的晶體結構的半導體稱為本征半導體。Ge或Si原子生成晶體時，其原子排列就由雜亂無章的狀態(tài)變成了非常整齊的狀態(tài)，原子間的距離都是相等的。研究一塊純凈的Ge或Si晶體時，可發(fā)現(xiàn)每個原子有4個相鄰的原子圍繞著，每兩個相鄰原子間共有一對電子(稱為價電子)，組成共價鍵結構，共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如圖5.2所示。其本征半導體晶體結構如圖5.3所示。圖5.2Ge或Si晶體的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子+4+4+4+4圖5.3本征半導體晶體結構示意圖共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。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。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+42、本征激發(fā)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，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1）.載流子、自由電子和空穴

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子空穴顯示出的功效類似正電荷(嚴格地說，空穴不是正電荷)，所以，空穴也是一種載流子。2）.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補（但是，當一個自由電子進入空穴時，空穴就會消失，這稱為復合），這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動—電流。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。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，溫度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。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。本征半導體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴。由于空穴數(shù)量有限，所以其電阻率很大。二、雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，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。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。

摻雜的半導體稱為雜質(zhì)半導體。摻雜的方法是將少量的雜質(zhì)元素加入到加熱了的Ge或Si晶體中。如果在Si晶體中摻入少量的五價雜質(zhì)元素，例如磷(P)元素，則P原子將全部擴散到加熱了的Si晶體中。因為P原子比Si原子數(shù)目少得多，所以當冷卻后形成固態(tài)晶體時，整個晶體結構不變，只是某些位置上的Si原子被P原子代替了。因為每個P原子有5個外層子，所以組成共價鍵后就自然而然地多出一個電子，此電子受原子核的束縛力很小，很容易成為自由電子。1.N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會產(chǎn)生少量的電子空穴對，所以空穴是少數(shù)載流子。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體結構

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因失去一個電子而帶單位正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主原子。N型半導體的結構示意圖如下圖所示。磷原子核自由電子+4+4+5+4N型半導體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。2.P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中：空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。雜質(zhì)半導體的示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。3.雜質(zhì)對半導體導電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。小結1、半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間。

2、在一定溫度下，本征半導體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導電能力。

3、本征半導體的導電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導體的導電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。

4、P型半導體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導體中自由電子是多子，空穴是少子。

5、半導體的導電能力與溫度、光強、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關。1.PN結的形成物質(zhì)從濃度大的地方向濃度小的地方運動叫擴散。當P型半導體和N型半導體結合在一起時，因為空穴在P區(qū)中是多子，在N區(qū)中是少子；同樣，電子在N區(qū)中是多子，在P區(qū)中是少子，所以在P、N兩區(qū)交界處，由于載流子濃度的差異，要發(fā)生電子和空穴的擴散運動，多子都要向?qū)Ψ絽^(qū)域移動。當電子和空穴相遇時會復合消失。假設擴散運動的方向由正指向負(P區(qū)指向N區(qū))，則空穴將順擴散運動方向移動，電子將逆擴散運動方向移動。1.1.2PN結及其單向?qū)щ娞匦訮型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴散到對方的載流子在P區(qū)和N區(qū)的交界處附近被相互中和掉，使P區(qū)一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導體交界處逐漸形成由正、負離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡層）。由于P區(qū)一側帶負電，N區(qū)一側帶正電，所以出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

當擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產(chǎn)生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結的電流為0。內(nèi)電場空間電荷區(qū)耗盡層電子空穴P區(qū)N區(qū)

擴散的結果在兩區(qū)交界處的P區(qū)一側，出現(xiàn)了一層帶負電荷的粒子區(qū)(即不能移動的負離子)；在N區(qū)一側，出現(xiàn)了一層帶正電荷的粒子區(qū)(即不能移動的正離子)，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是PN結，如圖。

濃度差

多子擴散空間電荷區(qū)

(雜質(zhì)離子)

內(nèi)電場促少子阻多子漂移擴散動態(tài)平衡時PN結形成過程：1).空間電荷區(qū)中沒有載流子。2).空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3).P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:2.PN結的單向?qū)щ娞匦?/p>

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。一、PN結正向偏置－－－－++++RUf內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。(1)當0≤Uf＜UT時，UT為死區(qū)電壓，或稱門坎電壓。這時由于外電場還不足以克服內(nèi)電場對載流子擴散所造成的阻力，所以正向電流If幾乎為零，PN結呈現(xiàn)出一個大電阻，好像有一個門坎。

(2)當Uf≥UT后，這時在外電場的作用下，內(nèi)電場被大大削弱，多子不斷地向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，且進入空間電荷區(qū)后，一部分空穴會與負離子中和，一部分電子會與正離子中和，使空間電荷量減少，PN結變窄。

空間電荷區(qū)中載流子數(shù)量的增加，相當于PN結電阻的減小。這樣，載流子就能順利地越過PN結，形成閉合的回路，產(chǎn)生較大的正向電流If。因為外電源不斷地向半導體提供空穴和電子，所以使電流If得以維持。PN結的正向特性曲線如圖(b)所示。(1)空間電荷區(qū)變窄的過程，相當于載流子充進了PN結。P區(qū)一側充正電(充入空穴)，N區(qū)一側充負電(充入電子)，這現(xiàn)象如同一個電容器的充電，此電容稱為耗盡層電容Ct。它是由耗盡層內(nèi)電荷存儲作用引起的。我們知道,耗盡層內(nèi)有不能運動的正負離子,因而該層缺少載流子,導電率很低,相當于介質(zhì),而它兩邊的P區(qū)和N區(qū)導電率相對很高,相當于金屬。當外加電壓改變時,耗盡層的電荷量也要改變,引起電容效應,耗盡層有勢壘,因此稱為勢壘電容。需要指出的是：二、PN結反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制(可忽略擴散電流)。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。PN結呈現(xiàn)高阻性。RUR

因此，PN結處于反偏時，電阻是很大的。PN結的反向特性曲線如圖所示。

IR有時也稱為反向飽和電流IS。這是因為當溫度不變時，少子的濃度不變，所以在一定的電壓范圍內(nèi)，IR幾乎不隨反偏電壓的增加而變大，見圖。但溫度升高會使少子增加，故IR會隨溫度的上升而增長很快，這就是PN結的溫度特性。由此可見，PN結具有單向?qū)щ姷奶匦约皽囟忍匦?。當PN結反偏電壓UR超過某一數(shù)值時，反向電流IR會突然增大，出現(xiàn)反向電壓擊穿現(xiàn)象，簡稱為反向擊穿。發(fā)生反向擊穿所需的電壓稱為反向擊穿電壓UB。PN結的反向擊穿特性曲線如圖所示。4.PN結的擊穿特性反向擊穿特性曲線

反向擊穿現(xiàn)象有兩種類型：

(1)雪崩擊穿。當反向電壓太高時，載流子在阻擋層中將受到強烈的電場加速作用，獲得足夠的能量去碰撞原子，產(chǎn)生新的電子—空穴對。被撞出的載流子獲得能量后又可能再去碰撞別的原子，如此連鎖反應造成了載流子的劇增。這種擊穿多發(fā)生在摻雜濃度不大的PN結。雪崩擊穿電壓一般高于6V。(2)齊納擊穿。當反向電壓足夠大時，阻擋層中的強電場會將電子從共價鍵中強行拉出，產(chǎn)生電子—空穴對，使載流子劇增(其效果與溫度升高相仿)。這種擊穿多發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結。齊納擊穿電壓一般低于6V。

PN結被擊穿后，PN結上的壓降高，電流大，功率大。當PN結上的功耗使PN結發(fā)熱，并超過它的耗散功率時，PN結將發(fā)生熱擊穿。這時PN結的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終將導致PN結燒毀。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆2半導體二極管1.2.1半導體二極管的結構與分類半導體二極管又稱晶體二極管，簡稱為二極管。它是由一個PN結加上相應的電極引線和管殼做成的。從P區(qū)引出的電極稱為陽極(正極)，從N區(qū)引出的電極稱為陰極(負極)。PN結的幾大基本屬性，也就是二極管的基本屬性。二極管的符號如圖所示，用字母VD表示。

半導體二極管的結構及符號(a)點接觸型；(b)面接觸型；(C)符號1.2.2二極管的伏安特性曲線二極管的電壓—電流關系曲線稱伏安特性曲線。此特性曲線就是PN結的正向、反向及反向擊穿特性曲線。圖(a)和(b)分別是Si和Ge二極管的特性曲線。在室溫下，Si管、Ge管的死區(qū)電壓UT、正向?qū)妷篣D及反向飽和電流IS的數(shù)值如表所示。

二極管的伏安特性曲線

(a)Si管；(b)Ge管其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）正向：反向：近似PN結方程表5.1Si和Ge二極管的UT、UD及IS值二極管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)

1)最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。當二極管電流I＞IF時，PN結會因為太熱而燒壞。

2)最高反向工作電壓URM

最高反向工作電壓URM通常取二極管反向擊穿電壓UB的一半。3)反向電流IR

反向電流IR即為反向飽和電流IS。其值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩７聪螂娏魇軠囟鹊挠绊?，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。

4)直流電阻RD

直流電阻RD是指二極管兩端的直流電壓與流過的直流電流之比。即(5―1)

二極管的電阻(a)直流電阻RD；(b)微變電阻rD2.交流參數(shù)

1)微變(變流)電阻rD

二極管工作在小信號時需要用到微變電阻rD。rD的定義是：二極管特性曲線上工作點Q附近的電壓變化量ΔU與相應的電流變化量ΔI之比。即(5―2)rD實際上就是特性曲線上Q點處斜率的倒數(shù)。在室溫(25℃)下，(5―3)iDuDIDUDQiDuD2)最高工作頻率fM

這主要取決于PN結的結電容。若工作頻率f＞fM，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆儔摹?/p>

為便于讀者了解半導體器件的命名方法，將我國的命名有關規(guī)定介紹如下：

表國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：二極管符號：D代表P型Ge二極管應用舉例二極管的應用范圍很廣，利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可組成整流、檢波、鉗位、限幅、開關等電路。利用二極管的其它特性，可使其應用在穩(wěn)壓、變?nèi)?、溫度補償?shù)确矫?。整流、鉗位、開關電路將在后面有關章節(jié)中提到，現(xiàn)簡單介紹一下限幅電路。限幅器又稱削波器，主要是限制輸出電壓的幅度。為討論方便起見，假設二極管VD為理想二極管，即正偏導通時，忽略VD的正向壓降，近似認為VD短路；反偏截止時，近似認為VD開路。

例1電路及輸入電壓UI的波形如圖所示。畫出輸出電壓Uo的波形如圖(b)所示。二極管單向限幅電路

(a)電路；(b)波形

解：當ui＞+5V時，uo=+5V(VD正偏短路)；當ui

≤+5V時，uo=Ui

(VD反偏開路)。故可畫出輸出uo的波形，如圖5.17(b)所示。

解：①當ui＞+10V時：VD1正偏短路，VD2反偏開路，uo=+10V。②當ui

＜-10V時：VD1反偏開路，VD2正偏短路，uo=-10V。③當-10V＜UI≤+10V時：

VD1、VD2均反偏開路，uo=ui。

uo波形如圖5.18(b)所示。例2電路及輸入電壓Ui的波形如圖所示，畫出輸出電壓uo的波形。圖5.18二極管雙向限幅電路

(a)電路；(b)波形穩(wěn)壓管

1.穩(wěn)壓管通常，我們不希望二極管工作在反向擊穿區(qū)，因為一旦PN結反向擊穿，反向電流IR會猛增，使IR·UR＞PM，引起熱擊穿，燒毀二極管。但是，利用PN結的反向擊穿現(xiàn)象，卻可以起到穩(wěn)定電壓的作用，即通過管子的電流在很大的范圍內(nèi)變化，而管子兩端的電壓卻變化很小。那么如何將“擊穿”轉(zhuǎn)化為“穩(wěn)壓”呢?其依據(jù)的條件是：

(1)工藝上通過控制半導體內(nèi)所摻雜的成份。

(2)外電路中所串聯(lián)的限流電阻。

穩(wěn)壓管符號及特性曲線

(a)符號；(b)伏安特性曲線陽極

因為這種二極管具有穩(wěn)定電壓的作用，所以要與用于整流、檢波等用途的普通二極管區(qū)別開，稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管用字母VDZ表示，它的符號如圖(a)所示。圖(b)是它的伏安特性曲線，由圖(b)可知，穩(wěn)壓管在反向擊穿時的曲線比較陡直。

值得指出的是：穩(wěn)壓管必須工作在反向偏置(利用正向穩(wěn)壓的除外)，即陰極接電源正極，陽極接電源負極，如圖(a)所示。如果極性接錯，二極管就處于正向偏置狀態(tài)，穩(wěn)壓效果就差了。另外，穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，一般不能并聯(lián)使用，因為并聯(lián)有時會因電流分配不勻而引起管子過載損壞。2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

1)穩(wěn)定電壓UZ

UZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。由于制造工藝不易控制，即使同一型號的管子，UZ的值也會稍有不同。

2)穩(wěn)定電流IZ和最大穩(wěn)定電流IZMIZ的穩(wěn)壓管正常工作時的反向電流，這是一個參考值。IZM是穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。當穩(wěn)壓管工作電流I＜IZ時，沒有穩(wěn)壓效果；正常工作時，

IZ＜I＜IZM。3)動態(tài)電阻rZ

rZ相當于二極管的微變等效電阻，因此(5―4)rZ越小(ΔIZ越大)，穩(wěn)壓性能越好。補充：二極管與門和或門電路

1.電路2.工作原理A、B為輸入信號（+3V或0V）Y為輸出信號VCC＝+10V電路輸入與輸出電壓的關系ABＹ0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V一、二極管與門用邏輯1表示高電平（此例為≥+3V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.邏輯賦值并規(guī)定高低電平4.真值表ABY000010100111

二極管與門的真值表A、B全1，Y才為1。可見實現(xiàn)了與邏輯5.邏輯符號6.工作波形(又一種表示邏輯功能的方法）7.邏輯表達式Y＝AB二極管與門（a）電路（b）邏輯符號（c）工作波形1.電路2.工作原理電路輸入與輸出電壓的關系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B為輸入信號（+3V或0V）F為輸出信號二、二極管或門4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可見實現(xiàn)了或邏輯3.邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1表示高電平（此例為≥+2.3V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0V）ABF000011101111A、B有1，F(xiàn)就1。二極管或門的真值表二極管或門（a）電路（b）邏輯符號（c）工作波形5.邏輯符號6.工作波形7.邏輯表達式F＝A+B3半導體三極管

半導體三極管又稱雙極型晶體管，簡稱BJT。BJT的種類很多，按頻率分，有高頻管、低頻管；按功率分，有大、中、小功率管；按半導體材料分，有SI管、Ge管；按結構分，有NPN型和PNP型等。目前生產(chǎn)的Si管多數(shù)為NPN型，Ge管多數(shù)為PNP型。常見的幾種BJT的外形如圖所示。幾種BJT的外形1.結構簡介不管是NPN型還是PNP型管子，它們的基本原理都相同，都有三個電極(發(fā)射極e、基極b、集電極C)和兩個PN結(發(fā)射結(e結)、集電結(C結))。3.1BJT的放大原理和電流關系

雙極型半導體三極管的結構示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。e-b間的PN結稱為發(fā)射結(Je)c-b間的PN結稱為集電結(Jc)

中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示（Base）；

一側稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；

另一側稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。雙極型三極管的符號中，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。

從外表上看兩個N區(qū),(或兩個P區(qū))是對稱的，實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電區(qū)面積大。基區(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。

因為放大器一般是四端網(wǎng)絡，而BJT只有三個電極，所以組成放大電路時，勢必要有一個電極作為輸入與輸出信號的公共端。根據(jù)所選擇的公共端電極的不同，BJT有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種不同的連接方式(指對交流信號而言)，如圖所示。2.BJT的三種連接方式BJT的三種連接方式(a)共基極電路；(b)共發(fā)射極電路；(C)共集電極電路3.放大原理和電流關系

雙極型半導體三極管在工作時一定要加上適當?shù)闹绷髌秒妷骸?/p>

若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結加正向電壓，集電結加反向電壓，如圖所示。

現(xiàn)以

NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關系。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo在發(fā)射結正偏，集電結反偏條件下主流電流運動示意圖詳細分析三極管中載流子的運動：(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子：在VBB作用下，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子形成IEN，基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散形成IEP。IEN>>IEP方向相同VBBVCC(2)電子在基區(qū)復合和擴散由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結擴散，擴散過程中少部分電子與基區(qū)空穴復合形成電流IBN。由于基區(qū)薄且濃度低，所以IBN較小。(3)集電結收集電子由于集電結反偏，所以基區(qū)中擴散到集電結邊緣的電子在電場作用下漂移過集電結，到達集電區(qū)，形成電流ICN。VBBVCC(4)集電極的反向電流集電結收集到的電子包括兩部分： 發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子——ICN

基區(qū)的少數(shù)載流子——ICBOVBBVCC

IE=IEN+IEP

且有IEN>>IEP

IEN=ICN+IBN

且有IEN>>IBN

，ICN>>IBN

IC=ICN+ICBO

IB=IEP+IBN－ICBOIE=IC+IBVBBVCC

晶體管一旦制成，從e區(qū)發(fā)射的電子到達C區(qū)的比例也就定了，此比例稱為電流放大系數(shù)。通常將IC與IB的比值定義為共射直流電流放大系數(shù)，將變化量ΔIC與ΔIB的比值定義為共射交流電流放大系數(shù)β。即一般情況下，≈β，故可得：IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB一般情況下，，則同理，把IC與IE的比值定義為共基極直流電流放大系數(shù)；把變量ΔIC與ΔIB的比值定義為共基極交流電流放大系數(shù)α。即的值小于1,但接近1，一般為0.98~0.999。??

由于α與β是同一管子不同電極間的關系，二者之間必存在一定的轉(zhuǎn)換關系：所以

因為e結加正向電壓，所以由PN結的正向特性可知，BJT的b、e極之間只要有較小的變化量ΔUBE，就可產(chǎn)生較大的ΔIB，通過BJT的電流放大，又可引起更大的ΔIC，而ΔIC流過集電極負載電阻Rc后，在其兩端產(chǎn)生的電壓ΔUCE，將會比ΔUBE大很多倍，這樣，BJT的電流放大就被轉(zhuǎn)換為電壓放大的形式了。表示即輸入回路輸出回路(1)無交流信號

UBB接輸入回路,使發(fā)射結正偏

UCC接輸出回路,使集電結反偏在這種偏置下產(chǎn)生IE、IC、IB.IC=βIB,這是對直流電流的放大作用.三極管的電流放大作用UBBUCCRCRBIC=βIBIE=IC+IBIB

如圖所示稱為三極管的共發(fā)射極放大電路。因為這個電路中包含由三極管的基極b與發(fā)射極e構成的輸入回路和由集電極c與發(fā)射極e構成的輸出回路，三極管的發(fā)射極作為輸入和輸出回路的公共端，所以稱為共發(fā)射極放大電路。三極管的共發(fā)射極放大電路(2)加入交流信號后A.ΔIc是ΔIB的β倍,三極管對ΔIB有放大作用,β越大,控制能力越強,所以三極管是一個有電流放大的電流控制元件.B.ΔIc在RC上產(chǎn)生的輸出電壓ΔUo,而ΔUo比ΔUi大約大幾十倍,可以得到電壓放大三極管的電流放大作用UBBUCCRCRB

例.在圖示的電路中，如果ΔUBE=15mV,ΔIB=20μA,β=50，Rc=1kΩ，求ΔIC和Au。解：BJT各電極電壓與電流之間的關系曲線，稱為伏安特性曲線。它是BJT內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。由于三極管有三個電極，所以它的伏安特性就不像二極管那樣簡單。工程上最常用的是BJT的輸入和輸出特性曲線。圖為NPN型管共發(fā)射極電路的測試電路。BJT的特性曲線BJT的共發(fā)射極特性曲線測試電路

若以輸出電壓uCE為參變量，則輸入電壓UBE和輸入電流iB的函數(shù)式可表示為常數(shù)

測試時，在圖的電路中，先固定uCE為某一常數(shù)，例如，令uCE=0V，測得一組uBE與iB的數(shù)據(jù)，畫出一條曲線；再固定uCE為另一常數(shù)，又測得一組uBE與iB的數(shù)據(jù)，畫出另一條曲線,……如圖所示。1.共發(fā)射極輸入特性輸入回路輸出回路(1)當UCE=常數(shù)

時，UBE

和iB之間的關系曲線，用函數(shù)關系式表示為:(1)UBE

和iB之間的關系曲線(2)用UCE=1V的輸入特性曲線來代表UCE＞1V所有輸入特性曲線(3)輸入特性的死區(qū)電壓：硅管約為0.5V；鍺管約為0.2V。

200.40.60.81006080400.2UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。輸入回路輸出回路(1)UCE=0時：b、e間加正向電壓，JC和JE都正偏，JC沒有吸引電子的能力。所以其特性相當于兩個二極管并聯(lián)PN結的特性。

UCE=0V：兩個PN結并聯(lián)(2)UCE>1V時，b、e間加正向電壓，這時JE正偏，JC反偏。發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的載流子絕大部分被JC收集，只有小部分與基區(qū)多子形成電流IB。所以在相同的UBE下，IB要比UCE=0V時小。

UCE>1V：IB比UCE=0V時小(3)UCE介于0~1V之間時，JC反偏不夠，吸引電子的能力不夠強。隨著UCE的增加，吸引電子的能力逐漸增強，iB逐漸減小，曲線向右移動。

0<UCE<1V:UCEIB

右移是由于此時集電結處于反向偏置,發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子大部分擴散到集電區(qū),基區(qū)復合減少,因而相同的UBE條件下IB將降低;UCE繼續(xù)增大時,曲線應該繼續(xù)右移。但UCE大到一定值后,UBE不變,集電結的反向電壓已將注入到基區(qū)的電子基本上收集到集電極,再增加UCE,IB基本不變,故曲線重合。為什么曲線右移？

若以輸入電流iB為參變量，則輸出電壓uCE和輸出電流iC的函數(shù)式可表示為常數(shù)2.共發(fā)射極輸出特性(1)是研究當iB=常數(shù)

時，UCE和iC之間的關系曲線，用函數(shù)表示為:輸入回路輸出回路(2)輸出特性曲線,當UCE較小時起始部份很陡，當UCE略有增加，iC增加很快，當UCE＞1V

以后，再增加UCE、iC增加不明顯。(3)如改變IB則得到另一條輸出特性曲線。輸入回路輸出回路（a）輸入特性曲線;（b）輸出特性曲線3、把輸出特性曲線劃分成三個區(qū)510152012340飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)(3)飽和區(qū)區(qū)域：uCE

＜0.7v

以左部分條件：發(fā)射結正偏，集電結正偏。uBE>0,uBC>0

特點：失去放大能力，即iC＝βiB不成立,即iB不能控制iC

的變化。(1)截止區(qū)：區(qū)域：iB≤0

輸出特性曲線以下的區(qū)域為截止區(qū)條件：發(fā)射結、集電結均反偏uBE<0,uBC<0

。特點：iB=0時，iC

≈iE=ICEO=0，三極管CE間為開路。(2)放大區(qū)區(qū)域：iB＝0以上多條的輸出特性曲線。條件：發(fā)射結正偏，uBE>0,集電結反偏，uBC<0

特點：(A)有放大特性：iC＝βiB(B)有恒流特性：iC與uCE無關。ICEO輸入回路輸出回路2、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321（1）截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個結反偏截止區(qū)ICEOiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321（2）飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結正偏特點：IC

IB臨界飽和時：

uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICEOiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321（3）放大區(qū)：放大區(qū)截止區(qū)條件：

發(fā)射結正偏集電結反偏特點：

水平、等間隔ICEO補充：判斷三極管工作狀態(tài)的三種方法。發(fā)射結集電極截止放大飽和反偏或零偏正偏正偏反偏反偏正偏或零偏1)三極管結偏置的判定方法結偏置工作狀態(tài)2)三極管電流關系判定法IBICIE截止放大飽和0>0IB>IBS(臨界飽和基極電流)0IB<IB0IB+IC=(1+)IE<(1+)IE各極電流電流關系工作狀態(tài)3)三極管電位判定法VBVC截止放大飽和<Uon(=0.5)0.70.7VCCVCES<VC<VCCVCES各位電位工作狀態(tài)共射電路三極管各極電位(對”地”而言)VB和VC和三極管的工作狀態(tài)(以NPN管為例)即:VC>VB>VENPN管

VC<VB<VEPNP管注:

多數(shù)NPN管由Si材料制成,PN結的導通壓降一般為0.6-0.7;多數(shù)PNP管由Ge材料制成,PN結的導通壓降一般為0.2-0.3;VCES：飽和壓降,,對硅管而言,臨界飽和時為0.7,,深度飽和時為0.3例：測得量三極管三個電極對地電位如下圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和3.飽和區(qū)

E結、C結均為正偏，UCE=UCES很小。UCE的減小使C結收集電子的能力減弱，也即e區(qū)發(fā)射有余，而C極收集不足，以致IC幾乎不再隨IB的增大而增大，BJT失去放大作用。因為UCES最小只能接近于零，所以由可求出集電極飽和電流為①當IB固定時,UCE從零逐漸增加,IC就急劇上升,說明UCE對IC有強烈的控制作用。②當UCE固定時,IB增大,IC增加不多,出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象。繼續(xù)增大IB,IC幾乎不變,不同IB的輸出特性重合在一起,IB對IC失去了控制作用,這時β值很小,甚至為零。飽和區(qū)輸出特性有以下特點:

基極臨界飽和電流為

當基極注入電流IB超過其臨界值時，晶體管呈飽和狀態(tài)。故判斷管子飽和狀態(tài)的方法為：若BJT的幾種工作狀態(tài)BJT的主要參數(shù)

1.電流放大系數(shù)1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)這是指靜態(tài)(無輸入信號)時的電流放大系數(shù)，其定義為Ｐ143圖5.282)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β

這是指動態(tài)(有輸入信號)時的電流放大系數(shù)，其定義為

在有的手冊中，β用hfe表示。同樣，β也與三極管的工作點Q有關。在圖5.28中，過Q點作橫軸的垂線，當IB從40μA變到60μA時，相應的IC從1.6mA變到2.35mA，可求得

2.極間反向電流

1)C、B極間反向飽和電流ICBO

這是指E極開路，C、B間加上一定的反向電壓時的反向電流(如同PN結的反向電流)。其測試電路如圖5.29(a)所示。

三極管極間反向電流的測量(a)測量ICBO的電路；(b)測量ICEO的電路ICBO越小，晶體管的質(zhì)量越好。在室溫下，小功率硅管的ICBO＜1μA，Ge管的ICBO約為幾微安到幾十微安。因為ICBO是由少子形成的，所以，溫度升高會引起ICBO升高。

2)C、E極間反向穿透電流ICEO

這是指b極開路，C、E間加上一定的反向電壓時的C極電流。其測試電路如圖5.29(b)所示。由于這個電流是從C區(qū)直接穿過b區(qū)到達e區(qū)的，所以，又稱穿透電流。由下面的分析可知，ICEO不是單純的PN結的反向電流。

當C、E間加上電壓+UCC后，必然使UC＞Ub＞Ue，所以，e結正偏，C結反偏，C區(qū)的少子——空穴就會漂移到b區(qū)。另外，e區(qū)的多子——電子擴散到b區(qū)后，除少部分與空穴復合，大部分到達C區(qū)，被C極收集。根據(jù)BJT的電流分配規(guī)律：

IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB

可知：

ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO

當IB=0,即基極開路時,發(fā)射結正向運用,集電結反向運用,發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入非平衡載流子,集電結兩邊有少子漂移,存在ICBO。集電區(qū)的少子空穴漂移到基區(qū)后，因基極開路只能與發(fā)射區(qū)注入的電子相復合,即發(fā)射區(qū)要向基區(qū)提供復合電流ICBO,根據(jù)電流分配關系,發(fā)射區(qū)就得同時向集電區(qū)提供βICBO電流,即發(fā)射區(qū)要向基區(qū)注入(1+β)ICBO電流。這時IC=IE=(1+β)ICBO。3.極限參數(shù)

1)集電極最大允許電流ICM

當iC超過一定值時，BJT的參數(shù)會發(fā)生變化，特別是β將下降。ICM是指BJT的參數(shù)變化不超過允許值時，C極允許的最大電流。使用時，若iC＞ICM，管子不僅性能會下降，甚至可能會燒壞。

2)集電極最大允許耗散功率PCM

這是指C結上允許耗散的最大功率，表示如下：(5―18)2、三極管的主要極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時C、B極間反向擊穿電