第一章半導(dǎo)體器件與模型

第一章半導(dǎo)體器件與模型第1頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.1.1本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體具有某些特殊性質(zhì)：光敏熱敏、摻雜特性導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第2頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與模型GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用得最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。＋4除去價電子后的原子價電子第3頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4第4頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月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。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)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第5頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理可將空穴看成帶正電荷的載流子本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失，稱為復(fù)合。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。+4+4+4+4自由電子空穴溫度增加將使價電子獲得能量，掙脫共價鍵束縛成為自由電子，同時在原位留下空穴。本征激發(fā)（熱激發(fā)）第6頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3、本征半導(dǎo)體中載流子濃度溫度一定時，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合將達(dá)到動態(tài)平衡，此時載流子濃度為一熱平衡值，溫度升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)目將增加，但同時復(fù)合作用也增加，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合將在新的更大濃度值的基礎(chǔ)上達(dá)到動態(tài)平衡。本征激發(fā)中有第7頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)碚摲治龊蛯嶒炞C明，有本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，可通過摻雜來進(jìn)行改善溫度越高，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)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。第8頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運動會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。

小結(jié)3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni

=pi

。第9頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子（多子），主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子（少子），由熱激發(fā)形成空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體(或空穴型半導(dǎo)體)

+4+4+4+3第10頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，五價雜質(zhì)原子被稱為施主雜質(zhì)N型半導(dǎo)體+5+4+4+4第11頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體說明：第12頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3半導(dǎo)體中的電流1、漂移電流外加電場時，載流子在電場力的作用下形成定向運動，稱為漂移運動，并由此產(chǎn)生電流，稱為漂移電流。漂移電流為兩種載流子漂移電流之和，方向與外電場一致。2、擴(kuò)散電流當(dāng)半導(dǎo)體有光照或者載流子注入時，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)載流子的濃度差，載流子將由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動，這種定向運動稱為擴(kuò)散運動，由此形成的電流稱為擴(kuò)散電流。第13頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2PN結(jié)1.2.1PN結(jié)的形成將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個特殊的薄層→PN結(jié)。第14頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)電場多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場阻止少子漂移促使擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)電位耗盡層阻擋層勢壘區(qū)第15頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2PN結(jié)的導(dǎo)電特性1、正向特性PN結(jié)外加直流電壓VF：P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負(fù)電位）內(nèi)電場外電場變?。?+++PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的擴(kuò)散電流。→正偏→正向電流正偏時，PN結(jié)呈現(xiàn)為一個小電阻。第16頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、反向特性＊硅PN結(jié)的Is為pA級＊溫度T增加→Is增大內(nèi)電場外電場PN結(jié)反偏：P區(qū)接低電位（負(fù)電位），N區(qū)接高電位（正電位）。NP+－+變厚_－－－+++－+－－－+++內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小電流反偏時，PN結(jié)呈現(xiàn)為一個大電阻。→反偏→反向電流第17頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論

PN結(jié)正向偏置空間電荷區(qū)變窄正向電阻很?。ɡ硐霑r為0）正向電流較大PN結(jié)導(dǎo)通

PN結(jié)反向偏置空間電荷區(qū)變寬想時為∞）反向電流（反向飽和電流）極?。ɡ硐霑r為0）PN結(jié)截止反向電阻很大（理單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置時導(dǎo)通，反向偏置時截止第18頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月正偏反偏3、PN結(jié)的正向伏安特性PN結(jié)所加端電壓vD與流過它的電流I的關(guān)系為：一般而言，要產(chǎn)生正向電流時，外加電壓遠(yuǎn)大于VT，正向電流遠(yuǎn)大于Is，則可得Is非常小，常忽略不計。門坎電壓Vth第19頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3PN結(jié)的擊穿特性

二極管處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。擊穿時對應(yīng)的反向電壓稱為擊穿電壓，計為V(BR)。擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。第20頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩擊穿：如果摻雜濃度較低，PN結(jié)較厚實，當(dāng)反向電壓增高時，空間電荷區(qū)增厚，內(nèi)電場加強(qiáng)，有利于少子的漂移運動，使少子在其中獲得加速，從而把電子從共價鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)，載流子急劇增加，反向電流猛增，形成雪崩擊穿。由于PN結(jié)較厚，對電場強(qiáng)度要求高，所需反向電壓大。第21頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月齊納擊穿：

高摻雜情況下，阻擋層很窄，宜于形成強(qiáng)電場，而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電子－空穴對，致使電流急劇增加。擊穿現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們在使用時要避免。*擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞?？衫脫舸┨匦灾瞥煞€(wěn)壓二極管。第22頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)舸╇妷旱臏囟忍匦裕糊R納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)擊穿電壓低于6V的擊穿屬于齊納擊穿擊穿電壓高于6V的擊穿屬于雪崩擊穿雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)第23頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的溫度特性T↑→在電流不變情況下管壓降Vth↓→反向飽和電流IS↑，V(BR)↓硅PN結(jié)穩(wěn)定性較鍺結(jié)好溫度每升高1度，反相飽和電流增加1倍–50i/mAu/V0.20.4–2551015–0.01–0.020

→正向特性左移，反向特性下移第24頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4PN結(jié)的電容特性1、勢壘電容CT：PN結(jié)上的反偏電壓變化時，空間電荷區(qū)相應(yīng)變化，結(jié)區(qū)中的正負(fù)離子數(shù)量也發(fā)生改變，即存在電荷的增減，這相當(dāng)于電容的充放電，PN結(jié)顯出電容效應(yīng)，稱為勢壘電容。PN結(jié)的總電容：2、擴(kuò)散電容CD：正偏時，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動加強(qiáng)，多子從一個區(qū)進(jìn)入另一區(qū)后繼續(xù)擴(kuò)散，一部分復(fù)合掉了，這樣形成一定濃度分布，結(jié)的靠P區(qū)一側(cè)集結(jié)了電子，另一側(cè)集結(jié)了空穴，即形成了電荷的積累，這種效應(yīng)用擴(kuò)散電容表示。利用PN結(jié)的電容特性，可以構(gòu)成變?nèi)荻O管低頻使用時，可忽略結(jié)電容的影響。第25頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.5二極管的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)1、二極管的結(jié)構(gòu)平面型二極管：用于集成電路中。面接觸型二極管：PN結(jié)面積大，允許通過較高較大電流，但結(jié)電容大，適于低頻工作。點接觸型二極管：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，工作頻率高，但不能承受較高反向電壓和較大電流。引線外殼線觸絲線基片PN結(jié)PN符號A陽極K陰極第26頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、二極管的V－I特性VI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓VBR第27頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月

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、二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IFM2）最高反向電壓VRM3）反向電流IR4）最高工作頻率fM

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?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半

二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶?。溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流小于鍺管前三項是二極管的直流參數(shù)，主要利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑧?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等第28頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3二極管的等效模型及分析方法1、指數(shù)模型2、理想二極管開關(guān)模型適應(yīng)于電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的管壓降時特性模型電路模型第29頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3、二極管恒壓降模型電源電壓不是很大，可與二極管的導(dǎo)通壓降比擬時，應(yīng)考慮二極管的管壓降硅二極管管壓降常取為0.7V，鍺管壓降取0.2V。恒壓降模型特性模型第30頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月4、折線模型當(dāng)二極管導(dǎo)通時，端電壓很小的變化將引起電流的很大變化，在一些應(yīng)用場合，不能忽略這個變化。折線電路模型特性模型第31頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管特性曲線在Q點的斜率為當(dāng)二極管工作在Q點附近時，折線與曲線正切于該點，由切線的斜率可求得等效電壓第32頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月5、小信號模型當(dāng)外加信號工作在特性曲線的某一小范圍內(nèi)時，二極管的電流將與外加電壓的變化成線性關(guān)系，可用小信號模型來進(jìn)行等效。小信號模型高頻小信號模型特性模型靜態(tài)電壓靜態(tài)電流未加交流信號時的靜態(tài)工作點管子的體電阻第33頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.3.2二極管電路的分析方法1、圖解法靜態(tài)工作點的圖解線性電路方程二極管電流方程據(jù)電路原理，兩者端電壓和電流相等。兩線交點Q為靜態(tài)工作點，對應(yīng)的IQ為靜態(tài)電流，VQ為靜態(tài)電壓。直流負(fù)載線2、工程近似分析方法3、小信號分析方法第34頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月交流信號的圖解線性電路方程第35頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、工程近似法1）整流電路第36頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2）限幅電路限幅電路常來選擇預(yù)置電平范圍內(nèi)的信號。作用是把輸出信號幅度限定在一定的范圍內(nèi)，亦即當(dāng)輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平（稱作限幅電平），且再不隨輸入電壓變化。若二極管具有理想的開關(guān)特性，那么，當(dāng)vｉ低于E時，D截止，vo＝E；當(dāng)vｉ高于E以后，D導(dǎo)通，vo＝vｉ。串聯(lián)下限幅電路限幅特性思考：將二極管極性反轉(zhuǎn)，將得到什么效果？第37頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3）開關(guān)電路例:電路如圖，求：VAB忽略二極管正向壓降，二極管D2可看作短路D１6V12V3k

BAD2VAB+–取B點作參考點，V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰，由于V2陽電壓高，因此D2優(yōu)先導(dǎo)通VAB=0V，D1截止第38頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月4）低電壓穩(wěn)壓電路當(dāng)電路工作時，若電源出現(xiàn)波動或者負(fù)載發(fā)生改變，將引起輸出電壓的變化，為穩(wěn)定輸出電壓，可采用二極管穩(wěn)壓電路。戴維南等效電路

rd的引入，使VI的變化對電流變化的影響減小所以輸出電壓穩(wěn)定第39頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3、小信號等效分析法小信號等效電路二極管電路如圖，求輸出電壓。其中輸入交流信號較小時，可將二極管視為線性元件，用引線電阻和體電阻串聯(lián)來等效。第40頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3特殊二極管1、穩(wěn)壓二極管(a)符號(b)2CW17伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓DZ反向擊穿電壓即穩(wěn)壓值第41頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓VZ(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)的反向工作電壓rZ=

VZ/

IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最穩(wěn)定工作電流IZmax和最大小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)溫度系數(shù)——

VZ第42頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單穩(wěn)壓電路問題：1）不加R可以嗎？2）上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎樣的？（1）設(shè)電源電壓波動(負(fù)載不變)VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑↓VO↓←VR↑←IR↑（2）設(shè)負(fù)載變化(電源不變)略第43頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、變?nèi)荻O管4、PIN二極管5、光電二極管發(fā)光二極管光敏二極管光電耦合器件3、肖特基二極管第44頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4半導(dǎo)體三極管1、三極管的分類按照材料分：硅管、鍺管等按照頻率分：高頻管、低頻管按照功率分：小、中、大功率管按照結(jié)構(gòu)分：NPN型和PNP型(a)和(b)都是小功率管，(c)為中功率管，(d)為大功率管1.4.1三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類第45頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、基本結(jié)構(gòu)和符號beTcNPNNPN型N+發(fā)射區(qū)N集電區(qū)P基區(qū)b基極e發(fā)射極c集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)NPN+ebc第46頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月PNP型NP+Peb基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電極c發(fā)射極基極beTcPNP第47頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)特點1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，且發(fā)射結(jié)的面積較小2）集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)的面積，便于收集電子3）基區(qū)非常薄，摻雜溶度也很低三極管具有電流放大作用的內(nèi)因第48頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3、三極管（放大電路）的三種組態(tài)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；如何判斷組態(tài)？第49頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月PNP管：

VBE<0

VBC>0即VC<VB<VEcebNPN管：

VBE>0

VBC<0即VC>VB>VEceb發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置晶體管具有電流放大作用的外部條件：IEIBRBVEEICVCC輸入電路輸出電路RCbce第50頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管的工作狀態(tài)正偏正偏反偏反偏飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)小信號放大電路的工作區(qū)第51頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2三極管放大區(qū)的工作原理VEERBNPN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流IEIEEB正極拉走電子，補充被復(fù)合的空穴，形成IBIB集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICIC發(fā)射極注入載流子電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子1、三極管的載流子運動過程第52頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管的電流分配關(guān)系集電極電流發(fā)射極電流基極電流IC>>IB第53頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月整理可得：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)VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共發(fā)射極接法2、晶體管的共射電流放大系數(shù)

是共射極電流放大系數(shù)，只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

>>1（10～100）三極管的基極電流對集電極電流具有控制作用第54頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2）共基交流電流放大系數(shù)或

與

的關(guān)系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基極接法3、共基電流放大系數(shù)1）共基直流電流放大系數(shù)

為共基極電流放大系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

=0.90.99第55頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3三極管的伏安特性曲線1、共基電路特性曲線輸入特性曲線基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓的增加使曲線左移。iEiCvBE-+-+vCBVEEVCC第56頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出特性曲線截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，輸入電流對輸出電流有控制作用。共基組態(tài)交流電流傳輸系數(shù)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致曲線隨vCB增加而略微上傾截止區(qū)：飽和區(qū)：vCB<0,集電結(jié)正偏，iC隨之下降，達(dá)到飽和。第57頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、共發(fā)射極電路特性曲線輸入特性曲線vBEvCE—+-+ICIBVEEVCC兩個結(jié)正偏，iB為兩結(jié)正向電流之和。集電結(jié)由正偏轉(zhuǎn)為反偏，管子由飽和向放大狀態(tài)轉(zhuǎn)化，iB大大減小。集電極收集能力已達(dá)到最大，特性曲線變化很小。兩個結(jié)反偏，iB為兩結(jié)反向電流之和。vBE太大將反向擊穿。第58頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出特性曲線截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)：vCB>0,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，iC隨iB線性變化。共發(fā)組態(tài)交流電流傳輸系數(shù)飽和區(qū)：vCB<0,兩結(jié)正偏，iC不受iB控制，達(dá)到飽和。iC隨vCE增大而增大。VCES為飽和壓降。臨界飽和線臨界飽和線：vCB＝0為集電結(jié)處于正偏和反偏的臨界值，對應(yīng)的曲線為臨界飽和線。第59頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致曲線隨vCE增加而上傾。輸出特性曲線向左延伸交于一點，相應(yīng)的電壓VA稱為厄爾利電壓。擊穿區(qū)：vCE太大，出現(xiàn)擊穿其值與iB成正比。對應(yīng)iB＝0（iC＝ICEO）的擊穿電壓為V(BR)CEO對應(yīng)iE＝0（iB＝-ICBO）的擊穿電壓為V(BR)CBO截止區(qū)：截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)第60頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.4三極管的主要參數(shù)集電結(jié)反向飽和電流ICBO集電極穿透電流ICEOICEO=(1+β)ICBO

電流傳輸系數(shù)（放大倍數(shù)）極間反向飽和電流發(fā)射結(jié)反向飽和電流IEBO結(jié)電容發(fā)射結(jié)電容Cb’e集電結(jié)電容Cb’c電流放大系數(shù)、α、β第61頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM反向擊穿電壓V(BR)CEO

、

V(BR)CEO、V(BR)CBO集電極最大允許耗散功率PCM使用時不允許超過這些極限參數(shù).V(BR)CEOPCM=ICVCEICM安全工作區(qū)過損區(qū)iC/mAOvCE第62頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對三極管參數(shù)及特性的影響溫度T

少子濃度

IC

ICBO,

ICEO

IC=IB+(1+)ICBOIB

VBE

載流子運動加劇，發(fā)射相同數(shù)量載流子所需電壓

輸入特性曲線左移

載流子運動加劇，多子穿過基區(qū)的速度加快，復(fù)合減少

IC

IB輸出特性曲線上移輸出特性曲線族間隔加寬溫度每上升l℃，β值約增大0.5～1％溫度上升10℃，ICEO將增加一倍溫度上升1℃，VBE將下降2～2.5mV第63頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管工作狀態(tài)的判斷[例1]：測量某NPN型BJT各電極對地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)域？（1）

VC＝6VVB＝0.7VVE＝0V（2）VC＝6VVB＝4VVE＝3.6V（3）VC＝3.6VVB＝4VVE＝3.4V解：原則：正偏反偏反偏集電結(jié)正偏正偏反偏發(fā)射結(jié)飽和放大截止對NPN管而言，放大時VC＞VB＞VE對PNP管而言，放大時VC＜VB＜VE

（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)|VBE|≈0.7V發(fā)射結(jié)正向?qū)〞r第64頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月[例2]某放大電路中BJT三個電極的電流如圖所示。

IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,試判斷管腳、管型。解：電流判斷法。電流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC

IAIBICC為發(fā)射極B為基極A為集電極。管型為NPN管。管腳、管型的判斷法也可采用萬用表電阻法。參考實驗。第65頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月例[3]：測得工作在放大電路中幾個晶體管三個電極的電位U1、U2、U3分別為：（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）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）U1b、U2e、U3cNPN硅（2）U1c、U2b、U3ePNP鍺原則：先求UBE，若等于0.6-0.7V，為硅管；若等于0.2-0.3V，為鍺管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。NPN管UC＞UB＞UEPNP管UC＜UB＜UE。解：第66頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.6三極管的小信號模型vBEvCE—+-+iCiBVBEQVCC+—viRCvi＝0時對應(yīng)的偏置電流電壓值為靜態(tài)偏置值。加入vi，電路中的瞬時值為靜態(tài)值與交流瞬時值的疊加。如vi較小時，其對應(yīng)變化范圍內(nèi)的輸入輸出特性可視為直線，此時的非線性器件三極管可等效為線性器件來進(jìn)行分析。第67頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月小信號的范圍VBEQ對應(yīng)的靜態(tài)電流為時，上式可展開成冪級數(shù)第68頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月忽略二次方及以上項可得:三極管的跨導(dǎo)：此時，輸出電流瞬時值與輸入電壓瞬時值成線性關(guān)系。小信號的條件：第69頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管放大工作時，在靜態(tài)點上疊加交流小信號，三極管對交流信號具有線性傳輸特性，三極管可用線性有源網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行等效。此網(wǎng)絡(luò)具有和三極管相同的端電壓、電流關(guān)系，為三極管的小信號模型。小信號模型的獲得有兩種途徑：由物理結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型可以得到混合π型等效電路。視三極管為二端口網(wǎng)絡(luò)，利用端口電流電壓關(guān)系，得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型。第70頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1、共發(fā)射極三極管混合π型模型的引入vBEvCE—+-+iCiBVCCVBEQ+—viRC在工作點Q附近展開成泰勒級數(shù)第71頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月小信號時可忽略高階項，并利用可得為簡化表達(dá)，引入四個g參數(shù)輸出短路時的輸入電導(dǎo)輸出短路時的正向傳輸電導(dǎo)（跨導(dǎo)）輸入短路時的輸出電導(dǎo)輸入短路時的反向傳輸電導(dǎo)第72頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月相對很小，可忽略。＋－＋－ceeb線性g參數(shù)模型取第73頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮基區(qū)體電阻低頻混合π型電路模型＋－＋－ceeb＋－＋－＋－ceeb＋－低頻混合π型簡化模型＋－＋－ceeb＋－高頻混合π型電路模型三極管的結(jié)構(gòu)模型第74頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、混合π型參數(shù)與工作點電流的關(guān)系在工作點Q處對指數(shù)模型求導(dǎo)可得到相應(yīng)的g參數(shù)第75頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1）三極管的跨導(dǎo)gm：發(fā)射結(jié)正偏時Q點對應(yīng)的動態(tài)電阻跨導(dǎo)gm反映了作為控制電壓時對集電極電流的控制能力。室溫時，第76頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2）發(fā)射結(jié)的結(jié)層電阻表示指數(shù)特性工作點Q處的斜率可見發(fā)射結(jié)結(jié)電阻與工作點有關(guān)。第77頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3）集射電阻集射電阻一般在幾千歐以上，與集電極靜態(tài)電流成反比，與VA成正比，其大小反映了輸出特性曲線的傾斜程度，為基區(qū)寬度調(diào)制參數(shù)。第78頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月4）集電結(jié)的結(jié)層電阻值在100KΩ～10MΩ之間，反映了輸出電壓對輸入電流的影響，也為基區(qū)寬度調(diào)制參數(shù)。第79頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月5）基區(qū)體電阻6）極間電容和為基區(qū)體電阻和接觸電阻，低頻小功率管約為300Ω；ICQ增大，體電阻將減小，VCEQ增大，體電阻將增大。為發(fā)射結(jié)電容，小功率管為幾十至幾百pF；為集電結(jié)電容，三極管放大使用時，其值很小，只有零點幾到幾pF。第80頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3、三極管的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型1）H參數(shù)的引出＋－＋－二端口網(wǎng)絡(luò)放大器采用不同組態(tài)，其端口參量必然不同，得到的參數(shù)也會不同，下面以共射電路為例進(jìn)行分析。第81頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月小信號下，考慮電壓、電流之間的微變關(guān)系，對上面兩式取全微分可得：式中hie

hre

hfe

hoe稱為BJT的H參數(shù)由于dvBE、dvCE、diB、diC代表無限小的信號增量，也就是可以用電流、電壓的交流分量來代替。即：第82頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月H參數(shù)的含義輸出交流短路時，三極管的輸入電阻輸出交流短路時，三極管的正向電流傳輸系數(shù)（放大倍數(shù)）輸入交流開路時，三極管的反向電壓傳輸系數(shù)屬于內(nèi)反饋，10－4數(shù)量級可忽略不計輸入交流開路時，三極管的輸出電導(dǎo)第83頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2）共發(fā)組態(tài)的H參數(shù)模型簡化模型＋－＋－bcee電路模型＋－＋－bcee受控電壓源受控電流源第84頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月3、兩種參數(shù)模型的比較混合π型模型：適用頻率范圍很寬，參數(shù)有比較明確的物理意義，但引入了內(nèi)基極點，參數(shù)不容易測得。高頻分析時采用。H參數(shù)模型：模型簡單，低頻參數(shù)容易測得，適于對低頻小信號電路進(jìn)行分析。簡化模型＋－＋－bcee＋－＋－ceeb＋－低頻混合π型模型第85頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5場效應(yīng)管由于半導(dǎo)體三極管放大工作時，發(fā)射結(jié)必須正偏，使得輸入端始終存在輸入電流。改變輸入電流，則輸出電流隨之變化，故三極管為電流控制器件，其輸入電阻不高。場效應(yīng)管是通過改變輸入電壓，利用電場效應(yīng)實現(xiàn)對輸出電流的控制的，為電壓控制器件。它不吸收信號源，不消耗信號源功率，輸入電阻非常高。另外，場效應(yīng)管還具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲低、便于集成等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。第86頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管的分類FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型N溝道P溝道增強(qiáng)型(E型)耗盡型(D型)N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）控制電壓為0時，沒有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型控制電壓為0時，有導(dǎo)電溝道耗盡型第87頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.1MOS場效應(yīng)管1、增強(qiáng)型MOS管N溝道增強(qiáng)型管的電路符號P溝道增強(qiáng)型管的電路符號N溝道增強(qiáng)型MOS管第88頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道的形成及導(dǎo)電過程柵極懸空時，漏極和源極之間未形成導(dǎo)電溝道，取小電壓時，N＋N＋Psgdb襯底表面形成空間電荷區(qū)，增大時，P型襯底出現(xiàn)N型層，稱為反型層。反型層將兩個N區(qū)連接，形成N溝道。同時，連續(xù)的耗盡層將源區(qū)、漏區(qū)和溝道與襯底分隔開來?？吭鰪?qiáng)柵源電壓來形成導(dǎo)電溝道的MOS管，稱為增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管。反型層開始形成導(dǎo)電溝道的VGS稱為開啟電壓VGS（th）（或記為VT）第89頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月N＋N＋Psgdb后，加入形成漏極電流iDiD隨VGS由0到VT，再繼續(xù)增大，iD也相應(yīng)由o到大變化，反之亦然，實現(xiàn)VGS對iD的控制。第90頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月漏源電壓對溝道的影響溝道各處的VGD不同，使得溝道厚度不同增大VDS，iD將增大，但同時VGD減小，溝道變窄；當(dāng)VGD＝

VGS－

VDS=

VT，漏端溝道被夾斷且當(dāng)VDS繼續(xù)增大時，夾斷點稍微左移夾斷點到源極電壓不變，iD保持不變。iD主要受VGS的控制，在漏端夾斷前還受VDS影響。N＋N＋PsgdbiD第91頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出特性三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(飽和區(qū))、夾斷區(qū)iD/mAuDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)VGS增加特性曲線與電流方程FET的組成形式有三類：共漏、共源、共柵。－-+iDiGVDSVGS+第92頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）vDS很小時，可忽略其平方項溝道電導(dǎo)：可見，在非飽和區(qū)vGS可控制溝道等效電導(dǎo)。iD/mAvDS/VO恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)第93頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月恒流區(qū)（飽和區(qū)）漏端被夾斷后，iD基本不隨vDS變化，達(dá)到飽和在飽和區(qū)vGS對iD有很強(qiáng)的控制作用在放大電路中，場效應(yīng)管應(yīng)工作在飽和區(qū)，故飽和區(qū)又稱為場效應(yīng)管的放大區(qū)。vDS對溝道長度有調(diào)節(jié)作用，使輸出特性曲線略微上翹。λ為溝道調(diào)制因子iD/mAvDS/VO恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)第94頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月截止區(qū)溝道沒有形成，iD≈0vDS增大到一定值，iD急劇增長，管子進(jìn)入擊穿區(qū)，vDS為漏源擊穿電壓V(BR)DSvDS過大穿可能引起穿通擊穿vGS太大時，絕緣層可能在強(qiáng)電場作用下發(fā)生擊穿，造成永久性損壞，V

(BR)

GS為柵源擊穿電壓。iD/mAvDS/VO恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)第95頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月UGS<UT，iD=0；UGS

≥

UT，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UT時)UT2UTIDOuGS/ViD/mAO移特性iD/mAvDS/VO恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)第96頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、耗盡型MOS場效應(yīng)管耗盡型管的電路符號P溝道N溝道飽和漏電流Vp為夾斷電壓第97頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.2結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)1、結(jié)構(gòu)N型導(dǎo)電溝道漏極D(d)源極S(s)P+P+空間電荷區(qū)（耗盡層）柵極G(g)dgsN溝道dgsＰ溝道符號在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。第98頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月2、JFET的工作原理（以N溝道為例）

結(jié)型場效應(yīng)管用改變VGS大小來控制漏極電流ID。*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。dgsVGS對溝道具有控制作用VDS對溝道也產(chǎn)生影響第99頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月VGS對溝道的控制作用VGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬VGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)VGS=VGS（Off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷.VGS(off)為夾斷電壓,為負(fù)值。也可用VP表示第100頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月0≤vGS≤Vp時,vDS對溝道的影響vGD＝vGS－vDS

VDS

ID

GD間PN結(jié)的反向電壓增加,使靠近漏極處的耗盡層加寬,呈楔形分布。

VGD=VP時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。

VDS

夾斷區(qū)延長,但I(xiàn)D基本不變第101頁，課件共113頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)改變vGS，改變了PN結(jié)中電場，控制了iD，故稱場效應(yīng)管；結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。(1)在vGD＝vGS－vDS>vGS(off)情況下,即當(dāng)vDS<vGS-vGS(off)

對應(yīng)于不同的vGS，d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當(dāng)vDS