北京交通大学电信课件 模拟集成电路基础 半导体器件基础

nullnull第1章 绪论 第2章 半导体器件基础 第3章 双极型模拟集成电路的基本单元电路 第4章 MOS模拟集成电路的基本单元电路 第5章 负反馈放大电路 第6章 集成运算放大器的分析与应用 第7章 直流电源电路课程章节第二章 半导体器件基础问题： 1.为什么用半导体材料制作电子器件？ 2.PN结上所加的电压和电流符合欧姆定律吗？ 3.常用电子器件主要有哪些？ 4. 各种器件有何功能？ 5.晶体管和场效应管为什么可以用于放大信号？主讲:刘颖第二章 半导体器件基础第二章 半导体器件基础第二章 半导体器件基础2.1 半导体基础知识 2.2 PN结 2.3 半导体二极管（二极管） 2.4 双极型晶体管（三极管） 2.5 场效应晶体管（场效应管）2.1 半导体基础知识2.1 半导体基础知识一、半导体的特性 二、本征半导体及半导体的能带 三、杂质半导体一、半导体特性一、半导体特性导 体: 导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)绝缘体:导电率为10-22～10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体: 半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏器件 光电器件null二、本征半导体及半导体的能带本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。null锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴自由电子定向移动 形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键共价键内的电子 称为束缚电子外电场E束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流二、本征半导体及半导体的能带（续）挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子null1. 本征半导体中有两种载流子— 自由电子和空穴它们是成对出现的2. 在外电场的作用下，产生电流— 电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的 方向与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的 方向与外电场方向相同 始终在价带内运动二、本征半导体及半导体的能带（续）3. 注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。载流子概念：运载电荷的粒子。null 本征半导体的载流子的浓度电子浓度 ni : 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示单位体积内的自由电子数 空穴浓度 pi :表示单位体积内的空穴数。A0 — 与材料有关的常数 EG0 — 禁带宽度 T — 绝对温度 k — 玻尔曼常数1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi 2. 载流子的浓度与T、EG0有关 二、本征半导体及半导体的能带（续）null 载流子的产生与复合g——载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 R——载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g=R R = r nipi 其中r—复合系数，与材料有关。二、本征半导体及半导体的能带（续）null三、杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。 掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝） 等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。 掺入的五价元素如P（磷） 、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。null N型半导体+5+5在本征半导体中掺入的五价元素，如P。自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。三、杂质半导体（续）null+5+5自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子问题：与本征半导体相比，N型半导体中空穴多了？还是少了？ N型半导体null举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3 ，锗本征半导ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个砷原子。 则施主杂质浓度为： ND= 4.4×1018/cm3 （比ni大十万倍）杂质半导体小结： 尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。 载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增 。 半导体的掺杂、温度等可人为控制。null P型半导体+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如 B。自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。三、杂质半导体（续）null杂质半导体的载流子浓度N型半导体：施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度n =p+ND ≈ND（施主杂质的浓度>>p）P型半导体： NA表示受主杂质的浓度 ， n 表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度p= n+ NA ≈ NA （受主杂质的浓度>>n）三、杂质半导体（续） 说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。null结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。三、杂质半导体（续）其中：ni 表示本征材料中电子的浓度 pi 表示本征材料中空穴的浓度。n · p= ni · pi= ni2=C2.2 PN结2.2 PN结一、PN结的形成 二、PN结的接触电位差 三、PN结的伏安特性 四、 PN结的反向击穿 五、PN结电容 六、PN结的光电效应与电致发光null一、PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡耗尽层 PN结P区N区空穴自由电子负电荷正电荷null内电场阻止多子扩散 浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。 扩散运动产生扩散电流。漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流 = 漂移电流，PN结内总电流=0。PN 结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层。一、PN结的形成（续）P区N区null 内电场的建立，使PN结中产生了电位差 ，从而形成接触电位U。接触电位U决定于材料及掺杂浓度二、PN结的接触电位差硅： U=0.6～0.7 V 锗： U=0.2～0.3 Vnull三、PN结的伏安特性1. PN结加正向电压时的导电情况 原理：外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外结论： PN结正偏时，呈现低阻性。null2. PN结加反向电压时的导电情况原理：外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。内外三、PN结的伏安特性（续）结论： PN结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。null结论是：PN结具有单向导电性。小结： PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。三、PN结的伏安特性（续）问题：有必要加电阻R吗？nullPN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式式中 Is  饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k  波尔兹曼常数；q为电子的电量； T=300k（室温）时 UT= 26mv由半导体物理可推出：三、PN结的伏安特性（续）3. PN结电流方程null当加反向电压时：当加正向电压时：(U>>UT)三、PN结的伏安特性（续）结电流方程null四、PN结的反向击穿反向击穿：PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度 小的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度 大的二极管容易发生。不可逆击穿— 热击穿。PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。null五、PN结电容势垒电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。null 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。五、PN结电容（续）注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD 外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。null PN结的电致发光 如果在PN结加正偏电压E，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。六、PN结的光电效应及电致发光PNnull PN结的光电效应 PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，孔穴移向P区，在回路内容形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。IP注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。六、PN结的光电效应及电致发光null一、晶体二极管的结构类型 二、晶体二极管的伏安特性 三、晶体二极管的等效电阻 四、光电二极管 五、发光二极管 六、稳压二极管 七、变容二极管 八、二极管的典型应用2.3 晶体二极管null一、晶体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用 于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。null伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时I 随U↑，呈指数规率↑I ≈ - IsI基本不变二、晶体二极管的伏安特性null 晶体二极管的伏安特性正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Ur=0.5～0.6V; 锗：Ur=0.1～0.2V。 加反向电压时，反向电流很小 即Is硅(nA) 工作原理 数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理 ：利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子—空穴对，在外电场的作用下形成光生电流。注意：光电二极管在反压状态工作。null1.定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件。3.常用驱动电路：直流驱动电路交流驱动电路普通发光二极管 红外发光二极管 ……2.类型五、发光二极管4.工作原理：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光。注意：发光二极管在加正向电压时才发光。null六、稳压二极管 稳压二极管：是应用在反向击穿区的特殊二极管。稳压特性：在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变。正向部分与普通二极管相同。注意：稳压管工作区在反向击穿区。特性参数：1. 稳定电压VZ:反向击穿电压。2. 最大工作电流Izmax:受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻。VZnull 稳压二极管特性参数：1. 稳定电压VZ:2. 最大工作电流Izmax:3. 动态电阻，RZ很小，十几欧姆~几十欧姆。稳压管使用方法：稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻。 电阻R的作用：一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。六、稳压二极管（续）Znull七、变容二极管变容二极管：利用PN结的势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。符号：注意：变容二极管使用时应加反向电压。null半导体二极管图片null半导体二极管图片null半导体二极管图片null半导体二极管图片null半导体二极管图片null半导体二极管图片null半导体二极管型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：附 录null 应用一：整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。半波整流八、二极管的应用半波整流输出电压平均值为UDC其中：U2是u2的有效值 E2m是u2的最大值E2mnull全波整流八、二极管的典型应用（续）null桥式整流UDC≈0.9U2八、二极管的典型应用（续）u2 >0时u2 <0时null应用二： LED显示器abcdfg+5V共阳极电路共阴极电路控制端为高电平 对应二极管发光控制端为低电平 对应二极管发光enull应用三：稳压电路。 工作原理：利用稳压二极管提供稳定的直流电压。应用四：限幅电路。 工作原理：利用二极管单向导电性，限定输出信号的幅度。null应用五：钳位电路。 工作原理：当输入ui>0时，二极管瞬间导通，C快速充电， 电容两端电压uc=V1，充电结束后输出uo=0. 当输入ui<0时， 二极管截止，C充放电缓慢，输出 uo=-uc+ui=-V1-V2。钳位电路的作用：利用二极管和电容构成的钳位电路把一个双向的周期信号信号转变为单向的信号，并保持原信号波形的电路。null小 结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。  PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。 当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。 当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。 null 晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能 常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述。 即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(e U/UT-1)。 硅管：当UD>0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V 锗管：当UD>0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V  稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。  晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅等。  半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光—电、电—光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。小 结null重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。 难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动 重点难点null例题： 判断图示电路中的二极管能否导通。 解题思路：判断二极管在电路中工作状态的方法是先假设二极管断开，分别计算二极管两极的电压，然后比较阳极电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极管的导通电压，则说明二极管导通，否则截止。 如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电压为导通电压，然后在用上述方法判断其他二极管的导通状态。 null结果：则 VA< VB， 二极管为截止状态。null填空： 1.在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（ A ），少数载流子的浓度则与（ B ）有很大关系。答：A是掺杂浓度，B是温度。2. N型半导体又称为（ A）半导体，其多数载流子是（B），少数载流子是（C）。答：A是电子，B是电子，C是空穴。3. 整流二极管的主要特性是（ A ），它的两个参数是（B）。A.单向导电性 B.稳定电压VZ即反向击穿电压UBR和最大工作电流。4. 二极管导通时，在电路中表现为（A）电阻。A.小电阻 null选择填空： 1.稳压二极管通常工作在（ ）状态下，能够稳定电压。A正向导通 B反向截止 C反向击穿答：C2. PN加反向偏置时，空间电荷区（ ）。A.变宽 B.变窄，C.不变。 D.不确定答：A2.4 双极型晶体管2.4 双极型晶体管一、晶体三极管的结构及工作原理 二、三极管的伏安特性曲线 三、三极管的参数 四、温度对三极管参数的影响一、晶体三极管的结构及工作原理一、晶体三极管的结构及工作原理双极结型晶体管（Bipolor Junction Transistor BJT)BJT特点：有三个引出电极，所以双极结型晶体管BJT也称为晶体三极管或简称晶体管或三极管。三极管符号一、晶体三极管的结构及工作原理（续）一、晶体三极管的结构及工作原理（续） 三极管的结构E-B间的PN结 称为发射结(Je) C-B间的PN结 成为集电结(Jc)从结构上看主要有两种类型：NPN型PNP型发射区集电区基区发射极E基极B集电极C发射极E 基极B 集电极C发射区 基区 集电区发射结 集电结发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。null 三极管的结构（续）1. 由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个PN结。2. 发射区掺杂浓度比集电区高得多。基区掺杂低,且很薄。一、晶体三极管的结构及工作原理（续）发射极E 基极B 集电极C发射区 基区 集电区发射结 集电结null 三极管的工作原理三极管各区的作用发射区向基区提供载流子基区传送和控制载流子集电区收集载流子一、晶体三极管的结构及工作原理（续）放大作用的外部条件发射结加正向电压，即发射结正偏集电结加反向电压，即集电结反偏注意：三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才 能起放大作用。null载流子的传输过程：NPN管的工作原理发射结： 发射结正偏时，发射区向基区扩散电子形成发射极电子电流IEn ；其中少数电子在基区复合，形成了基区复合电流IBn，其余电子扩散到集电区；基区中的多子-空穴也向发射区注入，形成了空穴电流IEp。IB = IBn＋IEp－ICBOIC = ICn＋ICBOIE = IEn＋IEp集电结：发射区的大部分空穴扩散到集电区，在集电结电场的作用下，漂移到极电区形成集电极空穴电流ICn。同时集电结反偏，集电区少子-空穴、基区少子-电子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO。ICBOIEpIE = IB＋IC IEn = IBn＋ICnnull载流子的传输过程：PNP管的工作原理发射结： 发射结正偏时，发射区向基区扩散空穴形成发射极空穴电流IEp ；其中少数空穴在基区复合，形成了基区复合电流IBp，其余空穴扩散到集电区；基区中的多子-电子也向发射区注入，形成了电子电流IEn。IB = IBp＋IEn－ICBOIC = ICp＋ICBOIE = IEp＋IEn集电结：发射区的大部分空穴扩散到集电区，在集电结电场的作用下，漂移到极电区形成集电极空穴电流ICp。同时集电结反偏，集电区少子-电子、基区少子-空穴在电场的作用下形成了漂移电流ICBO。ICBOIEnIE = IB＋IC IEp = IBp＋ICpnull 三极管的三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态： 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；一、晶体三极管的结构及工作原理（续）null定义：以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，共基组态的直流放大系数定义为的数值一般在0.9 ~0.99之间。说明：从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合。null定义输出电流输入电流nullIB=0时，穿透电流若 IB>>ICBO，null共基交流电流放大系数共射交流电流放大系数共射电路的交流电压放大倍数一、晶体三极管的结构及工作原理（续）null二、三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性指管子各电极的电压与电流的关系曲线。Ib是输入电流，Ube是输入电压，加在B、E两电极之间。 IC是输出电流，Uce是输出电压，从C、E两电极取出。输入特性曲线:Ib=f(Ube) Uce=C 输出特性曲线:IC=f(Uce) Ib=C 共发射极接法三极管的特性曲线null特性曲线 三极管输入特性曲线1. Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。2. 当Uce ≥1V时,Ucb= Uce - Ube >0，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少， 特性曲线将向右稍微移动一些, IC / IB 增大。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。② 非线性区 ① 死区③ 线性区正常工作区，发射极正偏 NPN Si: Ube= 0.6~0.7V PNP Ge: Ube= 0.2~0.3VIb=f(Ube) Uce=Cnull特性曲线 三极管输出特性曲线IC=f(Uce) IB=常数饱和区: (1) IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce＜0.7V(硅管)。 特点：发射结正偏，集电结正偏 (2) 临界饱和时Uces=0.3V左右截止区：——Ib=0的曲线的下方的区域 Ib=0 Ic=ICEO NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态 特点：发射结反偏，集电结反偏。输出特性曲线可以分为三个区域:null放大区—IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。 (1) 发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管) 。 (2) Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。 (3) ≈2-2判断三极管工作状态的依据：饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集电结反偏反偏：Ube0.5V（Si)Ube0.2V（Ge)放大区:发射结正偏，集电结反偏。null三极管的四种工作状态：饱和工作状态: 发射结正偏，集电结正偏截止工作状态：发射结反偏，集电结反偏放大工作状态: 发射结正偏，集电结反偏反向工作状态：发射结反偏，集电结正偏null三、三极管的参数1. 直流参数级间反向饱和电流ICBO和ICEO集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极， O是Open的字头，代表第三个电极E开路。 Ge管：A量级 Si管：nA量级null集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流。级间反向饱和电流ICBO和ICEO2. 交流参数共基交流电流放大系数共射交流电流放大系数特征频率fT 随着频率下降为1时对应的频率。null集电极最大允许电流ICM 当集电极电流增加时， 就要下降，当  值下降到线性放大区  值的2/3时所对应的最大集电极电流。3. 极限参数 当Ic＞ICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低。集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= IcUcb 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用Uce取代Ucb， PCM≈IC Ucenull反向击穿电压UCEO,B、UEBO,B、 UCBO,BUCEO,B 表示基极B开路时，CE之间允许施加的最大反向电压。UCEO,BUEBO,B 表示集电极C开路时，EB之间允许施加的最大反向电压。UEBO,BUCBO,B 表示发射极E开路时，CB之间允许施加的最大反向电压。UCBO,B击穿电压之间的关系： UCBO,B＞UCEO,B ＞UEBO,BnullUCES,BUCER,B击穿电压之间的关系: UCBO,B ≈UCES,B > UCER,B >UCEO,B>UEBO,B反向击穿电压UCES,B、 UCER,BUCES,B 表示基极B短路(short)时，CE之间允许施加的最大反向电压。UCER,B 表示基极B加电阻时(Resistance)时，CE之间允许施加的最大反向电压。null 晶体管的安全工作区UCEO,BUCE/VPCM≈IC UCEnull四、温度对三极管参数的影响温度↑基极门限电压UBEO↓集电极反向饱和电流ICBO ↑电流放大倍数β↑null小 结晶体三极管是电流控制元件，通过控制基极电流或射极电流可以控制集电极电流。 要使三极管正常工作并有放大作用，管子的发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。 三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、，极间反向电流ICBO、ICEO，极限参数ICM、PCM和BUCEO。 由于 、、ICBO、ICEO等受温度影响较大，为了稳定，选管子时ICBO、ICEO要小， 也不要过大。 附 录*附 录国家标准对半导体三极管的命名方法如下: 3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频小功率管、K开关管 半导体三极管型号(了解）双极型三极管的参数*双极型三极管的参数 null例题： 某放大电路中双极型晶体管3个电极的电流如题2-6图所示。已测出试分析A,B,C中哪个是基级、发射极？该管的β为多大？ 解：有图分析根据晶体管放大电路的特点可知A为集电极，B为基极，C为发射极。分析： 对于BJT（or三极管），有null填空： 1.放大电路中，已知三极管三个电极的对地电位为VA=-9V，VB=-6.2V，VC=-6V，则三极管是_______三极管，A为_____极_，B为_____极，C为_______极。答：PNP，A是集电极，B是基极，C是发射极。2. 硅二极管正向导通压降约为______，锗二极管正向导通压降约为______ 。3.测量某硅管BJT各电极对地的电压值如下，说明管子工作的区域： （1）VC=6V，VB=0.7V，VE=0V 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 ： （1）放大区 （2）饱和区 (3) 截止区答：0.6～0.7V， 0.2～0.3V， 。（2）VC=3.6V，VB=4V，VE=3.3V（3）VC=6V，VB=4V，VE=3.7Vnull选择填空： 1.当温度升高时，半导体三极管的β（ ），穿透电流ICEO（ ），Vbe（ ）。A变大 B变小 C不变答：A，A，B2. 3AX22型三极管的极限参数为：V（BR）CEO=18V，ICM=100mA，PCM=125mW，试判断下列各静态工作点参数属于正常范围的是（ ）。答：BA. ICQ=34mA， VCEQ=4V， B. ICQ=10mA， VCEQ=10VC. ICQ=110mA， VCEQ=1V， D. ICQ=5mA， VCEQ=20V 2.5 场效应管及其基本放大电路 2.5 场效应管及其基本放大电路一、场效应管概述 二、MOS场效应管（MOSFET） 三、结型场效应管（JFET) 四、场效应管的主要参数及特点null一、场效应管概述根据结构场效应管的分类结型场效应管JFETMOS型场效应管场效应管（Field Effect Transistor，FET）：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。也称为单极型晶体管。结型场效应管：Junction Field Effect Transistor, JFETMOS型场效应管：Metal Oxide Semiconductor FET,MOSFET根据载流子场效应管的分类N沟道FET：电子作为载流子 P沟道FET：空穴作为载流子null一、场效应管概述(续）场效应管与晶体管的区别1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102~104； 场效应管的输入电阻高，可达109~1014。 4.其他：FET体积小、重量轻、寿命长、热稳定、更便于集成、易受静电影响。nullMOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管MOS场效应管分类二、MOS场效应管null N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属 绝缘层—氧化物 基体—半导体 因此称之为MOS管1.增强型MOS场效应管栅极G→基极B 源极S→发射极E 漏极D→集电极Cnull (1)当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0. (2)当0UGS,th时, 导电沟道逐渐加厚， 沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加。 N沟道增强型MOS场效应管工作原理----说明：开始无导电沟道，当在UGSUGS,th时才形成沟道, 这种类型的管子称为增强型MOS管。栅极G→基极B 源极S→发射极E 漏极D→集电极Cnull N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管定义：UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C 转移特性曲线 UGS,th在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UGS,th)2K为导电因子。 UGS,th称为开启电压或阈值电压。nullID≈K(UGS-UGS,th)2（1+UDS)其中： K—导电因子（mA/V2)—沟道调制长度系数n—沟道内电子的表面迁移率 COX—单位面积栅氧化层电容 W—沟道宽度 L—沟道长度 Sn—沟道长宽比 K'—本征导电因子ID≈K(UGS-UGS, th)2不考虑UDS对沟道长度的调节作用时沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：null定义：UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C 输出特性曲线输出特性曲线有三个区： （1）可变电阻区（ 或 恒阻区） （2）恒流区（或放大区） （3）击穿区 输出特性曲线null1.可变电阻区 条件：UDS0，UDS较小(UGD＞UGS.th),分析过程：增强型MOS管 当UDS为0或较小时, UGD＞UGS.th即UDS< UGS －UGS,th， UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID。 ∵UDS=UDG＋UGS = UGS －UGD ∴UGD=UGS－UDS 显然UDS减小，UGD增大。null (2) UDS>0, 使UGD≤UGS.th UDS增加，UGD减小，UGD=UGS.th时,即UDS= UGS －UGS,th ， 这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。 当UDS继续增加，UGDUGS.th时，即UDS> UGS －UGS,th，此时预夹断区域加长，伸向S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。UGD=UGS－UDSnull问题： UDS电压反接是否能正常工作？null增强型MOS管 MOS管衬底的处理 保证两个PN结反偏。NMOS管—UBS加一负压PMOS管—UBS加一正压处理方法：null N沟道耗尽型MOS场效应管结构2.耗尽型MOS场效应管+ + + + + + +                 耗尽型MOS管存在 原始导电沟道null耗尽型MOS管 当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。 当UGS＞0时，将使ID进一步增加。 当UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压,用Uth,off表示。 N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理                 转移特性曲线null耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线沟道较短时，或考虑漏源之间的电压时，有ID≈K(UGS-UGS,off)2（1+UDS)转移特性曲线当UGS>UGS,off，且未击穿时，null输出特性曲线比较：N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0。 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>0。耗尽型MOS管null各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结绝缘栅场效应管N 沟 道 增 强 型P 沟 道 增 强 型null绝缘栅场效应管 N 沟 道 耗 尽 型P 沟 道 耗 尽 型各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结（续）null 结型场效应管（JFET)结构 结型场效应管（JFET)分类可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。GSDN沟道结型场效应管导电沟道三、结型场效应管null结型场效应管 结型场效应管（JFET)的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。SN沟道结型场效应管null(1) 当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。 (2)当UGS＜0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，耗尽层在漏极附近相遇，称为预夹断。 预夹断UGS=UGS,off 夹断状态 ID=0栅源电压对沟道的控制作用:（3）当UGS继续向负方向增加，耗尽层在源极附近相遇称为全夹断，此时ID为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS,off。UGSnull结型场效应管 结型场效应管（JFET)的特性曲线 与MOS管的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅源电压可正可负，而结型场效应三极管的栅源电压只能是为负。UGS,off转移特性曲线输出特性曲线可变 电阻 区null结型场效应管 N 沟 道 耗 尽 型P 沟 道 耗 尽 型null四、效应管的主要参数及特点直流参数2. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型MOSFET、JFET，当UGS=0时所对应的漏极电流。1.阈值电压（or称为开启电压、夹断电压) 漏源电压UDS恒定时，使ID=0时的电压。 增强型MOSFET阈值电压用UGS,th表示，也成为开启电压； 耗尽型MOSFET和JFET阈值电压用UGS,off表示，也称为夹断电压。3. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比。结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω， 绝缘栅场效应三极管RGS约是109～1015Ω。null 1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用gm的求法: ① 图解法：gm实际就是转移特性曲线 i D=f(uGS) 的斜率 ②解析法：如增强型MOS管存在 iD=K(uGS-UGS,th)2交流参数gm与 iD成正比关系。null练习：计算低频跨导gm 。显然：gm大小与工作点有关, ID越大,gm越大。null 2. 衬底跨导gmb 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用跨导比交流参数null3. 动态漏极电阻rds反映了uDS对iD的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率。一般是几十～几百千欧姆。交流参数null4. 极间电容Cgs—栅极与源极间电容，约1～3PF Cgd —栅极与漏极间电容，约1～3PF Csd —源极与漏极间电容，约0.1～1PF Cgb —栅极与衬底间电容 Csb —源极与衬底间电容 Cdb —漏极与衬底间电容主要的极间电容有：交流参数null2. 漏源击穿电压UDS,B (或用符号BUDS 表示） 使ID开始剧增时的UDS。1.栅源击穿电压UGS ,B (或用符号BUGS表示） JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压。 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压。极限参数3. 最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值。4.最大漏极耗散功率PDM PD=iDuDS 应用：根据IDM 、PDM、 UDS,B可以确定管子的安全工作区。 附录 附录1.与双极型三极管相同 第三位字母 J 代表结型场效应管，O 代表绝缘栅型场效应管。 第二位字母代表材料，D是P型硅N沟 道；C是N型硅P沟道。 例如3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。 例如CS14A、CS45G等。场效应三极管的型号现行有两种命名方法：2.第二种命名方法是CS××#：null小 结结型有N沟道和P沟道两种， 栅源必须加反偏压才能工作，如N沟道在UGS<0下工作， P沟道在UGS>0下工作。绝缘栅场效应管有N沟道增强型、 N沟道耗尽型、 P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。2. 场效应管是单极型电压控制器件，具有输入电阻高，一 般可达109。null填空： 1.场效应管是_______控制器件，而双极型三极管是_______控制器件。绝缘栅型场效应管输入电阻很大，是因为____________的原因。答：电压，电流，栅极绝缘。null选择填空： 1.下图所示的特性属于那种管型？（ ）。A.MOS增强型N沟道;MOS耗尽型P沟道；JFET N沟道 B. JFET N沟道; MOS增强型P沟道; MOS耗尽型N沟道； C. MOS耗尽型P沟道; MOS增强型N沟道; JFET N沟道. D. MOS耗尽型P沟道; JFET P沟道;MOS增强型N沟道Cnull第二章结束