电路课件第4章半导体二极管三极管和场效应管

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1、本章重点和考点：1.二极管的单向导电性。2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型、管脚和管材。3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。1、什么是半导体4.1 PN结绝缘体半导体0 uUT时1eTUuTeSUuIi 当 u|U T|时1eTUuSIi4.PN结的电流方程4.1 PN结下一页前一页第 1-22 页退出本章5.PN结的伏安特性曲线正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿4.1 PN结下一页前一页第 1-23 页退出本章6.PN结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。(

2、1)势垒电容CB空空 间间 电电 荷荷 区区W+R+E+PN4.1 PN结下一页前一页第 1-24 页退出本章(2)扩散电容CD4.1 PN结 PN结结电容（极间电容）结结电容（极间电容）CJCJ =CB +CD由于一般很小，对于低频信号呈现较大的容抗，其作用可忽略不计，所以，只有在信号频率较高时，才考虑电容的作用。4.1 PN结下一页前一页第 1-26 页退出本章半导体本征半导体:本征激发杂质半导体N型半导体P型半导体PN结形成过程单向导电性小结：4.1 PN结 二极管=PN结+管壳+引线NP1、结构2、符号正极+负极-4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-29 页退出本章 3、二极管的分

3、类：1）、点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝4.2 半导体二极管3）、平面型二极管 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。2）、面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-31 页退出本章 硅：0.5 V 锗：0.1 V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压iu0击穿电压UBR实验曲线uE

4、iVmAuEiVuA锗 硅：0.7 V 锗：4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-32 页退出本章(1)最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。(4)最高工作频率fM 二极管工作的上限频率4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-33 页退出本章1、理想等效电路模型ui正偏反偏2、恒压源等效电路ONUu ONUu U ON:二极管的导通压降。硅管

5、，锗管。导通压降二极管的伏安特性-+iuiu04.2 半导体二极管下一页前一页第 1-34 页退出本章1、理想二极管模型mA10K1V10I相对误差：0000710032.932.910硅二极管电路如图所示，若已知回路电流I测量值 为，试分别用理想模型和恒压降模型计算回路电流I，并比较误差。2、恒压降模型mA3.9K1V)7.010(I00002.010032.99.332.9解：相对误差：0.7V例1：4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-35 页退出本章例：电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压降模型计算电流I和

6、输出电压uo+-+UIuREFRiuO解：（1）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-36 页退出本章（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，UREF=2V,分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-37 页退出本

7、章02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用恒压降模型分析，波形如图所示。+-+UIuREFRiuO4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-38 页退出本章已知ui10sint(V)，二极管正向导通电压可忽略不计。试画出ui与uO的波形。4.2 半导体二极管uiuoDR下一页前一页第 1-39 页退出本章已知硅二极管组成电路，试画出在输入信号ui作用下输出电压uo波形。4.2 半导体二极管uiuoD2D1RuOuitt下一页前一页第 1-40 页退出本章&L=ABBA0V010100110001BLA输 入输出3、用于数字电路B+VALDD3kR（+5V）CC12例：分析如图所示电路的功

8、能。解：输输 入入输出输出D1（V）D2（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V0V0V0V0V0V5V4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-41 页退出本章 iuUZIUIzminIzmax正向同二极管1、符号：稳压二极管工作在反向击穿区4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-42 页退出本章稳定电压2、伏安特性：3、稳压二极管的主要 参数(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。

9、(4)最大稳定工作电流IZmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZIUIzminIzmax4.2 半导体二极管下一页前一页第 1-43 页退出本章4.3 双极型晶体管1 晶体管的结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNPBCEPNP型4.3 双极型晶体管两PN结、三区、三极集电区基区发射区集电结发射结下一页前一页第 1-45 页退出本章BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管4.3 双极型晶体管2 符号下一页前一页第 1-46 页退出本章BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高4.3 双极型晶体管3 晶体

10、管结构的特点下一页前一页第 1-47 页退出本章becRcRb 1、晶体管内部载流子的运动I EIB发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-48 页退出本章becI EI BRcRb3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。I

11、C另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-49 页退出本章beceRcRb2、晶体管的电流分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp =IEn+IEpIB=IEp+IBnICBOIE=IC+IB4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-50 页退出本章3、晶体管的共射电流放大系数CBOBCBOCIIIICEOBCBOBC)1(IIIII整理可得：ICBO 称反向饱和电流ICEO 称穿透电流1)共射直流电流放大系数BCIIBEI1I）（2)

12、共射交流电流放大系数BCII VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-51 页退出本章3)共基直流电流放大系数ECnII CBOECBOCnCIIIII 11或4)共基交流电流放大系数ECii直流参数 与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与 ，与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。、5)与的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法4.3 双极型晶体管4、三极管的电流方向发射极的电流方向与发射极的箭头方向一致4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-53 页退出本章1、输入特性UCE 1VIB(A)

13、UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V4.3 双极型晶体管 iB=f(uBE)UCE=const下一页前一页第 1-54 页退出本章2、输出特性1234IC(mA )UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，4.3 双极型晶体管iC=f(uCE)IB=const下一页前一页第 1-55 页退出本章IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE称为饱和区。4.3 双极型晶体管

14、下一页前一页第 1-56 页退出本章IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-58 页退出本章判断三极管工作状态的方法三极管工作状态电位法电流法截止发射结反偏IB=0饱和两结均正偏IC 0，即。4.3 双极型晶体管下一页前一页第 1-63 页退出本章4.3 双极型晶体管三极管的参数分为三大类:直流参数、交流参数、极限参数1、直流参数1）共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC/IB vC

15、E=const2）共基直流电流放大系数ECII3）集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO2、交流参数1）共发射极交流电流放大系数 =iC/iBUCE=const2）共基极交流电流放大系数 =iC/iE UCB=const4.3 双极型晶体管1）最大集电极耗散功率PCM PC=iCuCE 3、极限参数2）最大集电极电流ICM3）反向击穿电压 UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。U EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。UCEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系 UCBOUCEOUEBO4.3 双极型晶

16、体管 由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 PC=iCuCE U(BR)CEOUCE/V4、温度对晶体管特性及参数的影响1）温度对ICBO的影响温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。硅管的ICBO比锗管的小得多。2）温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移60402000.4 0.8I/mAU/V温度对输入特性的影响2006003）温度对输出特性的影响温度升高将导致 IC 增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响4.4 场效应管4.4 场效应晶体管场效应管：一种载

17、流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。4.4 场效应管N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型场效应管分类：由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。特点：输入电阻可达 1010 以上。类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强

18、型场效应管。1、N 沟道增强型 MOS 场效应管 结构P 型衬底N+N+BGSDSiO2源极 S漏极 D衬底引线 B栅极 GSGDB1.工作原理 绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析(1)UGS=0 漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD(2)UDS=0，0 UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS UGS UT，UGD UT由于夹断区的沟道电阻

19、很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。a.UDS UTP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UGS UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。3.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS UT 时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT 2UTI

20、DOuGS/ViD/mAOiD/mAuDS/VOTGSUU 预夹断轨迹恒流区 可变电阻区夹断区。UGS增加二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管P型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型 MOS 管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=03 V1 V2 V43215101520N 沟道耗尽型MOSFET

21、三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0 当UGS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0 UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道种种 类类符符 号号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDiDUGS=0VuDSoSGDBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+OiD

22、UGS=0VuDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V_IDUDSo场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压 UP 或UGS(off)3.开启电压 UT 或UGS(th)4.直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。

23、为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数1.低频跨导 gm2.极间电容 用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。常数DSGSDmUuig单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数2.漏源击穿电压 U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS当漏极电流 ID 急剧上升产生击穿时的 UDS。栅源极间绝缘

24、层发生击穿，产生很大的短路电流，击穿将会损坏管子。1.最大漏极电流IDM例电路如图所示，其中管子T的输出特性曲线如图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？图图分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)4V解(1)ui为0V，即uGSui0，管子处于夹断状态所以u0 VDD 15V(2)uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V(3)uGSui10V时，若工作在恒流区，iD。因而u0 15-2.2*5 4V但是，uGS 10V时的预夹断电压为uDS=uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时

25、管子工作在可变电阻区从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图)KiuRDdsds3)1013(3所以输出电压为VVRRRuDDddsds6.50晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型 N沟道 P沟道绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子运动输入量 电流输入 电压输入控制电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4 场效应管与晶体管的比较温度特性 受温度影响较大 较小输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上集成工艺 不易大规模集成

26、 适宜大规模和 超大规模集成晶体管场效应管小 结第 4 章一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子空穴两 种半导体N 型 (多电子)P 型(多空穴)二极管单向正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。)1e(DSD TUuIi)1e(,0DSDD TUuIiu0 ,0SD IIu2.二极管的等效模型理想模型 (大信号状态采用)uDiD正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压 UD(on)时导通 等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V估算时取 0.7 V硅管：锗管：(0.1

27、 0.3)V0.2 V三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管(晶体三极管 BJT)单极型半导体三极管(场效应管 FET)两种载流子导电多数载流子导电晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大放大条件内因：发射区载流子浓度高、基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=IB+ICEO IE=(1+)IB+ICEOIE=IC+IBIC=IB IE=(1+)IB 4.特性iC/mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321O0.4 0.8iB/AuBE/V6040

28、2080死区电压(Uth)：0.5 V(硅管)0.1 V(锗管)工作电压(UBE(on)：0.6 0.8 V 取 0.7 V(硅管)0.2 0.3 V 取 0.3 V(锗管)饱和区截止区iC/mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321放大区饱和区截止区放大区特点：1)iB 决定 iC2)曲线水平表示恒流3)曲线间隔表示受控5.参数特性参数电流放大倍数 =/(1 )=/(1+)极间反向电流ICBOICEO极限参数ICMPCMU(BR)CEOuCEOICEOiCICMU(BR)CEOPCM安 全 工 作 区=(1+)ICBO场效应管1.分类按导电

29、沟道分 N 沟道P 沟道按结构分 绝缘栅型(MOS)结型按特性分 增强型耗尽型uGS=0 时，iD=0uGS=0 时，iD 0增强型耗尽型(耗尽型)2.特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述3.特性不同类型 FET 转移特性比较结型N 沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS 管(耗尽型)2GS(th)GSDOD)1(UuIiIDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)2GS(off)GSDSSD)1(UuIi IDO 是 uGS=2UGS(th)时的 iD 值四、晶体管电路的基本问题和分析方法三

30、种工作状态状态状态电流关系电流关系 条条 件件放大I C=IB发射结正偏集电结反偏饱和 I C IB两个结正偏ICS=IBS 集电结零偏临界截止IB U(th)则导通以 NPN为 例：UBE UB UE放大UE UC UB饱和PNP 管UC UB UC U B饱和2.电流判别法IB IBS 则饱和IB 0时UGS足够大时（UGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压4.4 场效应管UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGS4.4 场效应管PNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。4.4 场效应管PNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS 继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。4.4 场效应管3、增强型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT4.4 场效应管输出特性曲线IDU DS0UGS04.4 场效应管四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0IDUGSVT4.4 场效应管输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS04.4 场效应管