《半导体器件》PPT课件.ppt

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1、矿 石 收 音 机 第 四 章 常 用 半 导 体 器 件 原 理4.1 半 导 体 物 理 基 础 知 识 本 征 半 导 体 杂 质 半 导 体 半 导 体 中 的 载 流 子 和 电 流4.2 PN结 PN结 的 形 成 PN结 电 流 方 程 PN结 的 三 个 特 性4.3 晶 体 二 极 管 二 极 管 特 性 及 参 数 二 极 管 电 路 分 析 方 法 和 基 本 应 用 电 路4.4 双 极 型 晶 体 管 晶 体 管 工 作 原 理 伏 安 特 性 简 化 模 型 工 作 状 态 分 析4.5 场 效 应 管 结 型 和 绝 缘 栅 场 效 应 管 工 作 原 理 特 性

2、 模 型 状 态 分 析 1/18 半 导 体 的 是 构 成 半 导 体 器 件 的 关 键 。物 体 的 导 电 性 ： 导 体 电阻率 (10-810-4)m ， 金 、 银 、 铜 、 铝 等 ； 绝 缘 体 电 阻 率 (10101020)m ， 玻 璃 、 陶 瓷 等 ； 半 导 体 电 阻 率 (10-3109)m， 硅 （ Si） 、 锗 （ Ge） 、 砷 化 镓 （ GaAs） 等 。载 流 子 的 种 类 ： 导 体 自 由 电 子 （ 数 量 很 多 ， 大 于 等 于 原 子 核 数 ） 绝 缘 体 几 乎 没 有 半 导 体 自 由 电 子 、 空 穴 （ 数 量

3、很 少 ， 远 小 于 原 子 核 数 ）4.1 半 导 体 物 理 基 础 2/18 4.1.1 半 导 体 中 的 载 流 子半 导 体 的 基 本 结 构 ： 4 4Si(14)硅 原 子 Ge(32)锗 原 子 共 价 键 结 构特 点 ： 四 个 价 电 子 受 共 价 键 束 缚 ， 不 能 自 由 移 动 ， 称 其 为 束 缚 电 子 。半 导 体 的 分 类 ： 本 征 半 导 体 、 杂 质 半 导 体 ； 两 种 半 导 体 导 电 能 力 的 不 同 。+4 +4+4 +43/18 一 、 本 征 半 导 体 Intrinsic Semiconductor 元 素 纯

4、净 、 单 一 晶 格 结 构 的 半 导 体 称 为 本 征 半 导 体 。1、 本 征 载 流 子本 征 激 发 ： 能 量 激 发 (如 温 度 升 高 ) 束 缚 电 子 自 由 电 子 (负 电 荷 ) 留 下 空 位 空 穴 (正 电 荷 )特 点 ： 本 征 激 发 产 生 二 种 载 流 子 自 由 电 子 和 空 穴 ， 且 成 对 产 生 ，故 整 体 呈 电 中 性 。空 穴 ： Hole空 穴 移 动 方 向 与 价 电 子 相 反 。实 质 是 价 电 子 的 移 动 。 +4 +4+4 +4 +4+4 +4 +4+4 4/18 2、 本 征 载 流 子 浓 度3、

5、本 征 半 导 体 的 电 性 能 特 点 ：导 电 能 力 很 弱 ； 室 温 下 只 有 极 少 数 原 子 的 价 电 子 受 激 发 产 生 电 子 空 穴 对 ，如 硅 n i=1.51010(150亿)，约 占 三 万 亿 分 之 一 。导 电 能 力 对 温 度 很 敏 感 ； 本 征 载 流 子 浓 度 随 温 度 升 高 近 似 按 指 数 规 律 增 大 。应 用 ： 热 敏 电 阻 性 元 件 ， 如 温 度 传 感 器 ； 半 导 体 器 件 的 基 础 材 料 。 热 平 衡 载 流 子 浓 度 ： ni pi A0T3/2e-EG0/2kT (cm-3)本 征 激

6、发 ： 自 由 电 子 空 穴 对 产 生复 合 ： 自 由 电 子 空 穴 对 消 失5/18 二 、 杂 质 半 导 体 Doped Semiconductor在 本 征 半 导 体 中 掺 入 极 少 量 其 它 元 素 （ 杂 质 ） 的 半 导 体 。 自 由 电 子 数 空 穴 数 （ 多 子 ） （ 少 子 ） 自 由 电 子 数 漂 移 运 动多 子 扩 散 正 向 电 流 大 RE +_ 内 电 场 UE R+ _内 电 场U二 、 PN结 加 反 向 电 压 （ N区 正 ）外 加 电 压 加 强 内 电 场PN结 变 宽扩 散 运 动 反 向 电 流13/18 三 、 P

7、N结 电 流 方 程 （ 伏 安 特 性 V-A Characteristic ）理 论 分 析 证 明 ： 肖 克 利 方 程)1( T/S UueIiu： PN结 外 加 电 压i： PN结 电 流IS ： 反 向 饱 和 电 流UT kT/q： 热 电 压常 温 （ 室 温 ） 时 ， mV26 T U通 常 正 向 电 压 u UT ， T/S UueIi 反 向 电 压 u UT ， SIi PN结 伏 安 特 性 i u0SI 正 向 指 数 特 性 反 向 恒 流 特 性 14/18 4.2.3 PN结 的 击 穿 特 性 当 反 向 电 压 UBR 时 ， 反 向 电 流 急

8、剧 增 大 ， 而 结 电 压基 本 不 变 ， 称 为 PN结 反 向 击 穿 。两 种 击 穿 机 理 ： PN结 外 加 反 向 电 压一 、 雪 崩 击 穿 轻 掺 杂 耗 尽 层 较 宽 ， 少 子 漂 移 加 速 碰 撞层 内 本 征 原 子 ， 产 生 的 新 电 子 空 穴 对 ，连 锁 反 应 类 似 雪 崩 。二 、 齐 纳 击 穿 （ Zenar） 重 掺 杂 耗 尽 层 很 薄 ， 强 电 场 直 接 电 离 层 内 本 征 原 子 ， 产 生 新 的 电 子 空 穴 对 ， 反 向 电 流 急 剧 增 大 。 场 致 击 穿 。硅 （ si） 材 料 PN结 ， UB

9、R 7V雪 崩 击 穿 ； UBR 5V齐 纳 击 穿 ； UBR 5 7V两 种 都 有 。 BRU i u0SI15/18 4.2.4 PN结 的 电 容 特 性 PN结 在 外 加 电 压 变 化 时 ， 具 有 存 储 电 荷作 用 ， 表 现 出 电 容 效 应 。 有 两 种 电 容 效 应 。一 、 势 垒 电 容 （ CT） 外 加 电 压 变 化 ， 引 起 耗 尽 层 宽 度 随 之 变 化 ，从 而 导 致 层 内 正 、 负 离 子 数 量 即 空 间 电 荷 量 的 变 化 。二 、 扩 散 电 容 （ CD） 外 加 电 压 变 化 ， 引 起 耗 尽 层 外 附

10、近 扩 散 区 内 非 平 衡 载 流 子浓 度 分 布 的 变 化 ， 从 而 导 致 非 平 衡 载 流 子 电 荷 量 的 变 化 。 PN结 总 电 容 ： C j CT CD正 偏 时 以 CD为 主 ， Cj CD， 几 十 几 百 pF；反 偏 时 以 CT为 主 ， Cj CT ， 几 几 十 pF。 pn x0Pn(0)电 容 量 的 大 小 与外 加 电 压 有 关 ，是 非 线 性 电 容 。 16/18 4.2.5 PN结 的 温 度 特 性PN结 的 三 个 基 本 特 性 （ 单 向 导 电 特 性 、 击 穿 特 性 、电 容 特 性 ） 受 温 度 影 响 的

11、特 性 。1、 单 向 导 电 特 性 ：结 电 压 ： （ 负 温 特 性 ） 保 持 正 向 电 流 不 变 ，反 向 饱 和 电 流 ： （ 正 温 特 性 ） 10/)(1S2S 122 TTII 温 度 每 升 高 10 ， IS 增 大 一 倍 。2、 击 穿 特 性 ： 雪 崩 击 穿 正 温 特 性 ， 齐 纳 击 穿 负 温 特 性 。3、 电 容 特 性 ： 电 容 量 随 温 度 变 化 。 BRU i u0SI TTC/mV)5.22(/ Tu17/18 PN结 最 高 温 度 限 制 ： 当 温 度 升 高 到 一 定 程 度 ， 本 征 激 发 产 生 的 少 子

12、浓 度 可 能达 到 或 超 过 掺 杂 （ 多 子 ） 浓 度 ， 杂 质 半 导 体 变 得 和 本 征 半 导体 一 样 ， PN结 消 失 。 硅 （ Si） ： 约 为 （ 150 200 ） 锗 （ Ge） ： 约 为 （ 75 100 ）PN结 三 大 特 性 的 基 本 应 用 ：单 向 导 电 特 性 ： 晶 体 二 极 管 作 整 流 、 检 波 等 ；反 向 击 穿 特 性 ： 稳 压 二 极 管 作 稳 压 、 限 幅 等 ：电 容 特 性 ： 变 容 二 极 管 作 可 变 电 容 等 其 它 如 ：光 电 二 极 管 、发 光 二 极 管 等 作业：41、4218/

13、18 二 极 管 结 构 类 型 ： 点 接 触 型 (a)； 面 接 触 型 （ 合 金 型 (b)， 平 面 性 (c)） 。 4.3 晶 体 二 极 管 及 其 基 本 电 路 晶 体 二 极 管 基 本 结 构P N正 极 负 极 正 极 + 负 极 -4.3.1 二 极 管 特 性 曲 线一 、 正 向 特 性 PN结 加 正 向 电 压 （ 正 偏 ）导 通 电 压 ： U D(on) 二 、 反 向 特 性 PN结加反向电压（反偏）反 向 饱 和 电 流 ： 硅 管 ： 0.1A 锗 管 ： 几 十 A R E0 mAi Vu)( A )(onDUmA 晶 体 二 极 管 电 路

14、 符 号 1/17 4.3 晶 体 二 极 管 及 其 基 本 电 路 晶 体 二 极 管 基 本 结 构P N正 极 负 极 正 极 + 负 极 -4.3.1 二 极 管 特 性 曲 线一 、 正 向 特 性 PN结 加 正 向 电 压 （ 正 偏 ）导 通 电 压 ： U D(on) 二 、 反 向 特 性 PN结加反向电压（反偏）反 向 饱 和 电 流 ： 硅 管 ： 0.1A 锗 管 ： 几 十 A R E0mAi Vu)A( D(on)UmA 晶 体 二 极 管 电 路 符 号 2/17 4.3.2 二 极 管 的 主 要 参 数一 、 直 流 电 阻 RD定 义 ： 二 极 管 两

15、 端 所 加 直 流 电 压 UD与 流 过 二 极 管 的 直 流 电 流 ID之 比 。DDD IUR i u0DI DU 1Q2Q RD、 rD 随 Q(ID,UD)变 化 ， 非 线 性 电 阻 。二 、 交 流 电 阻 rD 定 义 ： 二 极 管 在 其 直 流 工 作 状 态 (IDQ,UDQ) 处 的 电 压 微 变 量 与 电 流 微 变 量 之 比 。 i u0 QuUu DQD DDDQDQD ruRUiIi Q,D ddDQDQ iuiur UI u i若 则3/17 二 极 管 交 流 电 阻 rD 的 关 系 式 ：由 PN结 电 流 方 程 DQTQS TQD T

16、dd IUeI Uiur Uu )1( TS UueIi可 得 二 极 管 交 流 电 阻 rD 与 直 流 电流 IDQ成 反 比 ， 且 可 由 IDQ确 定 。不 同 Q点 处 的 交 、 直 流 电 阻 不 同 ，同 一 Q点 处 的 交 、 直 流 电 阻 也 不 同 。三 、 最 大 整 流 电 流 IF四 、 最 大 反 向 工 作 电 压 U RM五 、 反 向 电 流 IR六 、 最 高 工 作 频 率 fM FIRIBRU RMU 0mAi Vu)A( IDQ/mA rD/ 1 26 10 2.6 100 0.264/17 R2u1 u2+ +- -R1 二 极 管 电 路

17、 分 析 iRu1 u2+ +- -D + -uD iD ReI Uuu )1( T21 /S ReIRiu Uu )1( TDSD2 221 122 RRR uiRu 5/17 二 极 管 电 路 分 析 Ru1 u2+ +- -D + -uD iD ReI Uuu )1( T21 /S ReIRiu Uu )1( TDSD2 )1( TDSD UueIi RuuRui D12D 0iD uDD(on)U 1u1uRu1 1u（1）（1）（2）（2）R1 6/17 4.3.3 晶 体 二 极 管 简 化 电 路 模 型一 定 条 件 下 ， 非 线 性 特 性 的 近 似 线 性 化 模 型

18、 。一 、 大 信 号 模 型 （ 单 向 导 电 特 性 ）1、 折 线 近 似 2、 简 化 近 似 3、 理 想 模 型 0 D(on)UuUD(ON) uUD(on) uUD(ON) uUD(on)， 所 以 选 择 理 想 模 型 ， UD(on) =0。1、 正 半 周 时 ， ui 0， 二 极 管 加 正 向 电 压 （ 正 偏 ） 导 通 ， 在 理 想 模 型 中 二 极 管 相 当 于 短 路 线 ， 故 uo=ui， 输 出 正 半 周 波 形 。2、 负 半 周 时 ， ui 0， 二 极 管 加 反 向 电 压 （ 反 偏 ） 截 止 ， 在 理 想 模 型 中 二

19、 极 管 相 当 于 开 路 线 断 开 ， 故 uo=0， 输 出 零 波 形 。 4.3.5 二 极 管 应 用 电 路 举 例 14/17 设 UD(on) 0.7V， 则 选 简 化 模 型 。1、 当 uiE+UD(on) 2.7V时 ， 二 极 管 正 偏 导 通 ， uo 2.7V；2、 当 ui 2.7V时 ， 二 极 管 反 偏 截 止 ， uo ui。限 制 正 电 压 幅 度 称 为 上 限 幅 ， 限 制 负 电 压 幅 度 称 为 下 限 幅 ，同 时 限 制 正 负 电 压 幅 度 称 为 双 向 限 幅 。二 、 二 极 管 限 幅 电 路 （ Amplitude

20、 Limiting） 限 幅 电 路 也 称 为 削 波 电 路 ， 可 限 制 输 出 电 压 幅 度 的 变 化 范围 ， 常 用 于 波 形 变 换 和 整 形 。ui+- uo+- ui/Vuo/V tt005 5 2.7 5 UD(on) 2.7D 2V ER15/17 三 、 二 极 管 电 平 选 择 电 路 即 从 多 路 输 入 信 号 中 选 出 最 低 或 最 高 电 平 的 电 路 。例 ： 二 极 管 低 电 平 选 择 电 路 (UD(on)=0.7V) uo/V t01、 u i1=3V,ui2=0V： E ui1 ui2D1和 D2都 可 能 导 通 。 但 若

21、 假 定 D2导 通 ， 则 uo=UD(on) +ui2=0.7V，使 D1反 偏 截 止 ， 所 以 只 能 是 D2导 通 ， 选 出 低 电 平 ui2； 相 反 选 ui1。2、 ui1=ui2=3V， uo=3.7V； ui1=ui2=0V， uo=0.7V。ui1/V t033.70.7ui2/V t03Rui1 uo+ +- -+ui2 D1D2 E 5V16/17 1、 变 容 二 极 管 PN结 加 反 向 电 压 ， 利 用 势 垒 电 容 制 作 的 二 极 管 。2、 肖 特 基 二 极 管 金 属 与 轻 掺 杂 浓 度 N型 半 导 体 交 界 面 形 成 的 势

22、 垒 区 。3、 光 电 二 极 管 利 用 光 能 在 耗 尽 层 内 激 发 出 大 量 电 子 、 空 穴 对 ，改 变 反 向 饱 和 电 流 的 大 小 ， 反 偏 使 用 。4、 发 光 二 极 管 用 特 殊 半 导 体 材 料 制 成 PN结 ， 正 偏 时 非 平 衡 少 子 被 复 合时 ， 会 发 出 可 见 光 （ 红 、 黄 、 绿 、 兰 等 ） 和 不 可 见 光 （ 红 外线 等 ） ， 且 发 光 强 度 与 正 偏 电 压 大 小 成 比 例 。作 业 ： 4-8(a),(f)、 4-10、 4-11、 4-12。4.3.6 其 它 二 极 管 简 介 17

23、/17 4.4 双 极 型 晶 体 管Bipolar Junction Transistor (BJT) 双 极 型 晶 体 管 的 工 作 原 理 双 极 型 晶 体 管 的 放 大 作 用 双 极 型 晶 体 管 的 伏 安 特 性 双 极 型 晶 体 管 的 直 流 电 路 模 型 双 极 型 晶 体 管 的 直 流 工 作 状 态 分 析 1/12 双 极 型 晶 体 管 的 基 本 结 构 、 类 型 和 电 路 符 号 双 极 型 晶 体 管 又 称 为 半 导 体 三 极 管 、 晶 体 三 极 管 等 ， 习 惯称 为 晶 体 管 、 三 极 管 、 BJT。1、 晶 体 管

24、的 原 理 结 构 ： 三 个 电 极 、 二 个 PN结 ， 一 个 很 薄 的 基 区 。2、 晶 体 管 的 两 种 类 型 ： NPN型 ， PNP型3、 晶 体 管 的 电 路 符 号 ： 发 射 区 集 电 区 基 区发 射 结 集 电 结e-bj c-bj发 射 极Emitter 集 电 极Collector基 极Basee cbN P Ne cbNP Pbe cNPN （ 很 薄 ）PNPbe c2/12 双 极 型 晶 体 管 发 射 区 集 电 区 基 区N P Ne b cICIE 3/12 4.4.1 晶 体 管 工 作 原 理 晶 体 管 的 两 个 PN结 加 不

25、同 极 性 的 电 压 有 四 种 组 合 状 态 。放 大 状 态 条 件 ： 发 射 结 正 偏 ， 集 电 结 反 偏 。 以 NPN管 为 例 。一 、 发 射 区 向 基 区 注 入 电 子发 射 结 （ e结 ） 正 偏 ：发 射 区 多 子 （ 电 子 ） 、 基 区 多 子（ 空 穴 ） 产 生 扩 散 电 流 IEN、 IEP；二 、 电 子 在 基 区 扩 散 、 复 合基 区 宽 度 很 窄 （ 薄 ） ：部 分 电 子 产 生 复 合 电 流 I BN， 来 不及 复 合 的 电 子 继 续 扩 散 到 达 集 电结 的 基 区 侧 ；三 、 扩 散 到 集 电 结 的

26、 电 子 被 集 电 区 收 集集 电 结 （ c结 ） 反 偏 ：e区 扩 散 过 来 的 电 子 形 成 漂 移 电 流 ICN， 以 及 集 电 结 自 身 两 边 少 子 （ 基 区 电子 、 集 电 区 空 穴 ） 产 生 的 反 向 饱 和 电 流 ICBO。e cbN P NICNIENIEP ICBOIBN RCUCCIE ICIBRE UEE 4/12 晶 体 管 的 电 流 分 配 关 系一 、 三 个 电 极 的 节 点 电 流 关 系 IE IEN IEP IBN ICN IEP IB IBN ICBO IEP IC ICN ICBO IE IC IB二 、 电 流 比

27、 例 控 制 关 系由 I EN IBN ICN 形 成 过 程 可 知1、 IEN 、 ICN、 IBN相 互 之 间 存 在 结 构 性 比 例 关 系 ， 其 大 小 取 决 于 基 区 宽 度 ；2、 集 电 结 ICN大 小 与 集 电 结 反 偏 电 压 大 小 几 乎 无 关 ， 取 决 于 发 射 结 扩 散 电 流IEN 和 基 区 复 合 电 流 IBN的 大 小 ；3、 发 射 结 扩 散 电 流 IEN 和 基 区 复 合 电 流 IBN决 定 集 电 结 漂 移 电 流 ICN的 大 小 ，表 现 出 IEN 和 IBN对 ICN 的 控 制 作 用 ， 所 以 IC

28、N是 受 控 电 流 。e cbN P NICNIENIEP ICBOIBNRE RCUEE UCCIE ICIB 5/12 表 示 电 流 控 制 作 用 的 两 个 参 数 ： 共 发 射 极 直 流 电 流 放 大 系 数 ： IBN对 ICN 的 控 制 作 用 。 EPE CBOCENCN II IIII 共 基 极 直 流 电 流 传 输 （ 放 大 ） 系 数 ： 1EPCBOB CBOCBNCN III IIII 1发 射 区 高 掺 杂 浓 度 ， 注 入 能 力 强 ；基 区 低 掺 杂 浓 度 且 宽 度 很 窄 ；集 电 区 低 掺 杂 、 结 面 积 大 。 为 了

29、提 高 晶 体 管 的 电 流 控 制 作 用 ， 应 该 尽 量 减 小 不 受 控 制 的 电 流 成 分IEP 和 ICBO ， 则 对 晶 体 管 的 结 构 要 求 ： e cbPN+ NIEN对ICN 的控制作用。 BCII ECII e cbNP+ P6/12 三 、 实 际 中 用 三 个 电 极 电 流 表 示 的 电 流 分 配 关 系 ： ECII BCII BCE III EC II EB II )1( BC II BE II )1( CEB III CEOBCBOBC IIIII )1( 1 1 CBOCEO II )1( 穿 透 电 流 ： 0.970.99 202

30、00锗 管 大 ， 硅 管 小 7/12 晶 体 管 的 放 大 作 用 IE 和 IB对 IC 的 控 制 作 用 ， 即 电 流 分 配 关 系 ， 体 现 了 晶体 管 的 放 大 能 力 。 （ 发 射 结 正 偏 ， 集 电 结 反 偏 ） u i +-IE IC +-URCIBRE UEE UCCbe c RC+ iE + iB + iC + uo+-+- - + ui iE ( iB) iC uo= iCRC 结 电 流 方 程 电 流 控 制 作 用 电 流 电 压 转 换8/12 例 如 ， 假 设 ： ui 100mV， iE 1mA， RC 2k,若 晶 体 管 ， 则

31、， 得 到 iC 0.99mA，故 uo iCRC 0.99mA 2k 1.98V。电 压 放 大 倍 数 ： uo/ ui 1.98V/100mV 19.8 输 入 信 号 功 率 （ 信 号 源 提 供 ） ： Pi ui iE 100mV 1mA 100 W 输 出 信 号 功 率 （ 负 载 R C 获 得 ） ： Po uo iC 1.98V 0.99mA 1.96mW 功 率 放 大 倍 数 ： Po/ Pi 1960 W/ 100 W 19.6 100 99.0 ui+- +- uoRE UEE UCCRC iE iB iC+- - +共基极接法：控制电流 i E较大9/12 晶

32、 体 管 放 大 的 另 一 种 电 路 连 接 :发 射 结 正 偏 ： uBE集 电 结 反 偏 ： uCB uCE uBE 放 大 过 程 同 前 例 ， 区 别 在 于信 号 源 提 供 的 功 率 不 同 。此 时 iB iC/ 0.99/100mA10 A。输 入 信 号 功 率 （ 信 号 源 提 供 ） ： P i ui iB 100mV 10 A 1 W功 率 放 大 倍 数 ： Po/ Pi 1960 W/ 1 W 1960 获 得 更 大 的 功 率 放 大 ！ b e c+-RB RCUBB UCC ui uo+- iB iE iC+ + +- -uBE uCEuCB共

33、发射极接法：控制电流 i B小10/12 结 论 ：1、 晶 体 管 放 大 作 用 的 实 质 是 对 交 流 信 号 功 率 的 放 大 ， 即 信号 能 量 放 大 。2、 放 大 的 交 流 能 量 是 从 集 电 极 电 源 的 直 流 功 率 转 换 而 来 ，输 入 信 号 只 是 通 过 改 变 发 射 结 的 正 向 电 压 ， 利 用 晶 体 管 的电 流 分 配 关 系 ， 控 制 集 电 极 电 流 ， 从 而 控 制 能 量 的 转 换 。3、 晶 体 管 不 同 的 电 路 接 法 ， 功 率 放 大 （ 控 制 能 量 转 换 ） 的能 力 不 同 。 任 何 接

34、 法 ， 输 入 信 号 必 须 能 改 变 发 射 结 电 压 。be c c ce eb b 共 基 极 共 发 射 极 共 集 电 极iBiBiE iC iEiC输 入 输 出11/12 例 题 ： 晶 体 管 处 于 放 大 状 态电 流 放 大 倍 数 ：晶 体 管 类 型 ： -1mA-0.99mA作业：4190.01mA1mAb c e1.01mA100mA01.0 mA1 0.01mAbec 99mA01.0.99mA0 NPN PNP99.010011001 99.0mA1 mA99.0 12/12 4.4.2 晶 体 管 的 伏 安 特 性 晶 体 管 电 流 分 配 关

35、系 表 征 三 个 电 极 电 流 之 间 的 关 系 。 伏 安特 性 表 征 三 个 电 极 电 流 与 两 个 PN结 电 压 之 间 的 关 系 。 伏 安 特性 曲 线 则 以 图 表 的 形 式 全 面 表 征 电 流 与 电 流 、 电 流 与 结 电 压之 间 的 关 系 。 晶 体 管 伏 安 特 性 曲 线 是 图 解 分 析 法 的 基 础 。 晶 体 管 放 大 电 路 的 三 种 基 本 接 法 （ 共 基 、 共 射 、 共 集 ） 具有 不 同 的 伏 安 特 性 曲 线 。 由 于 共 发 射 极 组 态 的 放 大 能 力 最 强 ，在 电 子 线 路 中 应

36、 用 更 为 广 泛 ， 所 以 本 课 重 点 讨 论 共 发 射 极 组态 的 伏 安 特 性 曲 线 。 1/18 晶 体 管 共 发 射 极 特 性 曲 线共 射 极 特 性 曲 线 测 试 电 路 ：输 入 回 路 ： iB电 流 uBE电 压 ；输 出 回 路 ： iC电 流 uCE电 压 。测 试 方 法 ： 分 别 通 过 改 变 基 极 、 集 电 极 直 流 电 源 电 压 U BB、 UCC， 从 而改 变 发 射 结 电 压 uBE和 集 电 极 电 压 uCE， 观 察 记 录 iB 和 iC电 流 的变 化 ， 作 出 曲 线 。 b ecRB RCUBB UCC

37、iC+-uCE mAA V V+-uBEiB 2/18 一 、 输 出 特 性 曲 线 三 个 区 域 ： 1、 放 大 区 (Active Region) 发 射 结 正 偏 ， 集 电 结 反 偏 ； uBEUBE(on)， uCE uBE 特 点 ： 放 大 特 性 ： iB对 iC的 控 制 很 强 ； 交 流 电 流 放 大 系 数 恒 流 特 性 ： u CE 对 iC的 控 制 很 弱 ； 基 区 宽 度 调 制 效 应 ， 曲 线 略 微 上 翘 。 tConsiCEC Bufi tan)( 饱和区 截 止 区 放大区 30A10A20Ai B= 0AiB= 40AiB= IC

38、BOICEO uCE/ViC/mA1234 5 10 15 ConstantBC CE uIIBICI 03/18 2、 饱 和 区 (Saturation Region)发 射 结 正 偏 ， 集 电 结 正 偏 ；uBE UBE(on)，uCE uBE, uCB uCE uBE 0。特 点 ： iB对 iC的 控 制 大 大 减 弱 ； iC电 流 基 本 不 受 iB电 流 控 制 。 u CE 对 iC的 控 制 增 强 ； iC uCE 三 个 电 极 之 间 电 压 很 小 ， 电 极 电 流 主 要 由 外 电 路 确 定 。 深 度 饱 和 时 ， uCE UCE(SAT) 0

39、.3V， uBE UBE(on) =0.7V， uCB 0.4ViB= ICBO饱和区 截 止 区 放大区 30A10A20A0AiB= 40AICEO uCE/V iC/mA1234 5 10 150 4/18 3、 截 止 区 (Cutoff Region)发 射 结 反 偏 ， 集 电 结 反 偏 ； uBE UBE(on)， uCE uBE特 点 ： 发 射 区 不 注 入 多 子 ； iE 0即 发 射 极 断 开 ， 此 时 iB ICBO时 ， iC ICBO而 当 i B 0时 ， 存 在 穿 透 电 流小 功 率 硅 管 ICEO较 小 ， 可 忽 略 。 三 个 电 极 电

40、 流 近 似 为 零 ， iE 0， iB 0， iC 0。相 当 于 极 间 开 路 ， 各 极 电 压 主 要 由 外 电 路 确 定 。4、 击 穿 区 U(BR)CEO iB= ICBO饱和区 截 止 区 放大区 30A10A20A0AiB= 40AICEO uCE/ViC/mA1234 5 10 150 U(BR)CEO击穿区CBOCEOEC )1( IIii 5/18 穿 透 电 流 的 物 理 含 义 ：iB=0时 ，uCE uCB uBE发 射 结 正 偏 ， 集 电 结 反 偏 。放 大 状 态 ： 由 于 穿 透 电 流 I CEO较 大 ， 三 极 管 集 电 极 不 是

41、 理 想 的 截 止状 态 。 只 有 当 uBE0时 ， iC ICBO， 才 能 接 近 理 想 截 止 。0Bi +-uCE+-+ -uCBuBE ICBOIEP IENIBNICNICEOI CEONNPCBOEPCBOBN IIII CBOBNCN III CBOBNCBOCEOC )1( IIIIi EPBNCNE IIIi CEOCBOBN )1()1( III 6/18 二 、 输 入 特 性特 点 ： 当 uCE一 定 时 ， iB uBE呈 指 数 特 性 ， 与 二 极 管 伏 安 特 性 相 似 ； 当 uCE 0V时 ， （ 深 度 饱 和 ） 晶 体 管 相 当 于

42、 两 个 并 联 二 极 管 ， i B正 向 导 通 电 流 较 大 ； 当 0V uCE 1V逐 渐 增 大 时 ， （ 向 放 大 区 变 化 ） iB正 向 导 通 电 流 减 小 ， 曲 线 明 显 右 移 ； 当 uCE1V 时 ， （ 放 大 区 ） 曲 线 基 本 重 合 ； 近 似 以 此 时 的 曲线 作 为 输 入 特 性 曲 线 。 导 通 电 压 UBE(on) 0.7V（ 硅 管 ） 。 当 uBE 0V时 ， 发 射 结 反 偏 截 止 ， 反 向 饱 和 电 流 ， iB/A0 uBE/V306090 0.5 0.7ConstantBEB CE)( uufi u

43、CE=0 uCE1V 7/18 4.4.3 晶 体 管 的 近 似 伏 安 特 性 和 直 流 模 型 （ 大 信 号 ）一 、 伏 安 特 性 的 近 似 简 化二 、 直 流 电 路 模 型b c e截 止 状 态 模 型 b ceUBE(on) UCE(sat)饱 和 状 态 模 型b ceUBE(on)放 大 状 态 模 型 IBIBUBE(on) uBEiB0 输 入 特 性 UCE(sat) uCEiC0 输 出 特 性IBIC8/18 4.4.4 直 流 偏 置 下 晶 体 管 工 作 状 态 分 析 晶 体 管 伏 安 特 性 的 三 个 区 （ 放 大 区 、 截 止 区 、

44、 饱 和 区 ） ，对 应 晶 体 管 的 三 种 工 作 状 态 （ 放 大 状 态 、 截 止 状 态 、 饱 和 状态 ） ， 由 三 个 电 极 之 间 电 压 大 小 决 定 （ 两 个 PN结 电 压 ） 。 通 常 用 直 流 电 压 预 先 设 定 所 需 工 作 状 态 ， 称 为 直 流 偏 置 。 电 路 分 析 时 ， 根 据 其 状 态 相 应 选 用 不 同 的 三 种 电 路 模 型 。 9/18 一 般 地 ， 对 于 给 定 形 式 的 电 路 ， 晶 体 管 的 工 作 状 态 是 不 明确 的 ， 必 须 首 先 分 析 判 断 其 工 作 状 态 。一

45、、 首 先 判 断 发 射 结 是 否 导 通1、 若 UBE UBE(on) 则 发 射 结 不 导 通 ， 晶 体 管 截 止 ，选 用 截 止 状 态 模 型 。 三 个 电 极电 流 均 为 零 ， 电 极 电 压 由 外 电路 确 定 ， 即 I B IC IE 0， UBE UBB， UCE UCC2、 若 UBE UBE(on) ， 则 发 射 结 导 通 ， 晶 体 管 导 通 。 晶 体 管 工 作 状 态 分 析 b ecRB RCU BB UCCIB + +- -UBE UCE ICIE10/18 二 、 发 射 结 导 通 条 件 下 ， 再 判 断 是 否 放 大 状

46、 态 或 饱 和 状 态 晶 体 管 导 通 ： 可 能 是 放 大 导 通 ， 也 可 能 是 饱 和 导 通 。判 断 方 法 一 ： 先 假 设 晶 体 管 为 放 大 导 通 状 态 ，再 判 断 集 电 结 是 否 反 偏 ， 如 果 反偏 则 假 设 正 确 ， 否 则 为 饱 和 状 态 。 例 如 ， 假 设 放 大 状 态 ， 则 有 得 到判 据 ： 若 U CE UBE (on) 或 者 UCB 0， (PNP管 反 之 ） 则 集 电结 反 偏 ， 以 上 假 设 成 立 ， 晶 体 管 工 作 在 放 大 状 态 ； 否 则 ，晶 体 管 工 作 在 饱 和 状 态

47、。 IB UCERB RCUBB UCC+ +- -UBE(on) ICb ce IB UCE(sat) B BE(on)BBB RUUI CCCCCE RIUU BC II CCBE IIII 11/18 饱 和 状 态 下 ， UBE=UBE(on)， UCE=UCE(sat)， 用 饱 和 模 型 计 算 。判 断 方 法 二 ： 先 假 设 饱 和 状 态 ， 根 据 饱 和 模 型 计 算 I C和 IC(sat)， 判 断 是 否IC=IBICE(sat)。 若 是 则 假 设 正 确 ， 否 则 为 放 大 状 态 。RB RCUBB UCC+ +- -UBE(on) ICb c

48、eIB UCE(sat) B BE(on)BBB RUUI C CE(sat)CCC(sat) RUUI 12/18 例 1 已 知 晶 体 管 工 作 在 放 大 状 态 ， UBE(on)=0.7V， 100，计 算 IB、 IC和 UCE。b ecRB RCUBB UCCIB IC+ +- -UBE UCE270k 3k RB RCUBB UCC+ +- -UCE270k 3kICb ceIB输 入 回 路 ： mA02.0k270 V7.0V6 B BE(on)BBB RUUI 电 流 控 制 ： mA2mA02.0100BC II 输 出 回 路 ： V6k3mA2V12CCCCCE

49、 RIUU解 ：6V 12V UBE(on) IB13/18 例 2： 晶 体 管 电 路 及 其 输 入 电 压 ui的 波 形 如 图 示 。 已 知 100， 试 求 ui作 用 下 输 出 电 压 uo的 值 ， 并 画 出 波 形 图 。b ecIB + +- -UBE UCEICRB RCUCC5V39k 3k+-ui +-uo uo/V0 t0 ui/V t350.3解 ： 当 u i 0时 ， UBE 0， 管 子 截 止 状 态 。则 IC 0， uo UCE UCC 5V。当 ui 3V时 ， 晶 体 管 导 通 ， 假 设 放 大 导 通 ， 则mA06.0k39 V7.

50、0V3BBE(on)iB RUuI mA3mA06.050BC II 集 电 极饱 和 电 流 mA57.1k3 V3.0V5 C CE(sat)CCC(sat) RUUI IC饱 和 状 态 。 实 际 电 路 中IC IC(sat)uo 0.3V14/18 例 4.4.1 晶 体 管 直 流 偏 置 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 晶 体 管 的 UBE(on) =0.6V，=50。 当 输 入 电 压 Ui分 别 为 0V， 3V， 5V时 ，判 断 晶 体 管 的 工 作 状 态 ， 并 计 算 输 出 电 压 Uo。解 ： 当 Ui=0V时 ， 截 止 状 态 ， IC=0， U

51、o=UCC=12V。当 Ui=3V时 ， 晶 体 管 导 通 ， 放 大 或 饱 和 状 态 。假 设 为 放 大 状 态 ， 则 有 假 设 成 立 ， 晶 体 管 处 于 放 大 状 态 。当 Ui=5V时 ， 则 有 IB=0.073mA， IC=3.65mA， Uo= 2.6V UBE(on) 0.6V。晶 体 管 处 于 饱 和 状 态 ， Uo=UCE (sat)。 Ui RB RC 4k60k UCC UoTIB IEIC 12VA40k60 V6.0V3BBE(on)iB RUUI mA2A4050BC II UBE(on)0.6V4V4kmA2V12CCCCo RIUU15/

52、18 例 4.4.2 晶 体 管 直 流 偏 置 电 路 如 图 示 ， 已 知晶 体 管 的 UBE(on) = 0.7V， =50。 判 断 晶 体 管的 工 作 状 态 ， 并 计 算 IB、 IC和 UCE。解 ：1、 判 断 晶 体 管 是 否 导 通 ： 假 设 发 射 结 断 开 ， UBE(off)=UB UE= 12V，PNP管 导 通 ， 放 大 或 饱 和 状 态 。2、 假 设 为 放 大 状 态 ， 则 基 极 回 路 有 +UCERB RC 2kUCC TIB IEIC12V2k200kUBE(on)+ - BE(on)EBBEEBE(on)BBCC )1( URR

53、IRIURIU A4.37k2)501(k200 )V7.0(V12)1( EB BE(on)CCB RR UUI 1.87mAA)4.37(50BC II mA91.1CBE III4.44VmA)91.1(k2mA)87.1(V12 EECCCCECCE RIRIUUUUUBE(on)=0.7V晶体管处于放大状态。RE16/18 晶 体 管 工 作 状 态 的 电 极 电 压 一 般 特 点 ： uCE uC uE， uBE uB uE 1、 放 大 状 态 ： NPN管 ： uC电 压 最 高 ， uE电 压 最 低 ； uCE uCB uBE UBE(on)， uBE UBE(on)

54、PNP管 ： uC电 压 最 低 ， uE电 压 最 高 ； uCE uCB uBE UBE(on)， uBE UBE(on) 2、 饱 和 状 态 ： u BE： 导 通 电 压 UBE(on) ， uCE： ( )零 点 几 伏 ；3、 截 止 状 态 ： uBE： 绝 对 值 小 于 导 通 电 压 绝 对 值 ； uCE： 绝 对 值 几 伏 几 十 伏 。ceb +- - ceb + - 17/18 例 ： -10V -5V-5.7V 10V 5.2V5Vc e b c e b硅PNP管锗NPN管作业：417(a)、418 18/18 4.5 场 效 应 管 (FET)Field E

55、ffect Transistor 晶 体 三 极 管 的 放 大 是 通 过 流 经 发 射 结 的 电 流 iE 或 iB控 制 iC电 流 ， 所 以 晶 体 三 极 管 是 电 流 控 制 型 器 件 ， 需 要 较 大 的 控制 功 率 。 场 效 应 管 是 电 压 控 制 型 器 件 ， 几 乎 不 需 要 控 制 电 流 ， 只提 供 控 制 电 压 即 可 ， 控 制 功 率 接 近 于 零 。 另 外 结 构 和 制 作 工艺 简 单 ， 特 别 适 合 大 规 模 集 成 电 路 。 场 效 应 管 和 晶 体 管 成 为 两 类 重 要 的 半 导 体 器 件 。 场 效

56、 应 管 有 结 型 (Junction FET， 或 JFET)和 金 属 -氧 化物 -半 导 体 (Metal-Oxide Semiconductor FET， 或 MOSFET)两 种 类 型 。 1/15 4.5.1 结 型 场 效 应 管 （ JFET）Junction Field Effect Transistor结 型 场 效 应 管 的 结 构 及 电 路 符 号P PDrainGate Source N 沟 道 N NDrainGate Source P 沟 道漏 极源 极栅 极 D SG DSG电 路 符 号沟道N沟道P沟道2/15 一 、 工 作 原 理 （ N沟 道

57、）栅 源 电 压 UGS的 控 制 作 用 ：1、 PN结 反 偏 ， UGS0， ID=0时 ；2、 当 UGS绝 对 值 增 大 ， PN结 增 厚 ， 沟 道 变 窄 ， 导 电 能 力 减 小 ；3、 当 UGS UGS(off)， 沟 道 被 夹 断 。P PDG S NUGS 1、 UDS 0， 沟 道 电 流 ID；2、 UDS增 大 ， ID增 大 ， 电 位 沿 沟 道 分 布 ， 沟 道 呈 宝 塔 形 ；P PDG S NUGS3、 UGD UGS(off)， 沟 道 被 预 夹 断 （ 局 部 夹 断 ） 。 UDSIDID 0UGS不 变UGS(off)UGS 0 漏

58、源电压UDS的控制作用 3/15 二 、 输 出 特 性 曲 线1、 恒 流 区相 当 于 晶 体 管 放 大 区 。 u DS/V iD/mA0 击穿区IDSS 恒 流 区 2V 1.5V 1V 0.5VUGS 0Vu GS=UGS(off)截 止 区可变电阻区0 uGS UGS(off )即 uDS uGS-UGS(off)平 方 律 ， 电 压 控 制 放 大 特 性 ；iD几 乎 不 受 uDS控 制 ， 具 有 恒 流 特 性 ；沟 道 长 度 调 制 效 应 ， iD随 uDS增 大 略 增 大 。ConstantDSD GS)( uufi特点：2D GSui UGD UGS(of

59、f) 预 夹 断 uGD = uGS-uDS UGS(off) P PNuGS uDSG DS4/15 uDS/ViD/mA0 击穿区IDSS 恒 流 区 2V 1.5V 1V 0.5VUGS 0V UGSoff截 止 区可变电阻区2、 可 变 电 阻 区特 点 ：uDS较 小 ， 预 夹 断 前 ， 沟 道 导 电 ，近 似 iD uDSuGS可 控 制 曲 线 斜 率 ， 即 可控 制 电 阻 。 可 变 电 阻 。 uGS UGSoff3、 截 止 区 ： uGS UGS(off) ， iD 0； 夹 断4、 击 穿 区 ： uDGU(BR)DS uGD = uGS-uDS UGS(of

60、f) 即 uDS uGS-UGS(off) P PNuGS uDSG DS5/15 三 、 转 移 特 性 曲 线 恒 流 区 内 UDS一 定 时 ， 栅 源 电 压 uGS对 漏 极 电 流 iD的 控 制 特 性 。ConstantGSD DS)( Uufi 平 方 律 特 性IDSS 饱 和 电 流 ， u GS 0时 ， iD IDSS；UGS(off) 夹 断 电 压 ， uGS UGS(off)时 ， iD 0。 0 1 2 3 1234iD/mAuGS/VuGS(off） IDSS小结：恒流区：0 uGS UGS(off )：可变电阻区 uDS uGS-UGS(off) iD(

61、uGS)2 uDS uGS-UGS(off) iD uDS(uGS) 截 止 区 ： uGS UGS(off) iD 0； 夹 断2GS(off)GSDSSD 1 UuIi6/15 4.5.2 绝 缘 栅 场 效 应 管 （ IGFET）Insulate Gate Field Effect Transistor绝 缘 栅 场 效 应 管 的 结 构S G D BP型 硅 衬 底N N 半 导 体Semiconductor绝 缘 层 （ SiO2）Oxide金 属 电 极MetalW L MOSFET沟道宽度沟道长度宽长比W/L7/15 N沟 道 增 强 型 MOSFET（ E NMOS）一 、

62、 导 电 沟 道 的 形 成 及 工 作 原 理1、 uGS 0， 栅 极 衬 底 平 板 电 容 积 累 电 荷 ； 绝 缘 层 与 衬 底 间 形 成 空 间 电 荷 区 ；2、 uGSUGS(th)， 出 现 反 型 层 ， 即 D S间 导 电 沟 道 ；S G D BP型 硅 衬 底N NuGS S G DBP型 硅 衬 底N NuGSEnhancement BS G DuDSP型 硅 衬 底N NuGS8/15 必 须 加 一 定 的 uGS UGS(th)才 能 产 生 导 电 沟 道 ，所 以 称 为 增 强 型 ， UGS(th)称 为 开 启 电 压 。电 路 符 号 ：二

63、 、 转 移 特 性1、 uGS UGS(th)， iD 0；2、 uGS UGS(th)， 平 方 律 特 性 ； G SD BiD/mA u GS/VuGS(th)02GSthGSoxnD )(2 UuLWCi W/L 沟 道 宽 长 比 ；9/15 三 、 输 出 特 性1、 可 变 电 阻 区uGSUGS(th)， uGDUGS(th)uDS uGS UGS(th)2、 恒 流 区u GSUGS(th)， uGD UGS(th) uDSuGS UGSth预 夹 断 iD uDS恒 流 特 性 ； 3、 截 止 区 u GS UGSth， iD 0； 4、 击 穿 区 uDS/V iD/

64、mA0 击穿区恒 流 区 2V3V4V5VUGS 6V UGSth截 止 区可变电阻区GSthGSoxnDDSDS UuWCLdidur 1 )1()(2 DS2GSthGSoxnD uUuLWCi 电压控制放大特性。uDSuGSUGS(th)10/15 N沟 道 耗 尽 型 MOSFET（ D NMOS）不 需 要 外 加 uGS就 存 在 导 电 沟 道 ，类 似 JFET。电 路 符 号 ： DepletionS G DBP型 硅 衬 底N NuGSG SD B 11/15 D NMOS特 性 曲 线iD/mAu GS/VuGSoff 0ID0 uDS/V iD/mA0 击穿区恒 流 区

65、 3V0V3VUGS 6V UGSoff截 止 区可变电阻区 12/15 4.5.3 各 种 类 型 场 效 应 管 的 符 号 及 特 性 对 比一 、 电 路 符 号 G SDBDSG DSGN沟道P沟道 E MOS D MOSJFET G SDB G SDBG SDB13/15 二 、 特 性 曲 线 iD/mAuGS/VuGSoff 0ID0 uDS/ViD/mA0 -9， -3， 1V-6， 0， 3V-3， 3， 6VUGS 0， 6， 9VuGSthIDSSuGSoffN沟道P沟道场效应管最大特点： I G=014/15 例 4.5.1 判 断 图 示 电 路 中 场 效 应 管

66、 的 工 作 状 态 。解 ：(a) N沟 道 JFET， uGS 0 UGS(off)，故 场 效 应 管 工 作 在 恒 流 或 可 变 电 阻 区 ，且 ID=IDSS=3mA， 则UDS=UDD IDRD=12V 3mA 2k=6V所 以 该 场 效 应 管 工 作 在 恒 流 区 。(b) P沟 道 增 强 型 MOSFET， u GS 5V UGS(th)，故 场 效 应 管 工 作 在 恒 流 或 可 变 电 阻 区 ，且 已 知 且 ID= 3mA， 则UDS=UDD IDRD= 10V (-3mA) 3k= 1V故 场 效 应 管 工 作 在 可 变 电 阻 区 。 SG S UDDUDDRD 2kR D 3kRG 100kRG 100kE 5V10V 12V (a)UGS(off)=4VIDSS=3mA (b)UGS(th)=2VID=3mA D UDS UGSUGS(off) =4V G D作业：417(b)、424 UDS UGSUGS(th) = -5(-2) = 3V15/15