电子与电路课件

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1、第第4章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 l 内容主要有：内容主要有：半导体的导电性能半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性半导体器件的半导体器件的结构、结构、工作原理工作原理、工作特性工作特性、参数参数l 半导体器件半导体器件主要包括：主要包括：半导体二极管（包括稳压管）半导体二极管（包括稳压管）三极管三极管4.1 PN结结 1. 半导体半导体 半导体的物理特性半导体的物理特性l物质根据其导电性能分为物质根据其导电性能分为 导体导体：导电能力良好的物质。：导电能力良好的物质。 绝缘体绝缘体：导电能力很差的物质。：导电能力很差的物质。 半导体半导体：是一种导电

2、能力介于导体和绝缘体之是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物物和氧化物。 半导体的物理特性半导体的物理特性l半导体的导电能力具有独特的性质。半导体的导电能力具有独特的性质。温度升高温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著时，纯净的半导体的导电能力显著增加；增加；在纯净半导体材料中在纯净半导体材料中加入微量的加入微量的“杂质杂质”元元素素，它的电导率就会成千上万倍地增长；，它的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体纯净的半导体受到光照受到光照时，导电能力明显提时，导电能力明显提高。高。l半导体为什么具有以上的导

3、电性质？半导体为什么具有以上的导电性质？半导体的晶体结构半导体的晶体结构 l半导体器件的材料：半导体器件的材料： 硅（硅（Silicon-Si）：）：四价元素，硅的原子序数是四价元素，硅的原子序数是14，外层有，外层有4个个电子。电子。 锗（锗（Germanium-Ge）：）：也是四价元素，锗的也是四价元素，锗的原子序数是原子序数是32，外层也是，外层也是4个个电子。电子。 l单晶半导体结构特点单晶半导体结构特点l共价键共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。组成价电子对所构成的联系。l图图4-1(b)是晶体共价键结构的平面示意图。是晶体共

4、价键结构的平面示意图。半导体的晶体结构半导体的晶体结构 图图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键半导体的晶体结构半导体的晶体结构 2.2.半导体的导电原理半导体的导电原理 本征半导体本征半导体（Intrinsic Semiconductor） 纯净的、结构完整的单晶半导体，称为纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。本征半导体。l物质导电能力的大小取决于其中能参与导物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子电的粒子载流子的多少。载流子的多少。 本征半导体本征半导体l本征半导体在绝对零度（本征半导体在绝对零度（T=0

5、K相当于相当于T=273）时，相当于）时，相当于绝缘体绝缘体。l在室温条件下，本征半导体便具有一定在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。的导电能力。 l半导体半导体中的中的载流子载流子自由电子自由电子空穴（空穴（Hole） 空穴和自由电子同时参加导电，是半导空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点体的重要特点l价价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的的同时同时，在原来的共价键位置上留下了一个，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空位，这个空位叫做空穴。空穴。l空穴带正电荷。空穴带正电荷。 本征半导体本征半导体l在本征半导体中，激发出一个自

6、由电子，在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为对地产生，称为电子空穴对电子空穴对。l半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做程叫做本征激发本征激发（Intrinsic Excitation）。）。l产生本征激发的条件：加热、光照及射线产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。照射。l空穴是载流子吗？空穴是载流子吗？ 本征半导体本征半导体l 空穴的运动实空穴的运动实质上是价电子质上是价电子填补空穴而形填补空穴而形成的。成的。BA空穴空穴自由电子自由电子图图4-1(b)晶体共价

7、键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键共价键 本征半导体本征半导体l由于空穴带正电荷，且可以在原子间移由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，动，因此，空穴是一种载流子空穴是一种载流子。l半导体中有两种载流子：半导体中有两种载流子：自由电子载流自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），穴），它们均可在电场作用下形成电流它们均可在电场作用下形成电流。 本征半导体本征半导体l半导体由于热激发而不断产生电子空穴对半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电，那么，电子空穴对是否会

8、越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？子和空穴浓度是否会越来越大呢？l实验表明实验表明，在一定的温度下，电子浓度和，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。空穴浓度都保持一个定值。l半导体中存在半导体中存在载流子的载流子的产生产生过程过程载流子的载流子的复合复合过程过程 本征半导体本征半导体综上所述：综上所述：l(1)半导体中有两种载流子：半导体中有两种载流子：自由自由电子和空电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。穴，电子带负电，空穴带正电。l(2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生，产生，ni = pi。l(3)半导体中，同时存在载流子的半导

9、体中，同时存在载流子的产生和复产生和复合合过程。过程。(自由电子在运动过程中能量自由电子在运动过程中能量减少减少,又可能填补空穴恢复共价键又可能填补空穴恢复共价键) 杂质半导体杂质半导体l本征半导体的电导率很小，而且受温度和光本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。体器件。l本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。入微量元素，导电能力显著提高。l掺入的微量元素掺入的微量元素“杂质杂质”。l掺入了掺入了“杂质杂质”的半导体称为的半导体称为“杂质杂质”

10、半导半导体体。l常用的杂质元素常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑l通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。成各种各样的半导体器件。 l杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体。 杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体l在本征半导体中加入微量的五价元素，在本征半导体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成形成N型半导体型半导体。l掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅（

11、或锗）原子的位置。（或锗）原子的位置。l 杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。l 自由自由电子电子的数目高的数目高，故故导电导电能力显著提高能力显著提高。l 把这种半导体称为把这种半导体称为N型半导体，其中的型半导体，其中的电子称为多数电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。子）。l 在在N型半导体中型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之自由电子数等于正离子数和空穴数之和和，自由电子带负电，空穴和正离子，自由电子带负电，空穴和正离子( (杂质原子杂质原子) )带正带

12、正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体l 在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。型半导体。空位空位A图图4-3 P型半导体型半导体晶体结构示意图晶体结构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键共价键空位吸引邻近空位吸引邻近原子的价电子填原子的价电子填充，从而留下一充，从而留下一个空穴。个空穴。在在P型半导体型半导体中，中，空穴数等于空穴数等于负离子数与自由负离子数与自由电子数之和电子

13、数之和，空，空穴带正电，负离穴带正电，负离子和自由电子带子和自由电子带负电，整块半导负电，整块半导体中正负电荷量体中正负电荷量相等，保持电中相等，保持电中性。性。综上所述：综上所述：l (1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半型半导体。导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。，此外还有不参加导电的正离子。l (2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半型半导体导体。其中。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流空穴是多数载流子

14、，电子是少数载流子子，此外还有不参加导电的负离子。，此外还有不参加导电的负离子。l (3)杂质半导体中，杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关子由本征激发产生，其浓度与温度有关。 载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 漂移运动（漂移运动（Drift Movement） l有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为动，称为漂移运动漂移运动。l漂移运动产生的电流称为漂移运动产生的电流称为漂移电流漂移电流。 扩散扩散运动运动l由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运由于浓度差而引起的定

15、向运动称为扩散运动（动（Diffusion Movement），），载流子扩散载流子扩散运动所形成的电流称为运动所形成的电流称为扩散电流扩散电流。l扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。大小与载流子的浓度梯度成正比。3. PN结的形成结的形成 lPN结：结： 是指在是指在P型半导体和型半导体和N型半导体的交界处形型半导体的交界处形成的空间电荷区。成的空间电荷区。lPN结是构成多种半导体器件的基础。结是构成多种半导体器件的基础。 二极管的核心是一个二极管的核心是一个PN结；三极管中包含结；三极管中包含了两个了两个PN结结。l浓度差引

16、起载流子的扩散。浓度差引起载流子的扩散。3. PN结的形成结的形成 l扩散的结果形成自建电场。扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作空间电荷区也称作“耗尽区耗尽区” “势垒势垒区区” l自建电场阻止扩散，加强漂移。自建电场阻止扩散，加强漂移。l动态平衡。动态平衡。 扩散扩散=漂移漂移3. PN结的形成结的形成 4.4.PN结的特性结的特性 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结外加正向电压结外加正向电压l如图所示，如图所示，电源的正极电源的正极接接P区，负极接区，负极接N区，这区，这种接法叫做种接法叫做PN结加正向结加正向电压或正向偏置。电压或正向偏置。 PN结外加正向电压结外加正向电压l

17、PN结外加正向电压时（结外加正向电压时（P正、正、N负），空间负），空间电荷区变窄。电荷区变窄。l不大的正向电压，产生相当大的正向电流不大的正向电压，产生相当大的正向电流。l外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。 PN结外加反向电压结外加反向电压 l如图所示，如图所示，电源的正极接电源的正极接N区，负极接区，负极接P区，这种接法叫做区，这种接法叫做PN结加反向电压或反结加反向电压或反向偏置向偏置。 PN结外加反向电压结外加反向电压 l 流过流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，称结的电流主要是少子的漂移决定的，称为为PN结的结的反向电流反向电流。PN结的

18、反向电流很小，而且与反向电压的大小结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止结表现为很大的电阻，称之截止。lPN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 l反向电流很小反向电流很小，它由少数载流子形成，与少，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。子浓度成正比。l少子的值与外加电压无关，因此少子的值与外加电压无关，因此反向电流的反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。饱和电流。l温度升高时温度升

19、高时,少子值迅速增大，所以少子值迅速增大，所以PN结的结的反向电流反向电流(反向饱和电流反向饱和电流)受温度影响很大。受温度影响很大。 PN结外加反向电压结外加反向电压 结论结论：lPN结的单向导电性结的单向导电性： PN结加正向电压产生大的正向电流，结加正向电压产生大的正向电流， PN结导电。结导电。 PN结加反向电压产生很小的反向饱和电结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，流，近似为零， PN结不导电。结不导电。 PN结的伏安特性结的伏安特性 l定量描绘定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系结两端电压和流过结的电流的关系的曲线的曲线PN结的伏安特性。结的伏安特性。l根据理论分析

20、，根据理论分析，PN结的伏安特性方程为结的伏安特性方程为) 1(kTqUSeII外加电压外加电压流过流过PN结结的电流的电流电子电荷量电子电荷量q =1.610-19C反向饱和电流反向饱和电流绝对温度绝对温度(K)玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数k =1.3810-23J/K自然对数的底自然对数的底 PN结的伏安特性结的伏安特性 l令令 )1( kTqUSeIITUqkT 在常温下，在常温下，T = 300K， 则则)1( TUUSeIImVqkTUT26106 . 13001038. 11923 当当U大于大于UT数倍数倍TUUSeII 1 TUUe即正向电流随正向电压的增加以指数即正向电流随正向电

21、压的增加以指数规律迅速增大。规律迅速增大。 PN结的伏安特性结的伏安特性 l外加反向电压时，外加反向电压时，U为负值，当为负值，当|U|比比UT大几倍时，大几倍时， 1TUUe)1( TUUSeIIIIS即加反向电压时，即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和结只流过很小的反向饱和电流。电流。 PN结的伏安特性结的伏安特性 l 曲线曲线OD段段表示表示PN结结正向偏置时的伏安特正向偏置时的伏安特性，称为性，称为正向特性正向特性；l 曲线曲线OB段段表示表示PN结结反向偏置时的伏安特反向偏置时的伏安特性，称为性，称为反向特性反向特性。U（mV）I（mA）0图图4-5 PN结的理论伏安特性结的理

22、论伏安特性DT=25B-IS（V）2550 75 100(uA)0.511.52l画出画出PN结的理论伏安特结的理论伏安特性曲线。性曲线。 PN结的反向击穿结的反向击穿 l 加大加大PN结的反向电压结的反向电压到某一值时，反向电到某一值时，反向电流突然剧增，这种现流突然剧增，这种现象称为象称为PN结击穿结击穿，发，发生击穿所需的电压称生击穿所需的电压称为为击穿电压击穿电压，如图所，如图所示。示。 l 反向击穿的特点反向击穿的特点：反：反向电压增加很小，反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。向电流却急剧增加。UBRU（V）I（mA）0图图4-6 PN结反向击穿结反向击穿 PN结的电容效应结的电容

23、效应 l 除了单向导电性之外除了单向导电性之外,PN结还存在电容效应。结还存在电容效应。l 势垒电容势垒电容CB 指外加电压的极性和大小发生变化时指外加电压的极性和大小发生变化时,导致空间导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显示出电容效应。几电荷区存储电荷的变化，从而显示出电容效应。几皮法皮法几百皮法。几百皮法。l 扩散电容扩散电容CD 在在PN结边界附近积累的载流子增多结边界附近积累的载流子增多,相当电荷相当电荷的充入的充入.当正向电压减少时当正向电压减少时,积累在积累在PN结边界附近的结边界附近的不平衡少子减少不平衡少子减少,相当电荷的放出相当电荷的放出.(当当PN结加正向电结加正向电压时压

24、时,N区多子扩散到区多子扩散到P区后称为区后称为P区的区的不平衡少子不平衡少子) PN结的电容效应结的电容效应lPN结的电容很小，是针对结的电容很小，是针对高频交流高频交流小信号小信号而考虑。而考虑。lPN结反向工作时，势垒电容起主要作用，结反向工作时，势垒电容起主要作用，正向工作时扩散电容起主要作用正向工作时扩散电容起主要作用。PN结的结的面积增大时，面积增大时，PN结的电容也增大。结的电容也增大。4.2 半导体二极管半导体二极管1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型l 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有。二极管按

25、结构分有点接触型点接触型、面接触型和平面面接触型和平面型型三大类。三大类。l (1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 PN结面积大，用于工结面积大，用于工频大电流整流电路。频大电流整流电路。(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底 往往用于集成电往往用于集成电路制造中。路制造中。PN 结面积结面积可大可小，用于高频整可大可小，用于高频整流和

26、开关电路中。流和开关电路中。n (3) 平面型二极管平面型二极管n (2)面接触型二极管面接触型二极管n(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(b)(b)面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 l二极管的伏安特性的测出二极管的伏安特性的测出。VmAVDRRW（a）测正向特性）测正向特性VmAVDRRW（b）测反向特性）测反向特性2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性n二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/ TDUUSDeIi(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUB

27、RuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8 正向特性正向特性l 死区电压：死区电压：(oc段段,只有当正向电压超过某一数值只有当正向电压超过某一数值时时,才有明显的正向电流才有明显的正向电流,这个电压就是这个电压就是) 硅管硅管 0.5V,锗管锗管 0.1Vl 线性区线性区(CD段段)：硅管硅管 0.6V1V 锗管锗管

28、0.2V0.5V l 对温度变化敏感：对温度变化敏感：l 温度升高温度升高正向特性曲线左移正向特性曲线左移l 温度每升高温度每升高1正向压降正向压降l 减小约减小约2mV。2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 反向特性反向特性l 反向电流：反向电流：很小。很小。 硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安l 受温度影响大：受温度影响大： 温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。 反向击穿特性反向击穿特性l 反向击穿反向击穿UBR:几十伏

29、以上。几十伏以上。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性反向击反向击穿特性穿特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性3. 二极管的主要参数二极管的主要参数l 最大整流电流最大整流电流IFl 最大反向工作电压最大反向工作电压URl 反向电流反向电流I IR Rl 最高工作频率最高工作频率fM4. 二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 l二极管特性曲线的非线性，给二极管电二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来一定困难。为了简化分析，路的分析带来一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似处理，可用某些线性常常要做一些近似处理，可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的电路元

30、件来等效二极管，画出二极管的等效电路。等效电路。l最常用的近似方法有二种。最常用的近似方法有二种。 理想二极管等效电路理想二极管等效电路uDiDoDK理想二极管等效电路理想二极管等效电路l 如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。把二极管理想化为一个开关，如图所示。 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路l 在二极管充分导通且工

31、作电流不是很大时，在二极管充分导通且工作电流不是很大时，二极管的正向压降二极管的正向压降UD变化不大（例如硅管约变化不大（例如硅管约为为0.60.8V），因此近似认为二极管正向导），因此近似认为二极管正向导通时有一个固定的管压降通时有一个固定的管压降UD（硅管取（硅管取0.7V，锗管取锗管取0.2V），于是可用一固定电压源来等），于是可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。效正向导通的二极管。l 当外加电压当外加电压U0时，二极管时，二极管Dl、D3导通，相当于开关闭合；导通，相当于开关闭合；D2、D4截止，相当于开关断开，如图截止，相当于开关断开，如图 (b)所示。因此输出所示。因此输出电压

32、电压uO = u。uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2 D1D3ioAB（b）+- 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法l 当当u 0且且uUR+UD时，时，二极管二极管D导通，开关闭合，输出电压导通，开关闭合，输出电压UO = UR十十UD。l 当当u集电区集电区基区；基区； (2)基区必须很薄。基区必须很薄。2. 晶体管的电流分配关系和放大作用晶体管的电流分配关系和放大作用 l内部条件内部条件l外部条件外部条件 发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。l电路接法：共基接法。电路接法：共基接法。NPNVEEVCCiBRcReiEiCbecl共射

33、接法。共射接法。RbVBBVCCRciBiCbecNPNuBEuCEiEuBC+2. 晶体管的电流分配关系和放大作用晶体管的电流分配关系和放大作用 晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动l 发射区向基区注入电子的过程发射区向基区注入电子的过程 (发射区多子向基区扩散发射区多子向基区扩散,形成电流形成电流IE)l 电子在基区中的扩散过程电子在基区中的扩散过程(注入的电子只有极少数复合注入的电子只有极少数复合,形成形成IB)l 电子被集电极收集的过程电子被集电极收集的过程 (非平衡少子扩散到集电结边界非平衡少子扩散到集电结边界,形成形成ICN,同时少子漂同时少子漂移移,形成反向饱和电流形成反

34、向饱和电流ICBO)iBiCiEVCCVBBRbNPN(a) 载流子运动情况载流子运动情况iBiEi CnI C BOiEiBRbV BBVCCiC(b)各极电流分配情况各极电流分配情况 晶体管中的电流晶体管中的电流iEniEpiBiCnICBO 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系CBOBBIiiCBOCnCIii+CBEiii+iBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各极电流分配情况Cni b bBi,iCn b bBi,令令 Bi,CnCCBOIii+ + + +CBOI b bCBOI+ +CBOI+ +Bib bb b 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系CB

35、OBCI1ii)(b bb b+ + + CEO0ICEOBCIii+ + b bCEOBBCEIiiii+ + + + + )1(b bCCEOBiIibCBOCEOII)1(b b+ + 令：若bb系数系数 代表代表iB对对iC的控制作用的大小，的控制作用的大小， 越大，控制作用越强。越大，控制作用越强。 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系l电流电流iC由两部分组成：由两部分组成：l一部分是一部分是ICEO，它是，它是iB=0时流经集电极与时流经集电极与发射极的电流，称为穿透电流。发射极的电流，称为穿透电流。另一部分是另一部分是 ，它表示，它表示iC中受基极电流中受基极电流iB控制的

36、部分。控制的部分。Bib b 晶体管的放大作用晶体管的放大作用l晶体管放大作用的本质：晶体管放大作用的本质： iB对对iC或或iE对对iC的控制作用的控制作用。为什么能实现放大呢？为什么能实现放大呢？ iBiC输入信号负载VCCVBB晶体管共射电路晶体管共射电路基极电流是由发射结间电压基极电流是由发射结间电压控制的控制的,较小的结间电压变化较小的结间电压变化,就会使基极电流产生相应的就会使基极电流产生相应的变化变化,再通过再通过iB对对iC的控制作的控制作用用,在集电极回路引起了在集电极回路引起了iC对对应的幅度上放大了应的幅度上放大了倍的变倍的变化化. 关于关于PNP型晶体管型晶体管lPNP

37、管与管与NPN管之间的差别：管之间的差别： (1)电压极性不同。电压极性不同。 (2)电流方向不同。电流方向不同。 VBBVCCbceiBiCiE(a) NPN型VBBVCCbceiBiCiE(b) PNP型NPN型和型和PNP型晶体管电路的差别型晶体管电路的差别4. 晶体管的主要参数晶体管的主要参数l晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能指标。指标。l 电流放大系数电流放大系数BCEOCiIi b bb共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数n它表示集电极电压它表示集电极电压uCE一定时，集电极电流和一定时，集电极电流和基极电流之间的关系基极电流之间的关

38、系如果如果iCICEO则则BCii b b 电流放大系数电流放大系数 l A点对应的点对应的iC=6mA，iB=40AuCE(V)iC(mA)051015483.368.81216A20406080iB =100A3DG6的输出特性的输出特性15004. 06BCiib 电流放大系数电流放大系数 l 晶体管晶体管3AX3有较大的穿透电流有较大的穿透电流ICEO5504. 08 . 03 BCEOCiIib b0.823468-uCE(V)iC(mA)iB=00.02mA0.040.060.080.10.140.18B0 3AX3的输出特性的输出特性l 表示集电极负载短路（即表示集电极负载短路（

39、即uCE保持不变）的条件保持不变）的条件下，下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比量之比，即，即b 共射交流短路电流放大系数共射交流短路电流放大系数常数CEBCuiib大表示只要基极电流很小的变化，就可以控大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。用好。b值的求法：值的求法：b在在A点附近找两个点附近找两个uCE相同的点相同的点C和和D13804. 05 . 5 BCiib b所以所以对应于对应于C点，点，iC=8.8mA，iB=60A；对应于对应于D点，点，iC=3.

40、3mA，iB=20A，iC =8.8-3.3=5.5mA，iB=60-20=40A，uCE(V)iC(mA)051015483.368.81216CDA20406080iB =100A3DG6的输出特性的输出特性b 共射交流短路电流放大系数共射交流短路电流放大系数用同样办法可以求出用同样办法可以求出3AX3工作在工作在B点的点的 值。值。 b找出找出F点和点和G点，点，对应于对应于F点，点，iC=3.9mA，iB=0.06mA；对应于对应于G点，点，iC=1.8mA，iB=0.02mA；于是于是iC=3.9-1.8=2.lmA， iB=0.06-0.02=0.04mA，b所以所以 =2.1/0

41、.04=52.5-uCE(V)iC(mA)iB=00.02mA0.040.060.080.10.140.18FBG0 3AX3的输出特性的输出特性0.823468b 共射交流短路电流放大系数共射交流短路电流放大系数l定义定义ECiin 根据晶体管的电流分配关系，可以得根据晶体管的电流分配关系，可以得到下列换算关系到下列换算关系 1111bbbbbb+，共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 和共基交和共基交流电流放大系数流电流放大系数ECECBOCiiiIi bb与与,的数值相差很小的数值相差很小,在后面的分析在后面的分析里里,只用共基极电流放大系数只用共基极电流放大系数 与共射极电流放大系

42、数与共射极电流放大系数 ,而不而不区分是直流或是交流区分是直流或是交流b 极间反向电流极间反向电流 集电极集电极-基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBOlICBO是指发射极开路，集电极与基极之是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也就是集间加反向电压时产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流电结的反向饱和电流。可用下图电路测。可用下图电路测出。出。AICBO(b) PNP管VAICBO(a) NPN管VICBO的测量 集电极集电极-基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBOl反向电压大小改变时，反向电压大小改变时，ICBO的数值可能稍有的数值可能稍有改变。改变。lICBO是少数

43、载流子电流，受温度影响很大，是少数载流子电流，受温度影响很大，ICBO越小越好越小越好。l硅管的硅管的ICBO比锗管的小得多，要求在温度变比锗管的小得多，要求在温度变化范围宽的环境下工作时，应选用硅管；大化范围宽的环境下工作时，应选用硅管；大功率管的功率管的ICBO值较大，使用时应予以注意。值较大，使用时应予以注意。 穿透电流穿透电流ICEOlICEO是基极开路，集电极与发射极间加是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。反向电压时的集电极电流。由于这个电由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。测量为穿透电流。测量ICEO的电路如图

44、所示。的电路如图所示。AbceICEO(a) NPN管管AbceICEO(b) PNP管管ICEO的测量的测量 极限参数极限参数 l 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCMl 晶体管电流晶体管电流iC与电压与电压uCE的乘积称为集电极耗散的乘积称为集电极耗散功率功率PC =iCuCE，这个功率将导致集电结发热，这个功率将导致集电结发热，温度升高。温度升高。l 因此，定出了集电极最大允许耗散功率因此，定出了集电极最大允许耗散功率PCM，工作时管子消耗的平均功率工作时管子消耗的平均功率PC必须小于必须小于PCM。 反向击穿电压反向击穿电压 l反向击穿电压是指各电极间允许加的最反向击穿电

45、压是指各电极间允许加的最高反向电压高反向电压。lU(BR)CBO是发射极开路时，集电极是发射极开路时，集电极-基极基极间的反向击穿电压。间的反向击穿电压。lU(BR)CEO是基极开路时，集电极是基极开路时，集电极-发射极发射极间的反向击穿电压。间的反向击穿电压。lU(BR)EBO是集电极开路时，发射极是集电极开路时，发射极-基极间基极间的反向击穿电压。的反向击穿电压。lU(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO。 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM l集电极电流如果超过集电极电流如果超过ICM，晶体管的放大，晶体管的放大性能就要下降甚至可能损坏性能就要下降甚至可能损坏。lPCM、

46、U(BR)CEO和和ICM三个极限参数，决定三个极限参数，决定了晶体管的安全工作区。了晶体管的安全工作区。 频率参数频率参数l用来评价晶体管高频放大性能的参数。用来评价晶体管高频放大性能的参数。3. 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线l晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压和电流之间的关系曲线。压和电流之间的关系曲线。bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+- NPN型晶体管的电压和电流参考方向型晶体管的电压和电流参考方向l iC+iB=iE uCE =uBEuBC l通常是以发射极为公共端，通常是以发射极为公共端，画出画出iC、iB，uCE和和uBE四个四

47、个量的关系曲线，称为共射量的关系曲线，称为共射极特性曲线。极特性曲线。 共射输入特性共射输入特性 luCE为一固定值时，为一固定值时，iB和和uBE之间的关系曲之间的关系曲线称为共射输入特性，即线称为共射输入特性，即CEuBEBufi)( iB(mA)uBE(V)0.20.40.60.80.020.040.060.080uCE = 0V1V5V3DG4的输入特性的输入特性20输入特性有以下几个特点：输入特性有以下几个特点： l当当uCE=0时，输入特性曲线与二极管的正时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线形状类似。向伏安特性曲线形状类似。ARW1VBBbecVuBE+-iBuCE =0时的

48、晶体管时的晶体管l uCE增加，特性曲线右移。增加，特性曲线右移。 uCE的大小影响基区内集电结边界电子的分布。的大小影响基区内集电结边界电子的分布。l uCE1V以后以后，特性曲线几乎重合。，特性曲线几乎重合。 uCE1V以后以后，基区中集电结边界处的电子浓度，基区中集电结边界处的电子浓度很低。很低。l与二极管的伏安特性相似与二极管的伏安特性相似l正常工作时正常工作时 uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge) 共射输入特性共射输入特性 共射输出特性共射输出特性 liB为固定值时，为固定值时，iC和和uCE之间的关系曲线之间的关系曲线称为共射输出特性，即称为共射输出特性，即Bi

49、CECufi| )( (a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l 截止区截止区: 指指iB0，iCICEO的工作区域。在这个区域

50、中，的工作区域。在这个区域中，电流电流iC很小，基本不导通，故称为截止区。工作在很小，基本不导通，故称为截止区。工作在截止区时，晶体管基本失去放大作用。截止区时，晶体管基本失去放大作用。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b

51、)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l实际上，三极管在实际上，三极管在iB=0时并没有完全截止。为使三极管时并没有完全截止。为使三极管真正截止，真正截止，必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向基区注入载流子基区注入载流子。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性

52、iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l 饱和区饱和区: 指输出特性中指输出特性中iC上升部分与纵轴之间的区域。上升部分与纵轴之间的区域。饱和区特性曲线的特点是饱和区特性曲线的特点是固定固定iB不变时，不变时，iC随随uCE的增加的增加而迅速增大。而迅速增大。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA

53、0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l饱和区是对应于饱和区是对应于uCE较小（较小（uCEUr，uBC0)。CEuCESUl饱和时的饱和时的 值称为饱和压降值称为饱和压降 共射输出特性共射输出特性 l 放大区放大区: 输出特性上在饱和区和截止区之间的区域为放输出特性上

54、在饱和区和截止区之间的区域为放大区。在这个区域里，大区。在这个区域里，iB0，uCEuBE，即，即发射结是正发射结是正向偏置，集电结是反向偏置向偏置，集电结是反向偏置。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特

55、性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l放大区的特点：放大区的特点：iB固定，固定，uCE增加增加iC略有增加。略有增加。luCE固定，固定，iB变化变化iC变化很大，变化很大，iB对对iC的强烈控制作用。的强烈控制作用。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4m

56、A0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 35505.温度对晶体管参数的影响温度对晶体管参数的影响 n主要考虑温度对下述三个参数的影响：主要考虑温度对下述三个参数的影响：n共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数 n基射极间正向电压基射极间正向电压uBEn集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流ICBO。b 温度对温度对ICBO的影响的影响 lICBO是少数载流子形成的电流是少数载流子形成的电流 温度每升高温度每升高10，ICBO增加约一倍增加约一倍。公式为：公式为：10002)()(TTCBOCBO

57、TITI l通常手册上给出的通常手册上给出的ICBO是温度为是温度为25时时的值，如果实际工作温度高于的值，如果实际工作温度高于25，则，则应用上式算出实际值。应用上式算出实际值。 温度对温度对 的影响的影响bn温度升高时温度升高时 随之增大。一般的，温度每随之增大。一般的，温度每升高升高1， 增加约增加约(0.51)%，即，即bbCoTCo/)%15 . 0(251 b bb bb称为称为 的温度系数。的温度系数。 TCbb)25(1on晶体管晶体管的曲线的曲线随温度升高间距增大。随温度升高间距增大。 uCE(V)iC(mA)05101512302040iB =60A输出特性输出特性02040iB =60A25100 温度对温度对 的影响的影响b