第一章　半导体器件 1.1　半导体的特性 1.2　半导体二极管 1.3　双极型三极管(BJT) 1.4　场效应三极管 (FET)

Presentation on theme: "第一章　半导体器件 1.1　半导体的特性 1.2　半导体二极管 1.3　双极型三极管(BJT) 1.4　场效应三极管 (FET)"— Presentation transcript:

1 第一章　半导体器件 1.1　半导体的特性 1.2　半导体二极管 1.3　双极型三极管(BJT) 1.4　场效应三极管 (FET)

2 1.1 半导体的特性 1. 导体：电阻率  < 10-4  · cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。
1.1　半导体的特性 　　1. 导体：电阻率  < 10-4  · cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。 　　2. 绝缘体：电阻率  > 109 · cm 物质。如橡胶、塑料等。 　　3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。 半导体导电性能是由其原子结构决定的。

3 4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。
硅原子结构 最外层电子称价电子 锗原子也是 4 价元素 (a)硅的原子结构图 +4 　　4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。 (b)简化模型 图 1.1.1　硅原子结构

4 1.1.1 本征半导体 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
1.1.1　本征半导体 +4 　　完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 　　将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。 价电子 共价键 　　当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。 图 1.1.2　单晶体中的共价键结构

5 若 T  ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。 T 
+4 若 T  ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。 T  空穴 自由电子 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。 　　空穴可看成带正电的载流子。 图 1.1.3　本征半导体中的 　　　　 自由电子和空穴

6 带负电的自由电子 带正电的空穴 1. 半导体中两种载流子 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。
　　2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。 　　3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。 　　4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 　　5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。

7 1.1.2 杂质半导体 一、 N 型半导体 N 型半导体 杂质半导体有两种 P 型半导体
1.1.2　杂质半导体 N 型半导体 杂质半导体有两种 P 型半导体 一、 N 型半导体 　　在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。

8 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。

9 +4 +5 自由电子 施主原子 图 1.1.4　N 型半导体的晶体结构

10 二、 P 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。 3 价杂质原子称为受主原子。
+4 　　在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。 　　3 价杂质原子称为受主原子。 空穴 +3 　　空穴浓度多于电子浓度，即 p >> n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。 受主原子 图 1.1.5　P 型半导体的晶体结构

11 说明： 1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。
　　1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。 　　2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体的表示方法如下图所示。 (a)N 型半导体 (b) P 型半导体 图 1.1.6　杂质半导体的的简化表示法

12 1.2　半导体二极管 1.2.1　PN 结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 P N PN结 图 1.2.1　PN 结的形成

13 一、 PN 结中载流子的运动 1. 扩散运动 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。 2. 扩散运动形成空间电荷区
　　电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。 　　2. 扩散运动形成空间电荷区 耗尽层 P N 空间电荷区 —— PN 结，耗尽层。 图 1.2.1

14 N P 3. 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间电位差 UD —— 电位壁垒； —— 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
　　4. 漂移运动 阻挡层 P N 空间电荷区 　　内电场有利于少子运动—漂移。 少子的运动与多子运动方向相反 内电场 图 1.2.1(b) UD

15 5. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流 等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与 漂移运动达到动态平衡。 空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米； 电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V, 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。

16 二、 PN 结的单向导电性 N P 1. PN 外加正向电压 又称正向偏置，简称正偏。
空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。 二、 PN 结的单向导电性 1. PN 外加正向电压 又称正向偏置，简称正偏。 P N 空间电荷区 V R I 内电场方向 外电场方向 图 1.2.2

17 　　在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。
　　反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽； 　　不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ； 由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。

18 N P 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。 空间电荷区 IS 内电场方向 外电场方向 R
V R IS 空间电荷区 图 1.2.3　反相偏置的 PN 结 　　反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。

19 　　综上所述： 　　当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 　　可见， PN 结具有单向导电性。

20 1.2.2 二极管的伏安特性 半导体二极管又称晶体二极管。 二极管的结构：
1.2.2　二极管的伏安特性 半导体二极管又称晶体二极管。 二极管的结构： 　　将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。 (a)外形图 (b)符号 图 1.2.4　二极管的外形和符号

21 半导体二极管的类型： 按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。 　　按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。 　　点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。 　　面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。 　　按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。

22 在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。
二极管的伏安特性 　　在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。 – 50 I / mA U / V 0.2 0.4 – 25 5 10 15 –0.01 –0.02 锗管的伏安特性 60 40 20 – 0.002 – 0.004 0.5 1.0 –25 –50 I / mA U / V 正向特性 反向特性 击穿电压 U(BR) 死区电压 硅管的伏安特性 图 1.2.4　二极管的伏安特性

23 当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。
1. 正向特性 当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。 　　相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。 60 40 20 0.4 0.8 I / mA U / V 死区电压 　　当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。 正向特性

24 当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；
– 0.02 – 0.04 –25 –50 I / mA U / V 反向特性 2. 反向特性 　　二极管加反向电压，反向电流很小； 反向饱和电流 击穿电压 U(BR) 　　当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和； 　　如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大； 这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。 　　击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。

25 3. 伏安特性表达式(二极管方程) IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT  26 mV 　　二极管加反向电压，即 U < 0，且 |U| >> UT ，则 I  - IS。 　　二极管加正向电压，即 U > 0，且 U >> UT ，则 　　　　　，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系。

26 结论： 　　二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。 　　从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。

27 1.2.3 二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压 UR
1.2.3　二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压 UR 　　工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。 3. 反向电流 IR 通常希望 IR 值愈小愈好。 4. 最高工作频率 fM 　　fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。

28 *1.2.4 二极管的电容效应 - - + + 当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。
*1.2.4　二极管的电容效应 　　当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。 势垒电容 电容效应包括两部分 扩散电容 1. 势垒电容 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。 - N 空间 电荷区 P V R I + U N 空间 电荷区 P R I + - U V (a) PN 结加正向电压 （b) PN 结加反向电压

29 空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。
　　空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。 势垒电容的大小可用下式表示：  ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。 O U Cb 图 1.2.8 　　由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 U 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。

30 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。
2. 扩散电容 Cd 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 　　在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。 　　当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。 O x nP 2  Q  Q  Q 　　正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 —— 扩散电容效应。 Q 1 　　当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。 x = 0 处为 P 与 N 区的交界处 图 1.2.9

31 综上所述： 　　PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj  Cd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj  Cb。 　　Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。

32 1.2.5 稳压管 + 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。 稳压管工作于反向击穿区。 I/mA U U/V I
O 1.2.5　稳压管  正向 　　一种特殊的面接触型半导体硅二极管。 U 　　稳压管工作于反向击穿区。 I  + 反向 + (b)稳压管符号 图 　稳压管的伏安特性和符号 (a)稳压管伏安特性

33 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压(区间)。
稳压管的参数主要有以下几项： 1. 稳定电压 UZ 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压(区间)。 2. 稳定电流 IZ 正常工作的参考电流。I < IZ 时 ，管子的稳压性能差； I > IZ ，只要不超过额定功耗即可。 IZmin < I Z< IZmax 3. 动态电阻 rZ IZ/mA IZ = 5 mA rZ  16  IZ = 20 mA rZ  3  　　rZ 愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大， rZ 值愈小。

34 稳压管的参数主要有以下几项： 4. 电压温度系数 U 　　稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 ℃ 引起稳定电压变化的百分比。 　　(1) UZ > 7 V, U > 0；UZ < 4 V，U < 0； 　 (2) UZ 在 4 ~ 7 V 之间，U 值比较小，性能比较稳定。 　 2CW17：UZ = 9 ~ 10.5 V，U = 0.09 %/℃ 　　2CW11：UZ = 3.2 ~ 4.5 V，U = -(0.05 ~ 0.03)%/℃ 　　(3) 2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。

35 管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。
2DW7 系列稳压管结构 　　管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。 　　温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，使 1、2 两端之间的电压随温度的变化很小。例： 2DW7C，U = %/℃ (a)2DW7 稳压管外形图 (b)内部结构示意图 图 　2DW7 稳压管

36 5. 额定功耗 PZ IZ < IZM ，电阻值合适。 额定功率决定于稳压管允许的温升。 PZ = UZIZM
VDZ +20 V R = 1.6 k + UZ = 12 V - IZM = 18 mA 例题电路图 5. 额定功耗 PZ 　　额定功率决定于稳压管允许的温升。 PZ = UZIZM PZ 会转化为热能，使稳压管发热。 在手册中给出 IZM，IZM = PZ/UZ 　　[例] 求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？ [解] IZ < IZM ，电阻值合适。

37 + + 使用稳压管需要注意的几个问题： 1. 外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；
IZ IR UI + UO IO + VDZ R RL 　　2. 稳压管应与负载电阻 RL 并联； 　　3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。 图 　稳压管电路

38 1.3 双极型三极管(BJT) 又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。 (Bipolar Junction Transistor)
　　又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。 (Bipolar Junction Transistor) 三极管的外形如下图所示。 图 1.3.1　三极管的外形 　　三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。

39 1.3.1 三极管的结构 e c b P N 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。 二氧化硅 b e P c N
1.3.1　三极管的结构 　　常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。 N e c P b 二氧化硅 b e c P N e 发射极，b基极，c 集电极。 (a)平面型(NPN) (b)合金型(PNP) 图1.3.2　三极管的结构

40 b e SiO2 c 平面型(NPN)三极管制作工艺
　　在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(基区)，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。 SiO2 硼杂质扩散 硼杂质扩散 硼杂质扩散 磷杂质扩散 磷杂质扩散 磷杂质扩散 N P N c 　　合金型三极管制作工艺：在 N 型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。

41 N P 集电极 c 集电区 c 集电结 基极 b 基区 b 发射结 e 发射区 符号 发射极 e
图 1.3.3　三极管结构示意图和符号　　(a)NPN 型

42 集电极 c 集电区 P 集电结 c 基极 b 基区 发射结 b 发射区 e 符号 发射极 e
N P 图 1.3.3　三极管结构示意图和符号　　(b)PNP 型 集电区 集电结 c b e 符号 基极 b 基区 发射结 发射区 发射极 e

43 1.3.2 三极管的放大作用 和载流子的运动 c c N b b P e e 以 NPN 型三极管为例讨论
1.3.2　三极管的放大作用 　　　　和载流子的运动 以 NPN 型三极管为例讨论 c N P e b b e c 　　三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。 表面看 　不具备放大作用 图1.3.4　三极管中的两个 PN 结

44 N P e b c P P P N N N 三极管内部结构要求： 1. 发射区高掺杂。
　　1. 发射区高掺杂。 　　2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。 P P P N N N 3. 集电结面积大(掺杂浓度比发射区低)。 　　三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。

45 三极管中载流子运动过程 　　1. 发射　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)。 b e c Rc Rb IB 　　2. 复合和扩散　电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。 I E 　　多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。 图 1.3.5　三极管中载流子的运动

46 I C I B I E 三极管中载流子运动过程 3. 收集 集电结反偏，有利于收集基区惯性作用扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。
　　其能量来自外接电源 VCC 。 b e c I E I B Rc Rb I C ICBO 　　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。 图 1.3.5　三极管中载流子的运动

47 IC Rc IB Rb IE 三极管的电流分配关系 IC = Icn+ ICBO(漂移)
　　三极管的电流分配关系 b e c Rc Rb IC ICn IC = Icn+ ICBO(漂移) ICBO 　　一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大。而二者之比称共基直流电流放大系数，即 IB IBn IEp IEn IE 一般可达 0.95 ~ 0.99

48 三个极的电流之间满足节点电流定律，即 IE = IC + IB 代入(1)式，得 其中： 　　共射直流电流放大系数。 则 IC

49 上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称穿透电流。
当 ICEO<< IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得 　　共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。 一般 值约为几十 ~ 几百。

50 1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB< IC< IE, IC  IE。
三极管的电流分配关系 一组三极管电流关系典型数据 IB/mA IC/mA IE/mA 1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB< IC< IE, IC  IE。 　　2. 当 IB 有微小变化时，  IC 较大。说明三极管具有电流放大作用。 3. 共射电流放大系数 共基电流放大系数

51 4. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。
在表的第二列数据中， I B = 0，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。 IB/mA IC/mA IE/mA

52 　　根据  和  的定义，以及三极管中三个电流的关系，可得
故  与  两个参数之间满足以下关系： 　　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。

53 1.3.3 三极管的特性曲线    + - + - + -  特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。 输入特性：
1.3.3　三极管的特性曲线 　　特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。 输入特性： VCC Rb VBB c e b Rc IC +  mA + UCE - + UCE - + UCE - 输出特性： IB IB IB IB 输出 回路 V  + A  + UCE V  + 输入 回路 UBE 图 1.3.6　三极管共射特性曲线测试电路

54 一、输入特性 (1) UCE = 0 时的输入特性曲线
Rb VBB c e b IB + UBE _ 一、输入特性 (1) UCE = 0 时的输入特性曲线 VBB IB + UBE _ b c e 当 UCE = 0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当 b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。 O IB/A 图 1.3.7(上中图)　 图 1.3.8(下图)　

55  * UCE ≥ 1 V，特性曲线重合。 + (2) UCE > 0 时的输入特性曲线
UCE > UBE，三极管处于放大状态。 IB UCE IC VCC Rb VBB c e b RC V  + A mA UBE * 特性右移(因集电结开始吸引电子，与基区复合减少)。 　　* UCE ≥ 1 V，特性曲线重合。 O IB/A UCE ≥ 1 时的输入特性具有实用意义。 图 1.3.8　三极管的输入特性 图 1.3.6　三极管共射特性曲线测试电路

56 二、输出特性 划分三个区：截止区、放大区和饱和区。 1. 截止区 IB ≤ 0 的区域。
IC / mA UCE /V 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA IB = 0 O 4 3 2 1 　　划分三个区：截止区、放大区和饱和区。 　　1. 截止区　IB ≤ 0 的区域。 饱和区 放 大 区 放 大 区 　　IB= 0 时，IC = ICEO，。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 ~ 几百微安。 截止区 　　两个结都处于反向偏置。 截止区 截止区 图 1.3.9　NPN 三极管的输出特性曲线

57 二、输出特性 2. 放大区： 条件：发射结正偏 集电结反偏 对 NPN 管 UBE > 0，UBC < 0
IC / mA UCE /V 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA IB =0 O 4 3 2 1 条件：发射结正偏 　　　集电结反偏 对 NPN 管 UBE > 0，UBC < 0 放 大 区 放 大 区 放 大 区 　　特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。 　　集电极电流和基极电流体现放大作用，即 图 1.3.9　NPN 三极管的输出特性曲线

58 对 NPN 型管，UBE > 0 UBC > 0 。
3. 饱和区： IC / mA UCE /V 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA IB =0 O 4 3 2 1 条件：两个结均正偏 　　对 NPN 型管，UBE > 0 UBC > 0 。 特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。 I C   IB。 饱和区 饱和区 饱和区 当 UCE = UBE，即 UCB = 0 时，称临界饱和，UCE < UBE时称为过饱和。 饱和管压降 UCES < 0.4 V(硅管)，UCES< 0. 2 V(锗管)

59 三极管的三种工作状态 工作状态 NPN PNP 特点 截止状态 E结、C结反偏; UB> UE ; UB<UC
放大状态 E结正偏、C结反偏；UC>UB>UE E结正偏、C结 反偏; UC<UB<UE C≈B 饱和状态 E结、C结正偏; UB>UE ; UB>UC E结、C结正偏; UB<UE ; UB<UC UCE=UCES

60 1.3.4 三极管的主要参数 一、电流放大系数 三极管的连接方式 是表征管子放大作用的参数。有以下几个： VCC Rb + VBB C1 T
1.3.4　三极管的主要参数 三极管的连接方式 VCC Rb + VBB C1 T IC IB C2 Rc (a)共发射极接法 IC IE + C2 C1 VEE Re VCC Rc (b)共基极接法 图 　NPN 三极管的电流放大关系 一、电流放大系数 是表征管子放大作用的参数。有以下几个：

61 1. 共射电流放大系数  3. 共基电流放大系数  2. 共射直流电流放大系数 4. 共基直流电流放大系数 忽略穿透电流 ICEO 时， 忽略反向饱和电流 ICBO 时，  和  这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：

62 二、反向饱和电流 1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO 小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。
e b A (a)ICBO测量电路 2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO 　　当 b 开路时， c 和 e 之间的电流。 ICEO A c e b (b)ICEO测量电路 值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。 图 　反向饱和电流的测量电路

63 三、 极限参数 1. 集电极最大允许电流 ICM 当 IC 过大时，三极管的  值要减小。在 IC = ICM 时，  值下降到额定值的三分之二。 2. 集电极最大允许耗散功率 PCM IC UCE O 将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。 PCM = ICUCE 过 损 耗 区 过 损 耗 区 过 损 耗 区 安 全 工 作 区 安 全 工 作 区 安 全 工 作 区 ICUCE < PCM 为安全工作区 ICUCE > PCM 为过损耗区 图 　三极管的安全工作区

64 外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。
3. 极间反向击穿电压 外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。 　　U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。 IC U(BR)CEO UCE O 过 损 耗 区 安 全 工 作 过流区 ICM 　　U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。 过电压 　　安全工作区同时要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。 图 　三极管的安全工作区

65 1.3.5 PNP 型三极管 ~ +  uo ui ~ +  uo ui
　　放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。 (a) NPN 型 VCC VBB RC Rb ~ N P +  uo ui (b) PNP 型 VCC VBB RC Rb ~ +  uo ui 图 　三极管外加电源的极性

66 + ()  (+) PNP 三极管电流和电压实际方向。 PNP 三极管各极电流和电压的规定正方向。
UCE UBE (+) () IE IB IC e b C UCE UBE +  IE IB IC e b C PNP 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。 　　电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE 、UCE 为负值；输入与输出特性曲线横轴为(- UBE) 、(- UCE)。发射极电流方向与发射极符号的箭头方向一致。

67 1.4 场效应三极管 只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。 结型场效应管 场效应管分类
1.4　场效应三极管 　　只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。 结型场效应管 场效应管分类 绝缘栅场效应管 单极型器件(一种载流子导电)； 输入电阻高； 特点 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。

68 1.4.1 结型场效应管 一、结构 符号 高掺杂 在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。
1.4.1　结型场效应管 一、结构 符号 D 漏极 耗尽层(PN 结) P 型区 高掺杂 N 　　在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。 P+ N型沟道 G S 栅极 N型硅棒 　　导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。 源极 图 1.4.1　N 沟道结型场效应管结构图

69 P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。
G S D 符号 G D S 图 1.4.2　P 沟道结型场效应管结构图

70 二、工作原理 栅极 N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。
源极 漏极 P+ 耗尽层 　　*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。 *耗尽层的宽度改变主要在沟道区。

71 1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。
UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽 UGS 由零逐渐增大(负值)，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。 当 UGS = UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压 UP 为负值。 ID = 0 G D S N型沟道 P+ (a) UGS = 0 ID = 0 G D S P+ N型沟道 (b) UGS < 0 VGG ID = 0 G D S P+ (c) UGS = UP VGG

72 2. 在漏源极间加正向 VDD，使 UDS > 0，在栅源间加负电源 VGG，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID 。
(b) (a) G D S N IS ID P+ VDD G D S P+ N IS ID VDD VGG UGS(off) UGS = 0，UDG < ，ID 较大。 UGS < 0，UDG < ，ID 较小。 注意：当 UDS > 0 时，耗尽层呈现楔形。 (漏极处反偏最大)

73 UGS < 0,UDG = |UP|, ID更小, 预夹断 UGS ≤UP ,UDG > |UP|,ID  0,夹断
N IS ID VDD VGG (c) (d) G D S IS ID P+ VDD VGG UGS < 0,UDG = |UP|, ID更小, 预夹断 UGS ≤UP ,UDG > |UP|,ID  0,夹断 (1) 改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID ，故称场效应管； (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。

74  三、特性曲线 + 1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例) 夹断电压 UP (ID = 0 时的 UGS) 两个重要参数
UDS ID VDD VGG D S G V  + UGS 图 1.4.5　特性曲线测试电路 mA UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID  0。 O UGS ID IDSS UP 图 1.4.6　转移特性 夹断电压 UP (ID = 0 时的 UGS) 两个重要参数 饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID)

75 当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即
1. 转移特性 O uGS/V ID/mA IDSS UP 图 1.4.6　转移特性 结型场效应管转移特性曲线的近似公式： ≤ 2. 漏极特性 　　当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即

76  + 漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。 ID VDD VGG 图 1.4.5 特性曲线测试电路
预夹断轨迹 恒流区 击穿区 ID/mA UDS /V O UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 UDS ID VDD VGG D S G V  + UGS 图 1.4.5　特性曲线测试电路 mA 可变电阻区 IDSS/V 图 1.4.6(b)　漏极特性 　　漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。

77 场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。
　　场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。 ID/mA -0.5 -1 -1.5 UGS /V 5 ID/mA UDS /V UGS = 0 -0.4 V -0.8 V -1.2 V -1.6 V 10 15 20 25 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 UDS = 常数 UDS = 15 V 图 1.4.7　在漏极特性上用作图法求转移特性 　　结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107  以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。

78 1.4.2 绝缘栅型场效应管 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。
1.4.2　绝缘栅型场效应管 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 109  以上。 增强型 N 沟道 耗尽型 类型 增强型 P 沟道 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型场效应管。

79 图 1.4.8 N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图
栅极 G 1. 结构 S G D SiO2 漏极 D 源极 S P 型衬底 N+ N+ 四个电极 B 衬底引线 B 图 1.4.8　N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图

80 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 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。 工作原理分析 S B D 图 1.4.9 (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。

81 (2) UDS = 0，0 < UGS < UT
P 型衬底 N+ B G S D VGG P 型衬底中的一些电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。 - - - - N 型沟道 (3) UDS = 0，UGS ≥ UT 　　由于吸引了足够多的电子， 备注 会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 —— 反型层、N 型(电荷)导电沟道。 UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。 UT 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。

82 (4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS > UT，且UGS不变 )
a. UDS < UGS – UT ，即 UGD = UGS – UDS > UT 　　导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。 P 型衬底 N+ B G S D VGG VDD P 型衬底 N+ B G S D VGG VDD P 型衬底 N+ B G S D VGG VDD b. UDS= UGS – UT， UGD = UT 夹断区 　　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。

83 UDS 小 UDS 大 D B G S B G S D B G S D 图 1.4.11 UDS 对导电沟道的影响
P型衬底 N+ B G S VGG VDD P型衬底 N+ B G S D VGG VDD P型衬底 N+ B G S D VGG VDD 夹断区 (a) UGD > UT (b) UGD = UT (c) UGD < UT 图 　UDS 对导电沟道的影响

84 三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。 UGS < UT ，ID = 0；
3. 特性曲线 (b)漏极特性 (a)转移特性 　　三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。 UGS < UT ，ID = 0； 　　UGS ≥ UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大： ID/mA UDS /V O 预夹断轨迹 恒流区 击穿区 可变电阻区 S G D B UT 2UT IDO UGS /V ID /mA O 图 (b) 图 (a)

85 二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 　　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； P型衬底 N+ B G S D ++++++ ++++++ ++++++ 　　UGS < 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小； 　　UGS = - UP , 感应电荷被“耗尽”，ID  0。 图 UP 称为夹断电压

86 N 沟道耗尽型 MOS 管特性 工作条件： UDS > 0； UGS 正、负、零均可。 D 图 1.4.14 特性曲线 B G
ID/mA UDS /V O +1V UGS=0 -3 V -1 V -2 V 4 3 2 1 5 10 15 20 ID/mA UGS /V O UP (a)转移特性 IDSS 工作条件： UDS > 0； UGS 正、负、零均可。 S G D B 图 　特性曲线 图 　MOS 管的符号

87 1.4.3 场效应管的主要参数 一、直流参数 饱和漏极电流 IDSS 为耗尽型场效应管的一个重要参数。 2. 夹断电压 UP
1.4.3　场效应管的主要参数 一、直流参数 饱和漏极电流 IDSS 为耗尽型场效应管的一个重要参数。 2. 夹断电压 UP 为耗尽型场效应管的一个重要参数。 3. 开启电压 UT 为增强型场效应管的一个重要参数。 4. 直流输入电阻 RGS 　　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 。

88 二、交流参数 1. 低频跨导 gm 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。
单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS) 2. 极间电容 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。

89 三、极限参数 1. 漏极最大允许耗散功率 PDM 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。
2. 漏源击穿电压 U(BR)DS 当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 3. 栅源击穿电压U(BR)GS 场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS > U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。

90 - 表 1-2 各类场效应管的符号和特性曲线 种 类 符 号 转移特性 漏极特性 结型 N 沟道 耗尽型 P 沟道 绝缘 栅型 增强型 +
表 1-2　各类场效应管的符号和特性曲线 种 类 符 号 转移特性 漏极特性 结型 N 沟道 耗尽型 P 沟道 绝缘 栅型 增强型 ID UGS= 0V - UDS O S G D UGS ID /mA UP IDSS O ID UGS= 0V + UDS o UGS ID UP IDSS O S G D + UGS = UT UDS ID O S G D B UGS ID O UT

91 种 类 符 号 转移特性 漏极特性 绝缘 栅型 N 沟道 P 沟道
耗尽型 P 沟道 增强型 ID UGS UP IDSS O UDS ID _ UGS=0 + O ID S G D B _ ID UGS=UT UDS o S G D B ID ID UGS UT O ID UGS UP IDSS O UGS= 0V + _ ID UDS o S G D B ID

92 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 单极型场效应管 载流子 多子及少子 多子 控制 电流控制电流源 电压控制电流源 输入电阻
约1千欧 107欧以上 噪声 较大 较小 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 制造工艺 不宜大规模集成 适宜大规模和超大规模集成

93 本章要求掌握的内容： 二极管的伏安特性及主要参数 稳压二极管的伏安特性及主要参数 三极管的输入/输出特性及主要参数
场效应三极管的输入/输出特性及主要参数 对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。

94 作业： 习题：1-3，1-4，1-6，1-8，1-9，1-13，1-15，1-16