基本半導(dǎo)體分立器課件

1、第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 第第1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)與半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)結(jié) 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 1.3 特殊二極管特殊二極管1.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 1.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)與半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)結(jié) 1.1.1 半導(dǎo)體的基本特性 在自然界中存在著許多不同的物質(zhì)， 根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體、 絕緣體和半導(dǎo)體三大類。 通常將很容易導(dǎo)電、 電阻率小于10-4cm的物質(zhì)， 稱為導(dǎo)體， 例如銅、 鋁、

2、 銀等金屬材料； 將很難導(dǎo)電、 電阻率大于1010cm的物質(zhì)， 稱為絕緣體， 例如塑料、 橡膠、 陶瓷等材料； 將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、 電阻率在10-3109cm范圍內(nèi)的物質(zhì)， 稱為半導(dǎo)體。 常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1. 熱敏性 所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加。 半導(dǎo)體的電阻率對(duì)溫度的變化十分敏感。 例如純凈的鍺從20 升高到30 時(shí)， 它的電阻率幾乎減小為原來(lái)的1/2。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2. 光敏性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光

3、敏性。 一種硫化鎘薄膜， 在暗處其電阻為幾十兆歐姆， 受光照后， 電阻可以下降到幾十千歐姆， 只有原來(lái)的1%。 自動(dòng)控制中用的光電二極管和光敏電阻， 就是利用光敏特性制成的。 而金屬導(dǎo)體在陽(yáng)光下或在暗處， 其電阻率一般沒(méi)有什么變化。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3. 雜敏性 所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。 在半導(dǎo)體硅中， 只要摻入億分之一的硼， 電阻率就會(huì)下降到原來(lái)的幾萬(wàn)分之一。 所以， 利用這一特性， 可以制造出不同性能、 不同用途的半導(dǎo)體器件， 而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì)， 對(duì)其電阻率也幾乎沒(méi)有什么影響。 半導(dǎo)體之所以具有上述

4、特性， 根本原因在于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.1.2 本征半導(dǎo)體 在近代電子學(xué)中， 最常用的半導(dǎo)體材料就是硅和鍺， 下面以它們?yōu)槔?介紹半導(dǎo)體的一些基本知識(shí)。 一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的， 而每個(gè)原子都由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成。 由于內(nèi)層電子受原子核的束縛較大， 很難活動(dòng)， 因此物質(zhì)的特性主要由受原子核的束縛力較小的最外層電子， 也就是價(jià)電子來(lái)決定。 硅原子和鍺原子的電子數(shù)分別為32和14， 所以它們最外層的電子都是四個(gè)， 是四價(jià)元素。 其原子結(jié)構(gòu)可以表示成如圖1-1所示的簡(jiǎn)化模型。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本

5、半導(dǎo)體分立器件 圖1-1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 在實(shí)際應(yīng)用中， 必須將半導(dǎo)體提煉成單晶體使它的原子排列由雜亂無(wú)章的狀態(tài)變成有一定規(guī)律、 整齊地排列的晶體結(jié)構(gòu)， 如圖1-2所示， 稱為單晶。 硅和鍺等半導(dǎo)體都是晶體， 所以半導(dǎo)體管又稱晶體管。 通常把純凈的不含任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-2 本征硅（或鍺）的晶體結(jié)構(gòu)（a） 結(jié)構(gòu)圖； （b） 平面示意圖與共價(jià)鍵 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 從圖1-2（b）的平面示意圖可以看出， 硅和鍺原子組成單晶的組

6、合方式是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。 每個(gè)價(jià)電子都要受到相鄰的兩個(gè)原子核的束縛， 每個(gè)原子的最外層就有了八個(gè)價(jià)電子而形成了較穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。 所以， 半導(dǎo)體的價(jià)電子既不像導(dǎo)體的價(jià)電子那樣容易掙脫成為自由電子， 也不像在絕緣體中被束縛的那樣緊。 由于導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱， 在微觀上看就是單位體積中能自由移動(dòng)的帶電粒子數(shù)目的多少， 因此， 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1 本征激發(fā)與復(fù)合 在絕對(duì)零度（273 ）時(shí)， 半導(dǎo)體中的價(jià)電子不能脫離共價(jià)鍵的束縛， 所以在半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子， 半導(dǎo)體呈現(xiàn)不能導(dǎo)電的絕緣體特性。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基

7、本半導(dǎo)體分立器件 當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下， 本征硅或鍺中的一些價(jià)電子從熱運(yùn)動(dòng)中獲得了足夠的能量， 掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為帶單位負(fù)電荷的自由電子。 同時(shí)， 在原來(lái)的共價(jià)鍵位置上留下一個(gè)相當(dāng)于帶有單位正電荷電量的空位， 稱之為空穴， 也叫空位。 這種現(xiàn)象， 叫做本征激發(fā)。 在本征激發(fā)中， 帶一個(gè)單位負(fù)電荷的自由電子和帶一個(gè)單位正電荷的空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的， 所以稱之為自由電子空穴對(duì)， 如圖1-3所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-3 本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì) 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 自由電子和空穴在熱運(yùn)動(dòng)中又可能重新相遇結(jié)合

8、而消失， 叫做復(fù)合。 本征激發(fā)和復(fù)合總是同時(shí)存在、 同時(shí)進(jìn)行的， 這是半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行的一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)。 在溫度一定的情況下， 本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡， 單位時(shí)間本征激發(fā)出的自由電子空穴對(duì)數(shù)目正好等于復(fù)合消失的數(shù)目， 這樣在整塊半導(dǎo)體內(nèi)， 自由電子和空穴的數(shù)目保持一定。 一般在室溫時(shí)， 純硅中的自由電子濃度n和空穴濃度p為 ni=n=p1.51010(個(gè)/cm3) （1-1）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 對(duì)于純鍺來(lái)說(shuō)， 這個(gè)數(shù)據(jù)約為2.51013個(gè)/cm3， 而金屬導(dǎo)體中的自由電子濃度約為1022個(gè)/cm3。 從數(shù)字上可以看出， 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的。 溫度越高

9、， 本征激發(fā)越激烈， 產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)越多， 當(dāng)半導(dǎo)體重新達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的自由電子或空穴的濃度就越高， 導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。 這實(shí)際上就是半導(dǎo)體材料具有熱敏性和光敏性的本質(zhì)原因。第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 自由電子運(yùn)動(dòng)與空穴運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過(guò)分析， 我們知道在本征半導(dǎo)體中， 每本征激發(fā)出一個(gè)自由電子， 就會(huì)留下一個(gè)空穴， 這時(shí)本來(lái)不帶電的原子， 就相當(dāng)于帶正電的正離子， 或者說(shuō)留下的這個(gè)空穴相當(dāng)于帶一個(gè)單位的正電荷。 在熱能或外加電場(chǎng)的作用下， 鄰近原子帶負(fù)電的價(jià)電子很容易跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位， 這相當(dāng)于此處的空穴消失了， 但卻轉(zhuǎn)移到相鄰的那個(gè)原子處去了， 如圖1-4所示，

10、 價(jià)電子由B到A的運(yùn)動(dòng)， 就相當(dāng)于空穴從A移動(dòng)到B。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-4 空穴運(yùn)動(dòng) 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-5 本征半導(dǎo)體中載流子的導(dǎo)電方式 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 因此， 半導(dǎo)體中有兩種載流子： 一種是帶負(fù)電荷的自由電子， 一種是帶正電荷的空穴。 它們?cè)谕饧与妶?chǎng)的作用下都會(huì)出現(xiàn)定向移動(dòng)。 微觀上載流子的定向運(yùn)動(dòng)， 在宏觀上就形成了電流。 自由電子逆電場(chǎng)方向移動(dòng)形成電子電流IN， 空穴順電場(chǎng)方向移動(dòng)形成空穴電流IP， 如圖1-5所示。 所以半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)作用下， 電路中總的電流I是空

11、穴電流IP和電子電流IN的和， 即 I=IN+IP （1-2）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體 由于半導(dǎo)體具有雜敏性， 因此利用摻雜可以制造出不同導(dǎo)電能力、 不同用途的半導(dǎo)體器件。 根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同， 又可分為N型（電子型）半導(dǎo)體和P型（空穴型）半導(dǎo)體。 1 N型半導(dǎo)體 在四價(jià)的本征硅（或鍺）中， 摻入微量的五價(jià)元素磷（P）之后， 磷原子由于數(shù)量較少， 不能改變本征硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)， 而是和本征硅一起組成共價(jià)鍵， 如圖1-6所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-6 N型半導(dǎo)體 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體

12、分立器件 在N型半導(dǎo)體中， 由于摻雜帶來(lái)的自由電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征載流子濃度， 因此多子濃度約等于摻雜的雜質(zhì)濃度， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于少子空穴的濃度。 所以當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)， 流過(guò)N型半導(dǎo)體的電流應(yīng)為 I=IN+IPIN （1-3）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 P型半導(dǎo)體 在四價(jià)的本征硅（或鍺）中摻入微量的三價(jià)元素硼（B）之后， 參照上述分析， 硼原子也和周圍相鄰的硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)， 如圖1-7所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-7 P型半導(dǎo)體 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 三價(jià)硼原子的最外層只有三個(gè)價(jià)電子， 和相鄰的三

13、個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵后， 尚缺一個(gè)價(jià)電子不能組成共價(jià)鍵， 因此出現(xiàn)了一個(gè)空位， 即空穴。 這樣鄰近原子的價(jià)電子就可以跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位。 所以硼原子摻入后一方面提供了一個(gè)帶正電荷的空穴， 一方面自己成為了帶負(fù)電的離子， 即摻入一個(gè)硼原子就相當(dāng)于摻入了一個(gè)能接受電子的空穴， 所以稱三價(jià)元素硼為受主雜質(zhì)， 此時(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體中的空穴濃度約等于摻雜濃度， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度， 稱空穴為多子、 自由電子為少子。 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體叫做P型（空穴型）半導(dǎo)體。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 同樣， 這種P型半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)的作用下， 總的電路電流應(yīng)為 I=IN+IPIP （1-4） 整塊半

14、導(dǎo)體宏觀上仍為電中性。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.1.4 PN結(jié)的形成與單向?qū)щ娦?幾乎所有的半導(dǎo)體器件都是由不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的PN結(jié)構(gòu)成的， 因此， 我們先來(lái)了解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。 1 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體上通過(guò)某種摻雜工藝， 使其形成N型區(qū)和P型區(qū)兩部分后， 在它們的交界處就形成了一個(gè)特殊薄層， 這就是PN結(jié)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1） 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)建立內(nèi)電場(chǎng) 如圖1-8（a）所示， 和 分別代表P區(qū)和N區(qū)的受主和施主離子（為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)， 硅原子未畫出）， 由于 P區(qū)的多子是空穴， N區(qū)的多子是自由電子， 因此在

15、P區(qū)和N區(qū)的交界處自由電子和空穴都要從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散。 這種載流子在濃度差作用下的定向運(yùn)動(dòng)， 叫做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后， 使對(duì)方區(qū)域的多子因復(fù)合而耗盡， 所以P區(qū)和N區(qū)的交界處就僅剩下了不能移動(dòng)的帶電施主和受主離子， N區(qū)形成正離子區(qū)， P區(qū)形成負(fù)離子區(qū)， 形成了一個(gè)電場(chǎng)方向從N區(qū)指向P區(qū)的空間電荷區(qū)， 這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)， 簡(jiǎn)稱內(nèi)電場(chǎng)， 如圖1-8（b）所示。 在這個(gè)區(qū)域內(nèi)， 多子已擴(kuò)散到對(duì)方因復(fù)合而消耗殆盡， 所以又稱耗盡層。 在耗盡層以外的區(qū)域仍呈電中性。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖

16、1-8 PN結(jié)的形成（a） 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng); （b） PN結(jié)中的內(nèi)電場(chǎng)與少子漂移 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散、 幫助少子漂移運(yùn)動(dòng)， 形成平衡PN結(jié)由于內(nèi)電場(chǎng)的方向是從N區(qū)指向P區(qū)， 因此這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)的方向?qū)Χ嘧赢a(chǎn)生的電場(chǎng)力正好與其擴(kuò)散方向相反， 對(duì)多子的擴(kuò)散起了一個(gè)阻礙的作用， 使多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱。 內(nèi)電場(chǎng)對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少子同樣產(chǎn)生了電場(chǎng)力的作用。 由于P區(qū)的少子是自由電子， N區(qū)的少子是空穴， 因此內(nèi)電場(chǎng)對(duì)少子的運(yùn)動(dòng)起到了加速的作用。 這種少數(shù)載流子在電場(chǎng)力作用下的定向移動(dòng)， 稱為漂移運(yùn)動(dòng)， 如圖1-8（b）所示。 第第1 1章章 基本半

17、導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?未加外部電壓時(shí)， PN結(jié)內(nèi)無(wú)宏觀電流， 只有外加電壓時(shí)， PN結(jié)才顯示出單向?qū)щ娦浴?1） 外加正偏電壓時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通 將PN結(jié)的P區(qū)接較高電位（比如電源的正極）， N區(qū)接較低電位（比如電源的負(fù)極）， 稱為給PN結(jié)加正向偏置電壓， 簡(jiǎn)稱正偏， 如圖1-9所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 PN結(jié)正偏時(shí)， 外加電場(chǎng)使PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破， 由于外電場(chǎng)與PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相反， 內(nèi)電場(chǎng)被削弱， 擴(kuò)散增強(qiáng)， 漂移幾乎減弱為0， 因此， PN結(jié)中形成了以擴(kuò)散電流為主的正向電流IF。 因?yàn)槎嘧訑?shù)量較多， 所以IF較大。

18、為了防止較大的IF將PN結(jié)燒壞， 應(yīng)串接限流電阻R。 擴(kuò)散電流隨外加電壓的增加而增加， 當(dāng)外加電壓增加到一定值后， 擴(kuò)散電流隨正偏電壓的增大而呈指數(shù)上升。 由于PN結(jié)對(duì)正向偏置呈現(xiàn)較小的電阻（理想狀態(tài)下可以看成是短路情況）， 因此稱之為正偏導(dǎo)通狀態(tài)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-9 PN結(jié)外加正偏電壓 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-10 PN結(jié)外加反偏電壓 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 外加反偏電壓時(shí)PN結(jié)截止 將PN結(jié)的P區(qū)接較低電位（比如電源的負(fù)極）， N區(qū)接較高電位（比如電源的正極）， 稱為給PN

19、結(jié)加反向偏置電壓， 簡(jiǎn)稱反偏， 如圖1-10所示。 PN結(jié)反偏時(shí)， 外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同， 內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)， 使多子擴(kuò)散減弱到幾乎為零。 而漂移運(yùn)動(dòng)在內(nèi)電場(chǎng)的作用下， 有所增強(qiáng)， 在PN結(jié)電路中形成了少子漂移電流。 漂移電流和正向電流的方向相反， 稱為反向電流IR。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與類型 導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同， 可分為點(diǎn)接觸型、 面接觸型和平面型三種。 常見(jiàn)二極管的結(jié)構(gòu)、 外形和電路符號(hào)如圖1-11所示。 二極管的兩極分別叫做正極或陽(yáng)極（P區(qū)）， 負(fù)極或陰極（N區(qū)）。 第第1 1章章 基本

20、半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-11 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、 外形與電路符號(hào)（a） 點(diǎn)接觸型; （b） 面接觸型; （c） 平面型; （d） 電路符號(hào); （e） 常見(jiàn)二極管的外形第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.2.2 二極管的伏安特性曲線與近似模型 1伏安特性曲線 二極管的伏安特性也就是PN結(jié)的伏安特性。 把二極管的電流隨外加偏置電壓的變化規(guī)律， 稱為二極管的伏安特性， 以曲線的形式描繪出來(lái)， 就是伏安特性曲線。 二極管的伏安特性曲線如圖1-12所示， 下面分三部分對(duì)二極管的伏安特性曲線進(jìn)行分析。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-12

21、 二極管的伏安特性第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1） 正向特性外加正偏電壓UF 當(dāng)UF0時(shí)， IF0， PN結(jié)處于平衡狀態(tài)， 即圖 1-12中的坐標(biāo)原點(diǎn)。 當(dāng)UF開始增加時(shí)， 即正向特性的起始部分。 由于此時(shí)UF較小， 外電場(chǎng)還不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)， 正向擴(kuò)散電流仍幾乎為零。 只有當(dāng)UF大于死區(qū)電壓（鍺管約0.1 V， 硅管約0.5 V）后， 外加電場(chǎng)才足以克服內(nèi)電場(chǎng)， 使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)迅速增加， 才開始產(chǎn)生正向電流IF。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 反向特性外加反向偏壓UR 當(dāng)外加反向偏壓時(shí)， 宏觀電流是由少子組成的反向漂移電流。 當(dāng)反向

22、電壓UR在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 反向電流IR幾乎不變， 所以又稱為反向飽和電流IS。 當(dāng)溫度升高時(shí)， 少子數(shù)目增加， 所以IS增加。 室溫下一般硅管的反向飽和電流小于1 A， 鍺管為幾十到幾百微安， 如圖中B段所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3） 擊穿特性外加反壓增大到一定程度 擊穿特性屬于反向特性的特殊部分。 當(dāng)UR繼續(xù)增大， 并超過(guò)某一特定電壓值時(shí)， 反向電流將急劇增大， 這種現(xiàn)象稱之為擊穿。 發(fā)生擊穿時(shí)的UR叫擊穿電壓UBR， 如圖1-12中C段所示。 如果PN結(jié)擊穿時(shí)的反向電流過(guò)大（比如沒(méi)有串接限流電阻等原因）， 使PN結(jié)的溫度超過(guò)PN結(jié)的允許結(jié)溫（硅PN結(jié)

23、約為150200 ， 鍺PN結(jié)約為75100 ）時(shí)， PN結(jié)將因過(guò)熱而損壞。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-13 二極管的近似模型（a） 理想模型; （b） 恒壓降模型第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2二極管的近似模型 1）理想模型 所謂理想模型就是將二極管的單向?qū)щ娞匦岳硐牖?認(rèn)為正偏二極管的管壓降為0 V， 忽略其0.7 V或0.3 V的導(dǎo)通電壓， 相當(dāng)于短路導(dǎo)線； 而當(dāng)二極管處于反偏狀態(tài)時(shí)， 認(rèn)為二極管的等效電阻為無(wú)窮大， 反向電流為0， 如圖1-13（a）的伏安特性曲線所示。 一般在電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)， 利用理想模型來(lái)

24、分析， 不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2）恒壓降模型 恒壓降模型的伏安特性曲線如圖1-13（b）所示， 其反偏模型還是理想的， 但認(rèn)為二極管正偏導(dǎo)通后的管壓降是一個(gè)恒定值， 對(duì)于硅管和鍺管來(lái)說(shuō)， 分別取0.7 V和0.3 V的典型值。 這個(gè)模型比理想模型更接近實(shí)際情況， 因此應(yīng)用比較廣泛， 一般在二極管電流大于1 mA時(shí)， 恒壓降模型的近似精度還是相當(dāng)高的。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.2.3 二極管的主要參數(shù) 為了正確選用及判斷二極管的好壞， 必須對(duì)其主要參數(shù)有所了解。 1 最大整流電流IF 指二極管在一定溫度下，

25、長(zhǎng)期允許通過(guò)的最大正向平均電流， 否則會(huì)使二極管因過(guò)熱而損壞。 另外， 對(duì)于大功率二極管， 必須加裝散熱裝置。 2 反向擊穿電壓UBR 管子反向擊穿時(shí)的電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。 一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URM約為反向擊穿電壓的一半， 以保證二極管正常工作的余量。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3 反向電流IR（反向飽和電流IS） 指在室溫和規(guī)定的反向工作電壓下（管子未擊穿時(shí)）的反向電流。 這個(gè)值越小， 則管子的單向?qū)щ娦跃驮胶谩?它隨溫度的增加而按指數(shù)上升。 4 結(jié)電容與最高工作頻率fM PN結(jié)加電壓后， 其空間電荷區(qū)會(huì)發(fā)生變化， 這種變化造成的電容效應(yīng)稱

26、為結(jié)電容。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 5 二極管的溫度特性 半導(dǎo)體具有熱敏性， 而電子電路又不可避免地要受到外界溫度及電路本身發(fā)熱的影響。 所以， 溫度變化容易造成半導(dǎo)體器件工作不穩(wěn)定， 研究溫度對(duì)半導(dǎo)體器 件的影響是十分必要的。 圖1-14所示的正向特性中， 對(duì)于同一電流， 溫度每升高1 ， 二極管的正向壓降將減小22.5 mV。 即二極管的正向特性曲線將隨溫度的升高而左移。 溫度對(duì)二極管的反向特性影響更大： 當(dāng)溫度每升高10 ， 反向飽和電流IS將增加一倍。 二極管的反向擊穿電壓也受溫度的影響。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-14

27、溫度對(duì)二極管伏安特性的影響 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.2.4 二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用 二極管在電子技術(shù)中廣泛地應(yīng)用于整流、 限幅、 鉗位、 開關(guān)、 穩(wěn)壓、 檢波等方面， 大多是利用其正偏導(dǎo)通、 反偏截止的特點(diǎn)。 1整流應(yīng)用 利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電， 如圖1-15所示。 這種方法簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)， 在日常生活及電子電路中經(jīng)常采用。 根據(jù)這個(gè)原理， 還可以構(gòu)成整流效果更好的單相全波、 單相橋式等整流電路。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-15 二極管的整流應(yīng)用(a) 二極管整流電路; (

28、b) 輸入與輸出波形第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2限幅應(yīng)用 利用二極管的單向?qū)щ娦裕?將輸入電壓限定在要求的范圍之內(nèi)， 叫做限幅。 圖1-16（a）所示的雙向限幅電路中， 交流輸入電壓ui和直流電壓E1都對(duì)二極管VD1起作用； 相應(yīng)的VD2也同時(shí)受ui和E2的控制。 在假設(shè)VD1、 VD2為理想二極管時(shí)， 有如下限幅過(guò)程發(fā)生： 當(dāng)輸入電壓ui3 V時(shí)， VD1導(dǎo)通， VD2截止， uo3 V； 當(dāng)ui-3 V時(shí)， VD2導(dǎo)通， VD1截止， uo3 V； 當(dāng)ui在3 V與+3 V之間時(shí)， VD1和VD2均截止， 因此uoui， 輸出波形如圖1-16（b）所示。 第第1

29、 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-16 二極管的限幅應(yīng)用（a） 雙向限幅電路; （b） 輸入與輸出波形 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3穩(wěn)壓應(yīng)用 在需要不高的穩(wěn)定電壓輸出時(shí)， 可以利用幾個(gè)二極管的正向壓降串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 還有一種穩(wěn)壓二極管， 可以專門用來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。 穩(wěn)壓二極管有不同的系列， 用以實(shí)現(xiàn)不同的穩(wěn)定電壓輸出。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 4開關(guān)應(yīng)用 在數(shù)字電路中經(jīng)常將半導(dǎo)體二極管作為開關(guān)元件來(lái)使用， 因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦裕?可以相當(dāng)于一個(gè)受外加偏置電壓控制的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。 如圖1-17所示， 為監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組

30、工作的某種儀表的部分電路。 其中us是需要定期通過(guò)二極管VD加入記憶電路的信號(hào)， ui為控制信號(hào)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-17 二極管的開關(guān)應(yīng)用 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 當(dāng)控制信號(hào)ui=10 V時(shí)， VD的負(fù)極電位被抬高， 二極管截止， 相當(dāng)于“開關(guān)斷開”， us不能通過(guò)VD； 當(dāng)ui=0 V時(shí)， VD正偏導(dǎo)通， us可以通過(guò)VD加入記憶電路。 此時(shí)二極管相當(dāng)于“開關(guān)閉合”情況。 這樣， 二極管VD就在信號(hào)ui的控制下， 實(shí)現(xiàn)了接通或關(guān)斷us信號(hào)的作用。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 5 二極管的識(shí)別與

31、簡(jiǎn)單測(cè)試 1） 二極管的極性判別 有的二極管從外殼的形狀上可以區(qū)分電極； 有的二極管的極性用符號(hào)“ ”印在外殼上， 箭頭指向的一端為負(fù)極； 還有的二極管用色環(huán)或色點(diǎn)來(lái)標(biāo)志(靠近色環(huán)的一端是負(fù)極， 有色點(diǎn)的一端是正極)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 性能測(cè)試 二極管正、 反向電阻的測(cè)量值相差愈大愈好， 一般二極管的正向電阻測(cè)量值為幾百歐姆， 反向電阻為幾十千歐姆到幾百千歐姆。 如果測(cè)得正、 反向電阻均為無(wú)窮大， 說(shuō)明內(nèi)部斷路； 若測(cè)量值均為零， 則說(shuō)明內(nèi)部短路； 如測(cè)得正、 反向電阻幾乎一樣大， 這樣的二極管已經(jīng)失去單向?qū)щ娦裕?沒(méi)有使用價(jià)值了。 第第1 1章章

32、基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.3 特特 殊殊 二二 極極 管管 1.3.1 穩(wěn)壓二極管 1穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線 穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管， 是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管， 可以穩(wěn)定地工作于擊穿區(qū)而不損壞。 穩(wěn)壓二極管的外形、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)均與普通二極管相似， 其電路符號(hào)、 伏安特性曲線如圖1-18所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-18 穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與電路符號(hào) （a） 伏安特性曲線; （b） 電路符號(hào)第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1） 穩(wěn)定電壓UZ UZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓， 它

33、的大小取決于制造時(shí)的摻雜濃度。 2） 最小穩(wěn)定電流IZmin 穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流值定義為最小穩(wěn)定電流， 記為IZmin， 一般在幾毫安以上。 穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流應(yīng)大于IZmin， 以保證穩(wěn)壓效果。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3） 最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗散功率PZM 穩(wěn)壓管允許流過(guò)的最大電流和最大功耗叫做最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗散功率PZM。 通過(guò)管子的電流太大， 會(huì)使管子內(nèi)部的功耗增大， 結(jié)溫上升而燒壞管子， 所以穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流和功耗不應(yīng)超過(guò)這兩個(gè)極限參數(shù)。 一般有 PZM=UZIZM （1-5）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體

34、分立器件 4） 動(dòng)態(tài)電阻rz 穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻， 定義為電流變化量IZ引起的穩(wěn)定電壓變化量UZ。 2IUrZz（1-6） 動(dòng)態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù)， rz越小， 反向擊穿區(qū)曲線越陡， 穩(wěn)壓效果就越好。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 5） 穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K 穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K定義為溫度變化1 引起的穩(wěn)定電壓UZ的相對(duì)變化量， 即)/(%/CTUUKZZ（1-7）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.3.2 發(fā)光二極管與光電二極管 發(fā)光二極管和光電二極管都屬于光電子器件， 光電子器件在電子系統(tǒng)中也有十分廣泛地

35、應(yīng)用， 具有抗干擾能力強(qiáng)、 損耗小等優(yōu)點(diǎn)。 1發(fā)光二極管 發(fā)光二極管屬于電光轉(zhuǎn)換器件的一種， 是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件， 簡(jiǎn)稱“LED”， 是英文Light Emitting Diode的縮寫， 其電路符號(hào)如圖1-19所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-19 發(fā)光二極管的電路符號(hào) 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦裕?當(dāng)外加反偏電壓時(shí)， 二極管截止， 不發(fā)光； 當(dāng)外加正偏電壓導(dǎo)通時(shí)， 因流過(guò)正向電流而發(fā)光。 其發(fā)光機(jī)理是由于正偏時(shí)電子與空穴復(fù)合并釋放出能量所致， 而顏色與發(fā)光二極管的材料和摻雜元素有關(guān)。

36、 發(fā)光二極管可以分為發(fā)不可見(jiàn)光和發(fā)可見(jiàn)光兩種。 前者有發(fā)紅外光的砷化鎵發(fā)光二極管等; 后者有發(fā)紅光、 黃光、 綠光以及藍(lán)光和紫光的發(fā)光二極管等。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 發(fā)光二極管的工作電流一般約為幾至幾十毫安， 正偏電壓比普通二極管要高， 約為1.53 V， 具有功耗小， 體積小， 可直接與集成電路連接使用的特點(diǎn)。 并且穩(wěn)定、 可靠、 長(zhǎng)壽（105106小時(shí)）、 光輸出響應(yīng)速度快（1100 MHz）， 應(yīng)用十分方便和廣泛， 除應(yīng)用于信號(hào)燈指示（儀器儀表、 家電等）、 數(shù)字和字符指示（接成七段顯示數(shù)碼管）等發(fā)光顯示方式以外， 另一種重要應(yīng)用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，

37、 通過(guò)光纜傳輸， 接受端配合光電轉(zhuǎn)換器件再現(xiàn)電信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)光電耦合、 光纖通信等應(yīng)用。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2光電二極管 光電二極管也叫光敏二極管， 它的結(jié)構(gòu)和一般二極管相似， 也具有單向?qū)щ娦浴?光電二極管的PN結(jié)被封裝在透明玻璃外殼中， 其PN結(jié)裝在管子的頂部， 可以直接受到光的照射。 光敏二極管的電路符號(hào)如圖1-20所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-20 光電二極管的電路符號(hào) 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-21 遠(yuǎn)距離光電傳輸?shù)脑?第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 *1

38、.3.3 變?nèi)荻O管 我們?cè)谟懻摪雽?dǎo)體二極管時(shí)已經(jīng)知道： 二極管在高頻應(yīng)用時(shí)， 必須要考慮結(jié)電容的影響， 而所謂的變?nèi)荻O管， 就是結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的二極管。 圖1-22（a）所示為變?nèi)荻O管的電路符號(hào)， 圖1-22（b）為某種變?nèi)荻O管的特性曲線。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-22 變?nèi)荻O管 （a）電路符號(hào); （b） 結(jié)電容與反偏電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 結(jié)電容由勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD兩部分組成。 我們知道， 當(dāng)PN結(jié)兩端的電壓發(fā)生改變時(shí)， 會(huì)使空間電荷區(qū)寬度發(fā)生改變， 空間電荷區(qū)存儲(chǔ)

39、電荷的多少發(fā)生變化就表現(xiàn)為PN結(jié)的電容效應(yīng)。 在二極管正偏的多子擴(kuò)散過(guò)程中， 多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后， 在對(duì)方區(qū)域形成一定的濃度梯度， 越靠近PN結(jié)處的濃度越大， 這個(gè)梯度隨外加正向電壓的大小而增減， 這也是一種存、 放電荷的作用。 所以我們可以得到圖1-23所示的PN結(jié)（二極管）高頻等效電路。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-23 PN結(jié)的高頻等效電路 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 1.4.1 三極管的結(jié)構(gòu)與類型 半導(dǎo)體三極管又叫晶體三極管， 由于它在工作時(shí)半導(dǎo)體中的電子和空穴兩種載流子都起作用， 因此屬于雙

40、極型器件， 也叫做BJT（Bipolar Junction Transistor， 雙極結(jié)型晶體管）。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 半導(dǎo)體三極管的種類很多， 按照半導(dǎo)體材料的不同可分為硅管、 鍺管； 按功率分有小功率管、 中功率管和大功率管； 按照頻率分有高頻管和低頻管； 按照制造工藝分有合金管和平面管等。 通常， 按照結(jié)構(gòu)的不同分為兩種類型： NPN型管和PNP型管， 圖1-24給出了NPN和PNP管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)， 符號(hào)中的箭頭方向是三極管的實(shí)際電流方向。 圖1-25所示為幾種常見(jiàn)三極管的外形圖， 三極管的型號(hào)命名方法參見(jiàn)附錄A。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)

41、體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-24 三極管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)（a） NPN型三極管; （b） PNP型三極管 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-25 常見(jiàn)三極管的外形 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.4.2 三極管的基本工作原理 由于NPN管和PNP管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱， 工作原理完全相同， 下面以NPN管為例， 討論三極管的基本工作原理。 1 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程 和二極管一樣， 要使三極管能控制載流子的傳輸以達(dá)到電流放大的目的， 必須給三極管加上合適的偏置電壓， NPN三極管的偏置情況如圖1-26所示。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器

42、件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-26 三極管內(nèi)的載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子， 形成發(fā)射極電流IE 在圖1-26中， 由于發(fā)射結(jié)正偏， 因此， 高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)多子（自由電子）越過(guò)發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴(kuò)散， 形成發(fā)射極電流IE， 發(fā)射極電流的方向與電子流動(dòng)方向相反， 是流出三極管發(fā)射極的（與此同時(shí)， 基區(qū)多子空穴也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散， 但因基區(qū)摻雜濃度低， 數(shù)量和發(fā)射區(qū)的電子相比很少， 可以忽略不計(jì)）。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合， 形成基極電流IB 發(fā)射區(qū)來(lái)的電子注入基區(qū)后， 由于濃度差

43、的作用繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散。 但因?yàn)榛鶇^(qū)多子為空穴， 所以在擴(kuò)散過(guò)程中， 有一部分自由電子要和基區(qū)的空穴復(fù)合。 在制造三極管時(shí)， 基區(qū)被做得很薄， 只有微米數(shù)量級(jí)、 摻雜濃度又低， 因此被復(fù)合掉的只是一小部分， 大部分自由電子可以很快到達(dá)集電結(jié)。 而UBB的正極接三極管的基區(qū)， 所以不斷地從基區(qū)抽走電子形成新的空穴以補(bǔ)充被復(fù)合掉的空穴， 維持基區(qū)空穴濃度不變，這些被抽走的電子形成了流入基極的基極電流IB。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3） 集電區(qū)收集電子形成集電極電流IC 大部分從發(fā)射區(qū)“發(fā)射”來(lái)的自由電子很快擴(kuò)散到了集電結(jié)。 由于集電結(jié)反偏， 在這個(gè)較強(qiáng)的從N區(qū)（集

44、電區(qū)）指向P區(qū)（基區(qū)）的內(nèi)電場(chǎng)的作用下， 自由電子很快就被吸引、 漂移過(guò)了集電結(jié)， 到達(dá)集電區(qū)， 形成集電極電流的主要成分IC。 集電極電流的方向是流入集電極的。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 電流分配關(guān)系 發(fā)射極電流IE在基區(qū)分為基區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流IB和繼續(xù)向集電極擴(kuò)散的電流IC兩個(gè)部分， IC與IB的比例， 取決于制造三極管時(shí)的結(jié)構(gòu)和工藝， 管子制成后， 這個(gè)比例基本上是個(gè)定值。 定義三極管的直流電流放大系數(shù) 為IC與IB的比值， 即BCCBOCBOCBCIIIIBIIII（1-8） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 因?yàn)閺陌l(fā)射區(qū)注入基區(qū)的載流

45、子在基區(qū)復(fù)合掉的很少， 所以一般在幾十到二百之間。 越大， 三極管的電流放大能力越強(qiáng)。 從式（1-8）中可以解出CEOCBOBCIIII)1 (（1-9） 式中， ICEO=(1+)ICBO叫做穿透電流。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 將三極管看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 還可以得到發(fā)射極電流IE與IB、 IC的關(guān)系， 即 IE=IC+IB=（1+）IB （1-11） 由于較大， 通常認(rèn)為IEIC。 一般小功率管基極電流通常是微安級(jí)別， 而IC和IE的數(shù)量級(jí)可以達(dá)到毫安級(jí)。 BCII （1-10） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3 三極管的電流放大作用 如圖

46、1-27（a）所示稱為三極管的共發(fā)射極放大電路。 因?yàn)檫@個(gè)電路中包含由三極管的基極與發(fā)射極構(gòu)成的輸入回路和由集電極與發(fā)射極構(gòu)成的輸出回路， 三極管的發(fā)射極作為輸入和輸出回路的公共端， 所以稱為共發(fā)射極放大電路。 電源UBB接于輸入回路， 使三極管的發(fā)射結(jié)正偏， UCC接于輸出回路使集電結(jié)反偏。 在這種偏置下， 可以引起三極管內(nèi)載流子有規(guī)律的傳輸， 產(chǎn)生IB、 IC、 IE電流， 并在集電極電阻上產(chǎn)生輸出電壓UO。 其中， IC為倍的IB， 即輸出電流IC為輸入電流IB的倍， 這是對(duì)直流電流的放大作用。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-27 三極管的電流放大作用（a）

47、 沒(méi)加入交流信號(hào)時(shí)； （b） 加入交流信號(hào)后的電流放大作用第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 在電子電路中， 我們更關(guān)心的是三極管對(duì)微弱的變化信號(hào)的放大作用， 在電子電路中所說(shuō)的放大指的是對(duì)變化的交流信號(hào)的放大， 而不是直流。 在圖1-27（a）電路的輸入回路中串入待放大的輸入信號(hào)UI， 如圖1-27（b）所示， 這樣發(fā)射結(jié)的外加電壓將等于UBB+UI。 外加電壓的變化， 相應(yīng)使發(fā)射極電流產(chǎn)生IE的變化。 由于三極管的電流分配關(guān)系是一定的， 因此IE將引起相應(yīng)的IC和IB。 我們定義IC與IB的比值為晶體管的交流電流放大系數(shù)， 即BCII（1-12） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)

48、體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 IC=IB （1-13） IE=(1+)IB (1-14) 輸出電流IC是輸入電流IB的倍， 可見(jiàn)三極管對(duì)變化的輸入電流IB有放大作用， 一般為幾十到二百之間。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.4.3 三極管的特性曲線 三極管的伏安特性曲線是指三極管各極間電壓與各電極電流之間的關(guān)系曲線， 它是管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的外部體現(xiàn)， 可以指導(dǎo)我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中合理地選擇和使用三極管， 還可以在特性曲線上作圖對(duì)三極管的放大性能進(jìn)行分析。 三極管和二極管一樣是非線性元件， 所以其伏安特性曲線也是非線性的。 常用三極管伏安特性曲線有輸入特性曲線和輸出特性曲

49、線。 這些曲線和電路的接法有關(guān)。 這里仍以最常用的NPN管構(gòu)成的共發(fā)射極電路為例來(lái)分析三極管的特性曲線。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1 輸入特性曲線 輸入特性曲線是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間電壓uCE為一常數(shù)時(shí)， 輸入回路中加在三極管基極與發(fā)射極之間的發(fā)射結(jié)電壓uBE和基極電流iB之間的關(guān)系曲線。 用函數(shù)關(guān)系式表示為常數(shù)ECuBFBufi| )( （1-15） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-28 三極管的輸入、 輸出特性曲線（a） 輸入特性曲線; （b） 輸出特性曲線第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 輸出特性曲線 輸

50、出特性曲線是在基極電流iB一定的情況下， 三極管的集電極輸出回路中， 集電極與發(fā)射極之間的管壓降uCE和集電極電流iC之間的關(guān)系曲線。 用函數(shù)式表示為常數(shù)BiCECufi| )(（1-16） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-29 三極管的三個(gè)工作區(qū)域 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1） 截止區(qū) 習(xí)慣上把iB0的區(qū)域稱為截止區(qū)， 即iB0的輸出特性曲線和橫坐標(biāo)軸之間的區(qū)域。 若要使iB0， 三極管的發(fā)射結(jié)就必須在死區(qū)以內(nèi)或反偏， 為了使三極管能夠可靠截止， 通常給三極管的發(fā)射結(jié)加反偏電壓。 2） 放大區(qū) 在這個(gè)區(qū)域內(nèi)， 發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)反偏

51、。 iC與iB之間滿足電流分配關(guān)系iC iBICEO， 輸出特性曲線近似為水平線。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3） 飽和區(qū) 如果發(fā)射結(jié)正偏時(shí)， 出現(xiàn)管壓降uCE0.7 V（對(duì)于硅管來(lái)說(shuō)）， 也就是uCB0的情況， 我們稱三極管進(jìn)入飽和區(qū)。 所以飽和區(qū)的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)。 飽和區(qū)中的iB對(duì)iC的影響較小， 放大區(qū)的也不再適用于飽和區(qū)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.4.4 三極管的主要參數(shù) 三極管的參數(shù)是表征管子的性能和它的適用范圍的， 是電路設(shè)計(jì)和調(diào)整的依據(jù)。 了解這些參數(shù)對(duì)于合理使用三極管十分必要。 1 電流放大系數(shù) 根據(jù)工

52、作狀態(tài)的不同， 在直流和交流兩種情況下， 分別有直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 在共發(fā)射極電路沒(méi)有交流輸入信號(hào)的情況下， （ICICEO）與IB的比值稱為直流電流放大系數(shù)， 這和式（1-8）的定義是一致的， 即BCBCEOCIIIII （1-17） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) 指在共發(fā)射極電路中， 輸出集電極電流的變化量與輸入基極電流的變化量的比值， 即BCII（1-18） 式中， 值是衡量三極管放大能力的重要指標(biāo)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器

53、件基本半導(dǎo)體分立器件 2 極間反向電流 1） 集電極基極間反向飽和電流ICBO 指在發(fā)射極斷開時(shí)（IE0）， 基極和集電極之間的反向電流， 下標(biāo)中的“O”代表發(fā)射極開路， 測(cè)量電路如圖1-30所示。 ICBO的實(shí)質(zhì)就是集電結(jié)反偏時(shí)集電區(qū)和基區(qū)的少子漂移電流， 所以受溫度影響較大。 ICBO的值一般很小， 在室溫下， 小功率硅管的 ICBO1 A； 小功率鍺管約為10 A左右。 ICBO的大小標(biāo)志集電結(jié)質(zhì)量的好壞， ICBO越小越好， 一般在工作環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)所都選擇硅管。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-30 測(cè)量ICBO的電路 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立

54、器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 集電極發(fā)射極間反向電流ICEO 指基極開路時(shí)， 集電極與發(fā)射極之間加一定反向電壓時(shí)的集電極電流。 由于這個(gè)電流從集電極穿過(guò)基區(qū)流到發(fā)射極， 因此又叫穿透電流， 測(cè)試電路如圖1-31所示。 ICEO與反向飽和電流ICBO的關(guān)系為 ICEO=ICBO+ICBO=(1+)ICBO （1-19） ICEO與ICBO一樣， 屬于少子漂移電流， 受溫度影響較大， 是衡量管子質(zhì)量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-31 測(cè)量ICEO的電路 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3 極限參數(shù) 三極管正常工作時(shí)， 管子上的電壓和

55、電流是有一定限度的， 否則會(huì)使三極管工作不正常， 使特性變壞， 甚至損壞。 因此要規(guī)定允許的最高工作電壓、 流經(jīng)三極管的最大工作電流和允許的最大耗散功率等。 這些電壓、 電流和功率值稱為三極管的極限參數(shù)。 選擇和使用管子時(shí)， 必須保證三極管的工作狀態(tài)不能超過(guò)這些極限值。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1） 基極開路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓U（BR）CEO 電源電壓UCC使集電結(jié)反偏， 并產(chǎn)生管壓降uCE。 當(dāng)uCE增大到一定程度時(shí)， 會(huì)將集電結(jié)擊穿， 使集電極電流iC迅速增加， 甚至損壞三極管。 基極開路時(shí)的 U（BR）CEO是各種情況下以及各電極間反向擊穿電

56、壓的最小值， 所以使用時(shí)只要注意三極管各電極間的電壓不要超過(guò)U（BR）CEO就可以了。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2） 集電極最大允許電流ICM 當(dāng)集電極電流超過(guò)某一定值時(shí)， 三極管性能變差， 甚至損壞管子， 例如值將隨IC的增加而下降。 集電極最大允許電流ICM， 就是表示下降到額定值的1/32/3時(shí)的IC值， 一般規(guī)定在正常工作時(shí)， 流過(guò)三極管的集電極電流iCICM。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-32 三極管的安全工作區(qū) 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3） 集電極最大允許耗散功率PCM 這個(gè)參數(shù)表示集電結(jié)上

57、允許損耗功率的最大值。 PCM與環(huán)境溫度有關(guān)， 溫度越高， PCM越小。 手冊(cè)中給出的PCM值是在常溫（25 ）并加規(guī)定尺寸散熱器（大功率管）的情況下測(cè)得的。 一般有 PCM =iCuCE （1-20）第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.4.5 溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響 溫度對(duì)晶體管的各種參數(shù)都有影響， 影響最大的是ICBO、 和發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓UBE。 1 溫度對(duì)ICBO的影響 ICBO是由集電區(qū)少子向基區(qū)漂移及基區(qū)少子向集電區(qū)漂移而形成的電流。 由于少子的數(shù)量與環(huán)境溫度有關(guān)， 當(dāng)溫度升高時(shí)， 少子急劇增加， 因此ICBO隨著溫度變化按指數(shù)規(guī)律變化。 無(wú)論硅管和鍺管， 都可

58、以近似地認(rèn)為， 溫度每升高10 ， ICBO就增大一倍， 即10)()(002TTTCBOTCBOII（1-21） 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 溫度對(duì)的影響 三極管的電流放大系數(shù)隨著溫度升高而增大。 這是由于溫度升高時(shí)， 基區(qū)中載流子運(yùn)動(dòng)速度加快， 復(fù)合機(jī)會(huì)減少， 使IC/IB增大， 即值增大。 無(wú)論是硅管還是鍺管， 溫度每升高1 ， 相應(yīng)地增大0.51。 在三極管的輸出特性曲線上表現(xiàn)為曲線間隔變大。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 3 溫度對(duì)發(fā)射結(jié)正向壓降UBE的影響 溫度升高后， 三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)加劇， 電流隨溫度升高而增加。 所以溫

59、度升高后， 在電流相同的條件下， 發(fā)射結(jié)電壓UBE減小， 溫度系數(shù)約為 2.5 mV， 同二極管的輸入特性曲線類似， 溫度升高時(shí)， 三極管輸入特性曲線向左移動(dòng)。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 1.4.6 三極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用 半導(dǎo)體三極管是電子電路的核心元器件， 應(yīng)用十分廣泛。 盡管三極管可以組成運(yùn)算放大電路、 功率放大電路、 振蕩電路、 反相器、 數(shù)字邏輯電路等， 但可歸納為放大應(yīng)用和開關(guān)應(yīng)用兩大類。 1 放大應(yīng)用 在模擬電子電路中， 三極管主要工作于放大狀態(tài)， 可以把輸入基極電流IB 放大倍以IC 的形式輸出。 因此三極管的放大應(yīng)用， 就是利用三極管的電流控制作

60、用把微弱的電信號(hào)增強(qiáng)到所要求的數(shù)值。 利用三極管的電流放大作用， 可以得到各種形式的電子電路。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 2 開關(guān)應(yīng)用 和二極管的反偏截止、 正偏導(dǎo)通相似， 三極管也可以工作在開關(guān)狀態(tài)， 是基本的開關(guān)器件之一， 主要應(yīng)用于數(shù)字電路。 開關(guān)狀態(tài)的三極管工作于截止區(qū)或飽和區(qū)， 分別相當(dāng)于斷開和閉合的開關(guān)， 而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管飽和與截止的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中， 是個(gè)瞬間的過(guò)渡過(guò)程。 圖1-33為三極管構(gòu)成的受輸入ui控制的開關(guān)應(yīng)用電路。 第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件 圖1-33 三極管的開關(guān)應(yīng)用第第1 1章章 基本半導(dǎo)體分立器件基本