常用半導(dǎo)體器件原理課件

模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ)1教材：模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)（第二版），孫肖子主編，西安電子科技大學(xué)出版社，2008年1月授課順序：第二篇（半導(dǎo)體器件及集成電路－－原理基礎(chǔ)篇）：4－10章第一篇（模擬集成電路系統(tǒng)－－應(yīng)用基礎(chǔ)篇）：1－3章教師聯(lián)系方式：電子郵件：QQ：175320942電路定義：把晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元器件及布線連接在一起，實現(xiàn)一定功能的電子系統(tǒng)。電路分類:按功能分：模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐钒葱问椒郑河≈瓢咫娐?、薄厚膜混合集成電路、半導(dǎo)體集成電路電路發(fā)展趨勢：SoC（系統(tǒng)集成、片上系統(tǒng)）電路的作用：將人類帶入智器時代。34.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

簡單介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識，包括本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，PN結(jié)；分別討論晶體二極管的特性和典型應(yīng)用電路，雙極型晶體管和場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作機理、特性和應(yīng)用電路，重點是掌握器件的特性。媒質(zhì)導(dǎo)體：對電信號有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。絕緣體：對電信號起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于108~1020

·m。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度、光照和摻雜等因素發(fā)生顯著變化，這些特點使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在電阻率上并無絕對明確的界限，根本區(qū)別在于性質(zhì)上。5III-V族半導(dǎo)體Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)NIV族半導(dǎo)體:Ge,GeSi,Si,SiC,CII-VI族半導(dǎo)體Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S半導(dǎo)體體系6金屬半導(dǎo)體（豐富多彩）絕緣體IV族III-V族II-VI族GeSiGeSiSiCC?Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)N?Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S??半導(dǎo)體體系光電器件(GaN,GaP)微波器件(GaAs,InP)功率器件(AlGaN/GaN)多功能性：生物芯片，壓電傳感器，聲表面波器件，透明電極，納米結(jié)構(gòu)高溫器件高壓器件7每個原子最外層軌道上的四個價電子為相鄰原子核所共有，形成共價鍵。共價鍵中的價電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。

價電子可以獲得足夠大的能量，掙脫共價鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價鍵處留下帶有一個單位的正電荷的空穴。這個過程稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。9

價電子的反向遞補運動等價為空穴在半導(dǎo)體中自由移動。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。

自由電子和空穴在自由移動過程中相遇時，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對載流子，這個過程稱為復(fù)合。101、自由電子（負電荷）：部分價電子掙脫共價鍵束縛離開原子而成為自由電子；自由電子可以在單晶體中自由移動；2、空穴（正電荷）：失去價電子的共價鍵處留下一個空位，即空穴；空穴的移動：相鄰共價鍵中的電子在空位正電荷的吸引下會填補這個空位，即空位發(fā)生了移動。空穴的移動實際上是束縛電子的反移動。3、自由電子和空穴都可以參與導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體不同于金屬（只有自由電子）的區(qū)別之一。4、本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體受外界能量（熱、電和光等）激發(fā)，同時產(chǎn)生電子、空穴對的過程。11Tni(pi);T=300K(27℃)ni=1.43*1010cm-3

原子密度：5*1022cm-3

本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱本征載流子濃度隨溫度升高近似指數(shù)上升。2、禁帶寬度越大，導(dǎo)電性能越差（絕緣性能越好）1、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能對溫度的變化很敏感；134.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對很少，這說明本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。我們可以人工少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這樣獲得的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

14一、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價原子，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)元素的原子，就提供一個自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度一一施主電離多數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一空穴但半導(dǎo)體仍保持電中性

熱平衡時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度ni的平方，所以空穴的濃度pn為

因為ni容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化，所以pn也隨環(huán)境的改變明顯變化。自由電子濃度雜質(zhì)濃度15本征半導(dǎo)體載流子受溫度、光照影響大；雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子主要受摻雜濃度控制；174.1.3漂移電流和擴散電流

半導(dǎo)體中載流子進行定向運動，就會形成半導(dǎo)體中的電流。半導(dǎo)體電流

半導(dǎo)體電流漂移電流：在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流，該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強度。擴散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，從而形成擴散電流，該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。184.2PN結(jié)

通過摻雜工藝，把本征半導(dǎo)體的一邊做成P型半導(dǎo)體，另一邊做成N型半導(dǎo)體，則P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面處會形成一個有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為PN結(jié)。4.2.1PN結(jié)的形成多子擴散

空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生少子漂移動態(tài)平衡194.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸?、正向偏置的PN結(jié)正向偏置耗盡區(qū)變窄擴散運動加強，漂移運動減弱正向電流二、反向偏置的PN結(jié)反向偏置耗盡區(qū)變寬擴散運動減弱，漂移運動加強反向電流21

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕篜N結(jié)只需要較小的正向電壓，就可以使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。而在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。22PN結(jié)電流方程i=IS(equ/kT-1)=IS(eu/UT-1)q:電子電荷量，1.6*10-19CT:熱力學(xué)溫度(K);K:玻爾茲曼常數(shù)（8.63*10-6V/K）;IS:反向飽和電流，與PN結(jié)材料、制作工藝、溫度等有關(guān)UT=kT/q:

溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在T=300K(27℃)時，UT=26mV

正:U>>UT,eu/UT>>1,i≈ISeu/UT反:U<<UT,eu/UT<<1,i≈-ISui0－UBR234.2.4PN結(jié)的電容特性

PN結(jié)能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關(guān)，這說明PN結(jié)具有電容效應(yīng)。一、勢壘電容CT0為u=0時的CT，與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在1/3~6之間。當(dāng)反向電壓u絕對值增大時，CT將減小。25二、擴散電容

PN結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴散電容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時，CD遠大于CT，即Cj

CD；反偏的PN結(jié)中，CT遠大于CD，則Cj

CT。26二、二極管的管壓降

當(dāng)電源電壓E變化時，負載線平移到新的位置，雖然ID有比較大的變化，UD變化卻不大，仍然近似等于UD(on)，所以也可以認為UD(on)是導(dǎo)通的二極管兩端固定的管壓降。三、二極管的電阻直流電阻交流電阻29RD

和rD隨工作點的位置變化而改變4.3.2溫度對二極管伏安特性的影響T增大；

Is增大，T增大10倍，Is增大一倍。減小，雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。304.3.3二極管的近似伏安特性和簡化電路模型31【例4.3.1】電路如圖(a)所示，計算二極管中的電流ID。已知二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.6V，交流電阻rD近似為零。解：可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將相應(yīng)的電路模型代入，得到圖(b)。節(jié)點A的電壓UA

=E

-I1R1

=-I2R2

=-E

+UD(on)

=-5.4，解得I1

=5.7mA，I2

=5.4mA，于是ID

=I1

+I2

=11.1mA。32工作電流IZ可以在IZmin到IZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向電壓成為穩(wěn)定電壓UZ。IZ應(yīng)大于IZmin以保證較好的穩(wěn)壓效果。同時，外電路必須對IZ進行限制，防止其太大使管耗過大，甚至燒壞PN結(jié)，如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為PM，則IZ應(yīng)小于IZmax

=PM

/UZ。

4.3.4穩(wěn)壓二極管334.3.4穩(wěn)壓二極管通常:

UZ<5V時具有負溫度系數(shù)(因齊納擊穿具有負溫系數(shù))；

UZ>7V時具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù))；

UZ在5V到7V之間時，溫度系數(shù)可達最小3435［例4.3.2］穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓UZ=6V。當(dāng)限流電阻R=200時，求工作電流IZ

和輸出電壓UO；當(dāng)R=11k時，再求IZ

和UO。

解：當(dāng)R=200

時，穩(wěn)壓二極管DZ處于擊穿狀態(tài)當(dāng)R=11k

時，DZ處于截止?fàn)顟B(tài)，IZ

=036

其它二極管簡介一、變?nèi)荻O管如前所述，PN結(jié)加反向電壓時，結(jié)上呈現(xiàn)勢壘電容，該電容隨反向電壓增大而減小。利用這一特性制作的二極管，稱為變?nèi)荻O管。它的電路符號如圖所示。變?nèi)荻O管的結(jié)電容與外加反向電壓的關(guān)系由式(1–5)決定。它的主要參數(shù)有：變?nèi)葜笖?shù)、結(jié)電容的壓控范圍及允許的最大反向電壓等。變?nèi)荻O管符號37

其它二極管簡介二、光電二極管光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是管殼上留有一個能入射光線的窗口。圖示出了光電二極管的電路符號，其中，受光照區(qū)的電極為前級，不受光照區(qū)的電極為后級。和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。

前級后級光電二極管符號38

其它二極管簡介三、發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。它由一個PN結(jié)構(gòu)成，其電路符號如圖所示。當(dāng)發(fā)光二極管正偏時，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子被復(fù)合時，會發(fā)出可見光和不可見光。發(fā)光二極管符號四、激光二極管39

其它二極管簡介藍色發(fā)光二極管40其它二極管簡介五、肖特基二極管當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸時，在其交界面處會形成勢壘區(qū)，利用該勢壘制作的二極管，稱為肖特基二極管或表面勢壘二極管。它的原理結(jié)構(gòu)圖和對應(yīng)的電路符號如圖1–24所示。N型半導(dǎo)體(a)金屬(b)肖特基二極管結(jié)構(gòu)與符號(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號++++++++++++與PN結(jié)二極管比較：相同點：具有單向?qū)щ娦?；相異點：肖特基二極管是依靠多數(shù)載流子工作的器件，無少子存儲效應(yīng)（CD），高頻特性好。導(dǎo)通電壓和反向擊穿電壓均比PN結(jié)低。414.3.5二極管應(yīng)用電路舉例

一、整流電路

［例4.3.3］分析圖(a)所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。

42解：當(dāng)ui>0.7V時，D處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓uo=ui-0.7；當(dāng)ui<0.7V時，D處于截止?fàn)顟B(tài)，等效成開路，所以uo=0。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(b)所示，傳輸特性則如圖(c)所示。電路實現(xiàn)的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on)

得到輸出。

43［例4.3.4］分析圖(a)所示的二極管橋式整流電路的工作原理，其中的二極管D1~D4為理想二極管，輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。

44解：當(dāng)ui>0時，D1和D2上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而D3和D4上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出電壓uo的正極與ui的正極通過D1相連，它們的負極通過D2相連，所以uo=ui；當(dāng)ui<0時，D1和D2上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，而D3和D4上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)。uo的正極與ui的負極通過D4相連，D3則連接了uo的負極與ui的正極，所以uo=-ui。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(b)所示，傳輸特性則如圖(c)所示。電路實現(xiàn)的是全波整流。

45［例4.3.5］分析圖示電路的輸出電壓uo的波形和傳輸特性。

46解：當(dāng)輸入電壓ui>0時，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，電路等效為圖(b)所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；當(dāng)ui<0時，D1導(dǎo)通，D2截止，等效電路如圖(c)所示，此時uo=u-=u+=0。據(jù)此可以根據(jù)ui的波形畫出uo的波形以及傳輸特性，如圖(d)所示。

47例4.3.5給出的是精密半波整流電路。為了實現(xiàn)精密全波整流，可以利用集成運放加法器，將半波整流的輸出與原輸入電壓加權(quán)相加。如圖所示，uo=-ui-2uo1。當(dāng)ui>0時，uo1=-ui，uo=ui；當(dāng)ui<0時，uo=-ui。

因此在任意時刻有uo=|ui|，所以該電路也稱為絕對值電路。

48二、限幅電路［例4.3.6］二極管限幅電路如圖(a)所示，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

49解：D處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為

E+UD(on)=2.7V。當(dāng)ui>2.7V時，D導(dǎo)通，所以uo=2.7V；當(dāng)ui<2.7V時，D截止，其支路等效為開路，uo=ui。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(c)所示，該電路把ui超出2.7V的部分削去后進行輸出，是上限幅電路。

50［例4.3.7］二極管限幅電路如圖(a)所示，其中二極管D1和D2的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.3V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

51解：D1處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為-E-UD(on)=-2.3V。當(dāng)ui<-2.3V時，D1導(dǎo)通，uo=-2.3V；當(dāng)ui>-2.3V時，D1截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D1實現(xiàn)了下限幅；D2處于臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為

E+UD(on)=2.3V。當(dāng)ui>2.3V時，D2導(dǎo)通，uo=2.3V；當(dāng)ui<2.3V時，D2截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D2實現(xiàn)了上限幅。綜合uo的波形如圖(c)所示，該電路把ui超出2.3V的部分削去后進行輸出，完成雙向限幅。

52限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍，以保護后級電路的安全工作。設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，在圖中，當(dāng)-0.7V<ui<0.7V時，二極管D1和D2都截止，電阻R1和R2中沒有電流，集成運放的兩個輸入端之間的電壓為ui；當(dāng)ui>0.7V時，D1導(dǎo)通，D2截止，R1、D1和R2構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在UD(on)=0.7V；當(dāng)ui<-0.7V時，D1截止，D2導(dǎo)通，R1、D2和R2構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在-UD(on)=-0.7V。該電路把ui限幅到0.7V到-0.7V之間，保護集成運放。53圖中，當(dāng)-0.7V<ui<5.7V時，二極管D1和D2都截止，ui直接輸入A/D；當(dāng)ui>5.7V時，D1導(dǎo)通，D2截止，A/D的輸入電壓被限制在5.7V；當(dāng)ui<-0.7V時，D1截止，D2導(dǎo)通，A/D的輸入電壓被限制在-0.7V。該電路對ui的限幅范圍是-0.7V到5.7V。54［例4.3.8］穩(wěn)壓二極管限幅電路如圖(a)所示，其中穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓UZ=5V，導(dǎo)通電壓UD(on)

近似為零。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

55解：當(dāng)|ui|<1V時，DZ1和DZ2都處于截止?fàn)顟B(tài)，其支路相當(dāng)于開路，電路是電壓放大倍數(shù)為-5的反相比例放大器，uo=-5ui，uo最大變化到5V；當(dāng)|ui|>1V時，DZ1和DZ2一個導(dǎo)通，另一個擊穿，此時反饋電流主要流過穩(wěn)壓二極管支路，uo穩(wěn)定在5V。由此得到圖(c)所示的uo波形。

56圖示電路為單運放弛張振蕩器。其中集成運放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或-UEE，R3隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2限幅后的電壓。仍然認為DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ，而導(dǎo)通電壓UD(on)近似為零。經(jīng)過限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH=UZ或低電壓UOL=-UZ。57三、電平選擇電路［例4.3.9］圖(a)給出了一個二極管電平選擇電路，其中二極管D1和D2為理想二極管，輸入信號ui1和ui2的幅度均小于電源電壓E，波形如圖(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號uo的波形。

58解：因為ui1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)。不妨假設(shè)ui1<ui2，則D1導(dǎo)通后，uo=ui1，結(jié)果D2上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)；反之，當(dāng)ui1>ui2時，D2導(dǎo)通，D1截止，uo=ui2；只有當(dāng)ui1=ui2時，D1和D2才同時導(dǎo)通，uo=ui1=ui2。uo的波形如圖(b)所示。該電路完成低電平選擇功能，當(dāng)高、低電平分別代表邏輯1和邏輯0時，就實現(xiàn)了邏輯“與”運算。

59四、峰值檢波電路［例4.3.10］分析圖示峰值檢波電路的工作原理。

解：電路中集成運放A2起電壓跟隨器作用。當(dāng)ui>uo時，uo1>0，二極管D導(dǎo)通，uo1對電容C充電，此時集成運放A1也成為跟隨器，uo=uCui，即uo隨著ui增大；當(dāng)ui<uo時，uo1<0，D截止，C不放電，uo=uC保持不變，此時A1是電壓比較器。波形如圖(b)所示。電路中場效應(yīng)管V用作復(fù)位開關(guān)，當(dāng)復(fù)位信號uG到來時直接對C放電，重新進行峰值檢波。

604.4雙極型晶體管

NPN型晶體管

PNP型晶體管

晶體管的物理結(jié)構(gòu)有如下特點：發(fā)射區(qū)相對基區(qū)重摻雜；基區(qū)很薄，只有零點幾到數(shù)微米；集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積。

61一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子

電子注入電流IEN，空穴注入電流IEP

二、基區(qū)中自由電子邊擴散邊復(fù)合

基區(qū)復(fù)合電流IBN

三、集電區(qū)收集自由電子

收集電流ICN

反向飽和電流ICBO4.4.1晶體管的工作原理62晶體管三個極電流與內(nèi)部載流子電流的關(guān)系：

63共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關(guān)系：晶體管的放大能力參數(shù)

64晶體管的極電流關(guān)系

描述：描述：

654.4.2晶體管的伏安特性一、輸出特性

放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏)共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：共基極交流電流放大倍數(shù)：近似關(guān)系：

恒流輸出和基調(diào)效應(yīng)飽和區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏)

飽和壓降

uCE(sat)

截止區(qū)(發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏)

極電流絕對值很小66二、輸入特性

當(dāng)uBE大于導(dǎo)通電壓UBE(on)時，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下uBE近似等于UBE(on)，所以也可以認為UBE(on)是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)uBE<UBE(on)時，晶體管進入截止?fàn)顟B(tài)。晶體管電流方程：674.4.3晶體管的近似伏安特性和簡化直流模型近似伏安特性簡化直流模型I——放大區(qū)II——飽和區(qū)III——截止區(qū)684.4.4直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析實際應(yīng)用需要使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，從而實現(xiàn)不同的功能。這是通過控制發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的正偏與反偏來實現(xiàn)的。

確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：

1．根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。如果發(fā)射結(jié)反偏或正偏電壓不到|UBE(on)|，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IB、IC和IE均為零，再由外電路計算極間電壓UBE、UCE和UCB；2．如果第1步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達到|UBE(on)|，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。如果集電結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時UBE=UBE(on)。根據(jù)外電路和UBE(on)計算IB，接下來IC=bIB，IE=IB+IC。再由這三個極電流和外電路計算UCE和UCB；3．如果第2步判斷集電結(jié)正偏，則晶體管處于飽和狀態(tài)。這時UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)，UCB=UCE-UBE，再由這三個極間電壓和外電路計算IB、IC和IE。69［例4.4.1］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=0.6V，=50。當(dāng)輸入電壓UI分別為0V、3V和5V時，判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計算輸出電壓UO。

解：晶體管三個極電流的正方向如圖中所示。當(dāng)UI=0V時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；當(dāng)UI=3V時，晶體管處于放大或飽和狀態(tài)，假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，IB=[UI-UBE(on)]/RB

=40A，IC=bIB=2mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V>0，所以集電結(jié)反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)UI=5V時，計算得到UCB=-3.28V<0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat)

。

70［例4.4.2］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=-0.7V，=50。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計算IB、IC和UCE。

解：圖中晶體管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A<0，所以晶體管處于放大或飽和狀態(tài)。IC=bIB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V<0，所以集電結(jié)反偏，晶體管處于放大狀態(tài)，IB=-37.4A，IC=-1.87mA，UCE=UCB+UBE(on)=-4.44V。

714.4.5晶體管應(yīng)用電路舉例

一、對數(shù)和反對數(shù)運算電路

晶體管的電流方程圖中，UO=-UBE=-UTln(IC/IS)，又IC=UI/R，所以這樣就實現(xiàn)了對數(shù)運算。72圖中，輸出電壓UO=ICR=-ISRexp(-UBE/UT)，而輸入電壓UI=-UBE，因此從而實現(xiàn)了UO和UI之間的反對數(shù)(指數(shù))運算。

73二、

值測量電路

圖示電路用以測量晶體管的共發(fā)射極電流放大倍數(shù)

。因為IC

=(U1

-U2)/R1，IB

=UO

/R2，所以

據(jù)此可以根據(jù)電壓表的讀數(shù)UO，結(jié)合預(yù)設(shè)電壓U1和U2以及電阻R1和R2計算

。

74三、恒流源電路

如圖所示，穩(wěn)壓二極管DZ的穩(wěn)定電壓UZ

=6V。UZ通過集成運放A傳遞到電阻R2上端，于是有IO

=IC

IE

=UZ

/R2

=20mA。

754.5.1結(jié)型場效應(yīng)管

4.5場效應(yīng)管

76一、工作原理

飽和電流IDSS夾斷電壓UGS(off)

柵極電流IG

0輸入阻抗很大UGS增大導(dǎo)電溝道變窄ID減小77二、輸出特性恒流區(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|=|uDS

-uGS|>|UGS(off)|)uGS和iD為平方率關(guān)系。預(yù)夾斷導(dǎo)致uDS對iD的控制能力很弱?？勺冸娮鑵^(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且

|uDG|<|UGS(off)|)

uDS的變化明顯改變iD的大小。

截止區(qū)(|uGS|>|UGS(off)|)

iD

=078三、轉(zhuǎn)移特性預(yù)夾斷794.5.2絕緣柵場效應(yīng)管

絕緣柵場效應(yīng)管記為MOSFET，根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)電溝道，MOSFET又分為增強型MOSFET和耗盡型MOSFET。

80一、工作原理

UGS=0ID＝0UGS>UGS(th)電場反型層導(dǎo)電溝道ID>0UGS控制ID的大小N溝道增強型MOSFET81N溝道耗盡型MOSFET在UGS

=0時就存在ID=ID0。UGS的增大將增大ID。當(dāng)UGS

<0時，且|UGS|足夠大時，導(dǎo)電溝道消失，ID

=0，此時的UGS為夾斷電壓UGS(off)

。

N溝道耗盡型MOSFET二、特性曲線

預(yù)夾斷N溝道增強型MOSFET82n為導(dǎo)電溝