知识目标 1. 掌握 PN 结的单向导电性和伏安特性半导体二极管的模型及其伏安特性与主要参数稳压二极管的稳压原理及稳压电路三极管的工作状态及伏安特性与主要参数 2. 熟悉 PN 结的特性电流分配及放大作用能力目标 1. 通过学习半导体二极管基础知识, 具备二极管的识别和检测能力 2. 通过

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炊安
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1 知识目标 1. 掌握 PN 结的单向导电性和伏安特性半导体二极管的模型及其伏安特性与主要参数稳压二极管的稳压原理及稳压电路三极管的工作状态及伏安特性与主要参数 2. 熟悉 PN 结的特性电流分配及放大作用能力目标 1. 通过学习半导体二极管基础知识, 具备二极管的识别和检测能力 2. 通过学习半导体三极管基础知识, 具备三极管的识别和检测能力学习重点 1. 半导体二极管的模型及其伏安特性 2. 三极管的工作状态伏安特性及主要参数 1.1 半导体的基础知识导体绝缘体和半导体在自然界中, 有的物质很容易导电, 如铜铝金等, 这些易于导电的物质被称为导体 ; 有些物质不导电, 如塑料陶瓷石英, 称为绝缘体 ; 此外, 还有一类物质, 其导电性能介于导体和绝缘体之间, 称为半导体常用的半导体材料有硅 (Si) 锗(Ge) 砷化镓(GaAs) 半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性, 具体如下 (1) 热敏特性 : 当环境温度升高时, 半导体的导电能力显著增强 (2) 光敏特性 : 当受到光照时, 半导体的导电能力显著增强利用这种特性可以制成各种光敏元件, 如光敏电阻光敏二极管光敏三极管等 (3) 掺杂特性 : 在纯净的半导体中掺入微量杂质, 半导体的导电能力可以增加几十万至几百万倍利用这种特性可以制成各种不同用途的半导体器件, 如二极管三极管和晶闸管等半导体的晶体结构半导体中应用最广泛的是硅和锗锗和硅均是晶体, 它们是四价元素, 原子的最外电子层均有 4 个电子锗和硅原子结构模型如图 1-1 所示, 最外层的电子, 通常称为价电子完全纯净的晶格结构完整的半导体称之为本征半导体本征半导体具有晶体结构, 原

2 2 模拟电子技术基础子在空间形成排列整齐的晶格, 由于相邻原子间的距离很小, 因此原子最外层的价电子不仅受到自身原子核的束缚, 还要受到相邻原子核的吸引, 形成共价键, 如图 1-2 所示图 1-1 硅和锗原子的结构模型图 1-2 硅晶体共价键结构示意图本征半导体的导电特性本征半导体具有晶体结构, 晶体中的共价键具有很强的结合力因此, 当半导体处于热力学温度 T=0K 时, 半导体所有的价电子紧紧束缚在共价键中, 没有自由电子, 不能导电当温度升高或受到光照时, 有些价电子就会获得足够的能量, 挣脱共价键的束缚, 参与导电, 成为自由电子自由电子产生的同时, 会在原来的共价键中留下一个空位, 称为空穴在本征半导体中, 自由电子和空穴总是成对出现的, 称为电子 - 空穴对, 如图 1-3 所示半导体在外部能量激励下 ( 主要为热激发 ), 产生自由电子和空穴的现象称为本征激发外加能量越高, 产生的电子 - 空穴对就会越多常温 300K 时, 硅晶体中电子 - 空穴对的浓度大约为 /cm 3 原子失掉一个价电子后而带正电, 所以可以把空穴看成带正电的粒子当在本征半导体外加一电场时, 自由电子能做定向运动而形成电子电流与此同时, 由于图 1-3 本征半导体中的电子和空穴空穴的存在, 价电子在外加电场作用下按一定的方向依次填补空穴, 相当于带正电荷的空穴在做与价电子填补空穴运动方向相反的定向运动, 形成空穴电流运载电荷的粒子称为载流子而本征半导体中有两种载流子带负电的自由电子和带正电的空穴, 它们均参与导电本征半导体中的电流是电子电流与空穴电流之和本征激发产生的载流子又称为本征载流子, 在本征半导体中, 自由电子和空穴的数目是相等的单位体积内本征载流子的数量称为本征载流子浓度本征激发使得自由电子和空穴成对出现但同时, 在本征半导体中, 自由电子在运动的过程中可能与空穴相遇而填补空穴, 从而使自由电子和空穴成对消失, 这种现象称为复合在一定的温度下, 这两种运动达到动态平衡, 从而使得本征半导体中载流子的浓度一定, 并且自由电子和与空穴的浓度相等当环境温度升高时, 热运动加剧, 将有更多的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子, 因而半导体中载流子的浓度升高, 其导电能力加强 ; 反之, 若环境温度下降, 则半导体载流子浓

3 第 1 章半导体二极管和三极管 3 度降低, 其导电性能变差理论分析表明, 本征半导体载流子的浓度可用下式计算 3 2 Eg0 = = ni pi AT 0 exp 2 kt (1-1) 式中,n i 和 p i 分别表示自由电子和空穴的浓度 (cm -3 );T 为热力学温度 (K);A 0 为与半 16 3 导体有关的常数, 对于硅, A = cm K, 对于锗 A 2 0 = cm K ;E g0 为热力学温度为 0K 时的禁带宽带 ( 即破坏共价键所需的能量 )(ev), 硅的 E g0 =1.21eV, 锗的 E g0 =0.785eV,k= ev/k 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质, 可使半导体的导电性能发生显著变化掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体根据掺入杂质的性质不同, 杂质半导体可以分为电子 (N) 型半导体和空穴 (P) 型半导体两类通过控制掺入杂质元素的浓度, 可以控制杂质半导体的导电性能 1.N 型半导体在本征半导体硅或锗中掺入适量五价元素, 就形成了 N 型半导体, 如图 1-4 所示掺入的杂质原子数越多, 产生的自由电子数越多由于五价元素杂质可以提供多余电子, 故称为施主杂质半导体中除施主杂质提供的大量自由电子外, 同时还存在本征激发产生的电子 - 空穴对, 但自由电子数量远大于空穴数量, 称为多数载流子, 简称多子空穴则称为少数载流子, 简称少子参与导电的主要是自由电子, 因此掺入五价元素杂质的半导体常称为电子型或 N 型半导体 2.P 型半导体在本征半导体硅或锗中掺入适量三价元素, 就形成了 P 图 1-4 N 型半导体示意图型半导体, 如图 1-5 所示由于三价原子中的空穴吸引电子, 起着接受电子的作用, 故称为受主原子, 或受主杂质在本征半导体中, 每掺入一个三价原子就可以提供一个空穴这样, 在掺入硼原子的半导体中, 空穴的数目远远大于本征激发所产生自由电子的数目, 空穴成为多数载流子, 而自由电子成为少数载流子参与导电的主要是空穴, 故这种半导体被称为空穴型半导体在室温条件下,P 型半导体中的受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子, 同时还有少数本征激发产生的自由电子和空穴在 P 型半导体中多数载流子是空穴, 主要由掺杂的浓度决定, 尽管杂质原子含量很少, 但对半导体的导电能力却有很大影响 ; 自由电子是少数载流子, 由本征激发产生, 尽管其浓度很低, 但对温度非常敏感, 会影响半导体器件图 1-5 P 型半导体示意图的性能 3 3

4 4 模拟电子技术基础 PN 结的形成及其特性 1.PN 结的形成利用特殊的掺杂工艺, 可以在一块本征半导体晶片的两边分别生成 N 型和 P 型半导体, 在两者的交界处形成 PN 结如图 1-6(a) 所示的 N 型和 P 型半导体,P 区的多子是空穴,N 区的多子是自由电子当两种半导体结合在一起时, 交界面两侧有很大的载流子浓度差 :N 型区中自由电子浓度高, 空穴浓度低 ;P 型区中自由电子浓度低, 空穴浓度高 N 型区的自由电子浓度远大于 P 型区, 由于存在浓度差, 因此 P 型区内空穴向 N 型区扩散,N 型区内自由电子向 P 型区扩散这种由于存在浓度差引起的载流子从高浓度区域向低浓度区域的运动称为扩散运动, 所形成的电流称为扩散电流 P 区的空穴向 N 区扩散并与 N 区的自由电子复合,N 区的自由电子向 P 区扩散并与 P 区的空穴复合,P 区一边失去空穴, 留下了带负电的受主杂质离子,N 区一边失去电子, 留下了带正电的施主杂质粒子这些带电的杂质离子, 由于物质结构的关系, 它们不能随意移动, 因此不参与导电在交界面附近出现的带电离子集中的薄层, 称为空间电荷区, 又称耗尽层或阻挡层, 如图 1-6(b) 所示图 1-6 PN 结的形成空间电荷区的左半部分是带负电的杂质离子, 右半部分是带正电的杂质离子, 从而在空间电荷区中就形成了一个由 N 区指向 P 区的内建电场, 称为内电场在内电场的作用下, 空穴向 P 区漂移, 自由电子向 N 区漂移, 载流子在电场作用下的这种运动称为漂移运动, 所形成的电流称为漂移电流漂移作用的结果是空间电荷区变窄, 内建电场减弱

5 第 1 章半导体二极管和三极管 5 扩散运动和漂移运动相互制约, 最终, 从 P 区扩散到 N 区的空穴数与从 N 区漂移到 P 区的空穴数相等, 从 N 区扩散到 P 区的自由电子数与从 P 区漂移到 N 区的自由电子数相等,PN 结达到动态平衡 2.PN 结的单向导电性 PN 结外加正向电压时, 处于导通状态, 呈现低阻特性 ;PN 结外加反向电压时, 处于截止状态, 呈现高阻特性, 这就是 PN 结的单向导电性 (1)PN 结外加正向电压将 PN 结的 P 区接电源正极,N 区接电源负极, 这种连接方式称为 PN 结外加正向电压, 又称为 PN 结正向偏置, 如图 1-7 所示当 PN 结处于正向偏置时, 外电场和内电场的方向相反 P 区的空穴和 N 区的自由电子在外电场的作用下向空间电荷区移动, 破坏了空间电荷区的平衡状态使空间电荷区的电荷量减少, 空间电荷区变窄, 起到削弱内电场的作用这种情况有利于多数载流子的扩散运动, 不利于少数载流子的漂移运动扩散电流起主导作用, 漂移电流很小, 此时外电场电流近似等于扩散电流, 又称正向电流 PN 结正向偏置时, 在一定范围内, 正向电流随着外电场的增强而增大, 正偏的 PN 结表现为一个阻值很小的电阻, 呈现低阻特性, 此时称 PN 结导通 PN 结正向导通时压降很小, 理想情况下, 可认为 PN 结正向导通时的电阻为零, 所以导通时的压降也为零正向电流的大小主要由外加电压 V 和电阻 R 的大小来决定电阻 R 可以限制回路电流, 防止 PN 结因正向电流过大而损坏由于少数载流子形成的漂移电流, 其方向与扩散电流相反, 且数值很小可以忽略不计 (2)PN 结外加反向电压将 PN 结的 P 区接电源负极,N 区接电源正极, 这种连接方式称为 PN 结外加反向电压, 又称 PN 结反向偏置, 如图 1-8 所示 PN 结加反向电压时, 外电场和内电场方向相同,PN 结内部扩散运算和漂移运动的平衡被破坏 P 区的空穴和 N 区的自由电子由于受外电场作用将背离空间电荷区, 使空间电荷量增加, 空间电荷区变宽, 内电场加强此时多数载流子的扩散运动减弱, 少数载流子的漂移运动增强 PN 结中的电流主要由漂移电流决定这种由少数载流子的漂移运动所形成的电流称为 PN 结的反向电流图 1-7 PN 结外加正向电压图 1-8 PN 结外加反向电压在一定温度下, 少数载流子的数目是一定的, 且数值很小因此, 在一定范围内, 反向电流也极小, 且近似一定值, 不随外加反向电压的变化而变化, 所以该电流称为反向饱和电

6 6 模拟电子技术基础流, 用 I S 表示, 当外界温度发生变化时,PN 结的反向饱和电流会随着温度的上升而增大 PN 结反向偏置时, 呈现出一个阻值很大的电阻, 即高阻状态理想情况下, 反向电阻为无穷大, 基本上不导电, 称 PN 结截止由以上分析可知,PN 结的导电能力与 PN 结所加电压的极性有关当外加正向电压时, PN 结导通, 其电阻很小, 正向电流与外加电压和电阻有关 ; 当外加反向电压时,PN 结截止, 反向饱和电流很小, 可以忽略不计,PN 结的这种导电特性称为 PN 结的单向导电性 (3)PN 结方程根据理论分析可知,PN 结两端的外加电压 U 和流过 PN 结的电流 I 之间的关系为 U T = (e k T 1) = (e 1) (1-2) S qu I I I 式 (1-2) 即为 PN 结方程, 式中 I S 为反向饱和电流, 由公式可知, 正向偏置且 U 大于 U T 几倍以上时即 I 随 U 按指数规律变化反向偏置且 U 大于 U T 几倍以上时 S U U T I I e (1-3) S S U I I (1-4) 即是一个与反向电压无关的常数, 其中负号表示电流方向与设定方向相反 (4)PN 结的反向击穿当 PN 结外加反向电压增大到一定值时, 反向电流急剧增大, 这种现象称为 PN 结的反向击穿发生击穿时的反向电压 U BR 称为 PN 结的反向击穿电压击穿现象分为齐纳击穿和雪崩击穿两种根据式 (1-2) 并考虑到 PN 结的反向击穿, 画出 PN 结的伏安特性曲线, 如图 1-9 所示图中 U>0 的部分称为正向特性, 图 1-9 PN 结的伏安特性曲线 I 随 U 近似按指数规律变化, 呈现小电阻的导通状态 ;U<0 的部分称为反向特性, 电流很小, 呈现大电阻的截止状态这种单向导电性是 PN 结最重要的特性 1.2 半导体二极管半导体二极管的结构利用 PN 结的单向导电性可以制造半导体二极管, 二极管是结构最简单且应用最广泛的半导体器件之一二极管由管芯 ( 主要是 PN 结 ) 从 P 区和 N 区分别引出的两根电极 [ 阳极 ( 正极 ) 阴极( 负极 )] 用塑料玻璃和金属封装的外壳组成, 图 1-10 为一些常见的二极管外形图 1-10 常见的二极管外形

7 第 1 章半导体二极管和三极管 7 按其结构不同, 二极管分为点接触型二极管面接触型二极管和平面型二极管二极管的几种常见结构类型及电路符号如图 1-11 所示图 1-11 二极管的几种常见结构类型及电路符号二极管的伏安特性与 PN 结一样, 二极管具有单向导电性, 其特性曲线与 PN 结的伏安特性曲线相似, 用实验的方法, 在二极管阳极和阴极加上不同极性和不同数值的电压, 同时测量流过二极管的电流值, 就可以得到二极管的伏安特性曲线, 如图 1-12 所示, 该曲线是非线性的, 可分为正向特性反向特性和反向击穿特性三个部分图 1-12 二极管的伏安特性曲线 1. 正向特性当二极管所加正向电压比较小时 (0<U<U th ), 二极管上流经的电流为 0, 二极管截止, 此区域称为死区,U th 称为死区电压 ( 门槛电压 ) 硅二极管的死区电压约为 0.5V, 锗二极管的死区电压约为 0.1V 二极管所加正向电压大于死区电压时, 正向电流增加, 管子导通, 电流随电压的增大而上升, 二极管呈现电阻很小, 二极管处于正向导通状态, 其值几乎不变常温下, 硅二极管的正向导通压降约为 0.7V, 锗二极管的正向导通压降约为 0.3V

8 8 模拟电子技术基础 2. 反向特性二极管外加反向电压时, 反向电流很小 (I I s ) 而且在相当宽的反向电压范围内, 反向电流几乎不变因此, 称此电流为二极管的反向饱和电流 ( 室温下, 小功率硅管的反向饱和电流 I s 小于 0.1 微安, 锗管为几十微安 ) 二极管呈现的电阻很大, 管子处于反向截止状态 3. 反向击穿特性当反向电压值增大到 U BR 时, 反向电压的绝对值稍有增大, 反向电流便会急剧增大, 称此现象为反向击穿,U BR 为反向击穿电压因而使用时应在电路中采取适当的限压措施, 才能保证电击穿不会演变成热击穿, 以避免损坏二极管二极管的主要参数二极管的参数是描述二极管电性能的指标, 是正确选用二极管的依据半导体二极管的主要参数有最大整流电流 I F 最大反向工作电压 U RM 反向电流 I R 和最高工作频率 f M (1) 最大整流电流 I F : 最大整流电流 I F 是二极管长期连续工作时, 允许通过二极管的最大正向平均电流 (2) 最大反向工作电压 U RM : 最大反向工作电压 U RM 是指二极管安全工作时所能承受的最大反向电压 (3) 反向电流 I R : 反向电流 I R 是指二极管未击穿时的反向电流其值越小, 说明二极管的单向导电性越好反向电流的大小对温度很敏感, 因此使用时要注意温度的影响 (4) 最高工作频率 f M : 最高工作频率 f M 是指二极管工作的上限频率工作频率超过 f M 时, 二极管的单向导电性变差稳压二极管稳压二极管又称齐纳二极管, 掺杂浓度比较高, 是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管, 又称稳压管稳压管反向击穿后, 在一定电流范围内, 端电压几乎不变, 表现出稳压特性, 广泛应用于稳压电路与限幅电路中, 其电路符号如图 1-13 所示稳压管的伏安特性如图 1-14 所示正向特性为指数曲线, 但反向击穿区的曲线非常陡直, 几乎平行于纵轴, 表现出稳压特性稳压管正常工作在反向击穿区在这一区间, 电流增量很大, 但电压增量很小, 从而起到稳压的作用反向击穿区的曲线越陡直, 稳压管动态电阻 rz 越小, 稳压效果越好由于半导体器件具有热敏特性, 因此温度也将影响稳定电压的数值图 1-13 稳压管电路符号和等效电路图 1-14 稳压管的伏安特性曲线

9 第 1 章半导体二极管和三极管半导体三极管半导体三极管是具有放大作用的器件, 它分为双极型和单极型两种类型, 双极型三极管 ( 又称晶体三极管晶体管等 ) 有空穴和自由电子两种载流子参与导电 ; 单极型三极管 ( 又称场效应管 ) 是一种利用电场效应控制输出电流的三极管, 它工作时只有一种载流子参与导电本节主要介绍双极性三极管, 在以后章节中都简称为晶体管晶体管的结构及其内部物理过程晶体管是一种三端器件, 由于参与导电的有自由电子和空穴两种极性的载流子, 故称为双极型晶体管 (Bipolar Junction Transistor,BJT) 图 1-15 所示的是晶体管的几种常见外形图 1-15 几种晶体管外形晶体管是由三个独立的掺杂区和两个 PN 结构成的三端器件, 分为 NPN 型管和 PNP 型管两种类型采用平面工艺的 NPN 型硅材料晶体管的结构如图 1-16(a) 所示, 位于中间的 P 区称为基区, 它很薄且杂质浓度很低 ; 位于上层的 N 区是发射区, 掺杂浓度很高 ; 位于下层的 N 区是集电区, 因而集电结面积很大 ; 晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关由这三个区引出的三个电极分别称为发射极 (e) 基极(b) 和集电极 (c) 图 1-16(b) 所示的是 NPN 型管的结构示意图, 发射区和基区交界处形成的 PN 结称为发射结, 用 J e 表示 ; 集电区与基区交界处形成的 PN 结称为集电结, 用 J c 表示图 1-16(c) 所示的是 NPN 型管和 PNP 型管的电路符号两种类型晶体管以其电路符号中发射极箭头相区别, 发射极箭头指向表示晶体管工作在放大状态时实际电流的方向图 1-16 晶体管的结构示意图及其电路符号

10 10 模拟电子技术基础晶体管有三个区三个电极和两个 PN 结发射区 (Emitter): 简称 E 区, 发射载流子的区域, 其特点是掺杂浓度高基区 (Base): 简称 B 区, 传输载流子的区域, 其特点是很薄且掺杂浓度低, 以减少载流子在基区复合的几率集电区 (Collector): 简称 C 区, 是收集载流子的区域, 其掺杂类型与发射区相同, 但掺杂浓度比发射区要低, 集电区的特点是面积很大, 以利于收集载流子晶体管在放大电路中有三种连接方式 ( 三种基本组态 ), 图 1-17 所示的是由 NPN 型管构成的三种连接方式, 分别为共发射极 (Common-Emitter,CE) 共基极(Common-Base,CB) 和共集电极 (Common-Collector,CC) 组态其中,CE 组态以发射基为输入输出的公共端, 交流信号从基极输入, 放大后的信号从集电极输出 ;CB 组态以基极为公共端, 交流信号从发射极输入, 从集电极输出 ;CC 组态以集电极为公共端, 交流信号从基极输入, 从发射极输出需要说明的是,NPN 和 PNP 型晶体管的工作原理相同, 内部载流子的传输过程相同无论哪种连接方式, 要使晶体管具有放大作用都必须保证发射结正偏, 集电结反偏图 1-17 晶体管的 3 种基本组态后面将以 NPN 型硅晶体管为例, 阐述晶体管的内部物理过程电流分配关系和放大作用晶体管的特性曲线, 以及主要参数和温度对三极管的影响所得结论同样适用于 PNP 型晶体管, 所不同的是 PNP 型晶体管各极的电压极性和电流方向与 NPN 型晶体管相反图 1-18 所示为 NPN 型晶体管基本共射放大电路基极偏置电阻 R b 电源 V BB, 交流输入信号 u i 和晶体管的基极及发射极构成了信号的输入回路, 集电极发射极和集电极负载电阻 R c 电源 V CC 构成输出回路, 经放大后的信号从输出回路中输出电源 V BB 和 V CC 的极性如图 1-18 所示, 且电源 V CC 的数值应大于 V BB, 以确保晶体管的发射结正偏且集电结反偏, 这是任何晶体管工作在放大状态时必须满足的外部工作条件在直流电源 V BB V CC 和交流输入信号 u i 的共同作用下, 晶体管的发射极 (e) 基极(b) 和集电极 (c) 均有电流流过, 分别用 i E i B 和 i C 表示, 其方向如图 1-18 所示晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流图 1-18 所示的放大电路中, 设交流输入 u i =0, 在直流电源 V BB 和 V CC 的作用下, 晶体管发射极基极和集电极均为直流量, 分别以 I E I B 和 I C 表示此时晶体管内部载流子运动如图 1-19 所示 (1) 发射区载流子注入基区由于发射结正偏, 且发射区杂质浓度高, 发射区的大量载流子 ( 电子 ) 不断通过发射结扩散到基区, 成为基区的非平衡少子, 这部分载流子的扩散运动形成电子流 I EN ; 与此同时, 基区的空穴也越过发射结扩散到发射区, 形成空穴电流 I EP I EN 和 I EP 共同构成了发射极电流 I E, 即 I E =I EN +I EP 由于发射区的杂质浓度远高于基区的杂质浓度, 因而同 I EN 相比,I EP 通常可忽略不计, 即发射极电流可近似为 I E I EN

11 第 1 章半导体二极管和三极管 11 图 1-18 NPN 型晶体管基本共射放大电路图图 1-19 晶体管内部载流子传输示意图 (2) 注入基区的载流子的扩散与复合发射区的载流子 ( 自由电子 ) 注入基区后, 就在基区靠近发射结的边界积累起来, 在发射结边界附近的浓度最高, 离发射结越远浓度越低, 因而在基区形成了一定的浓度梯度在浓度梯度的作用下, 这部分载流子要继续向集电结方向扩散在扩散的过程中, 部分自由电子被基区的空穴捕获而复合, 在电源 V BB 的作用下, 这种复合运动将源源不断地进行, 形成复合电流 I BN 由于基区很薄, 且掺杂浓度低, 因此, 除少部分自由电子在基区复合外, 大部分自由电子均能扩散到集电结边缘 (3) 集电结收集扩散过来的载流子从发射区注入基区并扩散到集电结边缘的非平衡少子 ( 自由电子 ), 在集电结反偏电场的作用下很快飘移, 越过集电结达到集电区, 形成电流 I CN 与此同时, 集电区和基区的平衡少子也参与飘移运动, 基区的平衡少子 ( 自由电子 ) 越过集电结飘移到集电区, 集电区的平衡少子 ( 空穴 ) 则飘移到基区, 这两部分载流子的运动形成了不受 U BE 控制的集电结反偏电流, 称为集电结反向饱和电流, 以 I CBO 表示因此, 集电极电流可表示为 :I C =I CN +I CBO 晶体管的电流分配关系和放大作用由载流子的传输过程可知, 由发射区向基区扩散所形成的自由电子电流 I EN 和基区向发射区扩散所形成的空穴电流 I EP 共同组成了发射极电流 I E ; 基区飘移到集电区的非平衡少子形成的电流 I CN, 和基区与集电区之间做飘移运动的平衡少子所形成的电流 I CBO 共同构成了集电极电流 I C ; 基区内非平衡少子做复合运动形成电流 I BN, 显然基极电流 I B 与 I BN I EP 及 I CBO 有关, 它们之间满足基尔霍夫电流定律 (KCL) 根据图 1-19 所知, 晶体管的电流分配关系可用公式 (1-5) 表示 IE = IEN + IEP = ICN + IBN + IEP IC = ICN + ICBO (1-5) I B = IBN + IEP ICBO = IB ICBO 可以看出 IE = IC + IB (1-6) 由于晶体管制造工艺上的特点, 确保了在发射结正偏集电结反偏电压的作用下, 由发射区扩散到基区的载流子中绝大部分能够被集电区收集, 形成受 U BE 控制的电流 I CN, 仅有一小部分在基区被复合, 形成电流 I BN 在共射组态放大电路中, 输入电流为基极电流 I B, 输出

12 12 模拟电子技术基础电流为集电极电流 I C, 通常将集电极电流中受 U BE 控制的电流 I CN 与基极电流中受 U BE 控制的电流 I B 的比值定义为共射直流放大系数 β, β 可表示为 ICN IC ICBO β = = I I + I 整理得 B B CBO I = βi + (1 + β) I = βi + I (1-7) C B CBO B CEO 式中的 I CEO 为穿透电流, 对于小功率管, 通常 I CEO 可忽略, 则集电极电流和发射极电流可近似为 IC βib, I E (1 + β ) I B 在共发射极放大电路中,u CE 保持不变 (Δu CE =0), 仅改变 u BE, 即在输入电压信号作用下, 发射结的外加电压将发生相应的变化, 从而引起晶体管的基极发射极和集电极电流发生相应的变化设 i B =I B +Δi B,i C =I C +Δi C,i C =I E +Δi E, 定义 Δi C 和 Δi B 之比为共射交流放大系数 β, 即 β Δi C c = = ΔiB i Δ u = 0 b u = 0 CE i ce (1-8) 在 Δ i B 不太大的情况下, 根据式 (1-7) 可以认为 i C = β i B +I CEO, 即 I C +Δi C = β (I B +Δi B )+I CEO, 可以推出 β β 通常对于小功率管, 在 i E 较宽的数值范围内 β 基本不变, 可认为 β β 因此在近似分析当中不加区分这两个参数, 小功率管的 β 较大, 一般可达几十至几百, 可见比较小的基极电流可获得较大的集电极电流, 共射组态的晶体管工作在放大区时具有较大的电流放大作用在晶体管构成的共基放大电路中, 发射极电流为输入电流, 集电极电流为输出电流, 定义 I CN 与 I E 之比为共基直流电流放大系数, 以 α 表示, 即 ICN α = (1-9) IE 因此集电极电流可表示为 I C =α I E +I CBO 类似地, 在 u CB 保持不变的情况下仅改变 u BE, 则晶体管的三个极的电流发生相应的变化定义共基极电流系数 α 为集电极电流的变化量与发射极电流变化量的比值, 即 α Δi C c = = = ΔiE i Δ u = 0 e u CB i cb 0 (1-10) 同样对于小功率管, 在 i E 的一个很大范围内可认为 α α, 今后不加以区别, 统一以 α α β 表示发射极电流对集电极电流的控制作用 α 与 β 具有如下关系 : β = 或 α = 1 α 1 β 综上所述, 若忽略 I CBO 和 I CEO, 以共射或共基电流放大系数为参数, 晶体管的电流分配关系可表示为 IC β IB IC α IE IE (1 + β ) IB 或 IB (1 α) IE (1-11) IE = IC + I B IE = IC + IB

13 第 1 章半导体二极管和三极管 13 式 (1-11) 电流分配关系对 PNP 管同样成立, 而且当式中的各电流量为瞬时量或交流量时也同样成立晶体管的伏安特性曲线晶体管的伏安特性曲线描述的是晶体管各极电压与电流的关系, 用于对晶体管的性能参数和晶体管电路的分析估算下面介绍最常用的晶体管共射输入输出特性曲线 1. 输入特性曲线输入特性指的是当 c e 极之间的电压降 u CE 为一常量时, 晶体三极管输入回路中基极电流 i B 与发射结 u BE 压降之间的函数关系, 即 ib = f ( u BE) u = 常量图 1-20 所示为当 u BE >0 u CE 取不同数值时,NPN 型晶体管的共射输入特性曲线簇, 从图中可以看出 : (1) 当 u CE =0 时, 晶体管的发射极与集电极之间短路, 发射结和集电结均承受正偏电压, 晶体管的输入特性相当于两个二极管正向并联时的伏安特性, 呈指数关系 (2) 当 u CE >0, 但数值较小时 ( 通常 u CE <1V), 曲线将随 u CE 的增大而右移这是由于集电结的反偏电压 u CB =u CE u BE, 对于确定的 u BE, 集电结反偏电场将随着 u CE 增大而增强, 对注入到基区的非平衡少子的作用力相应增强, 非平衡少子在基区的复合机会减少, 基极电流 i B 将减小若要保证当 u CE 增大时 i B 不变, 则必须增大 u BE, 使发射区发射更多的载流子, 因而随着 u CE 增大曲线将右移, 此时 u CE 对输入特性的影响较大 (3) 对于确定的 u BE, 当 u CE 增大到一定数值后 ( 通常 u CE 1V), 曲线变化小这是由于集电极的反偏电场足够大, 足以将发射区注入到基区的载流子中的绝大部分都收集到集电区, 此时再增大 u CE, 基极电流 i B 基本不变,i C 没有明显增大了因此, 各输入特性曲线非常接近, 几乎重合通常对于小功率管, 可以用 u CE 1V 的任何一条输入特性曲线来近似表示所有输入特性曲线图 1-20 未画出晶体管在发射结反偏时的反向工作特性当发射结反偏时, 基极电流很小 ; 但当反偏电压增大到一定值时, 发射结击穿, 反向电流急剧增大 2. 输出特性曲线晶体管的共射输出特性曲线表示当基极电流恒为某一常数时, 集电极电流 i C 与 c e 极之间电压降 u CE 的函数关系, 即 ic = f ( uce) i = 常量对于 NPN 型晶体管, 为保证发射结正偏, 要求 u CE >0 图 1-21 为 NPN 型晶体管在基极电流 i B 取不同数值时的输出特性曲线簇从图中可以看出各条特性曲线的形状基本相同, 对于任意一条输出特性曲线,i B 恒定, 当 u CE 从零逐渐增大但数值较小时 (1V 以下 ), 集电结的反偏电场随之增强, 对注入基区的非平衡少子吸引力增强,i C 将明显增加, 因而输出特性曲线的起始部分较陡, 受 u CE 的影响较大 ; 当 u CE 增大到一定数值时, 集电结的反偏电场已足以将注入到基区的非平衡少子中的绝大部分收集到集电区, 此时再增大 u CE,i C 已不再明显增大, 表现为输出特性曲线变得平坦, 几乎与横轴平行, 只有当基极电流改变时,i C 才会有变化, 即 i C 仅取决于基极电流 i B B CE

14 14 模拟电子技术基础图 1-20 晶体管的输入特性曲线图 1-21 晶体管的输出特性曲线由图 1-21 可看出, 晶体管的正向输出特性曲线可分为放大截止饱和和击穿 4 个区 (1) 放大区其特征是发射结正偏且正偏电压大于发射结的开启电压, 集电结反偏, 即 u BE >U on 且 u CE >u BE 其中 U on 为晶体管发射结开始导通时其两端的电压降, 称为晶体管的开启电压通常对于硅管,U on 为 0.6~0.8V, 典型值为 0.7V; 对于锗管,U on 为 0.1~0.3V, 典型值为 0.2V 工作在放大区的晶体管有以下两个特点 1 基极电流 i B 对集电极电流 i C 有很强的控制作用,i C =βi B 当 i B 有很小的变化量 Δi B 时, i C 会有很大的变化量在恒定 u CE (Δu CE =0) 的情况下, 共射交流放大系数 β 可由下式求得 : β Δi C c = = ΔiB i Δ u = 0 b u = 0 CE i ce, 在 i C 的一定范围内,β 近似为常数, 因此当 i B 按等差变化时,i C 的输出特性为一簇等间隔曲线 2 u CE 对 i C 的影响小如前文所述, 当 u CE 增大到一定数值后, 对 i C 的影响小, 输出特性曲线变得平坦, 几乎与横轴平行实际上, 由于基区宽度调制效应, 输出特性曲线随着 u CE 的增加略向上倾斜, 这是由于当 u BE 不变时, 集电结两端所承受的反偏电压 u CB 将随着 u CE 的增加而增大, 从而使得集电结空间电荷区的宽度增加, 基区的有效宽度变窄, 因而载流子在基区的复合机会减少, 共射电流放大系数 β 增大, 从而引起 i C 略有增加这样在 i B 不变的情况下,i C 将随 u CE 的增大而增大, 输出特性曲线向上倾斜, 这就是基区宽度调制效应由于基区宽度调制效应很弱,u CE 在很大范围内变化时,i C 基本不变因此在近似分析当中, 均忽略这种效应, 认为当 i B 一定时,u CE 增大到一定数值后, 集电极电流 i C 将具有恒流特性, 输出特性曲线表现为与横轴平行, 因而在放大区 i C 仅取决于 i B (2) 截止区发射结和集电结均反偏的工作状态, 对应输出曲线 i B =0 以下的区域此时集电极电流很小, 可将集电极近似看成开路,i B =0 时的集电极电流 i C =I CEO 严格来说, 晶体管截止时, 应当对应于 i E =0, 这时流过集电结的是反向饱和电流 I CBO, 即 i C =I CBO i B = I CBO 但 I CBO 很小, 所以在工程上通常将 i B =0 以下的区域称为晶体管的截止区 (3) 饱和区其特征是发射结和集电结均正偏, 对应输出特性曲线的起始陡峭部分当 u CE 很小时, 由于集电结的电场较弱, 收集载流子的能力较弱, 因此电流也较小随着

15 第 1 章半导体二极管和三极管 15 u CE 的增加, 集电结的电场逐渐增强,i C 增加很快,i C 受 u CE 的影响很大, 所以曲线很陡, 但随着 u CE 的增大,i C 的增加速度变缓在饱和区, 晶体管集电极与发射极之间的电压降称为饱和管压降, 用 U CES 表示, 其大小与集电区电阻和集电极电流有关分析可知, 在饱和区由于集电结正偏, 收集载流子的能力减弱, 发射极发射的载流子不能被集电极充分收集,i B 和 i C 不再成比例关系 (4) 击穿区在这一区域, 发射结正偏且集电结反偏, 随着 u CE 的不断增大, 加在集电结上的反向 u CB 随之增大, 当 u CB 增大到一定值时, 集电结发生反向击穿, 造成集电极电流 i C 剧增晶体管的主要参数晶体管的性能常用有关参数表示, 主要有电流放大系数极间反向电流极限参数和高频参数等 1. 电流放大系数三极管电流放大系数有直流 (α, β ) 和交流 (α,β) 两种, 共基和共射直流电流放大系数 α 和 β 分别定义为共基和共射交流电流放大系数 α 和 β 分别定义为 IC ICBO IC α = IE IE (1-12) IC ICEO IC β = I I (1-13) α β B Δ i i B C = (1-14) Δ Δi i E Q C = (1-15) Δ 由式 (1-12)~(1-15) 可知,α 和 β 反映静态 ( 直流 ) 电流之比,α 和 β 反映静态工作点 Q 上动态 ( 交流 ) 电流之比在三极管输出特性曲线间距基本相等并忽略 I CBO I CEO 时, 两者数值近似相等因此在工程上, 通常不分交直流, 都用 α β 表示 2. 极间反向电流 (1) 反向饱和电流 I CBO :I CBO 表示发射极开路时, 集电极和基极间的反向饱和电流 (2) 穿透电流 I CEO :I CEO 表示基极开路时, 集电极与发射极间的穿透电流 I CEO =(1+β)I CBO 3. 极限参数 (1) 集电极最大允许电流 I CM :I CM 是指三极管集电极允许的最大电流当 I C 超过 I CM 时, β 明显下降 (2) 集电极最大允许功耗 P CM :P CM 表示集电结上允许耗散功率的最大值集电结功率损耗 P C =i C u CE, 当 P C >P CM 时, 集电结会因为过热而烧毁 B Q

16 16 模拟电子技术基础 (3) 反向击穿电压 U (BR)CEO :U (BR)CEO 指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压在共射输出特性曲线上, 由极限参数 I CM U (BR)CEO P CM 所限定的区域如图 1-22 所示, 通常称为安全工作区为了确保三极管安全工作, 使用时不能超出这个区域图 1-22 三极管的安全工作区域温度对晶体管参数的影响由于半导体材料具有热敏特性, 晶体管的参数几乎都与温度有关当温度变化时, 晶体管的参数 u BE I CBO β 等将会随之变化 (1) 温度对发射结正向电压降 u BE 的影响与二极管的情况相似, 当温度升高时, 发射结的正向伏安特性向左移动, 使 i B 保持一定时的发射结正向电压降 u BE 值减小 (2) 温度对反向饱和电流 I CBO 的影响 I CBO 是由基区和集电区的少子飘移运动而产生的, 由于少子的数量随温度上升而增大, 因此 I CBO 也随温度的上升而增大穿透电流 I CEO 同样也随温度的上升而增大 (3) 温度对电流放大系数 β 的影响温度升高后, 注入基区的载流子的扩散速度加快, 自由电子与空穴在基区的复合数目减小, 所以 β 增大温度每升高 1,β 增加 0.5%~1.0% 由于温度变化时, 晶体管的参数 u BE I CBO β 等发生变化, 因此晶体管的特性曲线也将发生变化由于 u BE 具有负温度系数, 因此温度升高时, 晶体管输入特性曲线左移, 与二极管相似 (4) 温度对输出特性曲线的影响, 如图 1-23 所示温度升高时, 由于 u BE 减小,I CBO β 等增大, 均使得集电图 1-23 温度对输出特性曲线的影响极电流 i C 增大, 因此随温度升高, 输出特性曲线上移且曲线间隔加大 1.4 场效应管场效应管是利用电场效应来控制电流的有源器件, 由于它仅靠半导体中的多数载流子导电, 故又称为单极性晶体管它不仅兼有一般半导体三极管体积小质量轻耗电省寿命长的特点, 还具有输入阻抗高噪声系数低热稳定性好抗辐射能力强制造工艺简单等优点按照结构场效应管可分为两大类 : 结型场效应管 (JFET) 和绝缘栅型场效应管 (IGFET)

17 第 1 章半导体二极管和三极管结型场效应管结型场效应管 (Junction Field Effect Transistor,JFET) 是利用半导体内的电场效应进行工作的, 也称为体内场效应管器件结型场效应管因为有两个 PN 结而得名, 分为 N 沟道和 P 沟道两种, 均为耗尽型本节只介绍 N 沟道结型场效应管 1. 结构 N 沟道结型场效应管的结构及电路符号如图 1-24 所示它在一块 N 型半导体的两侧对称地制作两个高掺杂度的 P + 区, 形成两个 PN 结将两个 P + 区连在一起引出一个电极, 称为栅极 G, 在 N 型半导体的两端各引出一个电极, 分别称为源极 S 和漏极 D 两个 PN 结之间的 N 型半导体构成导电沟道, 沟道的一端是漏极 D, 另一段是源极 S, 这种结构称为 N 沟道的 JFET 在 JFET 中, 源极和漏极是可以互换的图 1-24 N 沟道结型场效应管的结构及电路符号 2. 工作原理 N 沟道结型场效应管工作时, 需要在栅极与源极之间加一反向电压 (u GS <0), 使两侧的 PN 结反偏, 栅极电流 i G 0, 场效应管呈现高达 10 7 Ω 以上的输入电阻在漏极与源极之间加一正向电压 (u DS >0), 使沟道中的多数载流子 ( 自由电子 ) 在电场作用下由源极向漏极移动, 形成漏极电流 i D i D 的大小受栅源电压的控制, 因此结型场效应管的工作原理主要讨论栅源电压 u GS 和漏源电压 u DS 对漏极电流 i D 的影响 (1) 栅源电压 u GS 对漏极电流 i D 的影响当栅源之间不加电压, 即 u GS =0 时, 栅极与沟道之间零偏置, 两个 PN 结的宽度自然形成如图 1-25(a) 所示, 耗尽层较窄, 沟道较宽当栅源之间加上负电压, 即 u GS <0 时, 如图 1-25(b) 所示,PN 结反偏, 耗尽层变宽, 使沟道变窄, 沟道电阻增大随着 u GS 反偏电压不断增大, 沟道越来越窄, 当 u GS 负向增大到某一数值时, 如图 1-25(c) 所示, 沟道全部被夹断, 沟道电阻趋于无穷大, 此时的 u GS 称为夹断电压 u GS(off) 由此可见, 结型场效应管的沟道电阻受栅源电压 u GS 的控制, 可以看成是一个电压控制的可变电阻器若在漏极和源极之间加一固定正向电压 u DS, 则 i D 的大小受栅源电压 u GS 的控制, 反偏电压 u GS 不断增大时,i D 减小注意, 由于两个 PN 结反偏, 栅极电流 i G 0 (2) 漏源电压 u DS 对漏极电流 i D 的影响当 0>u GS >u GS(off) 且为某一定值时, 漏电压 u DS 对漏极电流 i D 的影响如图 1-26 所示

18 18 模拟电子技术基础图 1-25 u GS 对导电沟道的影响 1 当漏源电压 u DS =0 时,i D =0 2 当漏源电压 u DS 从零逐渐增大时,i D 随 u DS 的增加基本上线性增加同时由于源极到漏极的电位逐渐升高, 使栅极与沟道间的电位差不再相等, 越靠近漏极,PN 结反偏电压越大, 耗尽层越宽, 致使沟道上窄下宽呈楔形分布, 如图 1-26(a) 所示只要 u DS 较小, 沟道没有被夹断, 沟道电阻的大小仍取决于 u GS, 所以 i D 会随 u DS 的增加而线性增加 3 当漏源电压 u DS 增大到使栅极与漏极间的电压 u GD =u GS u DS =u GS(off) 时, 沟道在靠近漏极端出现夹断, 这种夹断被称为预夹断, 如图 1-26(b) 所示此时漏源间的电场强度较大, 仍能将电子拉过夹断区形成漏极电流 i D 4 如果继续增大 u DS, 夹断区将向源极方向不断延长, 如图 1-26(c) 所示这时, 一方面随着 u DS 的增加, 使漏源间的纵向电场增强,i D 增大 ; 另一方面, 沟道电阻变大使自由电子从源极向漏极定向移动所受的阻力也增大,i D 减小两种变化趋势相互抵消, 使 i D 几乎不再随 u DS 的增加而增加, 表现出恒流特性, 场效应管进入恒流区图 1-26 u DS 对导电沟道的影响由以上分析可知, 结型场效应管是电压控制电流器件,i D 主要受 u GS 的控制工作时, 栅极和沟道间的 PN 结是反偏的, 其输入电阻很高,i G 0 预夹断前 i D 与 u DS 呈近似线性关系, 预夹断后 i D 趋于饱和 3. 特性曲线 N 沟道结型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线如图 1-27 所示由输出特性曲线可知, 当 u GS <u GS(off) 时, 管子截止 ; 当 u GS(off) <u GS 0, 且 u DS u GS u GS(off) 时, 管子工作在可变电阻区, 其 U I 曲线可表示为

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PowerPoint Presentation 模拟电子技术蒋乐天 http://nuedc-sh.sjtu.edu.cn/analog/analog.htm Jiangletian@163.com QQ 群 :545196085 主要内容半导体器件放大电路集成运放电路负反馈波形的发生及信号转换功放电路直流电源第一章半导体器件 1.1 半导体基础 1.2 二极管 1.3 双极型晶体管 ( 三极管 ) 1.4 场效应管 1.1 半导体基础