第二部分模擬電子技術(shù)12345本章要求：理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；理解二極管、三極管、穩(wěn)壓管、場(chǎng)效應(yīng)管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，掌握主要參數(shù)的意義。對(duì)于元器件，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理，討論器件的目的在于應(yīng)用。學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問題，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。6

半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間

(10－3～109Ω·cm)。

硅(Si)

和鍺(Ge)

是常用的半導(dǎo)體材料，它們廣泛用于半導(dǎo)體器件和集成電路中,其他半導(dǎo)體材料用在特殊的領(lǐng)域中，例如砷化鎵(GaAs)及其相關(guān)化合物用在特高速器件和光器件中。73.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)8

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。

1.晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+4硅原子結(jié)構(gòu)模型鍺原子結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化模型價(jià)電子慣性核93.1.1

本征半導(dǎo)體

晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子10+4+4+4+4形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。

共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。112.本征半導(dǎo)體中的載流子在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。本征半導(dǎo)體受外界能量激發(fā)產(chǎn)生“電子-空穴對(duì)”的過程稱為本征激發(fā)。12+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子

電子和空穴在外電場(chǎng)的作用下都將作定向運(yùn)動(dòng)，這種作定向運(yùn)動(dòng)電子和空穴（載流子）參與導(dǎo)電，形成本征半導(dǎo)體中的電流。13

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴

溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。14

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)

電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。153.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。

Si

Si

Si

Si+5多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（五價(jià)元素磷元素）,形成N型半導(dǎo)體。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動(dòng)畫16

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。

2.P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的三價(jià)元素硼等，形成P型

半導(dǎo)體。

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。–3硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴動(dòng)畫無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。171.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba183.PN結(jié)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。當(dāng)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在界面兩側(cè)形成的正負(fù)離子區(qū)稱為空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)。

擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動(dòng)畫形成空間電荷區(qū)19（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)IF

內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動(dòng)畫+–20PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動(dòng)畫–+21PN結(jié)變寬PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。動(dòng)畫–+PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－22（2）PN結(jié)的擊穿特性

當(dāng)加在PN結(jié)上的反向電壓UR超過一定值時(shí)，反向飽和電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿（Breakdown）。發(fā)生擊穿時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向電壓UBR稱為反向擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。（電擊穿是可逆的，限制住不會(huì)損壞，穩(wěn)壓管就工作在電擊穿區(qū)域；如產(chǎn)生熱擊穿，PN結(jié)就損壞了。）

雪崩擊穿電子空穴反向電壓增大，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，有利于少子漂移，碰撞電離。電子-空穴對(duì)載流子倍增23齊納擊穿場(chǎng)致激發(fā)，強(qiáng)行將價(jià)電子拉出，產(chǎn)生電子空穴對(duì)使方向電流劇增E↑(2×105V/cm)電子-空穴對(duì)載流子劇增對(duì)于硅材料，UBR>7V時(shí)為雪崩擊穿，UBR<5V時(shí)為齊納擊穿。

24（3）PN結(jié)的電容特性

在PN結(jié)正向偏置時(shí)，為了維持正向電流，需要在PN結(jié)兩邊累積一定數(shù)量的由對(duì)方區(qū)域擴(kuò)散過來的載流子，正向電流越大，累積的載流子數(shù)目越多。PN結(jié)呈現(xiàn)出與正向電流大小成正比的電容效應(yīng)，稱為擴(kuò)散電容，用符號(hào)CD表示。擴(kuò)散電容反映外加正向電壓變化引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)累積的電荷量變化。在PN結(jié)反向偏置時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度隨外加電壓的大小而改變，即空間電荷的數(shù)目隨外加電壓的大小而改變。這就相當(dāng)于電容器的充放電，即PN結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電容，稱為勢(shì)壘電容，用符號(hào)CB表示。

結(jié)電容的存在，主要會(huì)影響PN結(jié)在高頻率下的應(yīng)用。

注意：PN結(jié)、空間電荷區(qū)、阻擋層、耗盡層或勢(shì)壘層，指的是同一結(jié)構(gòu)，各種教材教法不同！3.2

晶體二極管3.2.1二極管結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào)將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為二極管。

二極管的種類分類如下：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型；

（2）根據(jù)半導(dǎo)體材料不同，可分為硅管、鍺管、砷化鎵管等；

（3）根據(jù)用途不同，可分為整流管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管、檢波管和特殊用途二極管等。25(1)點(diǎn)接觸型(2)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，

用于工頻大電流整流電路。(3)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。26二極管的電路符號(hào)：P陽極N陰極金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線

陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅

3.2.2二極管特性和參數(shù)硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特?、伏安特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。272、

主要參數(shù)（1）最大整流電流IF或IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）

反向工作峰值電壓URM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。（3）反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。283、二極管的單向?qū)щ娦?/p>

（1）

二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

（2）

二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

（3）

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?/p>

（4）

二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。29

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。30例題3-1.假定二極管的最大反向工作電壓URM=5V，最大工作電流IFM=10mA。最大正向壓降UF=0.7V，判斷下圖中的二極管是否能長(zhǎng)期、正常工作，為什么？

解：圖（a）二極管能夠正常工作。因?yàn)镈處于正向?qū)ǎ瑹o反向擊穿問題，工作電流ID=（10-0.7）/1=9.3mA<IFM。

圖（b）D處于正向?qū)ǎ琁D=(5-0.7)/0.1=43mA>IFM，有燒毀D的可能。

圖（c）D不能正常工作。當(dāng)輸入-10V時(shí)，D反偏，

反偏電壓等于10V>URM，有可能擊穿D。

圖（d）不能正常工作，當(dāng)輸入-5V時(shí)，D導(dǎo)通其電流：ID=(5-0.7)/0.1=43mA>IFM，D有被擊穿的可能。解：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

V陽

=－6V，

V陰=－12V所以：

V陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V不忽略時(shí)，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V在這里，二極管起鉗位作用。例題3-2：電路如圖，求：UAB=？

D6V12V3k

BAUAB+–33例題3-3.已知二極管限幅電路（削波電路）如圖（a）所示，輸入電路ui為一正弦波如如b所示。設(shè)D為理想二極管，試畫出電路的輸出波形uo。解：當(dāng)輸入電壓<5V時(shí)，D截止，uo=ui；當(dāng)輸入電壓>5V，則D導(dǎo)通，Uo=5V，輸出波形如圖c所示。

3.2.3

特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管工作在反向工作區(qū)！符號(hào)UZIZIZM

UZ

IZ

伏安特性使用時(shí)要加限流電阻

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO36

主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)

ｕ環(huán)境溫度每變化1

C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動(dòng)態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。37典型電路382.光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加符號(hào)（1）

發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管39

發(fā)光二極管LED（Light-EmittingDiode）是將電能轉(zhuǎn)換為光能的一種半導(dǎo)體器件。它是用砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等半導(dǎo)體發(fā)光材料所制成的。

其電路符號(hào)如圖所示。按發(fā)光類型的不同，LED可分為可見光LED，紅外線LED和激光LED。40

（2）

光電二極管光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，pn結(jié)兩側(cè)的p區(qū)和n區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多。如果二極管反偏，則反向電流增大。因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下。41

發(fā)光二極管和光電二極管的應(yīng)用42

3.2.4二極管的應(yīng)用實(shí)例整流電路2.限幅電路3.開關(guān)電路433.3晶體三極管3.3.1三極管的分類、結(jié)構(gòu)、符號(hào)按各個(gè)區(qū)的摻雜比例不同：NPN型、PNP型按使用材料不同：硅管、鍺管按工作頻率不同：高頻管、低頻管

半導(dǎo)體三極管的核心是兩個(gè)PN結(jié)，由這兩個(gè)PN結(jié)背向串聯(lián)而構(gòu)成。兩個(gè)PN結(jié)將三極管分成三個(gè)區(qū)域：發(fā)射區(qū)(E區(qū))，基區(qū)(B區(qū))和集電區(qū)(C區(qū))。44

基本結(jié)構(gòu)示意圖NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管45幾種三極管的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn):1、基區(qū)很薄(10－6m),且輕摻雜(1015cm－3);2、發(fā)射區(qū)重?fù)诫s(1019cm－3);3、集電區(qū)面積大,且摻雜較輕(1017cm－3).

BJT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是決定其能進(jìn)行信號(hào)放大的內(nèi)部物質(zhì)基礎(chǔ)。46基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大473.3.2電流分配和放大原理1、

三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

48兩種類型晶體管在放大狀態(tài)下工作電壓的連接方法：在NPN型晶體管：VC>VB>VE在PNP型晶體管：VE>VB>VC

2、三極管(NPN型)的電流分配與放大作用

（1）管內(nèi)部載流子的傳輸過程如圖3.3所示，管子放大所必須具備的外部條件是:Je正偏,Jc反偏。①發(fā)射區(qū)發(fā)射電子,形成射極電流IE;②電子在基區(qū)復(fù)合,形成基極電流IB;③集電區(qū)收集電子,形成集電極電流IC。

（2）

三極管內(nèi)部電流分配

IC=ICE+ICBO

ICE

IB=IBE?ICBOIBEIE=IEn+IEpIEnIE=IB+IC注：

ICE、IBE是多子運(yùn)動(dòng)，

ICBO是少子運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

+VBB－RBRC+VCC

－NPNECBJeIEnICEIcnIcpICBOJcIEpIBIEIC圖

3.350

共發(fā)射極電流放大倍數(shù)：共基級(jí)電流放大系數(shù)：

結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系:

IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB2）IC

IB

，

IC

IE

,

IC=βIB

，3）

IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化（如IC=βIB

），三極管是電流控制器件。

晶體三極管內(nèi)部具有二種載流子導(dǎo)電，所以也被稱為雙極型晶體管（bipolarjunctiontransistor，BJT）。

以上電流分配關(guān)系對(duì)PNP管同樣適用，不同的是電流的方向相反。513.3.3

三極管的特性曲線和工作狀態(tài)

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：（1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)（2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路

重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線52發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測(cè)量NPN晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++531.

輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO542.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。55IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。

在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCE

UBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，

IB

IC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時(shí)，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。56根據(jù)每條曲線的變化趨勢(shì)，輸出特性曲線可分為四個(gè)區(qū)域：（1）飽和區(qū)：三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏的工作狀態(tài)。

（2）放大區(qū)：三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的工作狀態(tài)。

（3）截止區(qū)：三極管發(fā)射結(jié)反偏或零偏，集電結(jié)反偏的工作狀態(tài)。

（4）擊穿區(qū)：三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反向擊穿時(shí)的工作狀態(tài)。573.3.4

主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，

直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。58例題3-4：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：

=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，有由Q1和Q2點(diǎn)，得592.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。溫度

ICBO

ICBO

A+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO

AICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度

ICEO

，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。604.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的

值的下降，當(dāng)

值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。

當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.

集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會(huì)燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為140C，鍺管約為70

90C。61ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個(gè)極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO62晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系（1）溫度每增加10

C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。（2）溫度每升高1

C，UBE將減小–(2~2.5)mV，即晶體管具有負(fù)溫度系數(shù)。（3）溫度每升高1

C，

增加0.5%~1.0%。63注意：Q表示靜態(tài)工作點(diǎn)，斜線為直流負(fù)載線。IC=(UCC–UCE)/RC，在三極管飽和時(shí)IC=UCC/RC，最大；在三極管截止時(shí)IC=0,UCE=UCC，電流最小。64例題3-5

硅晶體管電路如圖a和圖b，當(dāng)UI

分別等于0.2V、2V和5V時(shí)，判斷晶體管的工作狀態(tài)。其中，RC=2KΩ，RB=100kΩ，UCC=5V，β=100。65解：（1）UI=0.2V<0.6V，硅晶體管截止。

（2）UI

=2V：判斷是否導(dǎo)通

？UI=2V，所以硅管導(dǎo)通；判斷是否飽和？硅管導(dǎo)通后，UBE=（0.5~0.7V）,估算

IB=(UI–UBE)=(2-0.7)/100=0.013mA

晶體管集電極臨界飽和電流ICS為：

ICS=(UCC-UCES)/RC=(5-0.2)/2=2.4mA晶體管基極臨界飽和電流IBS為：IBS=ICS/β=2.4/100=0.024mA

由于IB=0.013mA<IBS=0.024mA，所以其工作點(diǎn)參數(shù)為

ICQ=βIB=1.3mA

UCEQ=UCC–ICRC=5-1.3×2=2.4V

（3）UI=5V時(shí)，基極電流IB為：

IB=(5-0.7)/100=0.043mA,

IB>IBS=0.024mA，所以，晶體管飽和。

66

晶體管的簡(jiǎn)單應(yīng)用

圖a是一個(gè)小信號(hào)反向放大器，當(dāng)晶體管工作在線性放大區(qū)時(shí)，

ui增加變化→iB→iC→uo=VCC?iCRC

下降。同樣，ui減少也會(huì)使uo增加，即反向放大作用。

圖b時(shí)一個(gè)晶體管開關(guān)電路，當(dāng)ui是高電平時(shí)（如VCC），則晶體管工作在飽和態(tài)，uo≈0,，ic≈VCC/RC。當(dāng)ui

是低電平（如0V），晶體管截止，uo=VCC

。舉例，負(fù)載RC是LED燈，就會(huì)產(chǎn)生亮、滅兩種狀態(tài)。

67

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Fieldeffecttransistor，F(xiàn)ET）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。其內(nèi)部由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為兩大類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Junctionfieldeffecttransistor，JFET）和金屬-氧化物-半導(dǎo)體絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，MOSFET柵極是絕緣的也稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSN溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型N溝道P溝道683.4場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET1、JFET結(jié)構(gòu)、符號(hào)柵極G，漏級(jí)D，源級(jí)S類似于晶體三極管的B、C、E極。晶體管的類型對(duì)比：NPN型PNP型GSDGDGSD(a)N溝道JFET結(jié)構(gòu)與表示符號(hào)(b)P溝道JFET結(jié)構(gòu)與表示符號(hào)P+P+NN+N+PSGDS692、JFET工作原理

以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)為例。（1）VGS對(duì)ID的控制作用設(shè)VDS=0時(shí)，工作狀況如下：(a)VGS(off)＜VGS＜0

(b)VGS≤VGS(off)

SGD+VDS－

－VGS+P+P+N+VDS－DG

－VGS

+

P+P+S改變VGS的大小,可以有效地控制溝道電阻的大小.│VGS│↑→溝道電阻↑→ID↓70（2）VDS對(duì)ID的影響設(shè)VGS不變

：SDG

－VGS++VDS－P+P+N(a)VDS＜VGS－VGS(off)

IDVDS=VGS－VGS(off)預(yù)夾斷區(qū)

GD

－VGS++VDS－P+P+NSIDSSVDS＞VGS－VGS(off)

放大區(qū)

GD

－VGS++VDS－P+P+NSIDSS

當(dāng)VGD=VGS－VDS=VGS(off)時(shí),溝道預(yù)夾斷IDSS（漏極飽和電流）

VDS↑溝道電阻↑→

ID↓漏-源間縱向電場(chǎng)↑→

ID↑IDSS71結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的放大區(qū)是在予夾斷到完全夾斷直接，此時(shí):ID=gVGS,即壓控電流源器件。72如晶體管的飽和區(qū)如晶體管的放大區(qū)7374工作在恒流區(qū)時(shí)，iD=gmuGS

N溝道耗盡型

N溝道增強(qiáng)型

P溝道耗盡型

P溝道增強(qiáng)型

75

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作方式有兩種：

當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流的稱為耗盡型；

當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強(qiáng)型。3.4.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.4.2

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOS）漏極D

柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。金屬電極(1)

N溝道增強(qiáng)型管的結(jié)構(gòu)柵極G源極S1.

增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)76GSD符號(hào)：

由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)1014

。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)

由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。78(2)N溝道增強(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時(shí)，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD79EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當(dāng)UGS>0時(shí)，P型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。當(dāng)UGS>UGS（th）時(shí)，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。81EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道當(dāng)UGS

UGS(th）后，場(chǎng)效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通，若漏–源之間