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Chap2 半导体二极管及其基本电路,Chap2 半导体二极管及其基本电路,常用的二极管光电二极管发光二极管激光二极管稳压二极管二极管功能等整流限幅开关等,Chap2 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识2.2 PN结的形成及特性2.3 半导体二极管2.4 二极管基本电路2.5 特殊二极管,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 本征半导体及其导电性根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。在纯净的半导体材料中加入微量的杂质，其导电能力将发生显著的变化。,2.1 半导体的基本知识,2.1.3 本征半导体及其导电性本征半导体的共价键结构电子空穴对空穴的移动本征半导体化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,2.1.3 本征半导体及其导电性,本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子（价电子）。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,2.1.3 本征半导体及其导电性,电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。（这一现象称为本征激发）自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,2.1.3 本征半导体及其导电性,电子空穴对如图因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,本征激发和复合的过程,2.1.3 本征半导体及其导电性,空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,2.1.4 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发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。Negative型半导体（电子型半导体）：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体。Positive型半导体（空穴型半导体）：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体。,2.1.4 杂质半导体,N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如P。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子（电子型半导体）。,N型半导体结构示意图,2.1.4 杂质半导体,N型半导体 多数载流子：自由电子（它主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（本征激发形成）提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质（提供多余电子）。N型半导体的结构示意图如图所示：,2.1.4 杂质半导体,P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴（空穴型半导体）。,P型半导体的结构示意图,2.1.4 杂质半导体,P型半导体 多数载流子：空穴（掺杂形成）少数载流子：自由电子（本征激发形成）空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质（接受电子）。P型半导体的结构如图所示。,P型半导体的结构示意图,*2.1.5半导体的载流子运动和温度特性,载流子的运动漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。,*2.1.5半导体的载流子运动和温度特性,杂质对半导体导电性的影响：掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下：300 K室温下,本征硅电子和空穴浓度:p=1.41010/cm3掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度：n=51016/cm3本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,2.2 PN结,PN结的形成PN结的单向导电性PN结的击穿特性,2.2 PN结,PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移,同时内电场阻止多子扩散,2.2 PN结,PN结的形成最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,2.2 PN结,PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,2.2 PN结,PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,PN结加正偏,2.2 PN结,PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,PN结反偏,2.2 PN结,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,2.2 PN结,PN结的击穿特性（电击穿与热击穿）当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿（电击穿）：当反向电压足够高时（U6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。齐纳击穿（电击穿）：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U4V），耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线2.3.3 半导体二极管的参数,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图所示。(1)点接触型二极管,点接触型 二极管的结构示意图,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型(2)面接触型二极管(3)平面型二极管,面接触型,平面型二极管的结构示意图,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,2.3.2 二极管的V-I特性,根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,2.3.2 二极管的V-I特性,半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,二极管的伏安特性曲线,2.3.2 二极管的V-I特性,(1)正向特性当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,2.3.2 二极管的V-I特性,(1)反向特性当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。,2.3.2 二极管的V-I特性实验,晶体二极管的V-I特性曲线也可以在图示仪上进行测试。测试时应将二极管的阳极和阴极分别插入测试台的 C 和 E 插孔中。由于二极管伏安特性的 Y 轴是电流 i，X 轴是电压 v，所以旋钮“Y 轴作用”应置于“mA/度”档，“X 轴作用”应置于“V/度”档。二极管的伏安特性分正向特性和反向特性两部分，而这两部分要求的电压极性相反。所以，二极管的正向特性和反向特性要分别进行测量，才能获得完整的伏安特性。,2.3.3半导体二极管的参数,IF(最大整流电流):二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。VBR(反向击穿电压):二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。VRM(最大反向工作电压):为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。,2.3.3半导体二极管的参数,IR(反向电流)：在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。VF(正向压降)：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。rd(动态电阻)：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即 rd=VF/IF,2.4 二极管基本电路及其分析方法,限幅电路开关电路低压电路二极管是非线性器件，一般采用模型分析方法，便于近似估算。,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.4.1二极管V-I特性的建模理想模型恒压降模型折线模型小信号模型指数模型,2.4.1二极管V-I特性的建模,理想模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。,理想模型符号,2.4.1二极管V-I特性的建模,恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。,恒压降模型符号,2.4.1二极管V-I特性的建模,折线模型：认为二极管的管降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，为0.5V，rD的值为200欧。Vth、rD的值不是固定的。,折线模型符号,2.4.1二极管V-I特性的建模,小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有uD=UD、iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rd。,小信号模型符号,2.4.2 模型分析法举例,二极管电路的静态工作情况分析如图：R=10K，求（1）VDD=10V的ID和VD（2）VDD=1V的ID和VD每种情况分别应用理想、恒压降、折线模型,2.4.2 模型分析法举例,二极管电路的静态工作情况分析如图：R=10K，求（1）VDD=10V的ID和VD（2）VDD=1V的ID和VD结论：大信号：恒压降模型小信号：折线模型,2.限幅电路,如图：R=1K，Vref=3V求：vI0V、4V、6V时，各输出电压Vo；当vi6sinwt V时，绘出输出波形。,2.限幅电路,如图：R=1K，Vref=3V求：vI0V、4V、6V时，各输出电压Vo；采用折线模型（二极管上信号较小）：Vth=0.5，rD200,2.5 特殊二极管,齐纳二极管变容二极管光电二极管发光二极管激光二极管,2.5 特殊二极管,齐纳二极管（稳压管）稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管。其符号、典型应用电路、伏安特性曲线如图所示。,(b),(c),(a),2.5 特殊二极管,稳压二极管1、电流有很大增量时，只引起很小的电压变化；2、反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好；3、在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的稳压范围；4、在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏。,2.5 特殊二极管,稳压管的参数稳定电压VZ最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流Izmin最大耗散功率 PZM VZ IZmax动态电阻rZ稳定电压温度系数VZ,2.5 特殊二极管稳压二极管的参数,（1）稳定电压VZ：在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,2.5 特殊二极管稳压二极管的参数,(2)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。,2.5 特殊二极管稳压二极管的参数,(3)最大耗散功率 PZM：稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ=VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,2.5 特殊二极管稳压二极管的参数,（4）动态电阻rZ：rZ=VZ/IZ，rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压性能越好。,2.5 特殊二极管稳压二极管的参数,(5)稳定电压温度系数VZ：温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ4 V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,2.5 特殊二极管稳压二极管应用举例,如图电路中稳压管的技术参数:UzW=10V,Izmax=20mA,Izmin=5mA负载电阻RL=2K，要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,2.5 特殊二极管稳压二极管应用举例,UzW=10V,Izmax=20mA,Izmin=5mARL=10K，当输入电压发生20%波动时，负载电压基本不变。求：R和ui 的正常值。,解：输入电压ui达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。1.2ui=iRUzW=25R+10(1)输入电压ui降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。0.8ui=iRUzW=10R+10(2)由（1）（2）式解得：ui=18.75V，R=0.5K,2.5 特殊二极管,变容二极管利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。如图为变容管电路符号。,2.5 特殊二极管,变容二极管利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。如图为变容管电路符号。,2.5.3 光电器件,光电二极管 发光二极管器件特性：光谱特性、V-I特性等,Chap2 半导体二极管及其基本电路习题,P60 2.4.1 2.4.5P61 2.4.7 2.5.1P64 2.5.4 2.5.5,1.2.5 半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管 二是场效应半导体三极管,1.3.1 双极型半导体三极管,1.3.2 场效应半导体三极管,场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。,1.3 半导体三极管,双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。,1.3.1.1 双极型半导体三极管的结构1.3.1.2 双极型半导体三极管电流的分配 与控制1.3.1.3 双极型半导体三极管的电流关系1.3.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线1.3.1.5 半导体三极管的参数1.3.1.6 半导体三极管的型号,1.3.1 双极型半导体三极管,双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。图 02.01 两种极性的双极型三极管,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,1.3.1.1双极型半导体三极管的结构,双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见图02.02。,1.3.1.2 双极型半导体三极管的 电流分配与控制,发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:,IE=IEN+IEP 且有IENIEP IEN=ICN+IBN 且有IEN IBN，ICNIBN,IC=ICN+ICBO,IB=IEP+IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)IE=IC+IB,(1)三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图02.03。,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,图 02.03 三极管的三种组态,1.3.1.3 双极型半导体三极管的电流关系,(2)三极管的电流放大系数,对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:,称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1,但接近1。由此可得:,IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO,因 1,所以 1,定义:=IC/IB=(ICN+ICBO)/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是,这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E 两电极取出。,输入特性曲线 iB=f(vBE)vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE)iB=const,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,1.3.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图02.04所示。,图02.04 共发射极接法的电压-电流关系,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。,(1)输入特性曲线,vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响。,共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区：死区 非线性区 线性区 图02.05 共射接法输入特性曲线,(2)输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图02.06所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当vCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB=vCE-vBE=0.7 V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。图02.06 共发射极接法输出特性曲线,当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 vCE 1 V vBE 0.7 V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vCE增大而右移的 图02.06 共发射极接法输出特性曲线原因是一致的)。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)。,半导体三极管的参数分为三大类:直流参数 交流参数 极限参数(1)直流参数 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const,1.3.1.5 半导体三极管的参数,在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC/IB，如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。,图02.08 值与IC的关系,图 02.07 在输出特性曲线上决定,2.共基极直流电流放大系数=（ICICBO）/IEIC/IE 显然 与 之间有如下关系:=IC/IE=IB/1+IB=/1+,极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图02.09所示。,图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置,(2)交流参数交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图02.10所示。,图02.10 在输出特性曲线上求,2.共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(3)极限参数 集电极最大允许电流ICM,如图02.08所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。图02.08 值与IC的关系,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICVCBICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。,由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图02.12。图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,1.3.1.6 半导体三极管的型号,例如：3AX31D、3DG123C、3DK100B,1.4.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理1.4.2 结型场效应三极管1.4.3 场效应三极管的参数和型号1.4.4 双极型和场效应型三极管的比较,1.4 场效应半导体三极管,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。1.结型场效应三极管JFET(Junction type Field Effect Transister),2.绝缘栅型场效应三极管IGFET(Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET）,绝缘栅型场效应三极管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 02.13。其中：D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。图02.13 N沟道增强型 MOSFET结构示意图,1.4.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理,(1)N沟道增强型MOSFET 结构,根据图02.13，N沟道增强型 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，,一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,工作原理 1栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图02.14。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（VGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,图02.14 VGS对漏极电流的控制特性 转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const(单位mS),ID=f(VGS)VDS=const,2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系,VDS=VDGVGS=VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,图02.15(a)漏源电压VDS对沟道的影响,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图02.15(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。,当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图02.15(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,图02.16 漏极输出特性曲线,ID=f(VDS)VGS=const,1.4.3 结型场效应三极管,(1)结型场效应三极管的结构 JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图02.19所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。图02.19 结型场效应三极管的结构,(2)结型场效应三极管的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,栅源电压对沟道的控制作用,当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。,漏源电压对沟道的控制作用,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。,在栅极加上电压，且VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分，,(3)结型场效应三极管的特性曲线,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线如图02.22所示。,(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线 图02.22 N沟道结型场效应三极管的特性曲线,2.2.4 场效应三极管的参数和型号,(1)场效应三极管的参数 开启电压VGS(th)(或VT)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,夹断电压VGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。,饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。,输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。,低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,(2)场效应三极管的型号,场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,半导体三极管图片,1.4.5 双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm),双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,