第1章-半导体器件(二)模锻课件

模模 拟拟 电电 子子 技技 术术第第1 1章章 半导体器件半导体器件1.1概述概述1.2半导体二极管半导体二极管小小 结结1.3双极型晶体三极管双极型晶体三极管1.4场效应管场效应管 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3双极型双极型晶体三极管晶体三极管1.3.1 BJT的结构及类型的结构及类型1.3.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用1.3.3 BJT的特性曲线的特性曲线1.3.4 BJT的主要参数的主要参数1.3.5 温度对温度对BJT的特性及参数的影响的特性及参数的影响(Semiconductor Transistor)晶体管的应用举例晶体管的应用举例 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.1 BJT的结构及类型的结构及类型（Bipolar Junction Transistor）一、结构与符号一、结构与符号NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型ECBECB 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、分类二、分类按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 W中功率管中功率管 0.5 1 W 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用1.晶体管放大的条件晶体管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度很高发射区掺杂浓度很高基区很薄且掺杂浓度很低基区很薄且掺杂浓度很低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2.晶体管放大电路的三种接法晶体管放大电路的三种接法uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共射共射共集共集共基共基 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术实现电路实现电路:模模 拟拟 电电 子子 技技 术术3.晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动1)发射结加正向电压发射结加正向电压，扩散运扩散运动动形成发射极电流形成发射极电流 IEI CN多数被集电结收集形成多数被集电结收集形成 ICNIE少数与空穴复合，形成少数与空穴复合，形成 IBN I BN基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供(IB)集电区少子漂移集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB+ICBO即：即：IB IBN ICBO 2)扩散到基区的自由电子与空扩散到基区的自由电子与空穴的穴的复合复合形成基极电流形成基极电流IB 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 3)集电结加反向电压，集电结加反向电压，漂漂移运动移运动形成集电极电流形成集电极电流ICI C=ICN +ICBO 由于集电结加反向电压且其结由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，但它的少子也参与漂移运动，但它的数量很小，近似分析中可忽略数量很小，近似分析中可忽略不计。可见，在集电极电源不计。可见，在集电极电源VCC的作用下，漂移运动形成的作用下，漂移运动形成集电极电流集电极电流IC。I CNIEI BNI CBOIBI CNIEI CBOIBIC 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系当当管管子子制制成成后后，发发射射区区载载流流子子浓浓度度、基基区区宽宽度度、集集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB I BN ICBO IC=ICN +ICBO穿透电流穿透电流电流放大系数电流放大系数:模模 拟拟 电电 子子 技技 术术IE=IC+IB如果忽略如果忽略ICEO 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路与二极管特性相似与二极管特性相似 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术O曲线基本曲线基本重合重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)曲线右移曲线右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)发射结压降发射结压降 UBE(on)硅管：硅管：(0.6 0.8)V锗管：锗管：(0.2 0.4)V取取 0.7 V取取 0.3 V输入特性输入特性当当U UCECE增大时，曲线将右移。这是因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分增大时，曲线将右移。这是因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成集电极电流，而另一部分在基区参与复合运动的非平衡少越过基区和集电结形成集电极电流，而另一部分在基区参与复合运动的非平衡少子将随子将随U UCECE的增大（即集电结反向电压的增大）而减少。因此，要获得同样的基极的增大（即集电结反向电压的增大）而减少。因此，要获得同样的基极电流，就必须加大发射结压降，使发射区向基区注入更多的电子。电流，就必须加大发射结压降，使发射区向基区注入更多的电子。实际上，对于确定的实际上，对于确定的U UBEBE，当，当U UCECE增大到一定值（如增大到一定值（如1V1V）以后，集电结的电场已足够）以后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大U UCECE ，集电极电流也不可能明显增大，也就是说，基极电流已基本不变。因此，超，集电极电流也不可能明显增大，也就是说，基极电流已基本不变。因此，超过一定数值后，曲线不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以近似地用过一定数值后，曲线不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以近似地用U UCECE大于大于1V1V的任何一条曲线来代表的任何一条曲线来代表U UCECE大于大于1V1V的所有曲线。的所有曲线。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、输出特性二、输出特性iC/mAuCE/V 50 A 40 A 30 A 20 A 10 A IB=0O 2 4 6 8 43211.截止区截止区 IB=0 IC=ICEO 0特征：特征：发射结电压小发射结电压小于开启电压且集于开启电压且集电结反向偏置。电结反向偏置。截止区截止区ICEO对于每一个确定的对于每一个确定的I IB B，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，当当u uCECE从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而因而i iC C也就逐渐增大。而当也就逐渐增大。而当u uCECE增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，的绝大部分收集到集电区来，u uCECE再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即平行于横轴，即i iC C几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于I IB B。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2.放大区：放大区：放大区放大区特征：特征：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321截止区截止区ICEOi iC C几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于I IB B，而，而与管压降与管压降u uCECE无关，表现无关，表现出出I IB B对对i iC C的控制作用。的控制作用。在理想情况下，当在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性按等差变化时，输出特性是一族与横轴平行的等距离直线。是一族与横轴平行的等距离直线。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术3.饱和区：饱和区：uCE u BEuCB=uCE u BE 0特征：特征：发射结正偏发射结正偏,集电结正偏集电结正偏.此时，此时，IC IB临界饱和时：临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V(硅管硅管)UCE(SAT)=0.1 V(锗管锗管)饱饱和和区区iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区ICEO 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数1.共射电流放大系数共射电流放大系数iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数直流电流放大系数 交流电流放大系数交流电流放大系数一般为几十一般为几十 几百几百Q在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的 来取代在此基来取代在此基础上加动态信号时的础上加动态信号时的 。因此在近似分析中不对二者加以区分。因此在近似分析中不对二者加以区分。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43212.共基电流放大系数共基电流放大系数 1 一般在一般在 0.98 以上。以上。Q二、极间反向饱和电流二、极间反向饱和电流1.3.4晶体三极管的主要参数（2）ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流。是发射极开路时集电结的反向饱和电流。ICEO是基极开是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流，路时，集电极与发射极间的穿透电流，ICEO=（1+）ICBO 。同一型号的管子反向电流愈小，性能愈稳定。同一型号的管子反向电流愈小，性能愈稳定。选用管子时，选用管子时，应选几十到一百多倍，应选几十到一百多倍，ICBO与与ICEO应尽量小。应尽量小。硅管比锗管的极间反向电流小硅管比锗管的极间反向电流小23个数量级，因此温度稳定性个数量级，因此温度稳定性也比锗管好。也比锗管好。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、极限参数三、极限参数1.ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。2.PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC=iC uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区3.U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。极限参数是指为使晶体管安全工作对它极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。的电压、电流和功率损耗的限制。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.3.4 温度对温度对BJT特性曲线的影响特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线温度升高，输入特性曲线向左移。向左移。温度每升高温度每升高 1 C，UBE (2 2.5)mV。温度每升高温度每升高 10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。OT2 T1 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2.温度升高，输出特性曲线温度升高，输出特性曲线向上移。向上移。iCuCE T1iB=0T2 iB=0iB=0温度每升高温度每升高 1 C，(0.5 1)%。输出特性曲线间距增大输出特性曲线间距增大O综合，综合，温度升高时温度升高时，由于，由于ICEO、增大，且输入增大，且输入特性左移，所以导致特性左移，所以导致集电极电流集电极电流iC增大增大。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术半导体三极管的型号半导体三极管的型号（补充）（补充）国家标准对半导体三极管的命名如下：3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例一：例一：现已测得某电路中几只晶体管三个极的直现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管流电位如表所示，各晶体管b-eb-e间开启电压间开启电压U Uonon均均为为0.5V0.5V。试分别说明各管子的工作状态。试分别说明各管子的工作状态。放大放大放大放大饱和饱和截止截止在电子电路中，可以通过直流电位来判断晶体管的工作状态。对于在电子电路中，可以通过直流电位来判断晶体管的工作状态。对于NPNNPN型管，当型管，当b-eb-e间电压间电压U UBEBEUUUonon且管压降且管压降U UCECEUUBEBE时，管子处于放大状态；当时，管子处于放大状态；当U UBEBEUUonon且管压降且管压降U UCECEUUUB BUUE EPNPPNP型：型：U UC CUUB BUUE E若要放大，则若要放大，则 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例四：例四：已知两只晶体管的电流放大系数已知两只晶体管的电流放大系数分别为分别为100100和和5050，现测得放大电路中这两只管子两个电，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。出其实际方向，并在圆圈中画出管子。1.01mA5mA 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例五：例五：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。硅管还是锗管。BEC硅管硅管 BEC锗管锗管 BEC硅管硅管 BEC硅管硅管 BEC锗管锗管 BEC锗管锗管 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：分别判断图示各晶体管是否可能工作在放大状态？分别判断图示各晶体管是否可能工作在放大状态？6V3V（A）6V2.3V2.3V（C）3V9.3V5.7V（D）5V0V1.9V（B）1.6V分析：分析：图示晶体管中，只有图（图示晶体管中，只有图（D）所示的晶体管处在）所示的晶体管处在放大区。放大区。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例六：例六：电路如图所示，晶体管导通时电路如图所示，晶体管导通时U UBEBE=0.7V=0.7V，=50=50。试分析。试分析u uI I为为0 0、1V1V、1.85V1.85V三种情况下晶体管三种情况下晶体管的工作状态及输出电压的工作状态及输出电压u uo o的值。的值。IBIC发射结正偏，晶体管导通发射结正偏，晶体管导通晶体管晶体管T截止，截止，uO=12V不妨假设晶体管放大，求出不妨假设晶体管放大，求出uCE，然后与，然后与uBE比较比较不妨假设晶体管放大，求出不妨假设晶体管放大，求出uCE，然后与，然后与uBE比较比较 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术方法二（常用于解题）方法二（常用于解题）晶体管放大晶体管放大晶体管饱和晶体管饱和 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：电路如图所示，电路如图所示，V VCCCC=15V=15V，=100=100，U UBEBE=0.7V=0.7V。试问：试问：(1)R(1)Rb b=50k=50k 时，时，U UO O=?=?(2)(2)若若T T临界饱和，则临界饱和，则R Rb b？分析：分析：（）（）b=50k 时时（）若临界饱和（）若临界饱和 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考：思考：判断下图各三极管的工作状态。判断下图各三极管的工作状态。