模拟电子技术基础 第1章 常用半导体器件.pdf

第1章附用半导体器件 1.1半导体基础知识 1.2半导体二极管作业 1.2（一个二极管的计算，二极管的直流模型）1.3（一个二极管的计算，二极管的直流模型）1.4（二极管的交流模型）*1.6（稳压管的计算）L 1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性、PN结的电流方程和伏安特性五、PN结的电容效应一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体一一铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体一一惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。半导体一一硅（Si）、错（Ge）,均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。一无杂质稳定的结构2、束缚电子共价键外加电 场方向由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高,热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。空穴直接描述束缚电子的运动不太方便用我们假想的（自然界不存在的）、带正电 的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子 来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子 起名叫做“空穴”3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流 子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。载流子半导体导电的两个方面:自由电子的运动:束缚电子的运动与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属 没有共价键，而半导体有共价键，所以有两个方面半导体中的载流子自由电子:空穴本征半导体中的自由电子和空穴成对出现本征半导体的特性:(1)热敏特性(2)光敏特性(3)搀杂特性三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电 能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相 比，导电能力还差得远。自由电子是多子，空穴是少子二、杂质半导体1、N型半导体I I I j I 1!：)i i*)/多数载流子空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。一磷(P)2、P型半导体多数载流子空穴是多子，自由电子是少子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高,导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时,载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目 要多得多，导电能力增强，但是也并不能象 导体那样被用来传导电能，而是用来形成PN 结电流的参考方向的定义:电流的真实方向的定义三、PN结的形成及其单向导电性一 一一一二-二,t-p区N区载流子由于浓度的差别而产生的运动称为扩散运动。在扩散的过程中，在交界面处自由电子和空穴复合。自由电子和空穴复合出现内电场。扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡OOOO。O。o c o OAv o o o o N区N1.交界面出现自由电子、空穴的浓度差别P区空穴多自由电子少N区空穴少Y自由电子多P区空穴（多子）向N区扩散 门1由/-同时进行N区自由电子（多子）向P区扩散）2.扩散的过程中自由电子和空穴复合，留下不能移动的杂质 离子，形成内电场3.内电场的出现使少数载流子向对方漂移N区空穴（少子）向P区漂移 JP区自由电子（少子）向N区漂移,同时进行4.刚开始，扩散运动大于漂移运动，最后，扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡多子从浓度大向浓度小的区域扩散，称扩散运动 扩散运动I扩散运动产生扩散电流。扩散电流的真实方向是-从P区指向N区的。少子在电场的作用下向对方漂移,称漂移运动。漂移运动I漂移运动产生漂移电流。漂移电流的真实方向是从 N区指向P区的。动态平衡|扩散电流二漂移电流，PN结内总电流二0。PN结|稳定的空间电荷区又称高阻区也称耗尽层。载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散 运动。形成的电流称为扩散电流。:扩散电流的真实方向：P指向N电流的参考方向的定义 电流的真实方向的定义少子在内电场的作用下产生的运动称为漂移 运动。形成的电流称为漂移电流。:漂移电流的真实方向：N指向PPN结正偏、反偏的定义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；耗尽层P区 d N区 q,0 0 Q 七 0论电 e*)-内电场+外电场-hP区N区耗尽层a a O|0o 1 G O O|00 0 6 (S-内电场-.外电场U-1|_-_1=1-亡RPN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动,有利于漂移运动，形成漂移电 流。由于电流很小，故可近似 认为其截止。PN结具有单向导电性线性电阻具有双向导电性(b)四、PN结的电流方程和伏安特性 PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式-+-以DEUDzD=Is(e-l)五、PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：|Cj=.+Cd.结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！1.2 半导体二极管一、二极管的结构二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路、二极管的主要参数五、稳压二极管一、二极管的结构 阳运1期极将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低平面型：结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大二、二极管的伏安特性及电流方程规定二极管的端电压的参考方向和二极管的电流后的参考方向I 以DrE?D以D 1rT1E以D，l卜E参考方向的选取共有四种可能，本教材中选择其中的一种。2D+口 DE线性电阻参考方向的选取只有两种可能：关联、非关联。因为双向导电?D+汉D+二极管的伏安特性及电流方程-AvV AA r-1-t一 H-P 1山 r-L-t t-T AA-V-，工4-40,又目#JJ 方/mA，20-15 10-5 30-0-100-10-20 30-4Q 4/uA0.2040.60.8 D/V；D/mA201510-60-40-205 LXD-20-30-40-，、/MA0.20.40.6 D/V(a)(b)(a)硅二极管2CP10的伏安特性曲线(b)错二极管2Api5的伏安特性曲线iD=Is(*“:死区电压Uth/D/mA 20-15-5-20-、-30-40-，h/uA(a)7D/mA20 15/10 J.-60-40-2050.2040608 J y-30i(b)，b 7.6.20.40.6 D/Ve硅二极管的死区电压一般为0.5V,错二极管的死 区电压一般为0.1V。:硅二极管正向导通电压约为0.7V,错二极管 正向导通电压约为0.2V。:反向击穿电压R O温度对二极管的伏安特性的影响:当温度升高时，二极管的伏安特性曲线左移。当温度降低时，二极管的伏安特性曲线右移。口二极管的电阻3（一）二极管的直流电阻?D八非线性电阻4：5/二极管两端的直流电压仇与直流电流L之比就是 二极管的直流电阻厂D。Q点处的直流电阻rD是连接Q点与坐标原点的 直线的斜率的倒数。：.（二）二极管的交流电阻Q_ AD 非线性电阻在工作点Q附近，二极管两端电压的变化量和与之对 应的电流变化量之比就是二极管的交流电阻Q。交流电阻Q的大小也是随工作点Q的变化而变化的,工作点的电流越大，。就越小。非线性电阻的直流电阻和交流电阻不同 线性电阻的直流电阻和交流电阻相同Q=26mv/lD(mA)五、二极管的主要参数（一）最大整流电流（8二极管长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流。（）反向击穿电压UBR8二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 UBR。（三）最大反向工作电压URMe指管子允许施加的反向电压最大值。UBR=2URM:（四）反向电流/R8在室温下，在规定的反向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；错二极管在微安3A）级。三、二极管的等效电路二极管（非线性）的电阻的定义3（一）二极管的直流电阻?D八非线性电阻4.0UD二极管两端的直流电压UD与直流电流/D之比就是 二极管的直流电阻厂D。Q点处的直流电阻rD是连接Q点与坐标原点的 直线的斜率的倒数。：.（二）二极管的交流电阻（动态电阻）Q_ AD 非线性电阻在工作点Q附近，二极管两端电压的变化量和与之对 应的电流变化量之比就是二极管的交流电阻Q。交流电阻Q的大小也是随工作点Q的变化而变化的,工作点的电流越大，。就越小。非线性电阻的直流电阻和交流电阻不同 线性电阻的直流电阻和交流电阻相同Q=26mv/lD(mA)二极管的模型(等效电路)(一)直流模型8(1)直流理想模型8(2)直流恒压降模型8(3)直流折线模型e(4)直流指数模型:(二)交流小信号模型()直流模型(1)直流理想模型：(2)直流恒压降模型(3)直流折线模型(4)直流指数模型模型越来越准确，但是计算越来越复杂直流模型用在直流电源作用的电路中(1)直流理想模型:正偏时导通，管压降为0V,电流决定于外电 路。反偏时截止，电流为0,两端电压决定于 外电路4E(2)直流恒压降模型(错二极管将0.7V变为0.2V)3 直流折线模型O-|i0.5V管压降不是恒定的，而是随电流 的增加而增加。0.5V是二极管的死区电压（硅二极管）rD=0.7V 0.5V 1mA=200Q（错二极管将85V变为0V(4)直流指数模型ZD=/s(iT)（二）交流小信号模型（小信号模型）注意：二极管的交流模型用在交流小信号电源作用的电路中 仆_/D _ D_ _,外 5-o 匕duD UT UT1 C/T 26 mV gd /D ID小：能够把曲线看成直 线，而误差能够忍受iD=Is（eu-1）Qu应用举例二极管在某个电路中可以这样来使用：1、当作非线性电阻来使用，即所有时间内全部在正向导通区2、当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止3、当作开关来使用，即在所有时间内均导通4、当作开关来使用，即在所有时间内均截止5、当作小电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在正向导通区 6、当作大电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在反向击穿区。一、用二极管直流模型来分析电路*二、用二极管交流模型来分析电路(一)用二极管直流模型来分析电路:例1求电路的，D和UD,已知尺=10K在两种情况下计算：(1)UDD=10V(2)UDD=1V(a)简单二极管电路(b)习惯函解:因为只有直流电压源作用,所以使用直流模型。(1)%D=10V 时1）二极管使用直流理想模型首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管 断开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若V0,则理想二极管反向截止；在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管0D=0VID=UDD/R=1 mA2）二极管使用直流恒压降模型首先:将原始电路中的二极管用它的直流恒压降模型代替，得到右侧的电路 然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若 0,则理想二极 管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管=0.7 V（硅二极管典型值）/D=(UDDUD)/A=093mA3）二极管使用直流折线模型首先：将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断 开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若 0,则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管匕h=0.5V（硅二极管典型值）设 rD=0.2kQ匕h+/D%=069V=0.931 mAR+气（2）匕加勺丫时1）二极管使用直流理想模型理想模型（a）简单二极管电路（b 习惯面祛首先:将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管 断开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若 0,则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管r+4%K=ov/D=PD/7?=0.1mA2）二极管使用直流恒压降模型首先:将原始电路中的二极管用它的直流恒压降模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若 0,则理想二极 管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管%=0.7V（硅二极管典型值）/D=(%D%)/火=(1 0-7)/10K=0.03 nA05V3）二极管使用直流折线模型首先:将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断 开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若 0,则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管匕=0.5V（硅二极管典型值）设0.2kQD几R+、D1-0.510+0.2=0.049 mA匕=4+0.049 x 0.2=0.5098 V:为 一 了I F l F卜二Ji V tA 51）二极管使用直流理想模型理想模型/D=10V时%=ovID=1mA2）二极管使用直流恒压降模型%D=10V 时j/j=0.7 V（硅二极管典型值）ID=0.93 mA3）二极管使用直流折线模型%D=10V 时/D=0.931 mAVD=0.69 V%D=1V 时 K=OVID=0.1mA%D=W 时当电源电压远大于 二极管管压降的情 况下，恒压降模型 就可以取得比较合 理的结果当电源电压较低时,就必须使用折线模 型才可以取得比较 合理的结果%=0.7V（硅二极管典型值）ID=0.03 mA理想模型计算最简 单，但是误差最大/D=1V时 本题目中，二极管当作开关来使用，ID=0.049 mAVD=0.5098 V即在所有时间内均导通(一)用二极管直流模型来分析电路R例2限幅电路电路如图：输入正弦波，分 析输出信号波形。A=1K，F=3V求(1)当O+0+1 RFT00i=0V、4V、6V时，求输出电压值(2)当=6sinmV时输出电压的波形解：（1）当i=0V、4V、6V时，求输出电压值 首先：考虑选用何种二极管的模型？因为只有直流电压源作用，所以使用直流模型。考虑到输入电压不高,且有1EF=3V，因此作用于二极管两端的电压不高,型才能满足题目的精度要求O+将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右 侧的电路-D2然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法:将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若 0,则理想二极管正向导通；若 0,则理想二极管反向截止所以要选用折线模o+00Q二TO+1）当j=OV时，求输出电压值味EFOO理想二极管截止，支路断开at、n 2oQ0.5V Z/Q-t/j+O+味 EF-C2）当i=4V时，求输出电压值200正工二！D.F r E5 A moV+.4V ro.9+0.5 Kopp 八 L 丁/4 0.5 _ 3 八-c L C C LCC T八=-x+0.5+Kpp=-x 0.2+0.5+3=3.583 VR+仆 1+0.2理想三极管导通，用理想导线代替uo=3.583 V3）当j=6V时，求输出电压值理想二极管导通，用理想导线代替以一 0.5 兀什 八 一-X0+0.5+腺口R+06-05-3=-x0.2+0.5+3=3.917V1+0.2o=3.917 V(2)当=6sin血V时输出电压的波形虽然心=6sin&V是一个交流电压源，但是对二极管来说，并 不是小信号，所以二极管仍然采用直流模型，交流电压源可 以看成为某个瞬时值的直流电压源1)%M+%F)=3.5V时理想二极管被反偏，处于截止状态u0=ui=6 sin 函 VTn-TD T/r KA Oo+.二 b r0L-+/一 p00r V 上AH。十 与-o2)*K+%F)=3.5V时理想二极管导通，理想导线代替各。9+-P96=iTD+3.5=殳+R斜率=00立圭二T rD7 T r VX A 5,珠 3O9=0.17_*60+R斜率=1%EF+Kh=35 V2兀 3t(可本题目中二极管当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止O+若输入为正弦信号叫=6sin&V,二极管采用理想模型,画输入信号和输出信号的波形如图所示。例3电路如图所示，已知R=10k,/REF=10V,求当输入电压团为正弦波时电 阻两端电压的波形，二极管两端电压的波形。%=6sinoZmV+。为D3+,21 RFT例4 低电压稳压电路直流电压源U的正常值 为 10V,7?=10K,若g变 化土 IV时，问相应的硅 二极管电压（即输出电 压）的变化如何？解（1）求静态工作点，画出直流通路，二极管采用直流模型（2）画交流通路，二极管采用交流模型（这时的信号是小 信号）R n iokQ5=IOV+52V+D 卫%+%T【D=10-0,710=0.93mA1 UT rd=-=V gd ID26 mV【D26 093=27.96。心 0 27.96rd+R-27.96+10000 x2=5.58mV讨论c?IIR 500QDZV432106-mAQ1D1.r=2V 5V、10V时二极管中 的直流电流各为多少？2.若输入电压的有效值为5mV,则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少?2 w/VP=5V 时，TD Rz5-0.7-200Az/n UT rd=LA，D，DQ）A=21.5mAP较小时应实测伏安 特性，用图解法求A。V 1010V时，D”%（-）A=50mAK ZOO讨论c?IIR 500QDUT T ard=4 二AD，DQ rdW1V6DZP=2V,32.6mAq(芫)0=100，4 x=0.5mAK=5V,/D-21.5mAr=()Q 1.2IQ,I.(/)mA=4.1mA d 21.5 d 1.21K=10V,50mA0 A qq=()Q=0.52Q,L x()mA=9.6mA d 50 d 0.52在伏安特性上，。点越高，二极管的动态电阻越小!例5有两个二极管的开关电路设二极管是理想的，判断两个二 极管的状态，并求输出电压本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通，或者在所有时间内均截止解题思路1、将二极管从电路中拿走，在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的 电位差*2、两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况：1）均小于0GS 2）均大于03 3）一个为正，另一个为负。3、根据不同的情况做出判断：3 1）均小于0:立即得出结论，两个二极管均截止3 2）均大于0：这其中会有一大一小，可以得出结论，大的那个二极管一定导通，小的那 个状态不定，需要做进一步的判断。大的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整 个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的 结论。侬3）一个为正，另一个为负：正的那个二极管一定导通，负的那个状态不定，需要做进 一步的判断。正的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有 一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。Uo=5V例16单相半波整流电路+Rf.UO例17单相全波整流电路0n2 7T3 n4 7T3/例18单相桥式整流电路9二极管的主要参数:最大整流电流4:最大平均值:最大反向工作电压UR：最大瞬时值:反向电流/R：即h:最高工作频率筛：因PN结有电容效应结电容为扩散电容（CQ与势垒电容（Q）之和。五、稳压二极管1.伏安特性由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，为稳定电 压。2.主要参数不至于损坏的最大电流稳定电压Uz、稳定电流。最大功耗PZM=/ZMUZ 动态电阻=人3/乂用I 益-正向部分与普通二极管相同当反向电压加到一定值时，反向 电流急剧增加，产生反向击穿。:在反向击穿时，电流 在很大范围内变化时，只引起很 小的电压变化。_e稳压管稳压时必须工作在反向电击穿状态。稳压二极管的主要参数。(1)稳定电压Uz:在规定的稳压管反向工作电流/z 下，所对应的反向工作电仄。(2)动态电阻z：=AUZ/A/Z,七愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流gin:保证稳压管击穿所对应 的电流，若/z/zmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流Max:电流超过(max稳压管会 因功耗过大而烧坏。（5 额定功耗PzM：尸ZM等于稳压二极管的 稳定电压Uz与最大稳定工作电流/zmax的乘积。稳压二极管的功耗超过此值时，会因PN结的 温度过高而损坏。对于一只具体的稳压二极 管，可以通过其尸ZM的值，求出，ax的值。已知例图所示电路中稳压管的稳定电压4=6V,最小稳定电流/zmin=5mA,最大稳定电 流/zmaX=25mA。(1)分别计算U1为10V、15V、35V三种 情况下输出电压的值；(2)若g=35V时负载开路，则会出现什 么现象?为什么？O-1-1-f-O+IkQ5 4 2004IKQURRIo=0.012A=12mA0 RT RT 500J-/J-/IURR二 Uu。R4IK=4mAI7=IR-IO=4-12=-8mA L KU稳压管的计算:例10已知稳压二极管稳压电路中，输入电压 为13V,最小稳定工作电流/zmi5mA,额 定功耗尸zM=200mW,稳定电压Uz=5V；负载 电阻&二250Q,计算限流电阻R的取值范围。+R-A IQ：=nrn呢0 IUi DzZfUz Uo 题解：答案中详细的步骤:对RL应用欧姆定律，端电压与电流的参考方 向为关联的，所以U=I0RL+-/R ZzlA Io+3Uo。曲Io=0.02A=20mA RL RL 250UiDzZf最大稳定工作电流IzmaxPZM 200=40mAUz 5对结点A应用KCL定律,有 R=。+1z【Rmin=1(3+1Zmin=20+5=25 mA+。一+IR=Io+17=20+40=60mAixindx vj 乙 maxU=UR+UZ uR=ur-uzUiURR-&CJ-，z，DZ27+限流电阻A的最小值 Rmm限流电阻火的最大值RUR:【Rmax_ uRurUz:【Rmax_UrUzmax y yRm in Rm in/oUz Uo。&立P=0.133 0=133。6013-5-=0.322=320。25限流电阻的取值RUr5【0+【Zmax【0+【Zmin:例11 在例10中，输入电压。为1214V,其余参数完全相同，计算限流电阻R的取值 范围。UR+R-&+/R yUi DZKu。Da解:U-U7 TT TTimax Z-T T T T-R U imin 一 二 Z【0+【Zmax T _L TA0 丁,Zmin例12 在例11中，若负载电阻飞在200Q300Q之间变化，其它参数一样，要求电路提 供给负载电阻的电压仍为5V,再求限流电阻 的值。+Ui灭-A CZI-元DzUz+u。Damin解:U-U7imax ZI+i R|弋弋控制端为高电平/寸应二极管发光,gl控制端为低电平 对应二极管发光 _ _ _ _/共阴极电路共阳极电路半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片第1章 常用半导体器件1.3 晶体三极管（双极型三极管）作业 1.9 1.10 1.12 1.131.3双极型三极管：一、双极型三极管的结构简介:二、放大状态下BJT的电流分配与控制关系:三、BJT的特性曲线:四、BJT在三个状态下的特点:五、判断BJT工作状态的解题思路。六、BJT的主要参数，双极型三极管的结构简介*1个PN结：二极管，单向导电性，开关作用，非线性电阻分2个PN结：三极管，电流控制作用，开关作用:*3个PN结：晶闸管，可控整流BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一 起的器件。由于两个PN结之间 的相互影响，使BJT 表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作 用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。BJT的应用：(1)在模拟电路中作为放大元件(2)在数字电路中作为开关元件一、晶体菅的结构和待号小功率管9集电极中功率管为什么有孔?大功率管(a)C集电极1(b)发射极极管的结树集电极，用C或c I型平巳江+O表示（H发射区集.区 乐(Collector)。NPN型PNP基区ITT N基极，用B或b表示（Base）1 ePNP型bI3P三极管符号结构特点（对NPN PNP型均适用）发射区的掺杂浓度最高；。集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；。基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且 L掺杂浓度最低。两个PN结,每个有正偏和反偏两种状态，组合起来，共有4种状态:厂发射结正偏，集电结反偏:放大区，在模拟放大电路中使用发射结正偏,集电结正偏:饱和区在数字电路中使用 发射结反偏,集电结反偏:截止区口发射结反偏，集电结正偏：倒置状态，基本上没有什么用处二、放大状态下BJT的电流分配与控 制关系1、要使三极管具有电流放大作用所必须提供的条件：外部条件：外加直流电压源保证发射线E隔，集电结反偏。内部条件：发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；，基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺 杂浓度最低。2、三极管具有电流放大作用时在三极管内部载流子 的传输过程（以NPN管为例介绍）（1）发射区向基区注入自由电子（对NPN管子为自由电子，对 PNP管子为空穴）发射区多子向基区扩散，形成发射极电子电流4E 发射结正偏 基区多子向发射区扩散，小，可忽略漂移运动很弱，可忽略发射极电流，E=4EpIcb 1=-11-=R R1(2)自由电子在基区扩散与复合(对NPN管子为自由电子,对PNP管子为空穴)f 一部分与基区空穴复合，形成 基极复合电流7B在基区内自由电子 继续向集电结方向 扩散绝大部分扩散到集电结边缘（3）集电区收集从发射区扩散过来的载流子（对NPN管子为 自由电子，对PNP管子为空穴）集电结反偏集电区自身的少子向基区漂移（发射区扩散过来的自由电子向集电区漂移极电子电流心J扩散运动难以进行、形）成反向饱和电流-B0基区自身的少子向集电区漂移集电极电流，c=/JIC+，CBO基极电流/B=，B-，CBOP1Ic4R%Bb卜R 匕c以上看出，三极管内有两种载流子(自由 电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管 或BJT(Bipolar Junction Transistor)。3、电流分配关系根据传输过程可知/E=/B+/C，C=，nc+，CBO-，CBO(1)共基极直流电流放大系数a二传输到集电极的电子电流 即 a=hca 发射极注入电流 4通常，C，CBO则有a /F rL(2)共射极直流电流放大系数p)34小结：3JT的电流分配与放大(称为控制更合适)原理综上所述，三极管的放大作用，主要是依 靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到 达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：(1)内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度,且基区很薄。(2)外部条件：发射结正向偏置,集电结反 向偏置。半导体三极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:3DG110B-用字母表示同一型号中的不同规格I-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错PNP管、B错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2011-4-8三、BJT的特性曲线BJT非线性器件，所以电压、电流之间的关系只能用曲线 才能描述清楚从使用三极管的角度看，了解特性曲线比了解内部载流子的 运动更重要，所以我们现在作为使用者，而不是制造者，我 们要对特性曲线进行更深入的分析，而内部载流子的运动规 律可以帮助我,解释为什么特性曲线是这样。I输出特性曲线J共射接法特性曲线共基接法特性曲线:共集接法特性曲线:特性曲线 的分类我们只研究NPN共射特性曲线（输入、输出）规定电压和电流的参考方向如图所示:ipc+十沈BE沈CE e.BWBE)IwcE=constic=ACE)I iB=constb0)集电结已进入反偏状态)开始收集电子，基区复合减少，同样的“BE下，B减小，特性曲线右 移。Rb-史 一+诙N-1NPN共射输入特性曲线的特点描述(1)当UCE=OV时，相当于正向偏置的两个二极管并联,所以与PN结的 正向特性相似(2)UCEIV的特性曲线比CE=V的右移。原因：UcEIV时集电结反 偏，集电结吸引自由电子的能力增强，从发射区注入的自由电子更多地 流向集电区，对应于相同的UBE(即发射区发射的自由电子数一定)，流向基极的电流减小，曲线右移(3)UCE1V与UCE=1V的曲线非常接近，可以近似认为重合(4)有一段死区(5)非线性特性(6)温度上升，曲线左移(7)陡峭上升部分可以近似认为是直线)即，B与UBE成正比，线性区(8)放大可犬态时，NPN的UBE=0.7V,PNP的UBE=-0.2V上 bjc+沈CEBE.e-/uA,80604020A-c输入特性ZB=73BE)UcEZB为什么像PN结的伏安特性?为什么UCE增大曲线右移?为什么UCE增大到一定值曲 线右移就不明显了？O对于小功率晶体管，UCE大于IV的一条输入特性曲线 可以取代aE大于IV的所有输入特性曲线。2、NPN共射输出特性曲线ic=fiuCE）|zB=const饱和区：无明显受CE控制的区域，该区域内，一般 CE0.3V（硅管）。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区：达接近零的区域，相 当、=0的曲线的下方。此时，HE小于死区电压。放大区：平行于“CE轴的区 域，曲线基本平行等距。此 时，发射结正偏，集电结反 偏。ip b氏R+沈BEc+ec输出特性，C=/(“CE)对应于一个4就有一条ic随CE变化的曲线。为什么CE较小时，C随“CE变 化很大？为什么进入放大状态 曲线几乎是横轴的平行线？/?=不 AZBU CE=常堇少是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下。母？NPN共射输出特性曲线的特点描述截止区:iB0的区域:三个电极上的电流为o,发射结和集电结均反 偏，相当于开关打开,在数字电路中作为开关元件的一个状态。饱和区：直线上升和弯曲的部分，VO.3V发射结电压0.7V（硅管）或 0.2V（错管）；发射结和集电结均正偏，相当于开关闭合，在数字电路中作为开关元件的一个状态。放大区：曲线近似水平的区域，曲线随 CE增加略有上翘，基区宽度调 制效应，发射结正偏,集电结反偏。集电极电流主要决定于基极电流。四、BJT在三个状态下的特点截止区：三极管的三个电极所在的支路中的电流为0,任意 两个极之间的电压是多少，决定于外电路，满足电路方程。饱和区:Uc03V NPN的BE=0.7V,PNP的BE=-。.2V,没有3,三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路,满足电路方程。放大区：NPN的BE=0.7V,PNP的“BE=-。.2V,有&三极 管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电 路方程。五、判断BJT工作状态的解题思路方法一方法二方法饱和区：发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集电结反偏或：tE，BS，则三极管处于饱和状态；或者&B/CS若，B/BS，则三极管处于放大状态；或者/B/CS例题:判断下面电路中三极管的状态A&T lzc治I zc&b.例1图例2、3图例题 1 7?b=2k,7?C=2K,Vcc=12V例题2 7?b=20k,RC=2K,VCC=12V,fi=50例题3 7?b=200k 97?C=2K,VCC=12V,=50例题 1&=2k,7?C=2K,VCC=12V产CT lzc戟Rb b C例题2 扁=20忆&=2=12丫，#=50L=-x 0.565mAB 20比较，B和，BS的大小：，B/BS，所以三极管处于饱和状态._12-0.7 nn_A_ A例题3 7?b=200k,7?C=2K9VCC=12V,=50 6一与 m 比较，B和4s的大小：，B 4s，所以三极管处于放大状态如何改变三极管的状态*只要改变Q和/BS的比较关系即可。保持/BS不变，通过改变/可改变/B。或保持，B不变，通过改变可改变，BS六、BJT的主要参数BJT的主要参数1.电流放大系数,共发射极直流电流放大系数 p 人(2)共发射极交流电流放大系数Q A/cA,BCE=const共基极直流电流放大系数仪住共基极交流电流放大系数 0=J I ucB=const；JT的主要参数2,极间反向电流(1)集电极基极间反向饱和电流/cBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。；JT的主要参数(2)集电极发射极间的反向饱和电流TCEOAZEO=（1+0）AZBO即输出特性曲 线4=0那条曲线所 对应的y坐标的数 值。/CEO也称为集 电极发射极间穿透 电流。/c/mA,饱和区A _-2=3-#放大区2/I/B=40|A,CEO J%=0截止区口以方才十片。芍“）左E/V温度对三极管的影响 温度变化对CBO的影响 温度变化对输入特性曲线的影响 温度变化对尸的影响1.温度变化对输入特性曲线的影响与温度无关温度输入特性曲线右移2.温度变化对/BO的影响T-k(Tf)CBO-704=25。.e温度TT F 输出特性曲线上移CEO=(1+B)7cBoZc/mA饱和区432:90 C 虚线/B2=SO|xA/放大区/BI=40|XA“B=。截止区 j=%E/VCEO2 46 8关25 C,直流负载线只决后 Vcc和Rc，与温度无I7温度T|T输入特性曲线下移3.温度变化对方的影响温度每升高1。C,0要增力口0.5%10%温度Tf t输出特性曲线族间距增大温度T|f 输入特性曲线族间距减小总之TT 6E J T/B j 小特别注意：当温度升高时，三极管的特性曲线要上升，而对 于基本共射放大电路来说，电不但不减小，反而上升，使Q 点进一步升高。所以要在直流通路上想办法，在环境温度升 高时，电路的拓扑结构在电路定律的约束下，强制将如电流 降低，从而使三极管的Q点降下来。主要参数,直流参数：n、N、，CBO、，CEO忸乂凡后1二交流参数：、a、工（使=1的信号频率）0CCM最大集电 极电流极限参数：，CM、0CM、。BR CEO安全工作区U(BR)CEO“CEc-e间击穿电压最大集电极耗散功 率，尸CM=icCE