1、模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎第第4章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管 l 內容主要有：內容主要有：半導體的導電性能半導體的導電性能PN結的形成及單向導電性結的形成及單向導電性半導體器件的半導體器件的結構、結構、工作原理工作原理、工作特性工作特性、參數參數l 半導體器件半導體器件主要包括：主要包括：半導體半導體二極管二極管（包括穩壓管）（包括穩壓管）三極管三極管和場效應管和場效應管4.1 PN結結 1. 半導體半導體 半導體的物理特性半導體的物理特性l物質根據其導電性能分為物質根據其導電性能分為 導體：導電能力導體：導電能力良好良好的物質。的物質。 絕緣體：導電能力絕緣體：導電能

2、力很差很差的物質。的物質。 半導體：是一種導電能力介于導體和絕緣體之半導體：是一種導電能力介于導體和絕緣體之 間的物質，如間的物質，如硅、鍺、硒、砷化鎵硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化及一些硫化物和氧化物物和氧化物。 半導體的物理特性半導體的物理特性l半導體的導電能力具有獨特的性質。半導體的導電能力具有獨特的性質。溫度升高溫度升高時，純凈的半導體的導電能力顯著時，純凈的半導體的導電能力顯著增加；增加；在純凈半導體材料中加入微量的在純凈半導體材料中加入微量的“雜質雜質”元元素，它的電導率就會成千上萬倍地增長；素，它的電導率就會成千上萬倍地增長；純凈的半導體受到純凈的半導體受到光照光照時，導電能力明顯

3、提時，導電能力明顯提高。高。l半導體為什么具有以上的導電性質？半導體為什么具有以上的導電性質？半導體的晶體結構半導體的晶體結構 l 原子的組成：原子的組成： 帶正電的原子核帶正電的原子核 若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子 且整個原子呈電中性。且整個原子呈電中性。l 半導體器件的材料：半導體器件的材料： 硅（硅（Silicon-Si）：四價元素，硅的原子序數是）：四價元素，硅的原子序數是14，外，外層有層有4個電子個電子。 鍺（鍺（Germanium-Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數）：也是四價元素，鍺的原子序數是是32，外層也是，外層也是4個電子個電子。

4、l 簡化原子結構模型如圖簡化原子結構模型如圖4-1(a)的簡化形式。的簡化形式。+4慣性核慣性核價電子價電子圖圖4-1 (a) 硅和鍺的簡化原子模型硅和鍺的簡化原子模型半導體的晶體結構半導體的晶體結構 l單晶半導體結構特點單晶半導體結構特點l共價鍵共價鍵:由相鄰兩個原子各拿出一個價電子由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成價電子對所構成的聯系。組成價電子對所構成的聯系。l圖圖4-1(b)是晶體共價鍵結構的平面示意圖。是晶體共價鍵結構的平面示意圖。半導體的晶體結構半導體的晶體結構 圖圖4-1(b)晶體共價鍵結構平面示意圖晶體共價鍵結構平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵共價鍵半導體的

5、晶體結構半導體的晶體結構 2.2.半導體的導電原理半導體的導電原理 本征半導體本征半導體（Intrinsic Semiconductor） 純凈的、結構完整的單晶半導體，稱為純凈的、結構完整的單晶半導體，稱為本征半導體。本征半導體。l物質導電能力的大小取決于其中能參與導物質導電能力的大小取決于其中能參與導電的粒子電的粒子載流子的多少。載流子的多少。 本征半導體本征半導體l本征半導體在絕對零度（本征半導體在絕對零度（T=0K相當于相當于T=273）時，）時，相當于絕緣體相當于絕緣體。l在室溫條件下，本征半導體便具有一定在室溫條件下，本征半導體便具有一定的導電能力。的導電能力。 l半導體半導體中的

6、中的載流子載流子自由電子自由電子空穴（空穴（Hole） 空穴和自由電子同時參加導電空穴和自由電子同時參加導電，是半導，是半導體的重要特點體的重要特點l價價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子的的同時同時，在原來的共價鍵位置上留下了一個，在原來的共價鍵位置上留下了一個空位，這個空位叫做空位，這個空位叫做空穴空穴。l空穴帶空穴帶正電荷正電荷。 本征半導體本征半導體l在本征半導體中，激發出一個自由電子，在本征半導體中，激發出一個自由電子，同時便產生一個空穴。電子和空穴總是同時便產生一個空穴。電子和空穴總是成成對對地產生，稱為地產生，稱為電子空穴對電子空穴對。l半導體中共價

7、鍵分裂產生電子空穴對的過半導體中共價鍵分裂產生電子空穴對的過程叫做程叫做本征激發本征激發（Intrinsic Excitation）。）。l產生本征激發的條件：產生本征激發的條件：加熱、光照及射線加熱、光照及射線照射照射。l空穴是載流子嗎？空穴是載流子嗎？ 本征半導體本征半導體l 空穴的運動實空穴的運動實質上是價電子質上是價電子填補空穴而形填補空穴而形成的。成的。BA空穴空穴自由電子自由電子圖圖4-1(b)晶體共價鍵結構平面示意圖晶體共價鍵結構平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價鍵共價鍵 本征半導體本征半導體l由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移

8、動，因此，動，因此，空穴是一種載流子空穴是一種載流子。l半導體中有兩種載流子：自由電子載流半導體中有兩種載流子：自由電子載流子（簡稱子（簡稱電子電子）和空穴載流子（簡稱）和空穴載流子（簡稱空空穴穴），它們均可在電場作用下形成電流），它們均可在電場作用下形成電流。 本征半導體本征半導體l半導體由于熱激發而不斷產生電子空穴對半導體由于熱激發而不斷產生電子空穴對，那么，電子空穴對是否會越來越多，電，那么，電子空穴對是否會越來越多，電子和空穴濃度是否會越來越大呢？子和空穴濃度是否會越來越大呢？l實驗表明，在實驗表明，在一定的溫度一定的溫度下，電子濃度和下，電子濃度和空穴濃度都保持一個空穴濃度都保持一個

9、定值定值。l半導體中存在半導體中存在1.1.載流子的產生過程載流子的產生過程2.2.載流子的復合過程載流子的復合過程 本征半導體本征半導體綜上所述：綜上所述：l(1)半導體中有兩種載流子：半導體中有兩種載流子：自由自由電子和空電子和空穴，穴，電子帶負電電子帶負電，空穴帶正電空穴帶正電。l(2)本征半導體中，電子和空穴總是本征半導體中，電子和空穴總是成對成對地地產生，產生，ni = pi。l(3)半導體中，同時存在載流子的產生和復半導體中，同時存在載流子的產生和復合過程。合過程。 雜質半導體雜質半導體l 本征半導體的電導率很小，而且受溫度和光本征半導體的電導率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大

10、，不能直接用來制造半導照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導體器件。體器件。l 本征半導體的物理性質：純凈的半導體中摻本征半導體的物理性質：純凈的半導體中摻入微量元素，導電能力顯著提高。入微量元素，導電能力顯著提高。l 摻入的微量元素摻入的微量元素“雜質雜質”。l “雜質雜質”半導體。半導體。l常用的雜質元素常用的雜質元素三價三價的硼、鋁、銦、鎵的硼、鋁、銦、鎵五價五價的砷、磷、銻的砷、磷、銻l通過控制摻入的雜質元素的種類和數量來制通過控制摻入的雜質元素的種類和數量來制成各種各樣的半導體器件。成各種各樣的半導體器件。 l雜質雜質半導體分為：半導體分為：N型型半導體和半導體和P型型半導體。半導體

11、。 雜質半導體雜質半導體 N型半導體型半導體l在本征半導體中加入微量的在本征半導體中加入微量的五價元素五價元素，可使半導體中可使半導體中自由電子濃度自由電子濃度大為大為增加增加，形成形成N型半導體。型半導體。l摻入的五價雜質原子占據晶格中某些硅摻入的五價雜質原子占據晶格中某些硅（或鍺）原子的位置。如圖（或鍺）原子的位置。如圖4-2所示。所示。圖圖4-2 N型半導體晶體結構示意圖型半導體晶體結構示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵共價鍵l摻入五價原子摻入五價原子 N型半導體型半導體l摻入五價摻入五價原子占據原子占據Si原子位置原子位置5在 室 溫 下在 室 溫 下就可以激發就可以激發

12、成成自由電子自由電子l 雜質半導體中仍有本征激發產生的少量電子空穴對。雜質半導體中仍有本征激發產生的少量電子空穴對。l 自由自由電子電子的數目高的數目高，故故導電導電能力顯著提高能力顯著提高。l 把這種半導體稱為把這種半導體稱為N型半導體，其中的型半導體，其中的電子電子稱為多數稱為多數載流子（簡稱載流子（簡稱多子多子），），空穴空穴稱為少數載流子（簡稱少稱為少數載流子（簡稱少子）。子）。l 在在N型半導體中自由電子數等于正離子數和空穴數之型半導體中自由電子數等于正離子數和空穴數之和，自由電子帶負電，空穴和正離子帶正電，整塊半和，自由電子帶負電，空穴和正離子帶正電，整塊半導體中正負電荷量相等，保

13、持電中性。導體中正負電荷量相等，保持電中性。 N型半導體型半導體 P型半導體型半導體l 在本征半導體中加入微量的三價元素，可使半在本征半導體中加入微量的三價元素，可使半導體中的空穴濃度大為增加，形成導體中的空穴濃度大為增加，形成P型半導體。型半導體。空位空位A圖圖4-3 P型半導體型半導體晶體結構示意圖晶體結構示意圖+4+4+4+4+4+3+4+4+4共價鍵共價鍵空位吸引鄰近空位吸引鄰近原子的價電子填原子的價電子填充，從而留下一充，從而留下一個空穴。個空穴。在在P型半導體型半導體中，空穴數等于中，空穴數等于負離子數與自由負離子數與自由電子數之和，空電子數之和，空穴帶正電，負離穴帶正電，負離子和

14、自由電子帶子和自由電子帶負電，整塊半導負電，整塊半導體中正負電荷量體中正負電荷量相等，保持電中相等，保持電中性。性。綜上所述：綜上所述：l (1)本征半導體中加入五價雜質元素，便形成本征半導體中加入五價雜質元素，便形成N型半型半導體。導體。N型半導體中，電子是多數載流子，空穴是型半導體中，電子是多數載流子，空穴是少數載流子，此外還有不參加導電的正離子。少數載流子，此外還有不參加導電的正離子。l (2)本征半導體中加入三價雜質元素，便形成本征半導體中加入三價雜質元素，便形成P型半型半導體。其中空穴是多數載流子，電子是少數載流導體。其中空穴是多數載流子，電子是少數載流子，此外還有不參加導電的負離子

15、。子，此外還有不參加導電的負離子。l (3)雜質半導體中，多子濃度決定于雜質濃度，少雜質半導體中，多子濃度決定于雜質濃度，少子由本征激發產生，其濃度與溫度有關。子由本征激發產生，其濃度與溫度有關。 載流子的漂移運動和擴散運動載流子的漂移運動和擴散運動 漂移運動（漂移運動（Drift Movement） l有電場力作用時，電子和空穴便產生有電場力作用時，電子和空穴便產生定向運定向運動動，稱為漂移運動。，稱為漂移運動。l漂移運動產生的電流稱為漂移電流。漂移運動產生的電流稱為漂移電流。 擴散擴散運動運動l由于濃度差而引起的定向運動稱為擴散運由于濃度差而引起的定向運動稱為擴散運動（動（Diffusio

16、n Movement），載流子擴散），載流子擴散運動所形成的電流稱為運動所形成的電流稱為擴散電流擴散電流。l擴散是由濃度差引起的，所以擴散電流的擴散是由濃度差引起的，所以擴散電流的大小與載流子的濃度梯度成正比。大小與載流子的濃度梯度成正比。3. PN結的形成結的形成 lPN結：結： 是指在是指在P型半導體和型半導體和N型半導體的交界處形型半導體的交界處形成的空間電荷區。成的空間電荷區。lPN結是構成多種半導體器件的結是構成多種半導體器件的基礎基礎。 二極管的核心是一個二極管的核心是一個PN結；三極管中包結；三極管中包含了含了兩個兩個PN結結。l濃度差引起載流子的擴散。濃度差引起載流子的擴散。3

17、. PN結的形成結的形成 l擴散的結果形成自建電場。擴散的結果形成自建電場。空間電荷區也稱作空間電荷區也稱作“耗盡區耗盡區” “勢壘勢壘區區” l自建電場阻止擴散，加強漂移。自建電場阻止擴散，加強漂移。l動態平衡。動態平衡。 擴散擴散=漂移漂移3. PN結的形成結的形成 4.4.PN結的特性結的特性 PN結的單向導電性結的單向導電性 PN結外加正向電壓結外加正向電壓l如圖所示，電源的正極如圖所示，電源的正極接接P區，負極接區，負極接N區，這區，這種接法叫做種接法叫做PN結加正向結加正向電壓或正向偏置電壓或正向偏置。 PN結外加正向電壓結外加正向電壓lPN結外加正向電壓時（結外加正向電壓時（P正

18、、正、N負），負），空間空間電荷區變窄電荷區變窄。l不大的正向電壓，產生相當大的正向電流。不大的正向電壓，產生相當大的正向電流。l外加電壓的微小變化，擴散電流變化較大。外加電壓的微小變化，擴散電流變化較大。 PN結外加反向電壓結外加反向電壓 l如圖所示，如圖所示，電源的正極接電源的正極接N區，負極接區，負極接P區，這種接法叫做區，這種接法叫做PN結加反向電壓或結加反向電壓或反反向偏置向偏置。 PN結外加反向電壓結外加反向電壓 l 流過流過PN結的電流主要是少子的漂移決定的，稱結的電流主要是少子的漂移決定的，稱為為PN結的結的反向電流。反向電流。PN結的反向電流很小，而且與反向電壓的大小結的反向

19、電流很小，而且與反向電壓的大小基本無關。基本無關。PN結表現為很大的電阻，稱之結表現為很大的電阻，稱之截止。截止。lPN結加反向電壓時，空間電荷區變寬，自結加反向電壓時，空間電荷區變寬，自建電場增強，多子的擴散電流近似為零。建電場增強，多子的擴散電流近似為零。 l反向電流很小反向電流很小，它由少數載流子形成，與少，它由少數載流子形成，與少子濃度成正比。子濃度成正比。l少子少子的值與外加電壓無關，的值與外加電壓無關，因此反向電流的因此反向電流的大小與反向電壓大小基本無關，故稱為大小與反向電壓大小基本無關，故稱為反向反向飽和電流。飽和電流。l溫度升高時，少子值迅速增大，溫度升高時，少子值迅速增大，

20、所以所以PN結結的反向電流受溫度影響很大的反向電流受溫度影響很大。 PN結外加反向電壓結外加反向電壓 結論結論：lPN結的單向導電性結的單向導電性： PN結結加正向電壓加正向電壓產生大的產生大的正向電流正向電流， PN結導電。結導電。 PN結結加反向電壓加反向電壓產生很小的反向飽和電產生很小的反向飽和電流，流，近似為零，近似為零， PN結不導電結不導電。 PN結的伏安特性結的伏安特性 l定量描繪定量描繪PN結兩端電壓和流過結的電流的關系結兩端電壓和流過結的電流的關系的曲線的曲線PN結的伏安特性。結的伏安特性。l根據理論分析，根據理論分析，PN結的伏安特性方程為結的伏安特性方程為) 1(kTqU

21、SeII外加電壓外加電壓流過流過PN結結的電流的電流電子電荷量電子電荷量q =1.610-19C反向飽和電流反向飽和電流絕對溫度絕對溫度(K)玻耳茲曼常數玻耳茲曼常數k =1.3810-23J/K自然對數的底自然對數的底 PN結的伏安特性結的伏安特性 l令令 )1( kTqUSeIITUqkT 在常溫下，在常溫下，T = 300K， 則則)1( TUUSeIImVqkTUT26106 . 13001038. 11923 當當U大于大于UT數倍數倍TUUSeII 1 TUUe即正向電流隨正向電壓的增加以指數即正向電流隨正向電壓的增加以指數規律迅速增大。規律迅速增大。 PN結的伏安特性結的伏安特性

22、 l外加反向電壓時，外加反向電壓時，U為負值，當為負值，當|U|比比UT大幾倍時，大幾倍時， 1TUUe)1( TUUSeIIIIS即加反向電壓時，即加反向電壓時，PN結只流過很小的反向飽和結只流過很小的反向飽和電流。電流。 PN結的伏安特性結的伏安特性 l 曲線曲線OD段段表示表示PN結結正向偏置時的伏安特正向偏置時的伏安特性，性，稱為正向特性稱為正向特性；l 曲線曲線OB段段表示表示PN結結反向偏置時的伏安特反向偏置時的伏安特性，稱為性，稱為反向特性反向特性。U（mV）I（mA）0圖圖4-5 PN結的理論伏安特性結的理論伏安特性DT=25B-IS（V）2550 75 100(uA)0.51

23、1.52l畫出畫出PN結的理論伏安特結的理論伏安特性曲線。性曲線。 PN結的結的反向擊穿反向擊穿 l 加大加大PN結的反向電壓結的反向電壓到某一值時，反向電到某一值時，反向電流突然劇增，這種現流突然劇增，這種現象稱為象稱為PN結擊穿結擊穿，發，發生擊穿所需的電壓稱生擊穿所需的電壓稱為為擊穿電壓擊穿電壓，如圖所，如圖所示。示。 l 反向擊穿的特點反向擊穿的特點：反：反向電壓增加很小，反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。向電流卻急劇增加。UBRU（V）I（mA）0圖圖4-6 PN結反向擊穿結反向擊穿 雪崩擊穿雪崩擊穿l由倍增效應引起的擊穿由倍增效應引起的擊穿：當：當PN結外加的反結外加的反向電壓

24、增加到一定數值時，空間電荷數目向電壓增加到一定數值時，空間電荷數目較多，自建電場很強，使流過較多，自建電場很強，使流過PN結的少子結的少子漂移速度加快，可獲得足夠大的動能，它漂移速度加快，可獲得足夠大的動能，它們與們與PN結中的中性原子碰撞時，能把價電結中的中性原子碰撞時，能把價電子從共價建中碰撞出來，產生新的電子空子從共價建中碰撞出來，產生新的電子空穴對。穴對。l雪崩擊穿通常發生在摻雜濃度較低的雪崩擊穿通常發生在摻雜濃度較低的PN結結中。中。 齊納擊穿齊納擊穿 l強電場強電場破壞共價健破壞共價健引起的。引起的。l齊納擊穿齊納擊穿通常發生在通常發生在摻雜濃度較高的摻雜濃度較高的PN結結中。中。

25、l雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。 PN結的電容效應結的電容效應 l除了單向導電性之外，除了單向導電性之外，PN結還存在電容效應結還存在電容效應。l 勢壘電容勢壘電容CB 多子的充放電引起的。是指外加電壓的多子的充放電引起的。是指外加電壓的變化導致空間電荷區存儲電荷的變化，從而變化導致空間電荷區存儲電荷的變化，從而顯示出電容效應。幾皮法顯示出電容效應。幾皮法幾百皮法。幾百皮法。l 擴散電容擴散電容CD 多子的積累引起的。是指多子的積累引起的。是指PN結兩側積累結兩側積累的非平衡載流子數量隨外加電壓改變所產生的非平衡載流子數量隨外加電壓改變所產生的電容效應的電容效應。

26、 PN結的電容效應結的電容效應lPN結的電容很小，是針對結的電容很小，是針對高頻交流小信號高頻交流小信號而考慮。而考慮。lPN結反向工作時，勢壘電容起主要作用，結反向工作時，勢壘電容起主要作用，正向工作時擴散電容起主要作用。正向工作時擴散電容起主要作用。PN結的結的面積增大時，面積增大時，PN結的電容也增大。結的電容也增大。4.2 半導體二極管半導體二極管1.半導體二極管的結構和類型半導體二極管的結構和類型l 在在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面點接觸型、面接觸型和平面型型三大類。三大類。l

27、 (1) 點接觸型二極管點接觸型二極管 PN結面積小，結結面積小，結電容小，用于檢波和電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。變頻等高頻電路。(a)(a)點接觸型點接觸型 二極管的結構示意圖二極管的結構示意圖1.半導體二極管的結構和類型半導體二極管的結構和類型 PN結面積大，用于工結面積大，用于工頻大電流整流電路。頻大電流整流電路。(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底 往往用于集成電往往用于集成電路制造中。路制造中。PN 結面積結面積可大可小，用于高頻整可大可小，用于高頻整流和開關電路中。流和開關電路中。n (3) 平面型二極管平面型二極管n (2)面

28、接觸型二極管面接觸型二極管n(4) 二極管的代表符號二極管的代表符號(b)(b)面接觸型面接觸型陽極陽極陰極陰極半導體二極管圖片半導體二極管圖片半導體二極管圖片2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 l二極管的伏安特性的測出二極管的伏安特性的測出。VmAVDRRW（a）測正向特性）測正向特性VmAVDRRW（b）測反向特性）測反向特性2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性n二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的伏安特性曲線可用下式表示)1(/ TDUUSDeIiuD(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRiD（b）2CP10-20的伏安特性曲線的伏安特性曲線iD（mA）uD

29、（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c）2AP15的伏安特性曲線的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8 正向特性正向特性l 死區電壓死區電壓：硅管：硅管 0.5V 鍺管鍺管 0.1Vl 線性區線性區：硅管：硅管 0.6V1V 鍺管鍺管 0.2V0.5V l 對溫度變化敏感：對溫度變化敏感：l 溫度升高溫度升高正向特性曲線左移正向特性曲線左移l 溫度每升高溫度每升高1正向壓降正向壓降l 減小約減小約2mV。2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性正向正向特性特性(a)二極管理論伏安特性二極管

30、理論伏安特性CDoBAUBRuDiD2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 反向特性反向特性l 反向電流：很小。反向電流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 鍺管鍺管 幾十個微安幾十個微安l 受溫度影響大：受溫度影響大： 溫度每升高溫度每升高10 反向電流增加約反向電流增加約1倍。倍。 反向擊穿特性反向擊穿特性l 反向擊穿反向擊穿UBR:幾十伏以上。幾十伏以上。反向擊反向擊穿特性穿特性反向反向特性特性(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD3. 二極管的主要參數二極管的主要參數l 最大整流電流最大整流電流IFl 最大反向工作電壓最大反向工作電壓URl 反向電流反向電流I

31、 IR Rl 最高工作頻率最高工作頻率fM4. 二極管的等效電路及應用二極管的等效電路及應用 l二極管特性曲線的非線性，給二極管電二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分析帶來一定困難。為了簡化分析，路的分析帶來一定困難。為了簡化分析，常常要做一些近似處理，可用某些線性常常要做一些近似處理，可用某些線性電路元件來等效二極管，畫出二極管的電路元件來等效二極管，畫出二極管的等效電路。等效電路。l最常用的近似方法有二種。最常用的近似方法有二種。 理想二極管等效電路理想二極管等效電路uDiDoDK理想二極管等效電路理想二極管等效電路l 如果二極管導通時的正向壓降遠遠小于和它串聯的如果二極管導通時的正向

32、壓降遠遠小于和它串聯的電壓，二極管截止時的反向電流遠遠小于與之并聯電壓，二極管截止時的反向電流遠遠小于與之并聯的電流，則可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，的電流，則可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個開關，如圖所示。把二極管理想化為一個開關，如圖所示。 考慮正向壓降的等效電路考慮正向壓降的等效電路l 在二極管充分導通且在二極管充分導通且工作電流不是很大工作電流不是很大時，時，二極管的二極管的正向壓降正向壓降UD變化不大變化不大（例如硅管約（例如硅管約為為0.60.8V），因此近似認為二極管正向導），因此近似認為二極管正向導通時有一個固定的管壓降通時有一個固定的管壓降UD（

33、硅管取（硅管取0.7V，鍺管取鍺管取0.2V），于是可用一固定電壓源來等），于是可用一固定電壓源來等效正向導通的二極管。效正向導通的二極管。l 當外加電壓當外加電壓U0時，二極管時，二極管Dl、D3導通，相當于開關閉合；導通，相當于開關閉合；D2、D4截止，相當于開關斷開，如圖截止，相當于開關斷開，如圖 (b)所示。因此輸出所示。因此輸出電壓電壓uO = u。uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2 D1D3ioAB（b）+- 二極管電路的分析方法二極管電路的分析方法l 當當u 0且且uUR+UD時，時，二極管二極管D導通，開關閉合，輸出電壓導通，開關閉合，輸出

34、電壓UO = UR十十UD。l 當當u5mA時，時，rZ繼續下降，但變化不很明顯。繼續下降，但變化不很明顯。I(mA)04812164812rZ()2CW1 穩壓管rZI曲線5. 穩壓二極管穩壓二極管穩定電流穩定電流IZl穩定電流穩定電流IZ是穩壓管工作時的參考電流數值，是穩壓管工作時的參考電流數值，手冊上給出的穩定電壓和動態電阻都是指在手冊上給出的穩定電壓和動態電阻都是指在這個電流下的值。這個電流下的值。l工作電流若小于穩定電流工作電流若小于穩定電流IZ，則，則rZ增大，穩增大，穩壓性能較差；壓性能較差；l工作電流若大于穩定電流，工作電流若大于穩定電流，rZ減小，穩壓性減小，穩壓性能較好，但

35、是要注意管子的功率損耗不要超能較好，但是要注意管子的功率損耗不要超出允許值。出允許值。 5. 穩壓二極管穩壓二極管額定功耗額定功耗PZMlPZM是由管子允許溫升限定的最大功率損耗。是由管子允許溫升限定的最大功率損耗。l如果已知管子的穩定電壓值，那么額定功耗如果已知管子的穩定電壓值，那么額定功耗除以穩定電壓就是該穩壓管允許的最大穩定除以穩定電壓就是該穩壓管允許的最大穩定電流電流IZM=PZM/UZ。超過這個電流使用，就。超過這個電流使用，就可能損壞管子。可能損壞管子。l例如例如2CWl的額定功耗的額定功耗PZM =280mW，UZ = 8.5V，則最大穩定電流，則最大穩定電流IZM = 280/

36、8.533mA。5. 穩壓二極管穩壓二極管電壓溫度系數電壓溫度系數l溫度變化溫度變化1時，穩定電壓變化的百分數，定時，穩定電壓變化的百分數，定義為電壓溫度系數。它是表示穩壓管溫度穩定義為電壓溫度系數。它是表示穩壓管溫度穩定性的參數。性的參數。l例如例如2CWl的電壓溫度系數是的電壓溫度系數是0.07%/，假設，假設20時穩定電壓時穩定電壓UZ = 8V，那么，那么50時穩壓值時穩壓值將為將為V168. 88)2050(1000071 5. 穩壓二極管穩壓二極管l電壓電壓溫度系數越小溫度系數越小，溫度，溫度穩定性越好穩定性越好。l通常，穩定電壓通常，穩定電壓UZ低于低于4V的管子，溫度系的管子，

37、溫度系數是負的（齊納擊穿），高于數是負的（齊納擊穿），高于6V的管子，的管子，溫度系數是正的（雪崩擊穿），而穩定電壓溫度系數是正的（雪崩擊穿），而穩定電壓在在4V6V左右的管子，溫度系數最小，接近左右的管子，溫度系數最小，接近于零。于零。l所以，要求溫度穩定性較高的場合常選用所以，要求溫度穩定性較高的場合常選用6V左右的管子左右的管子。 5. 穩壓二極管穩壓二極管l 為了制造溫度系數小的管子，可采取溫度補償措為了制造溫度系數小的管子，可采取溫度補償措施。例如施。例如2DW7系列的穩壓管就是這種管子，它是系列的穩壓管就是這種管子，它是由二個穩壓值相同的管子反向串聯起來的，如圖由二個穩壓值相同的管

38、子反向串聯起來的，如圖所示。所示。123具有溫度補償的穩壓管圖具有溫度補償的穩壓管圖n工作時一個管子處于正工作時一個管子處于正向，有負溫度系數，另向，有負溫度系數，另一個管子處于反向，有一個管子處于反向，有正溫度系數，二者互相正溫度系數，二者互相補償，將補償，將1、2兩端的電兩端的電壓溫度系數減到很小的壓溫度系數減到很小的程度。程度。5. 穩壓二極管穩壓二極管穩壓管的應用電路穩壓管的應用電路l為了限制穩壓管擊穿以后的電流，使用時必為了限制穩壓管擊穿以后的電流，使用時必須在電路中串聯電阻如圖所示。須在電路中串聯電阻如圖所示。RzUzDzI+-U+-穩壓管電路5. 穩壓二極管穩壓二極管lUUZ時，

39、穩壓管擊穿時，穩壓管擊穿RUUIZn必須適當選擇必須適當選擇R值，使得值，使得I集電區集電區基區；基區； (2)基區基區必須必須很薄很薄。2. 晶體管的電流分配關系和放大作用晶體管的電流分配關系和放大作用 l內部條件內部條件l外部條件外部條件 發射結正偏，集電結反偏。發射結正偏，集電結反偏。l電路接法：共基接法。電路接法：共基接法。NPNVEEVCCiBRcReiEiCbecl共射接法。共射接法。RbVBBVCCRciBiCbecNPNuBEuCEiEuBC+2. 晶體管的電流分配關系和放大作用晶體管的電流分配關系和放大作用 晶體管內部載流子的運動晶體管內部載流子的運動l 發射區向基區注入電子

40、的過程發射區向基區注入電子的過程 l 電子在基區中的擴散過程電子在基區中的擴散過程l 電子被集電極收集的過程電子被集電極收集的過程 iBiCiEVCCVBBRbNPN(a) 載流子運動情況載流子運動情況iBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各極電流分配情況各極電流分配情況 晶體管中的電流晶體管中的電流iEniEpiBiCnICBO 晶體管的電流分配關系晶體管的電流分配關系CBOBBIiiCBOCnCIiiCBEiiiiBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各極電流分配情況Cni b bBi,iCn b bBi,令令 Bi,CnCCBOIii CBOI b bC

41、BOI CBOI Bib bb b 晶體管的電流分配關系晶體管的電流分配關系CEOBCIii b bCEOBBCEIiiii )1(b bBCEOCiIi b bCBOCEOII)1(b b 令：CBOBCI1ii)(b bb b 時0CEOIBCiib b系數系數 代表代表iB對對iC的控制作用的大小，的控制作用的大小， 越大，控制作用越強。越大，控制作用越強。bb 晶體管的電流分配關系晶體管的電流分配關系l電流電流iC由兩部分組成：由兩部分組成：l一部分是一部分是ICEO，它是，它是iB=0時流經集電極與時流經集電極與發射極的電流，稱為發射極的電流，稱為穿透電流穿透電流。另一部分是另一部分

42、是 ，它表示，它表示iC中中受基極電流受基極電流iB控制的部分。控制的部分。Bib bBCEOCiIib b 晶體管的放大作用晶體管的放大作用l晶體管放大作用的本質：晶體管放大作用的本質： iB對對iC或或iE對對iC的控制作用。的控制作用。為什么能實現放大呢？為什么能實現放大呢？ 輸入信號負載VEEVCCecbiEiC晶體管共基電路晶體管共基電路iBiC輸入信號負載VCCVBB晶體管共射電路晶體管共射電路 關于關于PNP型晶體管型晶體管lPNP管與管與NPN管之間的差別：管之間的差別： (1)電壓極性不同。電壓極性不同。 (2)電流方向不同。電流方向不同。 VBBVCCbceiBiCiE(a

43、) NPN型VBBVCCbceiBiCiE(b) PNP型NPN型和型和PNP型晶體管電路的差別型晶體管電路的差別bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+- NPN型晶體管的電壓和電流參考方向型晶體管的電壓和電流參考方向3. 晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線l晶體管特性曲線是表示晶體管各極間電晶體管特性曲線是表示晶體管各極間電壓和電流之間的關系曲線。壓和電流之間的關系曲線。l iC+iB=iE uCE =uBEuBC l通常是以發射極為公共端，通常是以發射極為公共端，畫出畫出iC、iB，uCE和和uBE四個四個量的關系曲線，稱為共射量的關系曲線，稱為共射極特性曲線。極特性曲線。 AVVm

44、AiBiCVBBRW1RbRW2VCCuCE+uBE-+-測量測量NPN管共射特性曲線的電路圖管共射特性曲線的電路圖 共射輸入特性共射輸入特性 luCE為一固定值時，為一固定值時，iB和和uBE之間的關系曲之間的關系曲線稱為共射輸入特性，即線稱為共射輸入特性，即CEuBEBufi)( iB(mA)uBE(V)0.20.40.60.80.020.040.060.080uCE = 0V1V5V3DG4的輸入特性的輸入特性20輸入特性有以下幾個特點：輸入特性有以下幾個特點： l當當uCE=0時，輸入特性曲線與二極管的正時，輸入特性曲線與二極管的正向伏安特性曲線形狀類似。向伏安特性曲線形狀類似。ARW

45、1VBBbecVuBE+-iBuCE =0時的晶體管時的晶體管l uCE增加，特性曲線右移。增加，特性曲線右移。 uCE的大小影響基區內集電結邊界電子的分布。的大小影響基區內集電結邊界電子的分布。l uCE1V以后以后，特性曲線幾乎重合。，特性曲線幾乎重合。 uCE1V以后以后，基區中集電結邊界處的電子濃度，基區中集電結邊界處的電子濃度很低。很低。l與二極管的伏安特性相似與二極管的伏安特性相似(Ur：死區電壓：死區電壓) uBEUr 時，時，iB =0； Ur =0.5V (Si) Ur =0.1V (Ge)l正常工作時正常工作時 uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge) 共射

46、輸入特性共射輸入特性 cebuBEiBiCiEuCE+_+_ PNP型晶體管的電壓電流參型晶體管的電壓電流參考方向考方向l電壓極性、電流方向電壓極性、電流方向與與 N P N 型 管 不 同 。型 管 不 同 。PNP管的參考方向管的參考方向-uBE(V)iB(mA)00.10.20.30.40.040.080.120.16uCE = 0V-6V3AX1的輸入特性的輸入特性 共射輸入特性共射輸入特性 共射輸出特性共射輸出特性 liB為固定值時，為固定值時，iC和和uCE之間的關系曲線之間的關系曲線稱為共射輸出特性，即稱為共射輸出特性，即BiCECufi| )( (a)3AX1的輸出特性的輸出特

47、性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大區區截止區截止區飽和區飽和區204682026810 12晶體管的輸出特性晶體管的輸出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大區區飽和區飽和區100203040(b)3DG4的輸出特性的輸出特性510 15 20 25 30 3550 共射輸出特性共射輸出特性 l 截止區截止區: 指指iB0，iCICEO的工作區域。在這個區域中，的工作區域。在這個區域中，電流電流iC很小，基本很

48、小，基本不導通不導通，故稱為，故稱為截止區截止區。工作在。工作在截止區時，晶體管基本失去放大作用。截止區時，晶體管基本失去放大作用。(a)3AX1的輸出特性的輸出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大區區截止區截止區飽和區飽和區204682026810 12晶體管的輸出特性晶體管的輸出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大區區飽和區飽和區100203040(b)3DG4的輸出特性的輸出特性510 15 20 25

49、 30 3550 共射輸出特性共射輸出特性 l實際上，三極管在實際上，三極管在iB=0時時并沒有完全截止并沒有完全截止。為使三極管。為使三極管真正截止，必須給發射結加反向偏壓，使發射區不再向真正截止，必須給發射結加反向偏壓，使發射區不再向基區注入載流子基區注入載流子。(a)3AX1的輸出特性的輸出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大區區截止區截止區飽和區飽和區204682026810 12晶體管的輸出特性晶體管的輸出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.

50、4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大區區飽和區飽和區100203040(b)3DG4的輸出特性的輸出特性510 15 20 25 30 3550 共射輸出特性共射輸出特性 l 飽和區飽和區: 指輸出特性中指輸出特性中iC上升部分與縱軸之間的區域。上升部分與縱軸之間的區域。飽和區特性曲線的特點是固定飽和區特性曲線的特點是固定iB不變時，不變時，iC隨隨uCE的增加的增加而迅速增大。而迅速增大。(a)3AX1的輸出特性的輸出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大區區截止區

51、截止區飽和區飽和區204682026810 12晶體管的輸出特性晶體管的輸出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大區區飽和區飽和區100203040(b)3DG4的輸出特性的輸出特性510 15 20 25 30 3550l飽和時的飽和時的 值稱為飽和壓降值稱為飽和壓降 CEuCESUl當當 時時 （ ），稱），稱為為臨界飽和臨界飽和。BECEuu rBEBCUuu , 0 共射輸出特性共射輸出特性 l飽和區是對應于飽和區是對應于uCE較小（較小（uCEUr，uBC0)。 共射輸出特性共射輸出特性 l 放大區放大區: 輸出特性上在

52、飽和區和截止區之間的區域為放輸出特性上在飽和區和截止區之間的區域為放大區。在這個區域里，大區。在這個區域里，iB0，uCEuBE，即發射結是正，即發射結是正向偏置，集電結是反向偏置。向偏置，集電結是反向偏置。(a)3AX1的輸出特性的輸出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大區區截止區截止區飽和區飽和區204682026810 12晶體管的輸出特性晶體管的輸出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大區區飽和區飽和區

53、100203040(b)3DG4的輸出特性的輸出特性510 15 20 25 30 3550 共射輸出特性共射輸出特性 l放大區的特點：放大區的特點：iB固定，固定，uCE增加增加iC略有增加。略有增加。luCE固定，固定，iB變化變化iC變化很大，變化很大，iB對對iC的強烈控制作用的強烈控制作用。(a)3AX1的輸出特性的輸出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大區區截止區截止區飽和區飽和區204682026810 12晶體管的輸出特性晶體管的輸出特性iC(mA)uCE(

54、V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大區區飽和區飽和區100203040(b)3DG4的輸出特性的輸出特性510 15 20 25 30 35504. 晶體管的主要參數晶體管的主要參數l晶體管的參數是用來表示晶體管的各種性能晶體管的參數是用來表示晶體管的各種性能指標。指標。l 電流放大系數電流放大系數BCEOCiIi b bb共射直流電流放大系數共射直流電流放大系數n它表示集電極電壓它表示集電極電壓uCE一定時，集電極電流和一定時，集電極電流和基極電流之間的關系基極電流之間的關系如果如果iCICEO則則BCii b b 電流放大系數電流放大系數 l A點

55、對應的點對應的iC=6mA，iB=40AuCE(V)iC(mA)051015483.368.81216A20406080iB =100A3DG6(NPN硅管硅管)的輸出特性的輸出特性15004. 06BCiib 電流放大系數電流放大系數 l 晶體管晶體管3AX3(PNP鍺管鍺管)有較大的穿透電流有較大的穿透電流ICEO5504. 08 . 03 BCEOCiIib b0.823468-uCE(V)iC(mA)iB=00.02mA0.040.060.080.10.140.18B0 3AX3的輸出特性的輸出特性l 表示集電極負載短路（即表示集電極負載短路（即uCE保持不變）的條件保持不變）的條件下

56、，下，集電極電流的變化量與相應的基極電流變化集電極電流的變化量與相應的基極電流變化量之比量之比，即，即b 共射交流短路電流放大系數共射交流短路電流放大系數常數CEBCuiib大表示只要基極電流很小的變化，就可以控大表示只要基極電流很小的變化，就可以控制產生集電極電流大的變化，即電流放大作制產生集電極電流大的變化，即電流放大作用好。用好。b值的求法：值的求法：b在在A點附近找兩個點附近找兩個uCE相同的點相同的點C和和D13804. 05 . 5 BCiib b所以所以對應于對應于C點，點，iC=8.8mA，B=60A；對應于對應于D點，點，iC=3.3mA，iB=20A，iC =8.8-3.3

57、=5.5mA，iB=60-20=40A，uCE(V)iC(mA)051015483.368.81216CDA20406080iB =100A3DG6的輸出特性的輸出特性b 共射交流短路電流放大系數共射交流短路電流放大系數所以所以 =2.1/0.04=52.5b用同樣辦法可以求出用同樣辦法可以求出3AX3工作在工作在B點的點的 值。值。 b找出找出F點和點和G點，點，對應于對應于F點，點，iC=3.9mA，iB=0.06mA；對應于對應于G點，點，iC=1.8mA，iB=0.02mA；于是于是iC=3.9-1.8=2.lmA， iB=0.06-0.02=0.04mA，-uCE(V)iC(mA)i

58、B=00.02mA0.040.060.080.10.140.18FBG0 3AX3的輸出特性的輸出特性0.823468b 共射交流短路電流放大系數共射交流短路電流放大系數l 定義定義ECiin 根據晶體管的電流分配關系，可以根據晶體管的電流分配關系，可以得到下列換算關系得到下列換算關系 bbbbbb1111，共基直流電流放大系數共基直流電流放大系數 和共基交和共基交流電流放大系數流電流放大系數ECECBOCiiiIi 極間反向電流極間反向電流 集電極集電極-基極反向飽和電流基極反向飽和電流ICBOlICBO是指發射極開路，集電極與基極之是指發射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時產生的電流，也

59、就是集間加反向電壓時產生的電流，也就是集電結的反向飽和電流。可用下圖電路測電結的反向飽和電流。可用下圖電路測出。出。AICBO(b) PNP管VAICBO(a) NPN管VICBO的測量 集電極集電極-基極反向飽和電流基極反向飽和電流ICBOl反向電壓大小改變時，反向電壓大小改變時，ICBO的數值可能的數值可能稍有改變。稍有改變。lICBO是少數載流子電流，受溫度影響很是少數載流子電流，受溫度影響很大，大，ICBO越小越好。越小越好。l硅管的硅管的ICBO比鍺管的小得多，要求在溫比鍺管的小得多，要求在溫度變化范圍寬的環境下工作時，應選用度變化范圍寬的環境下工作時，應選用硅管；大功率管的硅管；大

60、功率管的ICBO值較大，使用時值較大，使用時應予以注意。應予以注意。 穿透電流穿透電流ICEOlICEO是基極開路，集電極與發射極間加是基極開路，集電極與發射極間加反向電壓時的集電極電流。由于這個電反向電壓時的集電極電流。由于這個電流由集電極穿過基區流到發射極，故稱流由集電極穿過基區流到發射極，故稱為穿透電流。測量為穿透電流。測量ICEO的電路如圖所示。的電路如圖所示。AbceICEO(a) NPN管管AbceICEO(b) PNP管管ICEO的測量的測量 穿透電流穿透電流ICEOl由圖可見，由圖可見，ICEO不單純是一個不單純是一個PN結的反向電流結的反向電流CBOCEOII)1(b b 所