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空穴空穴共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动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。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。N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。在一块本征半导体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。因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区阻止多子扩散 促使少子漂移内电场 动态平衡PN结动画第1页/共98页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。PN结单向导电性。1.理想模型3.折线模型 2.恒压降模型动画第2页/共98页 4.小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）第3页/共98页0.30.3设设 ui2sin t V，D1、D2 为锗管，为锗管，UD0.3 V。(1)在在 ui 正半周，正半周，D2 截止。截止。当当 ui0.3 V 时，时，D1 截止，截止，uo=ui。当当 ui0.3 V 时，时，D1 导通，导通，uo=UD=0.3 V。(2)在在 ui 负半周，负半周，D1 截止。截止。当当 ui0.3 V 时，时，D2 截止，截止，uo=ui。当当 ui0.3 V 时，时，D2 导通，导通，uo=UD=0.3 V。2.2.限幅限幅限幅限幅 R D1 uiuoD2 t uo/VO 2 整流、限幅、开关电路动画第4页/共98页电路如图所示，已知电路如图所示，已知 DA 与与 DB 是硅二极管，是硅二极管，UD0.3 V。若若 UA=3 V，UB=0 V，因，因 UA UB，使使 DB 承受的正向电压较高，优先导通，承受的正向电压较高，优先导通，DA 截止。截止。则则 UF=UBUD=0.7 V 即即 UF 被箝制在被箝制在 0.7V。故故 DB 起箝位作用起箝位作用 该电路称为箝位电路。该电路称为箝位电路。UAUBUF 6VDA RDB 3.3.箝位箝位箝位箝位 4.4.隔离隔离隔离隔离 电路如图所示，电路如图所示，当当 DB 导通时，导通时，DA 截止，从而隔断了截止，从而隔断了 UA 与与UB 的联系，的联系，故故 DA 起隔离作用。起隔离作用。检波高频，续流电力电子第5页/共98页光电耦合器（光电隔离器）光电耦合器（光电隔离器）作用：作用：电气隔离；电气隔离；抗干扰；抗干扰；系统保护。系统保护。输输入入电电路路输输出出电电路路第6页/共98页特殊二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。发光二极管光电二极管参数-正确使用稳压、削波第7页/共98页 解解 (1)Ui10 V 时时 DZ 反向击穿稳压：反向击穿稳压：Uo=UZ=5 V。(2)Ui=3 V 时时DZ 反向截止：反向截止：Uo=Ui=3 V。(3)Ui=5 V 时时DZ 正向导通：正向导通：Uo=0 V。(4)ui=10sin t V 时时 当当 0ui5 V 时，时，DZ 反向截止：反向截止：Uo=Ui=10sin t V。当当 ui5 V 时，时，DZ 反向击穿稳压：反向击穿稳压：Uo=UZ=5 V。5 例例 如图所示电路，设如图所示电路，设 UZ=5 V，正向压降，正向压降 忽略不计。当直流输入忽略不计。当直流输入Ui=10 V、3 V、5 V 时，时，Uo=？当输入为交流当输入为交流 ui=10sin t V 时，分析时，分析 uo的波形。的波形。R DZ UiUo t uo/VO 2 3 当当 ui0 V 时，时，DZ 正向导通：正向导通：Uo=0 V。第8页/共98页2023/4/21 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 双极型半导体三极管 场效应半导体三极管 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。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。第9页/共98页1.3.1 BJT的结构及类型的结构及类型1.3 双极型晶体管（双极型晶体管（BJT）1.3.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理1.3.3 BJT的共射特性曲线的共射特性曲线1.3.4 BJT的主要参数的主要参数第10页/共98页半导体三极管图片半导体三极管图片第11页/共98页1.3.1 BJT的结构简介的结构简介 半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极，用B或b表示（Base）发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区三极管符号箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的方向结构特点：结构特点：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。第12页/共98页 BJT 的内部结构的内部结构 平面型平面型 P 型型N 型型P 型型 N 型型P 型型N 型型 发射极发射极 基极基极 集电极集电极 SiO2 集电极集电极 SiO2 发射极发射极 基极基极 发射极发射极 基极基极 集电极集电极 N 型型 N 型型 P 型型 按材料分类：按材料分类：硅管、锗管。硅管、锗管。第13页/共98页1.三极管的三种组态共集电极接共集电极接法法(CC)，集电极作为公共端;共基极接法共基极接法(CB)，基极作为公共端；共发射极接法共发射极接法(CE)，发射极作为公共端；BJT的三种组态1.3.2 放大状态下BJT的工作原理第14页/共98页晶体管内部载流子的运动发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子 （以NPN为例）BJT的一个重要特性是有电流放大作用载流子定向运动偏置电压 不管是哪种组态，也不管是哪种类型的BJT,BJT,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。工作在放大状态时，都必须满足以下条件：内部条件：结构上的特点为保证管内载流子作定向运动，必须使必须使 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏外部条件：第15页/共98页 （1）发射区向基区发射载流子(多子电子扩散)，形成扩散电流IEn。基区的多子（空穴）也要向发射区扩散，形成电流 I IEpEp，两者方向一致。流过发射结的总电流为 IE=IEn+IEp IEn1.3.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理 2.BJT内部载流子的传输过程NPN型硅平面管结构示意图（动画）载流子的传输过程（2）载流子在基区扩散与复合，形成复合电流IBn。基区很薄且掺杂浓度低，载流子复合的机会少，故 IBn 很小。复合掉的空穴由基极外电源拉走电子作补充。基极电流为IB 第16页/共98页（动画）（3）集电区收集载流子，形成集电极电流IC。集电结反偏，其内电场被加强，有利于收集从发射区扩散到集电结边缘的非平衡载流子电子，形成集电极电流中受发射结电压控制的电流ICn。ICn=IEn-IBn 集电区和基区本身的少子也要产生漂移运动，形成集电结反向饱和电流ICBO。IC =ICn+ICBO 载流子的传输过程IB+ICBO=IEp+IBn基区电流IB+IC=IE基极电流IB=IEp+IBn-ICBO1.3.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理 在发射结正偏、集电结反偏电压共同作用下，发射区扩散到基区的载流子大部分被集电区收集，形成ICn，只有一小部分在基区被复合，形成IBn。从这个角度说，BJT BJT 实际上是一个电流分配器，把I IE E 按一定比例分配给基极和集电极。第17页/共98页3.电流分配关系（1）IC与IE的关系（CB共基组态的 电流分配关系）通常 ICn ICBO 为共基极电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 =0.9 0.99定义=ICnIEn载流子的传输过程 则IE IC则有 IC=IE+ICBO IC IE IB （1-）IE CBOCIEII-第18页/共98页3.电流分配关系（2）IC与IB的关系（CE 电流分配关系）是共射极电流放大系数，IC/IB，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1。(IB+IC)=IC ICBO-=1令 IC=IB+(1+)ICBOIC=IB+ICEO（穿透电流）IC IB 将 IE=IB+IC 代入左式，得=-=-=-=-ICnIEIC ICBOIE在共射电路中IC 正比于IE，在共基电路中IC 正比于IB,只要能控制IE或IB，就能控制IC。第19页/共98页晶体管内部电流的分配关系IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96IE IC IB IE=IC+IB假定三极管工作在IB=0.03mA附近，则第20页/共98页+-bceRL1k共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iB vI=20mV 设若则电压放大倍数 iB=20 uA vO=-iC RL=-0.98 V (-号表示 vO与 vI相位相反)=0.98使4.放大作用第21页/共98页 IE=IEN+IEP 且有IENIEP IEN=ICN+IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN IC=ICN+ICBO IB=IEP+IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)IE=IC+IB电流分配关系第22页/共98页定义:称为共发射极接法直流电流放大系数。根据传输过程可知：共射电流放大系数穿透电流反向饱和电流第23页/共98页 是交流电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1第24页/共98页 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I ICNCN与总发射极电流I IE E的比值。I ICNCN与I IE E相比，因I ICNCN中没有I IEPEP和I IBNBN，所以 的值小于1,1,但接近1 1。为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 =0.9 0.99IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO第25页/共98页其中：IE=IB+IC因 1,所以 1第26页/共98页vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const1.3.3 BJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）1.输入特性曲线(2)当UCE 0V时，uCB=uCE-u-uBE0，部分非平衡少子形成集电极电流 基区复合减少，同样的uBE下 IB减小，特性曲线右移。(1)当UCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。但UCE再增加时，曲线右移很不明显。非平衡少子大多数到达集电极，集电极电流随集射极电压无明显变化，此时三极管内部反馈很小（见输出特性）。第27页/共98页放大区：放大区：曲线基本平行等距的区域。此时，发射结正偏，集电结反偏。特点：iC主要受iB控制；vCE 时，曲线微微上翘，iC 不多。iC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：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、集电结均反偏，或 vBE小于死区电压。饱和区：饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。温度对伏安特性的影响：温度上升时，1.输入特性曲线左移，体现对vBE的影响；2.反向电流增加；3.增加，输出特性曲线间的距离加大。第28页/共98页 饱和状态UCE=VCC -IC RCbecNNPVCCVBB+UCEICRC维持维持IB不变，减少不变，减少VCC时，时，UCE 减少。减少。当当UCE UBE 时，时，Uc Ub,集集电结由反偏过渡到正偏电结由反偏过渡到正偏第29页/共98页此时集电结的阻挡层变薄，集电区收集电子能力减弱，此时集电结的阻挡层变薄，集电区收集电子能力减弱，IC 减少，且减少，且UCE 越小，越小，IC 越小。最终维持一个电压值不变，记做越小。最终维持一个电压值不变，记做UCES。becNNPVCCUcUe发射结正偏发射结正偏+UCE=UCESRCUCE=VCC -IC RCIC第30页/共98页becNNPVCCUcUe发射结正偏发射结正偏+UCE=UCESRCIC饱和区:第31页/共98页 截止状态becNNPVCCUbUbUe放大状态放大状态UbeUce饱和状态饱和状态Ub=UBUECBEUC=UBUECBE在放大电路中，为使电路正常工作，通常NPN型管的集电极电位会比基极电位高的多，而 PNP型管的集电极电位会比基极电位低的多。两个极电位差为0.7V的是Si管的基极和发射极，两个极电位差为0.2V的是 Ge管的基极和发射极，剩下一个集电极第54页/共98页 场效应管场效应管（FET：Field Effect Transistor)是利用输入回路的电场效应来控制输出电流是利用输入回路的电场效应来控制输出电流的一种半导体器件。根据结构的不同，分为的一种半导体器件。根据结构的不同，分为两类：两类：结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管（IGFET）,又称 作MOS 管1.4 场效应管第55页/共98页N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：第56页/共98页1.4.1 结型场效应管1 结型场效应管的结构和类型2 结型场效应管的工作原理3 结型场效应管的特性曲线第57页/共98页结构 它是在N型半导体硅片的两侧扩散高浓度P离子区，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。导电沟道：漏源之间的非耗尽层区域。第58页/共98页基底：N型半导体G 栅极一、结型场效应管结构和类型两边是高浓两边是高浓度的度的P 型型区区S 源极D 漏极NNNPP中间的中间的N 型区是型区是漏极与源极之间漏极与源极之间的电流通道，称的电流通道，称为为导电沟道导电沟道。第59页/共98页N沟道结型场效应管DGS结型场效应管的分类和符号箭头代表箭头代表PN 结结正向导电方向正向导电方向S 源极D 漏极NNNPPG 栅极第60页/共98页P沟道结型场效应管DGS结型场效应管的分类和符号箭头代表箭头代表PNPN结结正向导电方向正向导电方向G 栅极S 源极D 漏极PNNNN第61页/共98页 根据结型场效应三极管的结构，只能工作在反偏的条件下，N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压（uGS0，实现栅源电压对漏极电流的控制。现以N沟道为例说明其工作原理。第62页/共98页NGSDVDDVGGNNPPiD二、结型场效应管工作原理 1、uDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用假设假设uDS=0，则导电沟，则导电沟道中的电流道中的电流 iD=0当当uGS=0=0时，在时，在P、N区之间形成区之间形成PN结结在两个在两个PN 结结 间存在导电沟间存在导电沟道，道，D 极和极和S S极间相当于一个极间相当于一个电阻电阻(uGS)(uDS)第63页/共98页NGSDNNPPiDuGS增加时，即增加时，即S 极电位高于极电位高于G 极时，极时，由于由于 PN 结反偏，结反偏，阻挡层变厚，沟道变阻挡层变厚，沟道变窄，电阻增加窄，电阻增加VDDVGG(uGS)(uDS)第64页/共98页uGS 达到一定值时,即等于uGS(off)时，两个阻挡层碰到一起，沟道被夹断。uGS(off)被称为夹断电压。GSDNNPPiDNVDDVGG(uGS)(uDS)第65页/共98页GSDNNPP假设假设uDS不变，则导电沟不变，则导电沟道中的电流道中的电流 iD与与uGS有关有关 iDNVDDVGG我们可以通过改变uGS 来改变沟道电阻的大小，达到控制ID 大小的目的，所以说场效应管是一种电压控制元件。此时，PN结处于反向偏置，故iG 0，所以说场效应管输入电阻很高。(uGS)(uDS)第66页/共98页GSDNNPP uGS 越大，iD 越小。当 uGS 等于 UGS(off)时，沟道被完全夹断，iD 等于零。iDNVDDVGG(uGS)(uDS)第67页/共98页GSDiDNPP 2、当、当uGS 为为UGS（off）0中某一固定值时，中某一固定值时，uDS对对iD影响影响VDDVGG由于由于uD 高于高于uS时，因时，因此沟道内各点与此沟道内各点与G 极极之间的电位差并不相之间的电位差并不相等，而等，而PN结阻挡层的结阻挡层的宽度与两端的电压差宽度与两端的电压差有关，所以两个有关，所以两个PN结结的阻挡层出现楔形。的阻挡层出现楔形。(uGS)(uDS)第68页/共98页GSDiDNPP当当uDS 增加时，增加时，iD 随之增加，此随之增加，此时，导电沟道相当于一个电阻，其时，导电沟道相当于一个电阻，其阻值由阻值由uGS决定。决定。VDDVGG(uDS)(uGS)第69页/共98页GSDiDPP当当uDS 继续增加并使得继续增加并使得G 极与极与D极之极之间电压等于夹断电压间电压等于夹断电压 UGS(off)时，时，阻挡层开始相遇（阻挡层开始相遇（预夹断预夹断），此时，），此时，iD进入恒流区，不随进入恒流区，不随uDS 的增加而增的增加而增大，其值由大，其值由uGS 决定决定NVDDVGG(uGS)(uDS)3、当、当 uGD UGS（off）时，时，uGS对对iD的控制的控制作用作用第70页/共98页三、结型场效应管特性曲线UGS(off)1.1.输出特性 iD/mAiD/mA当当 uGD UGS(th)）时，会感应时，会感应出足够多电子，形成出足够多电子，形成一个以电子导电为主一个以电子导电为主的的N 型导电沟道。型导电沟道。UGS(th)称为开启电压PNNGSDuDSuGSuGS0时排斥空穴，吸引电子第79页/共98页该导电沟道相当于一个电阻，uGS 越大，沟道越宽，电阻越小。PNNGSDuDSuGSiD第80页/共98页当uDS较大时，靠近D 区的导电沟道变窄。PNNGSDuDSuGSiD当uDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的，此时，沟道电阻值基本不变，由uGS 决定。第81页/共98页预夹断后，即使uDS 继续增加，iD呈恒流特性。uDS 增加，uGD=UGS(th)时，靠近D端的沟道被夹断（预夹断）。PNNGSDuDSuGSiD第82页/共98页0iDuGS UGS(th)2.2.特性曲线（转移特性）只有在只有在uGS UGS(th)时才出现沟道，故时才出现沟道，故称为增强型称为增强型第83页/共98页2.2.特性曲线（输出特性）i Du DS/VUGS(th)=1V|uDS|=|uGS-UGS(th)|第84页/共98页增强型增强型MOSMOS管特性小管特性小结结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第85页/共98页耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（uGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当uGS0 时，将使iD进一步增加。uGS0时，随着uGS 的减小iD 逐渐减小，直至 iD=0。对应iD=0 的 uGS 值为夹断电压 U GS(off)。u GS/Vi D第86页/共98页耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET的特性曲的特性曲线线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第87页/共98页绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型 N沟道P 沟道第88页/共98页场效应三极管的参数和型号场效应三极管的参数和型号一、一、场效应三极管的参数场效应三极管的参数 1.开启电压UGS(th)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。2.夹断电压UGS(off)夹断电压是耗尽型FET的参数，当uGS=U GS(off)时,漏极 电流为零。3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当uGS=0时所对应的漏极电流。第89页/共98页4.输入电阻RGS 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。5.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS (毫西门子)。6.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。第90页/共98页二、二、场效应三极管的型号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。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。第91页/共98页双极型三极管与场效应三极管的比较双极型三极管与场效应三极管的比较 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管 结构 NPN型 结型 N沟道 P沟道 与 PNP型 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道 分类 C与E一般不可 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道 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 电压控制电流源 噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，且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第93页/共98页1.61.6集成电路中的元件集成电路中的元件纵向管的值较大，但应用的局限性很大横向管的值较小，但它的发射结和集电结耐压值较高。所以可利用横向PNP管和纵向NPN管复合成既有足够大的值又有较高耐压值的管子。第94页/共98页多发射极管的结构与符号常用于集成数字电路常用于集成数字电路第95页/共98页多集电极管的结构与符号常用于集成放大电路中的电流源电路常用于集成放大电路中的电流源电路第96页/共98页CMOS电路电路功耗小，工作电源电压范围宽，输入电流电路功耗小，工作电源电压范围宽，输入电流小，连接方便，是目前应用广泛的集成电路。小，连接方便，是目前应用广泛的集成电路。第97页/共98页感谢您的观看！第98页/共98页