模拟电子技术基础

半导体物理基础知识按导电性能的不同,物质可分为导体、绝缘体和 半导体。湖北体彩网_[官网首页]目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、 锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体 和绝缘体之间,并且会随温度、光照或掺入某些杂质 而发生显著变化。要理解这些特性,就必须从半导体 的原子结构谈起。 按导电性能的不同,物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、 锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。湖北体彩网_[官网首页]它们的导电能力介于导体 和绝缘体之间,并且会随温度、光照或掺入某些杂质 而发生显著变化。湖北体彩网_[官网首页]要理解这些特性,就必须从半导体 的原子结构谈起。与价电子密切相关,所以为了突出 的原子结构谈起。与价电子密切相关,所以为了突出 价电子的作用,我们采用图1–1所示的简化原子结构模 +4图1–1原子的简化模型 纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中,原子按一定间隔排列成有规律的空间点 阵(称为晶格)。由于原子间相距很近,价电子不仅受到 自身原子核的约束,还要受到相邻原子核的吸引,使 得每个价电子为相邻原子所共有,从而形成共价键。 这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组 成四对共价键,依靠共价键使晶体中的原子紧密地结 合在一起。图1–2是单晶硅或锗的共价键结构平面示意 图。共价键中的电子,由于受到其原子核的吸引,是 不能在晶体中自由移动的,所以是束缚电子,不能参 与导电。 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 图1–2单晶硅和锗的共价键结构示意图 在绝对零度(-273)时,所有价电子都被束缚在共 价键内,晶体中没有自由电子,所以半导体不能导电。 当温度升高时,键内电子因热激发而获得能量。其中 获得能量较大的一部分价电子,能够挣脱共价键的束 缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留 下了与自由电子数目相同的空位,如图1–3所示。 +4+4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 +4 +4 +4 图1–3本征激发产生电子和空穴 在本征半导体中,由于本征激发,不断地产生电子、空穴对,使载流子浓度增加。与此同时,又会有 相反的过程发生。由于正负电荷相吸引,因而,会使 电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成 为价电子,同时释放出相应的能量,从而消失一对电 子、空穴,这一过程称为复合。显然,载流子浓度越 大,复合的机会就越多。这样在一定温度下,当没有 其它能量存在时,电子、空穴对的产生与复合最终会 达到一种热平衡状态,使本征半导体中载流子的浓度 一定。理论分析表明,本征载流子的浓度为 力学温度(K);EG0 为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗 为0.78eV);k为玻尔兹曼常数(8.6310 半导体材料有关的常数(硅为3.871016 cm -3 为1.761016 cm -3 在本征半导体中,有选择地掺入少量其它元素,会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为 杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。湖北体彩网_[官网首页]根据掺入 的杂质不同,有N型半导体和P型半导体两种。 锑等,就得到N型半导体。这时,杂质原子替代了晶格中的某些硅原子,它的四个价电子和周围四个硅原子 组成共价键,而多出一个价电子只能位于共价键之外, 如图1–4所示。 +4+4 +4 +4 +5 +4 电子施主 原子 +4 +4 +4 原子 图1–4N型半导体原子结构示意图 铟等,就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子,它的三个价电子和相邻的四个硅原子 组成共价键时,只有三个共价键是完整的,第四个共 价键因缺少一个价电子而出现一个空位,如图1--5所示。 1--5 +4+4 +4 +4 +3 +4 空位 +4+4 +4 在以上两种杂质半导体中,尽管掺入的杂质浓度很小,但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本 征载流子数。 杂质半导体中的少子浓度,因掺杂不同,会随多 子浓度的变化而变化。在热平衡下,两者之间有如下 关系:多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载 流子浓度值n (1–2a)(1–2b) (1–3a)(1–3b) 由以上分析可知,本征半导体通过掺杂,可以大大改变半导体内载流子的浓度,并使一种载流子多, 而另一种载流子少。对于多子,通过控制掺杂浓度可 严格控制其浓度,而温度变化对其影响很小;对于少 子,主要由本征激发决定,因掺杂使其浓度大大减小, 但温度变化时,由于ni的变化,会使少子浓度有明显 变化。 了解了半导体中的载流子情况之后,我们来讨论它的电流。在半导体中有两种电流。 在电场作用下,半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流,称为漂移电流。它类似于金属导体中 动形成的电流,称为漂移电流。它类似于金属导体中 的传导电流。 半导体中有两种载流子——电子和空穴,当外加电场时,电子逆电场方向作定向运动,形成电子电流I 然它们运动的方向相反,但是电子带负电,其电流方向与运动方向相反,所以I 的方向是一致的,均为空穴流动的方向。因此,半导体中的总电流为两者之 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。 在半导体中,因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时,载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作 扩散运动,从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子 的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大,扩散电流越大, 而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上(见图1–6),即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率 dn(x)/dx(dp(x)/dx)。 PN通过掺杂工艺,把本征硅(或锗)片的一边做成P型 半导体,另一边做成N型半导体,这样在它们的交界面 处会形成一个很薄的特殊物理层,称为PN结。PN结是 构造半导体器件的基本单元。其中,最简单的晶体二 极管就是由PN结构成的。因此,讨论PN结的特性实际 上就是讨论晶体二极管的特性。 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时,因为P区一侧空穴多,N区一侧电子多,所以在它们的界 面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向 N区扩散,并在N区被电子复合。而N区中的电子也会 向P区扩散,并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分 别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1–7(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量 正、负离子组成的空间电荷区,如图1–7(b)所示。 空间电荷区内电场 开始时,扩散运动占优势,随着扩散运动的不断进行,界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多,空间 电荷区展宽,使内电场不断增强,于是漂移运动随之 增强,而扩散运动相对减弱。最后,因浓度差而产生 的扩散力被电场力所抵消,使扩散和漂移运动达到动 态平衡。这时,虽然扩散和漂移仍在不断进行,但通 过界面的净载流子数为零。平衡时,空间电荷区的宽 度一定,UB也保持一定,如图1–7(b)所示。 由于空间电荷区内没有载流子,所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩 散有阻挡作用,好像壁垒一样,所以又称它为阻挡区 实际中,如果P区和N区的掺杂浓度相同,则耗尽区相对界面对称,称为对称结,见图1–7(b)。如果 一边掺杂浓度大(重掺杂),一边掺杂浓度小(轻掺杂),则称为不对称结,用P 表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边,如图1-- 8(a),(b)所示。 PNPN 使P区电位高于N区电位的接法,称PN结加正向电 压或正向偏置(简称正偏),如图1--9所 耗尽区内电场 内电场 使P区电位低于N区电位的接法,称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。由于反向电压与U 的极性一致,因而耗尽区两端的电位差变为U +U,如图1–10所示。 耗尽区内电场 PN理论分析证明,流过PN结的电流i与外加电压u之 间的关系为 qu/kT-1)= u/UT-1) 为反向饱和电流,其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关;U =kT/q,称为温度的电压当制作工艺、温度等有关;U =kT/q,称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时,U =26mV。这是一个今后常用的参数。 u/U-T,即i随u呈指数规律变化;加反向电 压时,|u|只要大于U (负号表示与正向参考电流方向相反)。因此,式(1–4)的结果与上述的 结论完全一致。由式(1–4)可画出PN结的伏安特性曲线, 如图1–11所示。图中还画出了反向电压大到一定值时, 反向电流突然增大的情况。 PN由图1–11看出,当反向电压超过U BR 后稍有增加时, 反向电流会急剧增大,这种现象称为PN结击穿,并定 BR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理 可以分为两种。 图1–11PN结的伏安特性 在轻掺杂的PN结中,当外加反向电压时,耗尽区较宽,少子漂移通过耗尽区时被加速,动能增大。当 反向电压大到一定值时,在耗尽区内被加速而获得高 能的少子,会与中性原子的价电子相碰撞,将其撞出 共价键,产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被 共价键,产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被 强电场加速后,又会撞出新的电子、空穴对。 在重掺杂的PN结中,耗尽区很窄,所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压 大到一定值时,强电场足以将耗尽区内中性原子的价 电子直接拉出共价键,产生大量电子、空穴对,使反 向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。 一般来说,对硅材料的PN结,UBR >7V时为雪崩击穿; BR<5V时为齐纳击穿;U BR 介于5~7V时,两种击穿都 PN结具有电容效应,它由势垒电容和扩散电容两部分组成。 从PN结的结构看,在导电性能较好的P区和N区之 间,夹着一层高阻的耗尽区,这与平板电容器相似。 间,夹着一层高阻的耗尽区,这与平板电容器相似。 当外加电压增大时,多子被推向耗尽区,使正、负离 子减少,相当于存贮的电荷量减少;当外加电压减小 时,多子被推离耗尽区,使正、负离子增多,相当于 存贮的电荷量增加。 因此,耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应,并称为势垒电容, 用CT表示。经推导,CT可表示为 dudQ T0为外加电压u=0时的C 值,它由PN结的结构、掺杂浓度等决定;U 为内建电位差;n为变容指数,与PN结的制作工艺有关,一般在1/3~6之 正向偏置的PN结,由于多子扩散,会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用图1--12中P区一侧载流子 的浓度分布曲线来说明。 图1–12P区少子浓度分布曲线 同理,在N区一侧,非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化,引起存贮电荷的增加量ΔQ 种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性,就是电容效应,称为扩散电容,用C 表示。如果引起ΔQ 为P区非平衡电子的平均命;I为PN结电流,由式(1–4)确定。 都随外加电压的变化而变化,所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。 均等效地并接在PN结上,因而,PN结由于C 均等效地并接在PN结上,因而,PN结上的总电容C PNPN结特性对温度变化很敏感,反映在伏安特性上 即为:温度升高,正向特性左移,反向特性下移,如 图1–11中虚线所示。具体变化规律是:保持正向电流 不变时,温度每升高1 ,结电压减小约2~2.5mV,即 Δu/ΔT-(2~2.5)mV/ 温度每升高10,反向饱和电流I 增大一倍。如果温度为T S1;温度为T 当温度升高到一定程度时,由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度,使杂质半导体变得与本 征半导体一样,这时PN结就不存在了。因此,为了保 证PN结正常工作,它的最高工作温度有一个限制,对 硅材料约为(150~200) ,对锗材料约为(75~100) 晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的,其结构示意图和电路符号分别如图1--13(a),(b)所示。符 号中,接到P型区的引线称为正极(或阳极),接到N型 区的引线称为负极(或阴极)。 利用PN结的特性,可以制作多种不同功能的晶体二极管,例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、 光电二极管等。其中,具有单向导电特性的普通二极 管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其基本应用 电路。另外,简要介绍稳压二极管及其稳压电路。 正极负极 负极正极 图1–13晶体二极管结构示意图及电路符号 (a)结构示意图;(b)电路符号 普通二极管的典型伏安特性曲线如图1–14所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以 及表面漏电流等影响,其伏安特性与PN结的伏安特性 略有差异。由图可以看出,实际二极管的伏安特性有 如下特点。 i/mA10 20 30 -0.5 -5-10 -0.50.5 图1–14 二极管伏安特性曲线 普通二极管的典型伏安特性曲线如图1–14所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及 表面漏电流等影响,其伏安特性与PN结的伏安特性略 有差异。由图可以看出,实际二极管的伏安特性有如 下特点。 正向电压只有超过某一数值时,才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压,用U =(0.1~0.2)V。正向特性在小电流时,呈现出指数变化规律,电 正向特性在小电流时,呈现出指数变化规律,电 流较大以后近似按直线上升。这是因为大电流时,P区、 N区体电阻和引线接触电阻的作用明显了,使电流、电 压近似呈线性关系。 由于表面漏电流影响,二极管的反向电流要比理想PN结的I 大得多。而且反向电压加大时,反向电流也略有增大。尽管如此,对于小功率二极管,其反向 电流仍很小,硅管一般小于0.1μA,锗管小于几十微 两极管的反向击穿以及温度对二极管特性的影响,均与PN结相同。 器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据,是我们合理选择和正确使用器件 的依据。参数一般可以从产品手册中查到,也可以 通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参 数及其意义。 一、直流电阻R 与流过它的直流电流I 随工作电流增大而减小,反向的R )点到原点直线斜率的倒数。显然,图中Q 图1–15二极管电阻的几何意义(a)直流电阻R 定义为:二极管在其工作状态(IDQ DQ)处的电压 微变量与电流微变量之比,即 DQ DQ DQ DQ didu 的几何意义见图115(b),即二极管伏安特性 的几何意义见图1–15(b),即二极管伏安特性曲线上Q(I DQ DQ)点处切线斜率的倒数。 可以通过对式(1–4)求导得出,即DQ didu 与工作电流IDQ 成反比,并与温度有关。室 温条件下(T=300K): 通过对二极管交、直流电阻的分析可知,由于二 极管的非线性伏安特性,所以交、直流电阻均是非线 (1–12)极管的非线性伏安特性,所以交、直流电阻均是非线 性电阻,即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同, 同一点处交流和直流电阻也不相同。 指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时,流过二极管的平均电流不能超过此值。 RM指二极管工作时所允许加的最大反向电压,超 过此值容易发生反向击穿。通常取U BR 的一半作为U RM 过此值容易发生反向击穿。通常取UBR 的一半作为U RM 越小,单向导电性能越好。I 二极管的单向导电性能变坏。二极管的单向导电性能变坏。 需要指出,由于器件参数分散性较大,手册中给 出的一般为典型值;必要时应通过实际测量得到准确 值。另外,应注意参数的测试条件,当运用条件不同 时,应考虑其影响。 对电子线路进行定量分析时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效,根据分析手段及要求 的不同,器件模型将有所不同。例如,借助计算机辅 助分析,则允许模型复杂,以保证分析结果尽可能精 确。而在工程分析中,则力求模型简单、实用,以突 出电路的功能及主要特性。下面我们将依据二极管的 实际工作条件,引出工程上便于分析的二极管模型。 二极管是一种非线性电阻(导)元件,在大信号工作时,其非线性主要表现为单向导电性,而导通后所呈 现的非线性往往是次要的。 利用二极管的单向导电特性,可实现整流、限幅及电平选择等功能。 把交流电变为直流电,称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1–17(a)所示。若二极管为理想 极管半波整流电路如图1–17(a)所示。若二极管为理想 二极管,当输入一正弦波时,由图可知:正半周时, 二极管导通(相当开关闭合),u ;负半周时,二极管截止(相当开关打开), =0。其输入、输出波形见图1–17(b)。整流电路可用于信号检测,也是直流电源的 一个组成部分。 图1–17二极管半波整流电路及波形(a)电路; (b)输入、输出波形关系 限幅电路也称为削波电路,它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路,常用于波形变换和整 形。限幅电路的传输特性如图1–18所示. IH图1–18 限幅电路的传输特性 一个简单的上限幅电路如图1–19(a)所示。利用图1–16(c)的二极管模型可知,当u 19(b)画出了输入一5V的正弦波时,该电路的输出波形。可见,上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平 可见,上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平 -5图1–19二极管上限幅电路及波形 (a)电路; (b)输入、输出波形关系 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路,称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路 如图1–20(a)所示。设两路输入信号u 均小于E。表面上看似乎V 可见,该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图1–20(b)画出了当u 为方波时,输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平, 并作为逻辑1,把低于0.7V的电平当作低电平,并作为 逻辑0,由图1–20(b)可知,输出与输入之间是逻辑与的 关系。因此,当输入为数字量时,该电路也称为与门 关系。因此,当输入为数字量时,该电路也称为与门 电路。 0.7图1–20二极管低电平选择电路及波形 (a)电路; (b)输入、输出波形关系 反接,将E改为负值,则变为高电平选择电路。如果输入也为数字量,则该 电路就变为或门电路(见习题1–8)。 稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管,其除了可以构成限幅电路之外,主要 用于稳压电路。 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图1–21 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图1–21 所示。由图可见,它的正、反向特性与普通二极管基 本相同。区别仅在于击穿后,特性曲线更加陡峭,即 电流在很大范围内变化时(I Zmin Zmax),其两端电压 几乎不变。 图1-21稳压二极管及其特性曲线 (a)电路符号 这表明,稳压二极管反向击穿后,能通过调整自身电流实现稳压。 稳压二极管击穿后,电流急剧增大,使管耗相应 增大。因此必须对击穿后的电流加以限制,以保证稳 压二极管的安全。 是指击穿后在电流为规定值时,管子两端的电压值。由于制作工艺的原因,即使同型号的稳压二极 与PN结所用的材料、结构及工艺有关,使用时不允许超过此值。 是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时,稳压效果差,大于此值时,稳压效果好。 稳定电流的最大值I Zmax 有一限制,即I Zmax 作电流不允许超过此值,否则会烧坏管子。另外,工作电流也有最小值I Zmax 的限制,小于此值时,稳压二 Zmax极管将失去稳压作用。 是稳压二极管在击穿状态下,两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上,是工作 点处切线斜率的倒数。 α是反映稳定电压值受温度影响的参数,用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常, <5V时具有负温度系数(因齐纳击穿具有负温系数);U >7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数);而U 在5V到7V之间时,温度系数可达最小。5V 7V 应始终满足Izmin imin,最大值为U imax Lmin。由图1–22 可知,当U maxmin min min min min min min 最大。这时应满足(1–13) max min min ZmanLman imanZman Lman 由式(1–13)、(1–14),可得限流电阻的取值范围是(1–14) (1–15) 若出现Rmin max的结果,则说明在给定条件下, 已超出了V 管的稳压工作范围。这时,需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管,以满足 如前所述,PN结加反向电压时,结上呈现势垒电容,该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制 作的二极管,称为变容二极管。它的电路符号如图1– 23所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系 由式(1–5)决定。它的主要参数有:变容指数、结电容 的压控范围及允许的最大反向电压等。 当金属与N型半导体接触时,在其交界面处会形成势垒区,利用该势垒制作的二极管,称为肖特基二极 管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对应的电路 符号如图1–24所示。 图1–24肖特基二极管结构与符号 (a)结构示意图; (b)电路符号 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件,其结构与普通二极管相似,只是管壳上留有一个 能入射光线的窗口。图1–25示出了光电二极管的电路 符号,其中,受光照区的电极为前级,不受光照区的 电极为后级。 电极为后级。 图1–25光电二极管符号 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,其电路符号如图1–26所示。 当发光二极管正偏时,注入到N区和P区的载流子被复 合时,会发出可见光和不可见光。 图1–26发光二极管符号 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极,所以又称为半导体三极管、晶体三极 管等,以后我们统称为晶体管。 晶体管的原理结构如图2–1(a)所示。由图可见,组 成晶体管的三层杂质半导体是N型—P型—N型结构, 所以称为NPN管。 集电极基极 发射极 集电结 发射结 发射区 集电区 绝缘层集电结 发射区 发射结 衬底N型外延 基区集电区 图2–1晶体管的结构与符号(a)NPN管的示意图;(b)电路符号;(c)平面管结构剖面图 当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下,管内载流子的运动情况可用图2--2说明。我们按 传输顺序分以下几个过程进行描述。 CBO15V CN图2–2晶体管内载流子的运动和各极电流 由于e结正偏,因而结两侧多子的扩散占优势,这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区,形成电 子注入电流I EN 。与此同时,基区空穴也向发射区注入, 形成空穴注入电流I EP 。因为发射区相对基区是重掺杂, 基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度,所以满足 EN,可忽略不计。因此,发射极电流I 注入基区的电子,成为基区中的非平衡少子,它在e结处浓度最大,而在c结处浓度最小(因c结反偏,电子浓 度近似为零)。因此,在基区中形成了非平衡电子的浓 度差。在该浓度差作用下,注入基区的电子将继续向c 结扩散。在扩散过程中,非平衡电子会与基区中的空 穴相遇,使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄 且空穴浓度又低,所以被复合的电子数极少,而绝大 部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空 穴由基极电源提供,形成基区复合电流I BN ,它是基极 电流I 由于集电结反偏,在结内形成了较强的电场,因而,使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集 电区,形成集电区的收集电流I CN 。该电流是构成集电 极电流I 的主要部分。另外,集电区和基区的少子在c结反向电压作用下,向对方漂移形成c结反向饱和电流 结反向电压作用下,向对方漂移形成c结反向饱和电流 CBO,并流过集电极和基极支路,构成I 的另一部分电流。 由以上分析可知,晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系: CBO CN CNBN EN (2–1a)(2–1b) CBO CN 体管三个电极上的电流不是孤立的,它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关 系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定,管子做好 后就基本确定了。反之,一旦知道了这个比例关系, 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系,从而为 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系,从而为 定量分析晶体管电路提供方便。 为了反映扩散到集电区的电流ICN 与基区复合电流 BN之间的比例关系,定义共发射极直流电流放大系数 BNCN 个电子扩散到集电区去。值一般在20~200 之间。 确定了值之后,由式(2–1)、(2–2)可得 (2–3a)(2–3b) (2–3c) CBOCEO 称为穿透电流。因ICBO 很小,在忽略其影响时,则有 (2–5a)(2–5b) 式(2–5)是今后电路分析中常用的关系式。 为了反映扩散到集电区的电流ICN 与射极注入电流 EN的比例关系,定义共基极直流电流放大系数 ENCN 显然,<1,一般约为0.97~0.99。 由式(2–6)、(2–1),不难求得由式(2–6)、(2–1),不难求得 (2–7a)(2–7c) (2–7b) 都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系,只是选取的参考量不同,所以两者之间必 有内在联系。由 BNCN CN CNEN CN BNBN BN CN EN CN EN CN BB上叠加一幅度为100mV的正弦电压Δu ,则正向发射结电压会引起相应的变化。由于e结正向电流与所加 电压呈指数关系,所以发射极会产生一个较大的注入 电流Δi 晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线,它对于了解晶体管的导电特性非 常有用。晶体管有三个电极,通常用其中两个分别作 输入、输出端,第三个作公共端,这样可以构成输入 输入、输出端,第三个作公共端,这样可以构成输入 和输出两个回路。实际中,有图2–3所示的三种基本接 法(组态),分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。 其中,共发射极接法更具代表性,所以我们主要讨论 共发射极伏安特性曲线。 输出回路 输入 回路输入 回路 图2–3晶体管的三种基本接法(a)共发射极;(b)共集电极;(c)共基极 因为有两个回路,所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性 图示仪的屏幕上直接显示出来,也可以用图2–4电路逐 点测出。 测量电路如图2–4所示。共射输出特性曲线是以 CE间的关系曲 CE图2–4共发射极特性曲线测量电路 典型的共射输出特性曲线如图2–5所示。由图可见,输出特性可以划分为三个区域,对应于三种工作状态。 现分别讨论如下。 e结为正偏,c结为反偏的工作区域为放大区。由图2–5可以看出,在放大区有以下两个特点: 图2–5可以看出,在放大区有以下两个特点: 1015 截止区10μ 为此,用共发射极交流电流放大系数β来表示这种控制能力。β定义为 常数 CE变化对I 一定而uCE 增大时,曲线略有上翘(i 略有增大)。这是因为u CE 增大,c结反向电压增大,使c结展宽,所以有 效基区宽度变窄,这样基区中电子与空穴复合的机会 减少,即i 将略有增大。这种现象称为基区宽度调制效应,或简称基调效 应。从另一方面看,由于基调效应很微弱, CE在很大 范围内变化时I 一定时,集电极电流具有恒流 特性。 (即c结零偏)的情况称为临界饱和,对应点的轨迹为临界饱和线。 测量电路见图2–4。共射输入特性曲线是以uCE 间的关系曲线,即典型的共发射极输入特性曲线如图2–6所示。 常数 6090 0.50.7 0.9 30 CE1V的条件下,当u 为晶体管的导通电压或死区电压,硅管约为0.5~0.6V,锗管约为0.1V。当u CE=0时,晶体管相当于两个并联的二极管, 所以b,e间加正向电压时,i CE在0~1V之间时,随着u CE 的增加,曲线右 移。特别在0< CE(sat)的范围内,即工作在饱和区 时,移动量会更大些。 为反向电流。若反向电压超过某一值时,e结也会发生反向击穿。 CBO和β有不容忽视的影响。 其中, CBO随温度变化的规律与PN结相同,即 温度每升高1 CBO增大一倍。温度对β的影响表现为,β随温度的升高 而增大,变化规律是:温度每升高1 β值增大0.5%~1%(即Δβ/βT(0.5~1)%/ 和β分别由式(2–2)、(2–10)定义,其数值可以从输出特性曲线上求出。 由式(2–6)定义,而α定义为,uCB 为常数时,集 电极电流变化量ΔI 由于ICBO CEO都很小,在数值上β 。所以在以后的计算中,不再加以区分。应当指出,β值与测量条件有关。一般来说,在i 不大、不小的中间值范围内,β值才比较大,且基本不随i 而变化。因此,在查手册时应注意β值的测试条件。尤其是大功率管更 在查手册时应注意β值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。 CBO指发射极开路时,集电极—基极间的反向电 流,称为集电极反向饱和电流。 CEO指基极开路时,集电极—发射极间的反向电 流,称为集电极穿透电流。 EBO指集电极开路时,发射极—基极间的反向 电流。 )。结电容影响晶体管的频率特性。关于晶体管的频率特性参数,详见第五章。 (BR)CBO指发射极开路时,集电极—基极间的反向 击穿电压。 (BR)CEO指基极开路时,集电极—发射极间的反向 击穿电压。U (BR)CEO 击穿电压。U(BR)CEO (BR)EBO指集电极开路时,发射极—基极间的反向 击穿电压。普通晶体管该电压值比较小,只有几伏。 CM一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。 CM时,虽然管子不致于损坏,但β值已经明显减 小。因此,晶体管线性运用时,i

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高等教育 --  专业基础教材
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