晶体管原理1
第二章 PN结
填空题
1、若某硅突变PN结的P型区的掺杂浓度为N A=1.5×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度p p0与平衡少子浓度n p0分别为（）和（）。
2、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（）电荷，N区一侧带（）电荷。内建电场的方向是从（）区指向（）区。
3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（）。由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。
4、硅突变结内建电势V bi可表为（），在室温下的典型值为（）伏特。
5、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。
6、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。
7、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度n p与外加电压V之间的关系可表示为（）。若硅P 型区的掺杂浓度N A=1.5×1017cm-3，外加电压V= 0.52V，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度n p为（）。
8、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）。
9、PN结的正向电流由（）电流、（）电流和（）电流三部分所组成。
10、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（）。
11、PN结扩散电流的表达式为（）。这个表达式在正向电压下可简化为（），在反向电压下可简化为（）。
12、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（）电流为主；当电压较高时，以（）电流为主。
13、薄基区二极管是指PN结的某一个或两个中性区的长度小于（）。在薄基区二极管中，少子浓度的分布近似为（）。
14、势垒电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。PN结的掺杂浓度越高，则势垒电容就越（）；外加反向电压越高，则势垒电容就越（）。
15、扩散电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。正向电流越大，则扩散电容就越（）；少子寿命越长，则扩散电容就越（）。
16、PN结的击穿有三种机理，它们分别是（）、（）和（）。
17、PN结的掺杂浓度越高，雪崩击穿电压就越（）；结深越浅，雪崩击穿电压就越（）。
18、雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别是（）和（）。
19、PN结的低掺杂一侧浓度越高，则势垒区的长度就越（），内建电场的最大值就越（），内建电势V bi 就越（），反向饱和电流I0就越（），势垒电容C T就越（），雪崩击穿电压就越（）。
问答题
1、简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。
2、什么叫耗尽近似？什么叫中性近似？
3、PN结势垒区的宽度与哪些因素有关？
4、写出PN结反向饱和电流I0的表达式，并对影响I0的各种因素进行讨论。
5、PN结的正向电流由正向扩散电流和势垒区复合电流组成。试分别说明这两种电流随外加正向电压的增加而变化的规律。当正向电压较小时以什么电流为主？当正向电压较大时以什么电流为主？
第三章双极结型晶体管
填空题
1、晶体管的基区输运系数是指（）电流与（）电流之比。为了提高基区输运系数，应当使基区宽度（）基区少子扩散长度。
2、晶体管中的少子在渡越（）的过程中会发生（），从而使到达集电结的少子比从发射结注入基区的少子（）。
3、晶体管的注入效率是指（）电流与（）电流之比。为了提高注入效率，应当使（）区掺杂浓度远大于（）区掺杂浓度。
4、晶体管的共基极直流短路电流放大系数 是指发射结（）偏、集电结（）偏时的（）电流与（）电流之比。
5、晶体管的共发射极直流短路电流放大系数β是指（）结正偏、（）结零偏时的（）电流与（）电流之比。
6、在设计与制造晶体管时，为提高晶体管的电流放大系数，应当（）基区宽度，（）基区掺杂浓度。
7、在缓变基区晶体管的基区中会产生一个（），它对少子在基区中的运动起到（）的作用，使少子的基区渡越时间（）。
8、小电流时α会（）。这是由于小电流时，发射极电流中（）的比例增大，使注入效率下降。
9、当晶体管处于放大区时，理想情况下集电极电流随集电结反偏的增加而（）。但实际情况下集电极电流随集电结反偏增加而（），这称为（）效应。
10、I ES是指（）结短路、（）结反偏时的（）极电流。
11、I CS是指（）结短路、（）结反偏时的（）极电流。
12、I CBO是指（）极开路、（）结反偏时的（）极电流。
13、I CEO是指（）极开路、（）结反偏时的（）极电流。
14、I EBO是指（）极开路、（）结反偏时的（）极电流。
15、BV CBO是指（）极开路、（）结反偏，当（）→∞时的V CB。
16、BV CEO是指（）极开路、（）结反偏，当（）→∞时的V CE。
17、BV EBO是指（）极开路、（）结反偏，当（）→∞时的V EB。
18、基区穿通是指当集电结反向电压增加到使耗尽区将（）全部占据时，集电极电流急剧增大的现象。防止基区穿通的措施是（）基区宽度、（）基区掺杂浓度。
19、比较各击穿电压的大小时可知，BV CBO（）BV CEO，BV CBO（）BV EBO。
20、要降低基极电阻r bb'，应当（）基区掺杂浓度，（）基区宽度。
21、发射极增量电阻r e的表达式是（）。室温下当发射极电流为1mA时，r e =（）。
22、随着信号频率的提高，晶体管的α
ω, βω的幅度会（），相角会（）。
是指（）。当基区宽度加倍时，基区渡越时间增大到原23、基区渡越时间τ
b
来的（）倍。
24、晶体管的共基极电流放大系数|α
ω|随频率的（）而下降。当晶体管的|αω|下降到（）时的频率，称为α的截止频率，记为（）。
25、晶体管的共发射极电流放大系数|β
ω|随频率的（）而下降。当晶体管的|βω|下降到β0时的频率，称为β的（），记为（）。
26、当f>>fβ时，频率每加倍，晶体管的|βω|降到原来的（）；最大功率增益K pmax降到原来的（）。
27、当（）降到1时的频率称为特征频率f T。当（）降到1时的频率称为最高振荡频率f M。
28、晶体管的高频优值M是（）与（）的乘积。
29、晶体管在高频小信号应用时与直流应用时相比，要多考虑三个电容的作用，它们是（）电容、（）电容和（）电容。
中以（）为主，这时提高特征频率f T的主要措施是（）。
30、对于频率不是特别高的一般高频管，τ
ec
31、为了提高晶体管的最高振荡频率f M ，应当使特征频率f T（），基极电阻r bb'（），集电结势垒电容C TC（）。
问答题
1、画出共基极放大区晶体管中各种电流的分布图，并说明当输入电流I e经过晶体管变成输出电流I C时，发生了哪两种亏损？
2、倒向晶体管的电流放大系数为什么小于正向晶体管的电流放大系数？
3、说明特征频率f T的测量方法。
12、在材料种类相同，掺杂浓度分布相同，基区宽度相同的条件下，PNP晶体管和NPN晶体管相比，哪种晶体管的发射结注入效率γ较大？哪种晶体管的基区输运系数β* 较大？
13、有人在测晶体管的I CEO的同时，错误地用一个电流表去测基极与发射极之间的浮空电势，这时他声称测到的I CEO实质上是什么？
15、在某偏置在放大区的NPN晶体管的混合π参数中，假设Cπ完全是中性基区载流子贮存的结果，Cμ完全是集电结空间电荷区中电荷变化的结果。试问：
(1) 当电压V CE维持常数，而集电极电流I C加倍时，基区中靠近发射结一侧的少子浓度n B(0)将加倍、减半、还是几乎维持不变？基区宽度W B将加倍、减半、还是几乎维持不变？
(2) 由于上述参数的变化，参数R bb'、Rπ、g m、Cπ、Cμ将加倍、减半、还是几乎维持不变？
(3) 当电流I C维持常数，而集电结反向电压的值增加，使基区宽度W B减小一半时，n B(0)将加倍、减半还是几乎维持不变？
第五章绝缘栅场效应晶体管
填空题
1、N沟道MOSFET的衬底是（）型半导体，源区和漏区是（）型半导体，沟道中的载流子是（）。
2、P沟道MOSFET的衬底是（）型半导体，源区和漏区是（）型半导体，沟道中的载流子是（）。
3、当V GS=V T时，栅下的硅表面发生（），形成连通（）区和（）区的导电沟道，在V DS的作用下产生漏极电流。
4、N沟道MOSFET中，V GS越大，则沟道中的电子就越（），沟道电阻就越（），漏极电流就越（）。
5、在N沟道MOSFET中，V T>0的称为增强型，当V GS=0时MOSFET处于（）状态；V T<0的称为耗尽型，当V
GS
=0时MOSFET处于（）状态。
6、由于栅氧化层中通常带（）电荷，所以（）型区比（）型区更容易发生反型。
7、要提高N沟道MOSFET的阈电压V T ，应使衬底掺杂浓度n A（），使栅氧化层厚度T ox（）。
8、N沟道MOSFET饱和漏源电压V Dsat的表达式是（）。当V DS>=V Dsat时，MOSFET进入（）区，漏极电流随V DS的增加而（）。
9、由于电子的迁移率μ
n 比空穴的迁移率μ
p
（），所以在其它条件相同时，（）沟道MOSFET的I Dsat比（）
沟道MOSFET的大。为了使两种MOSFET的I Dsat相同，应当使N沟道MOSFET的沟道宽度（）P沟道MOSFET 的。
10、当N沟道MOSFET的V GS 11、对于一般的MOSFET，当沟道长度加倍，而其它尺寸、掺杂浓度、偏置条件等都不变时，其下列参数发生什么变化：V T（）、I Dsat（）、R on（）、g m（）。 12、由于源、漏区的掺杂浓度（）于沟道区的掺杂浓度，所以MOSFET源、漏PN结的耗尽区主要向（）区扩展，使MOSFET的源、漏穿通问题比双极型晶体管的基区穿通问题（）。 13、MOSFET的跨导g m的定义是（），它反映了（）对（）的控制能力。 14、为提高跨导g m的截止角频率ωgm，应当（）μ，（）L，（）V GS。 15、阈电压V T的短沟道效应是指，当沟道长度缩短时，V T变（）。 16、在长沟道MOSFET中，漏极电流的饱和是由于（），而在短沟道MOSFET中，漏极电流的饱和则是由于（）。 17、为了避免短沟道效应，可采用按比例缩小法则，当MOSFET的沟道长度缩短一半时，其沟道宽度应（），栅氧化层厚度应（），源、漏区结深应（），衬底掺杂浓度应（）。 问答与计算题 1、画出MOSFET的结构图和输出特性曲线图，并简要叙述MOSFET的工作原理。 2、什么是MOSFET的阈电压V T？写出V T的表达式，并讨论影响V T的各种因素。 3、什么是MOSFET的衬底偏置效应？ 4、什么是有效沟道长度调制效应？如何抑制有效沟道长度调制效应？ 5、什么是MOSFET的跨导g m？写出g m的表达式，并讨论提高g m的措施。 6、提高MOSFET的最高工作频率f T的措施是什么？ 7、什么是MOSFET的短沟道效应？ 集成电路分析与设计 课程实验1（2010-03-18） 熟悉Cadence设计软件中的Schematic Editing进行原理图编辑，并使用Spectre工具进行仿真验证。 要求及说明： 1. NMOS和PMOS晶体管的1级模型参数参考教材(拉扎维，P32)中表 2.1，相应的Spectre 模型为hquicmodel_v1.0.scs。 2. 假设VDD=3V，NMOS和PMOS器件的衬底端子（B，除非另有说明）分别接地和VDD （或最正的电压节点），（W/L）=50/2（即W=50u，L=2u）。 3. 采用直流扫描（DC Sweep，改变VX），画出IX和晶体管的跨导关于VX的函数曲线图。 4. 解释分析结果，比较仿真分析结果与你的手工计算结果。 5. 报告截止提交日期为2008年3月25日。 题目： （参考拉扎维的模拟CMOS集成电路设计P34-35） 2.5 对图2.42的每个电路，画出I X 和晶体管跨导(g m )关于V X 的函数曲线。V X 从0变化到V DD 。 +1.9V x V (b) 1V x V 2.42 图 2.6 对图2.43的每个电路，画出I X 和晶体管跨导(g m )关于V X 的函数曲线。V X 从0变化到V DD 。 I 原理图绘制篇 1.右键open Terminal 2.输入icfb& 3.回车启动Cadence 4.Tools – Library Manager… 5.File-Library新建项目 6.输入建立的项目的名称-OK 7.选择Don’t need a Techfile-OK 8. File-Cell View新建项目 单结晶体管原理 摘要：单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电呼如图1所示。图1、单结晶体管一、单结晶体管的特性从图1可以看出，两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻：rbb=rb1+rb2式中：rb1----第一基极与发射结之间的电阻，其数值 目录 单结晶体管原理 单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电呼如图1所示。 图1、单结晶体管 一、单结晶体管的特性 从图1可以看出，两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻： rbb=rb1+rb2 式中：rb1----第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。 若在两面三刀基极b2、b1间加上正电压Vbb，则A点电压为： VA=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb 式中：η----称为分压比，其值一般在0.3---0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图2 图2、单结晶体管的伏安特性 （1）当Ve＜η Vbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。（2）当Ve≥η Vbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7伏），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηVbb （3）随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。 （4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。 二、单结晶体管的主要参数 （1）基极间电阻Rbb 发射极开路时，基极b1、b2之间的电阻，一般为2--10千欧，其数值随温度上升而增大。 （2）分压比η 由管子内部结构决定的常数，一般为0.3--0.85。 （3）eb1间反向电压Vcb1 b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。 （4）反向电流Ieo b1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。 绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的 输入电阻可高达1015W而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS t,按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽 型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区, 并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖 一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G 另外在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS f。它的栅极与其他电 极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 源极s tiffiG m 引纯 ? N旳道增强型场效应管紡拘示胃图低州沟道壇强型场效应管符号 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a) 可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0寸，即使加上漏-源电压UDS而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于 反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID - 0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS> 0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同 时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子 就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层， 且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称 为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底 VDMOS功率晶体管的版图设计 系 专业姓名 班级学号 指导教师职称 指导教师职称 设计时间2012.9.15－2013.1.4 摘要 VDMOS 是微电子技术和电力电子技术融和起来的新一代功率半导体器件。因具有开关速度快、输入阻抗高、负温度系数、低驱动功率、制造工艺简单等一系列优点，在电力电子领域得到了广泛的应用。目前，国际上已形成规模化生产，而我国在VDMOS 设计领域则处于起步阶段。 本文首先阐述了VDMOS 器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电性能参数和结构参数之间的关系。通过理论上的经典公式来确定VDMOS 的外延参数、单胞尺寸和单胞数量、终端等纵向和横向结构参数的理想值。根据结构参数，利用L-edit版图绘制软件分别完成了能够用于实际生产的60V、100V、500V VDMOS 器件的版图设计。在此基础之上确定了器件的制作工艺流程，并对工艺流水中出现的问题进行了分析。最后，总结全文，提出下一步研究工作的方向。 关键词：，功率半导体器件，版图设计，原胞，击穿电压 目录 第1章绪论 电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电力电子系统的基础。VDMOSFET 是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源以及为电机设备提供驱动。几乎大部分电子设备和电机设备都需用到功率VDMOS 器件。VDMOS 器件具有不能被横向导电器件所替代的优良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率和可靠性等。 半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，也称为电力电子开关器件。它是用来进行高效电能形态变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的可控制特性决定了电力电子系统的效率、体积和重量。实践证明，半导体功率器件的发展是电力电子系统技术更新的关键。通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控制信号，控制另两个端子处于电压阻断（器件截至）或电流导通（器件导通）状态。20 世纪50 年代初，世界上第一只可控性半导体器件双极结型晶体管（BJT）诞生，从那时起，BJT 开始广泛应用于各类电子系统中，并促使人类真正进入大功率电能转换的时代。 实际上大容量电功率概念与半导体器件技术相结合的研究开发从50 年代就已经开始。1958 年世界上第一只晶闸管（早期称为可控硅整流管，300V/25A）研制成功，使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率（高电压、大电流）电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极型大功率晶体管，开关速度更高的单极MOS 场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入90 年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正不断改进和完善。电力电子技术的不断发展及广泛应用将反过来又促进现代功率半导体器件制造技术的成熟与发展。 20 世纪70 年代末，随着MOS 集成电路的发展，诞生了MOS 型半导体功率功率VDMOS 器件结构与优化设计研究器件。MOSFET 不仅是微电子学的重要器件，有 第二章 PN结 填空题 1、若某硅突变PN结的P型区的掺杂浓度为N A=1.5×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度p p0与平衡少子浓度n p0分别为（）和（）。 2、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（）电荷，N区一侧带（）电荷。内建电场的方向是从（）区指向（）区。 3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（）。由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。 4、硅突变结内建电势V bi可表为（），在室温下的典型值为（）伏特。 5、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。 6、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。 7、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度n p与外加电压V之间的关系可表示为（）。若硅P 型区的掺杂浓度N A=1.5×1017cm-3，外加电压V= 0.52V，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度n p为（）。 8、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）。 9、PN结的正向电流由（）电流、（）电流和（）电流三部分所组成。 10、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（）。 11、PN结扩散电流的表达式为（）。这个表达式在正向电压下可简化为（），在反向电压下可简化为（）。 12、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（）电流为主；当电压较高时，以（）电流为主。 13、薄基区二极管是指PN结的某一个或两个中性区的长度小于（）。在薄基区二极管中，少子浓度的分布近似为（）。 14、势垒电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。PN结的掺杂浓度越高，则势垒电容就越（）；外加反向电压越高，则势垒电容就越（）。 15、扩散电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。正向电流越大，则扩散电容就越（）；少子寿命越长，则扩散电容就越（）。 16、PN结的击穿有三种机理，它们分别是（）、（）和（）。 17、PN结的掺杂浓度越高，雪崩击穿电压就越（）；结深越浅，雪崩击穿电压就越（）。 18、雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别是（）和（）。 19、PN结的低掺杂一侧浓度越高，则势垒区的长度就越（），内建电场的最大值就越（），内建电势V bi 就越（），反向饱和电流I0就越（），势垒电容C T就越（），雪崩击穿电压就越（）。 问答题 1、简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。 2、什么叫耗尽近似？什么叫中性近似？ 3、PN结势垒区的宽度与哪些因素有关？ 4、写出PN结反向饱和电流I0的表达式，并对影响I0的各种因素进行讨论。 5、PN结的正向电流由正向扩散电流和势垒区复合电流组成。试分别说明这两种电流随外加正向电压的增加而变化的规律。当正向电压较小时以什么电流为主？当正向电压较大时以什么电流为主？ 第三章双极结型晶体管 填空题 1、晶体管的基区输运系数是指（）电流与（）电流之比。为了提高基区输运系数，应当使基区宽度（）基区少子扩散长度。 2、晶体管中的少子在渡越（）的过程中会发生（），从而使到达集电结的少子比从发射结注入基区的少子（）。 3、晶体管的注入效率是指（）电流与（）电流之比。为了提高注入效率，应当使（）区掺杂浓度远大于（）区掺杂浓度。 MOS電晶體基本原理 2.1 MOS電晶體概述 MOS場效應電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）是各種MOS 數位積體電路的基本組成單元。與雙極型電晶體（BJT，Bipolar Junction Transistor）相比，MOS電晶體的面積比較小，且製造工序也少，因此，MOS已成為VLSI電路中使用最廣泛的器件，主要用於構造數位電路的開關器件。 2.1.1金屬氧化半導體（MOS）的結構 圖2.1所示的是具有兩個電極的簡單MOS結構。它由三層構成：金屬柵極，二氧化矽絕緣層，p型襯底（在Si中摻入了3價元素，如硼）。MOS結構形成了一個電容，其中柵極和襯底分別是電容的兩極，二氧化矽絕緣層作為兩極之間的電介質，其厚度一般在10 nm到50 nm之間。在襯底的載流子濃度及分佈可以受加到柵極和襯底的外部電壓影響。 ) 栅极 衬底 圖2.1 MOS結構 MOS電晶體（MOSFET）的結構和工作原理一個n型MOS器件的基本結構如圖2.8所示。這種器件的襯底為p型，其中兩個區域採用n+摻雜，可以形成漏極和源極。襯底表面源極和柵極之間的區域用一層薄氧化物覆蓋，金屬（或者多晶矽）沉積其上作為柵極。兩個n+區域是這個器件電流傳輸 的兩極。這種器件中源極和漏極結構上是完全對稱的；所載入的結電壓和電流流動的方向決定了這兩個區域的不同功能。 導電溝道的形成是取決於源極和漏極之間所載入的電壓及柵極上施加的偏置電壓。漏極和源極之間擴散層的距離叫做溝道長度L。溝道的橫向擴展稱之為溝道寬度 W 。溝道長度和溝道寬度都是重要的參數，它們可以控制MOS 電晶體的一些電器特性。另外，覆蓋在溝道上的氧化層的厚度ox t 也是一個重要的參數。 圖2.8 n 溝道增強型MOS 電晶體的物理結構 MOS 電晶體在零偏置電壓的情況下沒有導電溝道，它稱為增強型（Enhancement －Type / Enhancement －Mode ）MOS 電晶體。否則，它稱為耗盡型（Depletion －Type / Depletion －Mode ）MOS 電晶體。具有p 型襯底和n + 型的源極、漏極的MOS 電晶體中，表面形成的是n 型。因此，這種器件被稱之為n 溝道MOS 電晶體。具有n 型襯底和p +型的源極、漏極的MOS 電晶體中，表面形成的是p 型。因此，這種器件被稱之為p 溝道MOS 電晶體。 B S G D S G D S G D B G G G n 沟道MOSFET p 沟道MOSFET S S S D D D 圖2.9 n 溝道和p 溝道增強型MOS 電晶體的電路符號 器件端的縮寫是：柵極用G 表示，漏極用D 表示，源極用S 表示，襯底用B 表 晶体三极管知识 晶体三极管作为重要的半导体器件，其基本结构和工作原理需要掌握。下面具体介绍。 三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为射极( emitter, E )、基极(base, B)和集极(collector, C)，名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体, 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中 性的p型区和n型区隔开。 (a) (b) 图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。 三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓 "正向活性区” (forwad active)，在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。EB接面的空乏 区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形 下，电洞和电子的电位能的分布图。 三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在 于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例， 射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极 方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时， 会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec,与由基极注入 射极的电子流InB? E (这部分是三极管作用不需要的部分) 。InB? E在射极与与电 洞复合，即InB? E=I Erec o pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。 晶体管设计 大功率晶体管是功率驱动电路的核心元件。大功率晶体管通常工作在极限参数状态下，其主要参数是击穿电压和电流容量。分析了大功率晶体管的工作原理和设计原则，并针对一个具体的大功率晶体管的参数要求，设计了晶体管的纵向和横向结构尺寸，并确定了材料参数和工艺参数。 大功率品体管以其电压高，电流大，功率大的独特优势随着社会的进步得到了不断的拓展。在五十年代，锗合金工艺相对硅成熟，因此锗管成为大功率品体管的先声，在大功率晶体管中占据着主流地位。硅大功率晶体管在1956年问世。从此品种繁多的各种硅功率管大量应用到通讯和雷达设备、发射电路中的功率放大器、倍频器和振荡器等。由于硅材料容易获得且能工作在较高温度具有小的反向电流和高的耐压特性等优点，因而在后期硅的发展速度远远超过锗管。 功率开关管作为各种类型开关电源的主功率开关器件，随着开关电源的日益发展，其应用范围更加广泛。目前，硅大功率晶体管已广泛地应用于: (1)电源开关、反相器、电机速度控制: (2)汽车的点火电路，制动电路; (3)用于广播、电视的高频放大和电子计算机，通信设备的电源装置和各类开关电源等方面。 (4)军事工业和航空航天工业大功率设备。 大功率晶体管以其电压高、电流大、功率大的独特优势在自动化控制系统、 计算机电源系统、交通电气设备、不停电电源装置及各类开关电源、各种变流系统、军事工业及航空航夭工业部门的大功率设备中占有非常重要的地位。即使在集成电路技术和新型电力电子器件迅速发展的今天，普通型大功率晶体管在半导体产业这个大家族中仍占有一席之地，特别是在集成电路所不能胜任的领域(诸如低噪声，高耐压，大电流，大功率和微波性能等方面)发挥愈来愈大的作用。因此，进一步研究、设计、制造大功率晶体管具有重要意义。 大功率晶体管区别于小功率晶体管的最大工作特点就是在大的耗散功率或输出功率条件下工作(即在大电流或高电压)。因此，大功率品体管除了在大电流一下保证足够的放大能力和承受较高的集电极电压外，还必须有良好的散热能力。 2. 1大功率晶体管的大电流效应 从晶体管原理可知，当晶体管在大电流或则高压下工作时，会发生一些不同于小电流工作的效应和现象:基区电导调制效应，基区增宽效应，基极电阻自偏压效应和发射极电流集中现象等。 基区电导调制效应:从晶体管的工作机理可知，晶体管的工作电流越大，则注入到基区的少数载流子就越多。为了保持基区电中性的要求，在基区内需要引入同等数量的多数载流子。这样一来，就会使基区内导电的载流子浓度增加，增大了基区的电导率，也就是说，基区的电导率受到了工作电流的调制。山于基区电导率的增加，将使少子在基区内被复合的几率增加，导致电流放大系数下降。 基区增宽效应:在大的电流密度时，晶体管集电结空间电荷区域内的运动载流一子浓度将大大增加。当集电极电流密度达到或超过某一定值时，由于运动载流子浓度的急剧增加，致使集电结附近的空间电荷出现重新分布的现象一基区一边集电结的电荷密度将大大增加，而集电区一边的集电结空间电荷密度将下降。由 单结晶体管工作原理 双基极二极管又称为单结晶体管，它的结构如图1所示。在一片高电阻率的N型硅片一侧的两端各引出一个电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2。而在硅片是另一侧较靠近B2处制作一个PN结，在P型硅上引出一个电极，称为发射极E。两个基极之间的电阻为RBB，一般在2~15kW之间，RBB一般可分为两段，RBB = RB1+ RB2，RB1是第一基极B1至PN结的电阻；RB2是第一基极B2至PN结的电阻。双基极二极管的符号见图1的右侧。 图 1 双基极二极管的结构与符号等效电路 将双基极二极管按图2(a)接于电路之中，观察其特性。首先在两个基极之间加电压UBB，再在发射极E和第一基极B1之间加上电压UE，UE可以用电位器RP进行调节。这样该电路可以改画成图2(b)的形式，双基极二极管可以用一个PN结和二个电阻RB1、RB2组成的等效电路替代。 当基极间加电压UBB时，RB1上分得的电压为 式中称为分压比，与管子结构有关，约在0.5～0.9之间。 2.当UE＝UBB＋UD时，单结晶体管内在PN结导通，发射极电流IE突然增大。把这个突变点称为峰点P。对应的电压UE和电流IE分别称为峰点电压UP和峰点电流IP。显然，峰点电压 Up＝UBB＋UD T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 式中UD为单结晶体管中PN结的正向压降，一般取UD＝0.7V。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 在单结晶体管中PN结导通之后，从发射区（P区）向基压（N区）发射了大量的空穴型载流子，IE增长很快，E和B1之间变成低阻导通状态，RB1迅速减小，而E和B1之间的电压UE也随着下降。这一段特性曲线的动态电阻为负值，因此称为负阻区。而B2的电位高于E的电位，空穴型载流子不会向B2运动，电阻RB2基本上不变。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 当发射极电流IE增大到某一数值时，电压UE下降到最低点。特性由线上的这一点称为谷点V。与此点相对应的是谷点电压UV和谷点电流IV。此后，当调节RP使发射极电流继续增大时，发射极电压略有上升，但变化不大。谷点右边的这部分特性称为饱和区。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 综上所述，单结晶体管具有以下特点：T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 （1）当发射极电压等于峰点电压UP时，单结晶体管导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压UV时，单结晶体管就恢复截止。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 （2）单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及其分压比有关。而分压比是由管子结构决定的，可以看做常数。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 对于分压比不同的管子，或者外加电压UBB的数值不同时，峰值电压UP也就不同。（3）不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。 单结晶体管原理 单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电呼 如图1所示。一、单结晶体管的特性 从图1可以看出，两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻： rbb=rb1+rb2 式中：rb1----第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。 若在两面三刀基极b2、b1间加上正电压Vbb，则A点电压为： VA=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb 式中：η----称为分压比，其值一般在0.3---0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图2 图2、单结晶体管的伏安特性 （1）当Ve＜ηVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。 （2）当Ve≥η Vbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7伏），PN 结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηVbb （3）随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve 不在降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。 （4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。 二、单结晶体管的主要参数 （1）基极间电阻Rbb 发射极开路时，基极b1、b2之间的电阻，一般为2--10千欧，其数值随温度上升而增大。 （2）分压比η由管子内部结构决定的常数，一般为0.3--0.85。（3）eb1间反向电压Vcb1 b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。 PN结的定义： 在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。 ＰＮ结的形成 （1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结，如图1所示。 （2）在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗 尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。 （3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内 电场，如图2所示。 （4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到 对方，使空间电荷区变窄。 （5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于 动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。 ＰＮ结的单向导电性 PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。 （1）外加正向电压（正偏） 当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所示。由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而 且IF随着正向电压的增大而增大。 3.6 JT－1型晶体管特性图示仪 JT－1型晶体管特性图示仪是一种可直接在示波管荧光屏上观察各种晶体管的特性曲线的专用仪器。通过仪器的标尺刻度可直接读被测晶体管的各项参数；它可用来测定晶体管的共集电极、共基极、共发射极的输入特性、输出特性、转换特性、α、β参数特性；可测定各种反向饱和电流I CBO、I CEO、I EB0和各种击穿电压BU CBO、BU CEO、BU EBO等；还可以测定二极管、稳压管、可控硅、隧道二极管、场效应管及数字集成电路的特性，用途广泛。 一、主要技术指标 （l）Y轴编转因数： 集电极电流范围：0.01～1000毫安／度，分十六档，误差≤±3％； 集电极电流倍率：分×2、×1、×0.l三档，误差≤±3％； 基极电压范围：0.01～0.5V／度，分六档，误差≤±3％； 基极电流或基极源电压：0.05V／度，误差≤±3％； 外接输入：0.1V／度，误差≤±3％； （2）X轴偏转因数： 集电极电压范围：0.01～20V／度，分十一档，误差≤±3％； 基极电压范围：0.01～0.5V／度，分六档，误差≤±3％； 基极电流或基极源电压：0.5V／度，误差≤±3％； 外接输入：0.1V／度，误差≤±3％。 （3）基极阶梯信号： 阶梯电流范围：0.001～200mA／度，分十七档； 阶梯电压范围：0.01～0.2V／级，分五档； 串联电阻：10Ω～22KΩ，分24档； 每族级数：4～12连续可变； 每秒级数：100或200，共3档； 阶梯作用：重复、关、单族，共三档； 极性：正、负两档； 误差≤±5％． （4）集电极扫描信号： 峰值电压：0～20V、0～200V两档，正、负连续可调； 电流容量：0～20V时为10A（平均值），0～200V时为1A（平均值）； 功耗限制电阻：0～100KΩ，分17档，误差≤±5％； （5）电源：交流220V ±10％，50Hz±20Hz。 功耗：260V A． 环境温度：－10 ℃～＋40℃ 相对湿度：≤80％ X X学院 课程设计报告书 系别：机电学院 专业：13电气 学生姓名：学号： 课程设计题目：晶体管水位控制电路设计起迄日期: 2016.5.16 - 2016.5.28 课程设计地点:PLC/电气控制实验室 指导教师: 下达任务书日期: 2016年 5月15日 [摘要] 在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本文设计了一种晶体管水位自动控制电路。当水位达到一定高度时，系统能够自动调整水位，使其落在规定的范围内；当水位低于规定范围时，就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位上升，到达规定高度。从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围内的目的。 [关键词] 水塔自动控制晶体管 目录 1 引言 (1) 2设计要求 (1) 3总体设计方案 (1) 3.1设计思路 (1) 3.2结构图 (2) 3.3原理图 (2) 4设计组成及原理分析 (6) 4.1设计组成介绍 (6) 4.2工作原理分析 (6) 4.3工作过程 (7) 4.4元器件及其参数 (7) 5总结与体会 (7) 参考文献 (9) 致谢 (10) 1 引言 在日常生活和工业生产中，水位控制系统有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱、锅炉等。水位控制系统的形式有很多种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微机式等。这些系统或多或少的存在着一些缺点：浮子开关式采用机械结构，维护起来不方便；微机式控制系统，虽然操作方便，但造价较贵……本位从实用型和经济型出发，设计了一种水位控制系统，该系统结构简单维护方便，可靠性高且价格优廉，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺点，很适合普通家用和农业工厂的应用。 2 设计要求 水塔水位的控制电路，具体要求如下： 图示为水位高低检测示意图，水位的高低检测有三个电极完成，水位的自动控制由晶体管实现，当水位低于h1时，有晶体管控制水位继电器，进而控制接触器使5.5kw的水泵电机（M）工作，同时运行指示灯亮；当水位高于h1，水泵继续向水塔供水，当水塔水位上升到最高水位h2时，水位控制继电器释放，水泵体制抽水；当水塔水位离开最高点时，水泵仍然处于停机状态，当水位降低到低水位以下时，水泵又重新开始工作，如此反复使水塔水位保持在最高水位与最低水位之间。 设计相应的控制电路完成上述过程的控制，同时利用热继电器实现电机的过载保护。 3设计方案及原理分析 3.1设计思路 根据本电路预设的功能，设计出完成相应功能的分电路。首先，用三个电极来作为整个电路的输入信号：采集多点水位，以高、低电平的形式存在，作为其他分电路的控制信号，控制其工作。 晶体管放大器结构原理图解 作者：佚名来源：发布时间：2010-3-31 11:18:20 [收藏] [评论] 功率放大器的作用是将来自前置放大器的信号放大到足够能推动相应扬声器系统所需的功率。就其功率来说远比前置放大器简单，就其消耗的电功率来说远比前置放大器为大，因为功率放大器的本质就是将交流电能“转化”为音频信号，当然其中不可避免地会有能量损失，其中尤以甲类放大和电子管放大器为甚。 一、功率放大器的结构 功率放大器的方框图如图1-1所示。 1、差分对管输入级 输入级主要起缓冲作用。输入输入阻抗较高时，通常引入一定量的负反馈，增加整个功放电路的稳定性和降低噪声。 前置激励级的作用是控制其后的激励级和功劳输出级两推挽管的直流平衡，并提供足够的电压增益。 激励级则给功率输出级提供足够大的激励电流及稳定的静态偏压。激励级和功率输出级则向扬声器提供足够的激励电流，以保证扬声器正确放音。此外，功率输出级还向保护电路、指示电路提供控制信号和向输入级提供负反馈信号（有 必要时）。 一、放大器的输入级功率放大器的输入级几乎一律都采用差分对管放大电路。由于它处理的信号很弱，由电压差分输入给出的是与输入端口处电压基本上无关的电流输出，加之他的直流失调量很小，固定电流不再必须通过反馈网络，所以其线性问题容易处理。事实上，它的线性远比单管输入级为好。图1-2示出了3种最常用的差分对管输入级电路图。 图1-2种差分对管输入级电路 1、加有电流反射镜的输入级 在输入级电路中，输入对管的直流平衡是极其重要的。为了取得精确的平衡，在输入级中加上一个电流反射镜结构，如图1-3所示。它能够迫使对管两集电极电流近于相等，从而可以对二次谐波准确地加以抵消。此外，流经输入电阻与反馈电阻的两基极电流因不相等所造成的直流失调也变得更小了，三次谐波失真也降为不加电流反射镜时的四分之一。在平衡良好的输入级中，加上一个电流反射镜，至少可把总的开环增益提高6Db。而对于事先未能取得足够好平衡的输入级，加上电流反射镜后，则提高量最大可达15dB。另一个结果是，起转换速度在加电流反射镜后，大致提高了一倍。 2、改进输入级线性的方法 在输入级中，即使是差分对管采用了电流反射镜结构，也仍然有必要采取一定措施，以见效她的高频失真。下面简述几 钟常用的方法。 1）、恒顶互导负反馈法 图1-4示出了标准输入级（a）和加有恒定互导（gm）负反馈输入级（b）的电路原理图。经计算，各管加入的负反馈电阻值为22Ω当输入电压级为-40dB条件下,经测试失真由0.32%减小到了0.032%。同时，在保持gm为恒定的情况下，电 流增大两倍,并可提高转换速率(10~20)V/us。 图1-3标准电流反馈镜输入级1-4 标准输入级和加有恒定互导负反馈输入级 （2）将输入管换成互补负反馈型对管 实验二晶体管测试 一、实验目的： 1．熟悉晶体二极管、晶体管晶体管和场效应管的主要参数。 2．学习使用万用电表测量晶体管的方法。 3．学习使用专用仪器测量晶体管的方法。 二、实验原理： （一）晶体管的主要参数： 晶体管的主要参数分为三类：直流参数、交流参数和极限参数。其中极限参数由生产厂规定，可以在器件特性手册查到，直接使用。其它晶体管参数虽然在手册上也给出，但由于半导体器件的参数具有较大的离散性，手册所载参数只能是统计大批量器件后得到的平均值或范围，而不是每个器件的实际参数值。因为使用晶体管时必须知道每个管子的质量好坏和某些重要参数值，所以，测量晶体管是必须具备的技术。下面结合本次实验内容，简介晶体管的主要参数。 1．晶体二极管主要参数： 使用晶体二极管时需要了解以下参数： （1）大整流电流I F ：二极管长期运行时允许通过的大正向平均电流，由手册查得。 （2）正向压降V D ：二极管正向偏置，流过电流为大整流电流时的正向压降值，可用电压表或晶体管图示仪测得。 （3）晶体管大反向工作电压V R ：二极管使用时允许施加的大反向电压。可用电压表或晶体管特性图示仪测得反向击穿电压V(BR) 后，取其1∕2即是。 （4）反向电流I R：二极管未击穿时的反向电流值。可用电流表测得。 （5）高工作频率f M ：一般条件下较难测得，可使用特性手册提供的参数。 （6）特性曲线：二极管特性曲线可以直观地显示二极管的特性。由晶体管特性图示仪测得。 2．稳压二极管主要参数： 稳压二极管正常工作时，是处在反向击穿状态。稳压二极管的参数主要有以下几项：（1）稳定电压V Z：稳压管中的电流为规定电流时，稳压管两端的电压值。手册虽然给出了每种型号稳压二极管的稳定电压值，但此值的离散性较大，所以手册所给只能是一个范围。此值必须测定后才能使用稳压二极管。可用万用电表或晶体管特性图示仪测量。 （2）稳定电流I Z：稳压管正常工作时的电流值，参数手册中给出。使用晶体管特性图示仪测量此项参数比较方便，可直接观察到晶体管稳压管有较好稳压效果时对应的电流值，便是此值。 晶体管放大倍数β检测电路的设计与实现 实验报告 一，摘要 简易晶体管放大倍数β检测电路由三极管类型判别电路，三极管放大倍数档位判别电路，显示电路，报警电路和电源电路五部分构成。 三极管类型判别电路的功能是利用NPN型和PNP型三极管电流流向相反的特性，通过判断发光二极管亮灭判断三极管的类型是NPN型还是PNP型。三极管放大倍数档位判别电路的功能是利用三极管的电流分配特性将β的测量转换为对三极管电流的测量，并实现对档位的手动调节，并利用比较器的原理，实现对档位的判断。显示电路的功能是利用发光二极管将测量结果显示出来。报警电路的功能是当所测三极管的β值超出测量范围时，能够进行报警提示。电源电路的功能是为各模块电路提供直流电源。 关键字：放大倍数β，档位判断电路，显示电路，报警电路 二，设计任务要求及原理电路 1.基本要求： ?设计一个简易晶体管放大倍数β检测电路，该电路能够实现对三极管β值大 小的初步判断。 1电路能够检测出NPN.PNP三极管的类型。 2电路能够将NPN型三极管放大倍数β分为大于250，200-250，150-200，小于150共四个档位进行判断。 3用发光二极管来指示被测电路的β值属于哪一个档位。 4在电路中可以手动调节四个档位值的具体大小。 5当β超出250时能够闪烁报警。 ?设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电 路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。 2.提高要求： 1电路能够将PNP型三极管放大倍数β分为大于250，200-250，150-200，小于150共四个档位进行判断，并且能够手动调节四个档位 值的具体大小NPN,PNP三极管β档位的判断可以通过手动或自动切换。 2PROTEL软件绘制该电路及其电源电路的印制电路版图（PCB）。 3.设计思路、总体结构框图: 图1 简易双极性三极管放大倍数β检测电路的总体框图 功率场效应晶体管(MOSFET)原理 功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。 一、电力场效应管的结构和工作原理 电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。 电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。 电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。 电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS， 并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。 二、电力场效应管的静态特性和主要参数 Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。{{分页}} 1、静态特性 （1）输出特性 输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流I D不随漏源电压 U DS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地U CS一定时，I D随U DS增加呈线性关系变化。 （2）转移特性 转移特性表示漏极电流I D与栅源之间电压U GS的转移特性关系曲线，如图2(a)所示。转移特性可表示出器件的放大能力，并且是与GTR中的电流增益β相似。由于Power MOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为 （1） 图中U T为开启电压，只有当U GS=U T时才会出现导电沟道，产生漏极电流I D。集成电路分析与设计课程实验(一)
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