第4章 晶体管频率特性与开关特性
晶体管的开关特性+32基本逻辑门电路
03
数字信号处理系统的设计和实现需要考虑逻辑门电路
的特性和性能，以确保信号处理的准确性和实时性。
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OR门
总结词
实现任一输入为1时，输出就为1的逻辑功能。
详细描述
当任一输入端输入高电平（1）时，晶体管导通，输出端输出低电平（0）；当两 个输入端都输入低电平（0）时，晶体管截止，输出端输出高电平（1）。
NOT门
总结词
实现输入为1时输出为0，输入为0时输出为1的逻辑功能。
详细描述
当输入端输入高电平（1）时，晶体管截止，输出端输出低电平（0）；当输入端输入低电平（0）时，晶体管导 通，输出端输出高电平（1）。
详细描述
Toggle AND门在逻辑功能上相当于与门和 非门的组合，其特点是当两个输入信号同时 为高电平时，输出信号才为高电平。当一个 输入信号为高电平而另一个为低电平时，输 出信号为低电平。这种门电路常用于实现双 控制逻辑功能。
Toggle OR门
要点一
总结词
Toggle OR门是一种双控制信号输入的逻辑门电路，当两 个输入信号同时为低电平时，输出信号才为低电平。
详细描述
Non-Blocking OR门的逻辑功能相当于普通的或门，其 特点是当输入信号为低电平时，无论其他控制信号的状 态如何，输出信号都为低电平。这种门电路常用于实现 单向逻辑控制功能。
Left-Input AND门
总结词
Left-Input AND门是一种单输入控制信号 的逻辑门电路，当输入信号为高电平时，输 出信号也为高电平。
晶体管的开关特性 与32种基本逻辑门 电路
目录
• 晶体管的开关特性 • 基本逻辑门电路 • 32种基本逻辑门电路 • 逻辑门电路的应用
晶体管手册
晶体管手册第一章：引言1.1 概述晶体管是一种非常重要的电子器件，被广泛应用于各种电子设备中。
本手册旨在介绍晶体管的基本原理、结构、特性以及常见的应用领域。
1.2 历史回顾晶体管的发展与研究可以追溯到20世纪40年代，由于其在电子行业的革命性作用，晶体管取代了真空管，成为当时电子技术领域的一个重要突破。
第二章：晶体管的基本原理2.1 PN结晶体管的基本原理是基于PN结的特性。
本节将介绍PN结的构成、特性以及在晶体管中的作用。
2.2 工作原理晶体管的工作原理是通过控制电场来控制电流。
本节将详细介绍晶体管的三个重要区域：发射区、基区和集电区的工作原理。
第三章：晶体管的结构和类型3.1 结构晶体管的结构通常包括基底、集电极、基极和发射极等组成部分。
本节将详细介绍每个部分的结构及其作用。
3.2 类型根据结构和应用的不同，晶体管可以分为多种类型，例如NPN型和PNP型。
本节将对不同类型的晶体管进行详细描述和比较。
第四章：晶体管的特性4.1 放大特性晶体管具有放大作用，可以将微弱的输入信号放大到较大的输出信号。
本节将介绍晶体管的放大特性及其测量方法。
4.2 饱和特性晶体管的饱和特性是指当输入信号过大时，晶体管的输出信号达到最大幅度。
本节将对晶体管的饱和特性进行详细介绍。
4.3 频率特性晶体管的频率特性是指输入信号在不同频率下，晶体管的放大能力。
本节将介绍晶体管的频率特性及其对电子设备的影响。
第五章：晶体管的应用5.1 放大器晶体管的最主要应用之一是作为放大器，可以放大音频和射频信号。
本节将介绍放大器的工作原理以及常见的放大器电路。
5.2 开关晶体管也可以用作开关，可用于数字电路、计算机和通信系统中。
本节将详细介绍晶体管作为开关的工作原理和应用场景。
5.3 震荡器晶体管还可用于制造震荡器，产生高频振荡信号。
本节将介绍晶体管在震荡器中的应用以及常见的震荡电路。
第六章：晶体管的未来发展6.1 小型化随着电子设备的小型化趋势，未来的晶体管将更加微小化，以适应更小尺寸的电子设备。
第四章异质结双极型晶体管
化合物半导体器件
4.2 HBT的增益
4.2.3 HBT增益与温度的关系
图4.7 不同温度下SiGe HBT电流增益(β= IC/ IB ) 与集电极电流的关系
化合物半导体器件
第四章 异质结双极型晶体管
• HBT的基本结构 • HBT的增益 • HBT的频率特性 • 先进的HBT
4.1 HBT的基本结构
4.1.2 突变发射结HBT
①器件特点：
基区渡越初始速度高
②基区输运模型：
弹道式渡越
③晶格散射的影响： ④电流增益β：
高的β
⑤ΔEc：
应小于基区导带的 能谷差EL-EΓ
图4.2 (a) 突变发射结HBT的能带图图
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.3 缓变（渐变）发射结HBT
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
微电子学院 戴显英
2013.9
化合物半导体器件
第四章 异质结双极型晶体管
• HBT的基本结构 • HBT的增益 • HBT的频率特性 • 先进的HBT
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.1 HBT的基本结构与特点
化合物半导体器件
第四章 异质结双极型晶体管
• HBT的基本结构 • HBT的增益 • HBT的频率特性 • 先进的HBT
化合物半导体器件
4.2 HBT的增益
4.2.1 理想HBT的增益
共射极： 1
1
1
1
1 J pE J nE
1
DEWB pE0 DBWE nB 0
1
晶体管伏安特性与开关特性图文说明
晶体管伏安特性与开关特性图文说明1. 晶体管伏安特性曲线⑴输入特性曲线输入特性曲线是指当集电极与发射极之间电压U CE 为常数时， 输入回路中加在晶体管基极与发射极之间的发射结电压u BE 和基极电流i B 之间的关系曲线，如图2.7所示。
用函数关系式表示为:常数==CE BE B u u f i |)(⑵输出特性曲线输出特性曲线是在基极电流i B 一定的情况下，晶体管的集电极输出回路中，集电极与发射极之间的管压降u CE 和集电极电流i C 之间的关系曲线，如图2.8所示。
用函数式表示为常数==B CE C i u f i |)(图2.7 晶体管的输入特性曲线 图2.7输出特性曲线①截止区习惯上把i B ≤0的区域称为截止区，即i B ＝0的输出特性曲线和横坐标轴之间的区域。
若要使i B ≤0，晶体管的发射结就必须在死区以内或反偏，为了使晶体管能够可靠截止，通常给晶体管的发射结加反偏电压。
②放大区在这个区域内，发射结正偏，集电结反偏i C 与i B 之间满足电流分配关系i C ＝βi B ＋I CEO ， 输出特性曲线近似为水平线。
③饱和区如果发射结正偏时，出现管压降u CE ＜0.7V (对于硅管来说)，也就是u CB ＜0 的情况，称晶体管进入饱和区。
所以饱和区的发射结和集电结均处于正偏状态。
饱和区中的i B 对i C 的影响较小，放大区的β也不再适用于饱和区。
2.晶体管的开关特性从上述可知，当U C >U B >U E 时，三极管集的电极电流与基极电流成C B I I β=关系，而且调整RX1电阻（集电极电阻），使U CE 从0-5V 变化，此时的I C 值已最大。
即：当U C >U B >U E 时，集电极电流I C 最大值。
所谓晶体管的开关特性是指，当U C >U B >U E 时，集电极到发射极相当于有大电流流过，U CE =0V ，电源电压全部作用于集电极电阻上；当U C >U B =U E 时（或U C >U E >U B ）时，集电极无电流流过，即I C =0A ，相当于晶体管的集电极与发射极断开，U CE 等于电源电压。
晶体管开关特性、限幅器与钳位器
晶体管开关特性、限幅器与钳位器实验二晶体管开关特性、限幅器与钳位器1. 实验目的（1）观察晶体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对晶体管开关特性的影响（2）掌握限幅器和钳位器的基本工作原理。
2. 实验原理（1）晶体二极管的开关特性由于晶体二极管具有单向导电性，故英开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同状态的转换过程。
如图2—1电路，输入端施加一方波激励信号％,由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。
因此当加在二极管上的电压突然由正向偏B（+K）变为反向偏置（-?时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流-冬，并维持R一段时间：（称为存贮时间）后，电流才开始减小，再经徐（称为下降时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流厶，将tr=ts+tf叫做反向恢复时间，纭与二极管的结构有关，PN结面积小，结电容小，存贮电荷就少，匚就短，同时也与正向导通电流和反向电流有关。
当管子选泄后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。
（2）晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一泄的时间才能完成。
如图2-2电路的输入端，施加一个足够幅度（在-％和+%之间变化）的矩形脉冲电压%激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。
可见晶体管T的集电极电流几和输出电压K 的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，苴上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图2—2波形所示，从上开始跃升到丄上升到0.1A，所需时间定义为延迟时间乱，而丄从0.1矗增长到0.9矗的时间为上升时间“从K开始跃降到i.下降到0.9厶s 的时间为存贮时间ts,而几从0.9lcs下降到0.1忑的时间为下降时间如通常称1^=1Atr为三极管开关的“接通时间”，toff=ts+tf称为“断开时间”,形成上述开关特性的主要原因乃是晶体管结电容之故。
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
模电 知识点总结
模电知识点总结一、基本概念1. 电路元件：模拟电子技术的基本元件包括电阻、电容、电感、二极管、晶体管等。
其中，电阻用于限制电流，电容用于储存电荷，电感用于储存能量，二极管用于整流、开关等，晶体管用于放大、开关等。
2. 信号：在模拟电子技术中，信号是指随时间或空间变化的电压或电流。
常见的信号形式有直流信号、交流信号、脉冲信号等。
3. 放大器：放大器是模拟电子技术中的重要元件，用于放大输入信号的幅度。
常见的放大器有运放放大器、晶体管放大器等。
4. 滤波器：滤波器是用于选择特定频率范围内的信号，常用于滤除噪声、提取特定频率成分等。
5. 调制解调：调制是将基带信号调制到载波上，解调是将载波信号解调还原为基带信号。
调制解调技术是模拟电子技术中的重要应用之一。
二、基本电路1. 电阻电路：电阻是最基本的电路元件之一，常用于限制电流、调节电压和波形、分压等。
常见的电阻电路包括电压分压电路、电流分压电路、电阻网络等。
2. 电容电路：电容是能存储电荷的元件，常用于滤波、积分、微分等。
常见的电容电路包括RC电路、LC电路、多级滤波器等。
3. 电感电路：电感是储存能量的元件，常用于振荡器、磁耦合放大器等。
常见的电感电路包括RLC电路、振荡电路、滤波器等。
4. 滤波器电路：滤波器是用于选择特定频率范围内的信号的电路，常用于滤除杂散信号、提取特定频率成分等。
常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器等。
5. 放大器电路：放大器是用于放大电压、电流信号的电路，常用于信号调理、传感器信号放大、运算放大器电路等。
常见的放大器电路包括运算放大器电路、放大器电路、多级放大器电路等。
6. 混频器电路：混频器是用于将两路信号进行混频得到中频信号的电路，常用于调频收音机、超外差接收机等。
常见的混频器电路包括倍频器电路、调频接收机电路、超外差接收机电路等。
7. 调制解调电路：调制解调电路是用于调制解调信号的电路，常用于调制解调的通信系统、调幅收音机、调频收音机等。
晶体管的特征频率
晶体管特征频率的测量一、 目的1、通过实验进一步了解特征频率f T 的物理意义并掌握其测量方法。
2、通过实验了解f T 随偏流、偏压的变化情况。
二、 原理晶体管有高频管和低频管之分，一般来说低频管只能用在3MC 以下的频率范围；而高频管则可以用到几十或者几百MC 的高频范围，有时称超过75MC 的管子为超高频晶体管。
如果使用频率超过了晶体管的频率范围，则晶体管的放大特性就显著地变坏，甚至无法使用。
晶体管放大特性的变坏，是由于讯号频率超过某一值以后，晶体管的电流放大系数开始下降而造成的。
晶体管的共射极电流放大系数β与信号频率f 间的关系为：βββf f j +=10（10-1）式中β0为低频是的电流放大系数，f β为共射极的截止频率（也就是共射极电流放大系数β下降到21β0或0.707β0的频率）。
图10-1画出了晶体管发射极电流放大系数β随频率的变化曲线。
由图可见，在频率比较低时，β基本不随频率变化，它的数值被定义为β0。
当频率比较高时，β值随频率f 升高而下降。
如果讯号频率超过发射极截止频率f β，晶体管的共射极β电流放大系数β就比低频时的β0小的多。
但是，f β并不是晶体管所能使用的最高频率，因为f β下的β值（即0.707β0）仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。
晶体管的实际使用频率可以比f β高。
由10-1式可见，当频率远大于f β(比如f>2f β就可以认为f>>f β)，时有f •β=f •β0=常数 (10-2)因为f T 是β等于1的f 值，因此上式中的常数就是f T 。
所以β•f=f T (10-3)比较确切地反映了晶体管的频率特性。
当频率低于f T 时，电流放大系数β>1，晶体管有电流放大作用；当f<f T ，β<1，没有电流放大作用，所以特征频率f T 是晶体管可以起电流放大作用的最高频率的限度，是共射极电路设计的一个重要依据。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
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202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
Cideal
Rp
004-双极晶体管(2a1)--频率特性及开关特性
此时基区 的电流分布
xMC
IC
VCB
vcb t
P151
下x 页集电结渡越过程
ine xME
IE
i pe
xMC
IC
iCTe
VBE
vbe t IB
VCB
vcb t
交流电流通过Xmc时，不仅幅度衰减，而且产生相位延迟，
原因是：
电流通过空间电荷区时会对空间电荷区的分布产生影响； 当交变电流通过Xmc时，其分布便随时间而不断变化。
a、与发射结反向注入电流的复合； b、在基区输运过程中在基区体内的复合。 所以直流电流的传输过程也可以用下图简单描述:
对于交流小信号电流，其传输过程与直流情况又很 大不同见下页
我们将交流小信号电流的传输过程分为以下几个子 过程：
IE
IC
ICBO
IB
以上是我们对交流小信号电流在晶体管内传输过程的定性 分析，相比直流电流的传输，交流小信号电流在整个传输 过程中要多考虑以下四个问题：
成交流电子电流向集电极传输时比直流时多一部分损失。
所以此时发射机交流小信号电流由三部分组成：
定义交流发射效率为：
p151
显然，信号频率越高，结电容分流电流越大，交流发射效
率越低。
此外，由于电容充放电需要时间，从而使电流传输过程产
生延迟。
下页基区输运过程
ine xME
IE
i pe
iCTe
VBE
vbe t IB
所需的时间都很小，反向恢复时间 是影响开关速度的主要因素。
U1
T1
反向恢复过程的存在使二极管使用，因为如果反向脉冲的持续时
I1
tr
间比反向恢复时间短，则二极管在
晶体管的开关特性
（1）基本门电路（与非门等）的内 部电路实现。
（2）门电路（与非门等）的主要技 术参数。
3.1
晶体管的开关特性
3.1.1 3.1.2
晶体二极管开关特性 晶体三极管开关特性
3.1.1
晶体二极管开关特性
１．二极管稳态开关特性 Vth (门限电压 /阈值电压)。
Is称为反向饱和电流，数值小，常忽略。
C N B RB E EB P N RC
EC
3.1.2 晶体三极管开关特 性 １．三极管稳态开关特性
vBE vI RB iB vO vCE VCC RC iC
传输特性：输出电压与输入电压的函数关系。
ห้องสมุดไป่ตู้
三种工作情况：截止区、放大区和饱和区。
当vI<Vth时，工作于截止区。发射结和集电结均为反向偏
半导体三极管结构特点：
集电区： 面积最大 集电结
基极 B 发射结
集电极 C N
P N E 发射极
基区：最薄， 掺杂浓度最低
发射区：掺 杂浓度最高
三极管放大的外部条件—内部原理见视频
发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VB>VE 集电结反偏 VC>VB
发射结正偏 集电结反偏 PNP VB<VE VC<VB
发 射 结 和 集 电 结 均 为 正 偏 ， 即 vB>vE ， vB>vC ，
vO=VCE(sat)≈0； iC≈VCC/RC。晶体管C、E之间相当于开关
闭合。
２．三极管瞬态开关特性 由于PN结电容的存在，当 vI 从－V跳变＋V时，晶体管 不能立即导通，要经历开通 时间toniC才达到稳定值。 要经历一段时间toff ，iC才逐渐下降到0。
晶体管的开关特性
导通 Vce Vces
1. 开关管的要求：
Vces越小越好，最好→0
Iceo越小越好，最好→0
BVceo高（使用范围大）
开关时间短
2. 晶体管的开关区域
3. 截止区和饱和区的少子分布
截止区
Vbe<0(A) Vbc<0
Vbe=0(B) Vbc<0
Iceo
饱和区
（1）饱和的原因
晶体管的频率特性
理 学 院
§4.3 晶体管的开关特性
一、晶体管的开关作用 二、晶体管的开关过程 三、提高开关晶体管开关速度的途径
一、晶体管的开关作用 1. 晶体管的开关作用
截止
I c I ceo 0
Vce Vcc I ceo RL Vcc
Vcc Vces Vcc 0 Ic R RL L
2、上升阶段基区少子分布 请注意这是在线性 区阶段的少子分布 图 C
B E Байду номын сангаас
nb 0
0
缩短上升时间tr的方法：
减小发射结势垒电容 减小集电结势垒电容 增大基极注入电流， 但要注意深饱和 增大基区少子寿命，减 小基区复合电流
3、存储时间ts
抽取基区和集电区超量储 存电荷
减小存储时间的途径：
RB
IB
1、从晶体管内部考虑
①掺金，减小饱和时超量存储电荷，加速 集区复合
②减小结面积 ③减小基区宽度，降低tr和tf
2、从晶体管外部考虑
①加大IB，缩短td和tr，但避免过大使饱和深 度S过大
' IB ②加大，缩短t
度S过大
d和tr，但避免过大使饱和深
③工作在临界饱和状态
电力电子题库(第一章~第四章)
《电力电子技术》机械工业出版社命题人马宏松第一章功率二极管和晶闸管知识点：●功率二极管的符号，特性，参数●晶闸管的符号、特性、参数、工作原理●双向晶闸管的符号、特性、参数、工作原理●可关断晶闸管的符号、特性、参数、工作原理一、填空题1、自从_1956__ __ 年美国研制出第一只晶闸管。
2、晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等特点。
3、晶闸管的三个极分别为阳极、阴极、门极。
4、晶闸管导通的条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的阴极和门极间也加正向电压，两者缺一不可。
5、晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。
6、晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。
7、双向晶闸管的四种触发方式：I+ 触发方式 I-触发方式Ⅲ+触发方式Ⅲ-触发方式。
8、GTO的开通时间由延迟时间和上升时间组成。
9、GTO的关断时间由存储时间、下降时间、和尾部时间。
10、功率二极管的导通条件：加正向电压导通，加反向电压截止。
11、对同一晶闸管，维持电流I H 与擎住电流I L在数值大小上有I L___>_____I H。
12、晶闸管断态不重复电压U DSM与转折电压U BO数值大小上应为，U DSM__<______U BO13、普通晶闸管内部有两个PN结,，外部有三个电极，分别是阳极A极阴极K 极和门极G极。
14、晶闸管在其阳极与阴极之间加上正向电压的同时，门极上加上触发电压，晶闸管就导通。
15、、晶闸管的工作状态有正向阻断状态，正向导通状态和反向阻断状态。
16、某半导体器件的型号为KP50—7的，其中KP表示该器件的名称为普通晶闸管，50表示额定电流50A，7表示额定电压700V。
17、只有当阳极电流小于维持电流电流时，晶闸管才会由导通转为截止。
18、当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会减小。
二、判断题1、第一只晶闸管是1960年诞生的。
（错）2、1957年至1980年称为现代电力电子技术阶段。
晶体管的开关特性
理想开关的开关特性： (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻 ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。
闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻 RON = 0，电压UAK = 0。
(2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0
客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分 接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电 路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。 半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用 时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。
2.2.1 二极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路 正向导通时 UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗） RD≈几Ω ～几十Ω 相当于开关闭合
二极管的伏安特性曲线
反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百kΩ） 相当于开关断开
二极管的伏安特性曲线
开启电压
二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
2.2 二极管及三极管的开关特性
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。
导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。
逻辑变量←→两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。
半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。
2.2.2 三极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要
工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极 短暂的过渡状态。
图2-3三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线
(1) 截止状态
条件：发射结反偏 特点：电流约为0
晶体管及其基本电路
晶体管类型
双极型晶体管（BJT）
01
由两个PN结组成，通过控制基极电流来控制集电极和发射极之
间的电流。
场效应晶体管（FET）
02
通过电场效应控制导电沟道的开闭，实现电流的开关作用。
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
03
结合了BJT和MOSFET的结构特点，具有高输入阻抗和低导通压
降的优点。
晶体管工作原理
发射机和接收机
晶体管在通信系统的发射机和 接收机中作为主要元件，实现
信号的发送和接收。
功率放大
在无线通信中，晶体管用于功 率放大，提高信号的传输距离
和可靠性。
滤波器
晶体管可以组成滤波器，用于 滤除不需要的频率成分，提高
通信信号的质量。
计算机中的晶体管
逻辑门
晶体管作为逻辑门的基 本元件，实现计算机中 的逻辑运算和数据处理
晶体管及其基本电 路
目 录
• 晶体管概述 • 晶体管基本电路 • 晶体管的应用 • 晶体管的特性与参数 • 晶体管的制造与工艺 • 晶体管的发展与未来展望
01
CATALOGUE
晶体管概述
晶体管定义
01
晶体管是一种半导体电子器件， 具有控制电流的开关作用。
02
它由三个电极（集电极、基极和 发射极）构成，通过改变输入信 号来控制输出电流的大小和方向 。
放大电路的工作原理
当输入信号加到输入级时，晶体管基极电流发生 变化，进而引起集电极电流和电压的变化，通过 负反馈使输出电压与输入电压保持一定的比例关 系，实现信号的放大。
放大电路的基本组成
放大电路由输入级、中间级和输出级三部分组成 ，其中输入级和输出级通常采用共发射极或共集 电极接法，中间级则采用共基极接法。
晶体管的热学-二次击穿-开关特性设计考虑
f
2
fT
8 rbb CTC
高频优值也称为 功率增益-带宽乘积，是晶体管的功率放大能 力与频率特性的重要参数综合衡量。
提高 M 的各项具体措施及其副作用
要使 rbb’↓，应： (1) l↑ ( 因
rbb
1
)
l
(2) s↓ ( 因 rbb s，但受工艺水平限制 )
(3) R口B↓
① NB↑(但使β↓，CTC↑，BVEBO↓)
得到热稳定的条件为：S=BT < 1
• VBE恒定
当用恒压源做发射结电压的偏置时，这时IC随 温度的变化是比较剧烈的。
B
Ic IcTj
VBE
5.4% /
C
• IB恒定时 当用恒流源作为基极电流的偏置时
B
Ic IcTj
Ib
d dTJ
EG kTJ2
的相对温度系数比Ic的小的多,通常不到1%/°C,
• 提高热稳定性不只是为了防止热击穿。由于晶体管的各项参数 都会随温度变化，热稳定性提高后，在一定偏置下结温的变动 减小，从而也使晶体管的各项参数得到稳定。
• 版图结构上的考虑
功率晶体管的基区若设计成单一面积，则由于基区周长较短而 导致热阻较大，造成管芯间较大的温差。结温的不均匀将导致 电流的不均匀分布，通过温度与功耗之间的正反馈而在基区中 心产生过热点导致正向二次击穿。为了克服这个问题，可以将 单一面积的基区分成若干小基区，每个基区构成一个子器件， 彼此相隔一定距离，并通过金属化并联起来。由于总的基区周 长加长使得热阻降低，同时使得结温分布较为均匀。
• 实际应用中常采用在发射极上串连一个镇流电阻 。这个电阻起到负反馈的作用。 VBE=EB-IE*RE≈EB-IC*RE
晶体管小结
微电子技术专业
《半导体器件》
单元三 双极型晶体管 小结 讲授教师：马 颖
•发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多
一、晶体管的概述
• 晶体管具有放大能力需具备哪些条件？
（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即NE远 大于NB，以保证发射效率γ≈1； （2）基区宽度WB远小于LnB，保证基区输运系数β*≈1； （3）发射结必须正偏，使re很小；集电结反偏，使rc 很大，rc远大于re。
六、功率晶体管的二次击穿和安全工作区
• 二次击穿的概念
器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由 高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。
• 两种二次击穿的机理
●热型又称热不稳定型，是局部温度升高和电流集中往复 循环的结果。热型二次击穿的触发时间较长属于慢速型。 ●电流型又称雪崩注入型由雪崩注入引起，是快速型的二 次击穿。
–说明：共射短路电流放大系数β比共基短路电流放大 系数α下降更快。
–因此，共基电路比共射电路频带更宽。
一、晶体管的频率特性
• 晶体管的特征频率fT= 0 f 2 e0 。
• 提高特征频率的途径有哪些？
减小基区宽度 Wb ； 缩小结面积A ； 适当降低集电区电阻率ρc ； 适当减小集电区厚度Wc ； 尽量减小延伸电极面积。
• 有效基区宽度扩展效应[kirk（克而克）效应]
• 发射极电流集边效应又称为基区电阻自偏压效应
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1
20
晶体管频率特性与开关特性
幅值：
电子器件基础
0
1
2
0
f 1 f
2
m 相位： tg b
1
f 1 mf tg f b f
γβ*βd ie CTc i’e iCTc rcs ic C
ie ie ie re j (CTe C De ) ie ie 1 j re (CTe CDe )
CTe
re ie E
CDe
22
晶体管频率特性与开关特性
输出(CE)短路时：ic rcs ic * d ie
电子器件基础
1 ie re jCTc
将γ、β*、βd 代入略去二次幂以上各项，实际 ie方向与 规定方向相反，可得到：
(Vce 0)
ic 0e ie 1 j /
2 b 1
jm / b
W xm re (CTe +CTc ) rcsCTc (1 m) Dnb 2 s
ic ine inc ( 0 ) inc ( xm ) ic * d c ie ie ine inc ( 0 ) inc ( xm )
电容对电流的分流作用，使传输电流的幅值减少； 对电容的充放电时间使输入信号与输出信号之间产生信 号延迟，存在相位差； 电流放大系数可用复数表示：
α0 为低频时共基短路电流放大系数 fα为共基极截止频率
o
f 1 j f
7
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
发射效率γ
低频时不考虑电容，发射效率：
ie
E
ine i pe
re
B
ine o ine i pe
iCTe CTe
高频时考虑发射结势垒电容的充放电，由等效电路有：
ie ine i pe iCTe
10
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
直流状态下，如基区少子总电荷为 Q，只考虑载 流子渡越，不考虑复合和延迟时，到达集电极电 流为： Q inc 与Q（nb）的具体分布无关。
b
考虑基区中少子复合
IVB Wb2 b * 0 1 1 1 2 I nE Lnb nb L2 Dnb nb nb Wb2 b Dnb
基区截止频率ωb：
Wb2 b b 1 m ( 1 m性
电子器件基础
3、共射极电流放大系数与频率关系
共射极电流放大系数与截止频率
交流不能直接利用 1 得到β，式中α是共基输出 (CB)短路的值，而共射输出 短路是CE间短路。
inc 1 ine 1 jb
考虑渡越和少子复合时
幅值： *
*
2 1 2 b
* o * 1 jb
滞后相位差： tg 1 b
12
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
单独考虑 inc比 ine 延迟时间τdel，则有：
inc I nc e j t - del I nc e j t e j del
oe jm / 2 1 j Wb xm 1 j reCTe rcsCTc ( 1 m ) Dnb 2s
b
oe jm /
b
共基截止频率： （共基延迟时间τα）
W xm reCTe rcsCTc ( 1 m ) Dnb 2 s 1
少子渡越基区的平均时间为：τb=τ’b+τdel
ine I nee
j t
考虑渡越，不考虑复合时：
dQ dinc b j binc ine inc dt dt
inc e j del ine 1 j b
13
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
2
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
本章要求：
掌握双极管频率参数；理解电流放大系数 与频率的关系；了解高频等效电路和y参数、h 参数。 掌握双极管Ebers-Moll模型和电荷控制模 型，开关工作的过渡过程，开关时间参数。
3
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
第1节 晶体管频率特性理论分析 1、晶体管频率特性参数
1
ωd：集电结截止频率
td xm 1 d 2 2 s d
18
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
集电区衰减因子αc
电流在集电区体电阻上产生交变压降，迭加在直流偏 置上，使势垒区电荷随交变电压变化而变化，集电结势垒 电容充放电，形成电容分流。 1 输出交流短路时有： ic rcs iCTc jCTc ic ic 1 c ic inc xm ic iCTc 1 jrcsCTc inc (xm) C
1 e j xm / s 0 Vc jc jnc xm jnc 0 j xm / s xm t
jnc ( 0 ) qmn( 0 )e j t
输出交流短路时， c 0, Vc t 0 , td = xm/υs V
1 e j td jnc ( xm ) jnc (0) jtd
C N P · N+ IE
●
fT fα 3dB
f
最高振荡频率 fm
Kp=1时，f = fm 无功率（电流、电压）放大
B VB
IC IB
RC VC
RB
E
6
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
2、共基极电流放大系数与截止频率
晶体管高频运用时，必须考虑电容的充放电作用，交流 输出短路共基电流放大系数：（基区靠集电结边界为0点）
同时考虑基区中载流子渡越、少子复合和延迟时：
*
e
1 j b
* j del o
e
1 j b
* j m b o
b b del del 1 1 m b b b
超相移因子 m 的物理意义：发射极电流变化后，不能 立即引起集电极电流变化，必须经过 ωmτ’b 的相位滞后， 集电结电流才变化。
1 1 1 jc 1 j
c
B
iCTc CTc
rcs
集电区延迟时间 c rcsCTc 1 c ωc：集电区截止频率
19
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
输出短路共基电流放大系数
ic * 将各项代入 d c 并忽略高次项得： ie
11
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
交流状态下，电流用复数表示：
ine I nee
j t
ine、inc：发射极和集电极交流电流瞬时值 Ine、Inc：发射极和集电极交流电流幅值
不考虑基区少子复合和 inc与 ine的延迟， 只考虑载流子渡越时：
inc I nce j t
dQ dinc b jbinc ine inc dt dt
在 fβ 时晶体管仍有一定电流 放大系数。如：β0=100，在 fβ时，β=70
5
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
α.β(dB)
β0
3dB
特征频率 fT
β=1 时，f = fT 无电流放大，但电压放 大系数：
Vo I C RC KV 1 Vi I E re
re：发射结正偏电阻
0
α0 fβ
14
晶体管频率特性与开关特性
缓变基区晶体管可近似计算得出：
m
电子器件基础
del
del 0.22 0.098 b 0.22 0.098 b 1.22 0.098
b
b b del
1 b 1.22 0.098
Wb2 1 b 1 m 1 m Dnb b
直流和低频时，α.β 几乎不变； 当频率超过一定值后， α.β很快下降； 不同晶体管，α.β下 0 降时的频率不同，即具 有不同频率限制；
α0 fβ 3dB fT fα
α.β随 f 变化曲线
α.β(dB)
β0 3dB
f
用频率特性参数fα、 fβ、 fT来描述晶体管的频率特性。
4
晶体管频率特性与开关特性
发射结延迟时间τe 即发射结势垒电容CTe通过发射结电阻 re 的充放电时间，是发射结截止角频率ωe的倒数：
e CTe re 1 e
频率越高，CTe的容抗越小，分流越大，发射效率降低； 工作频率达到截止频率时(ω=ωe )， 0 。 2
9
晶体管频率特性与开关特性
电子器件基础
电流放大系数用分贝表示：
电子器件基础
dB 20lg dB 20lg
α.β(dB)
β0
3dB
共基极截止频率 fα 0 时， f f
2 即α=0.7α0，α下降3dB
0
α0 fβ 3dB
fT fα
f
共射极截止频率 fβ 时， f f 0
2
即β =0.7 β0，β 下降3dB
基区输运系数β*
注入基区少子渡越基区的平均时间τb：
注入少子在基区停留期间有复合损失，基区 少子的寿命为τnb，复合损失部分占总数的比为 τb / τnb； 少子流出基区比进入基区平均延迟了τdel，输 出信号比输入信号相位滞后了ωτdel； 。 每个载流子实际渡越基区时间的分散性，影 响频率特性。
b
b
* * o e j m o e jm / * 1 j b 1 j