双极型晶体管及其(1).ppt

第2章 半导体三极管及其电路分析,2.1 双极型半导体三极管 2.2 三极管基本应用电路及其分析 2.3 单极性半导体三极管及其电路分析,2.1 双极型半导体三极管,晶体管的几种常见外形,(Semiconductor Transistor),半导体三极管(晶体管，双极型晶体管)与二极管的主要区别 是它具有电流放大作用，而二极管没有。 因而三极管应用更加广泛。,2.1.1 晶体管的结构及类型,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 发射区, 集电区,emitter,base,collector,NPN 型,三极、两结、 三区。,一.结构:,PNP 型,集电极,基极,发射极,发射结,集电结,按材料分： 硅管、锗管 按结构分： NPN、 PNP,按使用频率分： 低频管、高频管 按功率分： 小功率管 1 W,二.分类:,2.1.2 晶体管的工作原理,一、 半导体三极管正常放大的条件,(1) 内部条件 :,管芯结构剖面图,发射区掺杂 浓度高,基区薄且掺杂 浓度低,集电结面积大,(2)外部条件:,发射结,集电结,发射结正偏，集电结反偏。,二、 三极管的三种连接方式,(1) 三极管在组成放大电路时，一般是组成两端口网络， 即一端是输入端另一端是输出端。, 共发射极接法, 共集电极接法, 共基极接法,信 号 源,负 载,(2) 三种连接方式,共发射极,共集电极,共基极,三、 三极管内部载流子的传输过程,1. 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。,IE,I BN,(2) 其余电子扩散到集电结边沿。,2. 注入电子 在基区中的复合与扩散,(基区空穴运动因浓度低而忽略),(1) 注入电子中有极少部分与空穴复合。,部分电子与基区空穴复合形成IBN 。,结果:,(三极管内部载流子的传输过程),I CN,IE,I BN,I CBO,IB,IC,由于VBB的作用，电子与空穴的复合运动将源源不断地进行，形成基极电流IB。,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),IBN IB + ICBO,IB = IBN ICBO,即：,3. 集电区收集扩散过来的电子形成集电极电流 IC,I C = ICN + ICBO,四. 三极管的电流分配关系,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,(1),当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、 集电结面积等确定，故电流的比例关系确定。,(2) 电流放大系数,注入基区的电子在基区中扩散的电子数与复合的电子数的比例关系就基本确定。将这个“比值”称为:,共发射极电流放大系数:,五、晶体管的放大作用,现象：Ui 的微小变化引起输出Uo的很大的变化,e,b,c,三极管放大本质：电流的放大 。(变化量的放大),利用三极管的电流放大特性实现电压放大作用。,2.1.3 晶体管的特性曲线,一、共射输入特性：,与二极管特性相似,BJT特性曲线: 是在伏安平面上作出的反映晶体管各 极电流电压关系的曲线。,特性右移.,特性基本重合(电流分配关系确定),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,右移,二、共射输出特性曲线,截止区：,条件：两个结均反偏,4 3 2 1,ICEO,截止区,IB 0 IC = IE = ICEO 0,2. 放大区,条件：,发射结正偏, 集电结反偏,特点:,基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量iB时， iC就会有很大的变化量iC。,共发射极交流电流放大系数,反映在特性曲线上，为两条不同iB曲线的间隔,uCE在很大范围内变化时基本不变。因此，当iB一定时，集电极电流具有恒流特性。,iC的恒流特性,iC,3. 饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结均正偏,特点：iC iB,e结和c结均处于正偏的区域为饱和区。,iC2,iC1,通常把uCE=uBE(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。,uCE=0.3V,uCE=uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (锗管), 1. 三极管的放大状态：,PNP管： UCB0，UBE0或 UCUBUE 且UEB管压降,发射结正偏，集电结反偏,即满足下列电压关系：,NPN管：UCB0，UBE0或 UCUB UE 且UBE管压降,三. 三极管工作状态分析及偏置电路,2. 工作状态的判断:,(a),(b),晶体管损坏,NPN ,放大,锗管,(c),NPN，截止,(d),PNP，饱和,习题：2.4,【例1】: 电路如图所示，VCC15V，100，UBE0.7V。 试 问： (1) Rb50k时，uO？ (2) 若T临界饱和，则 Rb？,输出电压 UOUCE2。,解： (1) Rb50k时，,(2) 设临界饱和时 UCESUBE0.7V,UCES,(Rb50k),三、晶体管的开关电路,开关电路是大信号工作电路,晶体管,可控开关,饱和、截止 特性,0,亮,不亮,=0,四、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,T1,T2 ,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,五 晶体管的主要参数,一、电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,2. 共基极电流放大系数, 1 一般在 0.98 以上。,Q,二、极间反向电流 1: ICBO ICBO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。 2 : ICEO ICEO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。 3 : IEBO IEBO指集电极开路时，发射极基极间的反向电流。,三、极限参数,1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,2. PCM 集电极最大允许功率损耗,PC = iC uCE。,3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,【例2】: 三极管正常放大，试判断:,硅、锗。 b、c、e 极。 NPN管、PNP管。,e b c,b e c,c b e,1.4 二极管、三极管的检测,1.3.1 半导体二极管特性的测试与应用,一、半导体体二极管使用基本知识（P35）,二、 半导体二极管参数选录(参见教材) （P37）,三、 半导体二极管的识别与检测,1. 目测判别极性,1. 用万用表检测二极管,(1) 用指针式万用表检测,在 R 1 k 挡进行测量，,红表笔是(表内电源)负极， 黑表笔是(表内电源)正极。,测量时手不要接触引脚。,一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。,正反向电阻相差不大为劣质管。,正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。,(2) 用数字式万用表检测,红表笔是(表内电源)正极， 黑表笔是(表内电源)负极。,2.4.1 半导体三极管使用基本知识,一、外型及引脚排列,二、万用表检测晶体三极管的方法,1. 根据外观判断极性；,3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏，PN 结正 偏时电阻值较小(几千欧以下)，反偏时电阻 值较大(几百千欧以上) 。,插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型 及管脚；,指针式万用表,注意事项：,在 R 1 k 挡进行测量。,红表笔是(表内)负极，黑表笔是(表内)正极。,测量时手不要接触引脚。,数字万用表,注意事项：, 红表笔是(表内电源)正极； 黑表笔是(表内电源)负极。 NPN 和 PNP 管分别按 EBC 排列插入不同的孔。 需要准确测量 值时，应先进行校正。,2. 插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型及管脚。,三、晶体三极管的选用(P89),1. 根据电路工作要求选择高、低频管。,2. 根据电路工作要求选择 PCM、 ICM 、 U(BR)CEO， 应保证：,PC PCm ICM Cm U(BR)CEO VCC,3. 一般三极管的 值在 40 100 之间为好，9013、 9014 等低噪声、高 的管子不受此限制 。,4. 穿透电流 ICEO 越小越好，硅管比锗管的小。,半导体器件的命名方式(P87), 2.2 三极管基本应用电路及其分析,基本放大器通常是指由一个三极管构成的单级放大器。根据输入、输出回路公共端所接的电极不同，实际有共射极、共集电极和共基极三种基本(组态)放大器。,下面以最常用的共射放大电路为例来说明放大器的一般组成原理。,信号源,负载,基本放大电路,放大电路的组成:,2.2.1 基本共射放大电路,一. 放大电路的组成,基本共发射极放大电路,信号源,负载,连接方式: 称为阻容耦合放大器,习惯画法,共发射极基本放大电路,VCC(直流电源)：, 使e结正偏、c结反偏 向负载和各元件提供功率,C1、C2(耦合电容)： 隔直流、通交流,Rb(基极偏置电阻)： 提供合适的基极电流,RC(集电极电阻)：, 将 iC uC ， 使电流放大 电压放大,组成 :,二、工作原理,作用：电压放大。,+,uCE,uo,t,ube,ui,iB,ic,ucE,uo,三、放大电路的两种工作状态,主要用于研究静态工作点Q（IBQ、ICQ、 IEQ 、 UBEQ 、 UCEQ）,(1) 静态（直流工作状态）,当 ui 0 时，即在没有输入交流信号时的工作状态。,直流通路,（2）动态 (交流工作状态),用于研究动态(交流)参数，如： Ro、Ri、Au等。,交流通路,课堂练习：P128 习题 2.3,当 ui 0 时, 即输入交流信号时的工作状态。,画法：电容C短路， 直流电源对交流信号短路。,四：放大电路的组成原则,保证三极管工作在放大区: e结正偏、c结反偏,（1）直流状态：,（2）交流状态：,在输入回路：ui,iB 的变化,引起,在输出回路：,ic,转换成,ucE,uo,静态分析,动态分析,计算机仿真,2.2.2 放大电路的分析方法,一：静态分析(直流分析),直流分析, 又称为静态分析, 用于求出电路的直流工作状态, 即基极直流电流IB; 集电极直流电流IC; 集电极与发射极间直流电压UCE。 ,在特性曲线上所对应的一个点称为 静态工作点Q。,Q点的实际意义：保证放大电路在信号放大过程中不失真,IBQ 、 UBEQ 、,1. 静态工作点的概念：,输入回路中：,输出回路中：,ICQ 、 IEQ 、 UCEQ,2. 静态工作点近似估算 (求Q点：,IBQ、,ICQ 、 IEQ ),直流通路,如图所示,硅管：,锗管：,IBQ,(1) 由基极回路求出静态时基极电流 IBQ :,(2) 根据三极管各极电流关系, 可求出 静态工作点的集电极电流ICQ：,再根据集电极输出回路可求出UCEQ,ICQ,反向,估算放大电路的静态工作点。设UCC=12 V,Rc=3k, Rb=280k, 50。 ,【例1】,(1) 输入回路图解法求解静态工作点,输入外电路方程为：,4 . 图解法确定静态工作点,(2) 输出回路图解法求解静态工作点,如图所示： 由图a、 b两端向左看, 其 iCuCE关系由三极管的输出特性曲线确定。,c,e,由图a、 b两端向右看, 其 iCuCE 关系由回路的电压方程表示:,直流斜率:,uCE与iC是线性关系, 只需确定两点 (M, N) 即可得到直流负载线,(3) 由上可得出用图解法求Q点的步骤: ,找出 iB=IBQ 这一条输出特性曲线, 与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求。,由基极回路求出IBQ 。,在输出特性曲线所在坐标中, 按直流负载线方程uCE=VCC-iCRc, 作出直流负载线。 ,如图(a)所示电路, 已知Rb=280k, Rc=3k, UCC=12V, 三极管的输出特性曲线如图(b)所示, 试用图解法确定静态工作点。 ,(a),(b),【例2】,解 : 首先写出直流负载方程, 并作出直流负载线:,然后, 由基极输入回路, 计算IBQ,直流负载线 与 iB=IBQ=40A 这一条特性曲线的交点, 即为Q点,从图上查出 : ICQ=2mA, UCEQ=6V。 (IBQ=40A),5. 电路参数对静态工作点的影响,(1) Rb对Q点的影响,改变 Rb (其他参数不变),R b iB ,Q 趋近截止区；,R b iB ,Q 趋近饱和区。,(2) Rc对Q点的影响,Rc的变化, 仅改变直流负载线的N点, 即仅改变直流负载线的斜率。 ,Rc增大, N点下降,Rc减小, N点上升, 。,N1,(3) VCC对Q点的影响,VCC 增大,(直流负载线 M 点和 N 点 同时增大),VCC 减小,(M、N 减小),IBQ,直流负载线平移,Vcc的变化不仅影响 M, N 点, 还影响IBQ。因此, Vcc对Q点的影响较复杂。 ,(直流负载线M点和N点同时增大),IBQ 增大,IBQ,VCC 增大,二：放大电路的动态分析,1. 图解法分析动态特性,VCC,+ ,RC,ui,+ ,(1) 交流负载线:,RL,改为：,交流负载线方程:,( ),斜率,(ui 0),L,交流通路,斜率,A 点坐标 ( , 0 ),M,N,直流负载线,交流负载线,交流负载线必通过静态工作点, 因为当输入信号ui的瞬时值为零时, 如忽略电容C1和C2的影响, 则电路状态和静态时相同。 另一特点是交流负载线的斜率由 表示。 ,交流负载线具有如下两个特点:,输入回路:,线性,非线性,线性,输出回路:,( 2 ) 动态图解,3,4,2, 放大电路的动态范围：,基本共发射极 电路的波形：,IBQ,ICQ,UCEQ,当 ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ uCE = UCEQ,当 ui = Uim sin t ib = Ibmsin t ic = Icmsin t uce = Ucem sin t uo = uce,iB = IBQ + Ibmsin t iC = ICQ + Icmsin t uCE = UCEQ Ucem sin t = UCEQ +Ucem sin (180 t),IBQ,ICQ,UCEQ, 交流信号、直流信号叠加, 将输出与输入的波形对照，可知两者的变化规律正好相反，通常称这种波形关系为反相或倒相。,2: 放大电路的非线性失真问题,因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出 了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。,1. “Q”过低引起截止失真,NPN 管： 顶部失真为截止失真。,PNP 管： 底部失真为截止失真。,不发生截止失真的条件：IBQ Ibm 或,交流负载线,ICQ RC U cem,原因：,2. “Q”过高引起饱和失真,不发生饱和失真的条件: UCEQ - UCES U cem,ICS,NPN 管： 底部失真为饱和失真。,PNP 管： 顶部失真为饱和失真。,不接负载时，交、直流负载线重合: V CC= VCC,(2) 最大不失真输出电压, 通过输出回路交流负载线确定,UCEQ -UCES,ICQ RC,Ucem,UCEQ -UCES,ICQ RC,三、小信号模型分析法(微变等效电路),非线性,线性,b,c,e,三极管电路可当成双口网络来分析,1. 小信号模型分析等效电路(微变等效电路),微变等效电路,从输入端口看进去，相当于电阻 rbe。 (小信号或微小变化的信号),rbb 三极管基区体电阻,从输出端口看进去为一个受 ib 控制的电流源,从输出端口,从输出端口,ic = ib ，, Hfe,2. 晶体三极管动态分析步骤：, 分析直流电路，求出“Q”，计算 rbe。, 画电路的交流通路 。, 在交流通路上画成小信号模型等效电路。 (微变等效电路), 分析计算交流指标。,交流通路,微变等效电路,放大电路,1.电压放大倍数,源电压放大倍数,2. 输入电阻,由于当Us=0时, Ib=0, 从而受控源Ib=0, 因此可直接得出: ,Ro = RC,例1：已知：,求：(1) Q点 ,（3）,（2）微变等效电路,解：,（1）,（3）:,（2）微变等效电路,2.3 单极性半导体三极管及其电路分析,场效应管 FET (Field Effect Transistor),利用电场效应来控制载流子运动的半导体器件。,特点：,电压 uGS控制电流iD,分类：,结型,N沟道,P沟道,JFET,绝缘栅型,增强型EMOS,耗尽型DMOS,N沟道,P沟道,MOSFET,增强型,耗尽型DMOS,EMOS,场效应管,2.3.1 结型场效应管(JFET),一 结构与符号,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,导电沟道: 在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。,将电子发源端称为源极(Source) ， 接收端称为漏极(Drain)。 在JFET中，源极和漏极是可以互换。,二. 工作原理,N沟道,漏极电流 ID,如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电ID。,G,负的电压UGS,正的电压UDS,因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。,输入阻抗,N,IG,1. 栅源电压UGS对导电沟道及ID的控制作用,(a) UGS =0，沟道最宽，ID最大； (b) UGS负压增大，沟道变窄，电阻变大, ID减小； (c) UGS负压进一步增大，沟道夹断， ID =0,栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流ID的变化，这就是JFET最重要的工作原理。,当| UGS |加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时， ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。,2.uDS 对 iD的影响,1) uDS形成电流 iD,iD = IDSS(uGS=0),随着 uDS 沟道将变窄,A,预夹断：耗尽层刚相碰时,此时 uGD = UGS(off)；,预夹断,1. 只有多数载流子导电， FET也称为单极型三极管。 2. PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。 3. JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制 4.预夹断前iD与uDS呈近似线性关系； 预夹断后， iD趋于饱和。电压uGS控制电流iD,综上分析可知：,三、JFET的伏安特性,1. 输出特性,(2) 恒流区(放大区),FET可看作一个受uGS控制的可变电阻,uGD=UGS(off)时称为预夹断,(1)可变电阻区,(4)击穿区,uDS，iD 不变,(3)截止区,uGS UGS(off) ，iD =0,截止区,低频跨导,uGS,UGS(off),四、P沟道JFET,(1) 导电的是空穴 (2) UGS(off) 0 偏置电压： VGS0 VDS0,5,5 V,2 V,0 V,(3) P沟道特性曲线与N沟道 的关 纵轴对称,N沟道,P沟道,注意iD的实际方向,2.3.2 绝缘栅型效应管(MOS管),一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,2. 工作原理,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形成感应导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,1) 导电沟道的形成(uGS 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th) (开启电压) 时，GB 间的垂直电 场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,反型层 (沟道),形成耗尽层,2) 加上UDS ( UDS 0 ),随着 uDS 沟道将变窄,DS 间的电位差使沟道呈楔形，uD