广东海洋大学 电路与电子学 上课课件 第4章2

1、 晶体管的放大作用晶体管的放大作用l晶体管放大作用的本质：晶体管放大作用的本质： iB对对iC或或iE对对iC的控制作用的控制作用。为什么能实现放大呢？为什么能实现放大呢？ 输入信号负载VEEVCCecbiEiC晶体管共基电路晶体管共基电路iBiC输入信号负载VCCVBB晶体管共射电路晶体管共射电路 关于关于PNP型晶体管型晶体管lPNP管与管与NPN管之间的差别：管之间的差别： (1)电压极性不同。电压极性不同。 (2)电流方向不同。电流方向不同。 VBBVCCbceiBiCiE(a) NPN型VBBVCCbceiBiCiE(b) PNP型NPN型和型和PNP型晶体管电路的差别型晶体管电路的

2、差别3. 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线l晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压和电流之间的关系曲线。压和电流之间的关系曲线。bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+- NPN型晶体管的电压和电流参考方向型晶体管的电压和电流参考方向l iC+iB=iE uCE =uBEuBC l通常是以发射极为公共端通常是以发射极为公共端，画出，画出iC、iB，uCE和和uBE四四个量的关系曲线，称为共个量的关系曲线，称为共射极特性曲线。射极特性曲线。 AVVmAiBiCVBBRW1RbRW2VCCuCE+uBE-+-测量测量NPN管共射特性曲线的电路图管共射特性曲线的

3、电路图 共射输入特性共射输入特性 luCE为一固定值时，为一固定值时，iB和和uBE之间的关系曲之间的关系曲线称为共射输入特性，即线称为共射输入特性，即CEuBEBufi)( iB(mA)uBE(V)0.20.40.60.80.020.040.060.080uCE = 0V1V5V3DG4的输入特性的输入特性20输入特性有以下几个特点：输入特性有以下几个特点： l当当uCE=0时，输入特性曲线与二极管的正时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线形状类似。向伏安特性曲线形状类似。ARW1VBBbecVuBE+-iBuCE =0时的晶体管时的晶体管l uCE增加，特性曲线右移。增加，特性曲线右移

4、。 uCE的大小影响基区内集电结边界电子的分布。的大小影响基区内集电结边界电子的分布。l uCE1V以后以后，特性曲线几乎重合。，特性曲线几乎重合。 uCE1V以后以后，基区中集电结边界处的电子浓度，基区中集电结边界处的电子浓度很低。很低。l与二极管的伏安特性相似与二极管的伏安特性相似 uBEUr 时，时，iB =0； Ur =0.5V (Si) Ur =0.1V (Ge)l正常工作时正常工作时 uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge) 共射输入特性共射输入特性 cebuBEiBiCiEuCE+_+_ PNP型晶体管的电压电流参型晶体管的电压电流参考方向考方向l电压极性、电流方

5、向电压极性、电流方向与与 N P N 型 管 不 同 。型 管 不 同 。PNP管的参考方向管的参考方向-uBE(V)iB(mA)00.10.20.30.40.040.080.120.16uCE = 0V-6V3AX1的输入特性的输入特性 共射输入特性共射输入特性 共射输出特性共射输出特性 liB为固定值时，为固定值时，iC和和uCE之间的关系曲线之间的关系曲线称为共射输出特性，即称为共射输出特性，即BiCECufi| )( (a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0

6、.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l 截止区截止区: 指指iB0，iCICEO的工作区域。在这个区域中，的工作区域。在这个区域中，电流电流iC很小，基本不导通，故称为截止区。工作在很小，基本不导通，故称为截止区。工作在截止区时，晶体管基本失去放大作用。截止区时，晶体管基本失去放大作用。(a)

7、3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l实际上，三极管在实际上，三极管在iB=0时并没有完全截止。为使三极管时并没有完全截止。为使三

8、极管真正截止，必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向真正截止，必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向基区注入载流子。基区注入载流子。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25

9、 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l 饱和区饱和区: 指输出特性中指输出特性中iC上升部分与纵轴之间的区域。上升部分与纵轴之间的区域。饱和区特性曲线的特点是固定饱和区特性曲线的特点是固定iB不变时，不变时，iC随随uCE的增加的增加而迅速增大。而迅速增大。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4

10、mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l饱和区是对应于饱和区是对应于uCE较小（较小（uCEUr，uBC0)。CEuCESUl饱和时的饱和时的 值称为饱和压降值称为饱和压降 BECEuu rBEBCUuu , 0l当当 时时 （ ），称），称为临界饱和。为临界饱和。 共射输出特性共射输出特性 l 放大区放大区: 输出特性上在饱和区和截止区之间的区域为放输出特性上在饱和区和截止区之间的区域为放大区。在这个区域里，大区。在这个区域里，iB0，uCEuBE，即，

11、即发射结是正发射结是正向偏置，集电结是反向偏置向偏置，集电结是反向偏置。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550 共射输出特性共射输出特性 l放大区的特点：

12、放大区的特点：iB固定，固定，uCE增加增加iC略有增加。略有增加。luCE固定，固定，iB变化变化iC变化很大，变化很大，iB对对iC的强烈控制作用。的强烈控制作用。(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特

13、性的输出特性510 15 20 25 30 35504. 晶体管的主要参数晶体管的主要参数l晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能指标。指标。l 电流放大系数电流放大系数BCEOCiIi 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数n它表示集电极电压它表示集电极电压uCE一定时，集电极电流和一定时，集电极电流和基极电流之间的关系基极电流之间的关系如果如果iCICEO则则BCii 电流放大系数电流放大系数 l A点对应的点对应的iC=6mA，iB=40AuCE(V)iC(mA)051015483.368.81216A20406080iB =100A3DG6的输出

14、特性的输出特性15004. 06BCii 电流放大系数电流放大系数 l 晶体管晶体管3AX3有较大的穿透电流有较大的穿透电流ICEO5504. 08 . 03 BCEOCiIi 0.823468-uCE(V)iC(mA)iB=00.02mA0.040.060.080.10.140.18B0 3AX3的输出特性的输出特性l 表示集电极负载短路（即表示集电极负载短路（即uCE保持不变）的条件保持不变）的条件下，下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比量之比，即，即 共射交流短路电流放大系数共射交流短路电流放大系数常数CEBCuii大表示只要基极电流很小

15、的变化，就可以控大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。用好。值的求法：值的求法：在在A点附近找两个点附近找两个uCE相同的点相同的点C和和D13804. 05 . 5 BCii 所以所以对应于对应于C点，点，iC=8.8mA，B=60A；对应于对应于D点，点，iC=3.3mA，iB=20A，iC =8.8-3.3=5.5mA，iB=60-20=40A，uCE(V)iC(mA)051015483.368.81216CDA20406080iB =100A3DG6的输出特性的输出特性 共射交流短路电流放大系数共射交流短

16、路电流放大系数用同样办法可以求出用同样办法可以求出3AX3工作在工作在B点的点的 值。值。 找出找出F点和点和G点，点，对应于对应于F点，点，iC=3.9mA，iB=0.06mA；对应于对应于G点，点，iC=1.8mA，iB=0.02mA；于是于是iC=3.9-1.8=2.lmA， iB=0.06-0.02=0.04mA，所以所以 =2.1/0.04=52.5-uCE(V)iC(mA)iB=00.02mA0.040.060.080.10.140.18FBG0 3AX3的输出特性的输出特性0.823468 共射交流短路电流放大系数共射交流短路电流放大系数l 定义定义ECiin 根据晶体管的电流分

17、配关系，可以得根据晶体管的电流分配关系，可以得到下列换算关系到下列换算关系 1111，共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 和共基交和共基交流电流放大系数流电流放大系数ECECBOCiiiIi 极间反向电流极间反向电流 集电极集电极-基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBOlICBO是指发射极开路，集电极与基极之是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也就是集间加反向电压时产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流。可用下图电路测电结的反向饱和电流。可用下图电路测出。出。AICBO(b) PNP管VAICBO(a) NPN管VICBO的测量 集电极集电极-基极反向饱和电流基极反

18、向饱和电流ICBOl反向电压大小改变时，反向电压大小改变时，ICBO的数值可能的数值可能稍有改变。稍有改变。lICBO是少数载流子电流，受温度影响很是少数载流子电流，受温度影响很大，大，ICBO越小越好。越小越好。l硅管的硅管的ICBO比锗管的小得多，要求在温比锗管的小得多，要求在温度变化范围宽的环境下工作时，应选用度变化范围宽的环境下工作时，应选用硅管；大功率管的硅管；大功率管的ICBO值较大，使用时值较大，使用时应予以注意。应予以注意。 穿透电流穿透电流ICEOlICEO是基极开路，集电极与发射极间加是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。由于这个电反向电压时的集电极电流。由

19、于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。测量为穿透电流。测量ICEO的电路如图所示。的电路如图所示。AbceICEO(a) NPN管管AbceICEO(b) PNP管管ICEO的测量的测量 穿透电流穿透电流ICEOl由图可见，由图可见，ICEO不单纯是一个不单纯是一个PN结的反向电流结的反向电流CBOCEOII)1( 所以，所以， 大的三极管的温度稳大的三极管的温度稳定性较差定性较差AbceICEO(a) NPN管管AbceICEO(b) PNP管管ICEO的测量的测量 极限参数极限参数 l 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCMl

20、晶体管电流晶体管电流iC与电压与电压uCE的乘积称为集电极耗散的乘积称为集电极耗散功率功率PC =iCuCE，这个功率将导致集电结发热，这个功率将导致集电结发热，温度升高。温度升高。l 因此，定出了集电极最大允许耗散功率因此，定出了集电极最大允许耗散功率PCM，工作时管子消耗的平均功率工作时管子消耗的平均功率PC必须小于必须小于PCM。 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM l 可以在输出特性的坐标上画出可以在输出特性的坐标上画出PCM=iCuCE的曲的曲线称为集电极最大功率损耗线。线称为集电极最大功率损耗线。l 例如，例如，3DG4的的PCM=300mW，l 根据根据iCuCE

21、=300mW，可以计算出功率损耗线上，可以计算出功率损耗线上的点：的点：uCE=5V时时iC=60mA；l uCE=l0V时时iC=30mA；uCE=l5V时，时，iC=20mA；uCE=20V时，时，iC=l5mA；uCE=30V时，时，iC=l0mA；uCE=40V时，时，iCE=7.5mA等等。等等。l 在输出特性坐标上找出这些点，并将它们连成在输出特性坐标上找出这些点，并将它们连成一条曲线即为最大功率损耗线，如图所示。一条曲线即为最大功率损耗线，如图所示。 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM l 曲线的左下方均满足此之此曲线的左下方均满足此之此PCU(BR)CEOU(B

22、R)EBO。 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM l集电极电流如果超过集电极电流如果超过ICM，晶体管的放大，晶体管的放大性能就要下降甚至可能损坏。性能就要下降甚至可能损坏。lPCM、U(BR)CEO和和ICM三个极限参数，决定三个极限参数，决定了晶体管的安全工作区。了晶体管的安全工作区。 频率参数频率参数l用来评价晶体管高频放大性能的参数。用来评价晶体管高频放大性能的参数。 共发射极截止频率共发射极截止频率fn晶体管共射短路电流放大系数晶体管共射短路电流放大系数 随信号随信号频率升高而下降，如图所示。频率升高而下降，如图所示。 下降到低频时的下降到低频时的0.707倍时倍时f 的值的

23、值fffT104105106107108101001000100.7070f的频率特性 特征频率特征频率fT n 下降到等于下降到等于1时的频率称为特征频率时的频率称为特征频率fT。 n通常高频晶体管都用通常高频晶体管都用fT来表征它的高频来表征它的高频放大特性。放大特性。 ff Tff n当频率当频率 后，有以下近后，有以下近似关系：似关系： ffT104105106107108101001000100.7070f的频率特性5.温度对晶体管参数的影响温度对晶体管参数的影响 n主要考虑温度对下述三个参数的影响：主要考虑温度对下述三个参数的影响：n共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数 n基射

24、极间正向电压基射极间正向电压uBEn集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流ICBO。 温度对温度对ICBO的影响的影响 lICBO是少数载流子形成的电流是少数载流子形成的电流 温度每升高温度每升高10，ICBO增加约一倍。增加约一倍。公式为：公式为：10002)()(TTCBOCBOTITI l通常手册上给出的通常手册上给出的ICBO是温度为是温度为25时时的值，如果实际工作温度高于的值，如果实际工作温度高于25，则，则应用上式算出实际值。应用上式算出实际值。 温度对温度对 的影响的影响n温度升高时温度升高时 随之增大。一般的，温度每随之增大。一般的，温度每升高升高1， 增加约增加约(0.51)

25、%，即，即CoTCo/)%15 . 0(251 称为称为 的温度系数。的温度系数。 TC)25(1on晶体管晶体管的曲线的曲线随温度升高间距增大。随温度升高间距增大。 uCE(V)iC(mA)05101512302040iB =60A输出特性输出特性02040iB =60A25100 温度对温度对 的影响的影响温度对基温度对基-射电压射电压uBE的影响的影响l温度升高时，对于同样的发射极电流，晶温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的基体管所需的基-射电压射电压uBE减小。减小。l图中给出低频小功率锗管在图中给出低频小功率锗管在iE为恒定值时，为恒定值时，uBE与温度的关系曲线。与温度的

26、关系曲线。l温度每升高温度每升高l，|uBE|大约减小大约减小2mV。l无论硅管或锗管，无论硅管或锗管，uBE受温度的影响基本受温度的影响基本相同相同)()(.()()(mVTT5281TuTu00BEBE iB(uA)uBE(V)0.30.60.940uCE=2V输入特性输入特性25150123温度对基温度对基-射电压射电压uBE的影响的影响4.4 场效应管场效应管 场效应管是由一种载流子参与导电的半导体器件场效应管是由一种载流子参与导电的半导体器件是用输入电压控制输出电流的的半导体器件。是用输入电压控制输出电流的的半导体器件。按结构来划分，它有两大类。按结构来划分，它有两大类。 结型场效应

27、三极管结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister) 绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）1. 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET分为分为 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 结构和工

28、作原理结构和工作原理 结构结构 N沟道增强型沟道增强型MOSFET结构示意图和符号图结构示意图和符号图 d(Drain)为漏极，相当为漏极，相当c g(Gate)为栅极，相当为栅极，相当b s(Source)为源极，相当为源极，相当el 绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏道的宽窄，从而控制漏-源极间电流的大小源极间电流的大小l感生沟道的形成感生沟道的形成 工作原理工作原理uGS铝铝SiO2P衬底型硅衬底型硅耗尽区耗尽区受主离子受主离子（a）uGS0时，形成空间电荷区时，形成空间电荷区。当。当uGSUT，形成导电沟道。，形成导

29、电沟道。 UT开启电压。开启电压。luGS越大，则越大，则导电沟道越宽，导电沟道越宽，沟道电阻越小，沟道电阻越小， iD越大越大 。 工作原理工作原理l当当uGSUT 时，时，uDS0 iD有有电流。电流。 当当uDS较小时，较小时， uGD= uGS - uDS UT，沟道各处宽度基本不变，沟道各处宽度基本不变电阻不电阻不变变 iD与与uDS线性关系。线性关系。l当当uGS0 iD=0l漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流i iD的影响的影响 工作原理工作原理uDS uGD d处变窄，处变窄，s处不变处不变电阻电阻 iD与与uDS非非线性关系。线性关系。当当uGD =UT时时d处沟道消

30、失处沟道消失 预夹断。预夹断。uDS uGD0时，将加强由绝缘层中正离子产生的电场，感生沟时，将加强由绝缘层中正离子产生的电场，感生沟道加宽，道加宽， iD增大。增大。l当栅、源极间加反向电压，即当栅、源极间加反向电压，即uGS Up ，有感生，有感生沟道存在时，漏源电沟道存在时，漏源电压压uDS作用对作用对iD的影响的影响，以及，以及uGS对导电沟道对导电沟道宽窄及宽窄及iD大小的控制大小的控制作用都与增强型作用都与增强型MOS管相同。管相同。l在在uGSUp时，没有时，没有导电沟道，导电沟道， iD =0，管子截止。管子截止。 特性曲线特性曲线 PGSDSUuu l输出特性线分为三个区：输

31、出特性线分为三个区：可变可变电阻区、恒流区和截止区。电阻区、恒流区和截止区。l其预夹断点轨迹线方程为其预夹断点轨迹线方程为 l转移特性的表达式为转移特性的表达式为 )(PGSDSSDUu1Ii uDS(V)iD(mA)0481248261012-1012uGS =3V输出特性曲线输出特性曲线-21602iD（mA）uGS（V）1234UP4681012uDS=10V转移特性曲线转移特性曲线-3IDSS 主要参数主要参数 l夹断电压夹断电压UP 物理意义是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电物理意义是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。实际测量时，是在规定的压。实际测量时，是在规定的uDS条件下，使

32、条件下，使iD减小到减小到规定的微小值时所需的规定的微小值时所需的uGS值。值。l 零偏漏极电流零偏漏极电流IDSS 为为uDS在恒流区范围内，且在恒流区范围内，且uGS =0V时的时的iD值，亦称值，亦称饱和漏极电流。它反映了零栅压时原始沟道的导电能饱和漏极电流。它反映了零栅压时原始沟道的导电能力。力。2. 结型场效应管结型场效应管l结型场效应管常用英文缩写结型场效应管常用英文缩写JFET来表示来表示（Junction Field Effect Transistor)。l两种类型，分为两种类型，分为N沟道和沟道和P沟道两类。沟道两类。l 在一块在一块N型半导体的两边制作高掺杂浓度的型半导体的两边制作高掺杂浓度的P+区，形成两个区，形成两个PN结，彼此相连作为栅极。在结，彼此相连作为栅极。在N型半导体的两端各引出一型半导体的两端各引出一个电极作源极和漏极。两个个电极作源极和漏极。两个P+区中间的区中间的N型半导体，在加上型半导体，在加上正向正向uDS电压时就有电流流过，故称为电压时就有电流流过，故称为N沟道。图为沟道。图为N沟道沟道结型场效应管结构示意及符号图。栅极箭头指向源极的是结型场效应管结构示意及符号图。栅极箭头指向源极的是N沟道，反之为沟道，反之为P沟道。沟道。2. 结型