三极管及场效应管原理及参数

1、晶体三极管一、三极管的电流放大原理晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。图1、晶体三极管（NPN）的结构图一是NPN管的结构图，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电

2、源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：Ie=I

3、b+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib式中：-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：= Ic/Ib式中-称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。二、三极管的特性曲线1、输入特性图2 （b)是三极管的输入特性曲线，它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在0-2伏范围内

4、，曲线位置和形状与Uce 有关，但当Uce高于2伏后，曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线（和）表示即可。2）当UbeUbeR时，IbO称（0UbeR)的区段为“死区”当UbeUbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直线的区段。3）三极管输入电阻，定义为:rbe=(Ube/Ib)Q点，其估算公式为：rbe=rb+(+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。2、输出特性输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数）从图2（C）所示的输出特性可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。截止区 当Ube0时，则Ib0，发射区没有

5、电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时Iceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是：Iceo=(1+)Icbo常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的Icbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12，Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8，Icbo数值增大一倍，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。饱和区 当发射结和

6、集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。图2、三极管的输入特性与输出特性截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域，三极管和导通时，工作点落在饱和区，三极管截止时，工作点落在截止区。三、三极管的主要参数1、直流参数（1）集电极一基极反向饱和电流Icbo，发射极开路（Ie=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，Icbo很小，小功率锗管的Icbo约为110微安，大功率锗管的Icbo可达数毫安，而硅管的I

7、cbo则非常小，是毫微安级。（2）集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流）基极开路（Ib=0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。Iceo大约是Icbo的倍即Iceo=(1+)Icbo o Icbo和Iceo受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的Iceo比硅管大。（3）发射极-基极反向电流Iebo 集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。（4）直流电流放大系数1（或hEF） 这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：1

8、=Ic/Ib2、交流参数（1）交流电流放大系数（或hfe） 这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量Ic与基极输入电流的变化量Ib之比，即：= Ic/Ib一般晶体管的大约在10-200之间，如果太小，电流放大作用差，如果太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。（2）共基极交流放大系数（或hfb） 这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是Ic与发射极电流的变化量Ie之比，即：=Ic/Ie因为IcIe，故1。高频三极管的0.90就可以使用与之间的关系：= /（1+）= /（1-）1/（1-）（3）截止频率f、f 当下降到低频时0.707倍的频率，就是共发射极的截止频率f；当下降到低频时的0.

9、707倍的频率，就是共基极的截止频率fo f、f是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：f（1-）f（4）特征频率fT因为频率f上升时，就下降，当下降到1时，对应的fT是全面地反映晶体管的高频放大性能的重要参数。3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM 当集电极电流Ic增加到某一数值，引起值下降到额定值的2/3或1/2，这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但值显著下降，影响放大质量。（2）集电极-基极击穿电压BVCBO 当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。（3）发射极-基极反向击穿电压BVEBO 当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为

10、BVEBO。（4）集电极-发射极击穿电压BVCEO 当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果VceBVceo，管子就会被击穿。（5）集电极最大允许耗散功率PCM 集电流过Ic，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=Uce×Ic.使用时庆使PcPCM。PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。一、三极管1.三极管的放大作用图1是收信放大管的结构及符号图，栅极用符号g表示，栅极具有控制阳极电流ia的作用。由于栅极与阴极之间的距离较阳极与阴极间的距离近得多，所以栅

11、极对阴极发射电子的影响也较阳极的影响大得多，即是说栅极控制电子的能力要比阳极大得多，栅压ug有多少量的变化，就能引起阳极电流ia发生较大的变化，这就是三极管具有放大作用的原因。图1三极管结构及符号2.三极管的静态特性曲线（1）阳极特性曲线，指栅压ug为常数时，阳极是电流ia与阳极电压ua的变化关系曲线，采用图2的线路可测出在极管阳极特性曲线，图3表示6N8P的阳极特性曲线簇。图2、测量三极管静态特性曲线的电路从阳极特性的曲线簇可以看出：1）它的每条曲线形状和二极管的行性曲线相似，栅压愈负，曲线愈向右移。这是因为栅压为负进，只有当阳极电压增加到能够抵消在阴极附近产生的排斥电场以后，才会产生阳极电

12、流。2）特性曲线的大部分是彼此平行的直线，间隔也比较均匀，但在阳极电流较低的部分，曲线显得弯曲。3）从图中还可以看出，栅压电流可变化4毫安，若栅压保持-8伏不变，要使阳极电流变化4毫安，则阳极电压应变化40伏才行，这说明书栅压对阳极电流的控制作用是阳极电压控制作用的20倍。（2）阳栅特性曲线，指阳极电压为常数时，阳极电流ia与栅压ug的变化关系曲线。仍用图2测量阳栅特性曲线。只要把阳极电压ua固定在某一数值上，然后一条阳栅特性曲线，在不同的阳极电压下作出很多条曲线就组成特性曲线簇。图4为6N8P阳栅特性曲线簇。图3、6N8P阳极特性曲线图4、6N8P阳栅特性曲线从曲线簇可以看出：1）在阳极电压

13、为定值时，随着负栅压的增加，阳极电流减小。当负栅压增加到某一个数值时，阳极电流减小到零，这时称为阳极电流截止，对应的栅压称为截止栅压。2）阳极电压越高，特性曲线越往左移，这是因为阳极电压越高，要使阳极电流截止的负栅压也越大。3）从图中还可看出栅压变化对阳极电流的变化影响很大。3.三极管的参数（1）跨导跨导的定义是：在阳压保持不变时，栅压ug在某一工作点上变化一个增量ug，将引起阳极流ia相应地弯化一个增量ia，比值ia/ig称为跨导，用符号S表示，即：S=ia/ig|ua（固定）（毫安/伏）跨导具有电导的性质，其物理意义是：在阳压固定不变的条件下，当栅压变化1伏时，阳流变化了多少毫安。它表明栅

14、压控制阳流的能力，跨导越大，栅压控制阳流的能力就越强。电子管的跨导可以从已知的阳栅特性曲线簇上求出。特性曲线的不同部分的跨导值是不一样的。曲线越陡（即斜率越大）跨导就越大，所以在特性曲线的直线部分，跨导最大，而且各点跨导差不多相同，因此，电子管手册中给出的跨导，都是指直线部分的跨导值，一般三极管的跨导值约为210（毫安/伏）（2）内阻内阻的定义是：在栅压保持不变时，阳压ua在某一工作点上弯化一个增量ua，将引起阳流相应地变化一个增量ia，比值ua/ia称为内阻，用符号Ri表示，即：Ri=ua/ia|ig（固定）（欧姆）当ia为毫安，ua为伏时，则Ri为千欧。内阻的物理意义是：在栅压保持不公的条

15、件下，阳流变化1毫安，阳压需要变化多少伏，这表明了阳极对阳流的控制能力，内阻越小，阳压控制阳流的能力就越强。内阻也可以从阳极特性曲线上求出，由于电子管的阳极特性曲线不是直线，所以曲线上各点的内阻值也不相同，曲线越陡（即斜率越大）时，内阻越小，曲线越平直（即斜率越小）则内阻越大，一般三极管内阻值为500欧至100千欧之间。（3）放大系数放大系数的定义是：阳压变化一个增量ua为了保持阳流不变，栅压ug必须相应地变化一个ug，ua与ug比值的绝对值，称为放大系数，用符号表示，即：=ua/ug|ia（固定）放大系数没有单位，它表明栅压对阳流的影响比阳压对阳流的影响大多少倍，一般三极管的放大系数在510

16、0之间。（4）三个参数之间的关系电子管的三个参数S、Ri和三者之间有一定的关系，这个关系可用下式求得：根据Ri的定义：Ri=ua/ia，因为增量ua与ia一定是同符号的，所以Ri=ua/ia=|ua/ia|又根据S的定义：S=ia/ua增量ia与ug也是同符号的，所以S=ia/ia=|ia/ug|把Ri与S相乘可得RiS=|ua/ia|×|ia/ug|=ua/ig=（倍）则可以写成=RiS这个方程称为电子管的内部方程。它表示电子管的三个参数之间的相互关系，即放大系数等于内阻与跨导的乘积。4.三极管的极间电容及其影响电子管的电极是由金属制成的，并被介质-真空所隔开，因此，各电极之间存在

17、着电容，这些电容叫做极间电容。三极管有三个极间电容，如图5所示，栅极和阴极之间的电容Cgk叫做输入电容，阳极和阴极之间的电容Cak叫做输出电容，阳极和栅极之间的电容Cag叫做跨路电容，各个极间电容量大致在120皮法范围内。图5、三极管的极间电容电子管的极间电容对电子管电路的工作性能有影响，影响最大的是跨路是电容Cag，特别是在高频工作时，由于Cag的容抗下降，阳极回路的交流电压通过它反馈回栅极，使电路工作变得极不稳定，甚至产生自激。Cgk和Cak对电路性能的影响不显著。场效应管场效应管（英缩写FET）是电压控制器件，它由输入电压来控制输出电流的变化。它具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数

18、低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。供应信息需求信息一、场效应管的结构原理及特性场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N沟道和P沟道两种导电沟道。1、结型场效应管（JFET）（1）结构原理 它的结构及符号见图1。在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P区，形成两个PN结。在P区引出电极并连接起来，称为栅极Go这样就构成了N型沟道的场效应管图1、N沟道结构型场效应管的结构及符号由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，从图1中可见，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟

19、道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。（2）特性曲线1）转移特性图2（a）给出了N沟道结型场效应管的栅压-漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流。用IDSS表示。VGS变负时，ID逐渐减小。ID接近于零的栅极电压称为夹断电压，用VP表示，在0VGSVP的区段内，ID与VGS的关系可近似表示为：ID=IDSS（1-|VGS/VP|）其跨导gm为：gm=（ID/VGS）|VDS=常微（微欧）|式中：ID-漏极电流增量（微

20、安）VGS-栅源电压增量（伏）图2、结型场效应管特性曲线2）漏极特性（输出特性）图2(b)给出了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线 很相似。可变电阻区（图中I区）在I区里VDS比较小，沟通电阻随栅压VGS而改变，故称为可变电阻区。当栅压一定时，沟通电阻为定值，ID随VDS近似线性增大，当VGSVP时，漏源极间电阻很大（关断）。IP=0；当VGS=0时，漏源极间电阻很小（导通），ID=IDSS。这一特性使场效应管具有开关作用。恒流区（区中II区）当漏极电压VDS继续增大到VDS|VP|时，漏极电流，IP达到了饱和值后基本保持不变，这一区称为恒流区或饱和区，在这里，对于不同的VGS漏极特性曲线近似平行线，即ID与VGS成线性关系，故又称线性放大区。击穿区（图中区）如果VDS继续增加，以至超过了PN结所能承受的电压而被击穿，漏极电流ID突然增大，若不加限制措施，管子就会烧坏。2、绝缘栅场效应管它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。（1）结构原理它的结构、电极及符号见图3所示，以一块P型薄硅片作为衬底，在它上面扩散两个高杂质的N型区，作为源极S和漏极D。在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引