晶体三极管和场效晶体管02(1)

1、第第 2 章晶体三极管和场效晶体管章晶体三极管和场效晶体管本章学习目标本章学习目标2.1晶体三极管晶体三极管2.2场效晶体管场效晶体管本章小结本章小结本章学习目标本章学习目标1. 理解晶体管的结构和分类，熟悉其外形、图形符号。掌理解晶体管的结构和分类，熟悉其外形、图形符号。掌握三极管电流分配关系。握三极管电流分配关系。2. 掌握三极管的输入特性、输出特性及三种工作状态，了掌握三极管的输入特性、输出特性及三种工作状态，了解其主要参数。解其主要参数。3. 掌握用万用表对三极管进行测试的方法。掌握用万用表对三极管进行测试的方法。4. 了解场效晶体管的类型及工作原理，熟悉其图形符号，了解场效晶体管的类

2、型及工作原理，熟悉其图形符号，理解其转移特性和输出特性，了解其使用的注意事项。理解其转移特性和输出特性，了解其使用的注意事项。2.1晶体三极管晶体三极管2.1.1三极管的结构、分类和符号三极管的结构、分类和符号 2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式三极管的工作电压和基本连接方式2.1.3三极管内电流的分配和放大作用三极管内电流的分配和放大作用2.1.4三极管的输入和输出特性三极管的输入和输出特性2.1.5三极管主要参数三极管主要参数2.1.6三极管的简单测试三极管的简单测试2.1晶体三极管晶体三极管晶体三极管：晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流是一种利用输入电流控制输出电流的

3、电流控制型器件。控制型器件。特点：特点：管内有两种载流子参与导电。管内有两种载流子参与导电。2.1.1三极管的结构、分类和符号三极管的结构、分类和符号一、晶体三极管的基本结构一、晶体三极管的基本结构1三极管的外形三极管的外形特点：特点：有三个电有三个电极，故称极，故称三极管三极管。 2三极管的结构三极管的结构三极管的结构图三极管的结构图特点：特点：有三个区有三个区 发射区、基区、集电区；发射区、基区、集电区；两个两个 PN 结结 发射结发射结( (BE 结结) )、集电结、集电结( (BC 结结) )；三个电极三个电极 发射极发射极 e( (E) ) 、基极、基极 b( (B) ) 和集电极和

4、集电极 c( (C) )；两种类型两种类型 PNP 型管和型管和 NPN 型管。型管。 工艺要求：工艺要求：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。比发射区体积大且掺杂少。二、晶体三极管的符号二、晶体三极管的符号三极管符号三极管符号箭头：箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：文字符号：V 三、晶体三极管的分类三、晶体三极管的分类1三极管有多种分类方法。三极管有多种分类方法。按内部结构分：按内部结构分：有有 NPN 型和型和 PNP 型管；型管；按工作频率分：按工作频率分：有

5、低频和高频管；有低频和高频管；按功率分：按功率分：有小功率和大功率管；有小功率和大功率管；按用途分：按用途分：有普通管和开关管；有普通管和开关管；按半导体材料分：按半导体材料分：有锗管和硅管等等。有锗管和硅管等等。2国产三极管命名法：见国产三极管命名法：见电子线路电子线路（陈其纯主编）（陈其纯主编）P261 附录。附录。例如：例如：3DG 表示高频小功率表示高频小功率 NPN 型硅三极管；型硅三极管； 3CG 表示高频小功率表示高频小功率 PNP 型硅三极管；型硅三极管； 3AK 表示表示 PNP 型开关锗三极管等。型开关锗三极管等。2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式三极管的工作电压和基

6、本连接方式一、晶体三极管的工作电压一、晶体三极管的工作电压 三极管的基本作用三极管的基本作用是放大电信号。是放大电信号。三极管工作在放大状态的外部条件是：三极管工作在放大状态的外部条件是：发射结加正向电压，发射结加正向电压，集电结加反向电压。集电结加反向电压。三极管电源的接法三极管电源的接法三极管电源的接法三极管电源的接法V为三极管为三极管GC为集电为集电极电源极电源GB为基极电为基极电源，又称偏源，又称偏置电源置电源Rb为基极为基极电阻电阻Rc为集电为集电极电阻。极电阻。 二、晶体三极管在电路中的基本连接方式二、晶体三极管在电路中的基本连接方式有三种基本连接方式：有三种基本连接方式：共发射极

7、、共基极和共集电极接共发射极、共基极和共集电极接法。最常用的是共发射极接法。法。最常用的是共发射极接法。三极管在电路中的三种基本连接方式三极管在电路中的三种基本连接方式2.1.3三极管内电流的分配和放大作用三极管内电流的分配和放大作用一、电流分配关系一、电流分配关系测量电路如图测量电路如图调节电位器，测得发射极电流、基极电流和集电极电调节电位器，测得发射极电流、基极电流和集电极电流的对应数据如表所示。流的对应数据如表所示。因因 IB 很小，则很小，则IC IE IE = IC + IB由表可见，三极管中电流分配关系如下：由表可见，三极管中电流分配关系如下：IB/mA-0.00100.010.0

8、20.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96 说明：说明：1IE = 0 时，时，IC = - -IB = ICBO 。ICBO 称为集电极称为集电极基极反向饱和电流，见图基极反向饱和电流，见图 2.1.7( (a) ) 。一般一般 ICBO 很小，与温度有关。很小，与温度有关。2 IB = 0 时，时，IC = IE = ICEO 。ICEO 称为集电极称为集电极发发射极反向电流，又叫射极反向电流，又叫 穿透电穿透电流流，见图，见图 ( (b) )。ICEO 越小，三极管温度越小，三

9、极管温度稳定性越好。硅管的温度稳稳定性越好。硅管的温度稳定性比锗管好。定性比锗管好。ICBO 与与 ICEO示意图示意图二、晶体三极管的电流放大作用二、晶体三极管的电流放大作用当基极电流当基极电流 IB 由由 0.01 mA 变到变到 0.02 mA 时，集电极电流时，集电极电流 IC 由由 0.56 mA 变到变到 1.14 mA 。上面两个变化量之比为。上面两个变化量之比为58mA01. 0mA58. 0BC II这说明，当这说明，当 IB 有一微小变化时，就能引起有一微小变化时，就能引起 IC 较大的变化，较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。比值用符号这种现象称为三极管的电流放

10、大作用。比值用符号 来表示，来表示，称为共发射极交流电流放大系数，简称称为共发射极交流电流放大系数，简称“交流交流 ” ，即，即BCII 结论：结论： 1三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用基极电流基极电流 IB 微小的变化，微小的变化，引起集电极电流引起集电极电流 IC 较大变化。较大变化。BCII 2交流电流放大系数交流电流放大系数 表示三极管放大交流电流的能表示三极管放大交流电流的能力力 4通常通常 ， ，所以可表示为，所以可表示为 BCII BCII考虑考虑 ICEO ，则，则CEOBCIIIBCII 3直流电流放大系数直流电流放大系数 表示三极管放大直流电流的能表示三极管放大直流

11、电流的能力力 2.1.4三极管的输入和输出特性三极管的输入和输出特性一、共发射极输入特性曲线一、共发射极输入特性曲线集射极之间的电压集射极之间的电压 VCE 一一定时，发射结电压定时，发射结电压 VBE 与基极与基极电流电流 IB 之间的关系曲线。之间的关系曲线。共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线由图可见：由图可见：1当当V CE 2 V 时，特性时，特性曲线基本重合。曲线基本重合。2当当 VBE 很小时，很小时，IB 等于等于零，三极管处于截止状态。零，三极管处于截止状态。共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线4三极管导通后，三极管导通后，VBE 基本基本不变。硅管约为不变。硅管约为

12、 0.7 V ，锗管，锗管 约约为为 0.3 V ，称为三极管的导通电，称为三极管的导通电压。压。5VBE 与与 IB 成非线性关系。成非线性关系。3当当 VBE 大于门槛电压大于门槛电压( (硅管约硅管约 0.5 V，锗管约，锗管约 0.2 V) )时，时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。逐渐增大，三极管开始导通。二、晶体三极管的输出特性曲线二、晶体三极管的输出特性曲线基极电流一定时，集、射极之间的电压与集电极电流的基极电流一定时，集、射极之间的电压与集电极电流的关系曲线。关系曲线。动画动画 晶体三极管的输出特性曲线晶体三极管的输出特性曲线输出特性曲线可分为三个工作区输出特性曲线可分为三个工

13、作区:1截止区截止区条件：条件：发射结反偏或两端电压为零。发射结反偏或两端电压为零。 特点：特点： IB = 0，IC = ICEO 。2饱和区饱和区条件：条件：发射结和集电结均为正偏。发射结和集电结均为正偏。 特点：特点：VCE = VCES。VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为，锗管约为 0.1 V。3放大区放大区条件：条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。特点：特点： IC 受受 IB 控制控制 ，即，即 IC = IB 。在放大状态，当在放大状态，当 IB 一定时，一定时，IC 不随不随 VCE 变化，即放大状变化，即

14、放大状态的三极管具有恒流特性。态的三极管具有恒流特性。 2.1.5三极管主要参数三极管主要参数三极管的参数三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。是表征管子的性能和适用范围的参考数据。一、共发射极电流放大系数一、共发射极电流放大系数 1直流放大系数直流放大系数2交流放大系数交流放大系数 电流放大系数一般在电流放大系数一般在 10 100 之间。太小，放大能力弱，之间。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般取太大易使管子性能不稳定。一般取 30 80 为宜。为宜。 二、极间反向饱和电流二、极间反向饱和电流1集电极集电极 基极反向饱和电流基极反向饱和电流 ICBO。2集电极集电极

15、 发射极反向饱和电流发射极反向饱和电流 ICEO。ICEO = ( 1 + ) ICBO 反向饱和电流随反向饱和电流随温度温度增加而增加，是管子工作状态不稳增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。因此，常把它作为定的主要因素。因此，常把它作为判断管子性能判断管子性能的重要依据。的重要依据。硅硅管管反向饱和电流反向饱和电流远远小小于于锗锗管，在温度变化范围大的工作环管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。境应选用硅管。 三、极限参数三、极限参数1集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 三极管工作时，当集电极电流超过三极管工作时，当集电极电流超过 ICM 时，管子性能将显时，管子性能将

16、显著下降，并有可能烧坏管子。著下降，并有可能烧坏管子。2集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。管子性能变坏或烧毁。3集电极集电极 发射极间反向击穿电压发射极间反向击穿电压 V(BR)CEO 管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。当电压越过此值时，管子将发生电击穿，若电击穿导致热击当电压越过此值时，管子将发生电击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。穿会损坏管子。2.1.6三极管的简单测试三极管的简单测试判别

17、硅管和锗管的测试电路判别硅管和锗管的测试电路 一、硅管或锗管的判别一、硅管或锗管的判别当当V = 0.10.3V时为时为锗管。锗管。当当V =0. .60. .7V时，时，为硅管为硅管二、估计比较二、估计比较 的大小的大小 NPN 管估测电路如图所示。管估测电路如图所示。估测估测 的电路的电路万用表设置在万用表设置在 R 1 k 挡，测量并比较开关挡，测量并比较开关 S 断开和接通断开和接通时的电阻值。前后两个读数相差越大，说明管子的时的电阻值。前后两个读数相差越大，说明管子的 越高，即越高，即电流放大能力越大。电流放大能力越大。估测估测 PNP 管时，将万用表两只表笔对换位置。管时，将万用表

18、两只表笔对换位置。 三、估测三、估测 ICEONPN 管估测电路如图所示。所测阻值越大，说明管子的管估测电路如图所示。所测阻值越大，说明管子的 ICEO 越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为零，三极越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为零，三极管短路。管短路。 测测 PNP 型管时，红、黑表笔对调，方法同前。型管时，红、黑表笔对调，方法同前。I CEO 的的估测估测四、四、NPN 管型和管型和 PNP 管型的判断管型的判断基极基极 b 的判断的判断将万用表设置在将万用表设置在 R 1 k 或或 R 100 k 挡，用黑表笔和任一挡，用黑表笔和任一管脚相接管脚相接( (假设它是基极假设它是

19、基极 b) )，红表笔分别和另外两个管脚相接，红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是是 NPN 型的管子。如图型的管子。如图( (a) )所示。如果按上述方法测得的结果所示。如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是均为高阻值，则黑表笔所连接的是 PNP 管的基极。如图管的基极。如图 ( (b) )所所示。示。五、五、e、b、c 三个管脚的判断三个管脚的判断估测估测 的电路的电路如图所示，首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测如图所示，首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测 值

20、的方法判断值的方法判断 c 、e 极。极。方法是先假定一个待定电极为集电极方法是先假定一个待定电极为集电极( (另一个假定为发射另一个假定为发射极极) )接入电路，记下电阻表的摆动幅度，接入电路，记下电阻表的摆动幅度，然后再把两个待定电然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。摆动幅度大的一次，黑摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极表笔所连接的管脚是集电极 c，红表笔所连接的管脚为发射红表笔所连接的管脚为发射极极 e。测测 PNP 管时，只要把图管时，只要把图 示电路中红、黑表笔对调位示电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方

21、法测试。置，仍照上述方法测试。2.2场效晶体管场效晶体管2.2.1结型场效晶体管结型场效晶体管2.2.2绝缘栅场效晶体管绝缘栅场效晶体管2.2.3场效晶体管的主要参数和特点场效晶体管的主要参数和特点工程应用工程应用2.2场效晶体管场效晶体管 场效晶体管场效晶体管：是利用输入电压产生的电场效应控制是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。输出电流的电压控制型器件。特点：特点：管子内部只有一种载流子参与导电，称为单管子内部只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。极型晶体三极管。2.2.1结型场效晶体管结型场效晶体管N 沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管P 沟道结型场效晶体管

22、沟道结型场效晶体管一、结构和符号一、结构和符号N 沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；P 沟道结沟道结型场效晶体管如图所示。型场效晶体管如图所示。特点：特点：由两个由两个 PN 结和一个导电沟道所组成。三个电极分结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极别为源极 S、漏极、漏极 D 和栅极和栅极 G。漏极和源极具有互换性。漏极和源极具有互换性。工作条件：工作条件：两个两个 PN 结加反向电压。结加反向电压。二、工作原理二、工作原理以以 N 沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。动画结型场效晶体管结构动画结

23、型场效晶体管结构工作原理如下：工作原理如下：VDS 0； VGS 0 ，在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层，在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层，使漏极和源极之间产生导电沟道。在漏、源极间加一正向电使漏极和源极之间产生导电沟道。在漏、源极间加一正向电压压 VDS 时，将产生电流时，将产生电流 ID 。开启电压开启电压 VT ：增强：增强型型 MOS 管开始形成反型管开始形成反型层的栅源电压。层的栅源电压。N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理 N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理 ( (3) )在在 VDS 0 时：时：若若

24、VGS VT ，出现反型层，出现反型层( (即即导电沟道导电沟道) ) ，D、S 之间之间有电有电流流 ID 流过流过；若若 VGS 逐渐逐渐增大增大，导电沟道导电沟道变宽变宽，ID 也也随之逐渐随之逐渐增大增大，即，即 VGS 控制控制 ID 的变化。的变化。2N 沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管夹断电压：夹断电压：使使 ID = 0 时的栅源电压。时的栅源电压。 结构及符号如结构及符号如图所示。图所示。特点：特点：管子本身已形成导电沟道。管子本身已形成导电沟道。 N 沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管 N 沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管沟道耗尽型绝缘栅场效

25、晶体管工作原理：在工作原理：在 VDS 0 时，时，当当 VGS = 0 导电沟道有电流导电沟道有电流 ID；当当 VGS 0 并逐渐增大时，沟道变宽，使并逐渐增大时，沟道变宽，使 ID 增大；增大； 当当 VGS VT 时，时，ID 0 。 耗尽型耗尽型：当当 VGS = 0 时，时， ID 0 ；当当 VGS 为负电压时为负电压时 ID 减小；减小；当当 VGS = VPS 时，时， ID = 0 。 2输出特性曲线输出特性曲线3跨导跨导可调电阻区可调电阻区饱和区饱和区击击穿区穿区三个区三个区的含义与结型管输出特性的含义与结型管输出特性曲线曲线三个区相同。三个区相同。N 沟道沟道 MOS

26、管输出特性曲线管输出特性曲线常数DSGSDmVVIg 三、绝缘栅场效晶体管的图形符号三、绝缘栅场效晶体管的图形符号MOS 管的图形符号管的图形符号 注意注意 N、P 沟沟道的区别在于道的区别在于图中箭头的指图中箭头的指向相反。向相反。2.2.3场效晶体管的主要参数和特点场效晶体管的主要参数和特点一、主要参数一、主要参数1直流参数直流参数 ( (1) )开启电压开启电压 VT 在在 VDS 为定值的条件下，增强型场效晶体管开始导通为定值的条件下，增强型场效晶体管开始导通( (ID 达到某一定值，如达到某一定值，如 10 A) )时，所需加时，所需加 VGS 的值。的值。( (2) )夹断电压夹断

27、电压 VP 在在VDS 为定值的条件下，耗尽型场效晶体管为定值的条件下，耗尽型场效晶体管 ID 减小到近于减小到近于零时零时 VGS 的值。的值。( (3) )饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效晶体管工作在饱和区且耗尽型场效晶体管工作在饱和区且 VGS = 0 时，所对应时，所对应的漏极电流。的漏极电流。 ( (4) )直流输入电阻直流输入电阻 RGS 栅源电压栅源电压 VGS 与对应的栅极电流与对应的栅极电流 IG 之比。之比。场效晶体管输入电阻很高，结型管一般在场效晶体管输入电阻很高，结型管一般在 107 以以 上；上；绝缘栅管则更高，一般在绝缘栅管则更高，一般在 109 以上

28、。以上。 2交流参数交流参数( (1) )跨导跨导 gmVDS 一定时，漏极电流变化量一定时，漏极电流变化量 ID 和引起这个变化的栅和引起这个变化的栅源电压变化量源电压变化量 VDS 之比。它表示了栅源电压对漏极电流的之比。它表示了栅源电压对漏极电流的控制能力。控制能力。( (2) )极间电容极间电容场效晶体管三个电极之间的等效电容场效晶体管三个电极之间的等效电容 CGS、CGD、CDS，一般为几个皮法，结电容小的管子，高频性能好。一般为几个皮法，结电容小的管子，高频性能好。3极限参数极限参数( (1) )漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDMID 与与 VDS 的乘积不应超过的极

29、限值。的乘积不应超过的极限值。( (2) )漏极击穿电压漏极击穿电压 V(BR) DS漏极电流漏极电流 ID 开始剧增时所加的漏源间的电压。开始剧增时所加的漏源间的电压。二、场效晶体管的特点二、场效晶体管的特点场效晶体管与普通三极管比较表场效晶体管与普通三极管比较表项项 目目器器 件件 名名 称称晶体三极管晶体三极管场场 效效 应应 管管极型特点极型特点双双 极极 型型单单 极极 型型控制方式控制方式电电 流流 控控 制制电电 压压 控控 制制类类 型型PNP 型、型、NPN 型型N 沟道、沟道、P 沟道沟道放大参数放大参数 = 50 200gm= 1 000 5 000 A/V输入电阻输入电

30、阻102 104 107 1015 噪噪 声声较较 大大较较 小小热稳定性热稳定性差差好好抗辐射能力抗辐射能力差差强强制造工艺制造工艺较较 复复 杂杂简单、成本低简单、成本低工程应用工程应用场效晶体管使用常识场效晶体管使用常识1. 结形场效晶体管的栅源电压必须使结形场效晶体管的栅源电压必须使 PN 结反偏，不能接反。结反偏，不能接反。因结型场效晶体管的源极及漏极通常制成对称的，所以因结型场效晶体管的源极及漏极通常制成对称的，所以原极和漏极可以调换使用。原极和漏极可以调换使用。2. 绝缘栅场效晶体管中，有的产品将彻底绝缘栅场效晶体管中，有的产品将彻底引出引出( (有四个管有四个管脚脚) )，此时源极和漏极可以互换使用，但有的产品在制造此时源极和漏极可以互换使用，但有的产品在制造时已把源极和衬底连接在一起，这种管子源极和漏极就时已把源极和衬底连接在一起，这种管子源极和漏极就不能调换使用。不能调换使用。3. 绝缘栅场效晶体管由于输入电阻很高，如果在管脚开路绝缘栅场效晶体管由于输入电阻很高，如果在管脚开路状态下保存状态下保存 ，会