浙大模电课件第一章第二节

1、第一篇第一篇 电子器件基础电子器件基础 1.2.4 双极型三极管双极型三极管1.1.4 双极型三极管的伏安特性及其模型双极型三极管的伏安特性及其模型一、双极型三极管的基本结构v简称：晶体管、三极管 v内部参与导电有自由电子、空穴两种极性载流子： 双极型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）v分类：材料：硅三极管、锗三极管掺杂：NPN型、PNP型频率：高、低功率：大、中、小v基本结构：N+NPvNPN型三极管发射区集电区基区发射极（e）集电极（c）基极（b）发射结（Je）集电结（Jc）vPNP型三极管P+PN发射区集电区基区发射极（e）集电极（c）基极（b）发射结

2、（Je）集电结（Jc）二、三极管放大电路的电流分配0BEU0BCUN+NPVEEReVCCRC e b cENEIICBOBNBIIICBOCNCIIIENIEIeCBOIBNIBIbCNICIc发射结正偏集电结反偏v放大的工作条件v放大工作时 各电流的分配关系b (P)c (N)e (N)IBICIE少子漂移I CBO基区复合I BN多子扩散I CNv四种工作状态JeJc状态反偏反偏截止反偏正偏倒置正偏反偏放大正偏正偏饱和ENEIICBOBNBIIICBOCNCIII三、三极管电路的基本组态v区分依据共 基 极（CB），共基组态 共发射极（CE），共射组态 共集电极（CC），共集组态 一极连

3、接输入端；一极连接输出端；第三极作为输入、输出的公共端；v三种基本组态“公共的极”即为组态形式。v放大系统的组成输入信号源 输出负载 供电电源 放大电路 v共基组态共基直流电流放大倍数E区自由电子到达C极形成的电流 与E极电流之比CBOEBCBOECBCE)1 (IIIIIIIII输入：E极输出：C极公共端：B极995. 095. 0,/ENCNII一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。v共射组态 共射极直流电流放大倍数 到达集电极的电流 与基区复合电流的比值 BNCN/II 输入：B极输出：C极公共端：E极一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器

4、件。BCEOBCBOBCBOBNC1III)I(IIIIv共基共射电流放大倍数的关系1,1BEBC)1 (IIII共射：共基：EBEC)1 (IIIIv共集组态 BCEOBCBE)1 ()1 (IIIIII输入：B极输出：E极公共端：C极一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。四、三极管的伏安特性曲线 通过晶体管特性图示仪直接显示三极管的伏安特性曲线 VCE = 0V 时VCE 增长时CBEBCE)(vvfiv共射极输入特性VCE 1V 后截止区 饱和区 放大区 CCECB| )(ivfi输出特性的三个区域v共射极输出特性截止区 三极管处于截止状态的条件： 外加电压使发

5、射结和集电结均处于反向偏置， 即：VBE0, VBC0, IB0, IC0； 三极管失去了放大能力。三极管截止状态的判断依据 三极管截止状态的电路模型 饱和区 三极管处于饱和状态的条件： 发射结正偏，VBE = 0.70.8V； 集电结为正偏。三极管 饱和状态时的特征三极管的 饱和压降三极管 临界饱和状态三极管 深度饱和状态三极管 深度饱和状态 时的电路模型 放大区（恒流区 ） 三极管处于放大状态的条件： 发射结正偏，集电结反偏。三极管放大状态时的特征三极管放大状态的电路模型 vPNP型晶体管的伏安特性曲线v 判断三极管工作状态的方法（NPN管为例）判断是否为截止状态？ 依据为发射结是否非正偏

6、，IB是否小于0等BCII按放大区模型计算后，若： VCE 0.7V，则为放大状态。 此时：100k2k1V20V7 .30cbCBRRVVRbVBVCRck10bR五、三极管的主要参数 v电流放大系数（倍数） BCBCEOCIIIII直流共射电流放大系数：20020,BCII交流共射电流放大系数：ECII直流共基电流放大系数：995. 095. 0,ECII交流共基电流放大系数：v极间反向电流 集电结反向饱和电流 ICBO 穿透电流 ICEO 取决于温度和少子浓度。 小功率硅管，ICBO小于0.1A；锗管ICBO在几A至十几A 。发射极开路时，集电极与基极间的反向饱和电流。 基极开路，集射间

7、加上一定反向电压时， 从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。 ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，值愈小愈好。 小功率硅管在几微安以下，小功率锗管约在几十至几百微安。 v 极限参数 集电极最大允许电流 ICM 电流放大系数下降至正常值 2/3 时的 IC 值 集电极最大允许功率损耗 PCM PCM = ICVCE PCM 取决于管子所允许的温升。 硅管最高结温为 150，锗管为 75。 超过这个数值将导致管子性能迅速变坏，以至烧毁。 PCM 与散热条件有关。反向击穿电压 V(BR)EBO ：集电极开路，Je 结的反向击穿电压，值几伏十几伏 。V(BR)CBO ：发射极开路，Jc

8、 结的反向击穿电压，值通常为几十伏， 高反压管可高达上千伏 。V(BR)CEO ：基极开路，JC-JE 间的反向击穿电压，通常比V(BR)CBO小。 v 三极管的安全工作范围和温度稳定性 三极管的安全工作范围 三极管的下列三个极限参数： PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上画出安全工作区 三极管的温度稳定性 输入特性与温度的关系 温度升高，发射结正向压降VBE减小，温度系数约-2.5mV/ ICBO 、ICEO 、 均随温度升高迅速增大，温度升高，整簇输出特性曲线都上移，曲线间距拉大 。输出特性与温度的关系 1.2.5 场效应管场效应管1.1.5 场效应管的伏安特性及其模型场效应管

9、的伏安特性及其模型一、场效应晶体管简介v简称：场效应管 v利用极间电压产生的电场效应来控制电流。v输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、 体积小、功耗低、制造工艺简单、易于大规模集成。v分类：v工作电流主要由多数载流子的漂移运动形成。沟道沟道结型耗尽型增强型沟道耗尽型增强型沟道绝缘栅型场效应管PNPN二、N沟道增强型绝缘栅型场效应管v基本结构与电路符号 2个N+加衬底P，加SiO2，再加铝极。 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)场效应管的栅极与其它电极绝缘。源(Source)、漏(Drain)、栅(Gate)三极。 N+N+vGS = 0v工作原理 漏源间只是

10、两个“背向”串联的PN结， 漏-源间为高阻。vGS 0vGS 将在栅极与衬底之间产生一个垂直电场；漏-源间的P型衬底表面感应出电子层（反型层） ；两个N+区连通，形成N型导电沟道，漏-源间为低阻；vGS越大，导电沟道越厚，等效电阻越小，导电能力增强；开始形成导电沟道所需的最小栅-源电压vGS称为开启电压VGS(th) ， 习惯上常表示为VT。 TGSDSTDSGSVvvVvvTGSDSTDSGS0VvvVvv产生漏-源电流 iD ；由于沟道电阻的存在， iD 沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布；vGS 最大，vGD = vGSvDS 最小，沟道呈楔形分布。vGS VT 并保持

11、恒定，同时加上 vDS 预夹断iD 恒流TGSDSTDSGSVvvVvvv伏安特性与电流方程常数GS)(DSDvvfi可变电阻区 ： 导电沟道被预夹断之前 常数GSDDSDSvivRTDSGSTGS,VvvVv输出特性（漏极特性）放大区（恒流区、饱和区） ： 导电沟道被夹断后 截止区 ： 无导电沟道TDSGSTGS,VvvVv0,DTGSiVv转移特性 常数DS)(GSDvvfi2TGSDOD) 1(VvIiIDO 是vGS = 2VT 时的漏极电流 IDO(VT)制造过程中人为地在SiO绝缘层中 掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子； vGS = 0时，依靠正离子的作用，P型衬底表面感

12、应出N型反型层， 将两个N+区连通，形成原始的N型导电沟道； vDS 一定时，外加正栅压（vGS 0）后，导电沟道变厚， 沟道等效电阻下降，导电能力增强；减少 vGS 至负栅压（vGS 0）时，沟道变薄，沟道电阻增大， 导电能力减弱； vGS负到某一定值 VGS(off)（常以 VP 表示）时，导电沟道消失， 整个沟道被夹断，iD0，管子截止。 三、N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管2PGSDSSD)1 (VvIiIDSS 是 vGS = 0时的饱和漏极电流 伏安特性与电流方程v基本结构与符号 JFET 在 vGS = 0 时，存在原始的导电沟道，属于耗尽型； JFET 正常工作时，两个PN结必须反

13、偏； JFET 通过vGS 改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）来控制 iD， 所以称为体内场效应器件 。四、N沟道结型场效应管（JFET）v工作原理v伏安特性与电流方程2PGSDSSD)1 (VvIiIDSS ： vGS = 0 时饱和漏极电流 v直流参数 增强型管开启电压 VGS(th)（VT） 耗尽型管夹断电压 VGS(off) （VP）耗尽型管在 vGS = 0 时的饱和区漏极电流 IDSS 直流输入电阻 RGS(DC) ： vDS = 0 时，栅源电压 vGS 与栅极电流 iG 之比五、场效应管的主要参数v交流参数 低频跨导(互导) gm转移特性曲线的斜率 常数DSGSDmvvig

14、交流输出电阻 rds 常数GSDDSdsvivrv极限参数 最大漏源电压 V(BR)DS：漏极附近发生雪崩击穿时的vDS 最大栅源电压 V(BR)GS：栅极与源极间PN结的反向击穿电压 最大耗散功率 PDM二极管、三极管、场效应管、电阻、电容 各种连线v集成电路 - 同一块硅片制作特殊功能电路 v集成电路 - 器件之间绝缘 介质(如SiO2)隔离 - 模拟集成电路PN结隔离 - 数字集成电路 小规模SSI 、中规模MSI 、大规模LSI和超大规模VLSI 模拟集成电路，数字集成电路 v集成电路分类1.2.6 集成电路中的电子器件集成电路中的电子器件v结论：等效复合管的12 ；等效复合管的管型取决于第一只管子的类型 ；等效复合管的输入电流可大大减小，T1可采用小功率管； 组成复合管时也可由晶体管和场效应管或多个晶体管进行复合。 v两只或两只以上的半导体三极管（或场效应管）按一定方式 连接成达林顿管（Darlington ）。v常见达林顿管组合：一、复合管v多集电极管集电极电流之比 iC1/iC2 约等于集电区面积之比。 利用它的多个集电极可以构成 多个具有比较稳定电流关系的电流源。 二、多集电极管和多发射极管v多发射极三极管 多发射极三极管常作为门电路的输入