晶体三极管与场效应管

晶体三极管晶体三极管也称为半导体三极管，简称三极管，由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管简称BJT（BipolarJunctionTransistor）。BJT是一种电流控制电流的半导体器件。作用:把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关.晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。当前1页，总共44页。三极管的常见外形90143DG52N22022N2202当前2页，总共44页。三极管的结构--NNP发射区集电区基区发射结集电结ECB发射极集电极基极NPN型PNP型--PPN发射区集电区基区发射结集电结ECB发射极集电极基极三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。ECB符号ECB符号当前3页，总共44页。BJT的构造(以NPN为例)N+PN-Si集电极CCollector基极BBase发射极EEmitter金属层N型硅片（衬底）对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，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C。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子当前4页，总共44页。强化练习1NPN型三极管ECB符号电路符号集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极EP集电区的作用：收集载流子基区的作用：传送、控制载流子发射区的作用：发射载流子当前5页，总共44页。强化练习2PNP型三极管ECB符号电路符号集电区集电结基区发射结发射区PP集电极C基极B发射极EN集电区的杂质浓度：较低基区的厚度：非常薄发射区的杂质浓度：很高当前6页，总共44页。icie输入输出BJT的组态三极管在使用时，根据实际需要，可接成三种不同的组态。不管接成哪种组态，都有一对输入端和一对输出端；icib输入输出共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示;ieib输入输出共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。CECBCC当前7页，总共44页。三极管的放大作用是满足自身的内部结构特点的前提下，在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。内部结构

BJT的结构特点

外部条件

发射结正偏，

集电结反偏。BJT的电流放大条件

UCEVCCRCICCEBUBEVBBRBIB输入回路输入回路公共端共发射极放大电路•发射区的掺杂浓度最高(N+)；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。当前8页，总共44页。共射极NPN放大电路CEBNNPRBVBBIBICVCCJCJE三极管在工作时必须加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：由VBB保证；必须使：UBE>0硅管：UBE=UB-UE=0.7（V）锗管：UBE=UB-UE=0.3（V）集电结反偏：由VBB、VCC保证；UCB=VCC−UBE

>0，反偏；集电结电场很强。结论：对于正常工作的NPN管，必然有UC>UB>UE当前9页，总共44页。共射极PNP放大电路CEBPPNRBVBBIBICVCCJCJE三极管在工作时必须加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：由VBB保证；必须使：UBE<0硅管：UBE=UB-UE=-0.7（V）锗管：UBE=UB-UE=-0.3（V）集电结反偏：由VBB、VCC保证；UCB=VCC−UBE

<0，反偏；集电结电场很强。VCC结论：对于正常工作的PNP管，必然有UC<UB<UE当前10页，总共44页。BJT的管脚与类型判别3DG5①中间电位对应管脚B；②NPN管中间电位靠近低电位UE;

UB−UE≈0.7V为Si-NPN管;

UB−UE≈0.3V为Ge-NPN管;③PNP管中间电位靠近高电位UE

;

UB−UE≈-0.7V为Si-PNP管;

UB−UE≈-0.3V为Ge-PNP管;U1U2U3当前11页，总共44页。例题1在晶体管放大电路中，测得三极管的各个电极的电位如图所示。试判断各三极管的类型（即NPN管或PNP管，硅管或锗管），并区分B、E、C

三个电极。U1U2U3U1=6V，U2=2V，U3=2.7V，因为U1>U3>U2，所以③为B极；又因为U3-U2=0.7V，所以该三极管为NPN硅管；且②为E极；①为C极。U1=4.3V，U2=2V，U3=5V因为U3>U1>U2，所以①为B极；又因为U1-U3=-0.7V，所以该三极管为PNP硅管；且②为C极；③为E极。U1=-5V，U2=-1.8V，U3=-1.5V因为U3>U2>U1，所以②为B极；又因为U1-U3=-0.3V，所以该三极管为PNP锗管；且①为C极；③为E极。当前12页，总共44页。共射极NPN放大电路

CE

BRBVBB

IB

ICVCC

JC

JEIEN发射结正偏，发射区多数载流子电子不断向基区扩散，形成扩散电流IEN。基区多数载流子空穴不断向基区扩散，形成扩散电流IEP。IEPIE=IEN+IEP进入基区少数电子和空穴复合，以及进入发射区的空穴与电子复合而形成电流IBN和IBP，那么其它多数电子去哪里了？集电结反偏从发射区扩散来的电子作为基区的少子，在外电场的作用下，漂移进入集电区而被收集，形成电流ICN。ICN集电区少数载流子空穴形成漂移电流ICBO。ICBO=ICN+ICBO结论：IE=IB+ICIE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流IBP当前13页，总共44页。共射极电路电流的放大

UCEVCCRCICCEBUBEVBBRBIB共发射极放大电路对于一个特定的BJT，扩散到集电区的电流ICN和和基区复合电流IBP的比例关系是确定的，通常把这个比值称为BJT共射极电路的电流放大系数β。β通常在20～100之间，它反映了基极与集电极电流之间的分配关系，或者说IB对IC的控制能力。IB微小的变化会引起IC较大的变化，故BJT称为电流控制器件。当前14页，总共44页。三极管的特性曲线三极管的特性曲线是指三极管各极上的电压、电流之间的关系曲线。它是三极管内部载流子运动的外部表现，所以也称为外部特性。根据实际需要，三极管可接成共基组态、共射组态或共集组态。不管接成哪种组态，都有一对输入端和一对输出端；因此，要完整地描述三极管的伏安特性，就必须选用两组表示不同端变量之间关系的特性曲线。其中一组表示以输出端电压为参变量时输入端电压和电流之间关系的曲线，称为输入特性曲线；另一组表示以输入端电流为参变量时输出端电压电流之间关系的曲线，称为输出特性曲线。当前15页，总共44页。输入特性曲线实验电路RCVCCRBVBBIBICIEUCEUBE++--以共发射极放大电路为例IB

=f(UBE)UCE

=常数0.60.40.70.850300250200150100UBE=1V输入回路输入回路UBE=10V共发射极输入特性曲线簇当UCE≥1V时，特性曲线右移的距离很小。通常将UCE=1V的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。0.5输入特性曲线的三个部分①死区

0<UBE<Uon=0.4V②非线性区

Uon<UBE<0.6V③线性区

UBE>0.6V当前16页，总共44页。输出特性曲线实验电路RCVCCRBVBBIBICIEUCEUBE++--IC

=f(UCE)IB

=常数放1055423120150IB=0IB=10μAIB=30μAIB=40μAIB=20μA区大截止区可将三极管输出特性分为四个区间，其中三个为工作区：饱和区击穿区当前17页，总共44页。截止区(Cutoff

region)RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--IB=0UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0IB=0曲线以下的区域。条件：发射结反偏UBE

≤

Uon集电结反偏因为IB=0所以IE=IC=ICEO（穿透电流）由于ICEO很小，此时UCE近似等于VCC，C与E之间相当于开关断开。当前18页，总共44页。饱和区(Saturationregion)UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0输出特性曲线靠近纵轴边UCE很小的区域。条件：发射结正偏，集电结正偏；即：UBE

>0，UBE>UCE

,

UC<UB。此时IB对IC失去了控制作用，IC≠

βIB，管子处于饱和导通状态。饱和时的UCE记为UCES

。相对于电源电压饱和时UCES

很小，可以忽略。C与E之间相当于开关闭合。小功率硅管的UCES=0.3V小功率锗管的UCES=0.1V当前19页，总共44页。条件：发射结正偏，集电结反偏；即：UBE

≧UON，

UCES

<UCE

<VCC

。特点：集电极电流与基极电流成正比。即：因此放大区又称为线性区、恒流区。在放大区UCE变化时，IC基本不变。这就是晶体管的恒流特性。特性曲线的均匀间隔反映了晶体管电流放大作用的能力，间隔大，即△IC大，因而放大能力（β）也大。放大区(Activeregion)UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0放大区当前20页，总共44页。例题2测量到硅BJT管的三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态,并说明理由。8V3.7V3V1.9V1.2V8V3.7V3V8V3.7V3V5V5V1.2V1.5V1.9V1.2V（a）解答：（a）因为该管的管型为NPN硅管，UBE=UB-BE=0.7V

>0.6V，发射结正偏，且UC

>UB，集电结反偏；所以该三极管工作在放大状态。（b）（c）解答：（b）因为该管的管型为NPN硅管，UBE=UB-BE=0.2V

<Uon，发射结反偏，且UC

>UB，集电结反偏；所以该三极管工作在截止状态。解答：（c）因为该管的管型为NPN硅管，UBE=UB-BE=0.7V

>0.6V，发射结正偏，且UB>UC，集电结正偏；所以该三极管工作在饱和状态。1V当前21页，总共44页。练习测量到硅BJT管的三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态,并说明理由。8V3.7V3V3V2.3V8V3.7V3V8V3.7V3V12V5V12V0V-1.5V-2.2V（a）（b）（c）11.3V当前22页，总共44页。例题3RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--在下图所示电路中,如果VCC=15V;RC=5kΩ,在下列几种条件下,分别求UCE并分别说明晶体管工作在何种状态。①如果VBB=15V;RB=10kΩ,β=50②如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=50③如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=300④如果VBB=-1V;RB=10kΩ,β=50当前23页，总共44页。例题3①如果VBB=5V;RB=10kΩ,β=50解答：RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--因为IC>ICmax所以该三极管工作在饱和状态，UCE=UCES=0.3V②如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=50解答：当前24页，总共44页。例题3因为IC<ICmax所以该三极管工作在放大状态，RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--③如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=300解答：因为IC>ICmax所以该三极管工作在饱和状态，UCE=UCES=0.3V当前25页，总共44页。例题3④如果VBB=-1V;RB=10kΩ,β=50解答：因为VBB=-1V，VBＥ<０；发射结反偏；所以该三极管工作在截止状态。RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--由于IB=0,那么IC=0所以UCE=VCC-IC×RC=15V结论：要使三极管工作在放大状态，就必须合理的选择RB和β值。当前26页，总共44页。晶体管的主要参数电流放大系数极间反向电流极限参数反向击穿特性频率参数当前27页，总共44页。三极管的检测①测试的第一步是判断哪个管脚是基极。我们任取两个电极(如这两个电极为1、2)，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。

当前28页，总共44页。三极管的检测②PN结，定管型

找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为NPN型管；若表头指针偏转角度很小，则被测管即为PNP型。当前29页，总共44页。三极管的检测③穿透电流确定集电极C，发射极E找出了基极B，另外两个电极哪个是集电极C，哪个是发射极E呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极C和发射极E。A对于NPN型三极管，用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻RCE和REC，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：黑表笔→C极→B极→E极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”)，所以此时黑表笔所接的一定是集电极C，红表笔所接的一定是发射极E。当前30页，总共44页。三极管的检测B

对于PNP型的三极管，道理也类似于NPN型，其电流流向一定是：黑表笔→E极→B极→C极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极E，红表笔所接的一定是集电极C。注：若由于上述颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。具体方法是：在上述两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极B，仍用上面的判别方法即可区分开集电极C与发射极E。其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。

当前31页，总共44页。场效应晶体管场效晶体管（FieldEffectTransistor——FET）是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。按结构不同场效晶体管有两种:结型场效晶体管（JFET）绝缘栅型场效晶体管（MOSFET）

MOSFET管按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分当前32页，总共44页。N沟道增强型绝缘栅场效应管结构示意图构成：用一块杂质浓度较低的P型薄硅片作为衬底，其上扩散两个相距很近的高掺杂N+型区。并在表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层。P

型硅衬底N+N+SiO2绝缘层再在两个N+型区之间的二氧化硅绝缘层的表面及两个N+型区的表面和P型硅衬底分别安置四个电极：栅极G、源极S、漏极D和衬底B。衬底B通常与源极S连在一起。源极S栅极

G漏极

D

DSG符号BSourceGateDrainBase衬底B由于柵极电流几乎为零，栅源电阻RGS很高，最高可达1014

。由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属(Metal)-氧化物(Oxide)-半导体(Semiconductor)场效晶体管，简称MOS场效晶体管。栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效晶体管。当前33页，总共44页。N沟道增强型管的工作原理当栅-源电压UGS=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，即：无论D与S之间加什么极性的电压，总有一个PN结是反向偏置的，漏极电流ID均接近于零。SD≈0=0P型硅衬底N++BSGD。ID

UGSN+N+UDS当前34页，总共44页。P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID

UGSN+N+UDSN沟道增强型管的工作原理当在柵极和源极之间加正向电压但数值较小时(0<UGS<UGS(th)

)

，由柵极指向衬底方向的电场吸引电子向上移动，填补空穴在P型硅衬底的上表面形成负离子耗尽层，此时仍然没有漏极电流。≈0当前35页，总共44页。当UGS大于一定数值时(UGS>UGS(th)开启电压)，被电场吸引的少数载流子——电子在栅极附近的P型硅表面出一层由自由电子构成的导电薄层，称为N型薄层，也称为反型层。它是由UGS感应产生的，又称为感生沟道。这就是沟通源区和漏区的N型导电沟道(与P型衬底间被耗尽层绝缘)。UGS

正值越高，吸引到P型硅表面的电子就越多，导电沟道越宽，沟道电阻越小。N沟道增强型管的工作原理P型硅衬底DSGBUGS

+N+N+N型导电沟道通常增强型MOS管的开启电压UGS(th)=1～10V当前36页，总共44页。N沟道增强型管的工作原理P型硅衬底N++BSGD。ID

UGSN+N+UDSUGS>UGS(th)的某一固定值时，UDS对沟道的控制作用当漏-源电压UDS=0时，沟道无自由电子的漂移，不形成漏极电流，即ID=0.随着UDS↑→ID↑同时使靠近漏极处的导电沟道变窄，使沟道形状成楔形。当UDS增加到使UGD=UGS(th)时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时UDS

↑夹断区延长沟道电阻↑ID基本不变，表现出恒流特性。≈0当前37页，总共44页。N沟道增强型MOS管的特性曲线RDUDDRGUGGIG=0IDISUDSUGS++--输出特性曲线设UT

=3V，UGS>UT

，ID>0UDS(V)ID(mA)0

5

10

15

20UGS=8V

7V

6V

5V

4VUGS=UGS(th)

①②③UDS

=

UGS

-UGS(th)

从输出特性上,可将N沟道增强型FET分为三个工作区:①可变电阻区。UGS越大，漏源间等效交流电阻越小。UDS<UGS

–UGS(th)（即UGD>UGS(th)

）（预夹断前）②线性放大区（预夹断后）(恒流区,饱和区)UDS>UGS

-UGS(th)

iD受uGS控制③夹断区（截止区）UGS

≤

UGS(th)当前38页，总共44页。N沟道增强型MOS管的特性曲线转移特性曲线可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UDS(V)ID(mA)0

5

10

15

20UGS=8V

7V

6V

5V

4VUGS=UTUGS(V)ID(mA)0

5

10

UGS(th)

=3V4321当前39页，总共44页。P沟道增强型绝缘