第二章三极管

第二章三极管第1页，共61页，2023年，2月20日，星期三双极型：两种载流子单极型：一种载流子半导体三极管晶体管BJT场效应管FET半导体三极管具有放大和开关作用第2页，共61页，2023年，2月20日，星期三

NPN三极管的结构和符号晶体管的结构1.NPN型晶体管(c)NPN管的符号(a)NPN管的结构示意图(b)NPN管的管芯结构剖面示意图第3页，共61页，2023年，2月20日，星期三PNP三极管的结构和符号2.PNP型晶体管(a)PNP管的符号(b)PNP管的结构示意图第4页，共61页，2023年，2月20日，星期三分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管<500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管>1W中功率管0.51W第5页，共61页，2023年，2月20日，星期三1.晶体管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大,浓度低外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极晶体管的工作原理第6页，共61页，2023年，2月20日，星期三μAmAmAICIBIEUBBUCCRB3DG6NPN型晶体管电流放大的实验电路RCCEB左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源UCC应大于UBB，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：1.IE＝IB＋IC（符合KCL定律）2.IC≈

β

IB，β为管子的流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力：3.△IC≈β△IB

结论：三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。3.电流放大原理第7页，共61页，2023年，2月20日，星期三1、发射区向基区扩散电子的过程：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。2、电子在基区的扩散和复合过程：由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。实验表明：

IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。第8页，共61页，2023年，2月20日，星期三内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，形成发射电流

IE。ICNIE少数电子与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)电子到达基区后第9页，共61页，2023年，2月20日，星期三ICNIEIBNI

CBOIB3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO第10页，共61页，2023年，2月20日，星期三4.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO穿透电流第11页，共61页，2023年，2月20日，星期三IE=IC+IB第12页，共61页，2023年，2月20日，星期三三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程发射结加正偏电压集电结加反偏电压(1)发射区向基区注入载流子(2)载流子在基区扩散与复合(3)集电区收集载流子ICN注意：少数载流子的漂移运动ICBO

第13页，共61页，2023年，2月20日，星期三1、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似晶体管的特性曲线第14页，共61页，2023年，2月20日，星期三O特性基本重合特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.3)V取0.7V取0.2V第15页，共61页，2023年，2月20日，星期三iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843211）放大区条件：

发射结正偏集电结反偏放大区截止区2、输出特性饱和区第16页，共61页，2023年，2月20日，星期三iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212）饱和区条件：两个结正偏临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：饱和压降UCE(sat)=0.3V；相当于管子短接放大区截止区饱和区第17页，共61页，2023年，2月20日，星期三iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区ICEO3）截止区条件：

发射结（零）反偏集电结反偏放大区饱和区可靠截止：发射结不能正偏导通时，已经截止。第18页，共61页，2023年，2月20日，星期三3、温度对特性曲线的影响1）温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO

约增大1倍。OT2>T1第19页，共61页，2023年，2月20日，星期三2）温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCET1iB=0T2>iB=0温度每升高1C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O第20页，共61页，2023年，2月20日，星期三1、电流放大系数1）共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数

—交流电流放大系数一般为几十几百Q3.晶体管的主要参数第21页，共61页，2023年，2月20日，星期三iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212）共基极电流放大系数1一般在0.98以上。

Q2、极间反向饱和电流CB极间反向饱和电流

ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。第22页，共61页，2023年，2月20日，星期三3、极限参数1）ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。2）PCM—集电极最大允许功率损耗PCM=iC

uCEiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区第23页，共61页，2023年，2月20日，星期三U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO3）反向击穿电压第24页，共61页，2023年，2月20日，星期三晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态状态电流关系条件放大I

C=

IB发射结正偏集电结反偏饱和

IC

IB两个结正偏ICS=

IBS集电结零偏临界截止IB<0,IC=0两个结反偏判断导通还是截止：UBE>U(th)

则导通以NPN为例：UBE<U(th)

则截止第25页，共61页，2023年，2月20日，星期三判断饱和还是放大：1.电位判别法NPN管UC>UB>UE放大UE<UC

UB饱和PNP管UC<UB<UE放大UE>UC

U

B饱和2.电流判别法IB>IBS

则饱和IB<IBS则放大第26页，共61页，2023年，2月20日，星期三场效应管

引言1结型场效应管3场效应管的主要参数2MOS场效应管第27页，共61页，2023年，2月20日，星期三引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)第28页，共61页，2023年，2月20日，星期三特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、

体积小、成本低2.输入电阻高

(1071015，IGFET可高达1015)第29页，共61页，2023年，2月20日，星期三1结型场效应管1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET第30页，共61页，2023年，2月20日，星期三2.工作原理(1)UGS对ID的控制作用第31页，共61页，2023年，2月20日，星期三2.UDS对ID的影响3.UDS和UGS共同作用uGS

0，uDS

>0此时uGD=UGS(off)；

沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。当uDS

，预夹断点下移。第32页，共61页，2023年，2月20日，星期三3.转移特性和输出特性UGS(off)当UGS(off)

uGS0时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO第33页，共61页，2023年，2月20日，星期三一、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)2MOS场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDBMOS管结构演示动画第34页，共61页，2023年，2月20日，星期三2.工作原理1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)反型层(沟道)第35页，共61页，2023年，2月20日，星期三1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)a.当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；b.当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.当uGS

UGS(th)

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚。第36页，共61页，2023年，2月20日，星期三2)

uDS

对

iD的影响(uGS>UGS(th))DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=

UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDSiD。预夹断发生之后：uDSiD不变。第37页，共61页，2023年，2月20日，星期三3.转移特性曲线2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)

时：uGS=2UGS(th)

时的

iD值开启电压O第38页，共61页，2023年，2月20日，星期三4.输出特性曲线可变电阻区uDS<uGSUGS(th)uDSiD

，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD不变uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)全夹断iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区O第39页，共61页，2023年，2月20日，星期三二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSio2绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，uGS

UGS(off)

时，全夹断。第40页，共61页，2023年，2月20日，星期三二、耗尽型N沟道MOSFET输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第41页，共61页，2023年，2月20日，星期三三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB第42页，共61页，2023年，2月20日，星期三N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、特性的比较第43页，共61页，2023年，2月20日，星期三OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V第44页，共61页，2023年，2月20日，星期三3场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)夹断电压

UGS(off)(耗尽型)指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO第45页，共61页，2023年，2月20日，星期三UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻RGS指漏源间短路时，栅、源间加

反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015IDSSuGS/ViD/mAO第46页，共61页，2023年，2月20日，星期三4.低频跨导gm

反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO第47页，共61页，2023年，2月20日，星期三PDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds6.最大漏极功耗PDM第48页，共61页，2023年，2月20日，星期三小结第49页，共61页，2023年，2月20日，星期三3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)uDiD正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压UD(on)时导通等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.60.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.10.3)V0.2V折线近似模型相当于有内阻的恒压源UD(on)第50页，共61页，2023年，2月20日，星期三一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子—自由电子空穴—价电子两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二极管1.特性—单向导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。第51页，共61页，2023年，2月20日，星期三iDO

uDU(BR)IFURM2.主要参数正向—最大平均电流IF反向—最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IR(IS)(受温度影响)IS第52页，共61页，2023年，2月20日，星期三4.二极管的分析方法图解法微变等效电路法5.特殊二极管工作条件主要用途稳压二极管反偏稳压发光二极管正偏发光光敏二极管反偏光电转换第53页，共61页，2023年，2月20日，星期三三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管(晶体三极管

BJT)单极型半导体三极管(场效应管

FET)两种载流子导电多数载流子导电晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大第54页，共61页，2023年，2月20日，星期三放大条件内因：发射区载流子浓度高、

基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=

IB+ICEO

IE=(1+)

IB+ICEOIE=IC+IBIC=

IB

IE=(1+)

IB

第55页，共61页，2023年，2月20日，星期三4.特性iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O369124321O0.4