晶体三极管和场效晶体管

晶体三极管和场效晶体管第1页，课件共55页，创作于2023年2月本章学习目标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。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。掌握用万用表对三极管进行测试的方法。了解场效晶体管的类型及工作原理，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。第2页，课件共55页，创作于2023年2月2.1晶体三极管2.1.1三极管的结构、分类和符号2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式2.1.3三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2.1.5三极管主要参数2.1.6三极管的简单测试第3页，课件共55页，创作于2023年2月2.1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控制型器件。

特点：管内有两种载流子参与导电。第4页，课件共55页，创作于2023年2月2.1.1三极管的结构、分类和符号一、晶体三极管的基本结构1．三极管的外形特点：有三个电极，故称三极管。

第5页，课件共55页，创作于2023年2月2．三极管的结构三极管的结构图特点：有三个区——发射区、基区、集电区；两个PN结——发射结(BE结)、集电结(BC结)；三个电极——发射极e(E)、基极b(B)和集电极c(C)；两种类型——PNP型管和NPN型管。工艺要求：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。第6页，课件共55页，创作于2023年2月二、晶体三极管的符号三极管符号箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：V

第7页，课件共55页，创作于2023年2月三、晶体三极管的分类1．三极管有多种分类方法。按内部结构分：有NPN型和PNP型管；按工作频率分：有低频和高频管；按功率分：有小功率和大功率管；按用途分：有普通管和开关管；按半导体材料分：有锗管和硅管等等。2．国产三极管命名法：见《电子线路》（陈其纯主编）P261

附录。例如：3DG表示高频小功率NPN型硅三极管；3CG表示高频小功率PNP型硅三极管；3AK表示PNP型开关锗三极管等。第8页，课件共55页，创作于2023年2月2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式一、晶体三极管的工作电压三极管的基本作用是放大电信号。三极管工作在放大状态的外部条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。三极管电源的接法第9页，课件共55页，创作于2023年2月三极管电源的接法V为三极管GC为集电极电源GB为基极电源，又称偏置电源Rb为基极电阻Rc为集电极电阻。第10页，课件共55页，创作于2023年2月二、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：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。三极管在电路中的三种基本连接方式第11页，课件共55页，创作于2023年2月2.1.3三极管内电流的分配和放大作用一、电流分配关系测量电路如图第12页，课件共55页，创作于2023年2月调节电位器，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。因IB很小，则IC

IE

IE=IC+IB

由表可见，三极管中电流分配关系如下：IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96

第13页，课件共55页，创作于2023年2月说明：1．IE=0时，IC=-IB=ICBO。

ICBO

称为集电极——基极反向饱和电流，见图2.1.7(a)。一般ICBO很小，与温度有关。2．IB=0时，IC=IE=ICEO。

ICEO

称为集电极——发射极反向电流，又叫穿透电流，见图(b)。

ICEO

越小，三极管温度稳定性越好。硅管的温度稳定性比锗管好。ICBO与ICEO示意图第14页，课件共55页，创作于2023年2月二、晶体三极管的电流放大作用当基极电流IB由0.01mA变到0.02mA时，集电极电流IC由0.56mA变到1.14mA。上面两个变化量之比为这说明，当IB有一微小变化时，就能引起IC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

来表示，称为共发射极交流电流放大系数，简称“交流

”，即第15页，课件共55页，创作于2023年2月结论：1．三极管的电流放大作用——基极电流IB微小的变化，引起集电极电流IC较大变化。2．交流电流放大系数

——表示三极管放大交流电流的能力4．通常，，所以可表示为考虑ICEO

，则3．直流电流放大系数——表示三极管放大直流电流的能力第16页，课件共55页，创作于2023年2月2.1.4三极管的输入和输出特性一、共发射极输入特性曲线集射极之间的电压VCE一定时，发射结电压VBE与基极电流IB之间的关系曲线。共发射极输入特性曲线由图可见：1．当V

CE

≥2V时，特性曲线基本重合。2．当VBE很小时，IB等于零，三极管处于截止状态。第17页，课件共55页，创作于2023年2月共发射极输入特性曲线4．三极管导通后，VBE基本不变。硅管约为0.7V，锗管约为0.3V，称为三极管的导通电压。5．VBE与IB成非线性关系。3．当VBE大于门槛电压(硅管约0.5V，锗管约0.2V)时，IB逐渐增大，三极管开始导通。第18页，课件共55页，创作于2023年2月二、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关系曲线。动画晶体三极管的输出特性曲线第19页，课件共55页，创作于2023年2月输出特性曲线可分为三个工作区:1．截止区条件：发射结反偏或两端电压为零。特点：IB=0，IC=ICEO。2．饱和区条件：发射结和集电结均为正偏。特点：VCE=VCES。VCES称为饱和管压降，小功率硅管约0.3V，锗管约为0.1V。3．放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：

IC受IB控制，即IC=IB。在放大状态，当IB一定时，IC不随VCE变化，即放大状态的三极管具有恒流特性。

第20页，课件共55页，创作于2023年2月2.1.5三极管主要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。一、共发射极电流放大系数1．直流放大系数2．交流放大系数电流放大系数一般在10~100之间。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般取30~80为宜。第21页，课件共55页，创作于2023年2月二、极间反向饱和电流1．集电极——基极反向饱和电流ICBO。2．集电极——发射极反向饱和电流ICEO。ICEO=(1+)ICBO

反向饱和电流随温度增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。第22页，课件共55页，创作于2023年2月三、极限参数1．集电极最大允许电流

ICM三极管工作时，当集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。2．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，管子性能变坏或烧毁。3．集电极——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。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。第23页，课件共55页，创作于2023年2月2.1.6三极管的简单测试判别硅管和锗管的测试电路

一、硅管或锗管的判别当V=0.1~0.3V时为锗管。当V=0.6~0.7V时，为硅管第24页，课件共55页，创作于2023年2月二、估计比较

的大小NPN管估测电路如图所示。估测

的电路万用表设置在R

1k挡，测量并比较开关S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

越高，即电流放大能力越大。

估测PNP

管时，将万用表两只表笔对换位置。

第25页，课件共55页，创作于2023年2月三、估测ICEONPN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；若阻值为零，三极管短路。测PNP型管时，红、黑表笔对调，方法同前。I

CEO的估测第26页，课件共55页，创作于2023年2月四、NPN管型和PNP管型的判断基极b的判断将万用表设置在R

1k

或R

100k

挡，用黑表笔和任一管脚相接(假设它是基极b)，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，而且是NPN型的管子。如图(a)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PNP管的基极。如图(b)所示。第27页，课件共55页，创作于2023年2月五、e、b、c三个管脚的判断估测的电路如图所示，首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测值的方法判断c、e极。方法是先假定一个待定电极为集电极(另一个假定为发射极)接入电路，记下电阻表的摆动幅度，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。摆动幅度大的一次，黑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极e。测PNP管时，只要把图示电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。第28页，课件共55页，创作于2023年2月2.2场效晶体管2.2.1结型场效晶体管2.2.2绝缘栅场效晶体管2.2.3场效晶体管的主要参数和特点工程应用第29页，课件共55页，创作于2023年2月2.2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输出电流的电压控制型器件。

特点：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。第30页，课件共55页，创作于2023年2月2.2.1结型场效晶体管N沟道结型场效晶体管P沟道结型场效晶体管一、结构和符号N沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；P沟道结型场效晶体管如图所示。

特点：由两个PN结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极S、漏极D和栅极G。漏极和源极具有互换性。工作条件：两个PN结加反向电压。第31页，课件共55页，创作于2023年2月二、工作原理以N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第32页，课件共55页，创作于2023年2月工作原理如下：

VDS>0；VGS<0。在漏源电压VDS不变条件下，改变栅源电压VGS，通过PN结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从而控制漏极电流ID。结论：1．结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。2．所以输入电阻很大。一般可达107~108。

第33页，课件共55页，创作于2023年2月三、结型场效晶体管的特性曲线和跨导1．转移特性曲线结型场效晶体管的转移特性曲线反映栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。如图所示，若漏源电压一定：当栅源电压VGS=0时，漏极电流ID=IDSS，IDSS称为饱和漏极电流；当栅源电压VGS向负值方向变化时，漏极电流ID逐渐减小；当栅源电压VGS=VP时，漏极电流ID=0，VP称为夹断电压。第34页，课件共55页，创作于2023年2月2．输出特性曲线结型场效晶体管的输出特性曲线表示在栅源电压一定条件下，漏极电流与漏源电压之间的关系。如图所示。(1)可调电阻区(图中Ⅰ区)VGS不变时，ID随VDS作线性变化，漏源间呈现电阻性。栅源电压VGS越负，输出特性越陡，漏源间的电阻越大。结论：在Ⅰ区中，场效晶体管可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。第35页，课件共55页，创作于2023年2月(2)饱和区(图中Ⅱ区)结型场效晶体管的输出特性曲线

VDS一定时，VGS的少量变化引起ID较大变化，即ID受VGS控制。当VGS不变时，ID不随VDS变化，基本上维持恒定，即ID对VDS呈饱和状态。结论：在Ⅱ区中，场效晶体管具有线性放大作用。第36页，课件共55页，创作于2023年2月结型场效晶体管的输出特性曲线(3)击穿区(图中Ⅲ区)当VDS增至一定数值后，ID剧增，出现电击穿。如果对此不加限制，将损坏管子。因此，管子不允许工作在这个区域。3．跨导(gm)反映在线性放大区VGS对ID的控制能力。单位为μA/V。第37页，课件共55页，创作于2023年2月2.2.2绝缘栅场效晶体管绝缘栅场效晶体管是一种栅极与源极、漏极之间有绝缘层的场效晶体管，简称MOS管。特点：输入电阻高，噪声小。分类：有P沟道和N沟道两种类型；每种类型又分为增强型和耗尽型两种。一、结构和工作原理N沟道增强型绝缘栅场效晶体管

1.

N沟道增强型绝缘栅场效晶体管第38页，课件共55页，创作于2023年2月工作原理如图所示：

(1)当VGS=0，在漏、源极间加一正向电压VDS时，漏源极之间的电流ID=0。

(2)当VGS

>0，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、源极间加一正向电压VDS时，将产生电流ID

。开启电压VT：增强型MOS管开始形成反型层的栅源电压。N沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理

第39页，课件共55页，创作于2023年2月N沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理

(3)在VDS>0时：若VGS

<

VT

，反型层消失，无导电沟道，ID=0；若VGS>VT，出现反型层(即导电沟道)，D、S之间有电流ID流过；若VGS逐渐增大，导电沟道变宽，ID也随之逐渐增大，即VGS控制ID的变化。第40页，课件共55页，创作于2023年2月2．N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管夹断电压：使ID=0时的栅源电压。

结构及符号如图所示。特点：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第41页，课件共55页，创作于2023年2月N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管工作原理：在VDS>0时，当VGS=0导电沟道有电流ID；当VGS>

0并逐渐增大时，沟道变宽，使ID增大；当VGS<0逐渐增大此负电压时，沟道变窄，使ID减小。实现VGS对ID的控制作用。夹断电压VP：是指使ID=0

时的栅源电压

VGS。

第42页，课件共55页，创作于2023年2月二、绝缘栅场效晶体管的特性曲线和跨导以N沟道MOS管为例。

1．转移特性曲线

N沟道MOS管的转移特性曲线如图所示。N沟道MOS管转移特性曲线增强型：当VGS=

0时，ID=0；当VGS>VT时，ID>0。耗尽型：当VGS=

0时，ID

0；当VGS为负电压时ID减小；当VGS=

VPS时，ID=0。

第43页，课件共55页，创作于2023年2月2．输出特性曲线3．跨导可调电阻区饱和区击穿区三个区的含义与结型管输出特性曲线三个区相同。N沟道MOS管输出特性曲线第44页，课件共55页，创作于2023年2月三、绝缘栅场效晶体管的图形符号MOS管的图形符号

注意N、P沟道的区别在于图中箭头的指向相反。第45页，课件共55页，创作于2023年2月2.2.3场效晶体管的主要参数和特点一、主要参数1．直流参数(1)开启电压VT

在VDS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10A)时，所需加VGS

的值。(2)夹断电压VP

在VDS为定值的条件下，耗尽型场效晶体管ID减小到近于零时VGS的值。第46页，课件共55页，创作于2023年2月(3)饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效晶体管工作在饱和区且VGS=0时，所对应的漏极电流。

(4)直流输入电阻RGS

栅源电压VGS与对应的栅极电流IG

之比。场效晶体管输入电阻很高，结型管一般在107以上；绝缘栅管则更高，一般在109以上。

第47页，课件共55页，创作于2023年2月2．交流参数(1)跨导gmVDS一定时，漏极电流变化量ID

和引起这个变化的栅源电压变化量VDS之比。它表示了栅源电压对漏极电流的控制能力。(2)极间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。第48页，课件共55页，创作于2023年2月3．极限参数(1)漏极最大允许耗散功率PDMID

与VDS的乘积不应超过的极限值。(2)漏极击穿电压V(BR)DS漏极电流ID开始剧增时所加的漏源间的电压。第49页，课件共55页，创作于2023年2月二、场效晶体管的特点场效晶体管与普通三极管比较表项目器件名称晶体三极管场效应管极型特点双极型单极型控制方式电流控制电压控制类型PNP型、NPN型N沟道、P沟道放大参数=50~200gm=1000~5000μA/V输入电阻10