《模拟电子技术基础与实验应用教程》第2章 半导体三极管及其应用

第2章半导体三极管及其基本应用本章小结2.1晶体管的特性与参数2.2晶体管的基本应用2.3场效应管及其基本应用2.4三极管的使用知识引言三极管具有放大和开关作用三极管分类双极型半导体三极管，简称晶体管（BJT）（它有空穴和自由电子两种载流子参与导电）单极型半导体三极管，简称场效应管（FET）（它只有一种载流子参与导电）本章重点晶体管的放大原理、放大电路的组成、直流通路、交流通路及小信号等效电路。第2章半导体三极管及其基本应用2.1晶体管的特性与参数2.1.1晶体管的工作原理2.1.2晶体管的伏安特性2.1.3晶体管的主要参数2.1.1晶体管的工作原理一、结构与符号NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB分类按材料分硅管、锗管按结构分NPN、PNP按使用频率分低频管、高频管按功率分小功率管<500mW中功率管0.5～1W大功率管>1W二、电流放大原理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外部条件发射结正偏集电结反偏输入回路输出回路RCVCCiBIERB+UBE

+UCE

VBBCEBiC+

+

UCB+

IEIBIC发射结正偏集电结反偏UCB>0集电结反偏+-UBE>0发射结正偏2.晶体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：以小电流（IB）控制大电流（IC）的作用，称为晶体管的电流放大作用。晶体管内部载流子的传输过程1)

发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)

集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)知识拓展集电区少子漂移(ICBO)考虑到集电结反向饱和电流ICBO的影响：IE=IC+IB穿透电流2.1.2晶体管的伏安特性一、输入特性曲线输入回路输出回路与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE

+uCE

VBBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

VBB+

O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.6

0.8)V锗管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2VVBB+

RB二、输出特性曲线iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.截止区：

IB

0

IC=ICEO

0条件：两个结反偏1.放大区：2.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(sat)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO三、PNP晶体管的伏安特性曲线2.1.3晶体管的主要参数一、电流放大系数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Q二、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。三、极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。3.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)EBO

(讨论)已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE

=

10V时，IC<

mA当UCE

=

1V，则IC<

mA当IC

=

2mA，则UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区四、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1

C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10

C，ICBO

约增大1倍。2.温度升高，输出特性曲线向上移。OT1T2>iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0温度每升高1

C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O第2章半导体三极管及其基本应用2.2晶体管的基本应用2.2.1晶体管的直流电路2.2.2晶体管开关电路2.2.3晶体管放大电路2.2.1晶体管的直流电路一、工程近似分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB6V6ViBiC178k

1k

=100二、图解分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB6V6ViBiC输入直流负载线方程：uCE=VCC

iC

RCuBE=VBB

iBRB输出直流负载线方程：输入回路图解QuBE/ViB/

A静态工作点VBBVBB/RB178k

UBEQIBQ0.730输出回路图解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCO1k

Q33UCEQOiB=30

AICQ1、发射结反偏或零偏，截止。2、发射结正偏，导通。集电结反偏，放大导通，iB↑、iC↑;

集电结正偏，饱和导通，iB↑、iC近似不变。ICS称集电极饱和电流IBS称基极临界饱和电流UCES称饱和压降ICSUCESIBSiB>IBS饱和导通;iB≤IBS放大导通。晶体管工作状态的判断方法2.2.2晶体管开关电路UI=UIH晶体管饱和，C、E间等效为开关闭合UI=0V，晶体管截止，C、E间等效为开关断开例2.2.3图（a）所示硅晶体管电路中，β=50，输入电压为一方波，如图(b)所示，试画出输出电压波形。uI=0时，三极管发射结零偏截止，

iC

0,

故uO

5V。

当uI=3.6V时，设三极管饱和，则uO=UCES

0.3V

可见当uI=3.6V时，iB>IBS，三极管确实可靠饱和，因此uO

0.3V。uO波形如图（c）所示。而实际基极电流解：2.2.3晶体管放大电路1.放大电路的组成+

–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+

–

+

–

+uCE

+

178KΩuBE–C26V6V+○○–uoVCC集电极直流电源•

使集电结反偏•隔直流、通交流RC

集电极直流负载电阻VBB基极直流偏置电源，RB

基极偏置电阻•

使发射结正偏，提供合适的基极电流C1、C2

耦合电容•将

IC

UC

，使电流放大

电压放大一、放大电路的工作原理2.静态工作状态与直流通路当放大器接通直流电源，而输入信号为零时，其工作状态称为静态，这时电路中电压、电流只有直流量：UBEQ、IBQ、ICQ、UCEQUBEQ、IBQ、ICQ、UCEQ直流通路静态工作点IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQUCEQUBEQuBEOt3.动态工作波形有输入信号时放大电路工作状态称动态ui=UimsinωtuBE=UBEQ+UimsinωtiB=IBQ+IbmsinωtiC=ICQ+IcmsinωtuCE=UCEQ-IcmRcsinωtuo=-IcmRcsinωt=-Uomsinωt二、放大电路的图解分析例2.2.4

硅管，ui

=10sint(mV)，RB=178k，RC=1k，VCC=VBB=6V，图解分析各电压、电流值。[解]令ui=0，求静态电流IBQuBE/ViB/

AO0.7V30QuiOtuBE/VOtiBIBQ(交流负载线)uCE/ViC/mA41O23iB=10

A20304050505Q6直流负载线Q

Q

6OtiCICQUCEQOtuCE/VUcemibicuceRL+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE

+uBE–

1.图解分析举例当ui=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

当ui=Uimsintib=Ibmsintic=Icmsint

uce=–Ucemsint

uo=uceiB=

IBQ

+IbmsintiC=

ICQ

+IcmsintuCE=

UCEQ

–

Ucemsin

t=

UCEQ

+Ucemsin

(180°–

t)uBE/ViB/

A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流负载线)uCE/ViC/mA4123iB=10

A20304050605Q6直流负载线Q

Q

6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO2.放大电路的截止和饱和失真因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。1.“Q”过低引起截止失真NPN管：顶部失真为截止失真。PNP管：底部失真为截止失真。不发生截止失真的条件：IBQ>Ibm。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBuiuCEiCictOOiCOtuCEQuce交流负载线2.“Q”过高引起饱和失真ICS集电极临界饱和电流NPN管：

底部失真为饱和失真。PNP管：顶部失真为饱和失真。IBS—基极临界饱和电流。不发生饱和失真的条件：IBQ+Ibm

IBSuCEiCtOOiCO

tuCEQ三、放大电路的小信号等效电路分析晶体管电路可当成双口网络来分析1、晶体管H参数小信号电路模型从输入端口看进去，相当于电阻rberbe

—Hie从输出端口看进去为一个受

ib

控制的电流源

ic

=

ib，

—Hfe+uce–+ube–

ibicCBErbe

Eibic

ic+ube

+uce

BCrbb

—晶体管基区体电阻例2.2.5

=100，uS

=10sint(mV)，求叠加在“Q”

点上的各交流量。[解]令ui=0，求静态电流IBQ①求“Q”，计算rbeICQ=

IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.4

2.7=5.5(V)2、晶体管放大电路的交流分析②交流通路+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

ubeuce③小信号等效+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

icBCusRC+ube

④分析各极交流量⑤

分析各极总电量uBE=(0.7+0.0072sin

t

)ViB=(24+5.5sin

t)

AiC=(2.4+0.55sin

t

)

mAuCE=(5.5–

0.85sin

t

)V第2章半导体三极管及其基本应用2.3场效应管及其基本应用引言2.3.1场效应管的结构、符号及其工作原理2.3.2场效应管的主要参数2.3.3场效应管的基本应用引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET，即Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor)特点：1.单极型器件(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(107

1015

，MOS可高达1015

)2.3.1场效应管的结构、符号及其工作原理一、N沟道增强型MOSFET1.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DrainSGDB2.工作原理反型层(沟道)场效应管通过控制输入电压UGS，可以控制输出电流ID的有无或大小，具有压控电流作用。当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；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)；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。123（1）转移特性2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)

时：uGS=2UGS(th)

时的

iD值（2）输出特性可变电阻区uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，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

开启电压iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区

饱和区可变电阻区放大区恒流区OO3.伏安特性二、N沟道耗尽型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。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三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB四、结型场效应管1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFETN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–5O5N沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)FET符号、特性的比较2.3.2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。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

1015

IDSSuGS/ViD/mAO4.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/mAQPDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds6.最大漏极功耗PDMO2.3.3场效应管的基本应用一、放大电路的工作原理1.电路组成+

–

iDRGVDDVGGRDC1ui+

–

+

–

+uDS

+

uGS–C2+○○–uoGDS共源放大电路VGG

栅极直流电源RG

栅极电阻VDD

漏极直流电源RD

漏极直流负载电阻C1C2

隔直耦合电容+

RDGDSRGIDQVGGVDD+

uGS/ViDOQuiOtuGS/VOtiDIDQidUGSQ直流通路3.信号的放大2.静态工作点二、场效应管的小信号模型及其应用小信号模型rgs

Sidgmugs+ugs

+uds

GD从输入端口看入，相当于电阻

rgs(

)。从输出端口看入为受

ugs

控制的电流源。id=gmugs例2.3.2ui

=20sint(mV)，

IDO=10mA，

UGS(th)=5V，

VGG=6.5V，

VDD=20V，

RD=15kΩ，求静态工作点及交流输出uo。交流通路

RDgdsRGid+uO–ui+小信号等效电路RDsidgmugs++uo

gdRG

ui+

ugsiiAuIYuOVDDSGDDGSBVPVNBAuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB增强型NMOS管(驱动管)增强型PMOS管(负载管)构成互补对称结构1.电路基本结构要求VDD>UGS(th)N+｜UGS(th)P｜且UGS(th)N=｜UGS(th)P｜

UGS(th)N增强型NMOS管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNBNMOS管的衬底接电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，从而保证衬底与漏源间的PN结始终反偏。.uGSN+-增强型PMOS管开启电压uGSP+-UGS(th)PuGSN>UGS(th)N时，增强型NMOS管导通uGSN<UGS(th)N时，增强型NMOS管截止OiDuGSUGS(th)N增强型NMOS管转移特性

时,增强型PMOS管导通时,增强型PMOS管截止OiDuGSUGS(th)P增强型PMOS管转移特性AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB1.电路基本结构知识拓展CMOS反相器AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底BVN衬底B2.工作原理◎输入为低电平，UIL=0V时，uGSN=0V<UGS(th)N，UIL=0V截止uGSN+-VN截止，VP导通，导通uGSP+-uO

VDD为高电平。AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底BVN衬底B截止uGSP+-导通uGSN+-◎输入为高电平UI=VDD时，uGSN=VDD>UGS(th)N,VN导通，VP截止，◎输入为低电平UI=0V时，uGSN=0V<UGS(th)N，VN截止，VP导通，uO

VDD,为高电平。UIH=

VDDuO

0V，为低电平。输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，输出与输入反相，称为反相器。第2章半导体三极管及其基本应用2.4三极管的使用知识及技能训练2.4.1晶体管的使用知识第一部分数字电极数3—

三极管第二部分第三部分字母(汉拼)材料和极性A—锗材料PNPB—锗材料NPNC—硅材料PNPD—硅材料NPN字母(汉拼)器件类型X—低频小功率管G—高频小功率管D—低频大功率管A—高频大功率管第四部分第五部分数字序号字母(汉拼)规格号例如：3AX313DG12B3DD63CG3DA3AD3DK常用小功率进口三极管9011

9018一、晶体管的命名方式K—开关管二、晶体管的外形及引脚排列EBCEBCEBCBEC三、晶体管的选用根据电路工作要求选择高、低频管。根据电路工作要求选择PCM、ICM

、U(BR)CEO，应保证：

PC>PCm

，

ICM>ＩCm

，U(BR)CEO>VCC一般三极管的

值在40~120之间为好，9013、9014等低噪声、高

的管子不受此限制。穿透电流ICEO

越小越好，硅管比锗管的小。1234四、晶体管的识别与检测根据外观判断极性；插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚；用万用表电阻挡测量三极管的好坏，PN结正偏时电阻值较小(几千欧以下)，反偏时电阻值较大(几百千欧以上)。123指针式万用表注意事项：1kBEC1kBEC红表笔是(表内)负极，黑表笔是(表内)正极。在R1k挡进行测量。测量时手不要接触引脚。数字万用表注意事项：根据外观判断极性可直接用电阻挡的挡，分别测量判断两个结的好坏；插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚；12红表笔是(表内)正极，黑表笔是(表内)负极。NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔。需要准确测量

值时，应先进行校正。五、场效应管使用常识1.场效应管型号命名方法第一种方法：与双极型晶体管相同。第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅型场效应管；第二位字母代表材料，D是P型硅材料N沟道管，C是N型硅材料P沟道管。如：3DJ6D

是N沟道结型场效应管

3DO6C

是N沟道绝缘栅场效应管第二种方法：用字线CS代表场效应管，其后缀数字和字母代表型号的序号和规格。如：CS4868

是N沟道结型场效应管2.场效应管使用注意事项（见书P60）第2章半导体三极管及其基本应用小结一、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+)