《模拟电子技术》课件第2章

2.1晶体三极管

2.1.1晶体三极管的结构特点

晶体三极管又称双极型半导体三极管（简称三极管或BJT）。它由两个PN结组成，根据结构的不同，可分为NPN型和PNP型两种，其结构示意图和电路符号如图2－1所示。图2－1晶体三极管的结构和符号

(a)NPN型；(b)PNP型;(c)NPN型三极管的电路符号；

(d)PNP型三极管的电路符号图2－1(a)是NPN型晶体三极管的结构示意图，NPN管有两个N型区和一个P型区，其中一个N型区掺杂浓度高，称为发射区，另一个掺杂浓度低的N型区称为集电区，夹在它们中间的P型区称为基区，基区做得很薄(其厚度以微米计)，而且掺杂浓度极低。由这三个区各引出一个电极，分别称为发射极Ｅ、集电极Ｃ和基极Ｂ。发射区与基区间的PN结称为发射结，集电区与基区间的PN结称为集电结。这种NPN型三极管的电路符号如图2－1（c）所示，其发射极箭头表示发射结加正向电压（即正向偏置）时发射极电流的方向。与NPN三极管对应的PNP三极管的结构示意图和电路符号分别如图2－1（b）、（d）所示。三极管种类很多，按照构成的半导体材料分为硅管、锗管等；按照应用的频率分为高频管、低频管；按照功率分为大、中、小功率管等。

综上所述，三极管结构上的特点是：有两个背靠背的PN结，发射区掺杂浓度远高于集电区，而基区做得很薄，集电区面积大。这些都使三极管具有电流放大作用的内部条件。2.1.2晶体三极管的特性曲线

1.电流的分配关系

当三极管处在发射结正向偏置、集电结反向偏置的状态下，管内载流子的运动情况可用图2－2来说明，其载流子传输过程为发射区向基区注入电子并在基区内边扩散、边复合，最后由集电区收集。由于载流子的运动，从而产生相应电流，它们的关系如下：（2-1）（2－2）（2－3）（2－4）图2－2三极管内部载流子的输运过程其中，ICBO是发射极开路时集电极与基极之间由少数载流子形成的反向饱和电流；ICEO是基极开路时集电极和发射极之间的穿透电流；α为共基极电流的放大系数；β为共发射极电流的放大系数。α和β分别定义为（2－5）（2－6）三极管的各极电流之间有一定的规律。我们通过一个实验来说明，电路如图2－3所示。我们看到，三极管的发射结加的是正向电压，集电结加的是反向电压，只有这样才能保证三极管工作在放大状态。改变可变电阻R，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化。测量结果见表2－1。图2－3三极管电流放大的实验电路通过观察表中的数据，我们可以发现下面的规律：

（1）每一列的数据都满足基尔霍夫电流定律，即基本上接近50。这个关系写成表达式就是（2－7）称做直流电流放大系数。（3）对两列中的数据求得IC和IB的变化量，再加以比较。如选第3列和第4列中的数据，可得ΔIC/ΔIB=(1.990–0.980)/(0.040–0.020)=1.010/0.020=50.3再选第4列和第5列中的数据，可得ΔIC/ΔIB=(2.995–1.990)/(0.060–0.040)=1.005/0.020=50.25这说明当基极电流有一个小的变化（0.02mA）时，集电极电流相应有一个大的变化（1.01mA），用下式表示β=ΔIC/ΔIB

（2－8）β称做交流电流放大系数。

2.三极管的伏安特性曲线

三极管的伏安特性曲线与其接法有关，在讨论之前，我们先来认识一下三极管的3种不同组态接法。

（1）共基极，如图2－4（a）所示。

（2）共发射极,如图2－4（b）所示。

（3）共集电极,如图2－4（c）所示。图2－4三极管放大电路的三种组态

(a)共基极电路；(b)共发射极电路；(c)共集电极电路

1)输入特性

在图2－3中，当集电极和发射极之间的电压UCE保持不变，改变基极和发射极之间的电压UBE时，基极中的电流IB就发生变化。这个关系用曲线表示出来，就叫做三极管的输入伏安特性（共发射极接法），如图2－5所示。（2－9）当UCE=0时，相当于集电极和发射极短路，此时的三极管相当于发射结和集电结两个二极管正向并联，IB和UBE的关系和二极管的伏安特性相似。图2－5三极管输入特性曲线当UCE增大时，输入特性曲线向右移动，表现出UCE对输入特性有影响，但是当UCE大于一定值（一般当UCE＞1V)后，曲线将趋于重合，所以用一条曲线表示。由图可见，三极管的输入伏安特性和二极管一样也存在着死区电压，其值与三极管的材料有关。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。三极管正常工作于放大区时，发射结的电压变化不大，硅管约为0.7V左右，锗管约为0.3V左右。

2)输出特性

在图2－3中，当基极电流IB保持不变，改变集电极和发射极之间的电压UCE，集电极电流IC将随之变化，两者之间的关系是一条曲线。当基极电流IB取不同的值时，可以得到不同的曲线，所以三极管的输出伏安特性是一族曲线，如图2－6所示。（2－10）图2－6三极管输出特性曲线2.1.3晶体三极管的主要参数

1.电流放大系数

电流放大系数主要表征管子的放大能力。它有共基极的放大系数α和共发射极的放大系数β，二者的关系是：或

2.极间的反向电流（它们是少数载流子形成的）

（1）ICBO：发射极开路时集电极--基极

的反向饱和电流。

（2）ICEO：穿透电流，它与ICBO关系为：ICEO=（1+β）ICBO图2－7三极管极限参数图

2.2场效应管

场效应管是20世纪60年代出现的一种较新型的半导体器件，其外形与双极型三极管相似，但控制特性却不同，它是利用电场效应来控制输出电流的，所以是电压控制型器件，并以此命名。而且场效应管中只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故又称为单极型半导体三极管。场效应管最突出的优点是：输入电阻非常高，一般可达107～1015Ω，因此输入端基本上不取电流。此外它还具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。下面就来介绍一下各种场效应管及其应用。

根据结构的不同，场效应管可分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（IGFET）两种类型，每类又按导电沟道的不同，有N沟道和P沟道之分。绝缘栅场效应管又按其工作方式的不同，有增强型和耗尽型两种。下面就以N沟道结型场效应管和N沟道增强型绝缘栅场效应管为例，分别介绍一下它们的结构、符号及工作特性。2.2.1

N沟道结型场效应管

1.结构及符号

N沟道结型场效应管的结构如图2－8（a）所示，在一块N型半导体的两侧，各制成一个高掺杂浓度的P型区（用P+表示），在交界处形成两个PN结，即耗尽层。将两侧的P+型区连在一起，引出一个电极称为栅极G，用来控制载流子流通的数量；在N型半导体的两端各引出一极，分别称为源极S和漏极D，源极是载流子的发源处，漏极是载流子的泄漏处。两个PN结间的N区，是载流子流过源、漏两极的通道，称为导电沟道，故此管称为N沟道管。其电路符号如图2－8(b)所示，箭头方向表示沟道的类型，总是由P区指向N区，故N沟道结型场效应管符号的箭头向里。图2－8

N沟道JEFT

(a)结构示意图；(b)电路符号图2－9当UDS=0时UGS的控制作用

图2－10当UDS≠0时UGS的控制作用

3.特性曲线

场效应管的工作特性常用图2－11所示的输出特性曲线和转移特性曲线来描述。图2－11

N沟道JFET转移特性曲线和输出特性曲线

1）输出特性曲线

输出特性曲线是指UGS为定值时，ID与UDS的关系曲线，其函数表达式为（2－11）由上述分析可知，输出特性曲线为UGS取不同值时的一组曲线族，如图2－11右半部分所示。场效应管的输出特性曲线与三极管的输出特性曲线形状相似，也是一组曲线，可分为4个区域，现分别讨论如下：

(1)可变电阻区。可变电阻区位于特性曲线的起始上升部分。在此区中场效应管可看做是一个受UGS控制的可变电阻，故此得名。这个区的特点是：当UDS较小时ID随UDS的增大呈线性增大。可变电阻区与三极管输出特性的饱和区相对应。

(2)恒流区（放大区或饱和区）。恒流区位于输出特性曲线的近似水平部分。该区的特点是：第一，ID几乎不随UDS的变化而变化，表明具有恒流特性；第二，ID受UGS的控制，表明具有放大特性。该区与三极管输出特性曲线的放大区相对应。场效应管作线性放大器件使用时应工作在这个区域。

(3)夹断区。当│UGS│≥│UGS(off)│，管子于夹断状态，漏极电流ID近似为零。这个区域称为夹断区。

(4)击穿区。在恒流区的右边曲线将向上弯曲的部分是击穿区。该区的特点是：当UDS过大时，场效应管被击穿，ID急剧增大。场效应管被击穿后，就再不能正常工作了，所以场效应管不允许工作在这个区域。

2）转移特性曲线

转移特性曲线是指UDS为固定值，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系曲线。其函数表达式为（2－12）（2－13）2.2.2

N沟通增强型绝缘栅场效应管

绝缘栅型场效应管有多种类型，应用最广泛的是以二氧化硅（SiO2）作为栅极与半导体材料之间的绝缘层的FET，简称MOSFET（MetalOxideSemiconductor），或MOS管。

绝缘栅场效应管有N沟道型和P沟道型两种形式，无论是哪种沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。增强型MOS管的结构和电路符号如图2－12和图2－13所示。图2－12增强型NMOS管的结构和电路符号图2－13增强型PMOS管的结构和电路符号

(a)结构；(b)电路符号图2－12(a)是增强型NMOS管的结构图，它以一块掺杂浓度较低的P型硅作衬底，采用扩散工艺在上面形成两个高浓度的N+区，然后在上面覆盖一层很薄的二氧化硅保护层。再从两个N+区引出两个电极——源极S和漏极D。最后在二氧化硅的表面制作栅极G。图2－12（b）是增强型NMOS管的电路符号，衬底箭头的方向表示由衬底的P区指向沟道N区。

1.增强型NMOS场效应管的工作原理

N沟道增强型MOS场效应管的工作原理如图2－14所示，当NMOS管的栅极和源极短接时，栅源电压UGS=0，这时，源极与衬底以及漏极与衬底之间形成了两个背靠背的PN结。不管在漏极、源极之间所加的电压极性如何，总有一个PN结处于反向截止状态，不会出现漏极电流ID。因此，管子是不导通的。图2－14增强型NMOS管工作原理示意图在MOS管工作时，源极和衬底通常是连接在一起的。如果这时使漏极和源极之间的电压UDS=0,并在栅极和源极之间加上一个正电压UGS，这样将在二氧化硅保护层中产生一个垂直于半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场，由于绝缘层很薄，即使电压只有几伏，仍可使栅源电压UGS产生的电场达到105～106V／cm。当UGS增加至一定值时，可将P型衬底中的少数载流子(电子)吸引上来，在P型衬底的表面形成一个N型的薄层，称为反型层。反型层沟通了漏源两个N+区域，成为这两个区域之间的导电沟道。通常，我们将导电沟道开始形成时的电压UGS称为开启电压UT。显然，栅源电压UGS的值越大，吸引的电子越多，

形成的导电沟道越厚，沟道电阻越小。这种在UGS=UT以后才能形成N型导电沟道的MOS管，称为增强型NMOS管。

当UGS＞UT时，如果在漏源之间加上一个电压UDS，将形成漏极电流ID。电压UDS较小时，电压UDS稍有上升，漏极电流ID就会迅速增大。漏极电流ID流过导电沟道时，将会产生压降，使栅极与沟道中各点的压降不再相等，形成一个电位梯度。栅源之间的压降最大，就是UGS，此处导电沟道最厚。栅漏之间的压降最小，UGD=UGS-UDS，导电沟道最薄。整个导电沟道中的电子呈楔形分布。如果UDS增大到UGD=UGS-UDS=UT时，靠近漏端的沟道开始消失，这种情况称为预夹断。如果UDS在此基础上继续增大，将使UGD=UGS-UDS＜UT，则夹断点就会从漏极向源极方向延伸，在漏区附近出现夹断区。这时，UDS增大的部分全部落到了夹断区上，形成较强的电场，使电子仍能经过夹断区漂移到漏极，使得漏极电流ID保持连续。由于漏极ID的大小主要由沟道上的压降决定，而沟道上的压降并不随UDS的增大而增大。因此，出现预夹断后，漏极电流ID基本上保持一个恒定值，或略有增加。通过上述分析，可以看出，NMOS管是利用UGS来控制导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。

2.增强型NMOS场效应管的特性曲线

（1）输出特性曲线。N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图2－15（a）所示，其形状与N沟道结型场效应管的输出特性曲线相似，也可分为可变电阻区、恒流区(饱和区)、夹断区和击穿区4部分。（2）转移特性曲线

转移特性曲线如图2－15（b）所示。曲线与横轴交点的电压值UT称为开启电压。

当UGS＜UT时，ID=0，场效应管截止；当UGS＞UT时，ID＞0，场效应管导通，ID随UGS的增加而增加。

图2－15增强型NMOS管的特性曲线2.2.3场效应管的主要参数

结型场效应管和绝缘栅型场效应管的主要参数基本相同，但要注意两点：第一，结型场效应管和耗尽型绝缘栅型场效应管用夹断电压(UGS(off))来表述，而增强型绝缘栅型场效应管用开启电压UT来表述；第二，耗尽型绝缘栅型场效应管可以在正栅压下工作，而结型管（N沟道）只能在UGS＜0的区域工作。其主要参数如下。

1.开启电压UT

对于增强型MOS管来说，在漏源电压UDS为某一固定值时，能够使漏极电流ID