極管的結(jié)構(gòu)及工作原理

1、第二章：三極管及其基本放大電路,半導體三極管是最重要的半導體器件，是電子電路中的核心器件，被廣泛應用到了各種電子線路中，是電子線路的靈魂,本章主要介紹雙極性三極管的特點、基本放大電路、多級放大電路,2.1 雙極型半導體三極管,三極管是組成各種電子電路的核心器件。通過一定的制造工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起，是三極管具有放大作用。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應用發(fā)生了質(zhì)的飛躍,2.1.1 雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)類型和符號,雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極,發(fā)射極e,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),集電

2、極c,基極b,NPN型,PNP型,根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導電，即為單極型,NPN型三極管圖符號,大功率低頻三極管,小功率高頻三極管,中功率低頻三極管,e,c,b,PNP型三極管圖符號,e,c,b,注意：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向,2.1.2 雙極型三極管的電流分配關(guān)系及放大作用,晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖,e發(fā)射極,集電區(qū)N,基區(qū)P,發(fā)射區(qū)N,b基極,c集電極,晶體管實現(xiàn)電流 放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件,1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有 足夠的載流子供“發(fā)射,2)為減少載流

3、子在基區(qū)的復合機 會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個 微米，且摻雜濃度極低,3)集電區(qū)體積較大，且為了順利 收集邊緣載流子，摻雜濃度界于 發(fā)射極和基極之間,可見，雙極型三極管并非是兩個PN 結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反,晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件,1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴散，擴散 電流即發(fā)射極電流ie，擴散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復合，形 成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴散,2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴散到集電結(jié)邊緣的 多數(shù)擴散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic,

4、IE,IC,IB,整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： IE=IB+IC,結(jié)論,由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū)，并不斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流IE,回顧與總結(jié),1. 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程,由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴散過 來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴散到了集電結(jié)邊緣,2. 電子在基區(qū)的擴散和復合過程,集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣 的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC,3. 集電區(qū)收集電子的

5、過程,只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力,三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠大于IB，IC與IB的 比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小 的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40 A增加到50A時，IC將從3.2mA增大到4mA，即,顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的值稱為 三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號、不同類型和用途的三 極管，值的差異較大，大多數(shù)三極管的值通常在幾十 至幾百的范圍,由此可得：微小的基

6、極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件,2.1.3 雙極型三極管的特性曲線,所謂伏安特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。從工程應用角度來看，外部特性更為重要,1) 輸入特性曲線,以常用的共射極放大電路為例說明（ UCE為常數(shù)時，IB和UBE之間的關(guān)系,UCE=0V,令UBB從0開始增加,令UCC為0,UCE=0時的輸入特性曲線,UCE為0時,令UBB重新從0開始增加,增大UCC,讓UCE=0.5V,UCE =1V,UCE=0.5V,UCE=0.5V的特性曲線,繼續(xù)增大UCC,讓UCE=1V,令UBB重新從0開始增加,UCE

7、=1V,UCE=1V的特性曲線,繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后 的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不 再變化,實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似,UCE1V的特性曲線,2) 輸出特性曲線,先把IB調(diào)到某一固定值保持不變,當IB不變時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性,然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來,根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特

8、性曲線,IB,0,再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變,仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增 大，繼續(xù)觀察毫安表中IC 的變化并記錄下來,根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些,IB1,IB2,IB3,IB=0,如此不斷重復上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對應相應IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線,輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨UCE的增加而急劇增大,當UCE增至一定數(shù)值時(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化,當IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集

9、電區(qū)而形成集電極電流IC 。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性,當IB增大時，相應IC也增大，輸出特性曲線上移， 且IC增大的幅度比對應IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用,從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù),取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差,再讀出這兩條曲線對應的集電極電流之差I(lǐng)C=1.3mA,IC,于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)： =IC/IB=1.30.04=32.5,輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū),飽和區(qū)。當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的

10、變化對IC的影響很小,截止區(qū)。當基極電流IB等于0時，晶體管處于截止狀態(tài)。實際上當發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于和等于零,放 大 區(qū),晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正 偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電 流與基極電流之間成倍的數(shù)量關(guān)系， 即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用,此時UCE小于UBE,規(guī)定： UCE=UBE時，為臨近飽和狀態(tài)，用UCES（0.3或0.1）表示，此時集電極臨近飽和電流是,管子深度飽和時，硅管的VCE約為0.3V，鍺管約為0.1V,由于深度飽和時VCE約等于0，晶體管在電路中猶如一個閉合的開關(guān),例1: 用直流電壓表測得放大電

11、路中晶體管T1各電極的對地電位分別為V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V，如圖（a）所示, T2管各電極電位V1 = +0V，V2= -0.3V，V3= -5V，如圖（b）所示，試判斷T1和T2各是何類型、何材料的管子，x、y、z各是何電極,解： 工作在放大區(qū)的NPN型晶體管應滿足VCVB VE ，PNP型晶體管應滿足VCVB VE，因此分析時,先找出三電極的最高或最低電位，確定為集電極,而電位差為導通電壓的就是發(fā)射極和基極。根據(jù)發(fā)射極和基極的電位差值判斷管子的材質(zhì),1） 在圖（a）中，3與2的電壓為0.7V，可確定為硅管，因為V1V3 V2,，所以1為集電極，2為發(fā)射極，3為

12、基極，滿足VCVB VE,的關(guān)系，管子為NPN型。 （2）在圖（b）中，1與2的電壓為0.3V，可確定為鍺管，又因V3V2 V1,，所以3為集電極，1為發(fā)射極，2為基極，滿足VCVB VE的關(guān)系，管子為PNP型,V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V,V1 = +0V，V2 = -0.3V，V3= -5V,例2圖所示的電路中，晶體管均為硅管,=30，試分析各晶體管的工作狀態(tài)。 解: （1）因為基極偏置電源+6V大于管子的導通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏，管子導通,基極電流,2）因為基極偏置電源-2V小于管子的導通電壓，管子的發(fā)射結(jié)反偏，管子截止，所以管子工作在截止區(qū),3)因為基極偏置

13、電源+2V大于管子的導通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏,管子導通基極電流,2.1.4 三極管的主要參數(shù),1.電流放大倍數(shù),2.極限參數(shù),集電極最大允許電流ICM,反向擊穿電壓U(BR)CEO,UCC,U(BR ) CEO,基極開路,指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓,使用中若超過此值,晶體管的集電結(jié)就會出現(xiàn)擊穿,值的大小反映了晶體管的電流放大能力,ICICM時，晶體管不一定燒損，但值明顯下降,集電極最大允許功耗PCM,晶體管上的功耗超過PCM，管子將損壞,安 全 區(qū),3.極間電流,集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEO（穿透電流） 指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間加一定反向電壓時的集電極電流。該

14、值越小越好。 . 集電極反向飽和電流ICBO,是少數(shù)載流子運動的結(jié)果，其值越小越好,4.溫度對晶體管參數(shù)的影響,見書的27頁,晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個極互換使用，則嚴重影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失,晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，UCEUBE，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降,學習與討論,為了使發(fā)射區(qū)擴散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復合，由于基區(qū)摻雜深度很低

15、且很薄，因此只能有極小一部分擴散電子與基區(qū)空穴相復合形成基極電流，剩余大部分擴散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流,用萬用表測試二極管好壞及極性的方法,用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦裕坎⑴袆e其極性,正向?qū)娮韬苄?。指針偏轉(zhuǎn)大,反向阻斷時電 阻很大，指針基本不動,選擇萬用表R1k 的歐姆檔，其中黑表棒作為電源正極， 紅表棒作為電源負極，根據(jù)二極管正向?qū)ā⒎聪蜃钄嗟?單向?qū)щ娦詫⒈戆魧φ{(diào)一次即可測出其極性及好壞,如何判斷二級管的正負極呢,用萬用表測試三極管好壞及極性的方法,用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型,指針不動

16、，說明管子反偏截止，因此為NPN型,先將萬用表置于Rlk歐姆檔，將紅表棒接假定的基極B，黑表棒分別與另兩個極相接觸，觀測到指針不動(或近滿偏)時，則假定的基極是正確的;且晶體管類型為NPN型（或PNP型,如果把紅黑兩表棒對調(diào)后，指針仍不動(或仍偏轉(zhuǎn))，則說明管子已經(jīng)老化(或已被擊穿)損壞,想一想，這種檢測方法依據(jù)的是什么,指針偏轉(zhuǎn)，說明管子正向?qū)?，因此為PNP型,PN結(jié)的 單向?qū)щ娦?若被測管為NPN三極管，讓黑表棒接假定的集電極C ，紅表棒接假定的發(fā)射極E 。兩手分別捏住B、C兩極充當基極電阻RB(兩手不能相接觸)。注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小；之后，再將兩檢測極反過來假定，仍然注意觀察電表

17、指針偏轉(zhuǎn)的大小,c,b,e,人體電阻,c,b,e,人體電阻,假定極正確,假定極錯誤,用萬用表R1k歐姆檔判別發(fā)射極E和集電極C,偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的！偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降，即集電極和發(fā)射極接反了。 如果兩次檢測時電阻相差不大，則說明管子的性能較差,1.三極管起電流放大作用，其內(nèi)部、外部條件分別要滿足哪些,你會做嗎,檢驗學習結(jié)果,2.使用三極管時，只要集電極電流超過ICM值；耗散功率超過PCM值；集射極電壓超過U（BR）CEO值，三極管就必然損壞。上述說法哪個是對的,3.用萬用表測量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說明每個管子是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么

18、區(qū)域？ UBE0.7V，UCE0.3V； UBE0.7V，UCE4V； UBE0V，UCE4V； UBE0.2V，UCE0.3V； UBE0V，UCE4V,NPN硅管，飽和區(qū),NPN硅管，放大區(qū),NPN硅管，截止區(qū),PNP鍺管，飽和區(qū),PNP鍺管，截止區(qū),2.2放大電路基本組成,1.5 單極型三極管,雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的 電流控制型器件，因工作時兩種載流子同時參與導電而稱之 為雙極型。單極型三極管因工作時只有多數(shù)載流子一種載流 子參與導電，因此稱為單極型三極管；單極型三極管是利用 輸入電壓產(chǎn)生的電場效應控制輸出電流的電壓控制型器件,上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實物圖

19、。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其中絕緣柵型場效應管應用最為廣泛，其 中又分增強型和耗盡型兩類，且各有N溝道和P溝道之分,1、MOS管的基本結(jié)構(gòu),N,N,以P型硅為襯底,二氧化硅(SiO2)絕緣保護層,兩端擴散出兩個高濃度的N區(qū),N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié),由襯底引出電極B,由高濃度的N區(qū)引出的源極S,由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D,由二氧化硅層表面直接引出柵極G,雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高,大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起,鋁電極、金屬 （Metal,二氧化硅氧化物 （Oxide,半導體 （Semiconductor,故單極型三極管又稱為MOS管,MOS管電路的連接形式,漏極

20、與源極間 電源UDS,柵極與源極間 電源UGS,如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般P型硅襯底應接低電位，N型硅襯底應接高電位，由導電溝道的不同而異,不同類型MOS管的電路圖符號,由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場效應管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道,虛線表示 增強型,實線表示 耗盡型,2. 工作原理,以增強型NMOS管為例說明其工作原理。N溝道增強型MOS管不存在原始導電溝道,當柵源極間電壓UGS=0 時，增強型MOS管的漏極和源極之間相當于存在兩個背靠背的PN結(jié),不存在 原始溝道,UDS,UGS=0,此時無論UDS是否為0，也無論其極性

21、如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導通，ID=0。MOS管處于截止區(qū),P,ID=0,怎樣才能產(chǎn)生導電溝道呢,在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷,UDS=0,UGS,電場力 排斥空穴,二氧化硅層在 UGS作用下被充 電而產(chǎn)生電場,形成耗盡層,出現(xiàn)反型層 形成 導電溝道,電場吸引電子,導電溝道形成時，對應的柵源間電壓UGS=UT稱為開啟電壓,UT,當UGSUT、UDS0且較小時,UDS,UGS,ID,當UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時，ID隨著UGS的增大而增大,此時增大UDS，導電溝道出現(xiàn)梯

22、度，ID又將隨著UDS的增大而增大,直到UGD=UGSUDS=UT時，相當于UDS增加使漏極溝道縮減到導電溝道剛剛開啟的情況，稱為預夾斷，ID基本飽和,導電溝道加厚 產(chǎn)生漏極電流,如果繼續(xù)增大UDS，使UGDUT時，溝道夾斷區(qū)延長，ID達到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進入飽和區(qū),溝道出現(xiàn)預夾斷時工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無關(guān)，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來控制漏極電流ID大小的一種電壓控制器件,MOS管的工作過程可參看下面動畫演示,3. MOS管使用注意事項,1) MOS管中, 有的產(chǎn)品將襯底引出，形成四個管腳。使用者可視電路需要進行連接。P襯底接低電

23、位，N襯底接高電位。但當源極電位很高或很低時 , 可將源極與襯底連在一起,2)場效應管的漏極與源極通?？梢曰Q，且不會對伏安特性曲線產(chǎn)生明顯影響。注意：大多產(chǎn)品出廠時已將源極與襯底連在一起了，這時源極與漏極就不能再進行對調(diào)使用,3)MOS管不使用時 , 由于它的輸入電阻非常高, 須將各電極短 路 , 以免受外電場作用時使管子損壞。即MOS管在不使用時 應避免柵極懸空，務(wù)必將各電極短接,4)焊接MOS管時，電烙鐵須有外接地線，用來屏蔽交流電 場，以防止損壞管子。特別是焊接絕緣柵場效應管時，最 好斷電后再焊接,單極型晶體管和雙極型晶體管的性能比較,1. 場效應管的源極S、柵極G、漏極D分別對應于雙極型晶體管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。 2. 場效應管是電壓控制電流器件，場效應管柵極基本上不取電流，而雙極型晶體管工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應該選用場效應管；而在允許取一定量電流時，選用雙極型晶體管進行放大可以得到比場效應管較高的電壓放大倍數(shù)。 3. 場效應管是多子導電，而雙極型晶體管則是既利用多子，又利用少子。由于少子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效應管比較合適。 4. 場效應管的源極和襯底