晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管的比較論文

1、 模 擬 電 子 技 術(shù)研究性教學(xué)論文實(shí)驗(yàn)題目： 晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管的比較 晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管的比較摘要晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。本文主要對(duì)晶體管的兩大分類-晶體三極管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)管（FET）在不同方面做了比較，包括概念定義，結(jié)構(gòu)分類，工作原理，放大比較以及綜合應(yīng)用等。一方面對(duì)晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管做了全面的歸納和對(duì)比，另一方面對(duì)模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)打好了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：晶體三極管，場(chǎng)效應(yīng)管，結(jié)構(gòu)，工作原理，放大，應(yīng)用Abstract Transistor (transistor) is a solid se

2、miconductor devices.It can be used for detection, rectification, amplification, switch, power, signal modulation and other functions. This paper mainly compares transistor to transistor (BJT) and field effect transistor (FET) in different aspects , including the definition of the concept, structure,

3、 working principle, amplifying comparison ,comprehensive application and so on .Talking about the significance of this thesis ,on the one hand ,it made induction and comparative comprehensive on the transistor and FET, on the other hand, it lay the foundation for electronic technology learning . Key

4、words: transistor, FET, structure, working principle, amplification, application目錄一、基本概念3 1.1晶體三極管3 1.2場(chǎng)效應(yīng)管3二、分類及結(jié)構(gòu)4 2.1晶體三極管4 2.1.1晶體三極管的分類4 2.1.2晶體三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5 2.2場(chǎng)效應(yīng)管5 2.2.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5 2.2.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管6三、工作原理6 3.1晶體三極管6 3.1.1三極管的工作原理6 3.1.2三極管的工作原理圖7 3.1.3晶體三極管三種大電路對(duì)比7 3.2場(chǎng)效應(yīng)管8 3.2.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管8 3.2.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管9

5、 3.2.3場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理圖10 3.3不同場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較10四、場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較及應(yīng)用11五、綜合應(yīng)用11六、參考文獻(xiàn)121、 基本概念1.1晶體三極管晶體三極管，亦稱雙極型晶體管（Transubstantiationalist,BJT），因其有自由電子和空穴兩種極性的載流子參與導(dǎo)電而得名；又因其是三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的器件，有三個(gè)電極，所以又稱半導(dǎo)體三極管，晶體三極管等，簡(jiǎn)稱三極管。晶體三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，其作用是把微弱信號(hào)放大成輻值較大的電信號(hào)，也用作無觸點(diǎn)開關(guān)，具有電流放大作用，是各種電子電路的核心元件。因?yàn)槭抢幂斎腚娏鱽砜刂戚敵鲭娏鞯陌雽?dǎo)體器件，因而稱為電流控

6、制型器件。晶體三極管的結(jié)構(gòu)是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，構(gòu)成三區(qū)三極兩結(jié)，排列方式有PNP和NPN兩種。 晶體三極管具有體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。下圖1-1為晶體三極管典型封裝形式： 圖1-1晶體三極管典型封裝形式1.2場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor,FET)的簡(jiǎn)稱，是一種電壓控制型器件，它是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)放大。場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，內(nèi)部參與導(dǎo)電的只有“多子”一種載流子，因此又稱為單極型晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管不僅具有一般三極管的特點(diǎn)

7、，還具有輸入電阻高(108-109)、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、功耗低、制造工藝簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可以達(dá)到幾百兆歐，用柵源極電壓控制漏極電流，屬于電壓控制型器件；具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因而也被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。尤其用場(chǎng)效管做整個(gè)電子設(shè)備的輸入級(jí)，可以獲得一般晶體管很難達(dá)到的性能。下圖1-2為場(chǎng)效應(yīng)管典型封裝形式：圖1-2場(chǎng)效應(yīng)管典型封裝形式2、 分類及結(jié)構(gòu)2.1晶體三極管2.1.1晶體三極管的分類晶體三極管的種類很多，分類方法也有多種。下

8、面按用途、頻率、功率、材料等進(jìn)行分類。 1）按材料和極性分有硅材料的NPN與PNP三極管.鍺材料的NPN與PNP三 極管。 2）按用途分有高、中頻放大管、低頻放大管、低噪聲放大管、光電管、開 關(guān)管、高反壓管、達(dá)林頓管、帶阻尼的三極管等。 3）按功率分有小功率三極管、中功率三極管、大功率三極管。 4）按工作頻率分有低頻三極管、高頻三極管和超高頻三極管。 5）按制作工藝分有平面型三極管、合金型三極管、擴(kuò)散型三極管。 6）按外形封裝的不同可分為金屬封裝三極管、玻璃封裝三極管、陶瓷封裝 三極管、塑料封裝三極管等。晶體三極管在電路中的表示符號(hào)，如圖2-1-1所示：圖2-1-1晶體三極管NPN及PNP的表

9、示符號(hào)，左NPN型，右PNP型 2.1.2晶體三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖下圖為晶體三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以NPN為例）：圖2-1-2晶體三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以NPN為例）2.2場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)因有兩個(gè)PN結(jié)而得名,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(JGFET)則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。 2.2.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有兩種結(jié)構(gòu)形式。它們是N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（見表2-2）和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（見表2-2） 從表中我們可以看到，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管也具有三個(gè)電極，它們是：G柵極；D漏極；S源極。電路符號(hào)中柵極的箭頭方向可理解為兩個(gè)PN結(jié)的正向?qū)щ姺较颉?2.2.2絕緣柵型

10、場(chǎng)效應(yīng)管 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管也有兩種結(jié)構(gòu)形式，它們是N溝道型和P溝道型。無論是什麼溝道，它們又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。（見表2-2）表2-2場(chǎng)效應(yīng)管的集中分類及表示符號(hào)3、 工作原理3.1三極管 3.1.1三極管的工作原理晶體三極管是靠載流子的運(yùn)動(dòng)來工作的，以NPN管射極跟隨器為例，當(dāng)基極加不加電壓時(shí)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)組成的PN結(jié)為阻止多子（基區(qū)為空穴，發(fā)射區(qū)為電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在此PN結(jié)處會(huì)感應(yīng)出由發(fā)射區(qū)指向基區(qū)的靜電場(chǎng)（即內(nèi)建電場(chǎng)），當(dāng)基極外加正電壓的指向?yàn)榛鶇^(qū)指向發(fā)射區(qū)，當(dāng)基極外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)大于內(nèi)建電場(chǎng)時(shí)，基區(qū)的載流子（電子）才有可能從基區(qū)流向發(fā)射區(qū)，此電壓的最小值即PN結(jié)的正向?qū)妷海ü?/p>

11、程上一般認(rèn)為0.7v）。但此時(shí)每個(gè)PN結(jié)的兩側(cè)都會(huì)有電荷存在，此時(shí)如果集電極-發(fā)射極加正電壓，在電場(chǎng)作用下，發(fā)射區(qū)的電子往基區(qū)運(yùn)動(dòng)（實(shí)際上都是電子的反方向運(yùn)動(dòng)），由于基區(qū)寬度很小，電子很容易越過基區(qū)到達(dá)集電區(qū)，并與此處的PN的空穴復(fù)合（靠近集電極），為維持平衡，在正電場(chǎng)的作用下集電區(qū)的電子加速外集電極運(yùn)動(dòng)，而空穴則為PN結(jié)處運(yùn)動(dòng)，此過程類似一個(gè)雪崩過程。集電極的電子通過電源回到發(fā)射極，這就是晶體管的工作原理。晶體三極管工作時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)都會(huì)感應(yīng)出電荷，當(dāng)做開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，晶體三極管處于飽和狀態(tài)，如果這時(shí)晶體三極管截至，PN結(jié)感應(yīng)的電荷要恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這個(gè)過程需要時(shí)間。3.1.2三極管的

12、工作原理圖圖3-1為晶體三極管工作時(shí)，內(nèi)部載流子及少子的運(yùn)動(dòng)情況。圖3-1三極管的工作原理圖 晶體三極管電路的輸入、輸出電阻：輸入電阻為放大器對(duì)信號(hào)源所呈現(xiàn)的負(fù)載效應(yīng)，或由放大器輸入端向放大器看進(jìn)去的等效電阻，R i=U i / I i。 輸出電阻為將放大器的輸出端等效為具有內(nèi)阻的電壓源，則電壓源的內(nèi)阻即為放大器的輸出電阻，或由放大器輸出端向放大器看進(jìn)去的等效電阻，R o=U o / I o。3.1.3 晶體三極管三種大電路對(duì)比 晶體管放大器是一種三端電路，其中必有一個(gè)端是輸入和輸出的共同“接”端，如果這個(gè)共“接”端接于發(fā)射極的，稱為共射電路；接于集電極的，稱為共集電路；接于基極的，稱為共基電

13、路。以下是三種電路的對(duì)比（表3-1）：表3-1晶體三極管三種放大電路及其性能比較3.2 場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層,因此具有很高的輸入電阻(最高可達(dá)1015)。它也分N溝道管和P溝道管,所謂增強(qiáng)型是指:當(dāng)UGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài),加上正確的VGS后,多數(shù)載流子被吸引到柵極,從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子,形成導(dǎo)電溝道；耗盡型則是指,當(dāng)VGS=0時(shí)即形成溝道,加上正確的VGS時(shí),能使多數(shù)載流子流出溝道,因而“耗盡”了載流子,使管子轉(zhuǎn)向截止。 3.2.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例) :在D、S間加上電壓UDS，則源極

14、和漏極之間形成電流ID，我們通過改變柵極和源極的反向電壓UGS，就可以改變兩個(gè)PN結(jié)阻擋層的（耗盡層）的寬度，這樣就改變了溝道電阻，因此就改變了漏極電流ID。 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例):根據(jù)工作特性我們把它分為四個(gè)區(qū)域，即：可變電阻區(qū)、放大區(qū)、擊穿區(qū)、截止區(qū)。其輸出特性曲線如圖3-2-1(左)所示： 圖3-2-1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線(左)和轉(zhuǎn)移特性曲線(右) 轉(zhuǎn)移特性曲線： 我們根據(jù)這個(gè)特性關(guān)系可得出它的特性曲線如圖3-2-1（右）所示。它描述了柵、 源之間電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 從圖中我們可以看出當(dāng)UGS=UP時(shí)ID=0。我們稱UP為夾斷電壓。 轉(zhuǎn)移特性和

15、輸出特性同是反映場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，UGS、UDS、ID之間的關(guān)系，它們之間是可以互相轉(zhuǎn)換的。 3.2.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管)：它是利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管)： 它的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3-2-2(左)所示； 它的輸出特性曲線如圖3-2-2（右）所示，它也分為4個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。圖3-2-2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線(左)及輸出特性曲線(右) 3.2.3場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理圖 場(chǎng)

16、效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，當(dāng)其外接電源時(shí)，由圖可看出工作原理圖3-2-3場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理圖3.3不同場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較 表3-3中給出了不同場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較，如下：表3-3不同場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較四、場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較及應(yīng)用 設(shè)計(jì)中需要可控電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)多功能的信號(hào)采集，由此引發(fā)了選用MOS管還是TTL雙極型三極管，下面對(duì)二者的特點(diǎn)做一些簡(jiǎn)單分析： 1.工作性質(zhì)：晶體三極管用電流控制，MOS管屬于電壓控制. 2.成本問題：晶體三極管便宜，常用在數(shù)字電路開關(guān)控制。MOS管價(jià)格高，MOS管用于高頻高速電路，大電流場(chǎng)合，以及對(duì)基極或漏極控制電流比較敏感的地方。 3.功耗問題：晶體三極管最大的

17、缺點(diǎn)功耗大，MOS管最大的優(yōu)點(diǎn)功耗極低。 4.驅(qū)動(dòng)能力：MOS管常用來電源開關(guān)，以及大電流地方開關(guān)電路。 表4為晶體三極管與場(chǎng)效應(yīng)管一些基本特性比較。表4晶體三極管與場(chǎng)效應(yīng)管的區(qū)別5、 綜合應(yīng)用 場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G、源極S、漏極D對(duì)應(yīng)于晶體管的基極B、發(fā)射極E、集電極C，它們的作用相類似。 （1）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。場(chǎng)效應(yīng)管用柵-源電壓UGS控制漏極電流Id，柵極基本不取電流，具有高輸入阻抗。而晶體管是有兩個(gè)PN結(jié)組成的，工作時(shí)基極總是要索取一定的電流。因此，在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管（因?yàn)槠鋬?nèi)阻極大）；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電

18、流的條件下，應(yīng)選用晶體管。 （2）場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電。晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導(dǎo)電，而少子數(shù)目受溫度、輻射等因素影響較大，因而場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。所以在環(huán)境變化很大的情況下因選用場(chǎng)效應(yīng)管。 （3）場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用，互換后特性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異很大，因此只在特殊需要時(shí)才互換。 （4）場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因 此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 （5）場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的種類多，特別是耗盡型MOS管，柵-源電壓Ugs可正、可負(fù)、可零，均能控制漏極電流。因此在組成電路時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管更靈活。 （6）場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，所以低噪聲放大器的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)然也可選用特質(zhì)的低噪聲晶體管。 （7