雙極型晶體管

1、.18第三講雙極型晶體管1.3 雙極型晶體管半導體三極管有兩大類型，一是雙極型半導體三極管 二是場效應半導體三極管雙極型半導體三極管是由兩種載流子參與導電的半導體器件，它由兩個 PN 結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。場效應型半導體三極管僅由一種載流子參與導電，是一種VCCS器件。1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型 雙極型半導體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型：NPN型和PNP型。中間部分稱為基區(qū)，相連電極稱為基極，用B或b表示（Base）； 一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，相連電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）； 另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。 E-B間的PN結(jié)稱

2、為發(fā)射結(jié)（Je）， C-B間的PN結(jié)稱為集電結(jié)（Jc）。兩種極性的雙極型三極管 雙極型三極管的符號在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。從外表上看兩個N區(qū)(或兩個P區(qū))是對稱的，實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。1.3.2 晶體管的電流放大作用雙極型半導體三極管在工作時一定要加上適當?shù)闹绷髌秒妷骸Ｈ粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓?，F(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系。雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系（動畫2-1） 發(fā)射結(jié)加正偏時，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴

3、散，形成的電流為IEN。與PN結(jié)中的情況相同。從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。這是因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃度。 進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復合的機會較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時間很短，很快就運動到了集電結(jié)的邊上，進入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復合的電子形成的電流是 IBN。另外，因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式： IE= IEN IEP 且有IEN>>IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN>&g

4、t; IBN ， ICN>>IBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBO IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB 以上關(guān)系在圖02.02的動畫中都給予了演示。由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個PN結(jié)對接，相當基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個實例。雙極型半導體三極管的電流關(guān)系 (1) 三種組態(tài) 雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入, 兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電

5、極。三種接法也稱三種組態(tài)，見圖02.03。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示；共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。圖02.03 三極管的三種組態(tài) (2) 三極管的電流放大系數(shù) 對于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明，定義: = ICN/IE 稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒有IEP和IBN，所以的值小于1, 但接近1。由此可得： IC=ICN+ICBO=IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO IC =定義: =IC /I

6、B=(ICN+ ICBO )/IB 稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是 = = 因1, b >>11.3.3 晶體管的共射特性曲線 本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即 輸入特性曲線 iB=f(vBE)½ 輸出特性曲線 iC=f(vCE)½ 這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。 iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。 共發(fā)射極接法的供電電路和電-壓電流關(guān)系如圖02.04所示。共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系（1）輸入特性曲線簡單

7、地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和vBE之間的函數(shù)關(guān)系。因為有集電結(jié)電壓的影響，它與一個單獨的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。 為了排除vCE的影響，在討論輸入特性曲線時，應使vCE=const(常數(shù))。vCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部的反饋作用解釋，即vCE對iB的影響。共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖。其中vCE=0V的那一條相當于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當vCE1V時， vCB= vCE - vBE>0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復合減少， IC / IB增大，特性曲線將向右稍微移動一些。但vCE再增加時，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所

8、致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。共發(fā)射極接法輸入特性曲線輸入特性曲線的分區(qū)：死區(qū)、非線性區(qū)、線性區(qū)。（2）輸出特性曲線共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖所示，它是以iB為參變量的一族特性曲線?，F(xiàn)以其中任何一條加以說明,當vCE=0 V時,因集電極無收集作用,iC=0。當vCE微微增大時，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下,但集電結(jié)反偏電壓很小,如vCE< 1 V；vBE=0.7 V； vCB= vCE- vBE0.7 V 。集電區(qū)收集電子的能力很弱，iC主要由vCE決定。當vCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時，如vCE 1 V， vBE 0.7 V，運動到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后vCE

9、再增加，電流也沒有明顯的增加，特性曲線進入與vCE軸基本平行的區(qū)域 (這與輸入特性曲線隨vCE增大而右移的原因是一致的) 。輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域 飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCE0.7 V(硅管)。此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。 截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。 放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7 V左右(硅管)共發(fā)射極接法輸出特性曲線（動畫2-2）1.3.4 晶體管的主要參數(shù) 半導體三極管的參數(shù)分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三

10、大類。 (1) 直流參數(shù) 直流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB | 在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來求取IC / IB ，如圖所示。在IC較小時和IC較大時，會有所減小，這一關(guān)系見圖02.08。 在輸出特性曲線上決定 值與IC的關(guān)系 2.共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE顯然與之間有如下關(guān)系 = IC/IE=IB/(1+)IB=/(1+) 極間反向電流 1.集電極-基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個電極E開

11、路。它相當于集電結(jié)的反向飽和電流。2.集電極-發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO和ICBO有如下關(guān)系 ICEO=（1+）ICBO 相當基極開路時，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應的Y坐標的數(shù)值，如圖所示。ICEO在輸出特性曲線上的位置 (2) 交流參數(shù) 交流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)b b=DIC/DIB½在放大區(qū)， b值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線求取DIC/DIB?；蛟趫D02.08上通過求某一點的斜率得到b。具體方法如圖所示。在輸出特性曲線上求取 2.共基極交流電流放大系數(shù) =DIC/DIE&

12、#189;當ICBO和ICEO很小時，a、b，可以不加區(qū)分。 特征頻率fT三極管的b值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的b將會下降。當b下降到1時所對應的頻率稱為特征頻率，用fT表示。 (3) 極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM 如圖02.08所示，當集電極電流增加時，b 就要下降，當b值下降到線性放大區(qū)b值的7030時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于b值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢姡擨CICM時，并不表示三極管會損壞。 集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， P

13、CM= ICVCBICVCE，因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計算時往往用VCE取代VCB。 反向擊穿電壓反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測試時的原理電路如圖所示。三極管擊穿電壓的測試電路 1. V(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電壓。下標BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，C、B代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。 2. V(BR)EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。 3. V(BR)CEO基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。 對于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個擊穿電壓在大小上有如下關(guān)

14、系： V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR)EBO 由最大集電極功率損耗PCM、ICM和擊穿電壓V(BR)CEO，在輸出特性曲線上還可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)，見圖。輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)附： 半導體三極管的型號 國家標準對半導體三極管的命名如下 3 D G 110 B 用字母表示同一型號中的不同規(guī)格 用數(shù)字表示同種器件型號的序號 用字母表示器件的種類 用字母表示材料 三極管 第二位：A表示鍺PNP管、B表示鍺NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低頻小功率管、D表示低頻大功率管、G表示高頻小功率管、A表示高頻小功率管、

15、K表示開關(guān)管。表02.01 雙極型三極管的參數(shù)參數(shù)型號PCMmWICMmAVRCBOVVRCEOVVREBOVICBOAfTMHz3AX31D12512520126*83BX31C12512540246*83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.35SDD101D5A5A3002504<2mA3DK100B1003025150.13003DKG23250W30A4003258注：*為 fb1.4 場效應管場效應半導體三極管是只有一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道

16、器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應三極管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有結(jié)型場效應三極管JFET(Junction type Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET）。1.4.1 結(jié)型場效應管 (1) 結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu) 結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)與絕緣柵場效應三極管相似，工作機理也相同。結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是在N型半導體硅片的兩側(cè)各制造一個

17、PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)(動畫2-8) (2) 結(jié)型場效應三極管的工作原理 根據(jù)結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結(jié)型場效應三極管只能工作在負柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。 柵源電壓對溝道的控制作用 當VGS=0時，在漏、源之間加有一定電壓時，在漏源間將形成多子的漂移運動，產(chǎn)生漏極電流。當VGS0時，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為0。

18、當漏極電流為零時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。這一過程如圖所示。動畫圖02.20 VGS對溝道的控制作用(動畫2-9) 漏源電壓對溝道的控制作用 在柵極加有一定的電壓，且VGSVGS(off)，若漏源電壓VDS從零開始增加，則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，如圖02.21(a)所示。當VDS增加到使VGD=VGSVDS=VGS(off)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷，如圖02.21(b)所示。當VDS繼續(xù)增加，漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應三極管的十分相似，見圖。圖02.21 漏源電壓對溝道

19、的控制作用(動畫2-9) (3) 結(jié)型場效應三極管的特性曲線 結(jié)型場效應三極管的特性曲線有兩條，一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場效應三極管的特性曲線基本相同，只不過絕緣柵場效應管的柵壓可正、可負，而結(jié)型場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。N溝道結(jié)型場效應三極管的特性曲線如圖所示。 (a) 漏極輸出特性曲線(動畫2-6) (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線(動畫2-7)N溝道結(jié)型場效應三極管的特性曲線1.4.2 絕緣柵場效應三極管的工作原理絕緣柵場效應三極管(MOSFET)分為：增強型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖。電極D

20、(Drain)稱為漏極，相當雙極型三極管的集電極； G(Gate)稱為柵極，相當于的基極； S(Source)稱為源極，相當于發(fā)射極。 （1）N溝道增強型MOSFET 結(jié)構(gòu) 根據(jù)圖02.13，N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu)，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底，用符號B表示。 N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(動畫2-3) 工作原理 1柵源電壓VGS的控制作用 當VGS=0 V時，漏源之間相當兩個背

21、靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。 當柵極加有電壓時，若0VGSVGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID。進一步增加VGS，當VGSVGS(th)時（ VGS(th) 稱為開啟電壓)，由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子，因與P型半導體的載

22、流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。 (動畫2-4)VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(vGS)½VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖。 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導?？鐚У亩x式如下： gm=DID/DVGS½ (單位mS) 2漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用當VGSVGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VD

23、S對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖02.15所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系 VDS=VDGVGS= VGDVGS VGD=VGSVDS 當VDS為0或較小時，相當VGDVGS(th)，溝道分布如圖02.15(a)，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。當VDS增加到使VGD=VGS(th)時，溝道如圖所示。這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷，此時的漏極電流ID基本飽和。當VDS增加到VGD<VGS(th)時，溝道如圖02.15(c)所示。此時預夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 V

24、DS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。 （a） （b） （c）漏源電壓VDS對溝道的影響(動畫2-5)當VGSVGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)½VGS=const這一關(guān)系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。 (a) 輸出特性曲線 (b)轉(zhuǎn)移特性曲線 圖02.16 漏極輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線 （2）N溝道耗盡型MOSFET N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖 (a)所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應出反型層，形成了溝道。于是

25、，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS0時，將使ID進一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17(b)所示。(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線 （3）P溝道耗盡型MOSFETP溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。3. 伏安特性曲線場效應三極管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導電溝道的不同以及是增強型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定的正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于圖02.18之中。各類場效應三極管的特性曲線1.4.3 場效應三極管的參數(shù)和型號 (1) 場效應三極管的參數(shù) 開啟