第2章晶體三極管和場效應(yīng)管

1、中職電子線路教案 第二章 四川省孝泉師范學(xué)校-李洪波第2章 晶體三極管和場效應(yīng)管一、教學(xué)目標(biāo)：1掌握晶體三極管的結(jié)構(gòu)、工作電壓、基本連接方式和電流分配關(guān)系。2熟練掌握晶體三極管的放大作用；共發(fā)射極電路的輸入、輸出特性曲線；主要參數(shù)及溫度對參數(shù)的影響。3了解MOS管的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。二、教學(xué)難點：1晶體三極管的放大作用2輸入、輸出特性曲線及主要參數(shù)三、學(xué)時分配：序 號內(nèi) 容學(xué) 時12.1晶體三極管422.2場效應(yīng)管43本章小結(jié)與習(xí)題4本章總課時82.1 晶體三極管圖2.1.1 三極管外形晶體三極管：是一種利用輸入電流控制輸出電流的電流控制型器件。特點：管內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電。2.

2、1.1 三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號一、晶體三極管的基本結(jié)構(gòu)1三極管的外形：如圖2.1.1所示。2特點：有三個電極，故稱三極管。3三極管的結(jié)構(gòu)：如圖2.1.2所示。圖2.1.2 三極管的結(jié)構(gòu)圖晶體三極管有三個區(qū)發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；兩個PN結(jié)發(fā)射結(jié)(BE結(jié))、集電結(jié)(BC結(jié))；三個電極發(fā)射極e(E)、基極b(B)和集電極c(C)；兩種類型PNP型管和NPN型管。工藝要求：發(fā)射區(qū)摻雜濃度較大；基區(qū)很薄且摻雜最少；集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少。 圖2.1.3 三極管符號二、晶體三極管的符號晶體三極管的符號如圖2.1.3所示。箭頭：表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向。文字符號：V三、晶體三極管的分類1三極

3、管有多種分類方法。按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：有NPN型和PNP型管；按工作頻率分：有低頻和高頻管；按功率分：有小功率和大功率管；按用途分：有普通管和開關(guān)管；按半導(dǎo)體材料分：有鍺管和硅管等等。2國產(chǎn)三極管命名法：見電子線路P249附錄二。例如：3DG表示高頻小功率NPN型硅三極管；3CG表示高頻小功率PNP型硅三極管；3AK表示PNP型開關(guān)鍺三極管等。2.1.2 三極管的工作電壓和基本連接方式一、晶體三極管的工作電壓三極管的基本作用是放大電信號；工作在放大狀態(tài)的外部條件是發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。圖2.1.4 三極管電源的接法如圖2.1.4所示：V為三極管，GC為集電極電源，GB為基極電源，又稱偏

4、置電源，Rb為基極電阻，Rc為集電極電阻。二、晶體三極管在電路中的基本連接方式如圖2.1.5所示，晶體三極管有三種基本連接方式：共發(fā)射極、共基極和共集電極接法。最常用的是共發(fā)射極接法。圖2.1.5 三極管在電路中的三種基本聯(lián)接方式2.1.3 三極管內(nèi)電流的分配和放大作用圖2.1.6 三極管三個電流的測量一、電流分配關(guān)系演示動畫 三極管的電流分配關(guān)系測量電路如圖2.1.6所示：調(diào)節(jié)電位器，測得發(fā)射極電流、基極電流和集電極電流的對應(yīng)數(shù)據(jù)如表2.1.1所示。圖2.1.6 三極管三個電流的測量 2.1.1IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.5

5、61.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96由表2.1.1可見，三極管中電流分配關(guān)系如下： (2.1.1)因IB很小，則 IC » IE (2.1.2)圖2.1.7 ICBO和ICEO示意圖說明：1時，IC = - IB = ICBO。ICBO稱為集電極基極反向飽和電流，見圖2.1.7(a)。一般ICBO很小，與溫度有關(guān)。2時，。ICEO稱為集電極發(fā)射極反向電流，又叫穿透電流，見圖2.1.7(b)。ICEO越小，三極管溫度穩(wěn)定性越好。硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好。二、晶體三極管的電流放大作用演示動畫 三極管的電流放大作用由表2.1.1得出

6、結(jié)論：1三極管有電流放大作用基極電流微小的變化，引起集電極電流IC較大變化。2交流電流放大系數(shù) b表示三極管放大交流電流的能力 (2.1.3)3直流電流放大系數(shù)表示三極管放大直流電流的能力 (2.1.4)4通常，所以可表示為 (2.1.5)考慮ICEO，則 (2.1.6)2.1.4 三極管的輸入和輸出特性一、共發(fā)射極輸入特性曲線圖2.1.9 共發(fā)射極輸入特性曲線演示動畫 三極管的輸入特性輸入特性曲線：集射極之間的電壓VCE一定時，發(fā)射結(jié)電壓VBE與基極電流IB之間的關(guān)系曲線，如圖2.1.9所示。由圖可見：1當(dāng)VCE ³ 2 V時，特性曲線基本重合。2當(dāng)VBE很小時，IB等于零，三極管

7、處于截止?fàn)顟B(tài)；3當(dāng)VBE大于門檻電壓(硅管約0.5 V，鍺管約0.2 V)時，IB逐漸增大，三極管開始導(dǎo)通。4三極管導(dǎo)通后，VBE基本不變。硅管約為0.7 V，鍺管約為0.3 V，稱為三極管的導(dǎo)通電壓。5VBE與IB成非線性關(guān)系。二、晶體三極管的輸出特性曲線演示動畫 三極管的輸出特性輸出特性曲線：基極電流一定時，集、射極之間的電壓與集電極電流的關(guān)系曲線，如圖2.1.10所示。圖2.1.10 三極管的輸出特性曲線由圖可見：輸出特性曲線可分為三個工作區(qū)。1截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)反偏或兩端電壓為零。特點：。2飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。特點：。稱為飽和管壓降，小功率硅管約0.3 V，鍺管約為0.

8、1 V。3放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點：受控制，即。在放大狀態(tài)，當(dāng)IB一定時，IC不隨VCE變化，即放大狀態(tài)的三極管具有恒流特性。2.1.5 三極管主要參數(shù)三極管的參數(shù)是表征管子的性能和適用范圍的參考數(shù)據(jù)。一、共發(fā)射極電流放大系數(shù)1直流放大系數(shù)。2交流放大系數(shù)。電流放大系數(shù)一般在10 100之間。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不穩(wěn)定。一般取30 80為宜。二、極間反向飽和電流1集電極基極反向飽和電流ICBO。2集電極發(fā)射極反向飽和電流ICEO。 (2.1.7)反向飽和電流隨溫度增加而增加，是管子工作狀態(tài)不穩(wěn)定的主要因素。因此，常把它作為判斷管子性能的重要依據(jù)。硅管反向飽和電流遠(yuǎn)

9、小于鍺管，在溫度變化范圍大的工作環(huán)境應(yīng)選用硅管。三、極限參數(shù)1. 集電極最大允許電流ICM三極管工作時，當(dāng)集電極電流超過ICM時，管子性能將顯著下降，并有可能燒壞管子。2. 集電極最大允許耗散功率PCM當(dāng)管子集電結(jié)兩端電壓與通過電流的乘積超過此值時，管子性能變壞或燒毀。3. 集電極發(fā)射極間反向擊穿電壓V(BR)CEO管子基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。當(dāng)電壓越過此值時，管子將發(fā)生電壓擊穿，若電擊穿導(dǎo)致熱擊穿會損壞管子。2.1.6 三極管的簡單測試一、硅管或鍺管的判別判別電路如圖2.1.11所示。當(dāng)V = 0.6 0.7 V時，為硅管；當(dāng)V = 0.1 0.3V時，為鍺管。 圖2.

10、1.11 判別硅管和鍺管的測試電路 圖2.1.12 估測 b 的電路二、估計比較 b 的大小NPN管估測電路如圖2.1.12所示。圖2.1.13 的估測萬用表設(shè)置在擋，測量并比較開關(guān)S斷開和接通時的電阻值。前后兩個讀數(shù)相差越大，說明管子的 b 越高，即電流放大能力越大。估測PNP管時，將萬用表兩只表筆對換位置。三、估測ICEONPN管估測電路如圖2.1.13所示。所測阻值越大，說明管子的越小。若阻值無窮大，三極管開路；若阻值為零，三極管短路。測PNP型管時，紅、黑表筆對調(diào)，方法同前。四、NPN管型和PNP管型的判斷圖2.1.14 基極b的判斷將萬用表設(shè)置在R ´ 1 kW 或R &#

11、180; 100 W 擋，用黑表筆和任一管腳相接(假設(shè)它是基極b)，紅表筆分別和另外兩個管腳相接，如果測得兩個阻值都很小，則黑表筆所連接的就是基極，而且是NPN型的管子。如圖2.1.14(a)所示。如果按上述方法測得的結(jié)果均為高阻值，則黑表筆所連接的是PNP管的基極。如圖2.1.14(b)所示。五、e、b、c三個管腳的判斷首先確定三極管的基極和管型，然后采用估測 b 值的方法判斷c、e極。方法是先假定一個待定電極為集電極(另一個假定為發(fā)射極)接入電路，記下歐姆表的擺動幅度，然后再把兩個待定電極對調(diào)一下接入電路，并記下歐姆表的擺動幅度。擺動幅度大的一次，黑表筆所連接的管腳是集電極c，紅表筆所連接

12、的管腳為發(fā)射極e，如圖2.1.12所示。測PNP管時，只要把圖2.1.12電路中紅、黑表筆對調(diào)位置，仍照上述方法測試。2.2 場效應(yīng)管場效應(yīng)管：是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。特點：管子內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電，稱為單極型晶體三極管。2.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)和符號N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號如圖2.2.1所示；P溝道結(jié)型場效應(yīng)管如圖2.2.2所示。特點：由兩個PN結(jié)和一個導(dǎo)電溝道所組成。三個電極分別為源極S、漏極D和柵極G。漏極和源極具有互換性。工作條件：兩個PN結(jié)加反向電壓。 圖2.2.1 .N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 圖2.2.2 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管二、工作原

13、理演示動畫 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例，原理電路如圖2.2.3所示。工作原理如下：圖2.2.3 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理；。在漏源電壓不變條件下，改變柵源電壓，通過PN結(jié)的變化，控制溝道寬窄，即溝道電阻的大小，從而控制漏極電流。結(jié)論：1 結(jié)型場效應(yīng)管是一個電壓控制電流的電壓控制型器件。2 輸入電阻很大。一般可達(dá)107 108 W。三、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線和跨導(dǎo)1轉(zhuǎn)移特性曲線反映柵源電壓對漏極電流的控制作用。如圖2.2.5所示，若漏源電壓一定：當(dāng)柵源電壓時，漏極電流，稱為飽和漏極電流；當(dāng)柵源電壓向負(fù)值方向變化時，漏極電流逐漸減??；當(dāng)柵源電壓時，漏極電流，稱為夾斷電壓。

14、圖2.2.5 結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線 圖2.2.6 結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線2輸出特性曲線表示在柵源電壓一定條件下，漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。如圖2.2.6所示。(1) 可調(diào)電阻區(qū)(圖中區(qū))不變時，隨作線性變化，漏源間呈現(xiàn)電阻性；柵源電壓越負(fù)，輸出特性越陡，漏源間的電阻越大。結(jié)論：在區(qū)中，場效應(yīng)管可看作一個受柵源電壓控制的可變電阻。(2) 飽和區(qū)(圖中區(qū))一定時，的少量變化引起較大變化，即受控制。當(dāng)不變時，不隨變化，基本上維持恒定值，即對呈飽和狀態(tài)。結(jié)論：在區(qū)中，場效應(yīng)管具有線性放大作用。(3) 擊穿區(qū)(圖中區(qū))當(dāng)增至一定數(shù)值后，劇增，出現(xiàn)電擊穿。如果對此不加限制，將損壞管子。因此，

15、管子不允許工作在這個區(qū)域。3跨導(dǎo)(gm)反映在線性放大區(qū)對的控制能力。單位是 mA/V。 (2.2.1)2.2.2 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管是一種柵極與源極、漏極之間有絕緣層的場效應(yīng)管，簡稱MOS管。特點：輸入電阻高，噪聲小。分類：有P溝道和N溝道兩種類型；每種類型又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。一、結(jié)構(gòu)和工作原理1N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號如圖2.2.7所示。 圖2.2.7 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管 圖2.2.8 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管工作原理N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的工作原理如圖2.2.8所示。(1) 當(dāng)，在漏、源極間加一正向電壓時，漏源極之間的

16、電流。(2) 當(dāng)，在絕緣層和襯底之間感應(yīng)出一個反型層，使漏極和源極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。在漏、源極間加一正向電壓時，將產(chǎn)生電流ID。開啟電壓：增強(qiáng)型MOS管開始形成反型層的柵源電壓。(3) 在時若，反型層消失，無導(dǎo)電溝道，；若，出現(xiàn)反型層即導(dǎo)電溝道，D、S之間有電流流過；若逐漸增大，導(dǎo)電溝道變寬，也隨之逐漸增大，即控制的變化。2N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號如圖2.2.9所示。圖2.2.9 N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管特點：管子本身已形成導(dǎo)電溝道。工作原理：在時，若，導(dǎo)電溝道有電流；當(dāng)，并逐漸增大時，導(dǎo)致溝道變寬，使ID增大；當(dāng)，并逐漸增大此負(fù)電壓，導(dǎo)致溝道變窄，使減

17、小。實現(xiàn)對的控制。夾斷電壓：使時的柵源電壓。二、絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線和跨導(dǎo)以N溝道MOS管為例。1轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2.2.10所示。增強(qiáng)型：當(dāng)時，；當(dāng)時，。耗盡型：當(dāng)時，；當(dāng)為負(fù)電壓時減??；當(dāng)時，。 圖2.2.10 N溝道MOS管轉(zhuǎn)移特性曲線 圖2.2.11 N溝道MOS管輸出特性2輸出特性曲線N溝道MOS管輸出特性曲線如圖2.2.11所示。有三個區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)(區(qū))、飽和區(qū)(區(qū))和擊穿區(qū)(區(qū))。其含義與結(jié)型管輸出特性曲線三個區(qū)相同。圖2.2.12 MOS管的圖形符號3跨導(dǎo) 三、絕緣柵場效應(yīng)管的圖形符號符號如圖2.2.12所示。N、P溝道的區(qū)別在于圖中箭頭的指向

18、相反。2.2.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)和特點一、主要參數(shù)1直流參數(shù)(1) 開啟電壓VT在為定值的條件下，增強(qiáng)型場效應(yīng)管開始導(dǎo)通(達(dá)到某一定值，如10 mA)時，所需加的值。(2) 夾斷電壓VP在為定值的條件下，耗盡型場效應(yīng)管減小到近于零時的值。(3) 飽和漏極電流耗盡型場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)且時，所對應(yīng)的漏極電流。(4) 直流輸入電阻柵源電壓與對應(yīng)的柵極電流之比。場效應(yīng)管輸入電阻很高，結(jié)型管一般在107 W 以上；絕緣柵管則更高，一般在109 W 以上。2交流參數(shù)(1) 跨導(dǎo)一定時，漏極電流變化量和引起這個變化的柵源電壓變化量之比。它表示了柵源電壓對漏極電流的控制能力。(2) 極間電容場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容CGS、CGD、CDS。一般為幾個皮法，結(jié)電容小的管子，高頻性能好。3極限參數(shù)(1) 漏極最大允許耗散功率與的乘積不應(yīng)超過的極限值。(2) 漏極擊穿電壓漏極電流開始劇增時所加的漏源間的電壓。二、場效應(yīng)管的特點特點列于表2.