晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管

1、第2章晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管教學(xué)重點(diǎn)1 掌握晶體三極管的結(jié)構(gòu)、工作電壓、根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(duì)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)。教學(xué)難點(diǎn)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)學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi)容學(xué)時(shí)12.1晶體三極管422.2場(chǎng)效應(yīng)管43本章小結(jié)與習(xí)題4本章總課時(shí)82.1晶體三極管晶體三極管：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(diǎn)：管內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電。圖 繪找!甲x占電b 卜I、丨P |寸 腔 1 r發(fā)肘躺圧療集電粘圖2.1.2三極管的結(jié)構(gòu)圖三極管

2、的結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào)、晶體三極管的根本結(jié)構(gòu)1 三極管的外形：如圖所示。2 特點(diǎn)：有三個(gè)電極，故稱三極管。3三極管的結(jié)構(gòu)：如圖所示。晶體三極管有三個(gè)區(qū)一一發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；兩個(gè)PN結(jié)一一發(fā)射結(jié)BE結(jié)、集電結(jié)BC結(jié)；三個(gè)電極一一發(fā)射極e E、基極b(B)和集電極c(C);兩種類型一一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。二、晶體三極管的符號(hào)晶體三極管的符號(hào)如圖 所示。 箭頭：表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向。 文字符號(hào)：V三、晶體三極管的分類1 .三極管有多種分類方法。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

3、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(guó)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。三極管的工作電壓和根本連接方式一、晶體三極管的工作電壓三極管的根本作用是放大電信號(hào)；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。河為卩鶯型(b)FNP型圖2.1.4三極管電源的接法如圖所示：V為三極管，Gc為集電極電源，Gb為基極電源，又稱偏置電源， Rb為基極電阻，Rc為集電極電阻。二、晶體三極管

4、在電路中的根本連接方式如圖所示，晶體三極管有三種根本連接方式：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。輸入端愉出端輸NJi端佃找發(fā)射極按法 曲找?guī)趻Q接法 心墳集虹粧接法圖2.1.5三極管在電路中的三種根本聯(lián)接方式三極管內(nèi)電流的分配和放大作用一、電流分配關(guān)系M2.L.6電盤的測(cè)笊動(dòng)畫三極管的電流分配關(guān)系測(cè)量電路如圖所示：調(diào)節(jié)電位器 RP,測(cè)得發(fā) 射極電流Ie、基極電流Ib和集電極電流Ic的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) 如表所示。IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05Ic/mA0.0010.010.561.141.742.332.91k/mA00.010.571.161.77

5、2.372.96表 由表可見，三極管中電流分配關(guān)系如下：(2.1.1)1：鼻"Hi 圖 IcboI E = I C +I B 因Ib很小，貝UIc : Ie說明：1 . IE =0 時(shí)，I c _ _ 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.咕=0 時(shí)，I c =丨 e =Iceo。ICEO稱為集電極一一發(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動(dòng)畫 三極管的電流放大作用由表得出玉=°.58mA 巧8

6、Ib 0.01 mA結(jié)論:1 三極管有電流放大作用一一基極電流微小的變化，引起集電極電流2. 交流電流放大系數(shù)一：一一表示三極管放大交流電流的能力上L：l B3. 直流電流放大系數(shù)表示三極管放大直流電流的能力4通常，-: I-'，所以Ic =了4可表示為 Ic =曰 B 考慮ICEO,那么C = I B I CEO(2.1.6)Ic較大變化。(2.1.3)(2.1.4)(2.1.5)三極管的輸入和輸出特性一、共發(fā)射極輸入特性曲線動(dòng)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(shí), 發(fā)射結(jié)電壓 Vbe與基極電流Ib之間的關(guān)系曲線，如 圖所示。 由圖可見：1. 當(dāng)Vce _

7、2V時(shí)，特性曲線根本重合。2 當(dāng)Vbe很小時(shí)，Ib等于零，三極管處于截止 狀態(tài)；3.當(dāng)Vbe大于門檻電壓硅管約0.5 V ,鍺管約0.2 V時(shí)，Ib逐漸增大，三極管開始導(dǎo)通。4 .三極管導(dǎo)通后，Vbe根本不變。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。5. Vbe與Ib成非線性關(guān)系。二、晶體三極管的輸出特性曲線動(dòng)畫三極管的輸出特性輸出特性曲線：基極電流 I B 一定時(shí)，集、射極 之間的電壓Vce與集電極電流Ic的關(guān)系曲線，如圖 2.1.10 所示。由圖可見：輸出特性曲線可分為三個(gè)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(diǎn)：Ib =0, Ic "ceo

8、。2 .飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。I IIU U-4 g OJt L0圖2.1.9共發(fā)射極輸入特性曲線/, 119 AlA圖三極管的輸出特性曲線特點(diǎn)：Vce Vces。Vces稱為飽和管壓降，小功率硅管約0.3 V，鍺管約為0.1 V。3 .放大區(qū) 條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 特點(diǎn)：Ic受Ib控制，即%二-.Ib。 在放大狀態(tài)，當(dāng)Ib一定時(shí)，Ic不隨Vce變化，即放大狀態(tài)的三極管具有恒流特性。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) 1。電流放大系數(shù)一般在 10 100之間。太小，放大能力弱，

9、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I CBO。2 .集電極發(fā)射極反向飽和電流Iceo。Iceo =(1-：)Icbo(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)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1cm三極管工作時(shí)，當(dāng)集電極電流超過IcM時(shí)，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(shí)，管子性能變壞或燒毀。3. 集電極發(fā)

10、射極間反向擊穿電壓V(BR)CEO管子基極開路時(shí)，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(shí)，管子 將發(fā)生電壓擊穿，假設(shè)電擊穿導(dǎo)致熱擊穿會(huì)損壞管子。三極管的簡(jiǎn)單測(cè)試一、硅管或鍺管的判別 判別電路如圖所示。當(dāng)V =0.6、0.7V時(shí)，為硅管；當(dāng) V=0.1、0.3V時(shí)，為鍺管。圖判別硅管和鍺管的測(cè)試電路圖2.1.12 估測(cè)：的電路、估計(jì)比擬1的大小NPN管估測(cè)電路如圖 所示。萬用表設(shè)置在 R 1k擋，測(cè)量并比擬開關(guān)S斷開和接通時(shí)的電阻值。前后兩個(gè)讀數(shù)相差越大，說明管子的越高，即電流放大能力越大。圖2.1.13 Iceo的估測(cè)估測(cè)PNP管時(shí)，將萬用表兩只表筆對(duì)換位置。三、估測(cè)IceoNPN

11、管估測(cè)電路如圖所示。所測(cè)阻值越大，說 明管子的Iceo越小。假設(shè)阻值無窮大，三極管開路；假設(shè)阻值 為零，三極管短路。測(cè)PNP型管時(shí)，紅、黑表筆對(duì)調(diào)，方法同前。四、NPN管型和PNP管型的判斷將萬用表設(shè)置在R 1 或R 100門擋，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(gè)管腳相 接，如果測(cè)得兩個(gè)阻值都很小，那么 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(cè)得的結(jié)果均為高阻值，那么黑表筆所連接的是PNP管的基極。如圖2.1.14(b)所示。五、e、b、c三個(gè)管腳的判斷首先確定三極管的基極和管型，然后采用估測(cè)"直的方法

12、判斷c、e極。方法是先假定一個(gè)待定電極為集電極 (另一個(gè)假定為發(fā)射極)接入電路，記下歐姆表的擺動(dòng)幅度，然 后再把兩個(gè)待定電極對(duì)調(diào)一下接入電路，并記下歐姆表的擺動(dòng)幅度。擺動(dòng)幅度大的一次，黑表筆所連接的管腳是集電極c,紅表筆所連接的管腳為發(fā)射極e,如圖所示。測(cè)PNP管時(shí)，只要把圖 電路中紅、黑表筆對(duì)調(diào)位置，仍照上述方法測(cè)試。2.2場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管：是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。 特點(diǎn)：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。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)如圖所示；P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管如圖所示。特點(diǎn)：由兩個(gè) PN結(jié)和一個(gè)導(dǎo)電溝道所組成

13、。三個(gè)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(gè) PN結(jié)加反向電壓。闆戢梅他符號(hào)圖2.2.1 .N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管D和i極$源擬佃結(jié)構(gòu)國(guó)符號(hào)圖222 P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管二、工作原理動(dòng)畫結(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，原理電路如圖所示。工作原理如下:Gds 0 ； Ggs ：0。在漏源電壓Vds不變條件下，改 變柵源電壓Vgs,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ID。結(jié)論：1 .結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一個(gè)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。三、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線和跨導(dǎo)1 轉(zhuǎn)移特性曲線

14、反映柵源電壓Vgs對(duì)漏極電流Id的控制作用。所示，假設(shè)漏源電壓當(dāng)柵源電壓當(dāng)柵源電壓當(dāng)柵源電壓的工作原理如圖定：Vgs =0時(shí)，漏極電流Id -1DSS ,Vgs向負(fù)值方向變化時(shí)，漏極電流Vgs =Vp時(shí)，漏極電流Id =0, Vp稱為夾斷電壓。1 DSS 稱為飽和漏極電流;Id逐漸減??；W rr區(qū)/| ( h = -IVfrO圖結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖2. 2. 6結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸岀特性曲線2. 輸出特性曲線所示。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1可調(diào)電阻區(qū)圖中I區(qū)Vgs不變時(shí)，Id隨Vds作線性變化，漏源間呈現(xiàn)電阻性；柵源電壓Vgs越負(fù)，輸出特性越陡，漏源間的

15、電阻越大。結(jié)論：在I區(qū)中，場(chǎng)效應(yīng)管可看作一個(gè)受柵源電壓控制的可變電阻。(2) 飽和區(qū)(圖中H區(qū))Vds 一定時(shí)，VGs的少量變化引起Id較大變化，即Id受Vs控制。當(dāng)Vgs不變時(shí)，Id不隨Vds變化，根本上維持恒定值，即Id對(duì)Vds呈飽和狀態(tài)。結(jié)論：在H區(qū)中，場(chǎng)效應(yīng)管具有線性放大作用。(3) 擊穿區(qū)(圖中川區(qū))當(dāng)Vds增至一定數(shù)值后，Id劇增，出現(xiàn)電擊穿。如果對(duì)此不加限制，將損壞管子。 因此，管子不允許工作在這個(gè)區(qū)域。3跨導(dǎo)(gm)反映在線性放大區(qū) Vgs對(duì).-：Id的控制能力。單位是 -A/V。也Idgm -(2.2.1)= Vgs絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是一種柵極與源極、漏極之間有絕緣

16、層的場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管。特點(diǎn)：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1 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示。(H)符號(hào)圖2.2.7 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管a、P型襯底丁(a)血圖(M電料圖圖2.2.8 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管工作原理N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理如圖所示。(1) 當(dāng)Vgs，在漏、源極間加一正向電壓Vds時(shí)，漏源極之間的電流Id =0。(2) 當(dāng)Vgs 0，在絕緣層和襯底之間感應(yīng)出一個(gè)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Vds時(shí)，將產(chǎn)

17、生電流Id。開啟電壓Vt :增強(qiáng)型MOS管開始形成反型層的柵源電壓。(3) 在 Vds 0 時(shí)假設(shè)Vgs :Vt，反型層消失，無導(dǎo)電溝道，Id =0 ;假設(shè)Vgs Vt，出現(xiàn)反型層即導(dǎo)電溝道，D、S之間有電流Id流過；假設(shè)Vgs逐漸增大，導(dǎo)電溝道變寬，I D也隨之逐漸增大，即 Vgs控制I D的變化。2. N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符 號(hào)如圖所示。圖229 N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)：管子本身已形成導(dǎo)電溝道。 工作原理：在Vds .0時(shí)， 假設(shè)Vgs =0，導(dǎo)電溝道有電流I d ； 當(dāng)Vgs 0，并逐漸增大時(shí)，導(dǎo)致溝道變 寬，使Id增大； 當(dāng)Vgs <

18、0，并逐漸增大此負(fù)電壓，導(dǎo)致 溝道變窄，使Id減小。實(shí)現(xiàn)Vgs對(duì)I d的控制。夾斷電壓Vp :使Id =0時(shí)的柵源電壓Vgs。二、絕緣柵場(chǎng)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)移特性曲線如圖所示。增強(qiáng)型：當(dāng)Vgs 0時(shí)，Id 0 ；當(dāng)Vgs Vt時(shí)，Id 0。耗盡型：當(dāng)Vgs=0時(shí)，Id "；當(dāng)Vgs為負(fù)電壓時(shí)Id減小；當(dāng)Vgs時(shí)，Id=0。何站強(qiáng)型"ML盡型圖2.2.11 N溝道 MOS管輸出特性圖2.2.10 N溝道MOS管轉(zhuǎn)移特性曲線圖2.2.12 MOS管的圖形符號(hào)gmI D=Vgs2 .輸出特性曲線N溝道MOS管輸出特性曲線

19、如圖 所示。有三個(gè)區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)I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(gè)區(qū)相同。3 .跨導(dǎo)三、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)符號(hào)如圖所示。N、P溝道的區(qū)別在于圖中箭頭的指向相反。場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)和特點(diǎn)、主要參數(shù)(1) 開啟電壓Vt在Vds為定值的條件下，增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管開始導(dǎo)通(Id到達(dá)某一定值，如 10A)時(shí),所需加的VGS值。(2) 夾斷電壓Vp在Vds為定值的條件下，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管Id減小到近于零時(shí)的 Vgs值。(3) 飽和漏極電流IDSS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū)且Vgs =0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的漏極電流。(4) 直流輸入電阻 RqS柵源電壓Vgs與對(duì)應(yīng)的柵極電流Ig之比。場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高，結(jié)型管一般在IO?"以上；絕緣柵管那么更高，一般在109門以上。3. 交流參數(shù)(1) 跨導(dǎo)gmVds 一定時(shí)，漏極電流變化量- =