三極管及管的講解

1、三極管及管的講解第1頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日3.1 雙極性晶體三極管3.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示。它有兩種類(lèi)型：NPN型和PNP型。中間部分稱(chēng)為基區(qū)，相連電極稱(chēng)為基極，用B或b表示（Base）；一側(cè)稱(chēng)為發(fā)射區(qū)，相連電極稱(chēng)為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；另一側(cè)稱(chēng)為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。E-B間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，C-B間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)。雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。從外表上看兩個(gè)N區(qū)(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱(chēng)的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，

2、且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米。第2頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日1、晶體管中載流子的移動(dòng)雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(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(lái)說(shuō)明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系， 見(jiàn)圖02.02。圖02.02 雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系第3頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴(kuò)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，形成的電流

3、為IEP。這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。IEIENIEPIEN。（2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合情況進(jìn)入基區(qū)的電子將向集電結(jié)方向擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，有部分電子與基區(qū)的多子空穴復(fù)合而消失，被復(fù)合的電子形成的電流是IBN（3）集電極收集電子進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)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(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。結(jié)論：IENICNIBN 且有IEN IBN ， ICNIBN第4頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日2、晶體管電路中的電流

4、方式(1) 三種組態(tài)雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入, 兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱(chēng)三種組態(tài)，見(jiàn)圖02.03。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極；共集電極接法，集電極作為公共電極；共基極接法，基極作為公共電極。 第5頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日1) 共射接法中的電流傳輸方程式通過(guò)改變IB可控制IC的變化。IC IE (ICIB) IC IB（1 ）IC IBIC IB IB控制系數(shù)（傳輸系數(shù)） ICIB 稱(chēng)為直流共射集-基電流比或直流電流放大倍數(shù)。第6頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日3.3.2 共射接法晶

5、體管的特性曲線共發(fā)射極接法的供電電路和電壓-電流關(guān)系如圖02.04所示。圖02.04 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系第7頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日1、輸入特性曲線輸入特性曲線IBf（UBE）簡(jiǎn)單地看，輸入特性曲線類(lèi)似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論IB和UBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。為了排除UCE的影響，在討論輸入特性曲線時(shí)，應(yīng)使UCE常數(shù)。共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見(jiàn)圖02.05。其中UCE0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當(dāng)UCE 1V時(shí)，UCB= UCEUBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，使基

6、區(qū)復(fù)合減少，IC / IB增大，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但UCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。因?yàn)閁CE1V時(shí)，集電結(jié)已把絕大多數(shù)電子收集過(guò)去，收集電子數(shù)量的比例不再明顯增大。工程實(shí)踐上，就用UCE1V的輸入特性曲線代替UCE 1V以后的輸入特性曲線。圖02.05 共發(fā)射極接法輸入特性曲線第8頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日2、輸出特性曲線輸出特性曲線 ICf（UCE）共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖02.06所示，它是以IB為參變量的一族特性曲線。輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域?，F(xiàn)以其中任何一條加以說(shuō)明，當(dāng)UCE =0 V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，IC=0。當(dāng)UCE微微增大

7、時(shí)，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓（UCB =UCEUBE）很小，收集電子的能力很弱，IC主要由UCE決定，此區(qū)域稱(chēng)為飽和區(qū)。當(dāng)UCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后UCE再增加，電流也沒(méi)有明顯的增加，特性曲線進(jìn)入與UCE軸基本平行的區(qū)域 (這與輸入特性曲線隨UCE增大而右移的原因是一致的) ，此區(qū)域稱(chēng)為放大區(qū)。第9頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日?qǐng)D02.06 共發(fā)射極接法輸出特性曲線第10頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日（1）截止區(qū)IC接近零的區(qū)域，相當(dāng)IB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏

8、，集電結(jié)反偏。（2）放大區(qū)IC平行于UCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。實(shí)際上，大約在UCE1V和IB0的區(qū)域是輸出特性曲線族上的放大區(qū)。此區(qū)為放大電路中晶體管應(yīng)處的工作區(qū)域。在放大區(qū)中，根據(jù)每條曲線對(duì)應(yīng)的IB和IC值，就可估算 ICIB；另外，根據(jù)兩條曲線所對(duì)應(yīng)的變化值IB和IC，可以估算出晶體管的另一重要參數(shù)，即交流共射集-基電流比或交流電流放大倍數(shù)，表示為 ICIB第11頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日當(dāng)管子工作頻率較低時(shí)，在數(shù)值上 ，如此例 ICIB20.0450ICIB（4-2）（0.08-0.04）50所以在工程實(shí)踐中將兩者混用。（

9、3）飽和區(qū)IC受UCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)UCE的數(shù)值較小，一般UCE0.7 V(硅管)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。在飽和區(qū)內(nèi)，晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓叫飽和電壓降，用UCES表示。其數(shù)值對(duì)小功率晶體管約為（0.20.3）V，而對(duì)大功率晶體管常可達(dá)1V以上。放大區(qū)與飽和區(qū)的分界線集電結(jié)零偏（UCE =UBE）時(shí)對(duì)應(yīng)曲線。第12頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日3.3.5 晶體管的類(lèi)型、型號(hào)及選用原則1、類(lèi)型與型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名方法及符號(hào)規(guī)定見(jiàn)教材表1-1所示。命名舉例如下： 3 D G 110 B 用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格 用

10、數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào) 用字母表示器件的種類(lèi) 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、K表示開(kāi)關(guān)管。2、選用原則1）在同一型號(hào)的管子中，應(yīng)選反向電流小的，這樣的管子溫度穩(wěn)定性能較好。 值不宜選得過(guò)高，否則管子性能不穩(wěn)定。2）若要求管子的反向電流小，工作溫度高，則應(yīng)選硅管；而當(dāng)要求導(dǎo)通電壓較低時(shí)，則應(yīng)選鍺管。3）若要求工作頻率高，必須選用高頻管或超高頻管；若用于開(kāi)關(guān)電路，則應(yīng)選用開(kāi)關(guān)管。4）必須使管子工作在安全區(qū)：注意PCM、ICM、U(BR)C

11、EO值 第13頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日3.3.2 場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管（場(chǎng)效應(yīng)FET）半導(dǎo)體三極管有兩大類(lèi)型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管 二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子（故稱(chēng)雙極性器件）參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子（故又稱(chēng)單極性器件）參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。場(chǎng)效應(yīng)管從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，它有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET(Junction type Field Effect Transiste

12、r)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱(chēng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET）。第14頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日?qǐng)鲂?yīng)管的具體分類(lèi)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）第15頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日3.3.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖02.19所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型

13、溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)P區(qū)即為柵極G，N型硅的一端是漏極D，另一端是源極S。圖形符號(hào)中，箭頭方向是指PN結(jié)的正偏方向。第16頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日同理,可構(gòu)成P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,如圖02.20所示。圖形符號(hào)中，箭頭方向是指PN結(jié)的正偏方向。圖02.19 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖02.20 P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)第17頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 （1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用第18頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日3.3.4 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的直流輸入電阻（

14、柵源間的電阻）是反偏PN結(jié)的電阻，由于存在飽和反向電流，故輸入電阻不可能達(dá)到很高，一般只能達(dá)到107以上。要求更高，則需采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。MOS管分耗盡型和增強(qiáng)型兩大類(lèi)，而每一類(lèi)中又有N溝道和P溝道之分。耗盡型是指在UGS =0時(shí)，管內(nèi)已建立溝道，加上漏源電壓UDS，便會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。以后，加上適當(dāng)極性的UGS，ID逐漸減?。ê谋M）。增強(qiáng)型是指在UGS =0時(shí)，管內(nèi)無(wú)溝道，加上漏源電壓UDS，不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。只有當(dāng)UGS具有一定極性且達(dá)到一定數(shù)值之后，管子內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電溝道（增強(qiáng)）。 第19頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日2、N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型M

15、OSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖02.17(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(dāng)UGS =0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)UGS0時(shí)，溝道變厚，使ID進(jìn)一步增加。UGS0時(shí)，隨著UGS的減小，溝道變窄，漏極電流逐漸減小，直至ID =0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)UGS(off) 表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17(b)所示。在耗盡型MOS管的圖形符號(hào)中沒(méi)有虛線，這表示在沒(méi)有加UGS時(shí)就已經(jīng)有了導(dǎo)電溝道。第20頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日(a) 結(jié)

16、構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線圖02.17 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線第21頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日、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(guò)導(dǎo)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。第22頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日伏安特性曲線場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線類(lèi)型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同以及是增強(qiáng)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。有關(guān)曲線繪于圖02.18之中。第23頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)6分，星期日耗盡型結(jié)型N型溝道耗盡型結(jié)型P型溝道增強(qiáng)型絕緣柵P型溝道耗盡型絕緣柵P型溝道增強(qiáng)型絕緣柵N型溝道耗盡型絕緣柵N型溝道輸出特性轉(zhuǎn)移特性符號(hào)工作方式結(jié)構(gòu)種類(lèi)第24頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)