三極管及場效應管原理及參數(shù)教學文稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三極管及場效應管原理及參數(shù)-晶體三極管一、三極管的電流放大原理晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。圖1、晶體三極管（NPN）的結構圖一是NPN管的結構圖，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，從圖可見發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結,而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和

2、集電極。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正確，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）極基區(qū)的多數(shù)載流子（控穴）很容易地截越過發(fā)射結構互相向反方各擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。由于基區(qū)很薄,加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在

3、基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補紀念給，從而形成了基極電流Ibo根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：1=Ic/Ib式中：-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為：=Ic/Ib式中-稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。二、三極管的特性曲

4、線1、輸入特性圖2（b)是三極管的輸入特性曲線，它表示Ib隨Ube的變化關系，其特點是：1）當Uce在0-2伏范圍內(nèi)，曲線位置和形狀與Uce有關，但當Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關通常輸入特性由兩條曲線（和）表示即可。2）當UbeUbeR時，IbO稱（0UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當UbeUbeR時，Ib隨Ube增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區(qū)段。3）三極管輸入電阻，定義為:rbe=(Ube/Ib)Q點，其估算公式為：rbe=rb+(+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb為三極管的基區(qū)電阻，對低頻小功率管，rb約為300歐。2、輸出特性輸出特性表示Ic隨Uce的變化關系（以Ib為參數(shù)）

5、從圖2（C）所示的輸出特性可見，它分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)當Ube0時，則Ib0，發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運動，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關系是：Iceo=(1+)Icbo常溫時硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對于鍺管，溫度每升高12，Icbo數(shù)值增加一倍，而對于硅管溫度每升高8，Icbo數(shù)值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴重的管，放大區(qū)，當晶體三極管發(fā)射

6、結處于正偏而集電結于反偏工作時，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區(qū)是三極管工作在放大狀態(tài)的區(qū)域。飽和區(qū)當發(fā)射結和集電結均處于正偏狀態(tài)時，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據(jù)三極管發(fā)射結和集電結偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。圖2、三極管的輸入特性與輸出特性截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關狀態(tài)的區(qū)域，三極管和導通時，工作點落在飽和區(qū)，三極管截止時，工作點落在截止區(qū)。三、三極管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)（1）集電極一基極反向飽和電流Icbo，發(fā)射極開路（Ie=0)時，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關，在一定溫度下是個常數(shù)，所以稱為集電極一基極的反向飽和電

7、流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為110微安，大功率鍺管的Icbo可達數(shù)毫安，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。（2）集電極一發(fā)射極反向電流Iceo(穿透電流）基極開路（Ib=0）時，集電極和發(fā)射極之間加上規(guī)定反向電壓Vce時的集電極電流。Iceo大約是Icbo的倍即Iceo=(1+)IcbooIcbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小，性能越穩(wěn)定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。（3）發(fā)射極-基極反向電流Iebo集電極開路時，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時發(fā)射極的電流，它實際上是發(fā)射結的反向飽和電流。（4）直流電流放大系數(shù)1（

8、或hEF）這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：1=Ic/Ib2、交流參數(shù)（1）交流電流放大系數(shù)（或hfe）這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量Ic與基極輸入電流的變化量Ib之比，即：=Ic/Ib一般晶體管的大約在10-200之間，如果太小，電流放大作用差，如果太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。（2）共基極交流放大系數(shù)（或hfb）這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是Ic與發(fā)射極電流的變化量Ie之比，即：=Ic/Ie因為IcIe，故1。高頻三極管的0.90就可以使用與之間的關系：=/（1+）=/（1-）1/（1-）（3）截止

9、頻率f、f當下降到低頻時0.707倍的頻率，就是共發(fā)射極的截止頻率f；當下降到低頻時的0.707倍的頻率，就是共基極的截止頻率fof、f是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關系為：f（1-）f（4）特征頻率fT因為頻率f上升時，就下降，當下降到1時，對應的fT是全面地反映晶體管的高頻放大性能的重要參數(shù)。3、極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM當集電極電流Ic增加到某一數(shù)值，引起值下降到額定值的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但值顯著下降，影響放大質(zhì)量。（2）集電極-基極擊穿電壓BVCBO當發(fā)射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO

10、。（3）發(fā)射極-基極反向擊穿電壓BVEBO當集電極開路時，發(fā)射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。（4）集電極-發(fā)射極擊穿電壓BVCEO當基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時如果VceBVceo，管子就會被擊穿。（5）集電極最大允許耗散功率PCM集電流過Ic，溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=UceIc.使用時慶使PcPCM。PCM與散熱條件有關，增加散熱片可提高PCM。一、三極管1.三極管的放大作用圖1是收信放大管的結構及符號圖，柵極用符號g表示，柵極具有控制陽極電流ia

11、的作用。由于柵極與陰極之間的距離較陽極與陰極間的距離近得多，所以柵極對陰極發(fā)射電子的影響也較陽極的影響大得多，即是說柵極控制電子的能力要比陽極大得多，柵壓ug有多少量的變化，就能引起陽極電流ia發(fā)生較大的變化，這就是三極管具有放大作用的原因。圖1三極管結構及符號2.三極管的靜態(tài)特性曲線（1）陽極特性曲線，指柵壓ug為常數(shù)時，陽極是電流ia與陽極電壓ua的變化關系曲線，采用圖2的線路可測出在極管陽極特性曲線，圖3表示6N8P的陽極特性曲線簇。圖2、測量三極管靜態(tài)特性曲線的電路從陽極特性的曲線簇可以看出：1）它的每條曲線形狀和二極管的行性曲線相似，柵壓愈負，曲線愈向右移。這是因為柵壓為負進，只有當

12、陽極電壓增加到能夠抵消在陰極附近產(chǎn)生的排斥電場以后，才會產(chǎn)生陽極電流。2）特性曲線的大部分是彼此平行的直線，間隔也比較均勻，但在陽極電流較低的部分，曲線顯得彎曲。3）從圖中還可以看出，柵壓電流可變化4毫安，若柵壓保持-8伏不變，要使陽極電流變化4毫安，則陽極電壓應變化40伏才行，這說明書柵壓對陽極電流的控制作用是陽極電壓控制作用的20倍。（2）陽柵特性曲線，指陽極電壓為常數(shù)時，陽極電流ia與柵壓ug的變化關系曲線。仍用圖2測量陽柵特性曲線。只要把陽極電壓ua固定在某一數(shù)值上，然后一條陽柵特性曲線，在不同的陽極電壓下作出很多條曲線就組成特性曲線簇。圖4為6N8P陽柵特性曲線簇。圖3、6N8P陽極

13、特性曲線圖4、6N8P陽柵特性曲線從曲線簇可以看出：1）在陽極電壓為定值時，隨著負柵壓的增加，陽極電流減小。當負柵壓增加到某一個數(shù)值時，陽極電流減小到零，這時稱為陽極電流截止，對應的柵壓稱為截止柵壓。2）陽極電壓越高，特性曲線越往左移，這是因為陽極電壓越高，要使陽極電流截止的負柵壓也越大。3）從圖中還可看出柵壓變化對陽極電流的變化影響很大。3.三極管的參數(shù)（1）跨導跨導的定義是：在陽壓保持不變時，柵壓ug在某一工作點上變化一個增量ug，將引起陽極流ia相應地彎化一個增量ia，比值ia/ig稱為跨導，用符號S表示，即：S=ia/ig|ua（固定）（毫安/伏）跨導具有電導的性質(zhì)，其物理意義是：在陽

14、壓固定不變的條件下，當柵壓變化1伏時，陽流變化了多少毫安。它表明柵壓控制陽流的能力，跨導越大，柵壓控制陽流的能力就越強。電子管的跨導可以從已知的陽柵特性曲線簇上求出。特性曲線的不同部分的跨導值是不一樣的。曲線越陡（即斜率越大）跨導就越大，所以在特性曲線的直線部分，跨導最大，而且各點跨導差不多相同，因此，電子管手冊中給出的跨導，都是指直線部分的跨導值，一般三極管的跨導值約為210（毫安/伏）（2）內(nèi)阻內(nèi)阻的定義是：在柵壓保持不變時，陽壓ua在某一工作點上彎化一個增量ua，將引起陽流相應地變化一個增量ia，比值ua/ia稱為內(nèi)阻，用符號Ri表示，即：Ri=ua/ia|ig（固定）（歐姆）當ia為毫

15、安，ua為伏時，則Ri為千歐。內(nèi)阻的物理意義是：在柵壓保持不公的條件下，陽流變化1毫安，陽壓需要變化多少伏，這表明了陽極對陽流的控制能力，內(nèi)阻越小，陽壓控制陽流的能力就越強。內(nèi)阻也可以從陽極特性曲線上求出，由于電子管的陽極特性曲線不是直線，所以曲線上各點的內(nèi)阻值也不相同，曲線越陡（即斜率越大）時，內(nèi)阻越小，曲線越平直（即斜率越小）則內(nèi)阻越大，一般三極管內(nèi)阻值為500歐至100千歐之間。（3）放大系數(shù)放大系數(shù)的定義是：陽壓變化一個增量ua為了保持陽流不變，柵壓ug必須相應地變化一個ug，ua與ug比值的絕對值，稱為放大系數(shù)，用符號表示，即：=ua/ug|ia（固定）放大系數(shù)沒有單位，它表明柵壓對

16、陽流的影響比陽壓對陽流的影響大多少倍，一般三極管的放大系數(shù)在5100之間。（4）三個參數(shù)之間的關系電子管的三個參數(shù)S、Ri和三者之間有一定的關系，這個關系可用下式求得：根據(jù)Ri的定義：Ri=ua/ia，因為增量ua與ia一定是同符號的，所以Ri=ua/ia=|ua/ia|又根據(jù)S的定義：S=ia/ua增量ia與ug也是同符號的，所以S=ia/ia=|ia/ug|把Ri與S相乘可得RiS=|ua/ia|ia/ug|=ua/ig=（倍）則可以寫成=RiS這個方程稱為電子管的內(nèi)部方程。它表示電子管的三個參數(shù)之間的相互關系，即放大系數(shù)等于內(nèi)阻與跨導的乘積。4.三極管的極間電容及其影響電子管的電極是由金

17、屬制成的，并被介質(zhì)-真空所隔開，因此，各電極之間存在著電容，這些電容叫做極間電容。三極管有三個極間電容，如圖5所示，柵極和陰極之間的電容Cgk叫做輸入電容，陽極和陰極之間的電容Cak叫做輸出電容，陽極和柵極之間的電容Cag叫做跨路電容，各個極間電容量大致在120皮法范圍內(nèi)。圖5、三極管的極間電容電子管的極間電容對電子管電路的工作性能有影響，影響最大的是跨路是電容Cag，特別是在高頻工作時，由于Cag的容抗下降，陽極回路的交流電壓通過它反饋回柵極，使電路工作變得極不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生自激。Cgk和Cak對電路性能的影響不顯著。場效應管場效應管（英縮寫FET）是電壓控制器件，它由輸入電壓來控制輸出電流

18、的變化。它具有輸入阻抗高噪聲低，動態(tài)范圍大，溫度系數(shù)低等優(yōu)點，因而廣泛應用于各種電子線路中。HYPERLINK/dzyj/gy.asp供應信息HYPERLINK/xq.asp需求信息一、場效應管的結構原理及特性場效應管有結型和絕緣柵兩種結構，每種結構又有N溝道和P溝道兩種導電溝道。1、結型場效應管（JFET）（1）結構原理它的結構及符號見圖1。在N型硅棒兩端引出漏極D和源極S兩個電極，又在硅棒的兩側(cè)各做一個P區(qū)，形成兩個PN結。在P區(qū)引出電極并連接起來，稱為柵極Go這樣就構成了N型溝道的場效應管圖1、N溝道結構型場效應管的結構及符號由于PN結中的載流子已經(jīng)耗盡，故PN基本上是不導電的，形成了所

19、謂耗盡區(qū)，從圖1中可見，當漏極電源電壓ED一定時，如果柵極電壓越負，PN結交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚，則漏、源極之間導電的溝道越窄，漏極電流ID就愈??；反之，如果柵極電壓沒有那么負，則溝道變寬，ID變大，所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化，就是說，場效應管是電壓控制元件。（2）特性曲線1）轉(zhuǎn)移特性圖2（a）給出了N溝道結型場效應管的柵壓-漏流特性曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，它和電子管的動態(tài)特性曲線非常相似，當柵極電壓VGS=0時的漏源電流。用IDSS表示。VGS變負時，ID逐漸減小。ID接近于零的柵極電壓稱為夾斷電壓，用VP表示，在0VGSVP的區(qū)段內(nèi)，ID與VGS的關系可近似表示為：I

20、D=IDSS（1-|VGS/VP|）其跨導gm為：gm=（ID/VGS）|VDS=常微（微歐）|式中：ID-漏極電流增量（微安）-VGS-柵源電壓增量（伏）圖2、結型場效應管特性曲線2）漏極特性（輸出特性）圖2(b)給出了場效應管的漏極特性曲線，它和晶體三極管的輸出特性曲線很相似?？勺冸娮鑵^(qū)（圖中I區(qū)）在I區(qū)里VDS比較小，溝通電阻隨柵壓VGS而改變，故稱為可變電阻區(qū)。當柵壓一定時，溝通電阻為定值，ID隨VDS近似線性增大，當VGSVP時，漏源極間電阻很大（關斷）。IP=0；當VGS=0時，漏源極間電阻很?。▽ǎ?，ID=IDSS。這一特性使場效應管具有開關作用。恒流區(qū)（區(qū)中II區(qū)）當漏極電壓

21、VDS繼續(xù)增大到VDS|VP|時，漏極電流，IP達到了飽和值后基本保持不變，這一區(qū)稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)，在這里，對于不同的VGS漏極特性曲線近似平行線，即ID與VGS成線性關系，故又稱線性放大區(qū)。擊穿區(qū)（圖中區(qū)）如果VDS繼續(xù)增加，以至超過了PN結所能承受的電壓而被擊穿，漏極電流ID突然增大，若不加限制措施，管子就會燒壞。2、絕緣柵場效應管它是由金屬、氧化物和半導體所組成，所以又稱為金屬-氧化物-半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。（1）結構原理它的結構、電極及符號見圖3所示，以一塊P型薄硅片作為襯底，在它上面擴散兩個高雜質(zhì)的N型區(qū)，作為源極S和漏極D。在硅片表覆蓋一層絕緣物，然后再用金屬鋁引出一個電極G（柵極）由于柵極與其它電極絕緣，所以稱為絕緣柵場面效應管。圖3、N溝道（耗盡型）絕緣柵場效應管結構及符號在制造管子時，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時，溝道內(nèi)被感應的電荷量也改變，導電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。場效應管的式作方式有兩種：當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗散型，當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后