浙江大學(xué) 模電 1-2課件

集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程

第一篇電子器件基礎(chǔ)

1.2.4雙極型三極管

1.1.4雙極型三極管的伏安特性及其模型一、雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)簡稱：晶體管、三極管內(nèi)部參與導(dǎo)電有自由電子、空穴兩種極性載流子：

雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor—BJT）分類：材料：硅三極管、鍺三極管摻雜：NPN型、PNP型頻率：高、低功率：大、中、小基本結(jié)構(gòu)：

N+NPNPN型三極管發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極（e）集電極（c）基極

（b）發(fā)射結(jié)

（Je）集電結(jié)

（Jc）二、三極管放大電路的電流分配N+NPVEEReVCCRCebc||

+ebc發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大的工作條件放大工作時(shí)

各電流的分配關(guān)系b(P)c(N)e(N)IBICIE少子漂移ICB0基區(qū)復(fù)合IBN多子擴(kuò)散I

CN四種工作狀態(tài)JeJc狀態(tài)反偏反偏截止反偏正偏倒置正偏反偏放大正偏正偏飽和三、三極管電路的基本組態(tài)區(qū)分依據(jù)共基極（CB），共基組態(tài)共發(fā)射極（CE），共射組態(tài)共集電極（CC），共集組態(tài)

一極連接輸入端；一極連接輸出端；第三極作為輸入、輸出的公共端；三種基本組態(tài)“公共的極”即為組態(tài)形式。放大系統(tǒng)的組成輸入信號(hào)源輸出負(fù)載供電電源放大電路共射組態(tài)共射極直流電流放大倍數(shù)到達(dá)集電極的電流

與基區(qū)復(fù)合電流的比值輸入：B極輸出：C極公共端：E極一定條件下，輸入/輸出電流成線性關(guān)系，三極管是一種電流控制器件。共基—共射電流放大倍數(shù)的關(guān)系共射：共基：共集組態(tài)

輸入：B極輸出：E極公共端：C極一定條件下，輸入/輸出電流成線性關(guān)系，三極管是一種電流控制器件。截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)輸出特性的三個(gè)區(qū)域共射極輸出特性截止區(qū)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)的條件：

外加電壓使發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置，

即：VBE≤0,VBC＜0,IB≈0,IC≈0；

三極管失去了放大能力。三極管截止?fàn)顟B(tài)的判斷依據(jù)三極管截止?fàn)顟B(tài)的電路模型飽和區(qū)三極管處于飽和狀態(tài)的條件：

發(fā)射結(jié)正偏，VBE=0.7～0.8V；

集電結(jié)為正偏。三極管

飽和狀態(tài)時(shí)的特征三極管的

飽和壓降三極管

臨界飽和狀態(tài)三極管

深度飽和狀態(tài)三極管

深度飽和狀態(tài)

時(shí)的電路模型PNP型晶體管的伏安特性曲線判斷三極管工作狀態(tài)的方法（NPN管為例）判斷是否為截止?fàn)顟B(tài)？

依據(jù)為發(fā)射結(jié)是否非正偏，IB是否小于0等…按放大區(qū)模型計(jì)算后，若：

VCE>0.7V，則為放大狀態(tài)。

此時(shí)：五、三極管的主要參數(shù)電流放大系數(shù)（倍數(shù)）直流共射電流放大系數(shù)：交流共射電流放大系數(shù)：直流共基電流放大系數(shù)：交流共基電流放大系數(shù)：極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM

電流放大系數(shù)β下降至正常值2/3時(shí)的IC值集電極最大允許功率損耗PCM

PCM=IC×VCE

PCM取決于管子所允許的溫升。

硅管最高結(jié)溫為150℃，鍺管為75℃。

超過這個(gè)數(shù)值將導(dǎo)致管子性能迅速變壞，以至燒毀。

PCM與散熱條件有關(guān)。反向擊穿電壓V(BR)EBO：集電極開路，Je結(jié)的反向擊穿電壓，值幾伏～十幾伏。V(BR)CBO：發(fā)射極開路，Jc結(jié)的反向擊穿電壓，值通常為幾十伏，

高反壓管可高達(dá)上千伏。V(BR)CEO：基極開路，JC-JE間的反向擊穿電壓，通常比V(BR)CBO小。三極管的安全工作范圍和溫度穩(wěn)定性三極管的安全工作范圍三極管的下列三個(gè)極限參數(shù)：

PCM、ICM和V(BR)CEO

在輸出特性曲線上畫出安全工作區(qū)三極管的溫度穩(wěn)定性輸入特性與溫度的關(guān)系溫度升高，發(fā)射結(jié)正向壓降VBE減小，

溫度系數(shù)約-2.5mV/℃ICBO、ICEO、β均隨溫度升高迅速增大，

溫度升高，整族輸出特性曲線都上移，曲線間距拉大。輸出特性與溫度的關(guān)系二、N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)2個(gè)N+加襯底P，加SiO2，再加鋁極。

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)場效應(yīng)管的柵極與其它電極絕緣。源(Source)、漏(Drain)、柵(Gate)三極。

N+N+VGS=0工作原理漏源間只是兩個(gè)“背向”串聯(lián)的PN結(jié)，

漏-源間為高阻。VGS＞

0VGS將在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)垂直電場；漏-源間的P型襯底表面感應(yīng)出電子層（反型層）；兩個(gè)N+區(qū)連通，形成N型導(dǎo)電溝道，漏-源間為低阻；VGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，等效電阻越小，導(dǎo)電能力增強(qiáng)；開始形成導(dǎo)電溝道所需的最小柵-源電壓VGS稱為開啟電壓VGS(th)，

習(xí)慣上常表示為VT。

產(chǎn)生漏-源電流ID；由于溝道電阻的存在，

ID沿溝道方向所產(chǎn)生的電壓降使溝道上的電場產(chǎn)生不均勻分布；VGS最大，VGD=VGS－VDS最小，溝道呈楔形分布。VGS＞

VT并保持恒定，同時(shí)加上VDS預(yù)夾斷ID恒流轉(zhuǎn)移特性IDO是VGS=2VT時(shí)的漏極電流ID0(VT)制造過程中人為地在SiO２絕緣層中

摻入了大量的K+(鉀)或Na+(鈉)正離子；VGS=0時(shí)，依靠正離子的作用，P型襯底表面感應(yīng)出N型反型層，

將兩個(gè)N+區(qū)連通，形成原始的N型導(dǎo)電溝道；υDS一定時(shí)，外加正柵壓（υGS

＞0）后，導(dǎo)電溝道變厚，

溝道等效電阻下降，導(dǎo)電能力增強(qiáng)；減少υGS

至負(fù)柵壓（υGS

＜0）時(shí)，溝道變薄，溝道電阻增大，

導(dǎo)電能力減弱；υGS負(fù)到某一定值VGS(off)（常以VP表示）時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，

整個(gè)溝道被夾斷，iD≈0，管子截止。三、N溝道耗盡型絕緣柵型場效應(yīng)管IDSS是VGS=0時(shí)的飽和漏極電流伏安特性與電流方程基本結(jié)構(gòu)與符號(hào)JFET在VGS=0時(shí)，存在原始的導(dǎo)電溝道，屬于耗盡型；JFET正常工作時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)必須反偏；JFET通過VGS改變半導(dǎo)體內(nèi)耗盡層厚度（溝道的截面積）來控制iD，

所以稱為體內(nèi)場效應(yīng)器件。四、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）工作原理伏安特性與電流方程IDSS是VGS=0時(shí)的飽和漏極電流直流參數(shù)增強(qiáng)型管開啟電壓VGS(th)（VT）耗盡型管夾斷電壓VGS(off)（VP）耗盡型管在VGS=0時(shí)的飽和區(qū)漏極電流IDSS直流輸入電阻RGS(DC)：

VDS=0時(shí)，柵源電壓VGS與柵極電流IG之比五、場效應(yīng)管的主要參數(shù)交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)(互導(dǎo))gm轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率交流輸出電阻rds

極限參數(shù)最大漏源電壓V(BR)DS：漏極附近發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的VDS

最大柵源電壓V(BR)GS：柵極與源極間PN結(jié)的反向擊穿電壓最大耗散功率PDM二極管、三極管、場效應(yīng)管、電阻、電容各種連線集成電路---同一塊硅片制作特殊功能電路集成電路---器件之間絕緣介質(zhì)(如SiO2)隔離---模擬集成電路PN結(jié)隔離---數(shù)字集成電路小規(guī)模SSI

、中規(guī)模MSI

、大規(guī)模LSI和超大規(guī)模VLSI模擬集成電路，數(shù)字集成電路集成電路分類1.2.6集成電路中的電子器件結(jié)論：等效復(fù)合管的β≈β1β2；等效復(fù)合管的管型取決于第一只管子的類型；等效復(fù)合管的輸入電流可大大減小，T1可采用小功率管；組成復(fù)合管時(shí)也可由晶體管和場效應(yīng)管或多個(gè)晶體管進(jìn)行復(fù)合。兩只或兩只以上的半導(dǎo)體三極管（或場效應(yīng)管）按一定方式

連接成達(dá)林頓管（Darlington）。常見達(dá)林頓管組合：一、復(fù)合管多集電極管集電極電流之比IC1/IC2

約等于集電區(qū)面積之比。利用它的多個(gè)集電極可以構(gòu)成

多個(gè)具有比較穩(wěn)定電流關(guān)系的電流源。二、多集電極管和多發(fā)射極管多發(fā)射極三極管多發(fā)射極三極管常作為門電路的輸入級(jí)電路。在數(shù)字集成電路中，影響門電路轉(zhuǎn)換速度的主要因素是晶體管的開關(guān)時(shí)間，

多發(fā)射極管的引入可以加快后級(jí)