晶體三極管和場(chǎng)效晶體管

晶體三極管和場(chǎng)效晶體管第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五本章學(xué)習(xí)目標(biāo)理解晶體管的結(jié)構(gòu)和分類，熟悉其外形、圖形符號(hào)。掌握三極管電流分配關(guān)系。掌握三極管的輸入特性、輸出特性及三種工作狀態(tài)，了解其主要參數(shù)。掌握用萬用表對(duì)三極管進(jìn)行測(cè)試的方法。了解場(chǎng)效晶體管的類型及工作原理，熟悉其圖形符號(hào)，理解其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，了解其使用的注意事項(xiàng)。第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1晶體三極管2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào)2.1.2三極管的工作電壓和基本連接方式2.1.3三極管內(nèi)電流的分配和放大作用2.1.4三極管的輸入和輸出特性2.1.5三極管主要參數(shù)2.1.6三極管的簡(jiǎn)單測(cè)試第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1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。第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào)一、晶體三極管的基本結(jié)構(gòu)1．三極管的外形特點(diǎn)：有三個(gè)電極，故稱三極管。

第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2．三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：有三個(gè)區(qū)——發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；兩個(gè)PN結(jié)——發(fā)射結(jié)(BE結(jié))、集電結(jié)(BC結(jié))；三個(gè)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。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、晶體三極管的符號(hào)三極管符號(hào)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

第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、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》（陳其純主編）P261

附錄。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。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.2三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(hào)。三極管工作在放大狀態(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。三極管電源的接法第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三極管電源的接法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。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、晶體三極管在電路中的基本連接方式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。三極管在電路中的三種基本連接方式第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.3三極管內(nèi)電流的分配和放大作用一、電流分配關(guān)系測(cè)量電路如圖第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五調(diào)節(jié)電位器，測(cè)得發(fā)射極電流、基極電流和集電極電流的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表所示。因IB很小，則IC

IE

IE=IC+IB

由表可見，三極管中電流分配關(guān)系如下：IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五說明：1．IE=0時(shí)，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．IB=0時(shí)，IC=IE=ICEO。

ICEO

稱為集電極——發(fā)射極反向電流，又叫穿透電流，見圖(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。ICBO與ICEO示意圖第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、晶體三極管的電流放大作用當(dāng)基極電流IB由0.01mA變到0.02mA時(shí)，集電極電流IC由0.56mA變到1.14mA。上面兩個(gè)變化量之比為這說明，當(dāng)IB有一微小變化時(shí)，就能引起IC較大的變化，這種現(xiàn)象稱為三極管的電流放大作用。比值用符號(hào)

來表示，稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，簡(jiǎn)稱“交流

”，即第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)論：1．三極管的電流放大作用——基極電流IB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)

——表示三極管放大交流電流的能力4．通常，，所以可表示為考慮ICEO

，則3．直流電流放大系數(shù)——表示三極管放大直流電流的能力第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.4三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。共發(fā)射極輸入特性曲線由圖可見：1．當(dāng)V

CE

≥2V時(shí)，特性曲線基本重合。2．當(dāng)VBE很小時(shí)，IB等于零，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五共發(fā)射極輸入特性曲線4．三極管導(dǎo)通后，VBE基本不變。硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V，稱為三極管的導(dǎo)通電壓。5．VBE與IB成非線性關(guān)系。3．當(dāng)VBE大于門檻電壓(硅管約0.5V，鍺管約0.2V)時(shí)，IB逐漸增大，三極管開始導(dǎo)通。第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、晶體三極管的輸出特性曲線基極電流一定時(shí)，集、射極之間的電壓與集電極電流的關(guān)系曲線。動(dòng)畫晶體三極管的輸出特性曲線第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五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=ICEO。2．飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。特點(diǎn)：VCE=VCES。VCES稱為飽和管壓降，小功率硅管約0.3V，鍺管約為0.1V。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IC=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。

第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.5三極管主要參數(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。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、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。ICEO=(1+)ICBO

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。第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、極限參數(shù)1．集電極最大允許電流

ICM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)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)生電擊穿，若電擊穿導(dǎo)致熱擊穿會(huì)損壞管子。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.6三極管的簡(jiǎn)單測(cè)試判別硅管和鍺管的測(cè)試電路

一、硅管或鍺管的判別當(dāng)V=0.1~0.3V時(shí)為鍺管。當(dāng)V=0.6~0.7V時(shí)，為硅管第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、估計(jì)比較

的大小NPN管估測(cè)電路如圖所示。估測(cè)

的電路萬用表設(shè)置在R

1k擋，測(cè)量并比較開關(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。

估測(cè)PNP

管時(shí)，將萬用表兩只表筆對(duì)換位置。

第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、估測(cè)ICEONPN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。若阻值無窮大，三極管開路；若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。I

CEO的估測(cè)第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五四、NPN管型和PNP管型的判斷基極b的判斷將萬用表設(shè)置在R

1k

或R

100k

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，則黑表筆所連接的就是基極，而且是NPN型的管子。如圖(a)所示。如果按上述方法測(cè)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(b)所示。第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五五、e、b、c三個(gè)管腳的判斷估測(cè)的電路如圖所示，首先確定三極管的基極和管型，然后采用估測(cè)值的方法判斷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，記下電阻表的擺動(dòng)幅度，然后再把兩個(gè)待定電極對(duì)調(diào)一下接入電路，并記下電阻表的擺動(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。測(cè)PNP管時(shí)，只要把圖示電路中紅、黑表筆對(duì)調(diào)位置，仍照上述方法測(cè)試。第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.2場(chǎng)效晶體管2.2.1結(jié)型場(chǎng)效晶體管2.2.2絕緣柵場(chǎng)效晶體管2.2.3場(chǎng)效晶體管的主要參數(shù)和特點(diǎn)工程應(yīng)用第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.2場(chǎng)效晶體管

場(chǎng)效晶體管：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。第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.2.1結(jié)型場(chǎng)效晶體管N溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管P溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)N溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)如圖所示；P溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管如圖所示。

特點(diǎn)：由兩個(gè)PN結(jié)和一個(gè)導(dǎo)電溝道所組成。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。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、工作原理以N溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管為例，原理電路如圖所示。動(dòng)畫結(jié)型場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五工作原理如下：

VDS>0；VGS<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)效晶體管是一個(gè)電壓控制電流的電壓控制型器件。2．所以輸入電阻很大。一般可達(dá)107~108。

第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、結(jié)型場(chǎng)效晶體管的特性曲線和跨導(dǎo)1．轉(zhuǎn)移特性曲線結(jié)型場(chǎng)效晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線反映柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。如圖所示，若漏源電壓一定：當(dāng)柵源電壓VGS=0時(shí)，漏極電流ID=IDSS，IDSS稱為飽和漏極電流；當(dāng)柵源電壓VGS向負(fù)值方向變化時(shí)，漏極電流ID逐漸減??；當(dāng)柵源電壓VGS=VP時(shí)，漏極電流ID=0，VP稱為夾斷電壓。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2．輸出特性曲線結(jié)型場(chǎng)效晶體管的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。如圖所示。(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，漏源間的電阻越大。結(jié)論：在Ⅰ區(qū)中，場(chǎng)效晶體管可看作一個(gè)受柵源電壓控制的可變電阻。第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五(2)飽和區(qū)(圖中Ⅱ區(qū))結(jié)型場(chǎng)效晶體管的輸出特性曲線

VDS一定時(shí)，VGS的少量變化引起ID較大變化，即ID受VGS控制。當(dāng)VGS不變時(shí)，ID不隨VDS變化，基本上維持恒定，即ID對(duì)VDS呈飽和狀態(tài)。結(jié)論：在Ⅱ區(qū)中，場(chǎng)效晶體管具有線性放大作用。第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)型場(chǎng)效晶體管的輸出特性曲線(3)擊穿區(qū)(圖中Ⅲ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。單位為μA/V。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.2.2絕緣柵場(chǎng)效晶體管絕緣柵場(chǎng)效晶體管是一種柵極與源極、漏極之間有絕緣層的場(chǎng)效晶體管，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N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管

1.

N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五工作原理如圖所示：

(1)當(dāng)VGS=0，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)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。N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管工作原理

第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管工作原理

(3)在VDS>0時(shí)：若VGS

<

VT

，反型層消失，無導(dǎo)電溝道，ID=0；若VGS>VT，出現(xiàn)反型層(即導(dǎo)電溝道)，D、S之間有電流ID流過；若VGS逐漸增大，導(dǎo)電溝道變寬，ID也隨之逐漸增大，即VGS控制ID的變化。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2．N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效晶體管夾斷電壓：使ID=0時(shí)的柵源電壓。

結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示。特點(diǎn)：管子本身已形成導(dǎo)電溝道。N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效晶體管第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效晶體管工作原理：在VDS>0時(shí)，當(dāng)VGS=0導(dǎo)電溝道有電流ID；當(dāng)VGS>

0并逐漸增大時(shí)，溝道變寬，使ID增大；當(dāng)VGS<0逐漸增大此負(fù)電壓時(shí)，溝道變窄，使ID減小。實(shí)現(xiàn)VGS對(duì)ID的控制作用。夾斷電壓VP：是指使ID=0

時(shí)的柵源電壓

VGS。

第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、絕緣柵場(chǎng)效晶體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。N溝道MOS管轉(zhuǎn)移特性曲線增強(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

0；當(dāng)VGS為負(fù)電壓時(shí)ID減?。划?dāng)VGS=

VPS時(shí)，ID=0。

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2．輸出特性曲線3．跨導(dǎo)可調(diào)電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)三個(gè)區(qū)的含義與結(jié)型管輸出特性曲線三個(gè)區(qū)相同。N溝道MOS管輸出特性曲線第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、絕緣柵場(chǎng)效晶體管的圖形符號(hào)MOS管的圖形符號(hào)

注意N、P溝道的區(qū)別在于圖中箭頭的指向相反。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.2.3場(chǎng)效晶體管的主要參數(shù)和特點(diǎn)一、主要參數(shù)1．直流參數(shù)(1)開啟電壓VT

在VDS為定值的條件下，增強(qiáng)型場(chǎng)效晶體管開始導(dǎo)通(ID達(dá)到某一定值，如10A)時(shí)，所需加VGS

的值。(2)夾斷電壓VP

在VDS為定值的條件下，耗盡型場(chǎng)效晶體管ID減小到近于零時(shí)VGS的值。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五(3)飽和漏極電流IDSS

耗盡型場(chǎng)效晶體管工作在飽和區(qū)且VGS=0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

(4)直流輸入電阻RGS

柵源電壓VGS與對(duì)應(yīng)的柵極電流IG

之比。場(chǎng)效晶體管輸入電阻很高，結(jié)型管一般在107以上；絕緣柵管則更高，一般在109以上。

第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2．交流參數(shù)(1)跨導(dǎo)gmVDS一定時(shí)，漏極電流變化量ID

和引起這個(gè)變化的柵源電壓變化量VDS之比。它表示了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。(2)極間電容場(chǎng)效晶體管三個(gè)電極之間的等效電容CGS、CGD、CDS，一般為幾個(gè)皮法，結(jié)電容小的管子，高頻性能好。第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五3．極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDMID

與VDS的乘積不應(yīng)超過的極限值。(2)漏極擊穿電壓V(BR)DS漏極電流ID開始劇增時(shí)所加的漏源間的電壓。第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、場(chǎng)效晶體管的特點(diǎn)場(chǎng)效晶體管與普通三極管比較表項(xiàng)目器件名稱晶體三極管場(chǎng)效應(yīng)管極型特點(diǎn)雙極型單極型控制方式電流控制電壓控制類型PNP型、NPN型N溝道、P溝道放大參數(shù)=50~200gm=1000~5000μA/V輸入電阻102