三極管教學(xué)講解課件

三極管也叫雙極型晶體管1.3半導(dǎo)體三極管三極管也叫雙極型晶體管1.3半導(dǎo)體三極管1.3.1結(jié)構(gòu)與符號(hào)N型硅BECN型硅P型硅二氧化硅保護(hù)膜N型鍺ECBPP銦球銦球由三層半導(dǎo)體、兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成1.3.1結(jié)構(gòu)與符號(hào)N型硅BECN型硅P型硅二氧化硅保護(hù)膜N

由兩塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體的管子稱為NPN管。還有一種與它成對(duì)偶形式的，即兩塊P型半導(dǎo)體中間夾著一塊N型半導(dǎo)體的管子，稱為PNP管。晶體管制造工藝上的特點(diǎn)是：發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū)，基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度底，集電結(jié)面積大。這樣的結(jié)構(gòu)才能保證晶體管具有電流放大作用。基極發(fā)射極集電極晶體管有兩個(gè)結(jié)晶體管有三個(gè)區(qū)晶體管有三個(gè)電極由兩塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體的管子三層半導(dǎo)體材料構(gòu)成NPN型、PNP型NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型ECB各區(qū)主要作用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)：作用：發(fā)射載流子

特點(diǎn)：摻雜濃度高基區(qū)：作用：傳輸載流子特點(diǎn)：薄、摻雜濃度低集電區(qū)：作用：接收載流子

特點(diǎn)：面積大符號(hào)三層半導(dǎo)體材料構(gòu)成NPN型、PNP型NNP發(fā)射極E基極BPPNEBC按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：

NPN、PNP按使用頻率分：

低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1WECBPNP型二、類型PPNEBC按材料分：硅管、鍺管ECBPNP型二NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極1.3.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

1.3.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部晶體管放大的條件1.內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大2.外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏

晶體管的電流分配和放大作用實(shí)驗(yàn)電路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6

A電路條件:

EC>EB

發(fā)射結(jié)正偏

集電結(jié)反偏晶體管放大的條件1.內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化。2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)I晶體管的電流放大原理：1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過(guò)程：由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。2、電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程：由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子空穴濃度很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子只有很少一部分和基區(qū)空穴復(fù)合，剩下的絕大部分都能擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。實(shí)驗(yàn)表明：IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而IB雖然很小，但對(duì)IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對(duì)集電極電流具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。3、集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子過(guò)程：由于集電結(jié)反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。晶體管的電流放大原理：1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過(guò)程：2、電BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。

集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區(qū)空穴IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度

ICEO

(常用公式)若IB=0,則

IC

ICE0IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPE1.3.3

特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路

重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線1.3.3特性曲線即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCECiBIERB+uBE

+uCE

EBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

EB+

O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子，同一UBE下IB小)導(dǎo)通電壓UBESi管:(0.6

0.8)VGe管:(0.2

0.3)V取0.7V取0.2VEB+

RB一、輸入特性輸入輸出與二極管特性相似RCECiBIERB++發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸1.

輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO1.輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1二、輸出特性1.調(diào)整RB使基極電流為某一數(shù)值。

2.基極電流不變，調(diào)整EC測(cè)量集電極電流和uCE

電壓。50μA40μA30μA10μAIB=020μAuCE/VO2468

4321iC

/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6

ARCV+uCE

二、輸出特性1.調(diào)整RB使基極電流為某一數(shù)值。50μA2輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。輸出特性IB=020A40A60A80A100A3IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。

在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCE

UBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，

IB

IC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時(shí)，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。IB=020A40A60A80A100A36IC(1.3.4

主要參數(shù)一.共發(fā)射極電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)

當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。1.3.4主要參數(shù)一.共發(fā)射極電流放大系數(shù)直流電流放大系例：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：

=IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，有由Q1和Q2點(diǎn)，得例：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,1.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。溫度

ICBO

ICBO

A+–EC2.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO

AICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度

ICEO

，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。二、極間反向飽和電流發(fā)射極開路基極開路1.集-基極反向截止電流ICBOICBO是由少數(shù)載流子1.

集電極最大允許電流ICM（1）集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的

值的下降，當(dāng)

值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。

當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)

CEO?；鶚O開路時(shí)C、E極間反向擊穿電壓。三、極限參數(shù)2.反向擊穿電壓（2）集電極－基極反向擊穿電壓U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時(shí)C、B極間反向擊穿電壓。（3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓U(BR)EBO

—集電極開路時(shí)E、B極間反向擊穿電壓。1.集電極最大允許電流ICM（1）集-射極反向擊穿電壓ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個(gè)極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO3、集電極最大允許耗散功耗PCM：PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過(guò)大，溫升過(guò)高會(huì)燒壞三極管。

PC

PCM=IC

UCE

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為70

90C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個(gè)極限晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、溫度每增加10

C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。2、溫度每升高1

C，UBE將減小–(2~2.5)mV，即晶體管具有負(fù)溫度系數(shù)。3、溫度每升高1

C，

增加0.5%~1.0%。晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、溫度每增加10C，ICBO增大一學(xué)習(xí)與探討

晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜質(zhì)濃度很高，集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度較低，這樣才使得發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，如果互換作用顯然不行。

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時(shí)內(nèi)電場(chǎng)大大削弱，這種情況下極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)基區(qū)的電子，因此在相同的基極電流IB時(shí)，集電極電流IC比放大狀態(tài)下要小很多，可見飽和區(qū)下的電流放大倍數(shù)不再等于β。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，其電流放大系數(shù)是否也等于β？晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?學(xué)習(xí)與探討晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因1.3.5應(yīng)用實(shí)例

晶體管作開關(guān)使用的電路如右圖所示。試根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)驗(yàn)證晶體管是否工作在開關(guān)狀態(tài)？想一想，做一做。1、開關(guān)狀態(tài)2、放大狀態(tài)解：說(shuō)明晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)

1.3.5應(yīng)用實(shí)例晶體管作開關(guān)使用的電路如當(dāng)時(shí)，取則基極電流集電極電流集射極電壓晶體管工作在飽和狀態(tài)。故輸入信號(hào)為幅值達(dá)3V的方波時(shí)，晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)時(shí)，取則基極電流集電極電流集射極電壓晶體管工作在飽和1.4MOS場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（單極型）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管本節(jié)僅介紹絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為：增強(qiáng)型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分1.4MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（單極型）是利漏極D

柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。金屬電極柵極G源極S1.4.1N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)

在P型襯擴(kuò)散兩種N型半導(dǎo)體。漏極D柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場(chǎng)GSD符號(hào)：漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)

由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)1014

。僅在漏極D和源極S之間加電壓不會(huì)導(dǎo)通。 Metal-Oxide-SemicnductorGSD符號(hào)：漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯1.4.2N溝道增強(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時(shí)，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD1.4.2N溝道增強(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+NEGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當(dāng)UGS>0時(shí)，P型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。當(dāng)UGS>UGS（th）時(shí)，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來(lái)。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–當(dāng)UGSEGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道

若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。UGS越大溝道越寬，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，ID越大。

在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。

當(dāng)UGS

UGS(th）后，場(chǎng)效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通。所以，場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道1.4.3

特性曲線及主要參數(shù)有導(dǎo)電溝道（1）轉(zhuǎn)移特性曲線：

UDS一定時(shí)UGS與ID的關(guān)系無(wú)導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th）UDSUGS/1、特性曲線

當(dāng)UGS＜UTh時(shí)，ID=0；當(dāng)UGS=UTh(圖中2V)時(shí)；管子開始導(dǎo)通；當(dāng)UGS＞UTh時(shí)，ID隨UGS的增大而增大。1.4.3特性曲線及主要參數(shù)有導(dǎo)電溝道（1）轉(zhuǎn)移特性曲線：ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V

漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)(2）輸出特性輸出特性是指在某一固定的UGS下，漏源電壓UDS與漏極電流ID之間的關(guān)系

分為三個(gè)區(qū)域：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)。a.可變電阻區(qū)曲線呈上升趨勢(shì)，基本上可看做通過(guò)原點(diǎn)的一條直線，管子的漏－源之間可等效為一個(gè)電阻，此電阻的大小隨UGS而變，故稱為可變電阻區(qū)。ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V

漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)b.恒流區(qū)隨著UDS增大，曲線趨于平坦，ID不再隨UDS的增大而增大，故稱為恒流區(qū)。此時(shí)ID的大小只受UGS控制，體現(xiàn)了場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制電流的放大作用。c.夾斷區(qū)特點(diǎn)是當(dāng)UGS＜UTh時(shí)，溝道消失，ID＝0。ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=2.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（1）開啟電壓UT

增強(qiáng)型MOS管在UDS為某一固定值時(shí)，為使管子由截止變?yōu)閷?dǎo)通，形成ID，柵源之間所需的最小的UGS。（4）跨導(dǎo)：UDS一定時(shí)，漏極電流ID與柵源電壓UGS的微變量之比定義為跨導(dǎo)，即gm是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)（相當(dāng)于半導(dǎo)體三極管的電流放大系數(shù)β），單位為（2）擊穿電壓U（BR）DS

漏極和源極間允許的最大電壓。（3）直流輸入電阻RGS

：柵源之間的電壓與柵極電流之比定義為直流輸入電阻RGS。MOS場(chǎng)效應(yīng)管的RGS可達(dá)2.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（1）開啟電壓UT增強(qiáng)型MOS1.4特種半導(dǎo)體器件簡(jiǎn)介1.4.1光敏電阻

光敏電阻有暗電阻、亮電阻和光電流等參數(shù)。（1）暗電阻光敏電阻在室溫下，全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過(guò)的電流，稱為暗電流。(2