《模擬電子技術(shù)》課件第2章

2.1晶體三極管

2.1.1晶體三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

晶體三極管又稱(chēng)雙極型半導(dǎo)體三極管（簡(jiǎn)稱(chēng)三極管或BJT）。它由兩個(gè)PN結(jié)組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為NPN型和PNP型兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)如圖2－1所示。圖2－1晶體三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

(a)NPN型；(b)PNP型;(c)NPN型三極管的電路符號(hào)；

(d)PNP型三極管的電路符號(hào)圖2－1(a)是NPN型晶體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖，NPN管有兩個(gè)N型區(qū)和一個(gè)P型區(qū)，其中一個(gè)N型區(qū)摻雜濃度高，稱(chēng)為發(fā)射區(qū)，另一個(gè)摻雜濃度低的N型區(qū)稱(chēng)為集電區(qū)，夾在它們中間的P型區(qū)稱(chēng)為基區(qū)，基區(qū)做得很薄(其厚度以微米計(jì))，而且摻雜濃度極低。由這三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng)為發(fā)射極Ｅ、集電極Ｃ和基極Ｂ。發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)。這種NPN型三極管的電路符號(hào)如圖2－1（c）所示，其發(fā)射極箭頭表示發(fā)射結(jié)加正向電壓（即正向偏置）時(shí)發(fā)射極電流的方向。與NPN三極管對(duì)應(yīng)的PNP三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)分別如圖2－1（b）、（d）所示。三極管種類(lèi)很多，按照構(gòu)成的半導(dǎo)體材料分為硅管、鍺管等；按照應(yīng)用的頻率分為高頻管、低頻管；按照功率分為大、中、小功率管等。

綜上所述，三極管結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于集電區(qū)，而基區(qū)做得很薄，集電區(qū)面積大。這些都使三極管具有電流放大作用的內(nèi)部條件。2.1.2晶體三極管的特性曲線

1.電流的分配關(guān)系

當(dāng)三極管處在發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置的狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)情況可用圖2－2來(lái)說(shuō)明，其載流子傳輸過(guò)程為發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子并在基區(qū)內(nèi)邊擴(kuò)散、邊復(fù)合，最后由集電區(qū)收集。由于載流子的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)電流，它們的關(guān)系如下：（2-1）（2－2）（2－3）（2－4）圖2－2三極管內(nèi)部載流子的輸運(yùn)過(guò)程其中，ICBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極與基極之間由少數(shù)載流子形成的反向飽和電流；ICEO是基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極之間的穿透電流；α為共基極電流的放大系數(shù)；β為共發(fā)射極電流的放大系數(shù)。α和β分別定義為（2－5）（2－6）三極管的各極電流之間有一定的規(guī)律。我們通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明，電路如圖2－3所示。我們看到，三極管的發(fā)射結(jié)加的是正向電壓，集電結(jié)加的是反向電壓，只有這樣才能保證三極管工作在放大狀態(tài)。改變可變電阻R，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2－1。圖2－3三極管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路通過(guò)觀察表中的數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)下面的規(guī)律：

（1）每一列的數(shù)據(jù)都滿(mǎn)足基爾霍夫電流定律，即基本上接近50。這個(gè)關(guān)系寫(xiě)成表達(dá)式就是（2－7）稱(chēng)做直流電流放大系數(shù)。（3）對(duì)兩列中的數(shù)據(jù)求得IC和IB的變化量，再加以比較。如選第3列和第4列中的數(shù)據(jù)，可得ΔIC/ΔIB=(1.990–0.980)/(0.040–0.020)=1.010/0.020=50.3再選第4列和第5列中的數(shù)據(jù)，可得ΔIC/ΔIB=(2.995–1.990)/(0.060–0.040)=1.005/0.020=50.25這說(shuō)明當(dāng)基極電流有一個(gè)小的變化（0.02mA）時(shí)，集電極電流相應(yīng)有一個(gè)大的變化（1.01mA），用下式表示β=ΔIC/ΔIB

（2－8）β稱(chēng)做交流電流放大系數(shù)。

2.三極管的伏安特性曲線

三極管的伏安特性曲線與其接法有關(guān)，在討論之前，我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下三極管的3種不同組態(tài)接法。

（1）共基極，如圖2－4（a）所示。

（2）共發(fā)射極,如圖2－4（b）所示。

（3）共集電極,如圖2－4（c）所示。圖2－4三極管放大電路的三種組態(tài)

(a)共基極電路；(b)共發(fā)射極電路；(c)共集電極電路

1)輸入特性

在圖2－3中，當(dāng)集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE保持不變，改變基極和發(fā)射極之間的電壓UBE時(shí)，基極中的電流IB就發(fā)生變化。這個(gè)關(guān)系用曲線表示出來(lái)，就叫做三極管的輸入伏安特性（共發(fā)射極接法），如圖2－5所示。（2－9）當(dāng)UCE=0時(shí)，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極短路，此時(shí)的三極管相當(dāng)于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個(gè)二極管正向并聯(lián)，IB和UBE的關(guān)系和二極管的伏安特性相似。圖2－5三極管輸入特性曲線當(dāng)UCE增大時(shí)，輸入特性曲線向右移動(dòng)，表現(xiàn)出UCE對(duì)輸入特性有影響，但是當(dāng)UCE大于一定值（一般當(dāng)UCE＞1V)后，曲線將趨于重合，所以用一條曲線表示。由圖可見(jiàn)，三極管的輸入伏安特性和二極管一樣也存在著死區(qū)電壓，其值與三極管的材料有關(guān)。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。三極管正常工作于放大區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)的電壓變化不大，硅管約為0.7V左右，鍺管約為0.3V左右。

2)輸出特性

在圖2－3中，當(dāng)基極電流IB保持不變，改變集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE，集電極電流IC將隨之變化，兩者之間的關(guān)系是一條曲線。當(dāng)基極電流IB取不同的值時(shí)，可以得到不同的曲線，所以三極管的輸出伏安特性是一族曲線，如圖2－6所示。（2－10）圖2－6三極管輸出特性曲線2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)

1.電流放大系數(shù)

電流放大系數(shù)主要表征管子的放大能力。它有共基極的放大系數(shù)α和共發(fā)射極的放大系數(shù)β，二者的關(guān)系是：或

2.極間的反向電流（它們是少數(shù)載流子形成的）

（1）ICBO：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極--基極

的反向飽和電流。

（2）ICEO：穿透電流，它與ICBO關(guān)系為：ICEO=（1+β）ICBO圖2－7三極管極限參數(shù)圖

2.2場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種較新型的半導(dǎo)體器件，其外形與雙極型三極管相似，但控制特性卻不同，它是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的，所以是電壓控制型器件，并以此命名。而且場(chǎng)效應(yīng)管中只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，故又稱(chēng)為單極型半導(dǎo)體三極管。場(chǎng)效應(yīng)管最突出的優(yōu)點(diǎn)是：輸入電阻非常高，一般可達(dá)107～1015Ω，因此輸入端基本上不取電流。此外它還具有噪聲低，受溫度、輻射影響小，制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于集成電路中。下面就來(lái)介紹一下各種場(chǎng)效應(yīng)管及其應(yīng)用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）兩種類(lèi)型，每類(lèi)又按導(dǎo)電溝道的不同，有N溝道和P溝道之分。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管又按其工作方式的不同，有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。下面就以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管為例，分別介紹一下它們的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及工作特性。2.2.1

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.結(jié)構(gòu)及符號(hào)

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖2－8（a）所示，在一塊N型半導(dǎo)體的兩側(cè)，各制成一個(gè)高摻雜濃度的P型區(qū)（用P+表示），在交界處形成兩個(gè)PN結(jié)，即耗盡層。將兩側(cè)的P+型區(qū)連在一起，引出一個(gè)電極稱(chēng)為柵極G，用來(lái)控制載流子流通的數(shù)量；在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一極，分別稱(chēng)為源極S和漏極D，源極是載流子的發(fā)源處，漏極是載流子的泄漏處。兩個(gè)PN結(jié)間的N區(qū)，是載流子流過(guò)源、漏兩極的通道，稱(chēng)為導(dǎo)電溝道，故此管稱(chēng)為N溝道管。其電路符號(hào)如圖2－8(b)所示，箭頭方向表示溝道的類(lèi)型，總是由P區(qū)指向N區(qū)，故N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)的箭頭向里。圖2－8

N溝道JEFT

(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號(hào)圖2－9當(dāng)UDS=0時(shí)UGS的控制作用

圖2－10當(dāng)UDS≠0時(shí)UGS的控制作用

3.特性曲線

場(chǎng)效應(yīng)管的工作特性常用圖2－11所示的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線來(lái)描述。圖2－11

N溝道JFET轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線

1）輸出特性曲線

輸出特性曲線是指UGS為定值時(shí)，ID與UDS的關(guān)系曲線，其函數(shù)表達(dá)式為（2－11）由上述分析可知，輸出特性曲線為UGS取不同值時(shí)的一組曲線族，如圖2－11右半部分所示。場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線與三極管的輸出特性曲線形狀相似，也是一組曲線，可分為4個(gè)區(qū)域，現(xiàn)分別討論如下：

(1)可變電阻區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)位于特性曲線的起始上升部分。在此區(qū)中場(chǎng)效應(yīng)管可看做是一個(gè)受UGS控制的可變電阻，故此得名。這個(gè)區(qū)的特點(diǎn)是：當(dāng)UDS較小時(shí)ID隨UDS的增大呈線性增大?？勺冸娮鑵^(qū)與三極管輸出特性的飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。

(2)恒流區(qū)（放大區(qū)或飽和區(qū)）。恒流區(qū)位于輸出特性曲線的近似水平部分。該區(qū)的特點(diǎn)是：第一，ID幾乎不隨UDS的變化而變化，表明具有恒流特性；第二，ID受UGS的控制，表明具有放大特性。該區(qū)與三極管輸出特性曲線的放大區(qū)相對(duì)應(yīng)。場(chǎng)效應(yīng)管作線性放大器件使用時(shí)應(yīng)工作在這個(gè)區(qū)域。

(3)夾斷區(qū)。當(dāng)│UGS│≥│UGS(off)│，管子于夾斷狀態(tài)，漏極電流ID近似為零。這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為夾斷區(qū)。

(4)擊穿區(qū)。在恒流區(qū)的右邊曲線將向上彎曲的部分是擊穿區(qū)。該區(qū)的特點(diǎn)是：當(dāng)UDS過(guò)大時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管被擊穿，ID急劇增大。場(chǎng)效應(yīng)管被擊穿后，就再不能正常工作了，所以場(chǎng)效應(yīng)管不允許工作在這個(gè)區(qū)域。

2）轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線是指UDS為固定值，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線。其函數(shù)表達(dá)式為（2－12）（2－13）2.2.2

N溝通增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管有多種類(lèi)型，應(yīng)用最廣泛的是以二氧化硅（SiO2）作為柵極與半導(dǎo)體材料之間的絕緣層的FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET（MetalOxideSemiconductor），或MOS管。

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管有N溝道型和P溝道型兩種形式，無(wú)論是哪種溝道，它們又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖2－12和圖2－13所示。圖2－12增強(qiáng)型NMOS管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)圖2－13增強(qiáng)型PMOS管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)

(a)結(jié)構(gòu)；(b)電路符號(hào)圖2－12(a)是增強(qiáng)型NMOS管的結(jié)構(gòu)圖，它以一塊摻雜濃度較低的P型硅作襯底，采用擴(kuò)散工藝在上面形成兩個(gè)高濃度的N+區(qū)，然后在上面覆蓋一層很薄的二氧化硅保護(hù)層。再?gòu)膬蓚€(gè)N+區(qū)引出兩個(gè)電極——源極S和漏極D。最后在二氧化硅的表面制作柵極G。圖2－12（b）是增強(qiáng)型NMOS管的電路符號(hào)，襯底箭頭的方向表示由襯底的P區(qū)指向溝道N區(qū)。

1.增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理如圖2－14所示，當(dāng)NMOS管的柵極和源極短接時(shí)，柵源電壓UGS=0，這時(shí)，源極與襯底以及漏極與襯底之間形成了兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。不管在漏極、源極之間所加的電壓極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反向截止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)出現(xiàn)漏極電流ID。因此，管子是不導(dǎo)通的。圖2－14增強(qiáng)型NMOS管工作原理示意圖在MOS管工作時(shí)，源極和襯底通常是連接在一起的。如果這時(shí)使漏極和源極之間的電壓UDS=0,并在柵極和源極之間加上一個(gè)正電壓UGS，這樣將在二氧化硅保護(hù)層中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面，由柵極指向P型襯底的電場(chǎng)，由于絕緣層很薄，即使電壓只有幾伏，仍可使柵源電壓UGS產(chǎn)生的電場(chǎng)達(dá)到105～106V／cm。當(dāng)UGS增加至一定值時(shí)，可將P型襯底中的少數(shù)載流子(電子)吸引上來(lái)，在P型襯底的表面形成一個(gè)N型的薄層，稱(chēng)為反型層。反型層溝通了漏源兩個(gè)N+區(qū)域，成為這兩個(gè)區(qū)域之間的導(dǎo)電溝道。通常，我們將導(dǎo)電溝道開(kāi)始形成時(shí)的電壓UGS稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UT。顯然，柵源電壓UGS的值越大，吸引的電子越多，

形成的導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。這種在UGS=UT以后才能形成N型導(dǎo)電溝道的MOS管，稱(chēng)為增強(qiáng)型NMOS管。

當(dāng)UGS＞UT時(shí)，如果在漏源之間加上一個(gè)電壓UDS，將形成漏極電流ID。電壓UDS較小時(shí)，電壓UDS稍有上升，漏極電流ID就會(huì)迅速增大。漏極電流ID流過(guò)導(dǎo)電溝道時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生壓降，使柵極與溝道中各點(diǎn)的壓降不再相等，形成一個(gè)電位梯度。柵源之間的壓降最大，就是UGS，此處導(dǎo)電溝道最厚。柵漏之間的壓降最小，UGD=UGS-UDS，導(dǎo)電溝道最薄。整個(gè)導(dǎo)電溝道中的電子呈楔形分布。如果UDS增大到UGD=UGS-UDS=UT時(shí)，靠近漏端的溝道開(kāi)始消失，這種情況稱(chēng)為預(yù)夾斷。如果UDS在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大，將使UGD=UGS-UDS＜UT，則夾斷點(diǎn)就會(huì)從漏極向源極方向延伸，在漏區(qū)附近出現(xiàn)夾斷區(qū)。這時(shí)，UDS增大的部分全部落到了夾斷區(qū)上，形成較強(qiáng)的電場(chǎng)，使電子仍能經(jīng)過(guò)夾斷區(qū)漂移到漏極，使得漏極電流ID保持連續(xù)。由于漏極ID的大小主要由溝道上的壓降決定，而溝道上的壓降并不隨UDS的增大而增大。因此，出現(xiàn)預(yù)夾斷后，漏極電流ID基本上保持一個(gè)恒定值，或略有增加。通過(guò)上述分析，可以看出，NMOS管是利用UGS來(lái)控制導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。

2.增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

（1）輸出特性曲線。N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線如圖2－15（a）所示，其形狀與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線相似，也可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(飽和區(qū))、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)4部分。（2）轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2－15（b）所示。曲線與橫軸交點(diǎn)的電壓值UT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓。

當(dāng)UGS＜UT時(shí)，ID=0，場(chǎng)效應(yīng)管截止；當(dāng)UGS＞UT時(shí)，ID＞0，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，ID隨UGS的增加而增加。

圖2－15增強(qiáng)型NMOS管的特性曲線2.2.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)基本相同，但要注意兩點(diǎn)：第一，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管用夾斷電壓(UGS(off))來(lái)表述，而增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管用開(kāi)啟電壓UT來(lái)表述；第二，耗盡型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管可以在正柵壓下工作，而結(jié)型管（N溝道）只能在UGS＜0的區(qū)域工作。其主要參數(shù)如下。

1.開(kāi)啟電壓UT

對(duì)于增強(qiáng)型MOS管來(lái)說(shuō)，在漏源電壓UDS為某一固定值時(shí)，能夠使漏極電流ID