第2章 半导体三极管讲义

《第2章 半导体三极管讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 半导体三极管讲义（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Ch 2 半导体三极管,2.1 晶体管(双极型三极管） 有NPN和PNP两种结构类型。核心部分都是两个PN结。,1 晶体管的结构和类型,N,N+,P,c,b,e,SiO2绝缘层,(b) NPN硅管结构图,1. 晶体管的结构和类型,PNP型,1. 晶体管的结构和类型,NPN型,1. 晶体管的结构和类型,三极管在结构上的两个特点： (1)掺杂浓度：发射区集电区基区； (2)基区必须很薄。,2. 晶体管的电流分配关系和放大作用,内部条件 外部条件 发射结正偏，集电结反偏(放大）。 电路接法：共基接法。,共射接法。,2. 晶体管的电流分配关系和放大作用, 晶体管内部载流子的运动,发射区向基区注入电子的

2、过程 电子在基区中的扩散过程 电子被集电极收集的过程,iB,iC,iE,VCC,VB,Rb,N,P,N,(a) 载流子运动情况, 晶体管的电流分配关系, 晶体管的电流分配关系,令：,系数 代表iB对iC的控制作用的大小， 越大，控制作用越强。, 晶体管的电流分配关系,电流iC由两部分组成： 一部分是ICEO，它是iB=0时流经集电极与发射极的电流，称为穿透电流。,另一部分是 ，它表示iC中受基极电流iB控制的部分。, 晶体管的放大作用,晶体管放大作用的本质： iB对iC或iE对iC的控制作用。,为什么能实现放大呢？, 关于PNP型晶体管,PNP管与NPN管之间的差别： (1)电压极性不同。 (

3、2)电流方向不同。,3. 晶体管的特性曲线,晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压和电流之间的关系曲线。,iC+iB=iE uCE =uBEuBC,通常是以发射极为公共端，画出iC、iB，uCE和uBE四个量的关系曲线，称为共射极特性曲线。, 共射输入特性,uCE为一固定值时，iB和uBE之间的关系曲线称为共射输入特性，即,输入特性有以下几个特点：,当uCE=0时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线形状类似。,uCE增加，特性曲线右移。 uCE的大小影响基区内集电结边界电子的分布。 uCE1V以后，特性曲线几乎重合。 uCE1V以后，基区中集电结边界处的电子浓度很低。 与二极管的伏安特性相似

4、 uBEUr 时，iB =0； Ur =0.5V (Si) Ur =0.1V (Ge) 正常工作时 uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge), 共射输入特性,电压极性、电流方向与NPN型管不同。PNP管的参考方向, 共射输入特性, 共射输出特性,iB为固定值时，iC和uCE之间的关系曲线称为共射输出特性，即, 共射输出特性,截止区: 指iB0，iCICEO的工作区域。在这个区域中，电流iC很小，基本不导通，故称为截止区。工作在截止区时，晶体管基本失去放大作用。, 共射输出特性,实际上，三极管在iB=0时并没有完全截止。为使三极管真正截止，必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向基

5、区注入载流子。, 共射输出特性,饱和区: 指输出特性中iC上升部分与纵轴之间的区域。饱和区特性曲线的特点是固定iB不变时，iC随uCE的增加而迅速增大。, 共射输出特性,饱和区是对应于uCE较小（uCEUr，uBC0)。,饱和时的 值称为饱和压降,当 时 （ ），称为临界饱和。, 共射输出特性,放大区: 输出特性上在饱和区和截止区之间的区域为放大区。在这个区域里，iB0，uCEuBE，即发射结是正向偏置，集电结是反向偏置。, 共射输出特性,放大区的特点：iB固定，uCE增加iC略有增加。 uCE固定，iB变化iC变化很大，iB对iC的强烈控制作用。,4. 晶体管的主要参数,晶体管的参数是用来表

6、示晶体管的各种性能指标。 电流放大系数,共射直流电流放大系数,它表示集电极电压uCE一定时，集电极电流和基极电流之间的关系,如果iCICEO则, 电流放大系数,A点对应的iC=6mA，iB=40A, 电流放大系数,晶体管3AX3有较大的穿透电流ICEO,0.8,2,3,4,6,8,表示集电极负载短路（即uCE保持不变）的条件下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即, 共射交流电流放大系数,大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。,值的求法：,在A点附近找两个uCE相同的点C和D,所以,对应于C点，iC=8.8mA，B=60A；,对应于D点，

7、iC=3.3mA，iB=20A，,iC =8.8-3.3=5.5mA，,iB=60-20=40A，, 共射交流短路电流放大系数,用同样办法可以求出3AX3工作在B点的 值。,找出F点和G点， 对应于F点，iC=3.9mA，iB=0.06mA； 对应于G点，iC=1.8mA，iB=0.02mA； 于是iC=3.9-1.8=2.lmA， iB=0.06-0.02=0.04mA，,所以 =2.1/0.04=52.5, 共射交流短路电流放大系数,定义,根据晶体管的电流分配关系，可以得到下列换算关系,共基直流电流放大系数 和共基 交流电流放大系数, 极间反向电流, 集电极-基极反向饱和电流ICBO IC

8、BO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流。可用下图电路测出。, 集电极-基极反向饱和电流ICBO,反向电压大小改变时，ICBO的数值可能稍有改变。 ICBO是少数载流子电流，受温度影响很大，ICBO越小越好。 硅管的ICBO比锗管的小得多，要求在温度变化范围宽的环境下工作时，应选用硅管；大功率管的ICBO值较大，使用时应予以注意。, 穿透电流ICEO,ICEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。测量ICEO的电路如图所示。, 穿透电流ICEO,由图可见，ICEO不单纯是一个P

9、N结的反向电流,所以， 大的三极管的温度稳定性较差, 极限参数, 集电极最大允许耗散功率PCM,晶体管电流iC与电压uCE的乘积称为集电极耗散功率PC =iCuCE，这个功率将导致集电结发热，温度升高。 因此，定出了集电极最大允许耗散功率PCM，工作时管子消耗的平均功率PC必须小于PCM。, 集电极最大允许耗散功率PCM,可以在输出特性的坐标上画出PCM=iCuCE的曲线称为集电极最大功率损耗线。 例如，3DG4的PCM=300mW， 根据iCuCE=300mW，可以计算出功率损耗线上的点：uCE=5V时iC=60mA； uCE=l0V时iC=30mA；uCE=l5V时，iC=20mA；uCE

10、=20V时，iC=l5mA；uCE=30V时，iC=l0mA；uCE=40V时，iCE=7.5mA等等。 在输出特性坐标上找出这些点，并将它们连成一条曲线即为最大功率损耗线，如图所示。, 集电极最大允许耗散功率PCM,曲线的左下方均满足此之此PCPCM条件。, 反向击穿电压,反向击穿电压是指各电极间允许加的最高反向电压。 U(BR)CBO是发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。 U(BR)CEO是基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。 U(BR)EBO是集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压。,U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO。, 集电极最大允许电流ICM,集电

11、极电流如果超过ICM，晶体管的放大性能就要下降甚至可能损坏。 PCM、U(BR)CEO和ICM三个极限参数，决定了晶体管的安全工作区。 频率参数 用来评价晶体管高频放大性能的参数。, 共发射极截止频率,晶体管共射短路电流放大系数 随信号频率升高而下降，如图所示。, 特征频率fT,下降到等于1时的频率称为特征频率fT。,通常高频晶体管都用fT来表征它的高频放大特性。,当频率 后，有以下近似关系：,5.温度对晶体管参数的影响,主要考虑温度对下述三个参数的影响： 共射短路电流放大系数 基射极间正向电压uBE 集电结反向饱和电流ICBO。, 温度对ICBO的影响,ICBO是少数载流子形成的电流 温度每

12、升高10，ICBO增加约一倍。公式为：,通常手册上给出的ICBO是温度为25时的值，如果实际工作温度高于25，则应用上式算出实际值。, 温度对 的影响,温度升高时 随之增大。一般的，温度每升高1， 增加约(0.51)%，即,称为 的温度系数。,晶体管的曲线随温度升高间距增大。, 温度对 的影响,温度对基-射电压uBE的影响,温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的基-射电压uBE减小。 图中给出低频小功率锗管在iE为恒定值时，uBE与温度的关系曲线。 温度每升高l，|uBE|大约减小2mV。 无论硅管或锗管，uBE受温度的影响基本相同,温度对基-射电压uBE的影响,2.2 场效应管,场效

13、应管是由一种载流子参与导电的半导体器件 是用输入电压控制输出电流的的半导体器件。 按结构来划分，它有两大类。 结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister) 绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）,1. 绝缘栅场效应管,绝缘栅型场效应管MOSFET分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道, N沟道增强型MOSFET 结构和工作原理 结构

14、N沟道增强型MOSFET结构示意图和符号图,d(Drain)为漏极，相当c g(Gate)为栅极，相当b s(Source)为源极，相当e,动画,绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流的大小,感生沟道的形成, 工作原理,绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流的大小 栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用,当uGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管， uDS任意iD=0 当uGS0时，形成空间电荷区。当uGSUT，形成导电沟道。 UT开启电压。 uGS越大，则导电沟道越宽，沟道电阻越小， iD越大 。, 工作原理,当u

15、GSUT 时，uDS0 iD有电流。 当uDS较小时， uGD= uGS - uDS UT，沟道各处宽度基本不变电阻不变 iD与uDS线性关系。,当uGS0 iD=0,漏源电压uDS对漏极电流iD的影响, 工作原理,uDS uGD d处变窄，s处不变电阻 iD与uDS非线性关系。 当uGD =UT时d处沟道消失 预夹断。 uDS uGDUT 夹断区向s方向处扩展 uDS几乎全部降到夹断区 iD基本不变。, 工作原理, N沟道增强型MOS管的特性曲线,iD=f(uDS)uGS=常数, 输出特性,截止区：,1.输出特性,可变电阻区：,特点：若uGS不变，iDuDS 线性关系（电阻值不变）； 若uGS不同，斜率也不同（电阻不同）。 所以，可变电阻区是受uGS控制的压控电阻。, 输出特性,放大区（或恒流区）：,特点：出现了夹断。 uGS不变，若uDS 增加， iD几乎不变（恒流）； uDS 不变，若uGS变化， iD也变化（ uGS控制iD ）。 定义一参数跨导gm,uGS对漏极电流iD的控制关系可用 iD=f(uGS)uDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线。 工程上有公式： iD=K(uGS-UT)2 K为参数，由管子的结构决定。, 转移特性, 直流参数 开启电压UT 物理意