三极管及MOS管的讲解.

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1、 双极性晶体三极管 场效应半导体三极管（场效应管FET） 第3章、三極管及MOS管的講解 3.1 双极性晶体三极管 3.3.1 晶体管的结构 晶体管的结构示意图如图02.01所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。 中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）；一侧称为发射区，相连 电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（ Collector）。E-B间的PN结称为发射结，C-B间的PN结称为集电结。 双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向 。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，实际上发射区的

2、掺杂浓度大，集电 区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米。 1、晶体管中载流子的移动 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的 直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正 向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极 管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关 系， 见图02.02。 图02.02 双极型三极管的电流传输关系 1）发射区向基区发射电子 发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散 ，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向 发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流 为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓 度。I

3、EIENIEPIEN。 （2）电子在基区的扩散和复合情况 进入基区的电子将向集电结方向扩散。在扩散过程中， 有部分电子与基区的多子空穴复合而消失，被复合的电 子形成的电流是IBN （3）集电极收集电子 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会 较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电 子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边 上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成 集电极电流ICN。 结论：IENICNIBN 且有IEN IBN ， ICNIBN 2、晶体管电路中的电流方式 (1) 三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，

4、这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图02.03。 共发射极接法，发射极作为公共电极； 共集电极接法，集电极作为公共电极； 共基极接法，基极作为公共电极。 1) 共射接法中的电流传输方程式 通过改变IB可控制IC的变化。 IC IE (ICIB) IC IB （1 ）IC IB IC IB IB 控制系数（传输系数） ICIB 称为直流共射集-基电流比或直流电流放大倍 数。 3.3.2 共射接法晶体管的特性曲线 共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图 02.04所示 。 图02.04 共发射极接法的电压-电流关系 1、输入特性曲线 输入特性曲线IBf（UBE） 简单地看，

5、输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论 IB和UBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个 单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除UCE的影响，在讨 论输入特性曲线时，应使UCE常数。 共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中UCE0V的那一 条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE 1V时，UCB= UCE UBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，使基区复合减 少，IC / IB增大， 特性曲线将向右稍微移动一些 。但UCE再增加时，曲线右移 很不明显。因为UCE1V时， 集电结已把绝大多数电子收集过去 ，收集电子数量的比例不再明显增大。 工程实践上， 就用UC

6、E1V的输入特性曲线代替UCE 1V以后的输入特性曲 线。 图02.05 共发射极接法输入特性曲线 2、输出特性曲线 输出特性曲线 ICf（UCE） 共发射极接法的输出特性曲线如图02.06所示， 它是以IB为参变量的一族特性曲线。输出特性曲 线可以分为三个区域。现以其中任何一条加以说 明，当UCE =0 V时，因集电极无收集作用， IC=0。当UCE微微增大时，发射结虽处于正向 电压之下，但集电结反偏电压（UCB =UCE UBE）很小，收集电子的能力很弱，IC主要由 UCE决定，此区域称为饱和区。当UCE增加到 使集电结反偏电压较大时，运动到集电结的电子 基本上都可以被集电区收集，此后UC

7、E再增加， 电流也没有明显的增加，特性曲线进入与UCE轴 基本平行的区域 (这与输入特性曲线随UCE增大 而右移的原因是一致的) ，此区域称为放大区。 图02.06 共发射极接法输出特性曲线 （1）截止区IC接近零的区域，相当IB=0的 曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。 （2）放大区IC平行于UCE轴的区域，曲线 基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏 。 实际上，大约在UCE1V和IB0的区域是输出特 性曲线族上的放大区。此区为放大电路中晶体管 应处的工作区域。 在放大区中，根据每条曲线对应的IB和IC值，就 可估算 ICIB；另外，根据两条曲线所对应 的变化值IB和IC，可以

8、估算出晶体管的另一 重要参数，即交流共射集-基电流比或交流电流 放大倍数，表示为 ICIB 当管子工作频率较低时，在数值上 ，如此例 ICIB20.0450 ICIB（4-2）（0.08-0.04）50 所以在工程实践中将两者混用。 （3）饱和区IC受UCE显著控制的区域，该区域内 UCE的数值较小，一般UCE0.7 V(硅管)。此时发射结 正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 在饱和区内，晶体管集电极和发射极之间的电压叫饱和 电压降，用UCES表示。其数值对小功率晶体管约为（ 0.20.3）V，而对大功率晶体管常可达1V以上。 放大区与饱和区的分界线集电结零偏（UCE =UBE）时 对应曲线。

9、3.3.5 晶体管的类型、型号及选用原则 1、类型与型号 国家标准对半导体器件型号的命名方法及符号规定见教材表1-1所示。 命名举例如下： 3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN 管 第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A 表示高频小功率管、K表示开关管。 2、选用原则 1）在同一型号的管子中，应选反向电流小的，这样的管子温度稳定性能较好 。 值不宜选得过高，否则管子性能不稳定。 2）若要求管子

10、的反向电流小，工作温度高，则应选硅管；而当要求导通电压 较低时，则应选锗管。 3）若要求工作频率高，必须选用高频管或超高频管；若用于开关电路，则应 选用开关管。 4）必须使管子工作在安全区：注意PCM、ICM、U(BR)CEO值 3.3.2 场效应半导体三极管（场效应FET ） 半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管 二是场效应半导体三极管 双极型半导体三极管是由两种载流子（故称双极性器件）参与 导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种CCCS 器件。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子（故又称单极性器件） 参与导电，是一种VCCS器件。 场效应管从参与导电的载流子来划分，它有

11、电子作为载流子的 N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应管的结 构来划分，它有结型场效应管JFET(Junction type Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物- 半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET ）。 场效应管的具体分类 ： 结型场效应管（JFET） 绝缘栅型场效应管（IGFET） 3.3.3 结型场效应管 1、结型场效应管的结构 N沟道结型场效应管的结构如图02.

12、19所示， 它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个P N结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的 结构。两个P区即为栅极G，N型硅的一端是 漏极D，另一端是源极S。图形符号中，箭头 方向是指PN结的正偏方向。 同理,可构成P沟道结型场效应管,如图02.20所示。图形 符号中，箭头方向是指PN结的正偏方向。 图02.19 N沟道结型场效应管的结构 图02.20 P沟道结型场效应管的结构 结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用 （2）漏源电压对沟道的控制作用 3.3.4 绝缘栅场效应管 结型场效应管的直流输入电阻（栅源间的电阻）是反偏PN 结的电阻，由于存在饱和反向电流，故输入电阻不可能

13、达到 很高，一般只能达到107以上。要求更高，则需采用绝缘 栅场效应管。 MOS管分耗尽型和增强型两大类，而每一类中又有N沟道和 P沟道之分。 耗尽型是指在UGS =0时，管内已建立沟道，加上漏源电压 UDS，便会产生漏极电流ID。以后，加上适当极性的UGS， ID逐渐减小（耗尽）。 增强型是指在UGS =0时，管内无沟道，加上漏源电压UDS ，不会产生漏极电流ID。只有当UGS具有一定极性且达到一 定数值之后，管子内才会产生导电沟道（增强）。 2、N沟道耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图02.17(a)所示， 它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子 。所

14、以当UGS =0时，这些正离子已经感应出反型层，形 成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。 当UGS0时，沟道变厚，使ID进一步增加。UGS0时， 随着UGS的减小，沟道变窄，漏极电流逐渐减小，直至ID =0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off) 表 示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图02.17(b) 所示。在耗尽型MOS管的图形符号中没有虚线，这表示在 没有加UGS时就已经有了导电沟道。 (a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图02.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线 、P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N

15、沟道MOSFET完 全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极 性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和 PNP型一样。 伏安特性曲线 场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电 沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转 移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向 也有所不同。有关曲线绘于图02.18之中。 耗尽型 结型 N型沟道 耗尽型 结型 P型沟道 增强型 绝缘栅 P型沟道 耗尽型 绝缘栅 P型沟道 增强型 绝缘栅 N型沟道 耗尽型 绝缘栅 N型沟道 输出特性转移特性符号工作方式结构种类 适宜大规模和超大规模集成不易大规模集成集成工艺 易受静电影响不受静电影响静电影响 较小，并有零温度系数点受温度影响较大温度特性 较小较大噪声 电压控制电流源VCCS（gm）电流控制电流源CCCS（）控制 几兆欧姆以上几十到几千欧姆输入电阻 电压输入电流输入输入量 多子漂移多子扩散、少子漂移载流子 D、S一般可倒置使用C、E一般不可倒置使用对称性 结型耗尽型 绝缘栅增强型 绝缘栅耗尽型 NPN型 PNP型 结构 场效应管双极性晶体管 3.4.4 场效应管和双极性晶体管的比较