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1、半导体三极管,第 2 章,2.1双极型半导体三极管,2.2单极型半导体三极管,2.3半导体三极管电路的基本分析方法,2.4半导体三极管的测试与应用,半导体三极管,第 2 章,2.1双极型半导体三极管,2.1.1 晶体三极管,2.1.2 晶体三极管的特性曲线,2.1.3 晶体三极管的主要参数,(Semiconductor Transistor),第 2 章半导体三极管,2.1.1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 基区, 发射区, 集电区,emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分类： 按材料分： 硅管、锗管 按结
2、构分： NPN、 PNP 按使用频率分： 低频管、高频管 按功率分： 小功率管 1 W,二、电流放大原理,1. 三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,实现电路,第 2 章半导体三极管,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN 。,I BN,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,I
3、BN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO,3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),三极管内载流子运动,第 2 章半导体三极管,4. 三极管的电流分配关系,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,IE = IC + IB,穿透电流,第 2 章半导体三极管,2.1.2 晶体三极管的特性曲线,一、输入特性,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,特性基本重合(电流分配
4、关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,第 2 章半导体三极管,二、输出特性,截止区： IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个结反偏,2. 放大区：,3. 饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,条件：发射结正偏 集电结反偏 特点：水平、等间隔,ICEO,输 出 特
5、性,第 2 章半导体三极管,三、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,T1,T2 ,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,第 2 章半导体三极管,2.1.3 晶体三极管的主要参数,一、电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,2. 共基极电流放大系数, 1 一般在 0.98 以上。,Q,二、极间反向饱和电流,CB 极间反向饱和电流 ICBO，,CE 极
6、间反向饱和电流 ICEO。,第 2 章半导体三极管,三、极限参数,1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,2. PCM 集电极最大允许功率损耗,PC = iC uCE。,3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,(P34 2.1.7)已知: ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V， 当 UCE = 10 V 时，IC mA 当 UCE
7、= 1 V，则 IC mA 当 IC = 2 mA，则 UCE V,10,20,20,第 2 章半导体三极管,2.2单极型半导体 三极管,引言,2.2.2 结型场效应管,2.2.3 场效应管的主要参数,2.2.1 MOS 场效应管,第 2 章半导体三极管,引 言,场效应管 FET (Field Effect Transistor),类型：,结型 JFET (Junction Field Effect Transistor),绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET),特点：,1. 单极性器件(一种载流子导电),3. 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低,2. 输入电阻高(
8、107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ),第 2 章半导体三极管,一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),2.2.1 MOS 场效应管,1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,MOSFET结构,第 2 章半导体三极管,2. 工作原理,1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的
9、 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂直电 场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形 成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,反型层 (沟道),第 2 章半导体三极管,2) uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th),DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前： uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,MOS工作原理,第 2 章半导体三极管,3. 转移特性曲线,UDS = 10
10、 V,UGS (th),当 uGS UGS(th) 时：,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,4. 输出特性曲线,可变电阻区,uDS uGS UGS(th),uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,开启电压,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,O,第 2 章半导体三极管,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,Sio2 绝缘层中掺入正离子 在 uGS = 0 时已形成沟道； 在 DS 间加正电压时形成 iD，,uGS UGS(off) 时，全夹断。,输出特
11、性,转移特性,IDSS,UGS(off),夹断 电压,饱和漏 极电流,当 uGS UGS(off) 时，,O,第 2 章半导体三极管,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,第 2 章半导体三极管,2.2.2 结型场效应管,1. 结构与符号,JFET结构,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,第 2 章半导体三极管,2. 工作原理,uGS 0，uDS 0,此时 uGD = UGS(off)；,沟道楔型,耗尽层刚相碰时称预夹断。,预夹断,当 uDS ，预夹断点下移。,3. 转移特性和输出特性,UGS(off),当 UGS(off) uGS 0 时,JFET工作原理,O,O,第 2 章半导体
12、三极管,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,N 沟道结型,P 沟道结型,FET 符号、特性的比较,第 2 章半导体三极管,2.2.3 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。,UGS(th),2. 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,3. 直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,第 2
13、 章半导体三极管,4. 低频跨导 gm,反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS),PDM = uDS iD，受温度限制。,5. 漏源动态电阻 rds,6. 最大漏极功耗 PDM,O,第 2 章半导体三极管,2.3半导体三极管的 基本分析方法,引 言,2.3.2 交流分析,2.3.1 直流分析,第 2 章半导体三极管,引言,基本思想,非线性电路经适当近似后可按线性电路对待， 利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。,一、分析三极管电路的基本思想和方法,直流通路(ui = 0)分析静态。,交流通路(ui 0)分析动态，只考虑变化的电压和电流。,画交流通路
14、原则：,1. 固定不变的电压源都视为短路；,2. 固定不变的电流源都视为开路；,3. 视电容对交流信号短路,第 2 章半导体三极管,基本方法,图解法：,在输入、输出特性图上画交、直流负载线，求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。,解析法：,根据发射结导通压降估算“Q”。,用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。,第 2 章半导体三极管,二、电量的符号表示规则,A A,A,大写表示电量与时间无关(直流、平均值、有效值)；,A,小写表示电量随时间变化(瞬时值)。,大写表示直流量或总电量(总最大值，总瞬时值)；,小写表示交流分量。,总瞬时值,直流量,交流瞬时值,交流有效值,直流量往往在下标中加注
15、 Q,A 主要符号； A 下标符号。,uBE = UBE + ube,第 2 章半导体三极管,2.3.1 直流分析,一、图解分析法,输入直流负载线方程：,uCE = VCC iC RC,uBE = VBB iBRB,输出直流负载线方程：,输入回路图解,Q,静态工作点,VBB,VBB/RB,115 k,UBEQ,IBQ,0.7,20,输出回路图解,VCC,VCC/RC,O,1 k,2,3,UCEQ,ICQ,O,iB = 20 A,第 2 章半导体三极管,二、工程近似分析法, = 100,第 2 章半导体三极管,三、电路参数对静态工作点的影响,1. 改变 RB，其他参数不变,R B iB ,Q 趋
16、近截止区；,R B iB ,Q 趋近饱和区。,2. 改变 RC ，其他参数不变,RC Q 趋近饱和区。,第 2 章半导体三极管,iC 0,iC = VCC /RC,例 2.3.1 设 RB = 38 k，求 VBB = 0 V、3 V 时的 iC、uCE。,解,当VBB= 0 V：,iB 0，,iC 0，,5 V,uCE 5 V,当VBB = 3 V：,0.3,uCE 0.3 V 0，,iC 5 mA,三极管的开关等效电路,截止 状态,iB 0,uCE 5V,iB,饱和 状态,uCE 0,判断是否饱和 临界饱和电流 ICS和IBS ：,iB IBS，则三极管饱和。,第 2 章半导体三极管,例 2.3.2 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 M，RS = 2
