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1、第 2 章晶体三极管和场效晶体管,本章学习目标,2.1晶体三极管,2.2场效晶体管,本章小结,本章学习目标,理解晶体管的结构和分类，熟悉其外形、图形符号。掌握三极管电流分配关系。,掌握三极管的输入特性、输出特性及三种工作状态，了解其主要参数。,掌握用万用表对三极管进行测试的方法。,了解场效晶体管的类型及工作原理，熟悉其图形符号，理解其转移特性和输出特性，了解其使用的注意事项。,2.1晶体三极管,2.1.1三极管的结构、分类和符号,2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式,2.1.3三极管内电流的分配和放大作用,2.1.4三极管的输入和输出特性,2.1.5三极管主要参数,2.1.6三极管的简单测
2、试,2.1晶体三极管,晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。,特点：管内有两种载流子参与导电。,2.1.1三极管的结构、分类和符号,一、晶体三极管的基本结构,1三极管的外形,特点：有三个电极，故称三极管。,2三极管的结构,三极管的结构图,特点：,有三个区 发射区、基区、集电区；,两个 PN 结 发射结(BE 结)、集电结(BC 结)；,三个电极 发射极 e(E) 、基极 b(B) 和集电极 c(C)；,两种类型 PNP 型管和 NPN 型管。,工艺要求：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。,二、晶体三极管的符号,三极管符号,箭头：表示发射
3、结加正向电压时的电流方向。 文字符号：V,三、晶体三极管的分类,1三极管有多种分类方法。,按内部结构分：有 NPN 型和 PNP 型管； 按工作频率分：有低频和高频管； 按功率分：有小功率和大功率管； 按用途分：有普通管和开关管； 按半导体材料分：有锗管和硅管等等。,2国产三极管命名法：见电子线路（陈其纯主编）P261 附录。,例如：3DG 表示高频小功率 NPN 型硅三极管； 3CG 表示高频小功率 PNP 型硅三极管； 3AK 表示 PNP 型开关锗三极管等。,2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式,一、晶体三极管的工作电压,三极管的基本作用是放大电信号。,三极管工作在放大状态的外部条件
4、是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,三极管电源的接法,三极管电源的接法,二、晶体三极管在电路中的基本连接方式,有三种基本连接方式：共发射极、共基极和共集电极接法。最常用的是共发射极接法。,三极管在电路中的三种基本连接方式,2.1.3三极管内电流的分配和放大作用,一、电流分配关系,测量电路如图,调节电位器，测得发射极电流、基极电流和集电极电流的对应数据如表所示。,因 IB 很小，则IC IE,IE = IC + IB,由表可见，三极管中电流分配关系如下：,说明：,1IE = 0 时，IC = -IB = ICBO 。,ICBO 称为集电极基极反向饱和电流，见图 2.1.7(a) 。一般 I
5、CBO 很小，与温度有关。,2 IB = 0 时，IC = IE = ICEO 。,ICEO 称为集电极发射极反向电流，又叫 穿透电流，见图 (b)。,ICEO 越小，三极管温度稳定性越好。硅管的温度稳定性比锗管好。,ICBO 与 ICEO示意图,二、晶体三极管的电流放大作用,当基极电流 IB 由 0.01 mA 变到 0.02 mA 时，集电极电流 IC 由 0.56 mA 变到 1.14 mA 。上面两个变化量之比为,这说明，当 IB 有一微小变化时，就能引起 IC 较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。比值用符号 来表示，称为共发射极交流电流放大系数，简称“交流 ” ，即,结论：
6、,1三极管的电流放大作用基极电流 IB 微小的变化，引起集电极电流 IC 较大变化。,2交流电流放大系数 表示三极管放大交流电流的能力,4通常 ， ，所以可表示为,考虑 ICEO ，则,3直流电流放大系数 表示三极管放大直流电流的能力,2.1.4三极管的输入和输出特性,一、共发射极输入特性曲线,集射极之间的电压 VCE 一定时，发射结电压 VBE 与基极电流 IB 之间的关系曲线。,共发射极输入特性曲线,由图可见：,1当V CE 2 V 时，特性曲线基本重合。,2当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。,共发射极输入特性曲线,4三极管导通后，VBE 基本不变。硅管约为 0.7 V
7、 ，锗管 约为 0.3 V ，称为三极管的导通电压。,5VBE 与 IB 成非线性关系。,3当 VBE 大于门槛电压(硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V)时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。,二、晶体三极管的输出特性曲线,基极电流一定时，集、射极之间的电压与集电极电流的关系曲线。,动画 晶体三极管的输出特性曲线,输出特性曲线可分为三个工作区:,1截止区,条件：发射结反偏或两端电压为零。 特点： IB = 0，IC = ICEO 。,2饱和区,条件：发射结和集电结均为正偏。 特点：VCE = VCES。,VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V。,3放大区,条
8、件：发射结正偏，集电结反偏。 特点： IC 受 IB 控制 ，即 IC = IB 。,在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态的三极管具有恒流特性。,2.1.5三极管主要参数,三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。,一、共发射极电流放大系数,1直流放大系数,2交流放大系数 ,电流放大系数一般在 10 100 之间。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般取 30 80 为宜。,二、极间反向饱和电流,1集电极 基极反向饱和电流 ICBO。,2集电极 发射极反向饱和电流 ICEO。,ICEO = ( 1 + ) ICBO,反向饱和电流随温度增加而增加，是
9、管子工作状态不稳定的主要因素。因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。,三、极限参数,1集电极最大允许电流 ICM,三极管工作时，当集电极电流超过 ICM 时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。,2集电极最大允许耗散功率 PCM,当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。,3集电极 发射极间反向击穿电压 V(BR)CEO,管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。当电压越过此值时，管子将发生电击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。,2.1.6三极管的简单测试,判别硅管和锗管的测试电路,一、硅管
10、或锗管的判别,二、估计比较 的大小,NPN 管估测电路如图所示。,估测 的电路,万用表设置在 R 1 k 挡，测量并比较开关 S 断开和接通时的电阻值。前后两个读数相差越大，说明管子的 越高，即电流放大能力越大。,估测 PNP 管时，将万用表两只表笔对换位置。,三、估测 ICEO,NPN 管估测电路如图所示。所测阻值越大，说明管子的 ICEO 越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为零，三极管短路。,测 PNP 型管时，红、黑表笔对调，方法同前。,I CEO 的估测,四、NPN 管型和 PNP 管型的判断,基极 b 的判断,将万用表设置在 R 1 k 或 R 100 k 挡，用黑表笔和任一管脚
11、相接(假设它是基极 b)，红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是 NPN 型的管子。如图(a)所示。如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是 PNP 管的基极。如图 (b)所示。,五、e、b、c 三个管脚的判断,估测 的电路,如图所示，首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测 值的方法判断 c 、e 极。,方法是先假定一个待定电极为集电极(另一个假定为发射极)接入电路，记下电阻表的摆动幅度，然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。,摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极 c，红表笔所连接的管脚为发射极 e
12、。,测 PNP 管时，只要把图 示电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。,2.2场效晶体管,2.2.1结型场效晶体管,2.2.2绝缘栅场效晶体管,2.2.3场效晶体管的主要参数和特点,工程应用,2.2场效晶体管,场效晶体管：是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。,特点：管子内部只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。,2.2.1结型场效晶体管,N 沟道结型场效晶体管,P 沟道结型场效晶体管,一、结构和符号,N 沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；P 沟道结型场效晶体管如图所示。,特点：由两个 PN 结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极 S、漏极 D 和
13、栅极 G。漏极和源极具有互换性。,工作条件：两个 PN 结加反向电压。,二、工作原理,以 N 沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。,动画结型场效晶体管结构,工作原理如下：,VDS 0； VGS 0 。在漏源电压 VDS 不变条件下，改变栅源电压 VGS ，通过 PN 结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从而控制漏极电流 ID。,结论：,1结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。,2所以输入电阻很大。一般可达 107 108 。,三、结型场效晶体管的特性曲线和跨导,1转移特性曲线,结型场效晶体管的转移特性曲线,反映栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制作用。如图所示，若
14、漏源电压一定：,当栅源电压 VGS = 0 时，漏极电流 ID = IDSS ，IDSS 称为饱和漏极电流；,当栅源电压 VGS 向负值方向变化时，漏极电流 ID 逐渐减小；,当栅源电压 VGS = VP 时，漏极电流 ID = 0，VP 称为夹断电压。,2输出特性曲线,结型场效晶体管的输出特性曲线,表示在栅源电压一定条件下，漏极电流与漏源电压之间的关系。如图所示。,(1)可调电阻区(图中区),VGS 不变时，ID 随 VDS 作线性变化，漏源间呈现电阻性。,栅源电压 VGS 越负，输出特性越陡，漏源间的电阻越大。,结论：在区中，场效晶体管可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。,(2)饱和区(图
15、中区),结型场效晶体管的输出特性曲线,VDS 一定时，VGS 的少量变化引起 ID 较大变化，即 ID 受 VGS 控制。,当 VGS 不变时，ID 不随 VDS 变化，基本上维持恒定，即 ID 对 VDS 呈饱和状态。,结论：在区中，场效晶体管具有线性放大作用。,(3)击穿区(图中 区),当 VDS 增至一定数值后，ID 剧增，出现电击穿。如果对此不加限制，将损坏管子。因此，管子不允许工作在这个区域。,3跨导(gm),反映在线性放大区 VGS 对 ID 的控制能力。单位为 A/V。,2.2.2绝缘栅场效晶体管,绝缘栅场效晶体管是一种栅极与源极、漏极之间有绝缘层的场效晶体管，简称 MOS 管。
16、,特点：输入电阻高，噪声小。,分类：有 P 沟道和 N 沟道两种类型；每种类型又分为增强型和耗尽型两种。,一、结构和工作原理,N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管,1.N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管,工作原理如图所示：,(1)当 VGS = 0 ，在漏、源极间加一正向电压 VDS 时，漏源极之间的电流 ID = 0 。,(2)当 VGS 0 ，在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层，使漏极和源极之间产生导电沟道。在漏、源极间加一正向电压 VDS 时，将产生电流 ID 。,开启电压 VT ：增强型 MOS 管开始形成反型层的栅源电压。,N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理,N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理,(3)在 VDS 0 时：,若 VGS VT ，反型层消失，无导电沟道，ID = 0 ；,若 VGS VT ，出现反型层(即导电沟道) ，D、S 之间有电流 ID 流过；,若 VGS 逐渐增大，导电沟道变宽，ID 也随之逐渐增大，即 VGS 控制 ID 的变化。,2N 沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管,夹断电压：使 ID = 0 时的栅源电压。,
