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1、集成电子技术基础教程,第一篇 电子器件基础,1.2.4 双极型三极管 1.1.4 双极型三极管的伏安特性及其模型,一、双极型三极管的基本结构,简称：晶体管、三极管,内部参与导电有自由电子、空穴两种极性载流子： 双极型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）,分类：,材料：硅三极管、锗三极管,掺杂：NPN型、PNP型,频率：高、低,功率：大、中、小,基本结构：,NPN型三极管,发射区,集电区,基区,发射极（e）,集电极（c）,基极 （b）,发射结 （Je）,集电结 （Jc）,PNP型三极管,二、三极管放大电路的电流分配,| +,放大工作时 各电流的分配关系,四种工作
2、状态,三、三极管电路的基本组态,区分依据,共 基 极（CB），共基组态,共发射极（CE），共射组态,共集电极（CC），共集组态,一极连接输入端；,一极连接输出端；,第三极作为输入、输出的公共端；,三种基本组态,“公共的极”即为组态形式。,放大系统的组成,共基组态,共基直流电流放大倍数,E区自由电子到达C极形成的电流 与E极电流之比,一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。,共射组态,共射极直流电流放大倍数,到达集电极的电流 与基区复合电流的比值,一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。,共基共射电流放大倍数的关系,共集组态,一定条件下，输入/输出
3、电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。,四、三极管的伏安特性曲线,通过晶体管特性图示仪直接显示三极管的伏安特性曲线,VCE = 0V 时,VCE 增长时,共射极输入特性,VCE 1V 后,输出特性的三个区域,共射极输出特性,截止区,三极管处于截止状态的条件： 外加电压使发射结和集电结均处于反向偏置， 即：VBE0, VBC0, IB0, IC0； 三极管失去了放大能力。,三极管截止状态的判断依据,三极管截止状态的电路模型,饱和区,三极管处于饱和状态的条件： 发射结正偏，VBE = 0.70.8V； 集电结为正偏。,三极管 饱和状态时的特征,三极管的 饱和压降,三极管 临界饱和状态,三极管
4、深度饱和状态,三极管 深度饱和状态 时的电路模型,放大区（恒流区 ）,三极管处于放大状态的条件： 发射结正偏，集电结反偏。,三极管放大状态时的特征,三极管放大状态的电路模型,PNP型晶体管的伏安特性曲线,判断三极管工作状态的方法（NPN管为例）,判断是否为截止状态？ 依据为发射结是否非正偏，IB是否小于0等,按放大区模型计算后，若： VCE 0.7V，则为放大状态。 此时：,五、三极管的主要参数,电流放大系数（倍数）,极间反向电流,集电结反向饱和电流 ICBO,穿透电流 ICEO,取决于温度和少子浓度。 小功率硅管，ICBO小于0.1A；锗管ICBO在几A至十几A 。,发射极开路时，集电极与基
5、极间的反向饱和电流。,基极开路，集射间加上一定反向电压时， 从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。,ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，值愈小愈好。 小功率硅管在几微安以下，小功率锗管约在几十至几百微安。,极限参数,集电极最大允许电流 ICM,电流放大系数下降至正常值2/3时的IC值,集电极最大允许功率损耗 PCM,PCM = ICVCE PCM取决于管子所允许的温升。 硅管最高结温为150，锗管为75。 超过这个数值将导致管子性能迅速变坏，以至烧毁。 PCM与散热条件有关。,反向击穿电压,V(BR)EBO ：集电极开路，Je结的反向击穿电压，值几伏十几伏 。,V(BR)CBO
6、 ：发射极开路，Jc结的反向击穿电压，值通常为几十伏， 高反压管可高达上千伏 。,V(BR)CEO ：基极开路，JC-JE间的反向击穿电压，通常比V(BR)CBO小。,三极管的安全工作范围和温度稳定性,三极管的安全工作范围,三极管的下列三个极限参数： PCM、ICM和V(BR)CEO 在输出特性曲线上画出安全工作区,三极管的温度稳定性,输入特性与温度的关系,温度升高，发射结正向压降VBE减小， 温度系数约-2.5mV/,ICBO 、ICEO 、 均随温度升高迅速增大， 温度升高，整族输出特性曲线都上移，曲线间距拉大 。,输出特性与温度的关系,1.2.5 场效应管 1.1.5 场效应管的伏安特性
7、及其模型,一、场效应晶体管简介,简称：场效应管,利用极间电压产生的电场效应来控制电流。,输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、 体积小、功耗低、制造工艺简单、易于大规模集成。,分类：,工作电流主要由多数载流子的漂移运动形成。,二、N沟道增强型绝缘栅型场效应管,基本结构与电路符号,2个N+加衬底P，加SiO2，再加铝极。 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor),场效应管的栅极与其它电极绝缘。,源(Source)、漏(Drain)、栅(Gate)三极。,VGS = 0,工作原理,漏源间只是两个“背向”串联的PN结， 漏-源间为高阻。,VGS 0,VGS 将在栅极与衬底
8、之间产生一个垂直电场；,漏-源间的P型衬底表面感应出电子层（反型层） ；,两个N+区连通，形成N型导电沟道，漏-源间为低阻；,VGS越大，导电沟道越厚，等效电阻越小，导电能力增强；,开始形成导电沟道所需的最小栅-源电压VGS称为开启电压VGS(th) ， 习惯上常表示为VT。,产生漏-源电流 I D；,由于沟道电阻的存在， I D沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布；,VGS最大，VGD = VGSVDS最小，沟道呈楔形分布。,VGS VT 并保持恒定，同时加上VDS,预夹断,I D恒流,伏安特性与电流方程,可变电阻区 ： 导电沟道被预夹断之前,输出特性（漏极特性）,放大区（恒
9、流区、饱和区） ： 导电沟道被夹断后,截止区 ： 无导电沟道,转移特性,I DO 是VGS = 2VT 时的漏极电流,制造过程中人为地在SiO绝缘层中 掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子；,VGS = 0时，依靠正离子的作用，P型衬底表面感应出N型反型层， 将两个N+区连通，形成原始的N型导电沟道；,DS一定时，外加正栅压（GS 0）后，导电沟道变厚， 沟道等效电阻下降，导电能力增强；,减少GS 至负栅压（GS 0）时，沟道变薄，沟道电阻增大， 导电能力减弱；,GS负到某一定值V GS(off)（常以VP表示）时，导电沟道消失， 整个沟道被夹断，iD0，管子截止。,三、N沟道耗尽型绝缘
10、栅型场效应管,IDSS是VGS=0时的饱和漏极电流,伏安特性与电流方程,基本结构与符号,JFET在VGS = 0 时，存在原始的导电沟道，属于耗尽型；,JFET正常工作时，两个PN结必须反偏；,JFET通过VGS 改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）来控制iD， 所以称为体内场效应器件 。,四、N沟道结型场效应管（JFET）,工作原理,伏安特性与电流方程,IDSS是VGS=0时的饱和漏极电流,五、场效应管的主要参数,1.2.6 集成电路中的电子器件,结论：,两只或两只以上的半导体三极管（或场效应管）按一定方式 连接成达林顿管（Darlington ）。,常见达林顿管组合：,一、复合管,多集电
11、极管,集电极电流之比IC1/IC2 约等于集电区面积之比。,利用它的多个集电极可以构成 多个具有比较稳定电流关系的电流源。,二、多集电极管和多发射极管,多发射极三极管,多发射极三极管常作为门电路的输入级电路。,在数字集成电路中，影响门电路转换速度的主要因素是晶体管的开关时间， 多发射极管的引入可以加快后级晶体管存储电荷的消散，缩短开关时间， 从而提高门电路的转换速度。,肖特基三极管： 普通双极型三极管的集电结上，并接一个肖特基势垒二极管（SBD）。,SBD的开启电压约为0.3V，正向压降0.4V（比普通二极管低0.20.3V）， 本身又没有电荷存储效应，开关时间短； 利用肖特基三极管可以有效地限制三极管的饱和深度， 大大缩短电路的开关时间 。,三、肖特基三极管,
