《晶体管和场效应管工作原理详解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶体管和场效应管工作原理详解（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.3 双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管是由三层杂质半导体构成双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管体管BJT (Bipolar Junction Transistor) 。BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极B基极基极发射极发射极BCEPNP型型1.3.1 晶体管的结构和类型晶体管的结构和类型BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管BECNNP基极基极发射极发射极
2、集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结Je集电结集电结JcBECNNPVBBRBVCC1.3.2 晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用电流放大条件：电流放大条件：内部条件内部条件：发射区掺杂浓度高；基区薄；集电区面积大：发射区掺杂浓度高；基区薄；集电区面积大 。外部条件外部条件：发射结正偏；集电结反偏。：发射结正偏；集电结反偏。NPN: VCVBVEPNP: VCVBVEBECNNPVBBRBVCCIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩
3、散可忽略忽略IEP 。IBE发射结正偏，发射结正偏，发射区电子不发射区电子不断向基区扩散，断向基区扩散，形成发射极电形成发射极电流流IEN。一、晶体管内部载流子的运动一、晶体管内部载流子的运动进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBN ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。BECNNPVBBRBVCCIE集电结反偏，有少集电结反偏，有少子形成的反向电流子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE从基区扩散从基区扩散来的电子作来的电子作为集电结的为集电结的少子，漂移少子，漂移进入集电结进入集电结而被收集，而被
4、收集，形成形成ICN。IB=IBN+IEP-ICBO IBNIBBECNNPVBBRBVCCIEICBOICNIC=ICN+ICBO ICNIBN图图 晶体管内部载流子运动与外部电流晶体管内部载流子运动与外部电流二、晶体管的电流分配关系二、晶体管的电流分配关系外部电流关系：外部电流关系： IE= IC +IB内部：内部：在在e结正偏、结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决例关系。这一比例关
5、系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。定量分析晶体管电路提供方便。 为为了了反反映映扩扩散散到到集集电电区区的的电电流流ICN与与基基区区复复合合电电流流IBN之之间间的的比比例例关关系系，定定义义共共发发射射极极直流电流放大系数为直流电流放大系数为 其其含含义义是是：基基区区每每复复合合一一个个电电子子，则则有有 电电子子扩扩散散到到集集电电区区去去。 值值一一般
6、般在在20200之间。之间。 确定了确定了 值之后，可得值之后，可得 式中：式中： 称为穿透电流。因称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有很小，在忽略其影响时，则有为为了了反反映映扩扩散散到到集集电电区区的的电电流流ICN与与射射极极注注入入电电流流IEN的的比比例关系，定义共基极直流电流放大系数例关系，定义共基极直流电流放大系数 为为显然，显然， IC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。 2饱和区饱和区 e结结和和c结结均均处处于于正正偏偏的的区区域域为为饱饱和和区区。通通常常把把uCE=uBE(即即c结结零零偏偏)的的情情况况称称为为临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。临
7、界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB
8、=0 ， IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V时：时：USB =5V时时:例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICUCEIBUSCR
9、BUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流交流电流放大倍数放大倍数为：为：1. 电流放大倍数电
10、流放大倍数 和和 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数例：例：UCE=6V时时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： =共共基基极极直直流流电电流流放放大大系系数数 和和交交流流电电流流放放大大系系数数 由由于于ICBO、ICEO都都很很小小，在在数数值值上上 , 。所所以以在以后的计算中，不再加以区分。在以后的计算中，不再加以区分。 值与测量条件有关。一般来说，在值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很很大或很小时，小时，值较小。只有在值较小。只有在iC不大、不小的
11、中间值范不大、不小的中间值范围内，围内，值才比较大，且基本不随值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，而变化。因此，在查手册时应注意在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。管更应强调这一点。2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，区，形成形成IBE。根据放大关系，由于根据放大关系，由于IBE的存在，必有电的存在，必有
12、电流流 IBE。集电结反集电结反偏有偏有ICBO3. 集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很受温度影响很大，当温度上升大，当温度上升时，时，ICEO增加很快增加很快，所以，所以IC也相应也相应增加。增加。三极管的三极管的温度特性较差温度特性较差。4.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为流即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CBO指发射极开路时，集电极指发射极开路时，集电极基
13、极间的反向击穿电压。基极间的反向击穿电压。 U(BR)CEO指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBO。手册上给出的数值是。手册上给出的数值是25 C、基极开基极开路时的击穿电压路时的击穿电压U(BR)CEO。 U(BR)EBO指指集集电电极极开开路路时时，发发射射极极基基极极间间的的反反向向击击穿穿电电压压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。 6. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管， 所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为
14、：PC =ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管的参数都有影响。其中，温度对晶体管的参数都有影响。其中， uBE 、 ICBO随温度变化的规律与随温度变化的规律与PN结相同，即温度每结相同，即温度每升高升高1， uBE减小减小22.5mV；温度每升高；温度每升高10， ICBO增大一倍。温度对增大一倍。温度对的影响表现为，的影响表现为，随温度的随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高升高而增
15、大，变化规律是：温度每升高1，值增大值增大0.5%1%(即即/T(0.51)%/)。图图 温度对晶体管输入特性的影响温度对晶体管输入特性的影响图图 温度对晶体管输出特性的影响温度对晶体管输出特性的影响例例1.3.1 1.3.2 P371.3.6 光电三极管光电三极管图图1.3.10 光电三极管的等效电路、符号和外形光电三极管的等效电路、符号和外形1.3.6 光电三极管光电三极管图图 光电三极管的输出特性曲线光电三极管的输出特性曲线 1.4 场效应管场效应管场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1. 晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。
16、2. 晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子， 因此称其为单极型器件。因此称其为单极型器件。3. 晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104 ； 场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应场效应管分类管分类结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSN沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型1 1、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构
17、P+P+NGSD导电沟道导电沟道 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号1.4.1 结型场效应管结型场效应管 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时时PN结反偏结反偏 当沟道夹断时当沟道夹断时,ID减小至减小至0，此时对应的栅源电压，此时对应的栅源电压VGS称为称为夹断电压夹断电压VP ( 或或VGS(off) )。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄沟道变窄 VGS继续减小继续减小，沟道继续，沟道继续变窄
18、，变窄， ID继续变小。继续变小。DP+P+NGSVDSIDVGS 当当VGS=0时，时，沟道最宽沟道最宽，沟道电阻最小，沟道电阻最小，在在VDS的作用下的作用下N沟道内的电子定向运动形沟道内的电子定向运动形成漏极电流成漏极电流ID,此时最大。此时最大。沟道电阻变大沟道电阻变大 ID变小变小 根据其结构，它只能工作在根据其结构，它只能工作在反偏反偏条件下，条件下，N沟道管加沟道管加负栅负栅源电压源电压， P沟道管加沟道管加正栅源电压正栅源电压，否则将会出现栅流。，否则将会出现栅流。2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)的工作原理的工作原理当当V VGSGS=0=0时时，VDS ID G
19、G、D D间间PNPN结的反向电压增加，结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。道变窄，从上至下呈楔形分布。 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变DP+P+NGSVDSIDVGS V VDSDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VP VGSVT时时, 沟道加厚，沟道沟道加厚，沟道电阻减少，电阻减少，在相同在相同VDS的作用下，的作用下，iD将进一步增加。将进一步增加。开始时无导电沟道，当在开始时无导
20、电沟道，当在VGS VT时才形成沟时才形成沟道道, ,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOSMOS管管 MOSFET MOSFET是利用栅源电压是利用栅源电压的大小，来改变半导体表的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。二、二、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用 当当V VGSGSV VT T，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压V VDSDS的的不同变化对导电沟道和
21、漏极电流不同变化对导电沟道和漏极电流I ID D的影响。的影响。VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当当V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时，相当相当 V VGDGDV VT T , ,此时此时V VDSDS 基本均匀降基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分落在沟道中，沟道呈斜线分布。在布。在V VDSDS作用下形成作用下形成I ID D当当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，时，当当VDS增加到增加到VGD VT时，时， 这相当于这相当于V VDSDS增加使漏极处沟道缩减增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此。此时的时的漏
22、极电流漏极电流I ID D 基本饱和。基本饱和。 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S S极。极。 V VDSDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上， I ID D基本趋于不变。基本趋于不变。i iD D= =f f( (v vGSGS) ) v vDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲线i iD D= =f f( (v vDSDS) ) v vGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当当v vGSGS变化时，变化时，R RONON将将随之变化，因此称随之变化，因此称之为可变电阻区之为可变电阻区恒流区
23、恒流区( (饱和区饱和区) )：v vGSGS一定时，一定时，i iD D基本不基本不随随v vDSDS变化而变化。变化而变化。vGS/V三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线一、一、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道耗尽型MOS场效应管 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，产加正向电压，产生漏极电流生漏极电流iD,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示。表示。 当当VGS0时时,将使将使iD进一步增
24、加。进一步增加。 当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小漏的减小漏极电流逐渐极电流逐渐减小减小，直至，直至iD=0，对应，对应iD=0的的VGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号VP表示。表示。VGS(V)iD(mA)VPN N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在V VGSGS 0 0或或V VGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在V VGSGS00二、二、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理输出特性曲线输出特性曲线VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线转移特性曲线三、三、N N沟道沟道耗尽型耗
25、尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型2. 夹断电压夹断电压VP：是耗尽型：是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VP 时时,漏极电流漏极电流为零。为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1. 开启电压开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启增强型管的参数，栅源电压
26、小于开启电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅与流过栅极电流极电流IGS之比。结型之比。结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压V(BR)DS: 使使ID开始剧增时的开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压V(BR) GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数7. 低频跨导低频跨导gm ：反映了栅源
27、压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。8. 输出电阻输出电阻rds9. 极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)图 各种场效应管的符号对比图 各种场效应管的符号对比图 各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；(b)输出特性图 各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；(b)输出特性图图 场场效效应应管管的的符符号号及及特特性性P441.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 场效应管场效应管 三极管三极管单极性：多子单极性：多子 双极型：多子和少子双极型：多子和少子压控型压控型 流控型流控型Ri很大很大 Ri较小较小跨导较小跨导较小 大大JFET的的d,s可互换可互换 c,e互换互换很小很小温度稳定性好温度稳定性好 温度稳定性差温度稳定性差可作压控电阻可作压控电阻
