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1、双极性晶体三极管双极性晶体三极管 场效应半导体三极管（场效应管场效应半导体三极管（场效应管FET） 第第3章、三極管及章、三極管及MOS管的講解管的講解3.1 双极性晶体三极管双极性晶体三极管3.3.1 晶体管的结构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
2、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、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：直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正发射结加正向电压，集电结加反向电压向电压，集电结加反向电压。现以。现以 NPN型三极型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，系， 见图见图02.02。图02.02 双极型三极管的电
3、流传输关系1）发射区向基区发射电子）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。IEIENIEPIEN。（2）电子在基区的扩散和复合情况）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）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
4、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 ， ICNIBN2、晶体管电路中的电流方式、晶体管电路中的电流方式(1) 三种组态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，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
5、（1 ）IC IBIC 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、输入特性曲线输入特性曲线IBf（UBE）简单地看，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
6、相当于发射结的正向特性曲线。当UCE 1V时，UCB= UCEUBE0，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UCE1V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，
7、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 =UCEUBE）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UCE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
8、，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 ICIB20.0450ICIB（4-2）（）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
9、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。3.3.5 晶体管的类型、型号及选用原则晶体管的类型、型号及选用原则1、类型与型号、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。所示。命名举例如下：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数字表示同种器件型
10、号的序号 用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类 用字母表示材料用字母表示材料 三极管三极管第二位：第二位：A表示锗表示锗PNP管、管、B表示锗表示锗NPN管、管、C表示硅表示硅PNP管、管、D表示硅表示硅NPN管管第三位：第三位：X表示低频小功率管、表示低频小功率管、D表示低频大功率管、表示低频大功率管、G表示高频小功率管、表示高频小功率管、A表示高频小功率管、表示高频小功率管、K表示开关管。表示开关管。2、选用原则、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。）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
11、能不稳定。值不宜选得过高，否则管子性能不稳定。2）若要求管子的反向电流小，工作温度高，则应选硅管；而当要求导通电压）若要求管子的反向电流小，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。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）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。选用开关管。4）必须使管子工作在安全区：注意）必须使管子工作在安全区：注意PCM、ICM、U(BR)CEO值值 场效应半导体三极管（场效应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
12、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MOSFE
13、T （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 结型场效应管结型场效应管1、结型场效应管的结构、结型场效应管的结构N沟道结型场效应管的结构如图02.19所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN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
14、结型场效应管的结构结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用）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）漏源电压对沟道的控制作用3.3.4 绝缘栅场效应管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U
15、GS =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沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管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MOS
16、FET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沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N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。
17、耗尽型耗尽型结型结型N型沟道型沟道耗尽型耗尽型结型结型P型沟道型沟道增强型增强型绝缘栅绝缘栅P型沟道型沟道耗尽型耗尽型绝缘栅绝缘栅P型沟道型沟道增强型增强型绝缘栅绝缘栅N型沟道型沟道耗尽型耗尽型绝缘栅绝缘栅N型沟道型沟道输出特性输出特性转移特性转移特性符号符号工作方式工作方式结构种类结构种类适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成不易大规模集成不易大规模集成集成工艺集成工艺易受静电影响易受静电影响不受静电影响不受静电影响静电影响静电影响较小，并有零温度系数点较小，并有零温度系数点受温度影响较大受温度影响较大温度特性温度特性较小较小较大较大噪声噪声电压控制电流源电压控制电流源VCCS（gm）电流控制电流源电流控制电流源CCCS（）控制控制几兆欧姆以上几兆欧姆以上几十到几千欧姆几十到几千欧姆输入电阻输入电阻电压输入电压输入电流输入电流输入输入量输入量多子漂移多子漂移多子扩散、少子漂移多子扩散、少子漂移载流子载流子D、S一般可倒置使用一般可倒置使用C、E一般不可倒置使用一般不可倒置使用对称性对称性结型耗尽型结型耗尽型绝缘栅增强型绝缘栅增强型绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型NPN型型PNP型型结构结构场效应管场效应管双极性晶体管双极性晶体管3.4.4 场效应管和双极性晶体管的比较场效应管和双极性晶体管的比较
