1、三極管及基本放大電路半導(dǎo)體三極管是一種最重要的半導(dǎo)體器件。 它的放大作用和開關(guān)作用促使電子技術(shù)飛躍發(fā)展。 場(chǎng)效應(yīng)管是一種較新型的半導(dǎo)體器件， 現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于放大電路和數(shù)字電路中。 本章介紹半導(dǎo)體三極管、 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管以及由它們組成的基本放大電路。5.1半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管簡(jiǎn)稱為晶體管。它由兩個(gè)PN 結(jié)組成。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使三極管表現(xiàn)出電流放大作用和開關(guān)作用，這就促使電子技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。本節(jié)圍繞三極管的電流放大作用這個(gè)核心問(wèn)題來(lái)討論它的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)。三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型三極管的種類很多，按功率大小可分為大功率管和小功率管；按電路中的工作頻率可分為高

2、頻管和低頻管；按半導(dǎo)體材料不同可分為硅管和鍺管；按結(jié)構(gòu)不同可分為 NPN 管和 PNP 管。無(wú)論是 NPN 型還是 PNP 型都分為三個(gè)區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，由三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)電極，分別稱為發(fā)射極（ E）、基極（ B）和集電極（ C），發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的 PN 結(jié)稱為發(fā)射結(jié)， 集電區(qū)和基區(qū)之間的 PN 結(jié)稱為集電結(jié)。 其結(jié)構(gòu)和符號(hào)見圖5-1，其中發(fā)射極箭頭所示方向表示發(fā)射極電流的流向。在電路中，晶體管用字符 T 表示。具有電流放大作用的三極管，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上具有其特殊性，這就是：其一是發(fā)射區(qū)摻雜濃度大于集電區(qū)摻雜濃度，集電區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)集電極 C集電極 CNPCC集電區(qū)集電區(qū)PNTT基

3、極 BB基極 B基區(qū)B基區(qū)ENEP發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極 E發(fā)射極 E大于基區(qū)摻雜濃度；其二是基區(qū)很薄，一般只有幾微米。這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是三極管具有電流放大作用的內(nèi)在依據(jù)。（a）(b)圖 5-1兩類三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)三極管的電流分配關(guān)系和放大作用現(xiàn)以 NPN 管為例來(lái)說(shuō)明晶體管各極間電流分配關(guān)系及其電流放大作用，上面介紹了三極管具有電流放大用的內(nèi)部條件。為實(shí)現(xiàn)晶體三極管的電流放大作用還必須具有一定的外部條件，這就是要給三極管的發(fā)射結(jié)加上正向電壓，集電結(jié)加上反向電壓。如圖5-2， VBB 為基極電源，與基極電阻 RB 及三極管的基極B、發(fā)射極 E 組成基極發(fā)射極回路（稱作輸入回路）,VBB 使

4、發(fā)射結(jié)正偏， VCC 為集電極電源，與集電極電阻RC 及三極管的集電極 C、發(fā)射極 E 組成集電極發(fā)射極回路（稱作輸出回路），VCC 使集電結(jié)反偏。圖中，發(fā)射極E 是輸入輸mAIBTRCARBIEVCCmAVBB圖 5-2 共發(fā)射極放大實(shí)驗(yàn)電路出回路的公共端，因此稱這種接法為共發(fā)射極放大電路，改變可變電阻RB, 測(cè)基極電流 IB ，集電極電流 IC 和發(fā)射結(jié)電流 IE,，結(jié)果如表 5-1。表 5-1三極管電流測(cè)試數(shù)據(jù)IB ( 020406080100A)IC (mA)0.0050.992.083.174.265.40IE (mA)0.00510.012.123.234.345.50從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可

5、得如下結(jié)論：（ 1） I E = I B + I C 。此關(guān)系就是三極管的電流分配關(guān)系，它符合基爾霍夫電流定律。（ 2） I E 和 IC 幾乎相等，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流I B.，從第三列和第四列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知 I C 與 IB 的比值分別為：I C2.0852I C3.1752.8I B0.04，0.06I BIB 的微小變化會(huì)引起IC 較大的變化，計(jì)算可得：I CII BIC 4I C33.172.081.0954.5I B30.060.040.02B 4計(jì)算結(jié)果表明，微小的基極電流變化，可以控制比之大數(shù)十倍至數(shù)百5-2倍的集電極電流的變化，這就是三極管的電流放大作用。、 稱為電流放大系數(shù)。

6、通過(guò)了解三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以解釋晶體管的電流放大原理。本書從略。三極管的特性曲線三極管的特性曲線是用來(lái)表示各個(gè)電極間電壓和電流之間的相互關(guān)系的，它反映出三極管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。特性曲線可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可在晶體管圖示儀上直觀地顯示出來(lái)。1輸入特性曲線晶體管的輸入特性曲線表示了VCE 為參考變量時(shí)， I B 和 VBE 的關(guān)系。I Bf (VBE ) VCE常數(shù)（5-1）IB (A)80圖 5-3 是三極管的輸入特性曲線，由圖可見，輸入特VCE1V60性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 輸入特性也有一個(gè)“死區(qū)” 。在“死區(qū)”內(nèi)， VBE雖已大于零，但 I B 幾乎仍為零。當(dāng) VB

7、E 大于某一值后， I B 才隨 VBE 增加而明顯增大。和二極管一樣，硅晶體管的死區(qū)電壓 VT（或稱為門檻電壓）約為 0.5V ，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓 VBE =（ 0.60.7）V ；鍺晶體管的死區(qū)電壓 VT 約為 0.2V ，導(dǎo)通電壓約（ 0.20.3） V 。若為 PNP 型晶體管，則發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓別為 (-0.6 -0.7)V 和(-0.2 -0.3)V 。402000.2 0.4 0.6 0.8VBE(V)圖 5-3 三極管的輸入特性曲線VBE 分（ 2）一般情況下，當(dāng) VCE >1V 以后，輸入特性幾乎與 VCE =1V 時(shí)的特性重合，因?yàn)?VCE >1V 后， IB 無(wú)明

8、顯改變了。晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，VCE 總是大于 1V 的（集電結(jié)反偏） ，因此常用 VCE1V 的一條曲線來(lái)代表所有輸入特性曲線。2. 輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線表示以I B 為參考變量時(shí)， IC 和 VCE 的關(guān)系，即 :I C f (V CE ) I B 常數(shù)（5-2）IC (mA)100A圖 5-4 是三極管的輸出特性曲線，當(dāng)IB 改變時(shí)，飽和區(qū)580A可得一組曲線族， 由圖可見，輸出特性曲線可分放大、4放60A截止和飽和三個(gè)區(qū)域。3大40A（ 1） 截止區(qū) ：IB = 0 的特性曲線以下區(qū)域稱為2區(qū)20A截止區(qū)。 在這個(gè)區(qū)域中， 集電結(jié)處于反偏， V BE0 發(fā)1截止區(qū)IB=

9、0射結(jié)反偏或零偏，即VC>VE VB。電流 IC 很小，（等036912VCE(V)于反向穿透電流 ICEO）工作在截止區(qū)時(shí)，晶體管在電圖 5-4三極管的輸出特性曲線路中猶如一個(gè)斷開的開關(guān)。（ 2） 飽和區(qū) ：特性曲線靠近縱軸的區(qū)域是飽和區(qū)。當(dāng)VCE<VBE時(shí)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均處于正偏，即VB>VC>VE。在飽和區(qū)IB 增大， IC幾乎不再增大，三極管失去放大作用。規(guī)定VCE=VBE 時(shí)的狀態(tài)稱為臨界飽和狀態(tài)，用 VCES 表示，此時(shí)集電極臨界飽和電流：ICSVCC VCESVCCRCRC（5-3）基極臨界飽和電流：I CSI BS（5-4）當(dāng)集電極電流 IC>I

10、 CS 時(shí)，認(rèn)為管子已處于飽和狀態(tài)。IC<ICS 時(shí) ,管子處于放大狀態(tài)。管子深度飽和時(shí)，硅管的VCE 約為 0.3V，鍺管約為0.1V, 由于深度飽和時(shí) VCE 約等于 0，晶體管在電路中猶如一個(gè)閉合的開關(guān)。（ 3）放大區(qū) ：特性曲線近似水平直線的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在這個(gè)區(qū)域里發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)反偏， 即 VC>VB>VE。 其特點(diǎn)是 I C 的大小受 IB 的控制， IC= I B，晶體管具有電流放大作用。在放大區(qū) 約等于常數(shù)， I C 幾乎按一定比例等距離平行變化。 由于 IC 只受 I B 的控制， 幾乎與 VCE 的大小無(wú)關(guān)。特性曲線反映出恒流源的特點(diǎn)，即三極管可看作

11、受基極電流控制的受控恒流源。例 5-1 用直流電壓表測(cè)得放大電路中晶體管 T 1 各電極的對(duì)地電位分別為 Vx = +10V ， Vy = 0V ， Vz = +0.7V ，如圖 5-5（ a）所示 , T 2 管各電極電位Vx = +0V ，Vy = -0.3V ，Vz = -5V ，如圖 5-5（ b）所示，試判斷T1和 T2各是何類型、何材料的管子， x、 y、 z 各是何電極？yyT1T2xxzz(a)(b)圖 5-5例 5-1解： 工作在放大區(qū)的 NPN 型晶體管應(yīng)滿足VC>VB> VE ，PNP 型晶體管應(yīng)滿足 VC<VB< VE，因此分析時(shí) ,先找出三電極

12、的最高或最低電位，確定為集電極 ,而電位差為導(dǎo)通電壓的就是發(fā)射極和基極。根據(jù)發(fā)射極和5-4基極的電位差值判斷管子的材質(zhì)。（1） 在圖（ a）中，z 與 y 的電壓為 0.7V，可確定為硅管， 因?yàn)?Vx>Vz> Vy,，所以 x 為集電極， y 為發(fā)射極， z 為基極，滿足 VC>VB> VE,的關(guān)系，管子為 NPN 型。（ 2）在圖（ b）中，x 與 y 的電壓為 0.3V，可確定為鍺管， 又因 Vz<Vy< Vx,，所以 z 為集電極， x 為發(fā)射極， y 為基極，滿足 VC<VB< VE 的關(guān)系，管子為 PNP 型。例 5-2 圖 5-6

13、所示的電路中，晶體管均為硅管,=30，試分析各晶體管的工作狀態(tài)。+10V+10V+10V1K1K1KICI CIC+6V 5K IB-2V5K IB+2V 5KIB(a)(b)(c)圖 5-6 例 5-2解: （1）因?yàn)榛鶚O偏置電源 +6V 大于管子的導(dǎo)通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏，管子導(dǎo)通 ,基極電流：60.75.31.06mAI B55ICIB301.0631.8mA臨界飽和電流： I CS10 VCES 10 0.7 9.3mA1因?yàn)?IC>ICS，所以管子工作在飽和區(qū)。（ 2）因?yàn)榛鶚O偏置電源 -2V 小于管子的導(dǎo)通電壓，管子的發(fā)射結(jié)反偏，管子截止，所以管子工作在截止區(qū)。（ 3）因

14、為基極偏置電源 +2V 大于管子的導(dǎo)通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏 ,管子導(dǎo)通基極電流 :：I B20.70.30.26mA55ICIB300.267.8mA臨界飽和電流： I CS10 VCES10 0.7 9.3mA1因?yàn)?IC<I CS，所以管子工作在放大區(qū)。晶體管的主要參數(shù)晶體管的參數(shù)是用來(lái)表示晶體管的各種性能的指標(biāo),是評(píng)價(jià)晶體管的優(yōu)劣和選用晶體管的依據(jù),也是計(jì)算和調(diào)整晶體管電路時(shí)必不可少的根據(jù)。主要參數(shù)有以下幾個(gè)。1電流放大系數(shù)(1) 共射直流電流放大系數(shù)。它表示集電極電壓一定時(shí)，集電極電流和基極電流之間的關(guān)系。即：IC ICEOI CI BI B(5 -5)(2) 共射交流電流放

15、大系數(shù) 。它表示在 VCE 保持不變的條件下，集電極電流的變化量與相應(yīng)的基極電流變化量之比，即:I CVCE 常數(shù)I B(5-6)上述兩個(gè)電流放大系數(shù) 和 的含義雖不同， 但工作于輸出特性曲線的放大區(qū)域的平坦部分時(shí)，兩著差異極小， 故在今后估算時(shí)常認(rèn)為。由于制造工藝上的分散性，同一類型晶體管的值差異很大。常用的小功率晶體管， 值一般為 20200。 過(guò)小，管子電流放大作用小， 過(guò)大，工作穩(wěn)定性差。一般選用在 40100 的管子較為合適。2極間電流I CBOICBOICEOICEO AAAA(a)NPN 管(b)PNP 管(c)NPN 管(d)PNP 管圖 5-7ICBO 的測(cè)量圖 5-8 IC

16、EO 的測(cè)量(1) 集電極反向飽和電流 ICBO 。ICBO 是指發(fā)射極開路， 集電極與基極之間加反向電壓時(shí)產(chǎn)生的電流，也是集電結(jié)的反向飽和電流。可以用圖5-7的電路測(cè)出。手冊(cè)上給出的ICBO 都是在規(guī)定的反向電壓之下測(cè)出的。反向電壓大小改變時(shí)， ICBO 的數(shù)值可能稍有改變。 另外 ICBO 是少數(shù)載流子電流，隨溫度升高而指數(shù)上升，影響晶體管工作的穩(wěn)定性。作為晶體管的性能指標(biāo)，I CBO 越小越好， 硅管的 I CBO 比鍺管的小得多， 大功率管的 I CBO 值較大，使用時(shí)應(yīng)予以注意。5-6(2) 穿透電流 ICEO。 I CEO 是基極開路， 集電極與發(fā)射極間加電壓時(shí)的集電極電流， 由于

17、這個(gè)電流由集電極穿過(guò)基區(qū)流到發(fā)射極，故稱為穿透電流。測(cè)量ICEO 的電路如圖5-8 所示。根據(jù)晶體管的電流分配關(guān)系可知：ICEO=（ 1+） ICBO 。故 ICEO 也要受溫度影響而改變，且大的晶體管的溫度穩(wěn)定性較差。3極限參數(shù)晶體管的極限參數(shù)規(guī)定了使用時(shí)不許超過(guò)的限度。主要極限參數(shù)如下：(1) 集電極最大允許耗散功率 PCM晶體管電流 I C 與電壓 VCE 的乘積稱為集電極耗散功率，這個(gè)功率導(dǎo)致集電結(jié)發(fā)熱，溫度升高。而晶體管的結(jié)溫是有一定限度的，一般硅管的最高結(jié)溫為 1001500C，鍺管的最高結(jié)溫為 701000C，超過(guò)這個(gè)限度，管子的性能就要變壞，甚至燒毀。因此，根據(jù)管子的允許結(jié)溫定

18、出了集電極最大允許耗散功率 PCM ，工作時(shí)管子消耗功率必須小于 PCM ?？梢栽谳敵鎏匦缘淖鴺?biāo)系上畫出 PCM = I CVCE 的曲線，稱為集電極最大功率損耗線。如圖5-9 所示。曲線的左下方均滿足 PC<PCM 的條件為安全區(qū)，右上方為過(guò)損耗區(qū)。(2) 反向擊穿電壓 V(BR)CEO反向擊穿電壓V(BR)CEO 是指基極開路時(shí)， 加于集電極 發(fā)射極之間的最大允許電壓。使用時(shí)如果超出這個(gè)電壓將導(dǎo)致集電極電流IC 急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿。從而造成管子永久性損壞。一般取電源VCC<V(BR)CEO。(3) 集電極最大允許電流 ICM 。由于結(jié)面積和引出線的關(guān)系， 還要限制晶體管

19、的集電極最大電流，如果超過(guò)這個(gè)電流使用，晶體管的 就要顯著下降，甚至可能損壞。 ICM 表示 值下降到正常值 2/3 時(shí)的集電極電流。 通常 IC 不應(yīng)超過(guò) ICM。PCM ，V(BR)CEO 和 I CM 這三個(gè)極限參數(shù)決定了晶體管的安全工作區(qū)。圖5-9 根據(jù) 3DG4 管的三個(gè)極限參數(shù)： PCM =300mW ，ICM =30mA ，V(BR)CEO =30V ，I C(mA)3000.707 0最大功率損耗線201001010fT0102030VCE(V)104105fB 106107108f(Hz)畫出了它的安全工作區(qū)。圖 5-93DG4 的安全工作區(qū)圖 5-10的頻率特性頻率參數(shù)由于

20、發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電容效應(yīng)，晶體管在高頻工作時(shí)放大性能下降。頻率參數(shù)是用來(lái)評(píng)價(jià)晶體管高頻放大性能的參數(shù)。(1) 共射截止頻率 ? 。晶體管的 隨信號(hào)頻率升高而下降的特性曲線如圖 5-10 所示。頻率較低時(shí) , 基本保持常數(shù) , 用 0 表示低頻時(shí)的 值 . 當(dāng)頻率升到較高值時(shí)， 開始下降，下降到 0 的 0.707 倍時(shí)的頻率稱為共射極截止頻率，也叫做 的截止頻率。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，對(duì)于頻率為 ? 或高于 ? 的信號(hào)，晶體管仍然有放大作用。(2) 特征頻率。 下降到等于1 時(shí)的頻率稱為特征頻率?T 。頻率大于?T 之后， 與 ? 近似滿足： ?T = ?因此，知道了 ?T 就可以近似確定一個(gè) ? ( ?

21、 > ? ) 時(shí)的 值。通常高頻晶體管都用 fT 表征它的高頻放大特性。5溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響幾乎所有晶體管參數(shù)都與溫度有關(guān)，因此不容忽視。溫度對(duì)下列三個(gè)參數(shù)的影響最大。(1) 溫度對(duì) ICBO 的影響： I CBO 是少數(shù)載流子形成，與 PN 結(jié)的反向飽和電流一樣， 受溫度影很大。 無(wú)論硅管或鍺管， 作為工程上的估算， 一般都按溫度每升高 10C， ICBO 增大一倍來(lái)考慮。(2) 溫度對(duì) 的影響：溫度升高時(shí) 隨之增大。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于不同類型的管子 隨溫度增長(zhǎng)的情況是不同的， 一般認(rèn)為：以 250C 時(shí)測(cè)得的 值為基數(shù)，溫度每升高 10C，增加約（ 0.51） %。(3) 溫度對(duì)發(fā)射

22、結(jié)電壓 VBE 的影響： 和二極管的正向特性一樣，溫度每升高 10C， |VBE|約減小 22.5mV 。因?yàn)椋?ICEO =（ 1+） ICBOI） ICBO，所以溫度升高，而 IC = B +（ 1+使集電極電流 IC升高。換言之，集電極電流I 隨溫度變化而變化。C晶體管開關(guān)的應(yīng)用非門圖 5-11 所示的晶體管非門電路及其圖形符VCC號(hào)。晶體管 T 的工作狀態(tài)或從截止轉(zhuǎn)為飽和，或從飽和轉(zhuǎn)為截止。 非門電路只有一個(gè)輸入端 A。FRC為輸出端。當(dāng)輸入端 A 為高電平 1，即 VA = 3VF時(shí)，晶體管 T 飽和，使集電極輸出的電位 VF = 0V ，AR1T1即輸出端 F 為低電平 0；當(dāng)輸入

23、端 A 為低電平 0F時(shí)，晶體管 T 截止，使集電極輸出的電位 VF = VCC，R2-VBB5-8圖 5-11三極管非門即輸出端 F 為高電平 1。 可見非門電路的輸出與輸入狀態(tài)相反，所以非門電路也稱為反相 器。圖中加負(fù)電源 VBB 是為了使晶體管可靠截止。從上述分析可知，該電路的輸出電平高低總是和輸入電平高低相反，這種“結(jié)果與條件處于相反狀態(tài)”的邏輯關(guān)系稱為非（Not ）邏輯關(guān)系。 非邏輯也稱為邏輯反、非運(yùn)算。邏輯變量上的“”是非運(yùn)算符，設(shè) A、 F 分別為邏輯變量，則非運(yùn)算的表達(dá)式可寫成以下F A上式讀作 F 等于 A 非。邏輯非的含義是：只要輸入變量A 為F 就為 1；反之， A 為

24、1 時(shí)， F 便為 0。換言之，也就是“見出 0”。以上是晶體管開關(guān)作用具體應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。0，輸出變量0出1，見15.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型的半導(dǎo)體器件，它具有輸入電阻高（可達(dá)91524溫度、幅射等外界條件的影響較小，耗電省、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。，因此得到廣泛應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)的不同可分為結(jié)型和絕緣柵型；從工作性能可分耗盡型和增強(qiáng)型；所用基片（襯底）材料不同，又可分P 溝道和 N 溝道兩種導(dǎo)電溝道。因此，有結(jié)型P 溝道和 N 溝道，絕緣柵耗盡型P 溝道和 N 溝及增強(qiáng)型 P 溝道和 N 溝六種類型的場(chǎng)效應(yīng)管。它們都是以半導(dǎo)體的某一種多數(shù)載流子（電子或空穴）來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，所

25、以又稱為單極型晶體管。在本書中只簡(jiǎn)單介紹絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是一種金屬(M) 氧化物 (O)半導(dǎo)體 (S)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱為 MOS （ Metal Oxide Semiconductor ）管。本節(jié)以溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管為主進(jìn)行討論。1 N 溝道增強(qiáng) MOS 型管(1) 結(jié)構(gòu)圖 5-12（ a）是溝道增強(qiáng)型 MOS 管的結(jié)構(gòu)示意圖。用一塊型半導(dǎo)體為襯底，在襯底上面的左、右兩邊制成兩個(gè)高摻雜濃度的型區(qū)，用N+表示，在這兩個(gè) N+區(qū)各引出一個(gè)電極，分別稱為源極襯底也引出一個(gè)電極稱為襯底引線 b。管子在工作時(shí)S 和漏極b 通常與D，管子的S 相

26、連接。在這兩個(gè) N +區(qū)之間的型半導(dǎo)體表面做出一層很薄的二氧化硅絕緣層，再在絕緣層上面噴一層金屬鋁電極，稱為柵極G，圖 5-12(b) 是溝增強(qiáng)型MOS 管的符號(hào)。溝道增強(qiáng)型MOS 管是以型半導(dǎo)體為襯底，再制作兩個(gè)高摻雜濃度的 P+區(qū)做源極 S 和漏極 D，其符號(hào)如圖 5-12(c)，襯底 b 的箭頭方向是區(qū)別溝道和溝道的標(biāo)志。SG 鋁DSio2DD絕緣層N+N+bbGGP 襯底SSPPP襯b(襯底引線 )（ a ）（ b ）（c）圖 5-12 增強(qiáng)型 MOS 管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)(2) 工作原理如圖 5-13 所示。當(dāng) VGS =0 時(shí)，由于漏源之間有兩個(gè)背向的結(jié)不存在導(dǎo)電溝道，所以即使D、 S

27、間電壓 VDS0，但 ID = 0，只有 VGS 增大到某一值時(shí)，由柵極指向P 型襯底的電場(chǎng)的作用下，襯底中的電子被吸引到兩個(gè) N +區(qū)之間構(gòu)成了漏源極之間的導(dǎo)電溝道，電路中才有電流 I 。對(duì)應(yīng)此D時(shí)的 VGS 稱為開啟電壓 VGS(th) = VT。在一定 VDS 下， VGS 值越大，電場(chǎng)作用越強(qiáng)，導(dǎo)電的溝道越寬，溝道電阻越小，ID 就越大，這就是增強(qiáng)型管子的含義。(3) 輸出特性VDS輸出特性是指VGS 為一固定值時(shí)， I D 與 VDS 之間的關(guān)VGSID系，即SGDI Df (VDS ) VGS 常數(shù)（ 5-7）同三極管一樣輸出特性可分為三個(gè)區(qū)，可變電阻區(qū)，恒流區(qū)和截止區(qū)。N+N+N

28、 溝道P襯底可變電阻區(qū)： 圖 5-14（a）的區(qū)。 該區(qū)對(duì)應(yīng) VGS VT ， VDS 很小， VGD=VGS VDSVT 的情況。該區(qū)的特點(diǎn)是：若VGS 不變， ID 隨著 VDS 的增大而線性增加， 可以看成是一個(gè)圖 5-13Vgs 對(duì)溝道的影響電阻，對(duì)應(yīng)不同的 VGS 值，各條特性曲線直線部分的斜率不同，即阻值發(fā)生改變。因此該區(qū)是一個(gè)受VGS 控制的可變電阻區(qū)，工作在這個(gè)區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控電阻。恒流區(qū)（亦稱飽和區(qū)，放大區(qū)）：圖 5-14（ a）的區(qū)。該區(qū)對(duì)應(yīng)VGS VT，VDS 較大，該區(qū)的特點(diǎn)是若VGS 固定為某個(gè)值時(shí)， 隨 VDS 的增大，I D 不變，特性曲線近似為水平線，

29、 因此稱為恒流區(qū)。 而對(duì)應(yīng)同一個(gè) VDS 值，不同的 VGS 值可感應(yīng)出不同寬度的導(dǎo)電溝道， 產(chǎn)生不同大小的漏極電流ID，可以用一個(gè)參數(shù)，跨導(dǎo) gm 來(lái)表示 VGS 對(duì) ID 的控制作用。 gm 定義為：5-10g mI DVDS常數(shù)VGSI D(mA)ID(mA )5區(qū)區(qū)區(qū)12VDS=常數(shù)VGS=5V844.5V634V23.5V43V212.5V (VT )VT02468VDS(V )02468VGS(V)（5-8）（a）輸出特性(b)轉(zhuǎn)移特性圖 5-14 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管的特性曲線截止區(qū)（夾斷區(qū)） ：該區(qū)對(duì)應(yīng)于 VGSVT的情況，這個(gè)區(qū)的特點(diǎn)是：由于沒(méi)有感生出溝道，故電流ID=

30、0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。圖5-14（a）的區(qū)為擊穿區(qū)，當(dāng)VDS 增大到某一值時(shí)，柵、漏間的PN 結(jié)會(huì)反向擊穿，使I D 急劇增加。如不加限制，會(huì)造成管子損壞。(4) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是指VDS 為固定值時(shí)， I D 與 VGS 之間的關(guān)系，表示了VGS 對(duì)I D 的控制作用。即：I Df (V GS ) V DS 常數(shù)（5-9）由于 VDS 對(duì) I D 的影響較小，所以不同的VDS 所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線基本上是重合在一起的，如圖5-14（b）所示。這時(shí) ID 可以近似地表示為：IV GS2DI （1）DSSVGS（th）（5-10）其中 IDSS 是 VGS=2VGS（ th） 時(shí)的值 I D2

31、 溝道耗盡型MOS 管溝道耗盡型 MOS 管的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型一樣，所不同的是在制造過(guò)程中，在 sio2 絕緣層中摻入大量的正離子。當(dāng)VGS=0 時(shí)，由正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)就能吸收足夠的電子產(chǎn)生原始溝道，如果加上正向VDS 電壓，就可在原IDI D (mA)VGSVDS10區(qū)區(qū)區(qū)3VSGD82V61VN+N+4VGS=0VN 溝道P 襯底1V22V0481214VDS (V)(a)(b)始溝道的中產(chǎn)生電流。其結(jié)構(gòu)、符號(hào)如圖5-15 所示。圖 5-15N 溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖(b) 輸出特性c) 轉(zhuǎn)移特性(d)符號(hào)當(dāng) VGS 正向增加時(shí)，將增強(qiáng)由絕緣層中正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)，感生的溝道加

32、寬， ID 將增大，當(dāng) VGS 加反向電壓時(shí)，削弱由絕緣層中正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)，感生的溝道變窄，ID 將減小，當(dāng) VGS 達(dá)到某一負(fù)電壓值 VGS(off) = VP時(shí)，完全抵消了由正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)則導(dǎo)電溝道消失，使ID 0，VP 稱為夾斷電壓。在 VGSVP 后，漏源電壓 VDS 對(duì) ID 的影響較小。 它的特性曲線形狀， 與增強(qiáng)型 MOS 管類似，如圖 5-15（b）、（c）所示 .。由特性曲線可見，耗盡型MOS 管的 VGS 值在正、負(fù)的一定范圍內(nèi)都可控制管子的ID ，因ID(mA)8D6GbIDSS2S-4-2024VGS(V)(c)(d)此，此類管子使用較靈活，在模擬電子技術(shù)中得到廣泛

33、應(yīng)用。增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管在集成數(shù)字電路中被廣泛采用，可利用 VGSVT 和 VGS VT 來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，使管子工作在開關(guān)狀態(tài)，數(shù)字電路中的半導(dǎo)體器件正是工作在此種狀態(tài)。場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)5-121場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的比較(1) 場(chǎng)效應(yīng)管的溝道中只有一種極性的載流子（電子或空穴）參于導(dǎo)電，故稱為單極型晶體管。而在雙極型晶體三極管里有兩種不同極性的載流子（電子和空穴）參于導(dǎo)電。(2) 場(chǎng)效應(yīng)管是通過(guò)柵源電壓 VGS 來(lái)控制漏極電流 ID ，稱為電壓控制器件。晶體管是利用基極電流 I B 來(lái)控制集電極電流 I C，稱為電流控制器件。(3) 場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻很大， 有較高的熱穩(wěn)定性， 抗

34、輻射性和較低的噪聲。而晶體管的輸入電阻較小， 溫度穩(wěn)定性差， 抗輻射及噪聲能力也較低。(4) 場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo) gm 的值較小，而雙極型晶體管 的值很大。在同樣的條件下，場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力不如晶體管高。(5) 場(chǎng)效應(yīng)管在制造時(shí)，如襯底沒(méi)有和源極接在一起時(shí)，也可將D、 S互換使用。而晶體管的C 和 E 互換使用，稱倒置工作狀態(tài)，此時(shí) 將變得在非常小。(7) 工作在可變電阻區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管，可作為壓控電阻來(lái)使用。另外，由于 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻很高，使得柵極間感應(yīng)電荷不易泄放，而且絕緣層做得很薄，容易在柵源極間感應(yīng)產(chǎn)生很高的電壓，超過(guò) V（BR ） GS 而造成管子擊穿。因此 MOS 管在使用時(shí)避

35、免使柵極懸空。保存不用時(shí)，必須將MOS 管各極間短接。焊接時(shí)，電烙鐵外殼要可靠接地。2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)直流參數(shù)直流參數(shù)是指耗盡型 MOS 管的夾斷點(diǎn)電位 VP(VGS(off) )，增強(qiáng)型 MOS 管的開啟電壓 VT(VGS(on)以及漏極飽和電流 I DSS，直流輸入電阻 RGS(2) 交流參數(shù)低頻跨導(dǎo) gm：gm 的定義是當(dāng) VDS=常數(shù)時(shí)， vgs 的微小變量與它引起的 i D 的微小變量之比，即：gmdi DVDS 常數(shù)dvGS（5-11）它是表征柵、源電壓對(duì)漏極電流控制作用大小的一個(gè)參數(shù)，單位為西門子s 或ms。極間電容： 場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極間存在極間電容。 柵、源電容 Cgs

36、 和柵、漏電容 Cg d 一般為 13pF，漏源電容 Cds 約在 0.11pF 之間。極間電容的存在決定了管子的最高工作頻率和工作速度。(3)極限參數(shù)最大漏極電流IDM 。管子工作時(shí)允許的最大漏極電流。最大耗散功率PDM 。由管子工作時(shí)允許的最高溫升所決定的參數(shù)。漏、源擊穿電壓V（ BR） DS。 VDS 增大時(shí)使 I D 急劇上升時(shí)的VDS 值。柵、源擊穿電壓V（ BR） GS。在 MOS 管中使絕緣層擊穿的電壓。3各種場(chǎng)效應(yīng)管特性的比較表 52 總結(jié)列舉了 6 種類型場(chǎng)效應(yīng)管在電路中的符號(hào)， 偏置電壓的極性和特性曲線。讀者可以通過(guò)比較以于區(qū)別。表 52 各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性和輸出

37、特性結(jié)構(gòu)工作圖形工作時(shí)所需類型方式符號(hào)電壓極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性VDSVGSND結(jié)溝GID道S型PD溝GI D道SND溝增絕道G強(qiáng)SPD溝I D緣道型GS耗DNI DI DSSVGS （ OFF）o- I DI DSSVo VGSS（I DoVGS(th)VGS- I DVGS(th)oVI DI DVGS=0VGS< 00VDS- I DVGS=0VGS >0oVDSID增大VGS>0oVDS-ID減小VGS<0o VDSI DVGS>0柵溝G ，I DS道盡SVGS（OFF）oVGSVGS=0VGS<0oVDS5-14D-I D-I DVGS<0PI

38、型溝型G ，VGS=0道VGS>0SoVGS（ OFF） Vo VDS5.3晶體管共發(fā)射極放大電路模擬信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，處理模擬信號(hào)的電路稱為模擬電子電路。模擬電子電路中的晶體三極管通常都工作在放大狀態(tài)，它和電路中的其它元件構(gòu)成各種用途的放大電路。而基本放大電路又是構(gòu)成各種復(fù)雜放大電路和線性集成電路的基本單元。晶體管基本放大電路按結(jié)構(gòu)有共射、共集和共基極三種，本書討論前兩種放大電路。共發(fā)射極放大電路的組成在圖 5-16（ a）的共發(fā)射極交流基本放大電路中，輸入端接低頻交流電壓信號(hào) （如音頻信號(hào)， 頻率為 20HZ20KH Z）。輸出端接負(fù)載電阻（可iL能是小功率的揚(yáng)聲器，微型繼電器、

39、或者接下一級(jí)放大電路等） ，輸出電壓用 表示。電路中各元件作用如下：o+ VCC+VCCRBRCRCRB+ C2IBICC1 +VCERSRLoVBEsii(a)(b)圖 5-16 共發(fā)射交流放大1. 集電極電源 VCC 是放大電路的能源，為輸出信號(hào)提供能量，并保證發(fā)射結(jié)處于正向偏置、 集電結(jié)處于反向偏置， 使晶體管工作在放大區(qū)。 VCC取值一般為幾伏到幾十伏。2. 晶體管 T 是放大電路的核心元件。利用晶體管在放大區(qū)的電流控制作用，即 ic = i b 的電流放大作用，將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大。3. 集電極電阻 RC 是晶體管的集電極負(fù)載電阻， 它將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化， 實(shí)現(xiàn)電路

40、的電壓放大作用。 RC 一般為幾千到幾十千歐。4. 基極電阻 RB 以保證工作在放大狀態(tài)。改變 RB 使晶體管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。 RB 一般取幾十千歐到幾百千歐。5耦合電容 C1、C2 起隔直流通交流的作用。在信號(hào)頻率范圍內(nèi)，認(rèn)為容抗近似為零。所以分析電路時(shí)，在直流通路中電容視為開路，在交流通路中電容視為短路。 C1、C2 一般為十幾微法到幾十微法的有極性的電解電容。靜態(tài)分析放大電路未接入 vi 前稱靜態(tài)。動(dòng)態(tài)則指加入 vi 后的工作狀態(tài)。靜態(tài)分析就是確定靜態(tài)值， 即直流電量 ,由電路中的 IB、I C 和 VCE 一組數(shù)據(jù)來(lái)表示。這組數(shù)據(jù)是晶體管輸入、輸出特性曲線上的某個(gè)工作點(diǎn)，習(xí)慣上稱靜

41、態(tài)工作點(diǎn)，用 Q（IB 、 IC、VCE）表示。放大電路的質(zhì)量與靜態(tài)工作點(diǎn)的合適與否關(guān)系甚大。動(dòng)態(tài)分析則是在已設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的前提下；討論放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等技術(shù)指標(biāo)。1 由放大電路的直流通路確定靜態(tài)工作點(diǎn)將耦合電容 C1、 C2 視為開路，畫出圖 5-16（ b）所示的共發(fā)射極放大電路的直流通路，由電路得：I BVCCV BEV CCRBRBI CI BVCEVCCICRC（ 5-12）用式（ 5-12）可以近似估算此放大電路的靜態(tài)作點(diǎn)。晶體管導(dǎo)通后硅管 VBE 的大小約在 0.60.7V 之間（鍺管 VBE 的大小約在 0.20.3V 之間）。而當(dāng) VCC

42、較大時(shí)， VBE 可以忽略不計(jì)。2由圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)Q（ 1）用輸入特性曲線確定IBQ 和 VBEQ根據(jù)圖 5-16（ b）中的輸入回路，可列出輸入回路電壓方程：VCCI B RB VBE（ 5-13）同時(shí) VBE 和 I B 還符合晶體管輸入特性曲線所描述的關(guān)系，輸入特性曲線用函數(shù)式表示為：I Bf (VBE ) VCE 常數(shù)5-16（ 5-14）用作圖的方法在輸入特性曲線所在的VBE IB 平面上作出式 （5-13）對(duì)應(yīng)的直線，那么求得兩線的交點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q，如圖 5-17（ a）所示，Q點(diǎn)的坐標(biāo)就是靜態(tài)時(shí)的基極電流I BQ 和基射極間電壓VBEQ。(2) 用輸出特性曲線確定 I CQ 和 VCEQ由圖 5-16（ b）電路中的輸出回路，以及晶體管的輸出特性曲線，可以寫出下面兩式：VCCI C RC VCE（ 5-15）I Cf (VCE ) I B 常數(shù)IBI CVCCVCCRBRCIBQQICQQI=IBBQOVBEQVCC VBEOVCEQVCCVCE（5-16）（a）(b)圖 5-17圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的輸出特性可由已選定管子型號(hào)在手冊(cè)上查找，或