1、半導(dǎo)體三極管,第 2 章,2.1雙極型半導(dǎo)體三極管,2.2單極型半導(dǎo)體三極管,2.3半導(dǎo)體三極管電路的基本分析方法,2.4半導(dǎo)體三極管的測(cè)試與應(yīng)用,半導(dǎo)體三極管,第 2 章,2.1雙極型半導(dǎo)體三極管,2.1.1 晶體三極管,2.1.2 晶體三極管的特性曲線,2.1.3 晶體三極管的主要參數(shù),(Semiconductor Transistor),第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.1.1 晶體三極管,一、結(jié)構(gòu)、符號(hào)和分類,發(fā)射極 E,基極 B,集電極 C,發(fā)射結(jié),集電結(jié), 基區(qū), 發(fā)射區(qū), 集電區(qū),emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分類： 按材料分： 硅管、鍺管 按結(jié)

2、構(gòu)分： NPN、 PNP 按使用頻率分： 低頻管、高頻管 按功率分： 小功率管 1 W,二、電流放大原理,1. 三極管放大的條件,內(nèi)部 條件,發(fā)射區(qū)摻雜濃度高,基區(qū)薄且摻雜濃度低,集電結(jié)面積大,外部 條件,發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏,2. 滿足放大條件的三種電路,共發(fā)射極,共集電極,共基極,實(shí)現(xiàn)電路,第 2 章半導(dǎo)體三極管,3. 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程,1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子， 形成發(fā)射極電流 IE。,I CN,多數(shù)向 BC 結(jié)方向擴(kuò)散形成 ICN。,IE,少數(shù)與空穴復(fù)合，形成 IBN 。,I BN,基區(qū)空 穴來源,基極電源提供(IB),集電區(qū)少子漂移(ICBO),I CBO,IB,I

3、BN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO,3) 集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,2)電子到達(dá)基區(qū)后,(基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽略),三極管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng),第 2 章半導(dǎo)體三極管,4. 三極管的電流分配關(guān)系,當(dāng)管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,IE = IC + IB,穿透電流,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.1.2 晶體三極管的特性曲線,一、輸入特性,輸入 回路,輸出 回路,與二極管特性相似,特性基本重合(電流分配

4、關(guān)系確定),特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子),導(dǎo)通電壓 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,鍺管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,第 2 章半導(dǎo)體三極管,二、輸出特性,截止區(qū)： IB 0 IC = ICEO 0 條件：兩個(gè)結(jié)反偏,2. 放大區(qū)：,3. 飽和區(qū)：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,條件：兩個(gè)結(jié)正偏,特點(diǎn)：IC IB,臨界飽和時(shí)： uCE = uBE,深度飽和時(shí)：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (鍺管),放大區(qū),截止區(qū),飽 和 區(qū),條件：發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 特點(diǎn)：水平、等間隔,ICEO,輸 出 特

5、性,第 2 章半導(dǎo)體三極管,三、溫度對(duì)特性曲線的影響,1. 溫度升高，輸入特性曲線向左移。,溫度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,溫度每升高 10C，ICBO 約增大 1 倍。,2. 溫度升高，輸出特性曲線向上移。,T1,T2 ,溫度每升高 1C， (0.5 1)%。,輸出特性曲線間距增大。,O,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.1.3 晶體三極管的主要參數(shù),一、電流放大系數(shù),1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù), 直流電流放大系數(shù), 交流電流放大系數(shù),一般為幾十 幾百,2. 共基極電流放大系數(shù), 1 一般在 0.98 以上。,Q,二、極間反向飽和電流,CB 極間反向飽和電流 ICBO，,CE 極

6、間反向飽和電流 ICEO。,第 2 章半導(dǎo)體三極管,三、極限參數(shù),1. ICM 集電極最大允許電流，超過時(shí) 值明顯降低。,U(BR)CBO 發(fā)射極開路時(shí) C、B 極間反向擊穿電壓。,2. PCM 集電極最大允許功率損耗,PC = iC uCE。,3. U(BR)CEO 基極開路時(shí) C、E 極間反向擊穿電壓。,U(BR)EBO 集電極極開路時(shí) E、B 極間反向擊穿電壓。,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,(P34 2.1.7)已知: ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V， 當(dāng) UCE = 10 V 時(shí)，IC mA 當(dāng) UCE

7、= 1 V，則 IC mA 當(dāng) IC = 2 mA，則 UCE V,10,20,20,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.2單極型半導(dǎo)體 三極管,引言,2.2.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,2.2.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),2.2.1 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,第 2 章半導(dǎo)體三極管,引 言,場(chǎng)效應(yīng)管 FET (Field Effect Transistor),類型：,結(jié)型 JFET (Junction Field Effect Transistor),絕緣柵型 IGFET(Insulated Gate FET),特點(diǎn)：,1. 單極性器件(一種載流子導(dǎo)電),3. 工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低,2. 輸入電阻高(

8、107 1015 ，IGFET 可高達(dá) 1015 ),第 2 章半導(dǎo)體三極管,一、增強(qiáng)型 N 溝道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),2.2.1 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu)與符號(hào),P 型襯底,(摻雜濃度低),用擴(kuò)散的方法 制作兩個(gè) N 區(qū),在硅片表面生一層薄 SiO2 絕緣層,用金屬鋁引出 源極 S 和漏極 D,在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極 G,S 源極 Source,G 柵極 Gate,D 漏極 Drain,MOSFET結(jié)構(gòu),第 2 章半導(dǎo)體三極管,2. 工作原理,1)uGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 (uDS = 0),a. 當(dāng) UGS = 0 ，DS 間為兩個(gè)背對(duì)背的

9、 PN 結(jié)；,b. 當(dāng) 0 UGS UGS(th)(開啟電壓)時(shí)，GB 間的垂直電 場(chǎng)吸引 P 區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；,c. 當(dāng) uGS UGS(th) 時(shí)，襯底中電子被吸引到表面，形 成導(dǎo)電溝道。 uGS 越大溝道越厚。,反型層 (溝道),第 2 章半導(dǎo)體三極管,2) uDS 對(duì) iD的影響(uGS UGS(th),DS 間的電位差使溝道呈楔形，uDS，靠近漏極端的溝道厚度變薄。,預(yù)夾斷(UGD = UGS(th)：漏極附近反型層消失。,預(yù)夾斷發(fā)生之前： uDS iD。,預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDS iD 不變。,MOS工作原理,第 2 章半導(dǎo)體三極管,3. 轉(zhuǎn)移特性曲線,UDS = 10

10、 V,UGS (th),當(dāng) uGS UGS(th) 時(shí)：,uGS = 2UGS(th) 時(shí)的 iD 值,4. 輸出特性曲線,可變電阻區(qū),uDS uGS UGS(th),uDS iD ，直到預(yù)夾斷,飽和(放大區(qū)),uDS，iD 不變,uDS 加在耗盡層上，溝道電阻不變,截止區(qū),uGS UGS(th) 全夾斷 iD = 0,開啟電壓,截止區(qū),飽和區(qū),可 變 電 阻 區(qū),放大區(qū),恒流區(qū),O,O,第 2 章半導(dǎo)體三極管,二、耗盡型 N 溝道 MOSFET,Sio2 絕緣層中摻入正離子 在 uGS = 0 時(shí)已形成溝道； 在 DS 間加正電壓時(shí)形成 iD，,uGS UGS(off) 時(shí)，全夾斷。,輸出特

11、性,轉(zhuǎn)移特性,IDSS,UGS(off),夾斷 電壓,飽和漏 極電流,當(dāng) uGS UGS(off) 時(shí)，,O,第 2 章半導(dǎo)體三極管,三、P 溝道 MOSFET,增強(qiáng)型,耗盡型,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.2.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu)與符號(hào),JFET結(jié)構(gòu),N 溝道 JFET,P 溝道 JFET,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2. 工作原理,uGS 0，uDS 0,此時(shí) uGD = UGS(off)；,溝道楔型,耗盡層剛相碰時(shí)稱預(yù)夾斷。,預(yù)夾斷,當(dāng) uDS ，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。,3. 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性,UGS(off),當(dāng) UGS(off) uGS 0 時(shí),JFET工作原理,O,O,第 2 章半導(dǎo)體

12、三極管,N 溝道增強(qiáng)型,P 溝道增強(qiáng)型,N 溝道耗盡型,P 溝道耗盡型,IDSS,N 溝道結(jié)型,P 溝道結(jié)型,FET 符號(hào)、特性的比較,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.2.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),開啟電壓 UGS(th)(增強(qiáng)型) 夾斷電壓 UGS(off)(耗盡型),指 uDS = 某值，使漏極電流 iD 為某一小電流時(shí)的 uGS 值。,UGS(th),2. 飽和漏極電流 IDSS,耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng) uGS = 0 時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,3. 直流輸入電阻 RGS,指漏源間短路時(shí)，柵、源間加反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,第 2

13、 章半導(dǎo)體三極管,4. 低頻跨導(dǎo) gm,反映了uGS 對(duì) iD 的控制能力， 單位 S(西門子)。一般為幾毫西 (mS),PDM = uDS iD，受溫度限制。,5. 漏源動(dòng)態(tài)電阻 rds,6. 最大漏極功耗 PDM,O,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.3半導(dǎo)體三極管的 基本分析方法,引 言,2.3.2 交流分析,2.3.1 直流分析,第 2 章半導(dǎo)體三極管,引言,基本思想,非線性電路經(jīng)適當(dāng)近似后可按線性電路對(duì)待， 利用疊加定理，分別分析電路中的交、直流成分。,一、分析三極管電路的基本思想和方法,直流通路(ui = 0)分析靜態(tài)。,交流通路(ui 0)分析動(dòng)態(tài)，只考慮變化的電壓和電流。,畫交流通路

14、原則：,1. 固定不變的電壓源都視為短路；,2. 固定不變的電流源都視為開路；,3. 視電容對(duì)交流信號(hào)短路,第 2 章半導(dǎo)體三極管,基本方法,圖解法：,在輸入、輸出特性圖上畫交、直流負(fù)載線，求靜態(tài)工作點(diǎn)“Q”，分析動(dòng)態(tài)波形及失真等。,解析法：,根據(jù)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降估算“Q”。,用小信號(hào)等效電路法分析計(jì)算電路動(dòng)態(tài)參數(shù)。,第 2 章半導(dǎo)體三極管,二、電量的符號(hào)表示規(guī)則,A A,A,大寫表示電量與時(shí)間無關(guān)(直流、平均值、有效值)；,A,小寫表示電量隨時(shí)間變化(瞬時(shí)值)。,大寫表示直流量或總電量(總最大值，總瞬時(shí)值)；,小寫表示交流分量。,總瞬時(shí)值,直流量,交流瞬時(shí)值,交流有效值,直流量往往在下標(biāo)中加注

15、 Q,A 主要符號(hào)； A 下標(biāo)符號(hào)。,uBE = UBE + ube,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.3.1 直流分析,一、圖解分析法,輸入直流負(fù)載線方程：,uCE = VCC iC RC,uBE = VBB iBRB,輸出直流負(fù)載線方程：,輸入回路圖解,Q,靜態(tài)工作點(diǎn),VBB,VBB/RB,115 k,UBEQ,IBQ,0.7,20,輸出回路圖解,VCC,VCC/RC,O,1 k,2,3,UCEQ,ICQ,O,iB = 20 A,第 2 章半導(dǎo)體三極管,二、工程近似分析法, = 100,第 2 章半導(dǎo)體三極管,三、電路參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,1. 改變 RB，其他參數(shù)不變,R B iB ,Q 趨

16、近截止區(qū)；,R B iB ,Q 趨近飽和區(qū)。,2. 改變 RC ，其他參數(shù)不變,RC Q 趨近飽和區(qū)。,第 2 章半導(dǎo)體三極管,iC 0,iC = VCC /RC,例 2.3.1 設(shè) RB = 38 k，求 VBB = 0 V、3 V 時(shí)的 iC、uCE。,解,當(dāng)VBB= 0 V：,iB 0，,iC 0，,5 V,uCE 5 V,當(dāng)VBB = 3 V：,0.3,uCE 0.3 V 0，,iC 5 mA,三極管的開關(guān)等效電路,截止 狀態(tài),iB 0,uCE 5V,iB,飽和 狀態(tài),uCE 0,判斷是否飽和 臨界飽和電流 ICS和IBS ：,iB IBS，則三極管飽和。,第 2 章半導(dǎo)體三極管,例

17、2.3.2 耗盡型 N 溝道 MOS 管，RG = 1 M，RS = 2 k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求 iD 和 uO 。,iG = 0, uGS = iDRS,iD1= 4 mA,iD2= 1 mA,uGS = 8 V, UGS(off),增根,uGS = 2 V,uDS = VDD iD(RS + RD) = 20 14 = 6 (V),uO = VDD iD RD = 20 14 = 8 (V),在放大區(qū),第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.3.2 交流分析,一、圖解分析法,線性,非線性,線性,輸入回路,(A 左),(B

18、右),輸出回路,(B 左),(A 右),第 2 章半導(dǎo)體三極管,例 2.3.3,硅管，ui = 10 sin t (mV)，RB = 176 k， RC = 1 k， VCC = VBB = 6 V，圖解分析各電壓、電流值。,解,令 ui = 0，求靜態(tài)電流 IBQ,0.7 V,30,Q,ui,IBQ,(交流負(fù)載線),6,直流負(fù)載線,6,ICQ,Ucem,第 2 章半導(dǎo)體三極管,當(dāng) ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ uCE = UCEQ,當(dāng) ui = Uim sin t ib = Ibmsin t ic = Icmsin t uce = Ucem sin

19、t uo = uce,iB = IBQ + Ibmsin t iC = ICQ + Icmsin t uCE = UCEQ Ucem sin t = UCEQ +Ucem sin (180 t),第 2 章半導(dǎo)體三極管,基本共發(fā)射極 電路的波形：,IBQ,ICQ,UCEQ,基本放大電路的放大作用,第 2 章半導(dǎo)體三極管,放大電路的非線性失真問題,因工作點(diǎn)不合適或者信號(hào)太大使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍，從而引起非線性失真。,1. “Q”過低引起截止失真,NPN 管： 頂部失真為截止失真。,PNP 管： 底部失真為截止失真。,不發(fā)生截止失真的條件：IBQ Ibm 。,交流負(fù)

20、載線,非線性失真,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2. “Q”過高引起飽和失真,ICS,NPN 管： 底部失真為飽和失真。,PNP 管： 頂部失真為飽和失真。,IBS 基極臨界飽和電流。,不接負(fù)載時(shí)，交、直流負(fù)載線重合，V CC= VCC,不發(fā)生飽和失真的條件： IBQ + I bm IBS,第 2 章半導(dǎo)體三極管,飽和失真的本質(zhì)：,負(fù)載開路時(shí)：,接負(fù)載時(shí)：,受 RC 的限制，iB 增大，iC 不可能超過 VCC/RC 。,受 RL 的限制，iB 增大，iC 不可能超過 V CC/RL 。,(RL= RC / RL),第 2 章半導(dǎo)體三極管,選擇工作點(diǎn)的原則：,當(dāng) ui 較小時(shí)，為減少功耗和噪聲，“Q

21、” 可設(shè)得低一些；,為提高電壓放大倍數(shù)，“Q”可以設(shè)得高一些；,為獲得最大輸出，“Q” 可設(shè)在交流負(fù)載線中點(diǎn)。,第 2 章半導(dǎo)體三極管,二、小信號(hào)等效分析法(微變等效),1. 晶體三極管電路小信號(hào)等效電路分析法,三極管電路 可當(dāng)成雙口 網(wǎng)絡(luò)來分析,(1) 晶體三極管 H (Hybrid)參數(shù)小信號(hào)模型,從輸入端口看進(jìn)去，相當(dāng)于電阻 rbe,rbe Hie,從輸出端口看進(jìn)去為一個(gè)受 ib 控制的電流源,ic = ib ，, Hfe,rbb 三極管基區(qū)體電阻,第 2 章半導(dǎo)體三極管,(2) 晶體三極管交流分析,步驟：, 分析直流電路，求出“Q”，計(jì)算 rbe。, 畫電路的交流通路 。, 在交流通路

22、上把三極管畫成 H 參數(shù)模型。, 分析計(jì)算疊加在“Q”點(diǎn)上的各極交流量。,微變等效電路的畫法,第 2 章半導(dǎo)體三極管,例 2.3.4 = 100，uS = 10sin t (mV)，求疊加在“Q” 點(diǎn)上的各交流量。,12 V,12 V,510,470 k,2.7 k,3.6 k,解,令 ui = 0，求靜態(tài)電流 IBQ, 求“Q”，計(jì)算 rbe,ICQ = IBQ = 2.4 mA,UCEQ = 12 2.4 2.7 = 5.5 (V),第 2 章半導(dǎo)體三極管, 交流通路,ube,uce, 小信號(hào)等效, 分析各極交流量, 分析各極總電量,uBE = (0.7 + 0.0072sint )V,i

23、B = (24 + 5.5sint) A,iC = ( 2.4 + 0.55sint ) mA,uCE = ( 5.5 0.85sint ) V,第 2 章半導(dǎo)體三極管,2. 場(chǎng)效應(yīng)管電路小信號(hào)等效電路分析法,小信號(hào)模型,從輸入端口看入，相當(dāng)于電阻 rgs()。,從輸出端口看入為受 ugs 控制的電流源。,id = gmugs,第 2 章半導(dǎo)體三極管,例 2.3.4 gm= 0.65 mA/V，ui = 20sint (mV)，求交流輸出 uo。,10 k,4 k,交流通路,小信號(hào)等效電路,ui = ugs+ gmugsRS,ugs= ui / (1 + gmRS),uo = gmui RD / (1 + gmRS),= 36sin t (mV),第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.4半導(dǎo)體三極管的 測(cè)試與應(yīng)用,附錄 半導(dǎo)體器件的命名方式,2.4.1 半導(dǎo)體三極管使用的基本知識(shí),第 2 章半導(dǎo)體三極管,2.4.1 半導(dǎo)體三極管使用基本知識(shí),一、外型及引腳排列,第 2 章半導(dǎo)體三極管,二、萬用表檢測(cè)晶體三極管的方法,1. 根據(jù)外觀判斷極性；,3. 用萬用表電阻擋測(cè)量三極管的好壞，PN 結(jié)正 偏時(shí)電阻值較小(幾千歐以