第12讲半导体三极管与场效应管优秀课件.ppt

第12讲半导体三极管与场效应管第1页，本讲稿共32页四、半导体三极管11、基本结构、基本结构1)NPN 1)NPN型 型符号：符号：2)PNP 2)PNP 型 型C 集电极B 基极E 发射极集电区N NP P 基区发射区N N集电结发射结EBCEBC符号：符号：C 集电极B 基极E 发射极集电区P PN N 基区发射区P P集电结发射结IEIEIBIB第2页，本讲稿共32页很薄且掺杂浓度最低掺杂浓度最高3)3)结构特点结构特点掺杂浓度次之 掺杂浓度次之这种结构特点是它具有电流放大作用的内在物质条件。这种结构特点是它具有电流放大作用的内在物质条件。C 集电极B 基极E 发射极集电区N NP P 基区发射区N N集电结发射结第3页，本讲稿共32页第4页，本讲稿共32页22、电流放大原理、电流放大原理发射结正偏、集电结反偏 发射结正偏、集电结反偏.对 对 PNP PNP 型三极管 型三极管 发射结正偏 发射结正偏 V VB B V VE E 集电结反偏 集电结反偏 V VC C V VE E 集电结反偏 集电结反偏 V VC C V VB B 即 即：V VC C V VB B V VE E 集电极电位最高 集电极电位最高 即 即 V VE E V VB B V VC C 发射极电位最高 发射极电位最高 B BEC CN NN NP PEBRBE EC CRCIEICIBIEICIB共射极放大电路1)1)三极管放大的外部条件 三极管放大的外部条件UBE=0.3V,0.7VUBE=-0.3V,-0.7V第5页，本讲稿共32页2)2)各极电流关系及电流放大作用 各极电流关系及电流放大作用IIBB(mA)(mA)IICC(mA)(mA)IIEE(mA)(mA)000.020.020.040.040.060.060.080.080.100.100.01 0.010.700.701.501.50 2.302.303.103.103.953.950.01 0.010.720.721.541.542.362.363.183.184.054.05.三电极电流关系 三电极电流关系 I IE E=I IB B+I IC C.I IC C I IB B，I IC C I IE E.I IC C I IB B 基极电流的微小变化IB能够引起较大的集电极电流变化IC,这就是三极管的电流放大作用。B BEC CN NN NP PEBRBE EC CRCIEICIB第6页，本讲稿共32页3)3)三极管内部载流子的运动规律 三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBNICNICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。基区的电子作为集电结少子，漂移进集电区被集电极收集，形成ICN。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。第7页，本讲稿共32页 发射极是输入回路和输出回路的公共端 共射放大电路 共射放大电路输入回路输出回路 测量晶体管特性的实验线路 测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV+3 3、特性曲线特性曲线第8页，本讲稿共32页1)1)输入特性输入特性特点特点:非线性 非线性正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：NPN NPN 型硅管，型硅管，U UBE BE 0.7V 0.7VPNP PNP 型锗管，型锗管，U UBE BE 0.3V 0.3VIB(A)UBE(V)204060800.4 0.8UCE1VOUBEIB+RBEB第9页，本讲稿共32页2)输出特性IB=020A40 A60 A80 A100 A36IC(mA)1234UCE(V)9 12O输出特性曲线通常分三个工作区：输出特性曲线通常分三个工作区：ICmAUCE IBECV+第10页，本讲稿共32页IB=020 A40 A60 A80 A100 A36IC(mA)1234UCE(V)9 120放大区 放大区 放大区 在放大区有 在放大区有 I IC C=I IB B，称为 称为 线性区 线性区，具有，具有 恒流特性 恒流特性。发射结正偏 发射结正偏、集电结反偏 集电结反偏，晶体管工作于，晶体管工作于 放大 放大 状态。状态。截止区 截止区I IB B=0=0 以下区域 以下区域，有，有 I IC C 0 0。发射结、集电结均反偏 发射结、集电结均反偏，晶体管工作，晶体管工作在 在 截止 截止 状态。状态。饱和区 饱和区 当 当U UCE CE U UBE BE时 时，晶体管工作在 晶体管工作在 饱和 饱和 状态。状态。I IC C I IB B 发射结、发射结、集电结均正 集电结均正 偏。偏。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管 锗管U UCES CES 0.1V 0.1V。饱 饱和 和区 区截止区截止区U UCES CES第1 1页，本讲稿共32页4 4、主要参数 主要参数1)1)电流放大系数：电流放大系数：、直流电流放大系数直流电流放大系数 交流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共射极电路时，当晶体管接成共射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：注意：和和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且距并且IICE0 CE0 较小的情况下，两者数值非常接近。较小的情况下，两者数值非常接近。常用晶体管的常用晶体管的值在值在20 20020 200 之间。之间。第12页，本讲稿共32页2)2)集集-基极反向饱和电流基极反向饱和电流 IICBOCBO IICBOCBO是由少数载流子的漂移 是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的 运动所形成的电流，受温度的影响大。影响大。温度 温度IICBOCBOICBOA+EC3)3)集 集-射极穿透电流 射极穿透电流IICEO CEOAICEOIB=0+IICEOCEO受温度的影响大。受温度的影响大。温度 温度 IICEO CEO，所以 所以IIC C也相也相应增加。应增加。三极管的温度特三极管的温度特性较差。性较差。第13页，本讲稿共32页4)4)集电极最大允许电流集电极最大允许电流 IICMCM5)5)集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压UUCEO(BR)CEO(BR)I IC C超过一定值时，其 超过一定值时，其 值要下降 值要下降。当集 当集 射极之间的电压 射极之间的电压U UCE CE 超过一定的数值时，超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是 三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 25 C C、基极开路时的击穿电压 基极开路时的击穿电压U U CEO(BR)CEO(BR)。6)集电极最大允许耗散功耗PCM P PCM CM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。温升过高会烧坏三极管。PC PCM=IC UCE 硅 硅 管允许结温约为 管允许结温约为150 150 C C，锗 锗 管约为 管约为70 70 90 90 C C。第14页，本讲稿共32页IICCUUCECE=P=PCMCMICMU(BR)CEO安全工作区55、安全工作区、安全工作区ICUCEO过损耗区 过损耗区过流区 过流区反向击穿区 反向击穿区第15页，本讲稿共32页工作在放大状态，利用 工作在放大状态，利用IIBB对 对IICC的控制作用。的控制作用。1.1.用于交流放大电路中用于交流放大电路中 IIC C=I ICEO CEO 0 0，c c、ee之间相当于断路，之间相当于断路，三极管相当于一个开关处于三极管相当于一个开关处于断开断开 状态。状态。U UCES CES 0 0，cc、e e之间相当于短路，之间相当于短路，三极管相当于一个开关处于三极管相当于一个开关处于接通接通状态。状态。2.2.用于数字电路中用于数字电路中工作在截止或饱和状态，利用其开关特性。工作在截止或饱和状态，利用其开关特性。截止时截止时：饱和时饱和时：66、主要应用、主要应用第16页，本讲稿共32页7、三极管型号的含义2)用字母表示三极管的材料与类型。如A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。3)由字母组成，表示器件类型，即表明管子的功能。如:X表示低频小功率管，G表示高频小功率管，D表示低频大功率管，A表示高频大功率管。三极管的型号一般由五部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG12B为例说明各部分的含义。1)用数字表示电极数目。“3”代表三极管。4)用数字表示三极管的序号。(5)由字母组成,表示三极管的规格号。第17页，本讲稿共32页8、常见三极管的外形结构实物照片第18页，本讲稿共32页1、器件特点：1)单极性器件(只有一种载流子参与导电)3)工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。2)输入电阻很高(107 1015，IGFET 可高达 1015)五、场效应管(FET Field Effect Transistor)19第19页，本讲稿共32页2、结构与符号N 沟道 JFETP 沟道 JFET20第20页，本讲稿共32页4、转移特性和输出特性UGS(off)当 UGS(off)uGS 0 时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO21第21页，本讲稿共32页1)、增强型 N 沟道 MOSFET(Mental Oxide Semicoductor FET)5、MOS 场效应管结构与符号P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层S D用金属铝引出源极 S 和漏极 DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极 GB耗尽层S 源极 SourceG 栅极 Grid D 漏极 DrainSGDB22第22页，本讲稿共32页转移特性曲线2 4 64321uGS/ViD/mAUDS=10 VUGS(th)当 uGS UGS(th)时：uGS=2UGS(th)时的 iD 值开启电压O23第23页，本讲稿共32页输出特性曲线可变电阻区uDS uGS UGS(th)uDS iD，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD 不变uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS UGS(th)全夹断 iD=0 iD/mAuDS/VuGS=2 V4 V6 V8 V截止区 饱和区可变电阻区放大区恒流区O24第24页，本讲稿共32页2)耗尽型 N 沟道 MOSFETSGDB Sio2 绝 缘 层 中 掺 入 适 量 的 正 离 子 在 uGS=0 时 已 形 成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，uGS UGS(off)时，全夹断。结构与符号25第25页，本讲稿共32页输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当 uGS UGS(off)时，uDS/ViD/mAuGS=4 V 2 V0 V2 VOO转移特性曲线 输出特性曲线26第26页，本讲稿共32页6、场效应管的主要参数1)开启电压 UGS(th)(增强型)夹断电压 UGS(off)(耗尽型)指 uDS=某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS 值。UGS(th)UGS(off)2)饱和漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO27第27页，本讲稿共32页UGS(th)UGS(off)3)直流输入电阻 RGS指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO28第28页，本讲稿共32页4)低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力 放大倍数，单位 S(西门子)。一般为几毫西(mS)uGS/ViD/mAQO29第29页，本讲稿共32页1.器件的类型按导电沟道分 N 沟道P 沟道按结构分 绝缘栅型(MOS)结型按特性分 增强型耗尽型uGS=0 时，iD=0uGS=0 时，iD 0增强型耗尽型(耗尽型)30六、场效应管知识小结第30页，本讲稿共32页2.主要特点通过栅源极之间的电压改变沟道宽度控制漏极电流。输入电阻高，工艺简单，容易集成。由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述。3.工作特性31第31页，本讲稿共32页4.不同类型 FET 转移特性比较结型N 沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS 管(耗尽型)IDSS开启电压 UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO 是 uGS=2UGS(th)时的 iD 值32第32页，本讲稿共32页