第二章三极管精选PPT.ppt

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1、第二章三极管第1页，本讲稿共61页双极型：两种载流子单极型：一种载流子 半导体三极管晶体管 BJT场效应管 FET半导体三极管具有放大和开关作用第2页，本讲稿共61页 NPN三极管的结构和符号晶体管的结构晶体管的结构1.NPN型晶体管(c)NPN管的符号(a)NPN管的结构示意图(b)NPN管的管芯结构剖面示意图第3页，本讲稿共61页PNP三极管的结构和符号2.PNP型晶体管(a)PNP管的符号(b)PNP管的结构示意图第4页，本讲稿共61页分类分类：按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 W中功率管中功率管 0.5 1 W第5页，本讲稿共61页1.晶

2、体管放大的条件晶体管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大,浓度低浓度低外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极晶体管的工作原理晶体管的工作原理第6页，本讲稿共61页AmAmAICIBIEUBBUCCRB3DG6NPN型晶体管电流放大的实验电路RCCEB 左图所示为验证三极管电左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电

3、路。其中，电路接法称为共射电路。其中，直流电压源直流电压源UCCCC应大于应大于UBBBB，从而，从而使电路满足放大的外部条件：发使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻改变可调电阻RB，基极电流，基极电流IB，集电极电流集电极电流IC和发射极电流和发射极电流IE都都会发生变化，由测量结果可得出以会发生变化，由测量结果可得出以下结论：下结论：1.IE IB IC （符合（符合KCL定律）定律）2.IC IB，为管子的流放大系数，用来表征三为管子的流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力：极管的电流放大能力：3.IC IB 结论：结论：

4、结论：结论：三极管是一种具有电流放大作用三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。的模拟器件。3.电流放大原理电流放大原理第7页，本讲稿共61页1 1、发射区向基区扩散电子的过程：、发射区向基区扩散电子的过程：、发射区向基区扩散电子的过程：、发射区向基区扩散电子的过程：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流源补充进电子，形成发射极电流IE。2 2、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散

5、和复合过程：由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。实验表明：实验表明：实验表明：实验表明：IC比比IB大数十至数百倍，因而大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对虽然很小，但对IC有控制作用，有控制作用，IC随随IB的改变而改变，即的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有

6、小量控制大基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，量的作用，这就是三极管的这就是三极管的电流放大作用电流放大作用电流放大作用电流放大作用。3 3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流电区，从而形成较大的集电极电流IC。第8页，本讲稿共61页内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子

7、发射区向基区注入多子电子电子，形成发射电流形成发射电流 IE。I CNIE少数电子与空穴复合，形成少数电子与空穴复合，形成 IBN。I BN基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供(IB)集电区少子漂移集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB+ICBO即：即：IB=IBN ICBO 2)电子到达基区后电子到达基区后第9页，本讲稿共61页I CNIEI BNI CBOIB 3)集电区收集扩散过集电区收集扩散过 来的载流子形成集来的载流子形成集 电极电流电极电流 ICICI C=ICN +ICBO 第10页，本讲稿共61页4.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系当当管管子子

8、制制成成后后，发发射射区区载载流流子子浓浓度度、基基区区宽宽度度、集集电电结结面面积积等等确定，故电流的比例关系确定，即：确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I BN ICBO IC=ICN +ICBO穿透电流穿透电流第11页，本讲稿共61页IE=IC+IB第12页，本讲稿共61页三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程发射结加正偏电压集电结加反偏电压(1)发射区向基区发射区向基区 注入载流子注入载流子(2)载流子在基区载流子在基区 扩散与复合扩散与复合(3)集电区收集集电区收集 载流子载流子ICN注意：注意：少数载流子的漂移运动少数载流子的漂移运动ICBO 第13页，本讲稿共6

9、1页1、输入特性、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路与二极管特性相似与二极管特性相似晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线第14页，本讲稿共61页O特性基本特性基本重合重合特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)导通电压导通电压 UBE(on)硅管：硅管：(0.6 0.8)V锗管：锗管：(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 V第15页，本讲稿共61页iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43211）放大区）放大区条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏放大区放大区截止区2、输出特性饱和区第16页，本

10、讲稿共61页iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43212）饱和区饱和区条件：条件：两个结正偏两个结正偏临界饱和时：临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：饱和压降深度饱和时：饱和压降UCE(sat)=0.3 V；相当于管子短接相当于管子短接放大区截止区饱饱和和区区第17页，本讲稿共61页iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321截止区截止区ICEO3）截止区）截止区 条件：条件：发射结（零）反偏发射结（零）反偏 集电结反偏集电结反偏放大区饱和区 可靠截止可靠截止：发射结不能正偏导通时，已经

11、截止。：发射结不能正偏导通时，已经截止。第18页，本讲稿共61页3、温度对特性曲线的影响、温度对特性曲线的影响1）温度升高，输入特性曲线温度升高，输入特性曲线向左移。向左移。温度每升高温度每升高 1 C，UBE (2 2.5)mV。温度每升高温度每升高 10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。OT2 T1第19页，本讲稿共61页2）温度升高，输出特性曲线温度升高，输出特性曲线向上移。向上移。iCuCE T1iB=0T2 iB=0温度每升高温度每升高 1 C，(0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。输出特性曲线间距增大。O第20页，本讲稿共61页1、电流放大系数、电流放大系数1）共发射极电

12、流放大系数共发射极电流放大系数iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321 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一般为几十一般为几十 几百几百Q3.晶体管的主要参数晶体管的主要参数第21页，本讲稿共61页iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43212）共基极电流放大系数）共基极电流放大系数 1 一般在一般在 0.98 以上。以上。Q2、极间反向饱和电流、极间反向饱和电流CB 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICBO，CE 极间反向饱和电流极间反向饱和电流

13、ICEO。第22页，本讲稿共61页3、极限参数、极限参数1）ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。2）PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM=iC uCEiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全 工 作 区第23页，本讲稿共61页U(BR)CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR

14、)CEO U(BR)EBO3）反向击穿电压第24页，本讲稿共61页晶体管电路的基本问题和分析方法晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态三种工作状态状态电流关系 条 件放大放大I C=IB发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏饱和饱和 I C IB两个结正偏两个结正偏ICS=IBS 集电结零偏集电结零偏临界临界截止截止IB U(th)则则导通导通以以 NPN为为 例：例：UBE UB UE放大放大UE UC UB饱和饱和PNP 管管UC UB UC U B饱和饱和2.电流判别法电流判别法IB IBS 则则饱和饱和IB 0 此时此时 uGD=UGS(off)；沟道楔型沟道楔型耗尽层刚相碰时称

15、耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。当当 uDS ，预夹断预夹断点点下移。下移。第32页，本讲稿共61页3.转移特性和输出特性转移特性和输出特性UGS(off)当当 UGS(off)uGS 0 时时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO第33页，本讲稿共61页一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)2 MOS 场效应管场效应管1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘

16、层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗尽层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDBMOS管结构演示动画管结构演示动画第34页，本讲稿共61页2.工作原理工作原理1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uDS=0)反型层反型层(沟道沟道)第35页，本讲稿共61页1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uDS=0)a.当当 UGS=0，DS 间为两个背对背的间为两个背对背的 PN 结；结；b.当当 0 UGS UGS(th)DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道

17、道呈呈楔楔形形，uDS，靠靠近近漏极端的沟道厚度变薄。漏极端的沟道厚度变薄。预夹断预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。第37页，本讲稿共61页3.转移特性曲线转移特性曲线2 4 64321uGS/ViD/mAUDS=10 VUGS(th)当当 uGS UGS(th)时：时：uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值开启电压开启电压O第38页，本讲稿共61页4.输出特性曲线输出特性曲线可变电阻区可变电阻区uDS 107 MOSFET：RGS=109 101

18、5IDSSuGS/ViD/mAO第46页，本讲稿共61页4.低频跨导低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几。一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQO第47页，本讲稿共61页PDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM第48页，本讲稿共61页小结小结第49页，本讲稿共61页3.二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型 (大信号状态采用大信号状态采用)uDiD正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反

19、偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on)时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3)V0.2 V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)第50页，本讲稿共61页一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子 自由电子自由电子空穴空穴 价电子价电子两两 种

20、种半导体半导体N 型型 (多电子多电子)P 型型 (多空穴多空穴)二、二、二、二、二极管二极管1.1.特性特性特性特性 单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小(理想为理想为 0)，反向电阻大反向电阻大()。第51页，本讲稿共61页iDO uDU(BR)I FURM2.2.主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿超过则击穿)反向饱和电流反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响受温度影响)IS第52页，本讲稿共61页4.二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5.

21、特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光敏二极管光敏二极管反反 偏偏光电转换光电转换第53页，本讲稿共61页三、两种半导体放大器件三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管双极型半导体三极管(晶体三极管晶体三极管 BJT)单极型半导体三极管单极型半导体三极管(场效应管场效应管 FET)两种载流子导电两种载流子导电多数载流子导电多数载流子导电晶体三极管晶体三极管1.形式与结构形式与结构NPNPNP三区、三极、两结三区、三极、两结2.特点特点基极电流控制集电极电流并实现基极电流控制集电极电流并实现放大放大第

22、54页，本讲稿共61页放放大大条条件件内因：发射区载流子浓度高、内因：发射区载流子浓度高、基区薄、集电区面积大基区薄、集电区面积大外因：外因：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏3.电流关系电流关系IE=IC+IBIC=IB+ICEO IE=(1+)IB+ICEOIE=IC+IBIC=IB IE=(1+)IB 第55页，本讲稿共61页4.特性iC/mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321O0.4 0.8iB/AuBE/V60402080死区电压(Uth)：0.5 V(硅管)0.1 V(锗管)工作电压(UBE(on)：0.6 0.8

23、V 取 0.7 V(硅管)0.2 0.3 V 取 0.3 V(锗管)饱和区截止区第56页，本讲稿共61页iC/mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321放大区放大区饱和区截止区放大区特点：放大区特点：1)iB 决定决定 iC2)曲线水平表示恒流曲线水平表示恒流3)曲线间隔表示受控曲线间隔表示受控第57页，本讲稿共61页5.参数参数特性参数特性参数电流放大倍数电流放大倍数 =/(1 )=/(1+)极间反向电流极间反向电流ICBOICEO极限参数极限参数ICMPCMU(BR)CEOuCEOICEOiCICMU(BR)CEOPCM安安 全全 工工

24、作作 区区=(1+)ICBO第58页，本讲稿共61页场效应管场效应管1.分类分类按导电沟道分按导电沟道分 N 沟道沟道P 沟道沟道按结构分按结构分 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)结型结型按特性分按特性分 增强型增强型耗尽型耗尽型uGS=0 时，时，iD=0uGS=0 时，时，iD 0增强型增强型耗尽型耗尽型(耗尽型耗尽型)第59页，本讲稿共61页2.特点特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成输入电阻高，工艺简单，易集成由于由于 FET 无栅极电流，故采用无栅极电流，故采用转移特性转移特性和和输出特性输出特性描述描述3.特性特性不同类型不同类型 FET 的特性比较参见的特性比较参见 表表1-2 第第 6 4页页第60页，本讲稿共61页不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS/ViD/mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS 管管(耗尽型耗尽型)IDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO 是是 uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值第61页，本讲稿共61页