三极管工作原理及详解.ppt

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1、三极管工作原理及详解三极管工作原理及详解半导体三极管的分类：半导体三极管的分类：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按结构和材料按结构和材料共有共有4种组合种组合1.3.2 半导体三极管的工作原理半导体三极管的工作原理半导体半导体半导体三极管半导体三极管有共有四种工作状态有共有四种工作状态：三极管的电流放大条三极管的电流放大条件件内部：发射区高掺杂，内部：发射区高掺杂，基区很薄，集电结面基区很薄，集电结面积大积大外部：发射结外部：发射结正偏正偏，集电结集电结反偏反偏1.工作于放大状态的半导体三极管工作于放大状态的半

2、导体三极管发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏UBB RB UCC RC外电场方向外电场方向ebc三极管的三极管的电流放大条件电流放大条件内部内部：发射区高掺杂，：发射区高掺杂，基区很薄，集电结面基区很薄，集电结面积大积大外部外部：发射结：发射结正偏正偏，集，集电结电结反偏反偏NNPUBB RB UCC RC1、发射区的电子大量地扩散注、发射区的电子大量地扩散注入到基区，基区空穴的扩散可忽入到基区，基区空穴的扩散可忽略。略。ebcIE发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏外电场方向外电场方向NNPUBB RB UCC RC1、发射区的电子大量地扩散注、发射区的电子大量地扩散注入到基区，基

3、区空穴的扩散可忽入到基区，基区空穴的扩散可忽略。略。2、电子扩散的同时，在基区将、电子扩散的同时，在基区将与空穴相遇产生复合。由于基区与空穴相遇产生复合。由于基区空穴浓度低，且基区做得很薄，空穴浓度低，且基区做得很薄，因此，复合的电子是极少数。因此，复合的电子是极少数。3、绝大多数到基区的电子均能、绝大多数到基区的电子均能扩散到集电结处，并在集电结电扩散到集电结处，并在集电结电场作用下到达集电区。场作用下到达集电区。4、因集电结反偏，集电区和基、因集电结反偏，集电区和基区中少子在结电场作用下漂移，区中少子在结电场作用下漂移，形成很小的且与集电结的反偏压形成很小的且与集电结的反偏压无关的反向饱和

4、电流。无关的反向饱和电流。ebcIEIBIC发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏外电场方向外电场方向NNPICBO1、大量电子、大量电子N2通过很通过很薄的基极被集电极吸收，薄的基极被集电极吸收，少量电子少量电子N1在基极与在基极与空穴复合。空穴复合。N2和和N1的的比例由三极管内部结构比例由三极管内部结构决定。决定。在不考虑在不考虑ICBO时：时：IC/IB=N2/N1=2、以上公式是右方电、以上公式是右方电路满足发射结正偏、集路满足发射结正偏、集电结反偏时得到的，一电结反偏时得到的，一旦外界条件改变到不再旦外界条件改变到不再满足这两个条件，则以满足这两个条件，则以上公式不再成立。上公式

5、不再成立。电流分配关系电流分配关系电压分配关系电压分配关系UBE正向导通正向导通:硅管大约硅管大约0.7V锗管大约锗管大约0.2VUCE=UCC-IC*RcUCC-IB*Rc三极管的放大原理归结为：三极管的放大原理归结为：内部机制：内部机制：发射区高掺杂，基区很薄，集电结面积大发射区高掺杂，基区很薄，集电结面积大外部条件：外部条件：发射结发射结正偏正偏，集电结，集电结反偏反偏载流子传输：载流子传输：发射区向基区提供载流子发射区向基区提供载流子基区传送和基区传送和控制控制载流子载流子集电区收集载流子集电区收集载流子 很小的很小的IB控制控制 ICIC=IB基极电流和集电极电流除直流分基极电流和集

6、电极电流除直流分量外还有交流分量，且量外还有交流分量，且iC=iB。放大电路是在放大电路是在ui的作用下，改变的作用下，改变iB，并通过，并通过iB控制直流电源供给集电控制直流电源供给集电极电流极电流iC，使其产生相应的交流分，使其产生相应的交流分量，并在足够大的量，并在足够大的RC上形成较大上形成较大的电压降，就有了可供输出的经的电压降，就有了可供输出的经放大的交流电压放大的交流电压uo。由放大状态进入截止状态由放大状态进入截止状态的的临界情况是发射结电压临界情况是发射结电压为零为零，此时基区的反向电，此时基区的反向电流分别流入发射极和集电流分别流入发射极和集电极。极。2.工作于截止状态的半

7、导体三极管工作于截止状态的半导体三极管放大状态时有：放大状态时有：IC=IB+ICEOIBUCE=UCC-IC*Rc减小减小Rb，IB增大；增大；IC增大，增大，UCE减小减小集电结反偏电压减小。集电结反偏电压减小。3.工作于饱和状态的半导体三极管工作于饱和状态的半导体三极管 饱和后，饱和后，UCE0,IC=(UCC-UCES)/Rc ICUCC/Rc 饱和条件：饱和条件：IBIC/IB(UCC-UCES)/RcUCC/(Rc）三极管饱和三极管饱和时的管压降时的管压降UCE被称作被称作为三极管的为三极管的饱和压降饱和压降UCES4.工作于倒置状态的半导体三极管工作于倒置状态的半导体三极管放大放

8、大倒置倒置由于内部结构原因，集由于内部结构原因，集电区掺杂的浓度低，正电区掺杂的浓度低，正偏的集电区不能提供大偏的集电区不能提供大量的电子发射，发射结量的电子发射，发射结也不能有效收集电子，也不能有效收集电子，所以倒置状态电流放大所以倒置状态电流放大倍数很小，不采用。倍数很小，不采用。NPN型型PNP型型cbebce判断放大状态时的引脚判断放大状态时的引脚UCUBUEUCUBUEUBUCUEUCUBUBUE PNP:UEUBUCSi:UBE=0.7VGe:UBE=0.2Vcbecbecbebcecbe1、无正向导通电压的处在截止状态、无正向导通电压的处在截止状态由引脚电压判断三极管管脚和工作状

9、态由引脚电压判断三极管管脚和工作状态例例1-5 NPN:(3)2V,5V,1V1V2V5V例例1-5 NPN:(1)1V,0.3V,3V (2)0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP:(1)-0.2V,0V,0V (2)-3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和、根据三个电位的集中程度判断是否饱和例例1-5 NPN:(1)1V,0.3V,3V (2)0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP:(1)-0.2V,0V,0V (2)-3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V由引脚电压判断三极管管脚和工作状

10、态由引脚电压判断三极管管脚和工作状态1、无正向导通电压的处在截止状态、无正向导通电压的处在截止状态2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和、根据三个电位的集中程度判断是否饱和3、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极由引脚电压判断三极管管脚和工作状态由引脚电压判断三极管管脚和工作状态1、无正向导通电压的处在截止状态、无正向导通电压的处在截止状态例例1-5 NPN:(2)0.3V,0.3V,1V PNP:(1)-0.2V,0V,0V-0.2V0V-0.05V1V0.3V0.35VNPN:0.35V,0.3V,1V PNP:-0.2V,0V,-0.05

11、V由引脚电压判断三极管管脚和工作状态由引脚电压判断三极管管脚和工作状态例例1-5 NPN:(1)1V,0.3V,3V (2)0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP:(1)-0.2V,0V,0V (2)-3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V1、无正向导通电压的处在截止状态、无正向导通电压的处在截止状态2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和、根据三个电位的集中程度判断是否饱和3、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极4、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压由引脚电压判断三

12、极管管脚和工作状态由引脚电压判断三极管管脚和工作状态例例1-5 NPN:(1)1V,0.3V,3V B E C PNP:(2)-3V,-0.2V,0V C B E (3)1V,1.2V,-2V B E C1、无正向导通电压的处在截止状态、无正向导通电压的处在截止状态2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和、根据三个电位的集中程度判断是否饱和3、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极4、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压5、有正向导通电压有正向导通电压一般一般按放大状态去判断按放大状态去判断讨论：讨论：

13、P40 题题1-18，1-20图图1-33，1-36三极管状态电流判断条件说明三极管状态电流判断条件说明放大、放大、饱和饱和放大状态时：放大状态时：IC=(UCC-UCE)/RC=IB IC随着随着IB的增大而增大的增大而增大饱和状态时：饱和状态时：IC=（UCC-UCES)/RC IC受外电路限制不再随受外电路限制不再随IB变化。变化。三极管饱和压降三极管饱和压降UCES硅硅0.7V,锗锗IC/时，三极管处于时，三极管处于 饱和状态饱和状态（3）当）当IB=IC=0时，三极管处于放大状态时，三极管处于放大状态2、当只有、当只有IB已知时：已知时：（1）当）当0IBIBS时，三极管处于饱和状态

14、时，三极管处于饱和状态3、当只有、当只有IC已知时：已知时：（1）当）当UCE=UCC-ICRCUCES时，三极管处于放大状态时，三极管处于放大状态（2）当）当0UCEUCES时，三极管处于饱和状态时，三极管处于饱和状态硅硅0.7V锗锗0.2V三极管状态电流判断条件说明三极管状态电流判断条件说明UccRccbeUbbRbReUCE射极无电阻时：射极无电阻时：UCE=UCC-ICRC射极有电阻时：射极有电阻时：UCE=UCC-ICRC-IERE UCC-IC(RC+RE)则此时的则此时的IBS=(UCC-UCES)/(RC+RE)UCC/(RC+RE)三极管状态电流判断条件说明三极管状态电流判断

15、条件说明思考：射极加上电阻后的思考：射极加上电阻后的IBS变化吗？如变化如何变化？变化吗？如变化如何变化？例例2.NPN型接法如下。型接法如下。UBE=0.7V，分析电路，分析电路中三极管处于何种工作状态中三极管处于何种工作状态Rb+UccRccbe（a）Rb=100k,Rc=2k,=40,Ucc=5V因为因为IBIBS，所以三极管处在饱和状态所以三极管处在饱和状态例例2.NPN型接法如下。型接法如下。UBE=0.7V，分析电路，分析电路中三极管处于何种工作状态中三极管处于何种工作状态（c）Rb=30k,Rc=2.5k,=35,Ucc=5V,Ui=0V或或3VUi=3V，IBIBS，故三极管处

16、在饱和状态，故三极管处在饱和状态Ui=0V，发射结无正偏，故三极管截止，发射结无正偏，故三极管截止Ui=3VRb+UccRccbeUi1.3.3 半导体三极管的基本组态和特性曲线半导体三极管的基本组态和特性曲线共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示。表示。共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示；表示；共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态三极管共射输入特性曲线研究三极管共射输入特性曲线研究共射电路输入端共射电路输入端IB和和UBE的关系。的关系。

17、一般来说，一般来说，IB和和UBE的关系就是的关系就是一个一个PN结的特性曲线关系。结的特性曲线关系。UCE=0V时，三极管饱和，时，三极管饱和，IB较较大。大。UCE1V时，三极管放大状态，时，三极管放大状态，IB比饱和状态稍少，以后随着比饱和状态稍少，以后随着UCE增大，增大，IB增大不明显。增大不明显。uCE=0VIB(A)uBE(V)204060800.40.8uCE 1V1.共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线截止区：发射结截止区：发射结反偏，集电结反反偏，集电结反偏。偏。IB=0 ,uBEuBE。IB=020 A40 A60 A80 A100 AUCE(V)369121234I

18、C(mA)2.共发射极输出特性曲线共发射极输出特性曲线放大区：发射结正偏，集电放大区：发射结正偏，集电结反偏。结反偏。uBE0且且uCEuBE。IC=IB，0IB 0，uCE uBE。IC IB。IB IBS1.3.4 半导体三极管的主要电参数半导体三极管的主要电参数1.直流直流参数参数共射直流放大系数共射直流放大系数共基直流放大系数共基直流放大系数极间反向电流极间反向电流ICBO：发射极开路，集电结的反向饱和电流：发射极开路，集电结的反向饱和电流ICEO：基极开路，集电极与发射极间穿透电流：基极开路，集电极与发射极间穿透电流2.交流交流参数参数共射交流放大系数共射交流放大系数共基交流放大系数

19、共基交流放大系数3.极限参数极限参数极间反向击穿电压极间反向击穿电压U(BR)EBO，U(BR)CBO，U(BR)CEO最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率PCM=iCuce最大集电极电流最大集电极电流ICM，即使，即使 值明显减小的值明显减小的iC例例1-6 某三极管的极限参数某三极管的极限参数PCM=150mW，ICM=100mA，UBRCEO=30V。问：（。问：（1）若工作电压）若工作电压UCE=10V，求工作电流，求工作电流IC的最大值？（的最大值？（2）若工作电压）若工作电压UCE=1V，求，求IC的最大值？的最大值？（3）若工作电流）若工作电流IC=1mA，求工作电压，求工作电压

20、UCE最大值？最大值？解：三极管的三个极限参数在使用中均不能超过。解：三极管的三个极限参数在使用中均不能超过。（1）因为）因为PCM=ICUCE=150mW，当，当UCE=10V时，时，IC=15mA即为即为此时所允许的最大值。此时所允许的最大值。（2）当）当UCE=10V时，仅从功率的角度考虑，工作电流可达时，仅从功率的角度考虑，工作电流可达IC=150mA。但考虑极限参数，故。但考虑极限参数，故IC=100mA即为此时所允即为此时所允许的最大值。许的最大值。（3）当）当IC=1mA时，仅从功率的角度考虑，可有时，仅从功率的角度考虑，可有UCE=150V。但考虑到但考虑到UBRCEO参数，故

21、参数，故UCE=30V即为此时所允许的最大值。即为此时所允许的最大值。1.3 半导体三极管半导体三极管结构结构放大、饱和、截止的三种工作状态放大、饱和、截止的三种工作状态电流放大原理电流放大原理三种组态三种组态共射组态的输入和输出特性曲线共射组态的输入和输出特性曲线工作状态的判定工作状态的判定思考思考 习题习题18、20第第1章章 半导体器件半导体器件1.1 半导体器件的基础知识半导体器件的基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 场效应管场效应管场场效应晶体三极管简称效应晶体三极管简称场场效应管（效应管（FET）：）：场场效应管分为：效应管分为：结型场效

22、应管结型场效应管（JFET）和）和绝缘栅型场绝缘栅型场效应管效应管（IGFET）。）。是一种是一种通过改变半导体内的电场实现电流控制作用通过改变半导体内的电场实现电流控制作用的半的半导体器件。导体器件。它除了具有与双极型晶体管相同的体积小、重量轻、寿它除了具有与双极型晶体管相同的体积小、重量轻、寿命长等特点外，还具有命长等特点外，还具有输入阻抗高（输入阻抗高（1071015）、噪声）、噪声低、温度稳定好、抗辐射能力强、工艺简单低、温度稳定好、抗辐射能力强、工艺简单等优点，特等优点，特别适用于制造大规模和超大规模集成电路别适用于制造大规模和超大规模集成电路。1.4 场效应管场效应管场效应管场效应

23、管和和双极型晶体管双极型晶体管的重要区别是的重要区别是：双双极型晶体管极型晶体管是通过基极是通过基极或发射极或发射极电流实现对集电极电流实现对集电极电流的控制，参与导电的有电流的控制，参与导电的有两两种载流子即种载流子即多数载流子多数载流子和和少数载流子少数载流子所以叫做所以叫做“电流控制型电流控制型”器件器件或或“双极型双极型”器件器件。而而场效应管场效应管是靠电场效应控制漏极电流的，所以输入端是靠电场效应控制漏极电流的，所以输入端只需电压，且参与导电的只有只需电压，且参与导电的只有一一种载流子即种载流子即多数载流子多数载流子，因此场效应管也叫因此场效应管也叫“电压控制型电压控制型”器件器件

24、或或“单极型单极型”器件器件。1.4.1 结型场效应管结型场效应管1.结构结构三个电极三个电极三个电极三个电极源极和漏极形成沟道源极和漏极形成沟道源极和漏极形成沟道源极和漏极形成沟道栅极控制沟道导通栅极控制沟道导通栅极控制沟道导通栅极控制沟道导通符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？图图1-41 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管图图1-42 P沟道结型场效应管沟道结型场效应管 g gd ds sN N2.工作原理工作原理漏极和源极接通漏极和源极接通漏极和源极接通漏极和源极接通U UDSDS=0=0U UGSGS使使使使PNPN

25、结反偏结反偏结反偏结反偏U UGSGS=0=0随着随着随着随着U UGSGS绝对值逐渐增加：绝对值逐渐增加：绝对值逐渐增加：绝对值逐渐增加：沟道由宽逐渐变窄，最后沟道由宽逐渐变窄，最后沟道由宽逐渐变窄，最后沟道由宽逐渐变窄，最后夹断。夹断。夹断。夹断。Ugs对导电沟道的影响对导电沟道的影响u uGSGSi iD DP PP Pg gd ds sN N2.工作原理工作原理U UGSGS使使使使PNPN结反偏结反偏结反偏结反偏漏、源极加固定电压漏、源极加固定电压漏、源极加固定电压漏、源极加固定电压U UDSDSU UGSGS=0=0随着随着随着随着U UGSGS绝对值逐渐增加：绝对值逐渐增加：绝对

26、值逐渐增加：绝对值逐渐增加：沟道由宽逐渐变窄，最后沟道由宽逐渐变窄，最后沟道由宽逐渐变窄，最后沟道由宽逐渐变窄，最后夹断。夹断。夹断。夹断。Ugs对导电沟道的影响对导电沟道的影响u uGSGSi iD DU UDSDS=10V=10VI IDSSDSSI ID DU UGS(off)GS(off)转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线P PP P2.工作原理工作原理特点（电路与三极管对比）：特点（电路与三极管对比）：特点（电路与三极管对比）：特点（电路与三极管对比）：U UGSGS使使使使JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结反偏，因此结反偏，因此iG 0，输入电阻，输入电阻很高

27、很高。FET用输入电压（利用电场效应）控制漏极电流，用输入电压（利用电场效应）控制漏极电流，用输入电压（利用电场效应）控制漏极电流，用输入电压（利用电场效应）控制漏极电流，是电压控是电压控制电流器件。制电流器件。沟道中仅沟道中仅沟道中仅沟道中仅一种类型的一种类型的多子多子多子多子参与参与导电，受温度影响小。导电，受温度影响小。导电，受温度影响小。导电，受温度影响小。所以场所以场效应管也称为单极型三极管效应管也称为单极型三极管。u uGSGSi iD DU UDSDS=10V=10VI IDSSDSSU UGS(off)GS(off)转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线3.特性曲线特

28、性曲线2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 饱和漏极饱和漏极电流电流夹断电压夹断电压VP恒流放大区恒流放大区可变电可变电阻区阻区截止区截止区击穿区击穿区与三极管对比：与三极管对比：1 1、各特性曲线反映的内容、各特性曲线反映的内容2 2、公式反映的实质、公式反映的实质3 3、输出特性曲线的几个区间、输出特性曲线的几个区间 绝缘栅场效应管的栅极处于绝缘状态，利用半导体表面的绝缘栅场效应管的栅极处于绝缘状态，利用半导体表面的电场电场效应来控制漏极电流，效应来控制漏极电流，输入电阻可高达输入电阻可高达1015。绝缘栅场效应管也有绝缘栅场效应管也有N沟道和沟道和P沟道之分，而且每一类又可沟道之分

29、，而且每一类又可分为分为耗尽型耗尽型和和增强型增强型两种。两种。1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道电压时，没有导电沟道转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线u uGSGSi iD D0 0u uGSGSi iD D0 0耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型增强型增强型增强型增强型P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管分类分类JFET结

30、型结型IGFET绝缘栅型绝缘栅型(MOSFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管：场效应管：栅极栅极g（基极（基极b），漏极），漏极d（集电极（集电极c），源极），源极s（发射极（发射极e）1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.直流参数直流参数（1）夹断电压）夹断电压Up（2）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS（3）开启电压）开启电压UT（4）直流输入电阻）直流输入电阻RGSu uGSGSi iD D0 02.交流

31、参数交流参数（1）低频跨导）低频跨导gm（2）极间电容）极间电容UpIDSSUT耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型增强型增强型增强型增强型gm=转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率 FET BJT电压控制器件电压控制器件 电流控制器件电流控制器件 iD=guGS iC=iBri很大，几乎无很大，几乎无输输入入电电流流 输输入入PN结结正偏，正偏，ri较较小小主要多子主要多子导电导电，受温度影响小，受温度影响小 易受温度影响易受温度影响结结构源漏极构源漏极对对称，可互称，可互换换 结结构要求，构要求，EC不可互不可互换换工工艺简单艺简单，适宜大，适宜大规规模集成模集成MOS管易被静管易被静电击电击穿穿跨跨导导一般不大，在相同条件下一般不大，在相同条件下其其电压电压放大倍数比放大倍数比BJT小小1.4.4 场效应管和晶体管的比较场效应管和晶体管的比较1.4 场效应管场效应管分类、符号、三个电极分类、符号、三个电极特点：特点：输入电阻，输入电阻，电压（电场）电压（电场）控制漏极电流，仅多子导电，受温控制漏极电流，仅多子导电，受温度影响小。度影响小。转移特性和输出特性曲线转移特性和输出特性曲线主要参数主要参数和双极型的对比和双极型的对比结束结束