大学电路-第六章-2概要.ppt

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1、双极型三极管双极型三极管n半导体三极管的结构半导体三极管的结构n三极管三极管工作状态和电路组态工作状态和电路组态n三极管各电极的电流关系三极管各电极的电流关系n三极管的共射极特性曲线三极管的共射极特性曲线n半导体三极管的参数半导体三极管的参数n三极管的型号三极管的型号n三极管应用三极管应用6.3.1 半导体半导体三极管的结构三极管的结构 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型它有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。e-b间的PN结称为发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结(Jc)中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base

2、）；一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。双极型三极管的符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。半导体三极管的结构半导体三极管的结构 从外表上看两个从外表上看两个N区区,(或两个或两个P区区)是对称的，实际上是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低集电区掺杂浓度低，且，且集电区集电区结面积大结面积大。基区要制造得很薄基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微，其厚度一般在几个微米至几十个微米。米至几十个微米。6.3.2 三三极管的工作状态和电路组态极管的工作状态和电路组态一、一

3、、三极管的工作状态三极管的工作状态 根据集电结和发射结所加的偏置电压的极性的不同，根据集电结和发射结所加的偏置电压的极性的不同，三极管工作时，可以有以下四种工作状态：三极管工作时，可以有以下四种工作状态：（1）放大工作状态：发射结正偏，集电结反偏。）放大工作状态：发射结正偏，集电结反偏。（2）饱和状态：发射结正偏，集电结正偏。）饱和状态：发射结正偏，集电结正偏。（3）截止状态：发射结反偏，集电结反偏。）截止状态：发射结反偏，集电结反偏。（4）反向状态：发射结反偏，集电结正偏。）反向状态：发射结反偏，集电结正偏。通常在放大电路中，利用的是放大工作状态，而在通常在放大电路中，利用的是放大工作状态，

4、而在数字电路中，主要应用的是饱和和截止工作状态。数字电路中，主要应用的是饱和和截止工作状态。二、二、三极管各电极的电流关系三极管各电极的电流关系 1.1.三种组态三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种电极。三种接法也称三种组态组态，见下图，见下图 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

5、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；IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBO 称为称为共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流与总发射极电流IE的比值。的比值。ICN与与IE相比，小于相比，小于1,但接近但接近1，一般为，一般为0.9 8 0.999。由此可得。由此可得:2.三极管的电流放大系数三极管的电流放大系数（1）共基极组态：）共基极组态：对于集电极电流对于集电极电流IC和和发射极电流发射极电流IE之间的关系可以用系数之间的关系可以用系数来说明，定义来说明，

6、定义:ICBO为集电结反向饱和漏电流，满足集电结反向饱和漏电流，满足Ic|IE=0=ICBO。IEICEO为基极开路时流过集电极和发射为基极开路时流过集电极和发射集的电流，称为穿透电流。其值很小，集的电流，称为穿透电流。其值很小，可忽略。可忽略。CEOBCBOBCBOBIIIIII+=+=-+-=bbbaaa)1(11IC发射极是电路公共端，基极是输入端，集电极是输端。发射极是电路公共端，基极是输入端，集电极是输端。I IE E=I=IC C+I+IB B称称为为共共发发射射极极直直流流放放大大系系数数(2)共共发射极组态发射极组态IC=IE+ICBO将将上式代入上式代入得(3)共共集电极组态

7、集电极组态集电极是电路公共端，基极是输入端，发射极是输出端。集电极是电路公共端，基极是输入端，发射极是输出端。I IE E=I=IC C+I+IB BIc6.3.3 三极管的共射极特性曲线三极管的共射极特性曲线 输入特性曲线 iB=f(vBE)vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE)iB=const共发射极接法三极管的特性曲线共发射极接法三极管的特性曲线：这两条曲线是共发射极接这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。法的特性曲线。iB是输入是输入电流，电流，vBE是输入电压是输入电压，加，加在在B、E两电极之间。两电极之间。iC是是输出电流，输出电流，vCE是输出电压是输出电压，从从C

8、、E两电极取出。两电极取出。RCRbVccBBV+_VoiBiCiE+_vBE+_vCEbce1.输入特性曲线输入特性曲线VCE一定时，一定时，iB与与vBE之间的变化关系：之间的变化关系：由于受集电结电压的影响，由于受集电结电压的影响，输入特性与一个单独的输入特性与一个单独的PN结结的伏安特性曲线有所不同。的伏安特性曲线有所不同。在讨论输入特性曲线时，设在讨论输入特性曲线时，设vCE=const(常数常数)。(1)VCE=0时时：b、e间加正向间加正向电压，电压，JC和和JE都正偏，都正偏，JC没有吸引电子的能力。没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二所以其特性相当于两个二极管并联极管并

9、联PN结的特性。结的特性。VCE=0V：两个两个PN结并联结并联输入特性曲线输入特性曲线(2)VCE1V时，时，b、e间加正向电压，这时间加正向电压，这时JE正偏，正偏，JC反反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只收集，只有小部分与基区多子形成电流有小部分与基区多子形成电流IB。所以在相同的所以在相同的VBE下，下，IB要比要比VCE=0V时小。时小。VCE1V：iB比比VCE=0V时小时小(3)VCE介于介于01V之间时之间时，JC反偏不够，吸引电子的能反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着力不够强。随着VCE的增加，的增加，吸引电子的能力逐

10、渐增强，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。逐渐减小，曲线向右移动。0VCE1V:VCE iB 2.输出特性曲线输出特性曲线表示表示IB一定时，一定时，iC与与vCE之间的变化关系。之间的变化关系。放放大大区区饱饱和和区区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0(1)放大区放大区JE正偏，正偏，JC反偏反偏，对应一对应一个个IB，iC基本不随基本不随vCE增大，增大，IC=IB。处于放大区的三极管处于放大区的三极管相相当于一个电流控制电流当于一个电流控制电流源。源。(2)截止区：对应截止区：对应IB 0的区的

11、区域，域，JC和和JE都反偏，都反偏，IB=IC=0输出特性曲线输出特性曲线(3)饱和区饱和区对应于对应于vCEvBE的区域，集电结处于的区域，集电结处于正偏，吸引电子的能正偏，吸引电子的能力较弱力较弱。随着随着vCE增加，增加，集电结吸引电子能力集电结吸引电子能力增强，增强，iC增大。增大。JC和和JE都正偏，都正偏，VCES约等于约等于0.3V，IC IB饱和时饱和时c、e间电压记为间电压记为VCES，深度饱和时深度饱和时VCES约等于约等于0.3V。饱和时的三极管饱和时的三极管c、e间间相当于一个压控电阻相当于一个压控电阻。放放大大区区饱饱和和区区截止区0uA100uA80uA60uA4

12、0uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0输出特性曲线总结输出特性曲线总结饱和区iC受受vCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内vCE的的 数值较小，一般数值较小，一般vCE0.7 V(硅管硅管)。此时。此时 发射结正偏，发射结正偏，集电结正偏集电结正偏或反偏电压很小或反偏电压很小。截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。此时，此时，发射结反偏，发射结反偏，集电结反偏。集电结反偏。放大区iC平行于平行于vCE轴的区域，曲线基本轴的区域，曲线基本平行等距。平行等距。此时，此时，发射发射结正偏，结正偏，集电结反偏，

13、集电结反偏，电压大于电压大于0.7 V左右左右(硅硅管管)。三极管工作情况总结三极管工作情况总结状态状态发射结发射结集电结集电结IC截止截止反偏或零偏反偏或零偏反偏反偏0放大放大正偏正偏反偏反偏 IB饱和饱和正偏正偏正偏正偏00 1+1+IB饱和饱和I IB BI IBSBSIIB B(1+IIB B IB表表2 2中，中，I IBSBS称为三极管临界饱和时基极应注入的电流称为三极管临界饱和时基极应注入的电流，表表2 23.温度对三极管特性的影响温度对三极管特性的影响温度升高使：温度升高使：（1）输入特性曲线左移）输入特性曲线左移（2）ICBO增大，输出特性曲线上移增大，输出特性曲线上移（3）

14、增大增大6.4 半导体三极管的参数半导体三极管的参数半导体三极管的参数分为三大类半导体三极管的参数分为三大类:直流参数直流参数 交流参数交流参数 极限参数极限参数1.1.直流参数直流参数 直流电流放大系数直流电流放大系数 a.共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =IC/IE=IB/1+IB=/1+三极管的三极管的直流参数直流参数 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于直于X轴的直线轴的直线(vCE=const)来求取来求取IC/IB，如下左图所示。如下左图所示。在在IC较小时和较小时和IC较大时，较大时，会有所减小，这

15、一关系见下右图会有所减小，这一关系见下右图。b.b.共射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数：=（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const三极管的三极管的直流参数直流参数b.集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和和ICBO之间的关系：之间的关系：ICEO=（1+）ICBO相当于基极开路时，集电极和相当于基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线输出特性曲线I IB B=0=0时曲线所对时曲线所对应的应的Y Y坐标的数值坐标的数值,如图所示。如图所示。极间反向电流极间反向电流a.集电极基极间反向饱和电流

16、集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标的下标CB代表集电极和基极，代表集电极和基极，O是是Open的字头，代的字头，代表第三个电极表第三个电极E开开路。它相当于集电结的反向饱和电流路。它相当于集电结的反向饱和电流。三极管的三极管的交流交流参数参数2.2.交流参数交流参数交流电流放大系数交流电流放大系数 a.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 =IC/IB vCE=const 在放大区在放大区 值基本不值基本不变，可在共射接法变，可在共射接法输出特性曲线上通输出特性曲线上通过垂直于过垂直于X 轴的直轴的直线求取线求取 IC/IB。具。具体方法如图所示。体方法如图所示。三极

17、管的三极管的交流交流参数参数 b.b.共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const 当当ICBO和和ICEO很小时，很小时，、，可以不加区分可以不加区分。特征频率特征频率fT 三极管的三极管的 值不仅与工作电流有关，而且与值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的增加时，三极管的 将会下降。将会下降。当当 下降到下降到1 1时所对时所对应的频率称为特征频率，用应的频率称为特征频率，用f fT T表示。表示。f fT T 随着工作随着工作电压、工作电流的不同而变化，手册中给出的一

18、电压、工作电流的不同而变化，手册中给出的一般是一定工作状态下的特征频率。般是一定工作状态下的特征频率。三极管的三极管的极限极限参数参数 如图所示，当集电极电流增加时，如图所示，当集电极电流增加时，就要下降，就要下降，当当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值的值的70703030时，所对应的集电极时，所对应的集电极电流称为电流称为集电极最大允许电集电极最大允许电流流I ICMCM。至于至于 值值下降下降多少，不同型号的三多少，不同型号的三极管，不同的厂家的极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，规定有所差别。可见，当当I IC CI ICMCM时，并不表时，并不表示三极管会损坏。示三极管会损

19、坏。(3)极限参数极限参数集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM三极管的三极管的极限极限参数参数集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗P PCMCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗为，集电极电流通过集电结时所产生的功耗为，PC=ICVCBICVCEPCM 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在集电结上。在计算时往往用在计算时往往用VCE取代取代VCB。三极管的三极管的极限极限参数参数反向击穿电压反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图所示。受反向电压的能力

20、，其测试时的原理电路如图所示。BRBR代表击穿之意，是代表击穿之意，是BreakdownBreakdown的字头。的字头。几个击穿电压在大小上有如下关系：几个击穿电压在大小上有如下关系：V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR)EBO三极管的三极管的极限极限参数参数 a.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。发射极开路时的集电结击穿电压。下标下标CB代表集电极和基极，代表集电极和基极，O代表第三个电极代表第三个电极E开路。开路。b.V(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。集电极开路时发射结的击穿电压。c.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的

21、基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。击穿电压。对于对于 V(BR)CER表示表示BE间接有电阻，间接有电阻，V(BR)CES表示表示BE间是短路的。间是短路的。三极管的安全工作区三极管的安全工作区由由PCM、ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见下图。损耗区、过电流区和击穿区，见下图。三极管的参数三极管的参数参参 数数型型 号号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126*83BX31C 125 125 125 125

22、 40 40 24 246 6*8 83CG101C3CG101C 100 100 3030 45 450.10.1 100 1003DG123C3DG123C 500 500 5050 40 40 30 300.350.353DD101D3DD101D 5A 5A 5A5A 300 300 250 2504 42 2mA3DK100B3DK100B 100 100 3030 25 25 15 150.10.1 300 3003DKG23250250W 30A 30A 400 400 325 325 8 8注：注：*为为 f 6.5 6.5 三极管的型号三极管的型号第二位：第二位：A锗锗PNP

23、管、管、B锗锗NPN管、管、C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B 用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管例例6.16.1：判断三极管的工作状态：判断三极管的工作状态 测量得到三极管三个电极对地电位如图所示

24、，测量得到三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。试判断三极管的工作状态。放大截止饱和例例6.26.2：判断三极管的工作状态判断三极管的工作状态用数字电压表测得用数字电压表测得VB=4.5 V、VE=3.8 V、VC=8 V，试判断三极管的工作状态。试判断三极管的工作状态。7.4 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 场效应管场效应管是一种利用输入电压产生的电场效应来是一种利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的一种半导体器件，控制输出电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子是仅由一种载流子参与导电的半导体器件参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，。从参与导电的载

25、流子来划分，它有电子作为载流子的它有电子作为载流子的N N沟道沟道器件和空穴作为载流子器件和空穴作为载流子的的P P沟道沟道器件。器件。场效应管：场效应管：结型结型N N沟道沟道P P沟道沟道 MOSMOS型型N N沟道沟道P P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型7.4.1 场效应管场效应管 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Field Effect TransisterTransister 简写为简写为FET)FET)，简称简称场效应管场效应管,它的外部有三个电极它的外部有三个电极,分别称为分别称为:源极源极:S(Source):S(Source)，

26、相当相当e e栅极栅极:G(Gate):G(Gate)，相当相当b b漏极漏极D(Drain)D(Drain)，相当相当c c另外有些另外有些FETFET还有一个称为衬底的电极还有一个称为衬底的电极B(Substrate);B(Substrate);它是它是一种电压控制的有源器件一种电压控制的有源器件,具有输入阻抗高具有输入阻抗高(可达可达10108 810101515),),易于集成易于集成,热稳定性好热稳定性好,抗辐射能力强抗辐射能力强,噪声小噪声小等特点等特点,在大规模集成电路中得到广泛应用在大规模集成电路中得到广泛应用.根据结构和工作原理的不同根据结构和工作原理的不同,分为分为结型结型

27、和和绝缘栅型绝缘栅型两大类。两大类。它们都是依靠半导体中的多数载流子来实现导电的器件它们都是依靠半导体中的多数载流子来实现导电的器件,因此又称为单极型晶体管因此又称为单极型晶体管.一、一、结型场效应管结型场效应管 场效应管有三个工作区域：截止区、恒流区、可变场效应管有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。利用利用g-s之间电压来控制之间电压来控制d-s之间的电流。之间的电流。iD=f(uGS)转移特性转移特性uGS增大到增大到一定值，沟道一定值，沟道消失，漏极电消失，漏极电流为流为0。导电导电沟道沟道(以以

28、N沟道为例沟道为例)结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。uGD=UGS(off)时称为预夹断夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流 gm称为跨导，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transister)绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管IGFETIGFET又称金属氧化物场效应又称金属氧化物场效应管管MOSFETMOSFET(Metal Oxide(Metal Oxide Semico

29、nductor FET)Semiconductor FET)是一种是一种利用半导体表面的电场效应，利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于之间是绝缘的，其电阻大于10109 9。耗尽型耗尽型：V VGSGS=0=0时，漏源之间有导电沟道。时，漏源之间有导电沟道。增强型增强型：V VGSGS=0=0时，漏源之间无导电沟道。时，漏源之间无导电沟道。1 1、绝缘栅型场效应、绝缘栅型场效应管结构管结构反型层反型层 u uDSDS 不变，不变，u uGSGS增大，

30、增大，反型层（导电沟道）反型层（导电沟道）将变将变厚变长。当反型层将两个厚变长。当反型层将两个N N区相接时，管子导通。区相接时，管子导通。增强型管增强型管SiO2绝缘层绝缘层耗尽型管耗尽型管加正离子加正离子 uGS=0时就存在导电沟道。时就存在导电沟道。2、绝缘栅型场效应管符号、绝缘栅型场效应管符号1)增强型增强型NMOS管管2)增强型增强型PMOS管管3)耗尽型耗尽型NMOS管管4)耗尽型耗尽型PMOS管管ID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线 vDS/V iD3、特性曲线（以、特性曲线（以N沟道增强型为例）沟道增强型为例）转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电

31、流ID的控制作用。gm 的量纲为mA/V，称为跨导。gm=ID/VGS VDS=const 4、输出特性曲线 vDS/V iD(1)(1)截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS|V|VP P|时时的漏极电流。的漏极电流。(4)极间电容极间电容：漏源电容漏源电容CDS约为约为 0.11pF，栅源电容栅源电容C CGSGS和栅漏极电容和栅漏极电容C CGDGD约为约为1 13pF3pF。场效应管的主要参数场效应管的主要参数(5)(5)低频跨导低频跨导 g gm m ：表示表示v vGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，g gm m 是曲线在某点上的斜率，

32、也是曲线在某点上的斜率，也可由可由i iD D的表达式求导得出，单位为的表达式求导得出，单位为 S S 或或 mSmS。(6)漏源击穿电压漏源击穿电压 V V(BR)DS (BR)DS 栅源击穿电压栅源击穿电压 V V(BR)GS(BR)GS 三、双极型和场效应型三极管的比较三、双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构结构NPNNPN型型PNPPNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N N沟道沟道 P P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道C C与与E E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D D与与S S可倒置使用可倒置使用载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移多子漂移控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS(CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(VCCS(g gm m)噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成作业作业nP170 9 12