1、模拟电子技术,第2章半导体三极管及其应用,任务1认识半导体三极管任务2半导体三极管任务3场效应三极管本 章 小 结,任务1认识半导体三极管,1.2.5晶体管 由于在工作时晶体管中的电子和空穴两种载流子都起作用， 因此它属于双极型器件， 也叫做BJT（Bipolar Junction Transistor， 双极型晶体管）。,任务1认识半导体三极管,图1-36晶体管的结构示意图与电路符号,1.2.5.1晶体管的类型、结构及符号1.晶体管的类型2.晶体管的结构及符号,任务1认识半导体三极管,图1-37常见晶体管的外形图,3.晶体管制造工艺特点(晶体管具有电流放大作用的内部特点)1)发射区掺杂浓度很
2、高，结面积较小。2)基区很薄且掺杂浓度很低。3)集电区结面积很大，掺杂浓度介于发射区和基区之间。,e 发射极，b 基极，c 集电极。,晶体管管芯结构剖面图,任务1认识半导体三极管,任务1认识半导体三极管,1.2.5.2晶体管的电流放大作用1.晶体管具有电流放大作用的外部条件,图1-38NPN型晶体管中载流子运动及各电极电流,2.晶体管放大时内部载流子的运动及电流的分布情况,NPN管来说三个电极的电位必须满足,PNP管来说三个电极的电位必须满足,1)发射区向基区注入电子， 形成发射极电流IE。在图1-38中， 由于发射结正偏， 因此， 高掺杂浓度的发射区多子（自由电子）越过发射结向基区扩散， 并
3、不断地从电源负极补进电子，,任务1认识半导体三极管,形成发射极电流 ， 发射极电流的方向与电子流动方向相反， 是流出三极管发射极的（与此同时， 基区多子空穴也向发射区扩散， 但因基区掺杂浓度低， 数量和发射区的电子相比很少， 可以忽略不计）。,2)电子在基区的扩散与复合， 形成基极电流IB。,发射区来的电子注入基区后， 由于浓度差的作用继续向集电结方向扩散。 但因为基区多子为空穴， 所以在扩散过程中， 有一部分自由电子要和基区的空穴复合。 在制造三极管时， 基区被做得很薄， 只有微米数量级、 掺杂浓度又低， 因此被复合掉的只是一小部分， 大部分自由电子可以很快到达集电结。 同时基区从基极正电源
4、补充进空穴，这些被复合的电子形成了流入基极的基极电流IB 。,3)集电区收集电子形成集电极电流IC。,任务1认识半导体三极管,3.电流的分配关系,大部分从发射区“发射”来的自由电子很快扩散到了集电结。 由于集电结反偏， 在这个较强的从N区（集电区）指向P区（基区）的内电场的作用下， 自由电子很快就被吸引、 漂移过了集电结， 到达集电区， 形成集电极电流的主要成分 。 集电极电流的方向是流入集电极的。 除此之外，少数载流子的漂移，包括集电区的空穴和基区的自由电子，构成集电极-基极的反向电流 ，但 很小。,任务1认识半导体三极管,ICEO称为穿透电流，穿透电流是指在基极B开路,集电极C发射极E两极
5、在规定电压时之间的漏电流。 锗材料晶体管此电流非常小,用万用表一般是量不出来的。严格的说均要用专用仪器或晶体管特性图示仪在规定的条件下测量数据才有效。ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 在理想情况下，穿透电流为零。,任务1认识半导体三极管,1.2.5.3晶体管的三种组态,图1-39晶体管的三种基本组态,任务2半导体三极管,1.2.5.4晶体管的特性曲线1.输入特性曲线,图1-40晶体管输入特性曲线,任务2半导体三极管,图1-42共发射极电路输出特性曲线,(1)放大区放大区指输出特性曲线中间平坦区域，一般uCE1V。,2.输出特性曲
6、线,工作在放大区的条件是：外加电压要使发射结处于正偏，集电结处于反偏。,特点： 受 的控制，与 的大小几乎无关，即， = ，因此三极管是一个受电流 控制的电流源。发射结处于正偏，集电结处于反偏。,(2)截止区习惯上把iB0的区域称为截止区，这是指可靠截止，实际上，当uBE0.5V时，即已进入截止状态。,任务2半导体三极管,习惯上把 的区域称为截止区，这是指可靠截止，实际上，当 时，即已进入截止状态。 , , ,管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。显著特点是：在截止区管子的外加电压使发射结和集电结均为反向偏置。,(3)饱和区饱和区指输出特性曲线中，iC上升部分拐弯
7、点的连线与纵轴之间的区域。,指输出特性中， 上升部分拐弯点的连线与纵轴之间的区域。在饱和区 不受 的控制，管子失去放大作用，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。估算时，小功率硅管取0.3V，锗管取0.1V。工作在饱和区的三极管的显著特点是：发射结和集电结均为正向偏置。,(4)击穿区它不是晶体管的工作区域。,它不是三极管的工作区域。当大于一定的数值后，输出特性曲线上翘，若进一步增大，三极管将被击穿损坏。,任务2半导体三极管,1.2.5.5晶体管的主要参数1.电流放大系数(1)共发射极电路直流电流放大系数(2)共发射极电路交流电流放大系数2.极间反向电流(1)集电极基极间反向饱和电流ICB
8、O指在发射极断开时，基极和集电极之间的反向电流，测量电路如图1-43a所示。,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,任务2半导体三极管,图1-43极间反向电流参数测试电路,任务2半导体三极管,(2)集电极发射极间反向电流ICEO指基极开路时，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM当集电极电流超过某一定值时，晶体管性能变差，甚至损坏管子，值将随IC的增加而下降。(2)集电极最大允许耗散功率PCM这个参数表示集电结上允许损耗功率的
9、最大值。PCM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。C PCM =IC UCE,图1-44晶体管的安全工作区域,(3)基极开路时集电极与发射极之间的反向击穿电压U(BR)CEO电源电压UCC使集电结反偏，并产生管压降uCE。,任务2半导体三极管,1.2.5.6复合晶体管,图1-45复合晶体管,任务2半导体三极管,1.2.5.7晶体管的选管原则1)从晶体管的稳定性和安全性考虑，必须保证管子工作在安全工作区域，即iCICM,PCPCM,uCEU(BR)CEO。2)当输入信号频率较高时，选高频管或超高频管；若用于开关电路时，则选开关管。3)当要求反向电流小，允许结温高，且能工作
10、在温度变化大的环境中时，就选硅管；而要求导通电压低时，可选锗管。4)对于同一型号管子，优先选反向电流小的，而值不宜太大。1)当UBEUTH,且0IBS时，晶体管饱和，C、E间相当于开关闭合，IC=ICS。思考题1.晶体管电路有哪几种基本组态？分别画出其电路。2.晶体管具有放大作用的内部条件和外部条件分别是什么？3.晶体管是由两个PN结组成，可否用两个二极管串联组成一个晶体管？4.叙述晶体管共发射极电路三种工作状态的条件和特点。,任务3场效应三极管,1.2.6场效应晶体管前面讨论的晶体管是一种电流控制器件，因为有两种载流子参与导电，又称为双极型三极管。当它工作在放大状态时，需要从信号源中吸取电流
11、，这对于有一定内阻且信号又比较微弱的信号源来说，电压在内阻上的损耗太大，从器件本身来看，就是其输入电阻太小。而场效应晶体管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流大小的，是一种电压控制器件，通常又称为单极型三极管。它是一种载流子参与导电，输入电阻极高，其基本上不需要信号源提供电流，同时还具有热稳定性好、功耗小、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因此在电子电路中得到了广泛应用。1.2.6.1场效应晶体管的基本结构组成,任务3场效应三极管,图1-46N沟道增强型MOS场效应晶体管结构与电路符号,1.2.6.2场效应晶体管的工作原理与特性曲线1.工作原理,任务3场效应三极管,1)如图1-47a
12、所示，给NMOS场效应晶体管加漏源电压UDD，此时的栅源偏压uGS为零，漏源间无原始导电沟道，NMOS场效应晶体管相当于在N+区与P型衬底之间形成两个背靠背串联的PN结， 所以流过管子的只是一个很小的PN结反向电流， 漏极电流几乎为零。,图1-47增强型NMOS场效应晶体管的电压控制作用,任务3场效应三极管,2)当uGS0且uGS较小时，则在uGS的作用下，在栅极下面的二氧化硅中产生一个由栅极指向P衬底的电场，使P衬底中的空穴向下移动到衬底下表面，留下的是不能移动的负电荷，同时少子(自由电子)向上移动到衬底上表面，由于uDS很小，吸引的电子不能形成沟道，所以iD=0。3)若uGS继续增大，当u
13、GS=UGS(th)时，衬底上表面电子增多，形成一个N型薄层，这个薄层称为反型层，形成了一个沟道，只要uDS0，就有电流iD产生，如图1-47b所示。4)导电沟道形成后，在uDS作用下(uDS0)，uGD=uGS-uDS小于栅源电压uGS，uDS增大使iD线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄。2.特性曲线(1)转移特性曲线图1-48a所示为某增强型NMOS场效应晶体管的转移特性曲线。,任务3场效应三极管,(2)输出特性曲线N沟道增强型场效应晶体管的典型输出特性曲线如图1-48b所示。,图1-48增强型NMOS场效应晶体管的伏安特性曲线,1.2.6.3场效应晶体管的主要参数及使用注意事项,任务3场
14、效应三极管,1.场效应晶体管的主要参数(1)性能参数1)开启电压UGS(th)：UGS(th)是在uDS为一常量时，使iD大于零所需的最小uGS值。2)夹断电压uGS(off)：指iD为规定微小电流(如5A)时的uGS，它是结型场效应晶体管和耗尽型MOS场效应晶体管的参数。3)饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在uGS =0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSS。4)直流输入电阻RGS(DC)：RGS(DC)等于栅-源电压与栅极电流之比。5)低频跨导gm：gm数值的大小表示uGS对iD控制能力，即(2)极限参数1)最大漏极电流IDM：IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。,任务3场效应
15、三极管,2)击穿电压：管子进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS称为漏-源击穿电压U(BR)DS，uDS超过此值会使管子烧坏。3)最大栅源电压U(BR)GS：表示栅-源间开始击穿时的电压值。4)最大漏极耗散功率PDM：PDM=uDSiD，耗散功率使管子发热，温度升高，使用时不能超过这个值。2.场效应晶体管使用注意事项1)在使用场效应晶体管时应注意漏源电压、漏源电流、栅源电压、耗散功率等参数不应超过最大允许值。2)场效应晶体管在使用中要特别注意对栅极的保护。3)结型场效应晶体管的栅压不能接反，如使PN结正偏，将造成栅流过大，使管子损坏。,任务3场效应三极管,4)可以用万用表测结型场效应晶体管的PN
16、结正、反向电阻，但绝缘栅型场效应晶体管不能用万用表直接去测三个电极。5)场效应晶体管的漏极和源极互换时，其伏安特性没有明显的变化，但有些产品出厂时已经将源极和衬底连在一起，其漏极和源极就不能互换。1)测试前的准备：测量前，必须做好防静电措施。2)判定电极及类型：测试前用表笔将三个电极同时短路，使其栅极的电荷释放。,任务3场效应三极管, 判定栅极。将万用表拨到R100档，若某脚与其他脚的正、反向电阻都是无穷大，则证明此脚就是栅极G。若有一次是导通的，则这两个电极为D极及S极，若是N沟道的MOS场效应晶体管，则黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极；P沟道的则相反。余下的就是G极了。若测得有两次以上是
17、通的，则表示该管已坏。 判定管子类型及区分漏极和源极。若不知管子类型，则要判定管子的类型。测出栅极后，用万用表的R100档两表笔接触D极和S极(并处于非导通的状态)，分别用手碰触G极与其他两极。若碰触黑表笔时管子导通，则该管为N沟道型，且黑表笔连接的为S极；若碰触红表笔时导通，则该管为P沟道型，且红表笔连接的为S极。在测试时表针摆幅越大，表示管子的跨导越大。,任务3场效应三极管,思考题1.场效应晶体管有哪几项主要参数？2.使用场效应晶体管时，应注意哪些事项？3.为什么称晶体管为电流控制器件?MOS场效应晶体管为电压控制器件？,1.3相关的基本技能,表1-3二极管型号各部分的意义,2.二极管的检
18、测1.3.1.3晶体管的识别与检测1.晶体管的分类、型号及命名,1.3相关的基本技能,(1)分类按所用半导体材料来分，可分为硅管和锗管；按导电极性来分，硅管和锗管均有NPN型和PNP型两种；按工作频率来分，可分为低频和高频管两种；按功率来分，可分为小功率和大功率两种。(2)型号及命名国产的晶体管的型号及命名通常由四个部分组成，晶体管型号各部分的意义见表1-4。,表1-4晶体管型号各部分的意义,1.3相关的基本技能,2.晶体管的检测(1)判断基极和管子的类型将指针式万用表拨在R100或R1k档上，先用黑表笔(红表笔)接触某一电极，再将红表笔(黑表笔)与另外两个电极接触，如果两次测得的结果均很小(
19、大)时，表明该管为NPN型(PNP)晶体管，并且黑表笔(红表笔)接触的电极为基极。(2)判断集电极和发射极在判断出管子的类型和基极的基础上，任意假设一个是发射极，另一个为集电极，对于NPN型晶体管，将黑表笔接假定的集电极，红表笔接发射极，再用手同时捏住管子的基极和集电极，不要将两极直接接触，同时注意表指针摆动幅度的大小，然后使假设的发射极和集电极对调，再次进行测量，观察指针摆动的幅度大小，其中摆动幅度大的那次，说明对发射极和集电极的假设是正确的。,本 章 小 结,1)晶体管由两个背靠背的PN结组成，有基极、发射极和集电极三个电极，它是电流控制器件，主要作用是进行电流放大，实现放大的外部条件是发射结正偏，集电结反偏。2)场效应晶体管利用外部电压对PN结电场强弱的控制实现对导电沟道宽窄的控制，从而达到栅源电压控制漏极电流的目的，它工作时只有一种载流子参与导电，而且输入电阻远大于晶体管，场效应晶体管是电压控制器件。,
