半導(dǎo)體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管

1、http:/ 電子發(fā)燒 友 http:/ 電子技術(shù) 論壇 第二章第二章 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 三極管三極管 2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管雙極型半導(dǎo)體三極管 2.2單極型半導(dǎo)體三極管單極型半導(dǎo)體三極管 2.3 半導(dǎo)體三極管電路的基本分析方法半導(dǎo)體三極管電路的基本分析方法 2.4 半導(dǎo)體三極管的測(cè)試與應(yīng)用半導(dǎo)體三極管的測(cè)試與應(yīng)用 2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管雙極型半導(dǎo)體三極管 圖 2 - 1 幾種半導(dǎo)體三極管的外形 2.1.1 晶體三極管的工作原理晶體三極管的工作原理 圖 2 2 晶體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào) 一、結(jié)構(gòu)及符號(hào)一、結(jié)構(gòu)及符號(hào) 無(wú)論是npn型或是pnp型的三極管,它們均包含三個(gè) 區(qū): 發(fā)射區(qū)、

2、基區(qū)和集電區(qū), 并相應(yīng)地引出三個(gè)電極： 發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時(shí),在三個(gè)區(qū)的兩兩 交界處, 形成兩個(gè)pn結(jié), 分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。常 用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺, 因此共有四種三極管類型。 它們對(duì)應(yīng)的型號(hào)分別為：3a(鍺pnp)、3b(鍺npn)、 3c(硅pnp)、3d(硅npn)四種系列。 二、二、 三極管的三種連接方式三極管的三種連接方式 b e c ib ieic (a) 共基極 b e ib ie ic (b) 共發(fā)射極 b e ib ie ic (c) 共集電極 c c 圖 2 - 3 三極管的三種連接方式 三、三、 三極管的放大作用三極管的放大作用 1. 載流

3、子的傳輸過(guò)程載流子的傳輸過(guò)程 (1) 發(fā)射。 (2) 擴(kuò)散和復(fù)合。 (3) 收集。 ib rb ubbe ie n p n ic rc ucc c b 圖 2 4 三極管中載流子的傳輸過(guò)程 2. 電流分配電流分配 ib rb ubbe ie n p n ic rc ucc c icn icbo b ibn 圖 2 - 5 三極管電流分配 集電極電流由兩部分組成：和, 前者是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的, 后者是由集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的, 稱為反向飽和電流。 于是有 (2 - 1) 發(fā)射極電流也由兩部分組成：和。 為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流, 是由基區(qū) 向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散

4、的空穴所形成的電流。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)是重?fù)?雜, 所以忽略不計(jì), 即。又分成兩部 分, 主要部分是, 極少部分是。是電子在 基區(qū)與空穴復(fù)合時(shí)所形成的電流, 基區(qū)空穴是由電源 提供的,故它是基極電流的一部分。 bncnene iiii 基極電流是與之差： cbobnb iii (2-2) (2-3) 發(fā)射區(qū)注入的電子絕大多數(shù)能夠到達(dá)集電極, 形成 集電極電流, 即要求。 通常用共基極直流電流放大系數(shù)衡量上述關(guān)系, 用 來(lái)表示, 其定義為 e cn en cn i i i i (2-4) 一般三極管的值為0.970.99。將(2-4)式代入(2-1)式, 可 得 cboecbocnc iiiii (2-

5、5) 通常cbo, 可將忽略, 由上式可得出 e c i i (2-6) 三極管的三個(gè)極的電流滿足節(jié)點(diǎn)電流定律, 即 bce iii 將此式代入(2 - 5)式得 cbobcc iiii )( (2-7) 經(jīng)過(guò)整理后得 cbobc iii 1 1 1 1 b c i i 令 稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)icicbo時(shí), 又可寫成 (2-8) (2-9) ceobcbobc iiiii )1 ( 則 其中iceo稱為穿透電流, 即 cboceo ii)1 ( 一般三極管的約為幾十幾百。太小, 管子的放大能 力就差, 而過(guò)大則管子不夠穩(wěn)定。 表表2 - 1 三極管電流關(guān)系的一組典型數(shù)據(jù)三極管電

6、流關(guān)系的一組典型數(shù)據(jù) ib/ma - 0.001 00.010.020.030.040.05 ic/ma 0.0010.010.561.141.742.332.91 ie/ma 00.010.571.161.772.372.96 ececb iiiii, 常數(shù) ce u b c i i 常數(shù) cb u e c i i 1/1 / ec ec ce c b c ii ii ii i i i 相應(yīng)地, 將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比, 定義為共 基極交流電流放大系數(shù), 即 故 顯然與, 與其意義是不同的, 但是在多數(shù)情況 下, 。 例如, 從表2 - 1 知, 在ma附近, 設(shè)由ma變?yōu)閙a

7、, 可求得 983. 0 77. 1 74. 1 983. 0 16. 137. 2 14. 133. 2 58 03. 0 74. 1 5 .59 02. 004. 0 14. 133. 2 b c b c i i i i 2.1.2三極管的特性曲線三極管的特性曲線 a ma v v ib ic ucc ubb rc rb ube uce 圖 2 6 三極管共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路 1.輸入特性輸入特性 當(dāng)不變時(shí), 輸 入回路中的電流與電 壓之間的關(guān)系曲線 稱為輸入特性, 即 常數(shù) ce ubeb ufi)( ib / ma ube / v 0 uce 0 vuce 2

8、v 圖 2 - 7 三極管的輸入特性 2.輸出特性輸出特性 當(dāng)不變時(shí), 輸出回 路中的電流與電壓 之間的關(guān)系曲線稱為 輸出特性, 即 常數(shù) b icec ufi)( uce / v51015 0 1 2 3 4 飽 和 區(qū) 截止區(qū) ib 80 a 60 a 放 大 區(qū) ic / ma 40 a 20 a 0 a 圖 2 - 8 三極管的輸出特性 (1) 截止區(qū)。截止區(qū)。 一般將的區(qū)域稱為截止區(qū), 在圖中為的一 條曲線的以下部分。此時(shí)也近似為零。由于各極電流都 基本上等于零, 因而此時(shí)三極管沒(méi)有放大作用。 其實(shí)時(shí), 并不等于零, 而是等于穿透電流iceo。 一般硅三極管的穿透電流小于a, 在特性

9、曲線上無(wú)法 表示出來(lái)。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。 當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí), 發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子, 則三 極管處于截止?fàn)顟B(tài)。所以, 在截止區(qū), 三極管的兩個(gè)結(jié)均處 于反向偏置狀態(tài)。對(duì)三極管, , bc。 (2) 放大區(qū)。放大區(qū)。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用, 集電結(jié)反向運(yùn)用。 在曲線上是 比較平坦的部分, 表示當(dāng)一定時(shí), 的值基本上不隨 ce而變化。在這個(gè)區(qū)域內(nèi),當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化量 時(shí), 相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量, 此 時(shí)二者的關(guān)系為 該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。 對(duì)于三極管, 工作在放大區(qū)時(shí).v, 而 。 (3) 飽和區(qū)。飽和區(qū)。 曲線靠近縱軸附近, 各條輸出特性曲線

10、的上升部分屬于飽 和區(qū)。 在這個(gè)區(qū)域, 不同值的各條特性曲線幾乎重疊在一 起, 即當(dāng)較小時(shí), 管子的集電極電流基本上不隨基極 電流而變化, 這種現(xiàn)象稱為飽和。此時(shí)三極管失去了放大 作用, 或關(guān)系不成立。 一般認(rèn)為cene, 即cb時(shí), 三極管處于臨界飽和 狀態(tài), 當(dāng)cebe時(shí)稱為過(guò)飽和。三極管飽和時(shí)的管壓降用 ces表示。在深度飽和時(shí), 小功率管管壓降通常小于.v。 三極管工作在飽和區(qū)時(shí), 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置 狀態(tài)。對(duì)npn三極管, 。 2.1.3 三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù) (1) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)。體現(xiàn)共射極接法 之下的電流放大作用。 常數(shù) ce u b c i i

11、 (2) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。 由式(2 -10)得 b ceoc i ii 當(dāng)iciceo時(shí), ic/ib。 (3) 共基極交流電流放大系數(shù)。體現(xiàn)共基極接法下的 電流放大作用。 e c i i (4) 共基極直流電流放大系數(shù)。在忽略反向飽和電 流時(shí), e c i i 2. 極間反向電流極間反向電流 a (a) icbo icbo a iceo (b) iceo 圖 2 - 9 三極管極間反向電流的測(cè)量 3極限參數(shù)極限參數(shù) (1) 集電極最大允許電流。 o ic 圖 2 - 10 與ic關(guān)系曲線 (2) 集電極最大允許功率損耗。當(dāng)三極管工作時(shí), 管子兩端電壓為, 集電極電流為, 因此集電

12、極損耗 的功率為 cecc uip ib0.2 ma 0 10 20 30 40 50 ic / ma 102030uce / v 過(guò)流 區(qū) 0.8 1.0 0.6 0.4 過(guò) 壓 區(qū) 過(guò) 損 耗 區(qū) 安全 區(qū)工作 區(qū) 圖 2 - 11 三極管的安全工作區(qū) 4. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 cbo發(fā)射極開路時(shí), 集電極-基極間的反向擊穿電壓。 ceo基極開路時(shí), 集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。 cer基射極間接有電阻時(shí), 集電極-發(fā)射極間的反向 擊穿電壓。 ces基射極間短路時(shí), 集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。 ebo集電極開路時(shí), 發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓, 此 電壓一般較小, 僅有幾

13、伏左右。 上述電壓一般存在如下關(guān)系： eboceocescbo bubububu 2.2 單極型半導(dǎo)體三極管單極型半導(dǎo)體三極管 場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱fet）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸 出電流的，所以又稱之為電壓控制型器件。它工作時(shí)只有一種載流子 （多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，故也叫單極型半導(dǎo)體三極管。因它具有很 高的輸入電阻，能滿足高內(nèi)阻信號(hào)源對(duì)放大電路的要求，所以是較理 想的前置輸入級(jí)器件。它還具有熱穩(wěn)定性好、功耗低、噪聲低、制造 工藝簡(jiǎn)單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)效應(yīng)管可以分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（jfet）和絕緣 柵型場(chǎng)效應(yīng)管（igfet）或稱mos型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類

14、。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管 制造工藝和材料的不同，又可分為n型溝道場(chǎng)效應(yīng)管和p型溝道場(chǎng)效應(yīng) 管。 2.2.1 mos場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 這種場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（metal）,氧化物（oxide）和半導(dǎo)體 （semiconductor）組成的，故稱mos管。mos管可分為n溝道和p 溝道兩種。按照工作方式不同可以分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。 一、增強(qiáng)型溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 1、結(jié)構(gòu)和符號(hào) 圖2 - 12是n溝道增強(qiáng)型mos管的示意圖。mos管以一塊摻 雜濃度較低的p型硅片做襯底，在襯底上通過(guò)擴(kuò)散工藝形成兩個(gè) 高摻雜的n型區(qū)，并引出兩個(gè)極作為源極s和漏極d；在p型硅表 面制作一層很薄的二氧化硅（

15、sio2）絕緣層，在二氧化硅表面再 噴上一層金屬鋁，引出柵極g。這種場(chǎng)效應(yīng)管柵極、源極、漏極 之間都是絕緣的，所以稱之為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。 (a)(c) n n p襯底 sgd 鋁 二氧化硅 (sio 2) (襯底引線) b d g b s (b) d g b s 圖2-12 mos管的結(jié)構(gòu)及其圖形符號(hào) 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)如圖2-12（b）、(c)所示，箭頭方向 表示溝道類型，箭頭指向管內(nèi)表示為n溝道m(xù)os管(圖(b)，否則為p 溝道m(xù)os管(圖(c)。 2）工作原理 圖2-13是n溝道增強(qiáng)型mos管的工作原理示意圖， 圖2-13（b）是相應(yīng)的電路圖。工作時(shí)柵源之間加正向 電源電壓ugs，

16、漏源之間加正向電源電壓uds,并且源極 與襯底連接,襯底是電路中最低的電位點(diǎn)。 當(dāng)ugs=0時(shí)，漏極與源極之間沒(méi)有原始的導(dǎo)電溝 道，漏極電流id=0。這是因?yàn)楫?dāng)ugs=0時(shí)，漏極和襯 底以及源極之間形成了兩個(gè)反向串聯(lián)的pn結(jié)，當(dāng)uds加 正向電壓時(shí)，漏極與襯底之間pn結(jié)反向偏置的緣故。 (a)(b) nn p型襯底 sgd rd udd rd udd g d s ugg 圖2-13 n溝道增強(qiáng)型mos管工作原理 (a)示意圖； (b)電路圖 當(dāng)ugs0時(shí)，柵極與襯底之間產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半 導(dǎo)體表面、由柵極g指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)的作用 是排斥p型襯底中的空穴而吸引電子到表面層，當(dāng)ugs增 大

17、到一定程度時(shí)，絕緣體和p型襯底的交界面附近積累 了較多的電子，形成了n型薄層，稱為n型反型層。反型 層使漏極與源極之間成為一條由電子構(gòu)成的導(dǎo)電溝道， 當(dāng)加上漏源電壓ugs之后，就會(huì)有電流id流過(guò)溝道。通常 將剛剛出現(xiàn)漏極電流id時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓稱為開啟電 壓，用ugs(th)表示。 當(dāng)ugsugs(th)時(shí)，ugs增大、電場(chǎng)增強(qiáng)、溝道變 寬、溝道電阻減小、id增大；反之，ugs減小，溝道變 窄，溝道電阻增大，id減小。所以改變ugs的大小，就 可以控制溝道電阻的大小，從而達(dá)到控制電流id的大 小，隨著ugs的增強(qiáng)，導(dǎo)電性能也跟著增強(qiáng)，故稱之為 增強(qiáng)型。 必須強(qiáng)調(diào)，這種管子當(dāng)ugsugs(th

18、)時(shí)，反型層 （導(dǎo)電溝道）消失，id=0。只有當(dāng)ugsugs(th)時(shí)，才 能形成導(dǎo)電溝道，并有電流id。 3）特性曲線 （1）轉(zhuǎn)移特性曲線為 常數(shù) gs ugsd ufi)( 由圖2-14所示的轉(zhuǎn)移特性曲線可見(jiàn)，當(dāng)ugs0時(shí)，垂直電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)電溝道變寬，電流 id增大。 當(dāng)ugs0時(shí)，垂直電場(chǎng)減弱，導(dǎo)電溝道變窄，電流 id減小。 當(dāng)ugs=u gs(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道全夾斷，id=0。 (b) 321012 2 4 6 8 10 12 id / ma ugs(off)idss uds / v 圖2-17 n溝道耗盡型mos管特性 （a）輸出特性曲線; b）轉(zhuǎn)移特性曲線 2.2.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)

19、管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 1. 工作原理工作原理 現(xiàn)以n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例討論外加電場(chǎng)是如何 來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的電流的。 如圖2-18所示，場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)它的兩個(gè)pn結(jié)始終 要加反向電壓。對(duì)于n溝道，各極間的外加電壓變?yōu)?ugs0，漏源之間加正向電壓，即uds0。 當(dāng)g、s兩極間電壓ugs改變時(shí)，溝道兩側(cè)耗盡層的 寬度也隨著改變，由于溝道寬度的變化，導(dǎo)致溝道電阻值 的改變，從而實(shí)現(xiàn)了利用電壓ugs控制電流id的目的。 n d g s pp id uds udd ugg ugs 圖2-18 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 1）ugs對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 當(dāng)ugs時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管兩側(cè)的pn結(jié)均處于零偏 置，形成兩個(gè)耗盡層,

20、如圖219（）所示。此時(shí)耗 盡層最薄，導(dǎo)電溝道最寬，溝道電阻最小。 當(dāng)|ugs|值增大時(shí)，柵源之間反偏電壓增大，pn 結(jié)的耗盡層增寬，如圖219（b）所示。導(dǎo)致導(dǎo)電溝 道變窄，溝道電阻增大。 當(dāng)|ugs|值增大到使兩側(cè)耗盡層相遇時(shí)，導(dǎo)電溝道 全部夾斷，如圖219（c）所示。溝道電阻趨于無(wú)窮 大。對(duì)應(yīng)的柵源電壓ugs稱為場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓， 用 ugs(off)來(lái)表示。 n 溝 道 d g s n d g s ugg ppp (b) d g s ugg 耗盡層 (a)(c) pp p 圖219 ugs對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 （a）導(dǎo)電溝道最寬;（b）導(dǎo)電溝道變窄;（c）導(dǎo)電溝道夾斷 2）uds對(duì)導(dǎo)電溝

21、道的影響 設(shè)柵源電壓ugs=0,當(dāng)uds=0時(shí)，id=0，溝道均勻， 如圖219（a）所示。 當(dāng)uds增加時(shí)，漏極電流id從零開始增加，id流過(guò) 導(dǎo)電溝道時(shí)，沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)電位 不再相等，溝道不再均勻?？拷礃O端的耗盡層最窄， 溝道最寬;靠近漏極端的電位最高，且與柵極電位差最 大，因而耗盡層最寬，溝道最窄。由圖218可知， uds的主要作用是形成漏極電流id。 3）uds和ugs對(duì)溝道電阻和漏極電流的影響 設(shè)在漏源間加有電壓uds，當(dāng)ugs變化時(shí)，溝道中的電 流id將隨溝道電阻的變化而變化。 當(dāng)ugs=0時(shí)，溝道電阻最小，電流id最大。當(dāng)|ugs|值 增大時(shí)，耗盡層變寬，溝道變

22、窄，溝道電阻變大，電流id減 小，直至溝道被耗盡層夾斷，id=0。 當(dāng)0ugsugs(off)時(shí)，溝道電流id在零和最大值之間變 化。 改變柵源電壓ugs的大小，能引起管內(nèi)耗盡層寬度的 變化，從而控制了漏極電流id的大小。 場(chǎng)效應(yīng)管和普通三極管一樣，可以看作是受控的電流 源，但它是一種電壓控制的電流源。 2. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 1）轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線是指在一定漏源電壓uds作用下， 柵極電壓ugs對(duì)漏極電流id的控制關(guān)系曲線，即 常數(shù) ds ugsd ufi)( 2）輸出特性曲線（或漏極特性曲線） 輸出特性曲線是指在一定柵極電壓ugs作用下， id與uds之間的關(guān)系曲線，即 常數(shù) gs udsd ufi)( id / ma 5 4 3 2 1 ugs / v uds 10 v ugs(off) 01234 idss 3.4 圖2-20 轉(zhuǎn)移特性曲線 id / ma 5 4 3 2 1 uds / v 01020 3 .4v 2 v