第二章-半導(dǎo)體三極管分解

半導(dǎo)體三極管第

2

章2.1雙極型半導(dǎo)體三極管2.2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2.4半導(dǎo)體三極管的測試與應(yīng)用半導(dǎo)體三極管第

2

章2.1雙極型半導(dǎo)體三極管2.1.1晶體三極管2.1.2晶體三極管的特性曲線2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)(SemiconductorTransistor)第2章半導(dǎo)體三極管2.1.1晶體三極管一、結(jié)構(gòu)、符號和分類NNP放射極E基極B集電極C放射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—放射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分類：按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按運(yùn)用頻率分：低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.51W大功率管>1WECBECB二、電流放大原理1.三極管放大的條件內(nèi)部條件放射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件放射結(jié)正偏集電結(jié)反偏2.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共放射極共集電極共基極實(shí)現(xiàn)電路uiuoRBRCuouiRCRE第2章半導(dǎo)體三極管3.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1)放射區(qū)向基區(qū)注入多子電子，形成放射極電流IE。ICN多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散形成ICN。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBN。IBN基區(qū)空穴來源基極電源供應(yīng)(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO2)電子到達(dá)基區(qū)后(基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽視)三極管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)第2章半導(dǎo)體三極管4.三極管的電流安排關(guān)系當(dāng)管子制成后，放射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透電流第2章半導(dǎo)體三極管2.1.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相像RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++iBRB+uBEVBB+O特性基本重合(電流安排關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)起先吸引電子)導(dǎo)通電壓UBE(on)硅管：(0.60.8)V鍺管：(0.20.3)V取0.7V取0.2VVBB+RB第2章半導(dǎo)體三極管二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個(gè)結(jié)反偏2.放大區(qū)：3.飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個(gè)結(jié)正偏特點(diǎn)：IC

IB臨界飽和時(shí)：uCE

=uBE深度飽和時(shí)：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：放射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：水平、等間隔ICEO輸出特性第2章半導(dǎo)體三極管三、溫度對特性曲線的影響1.溫度上升，輸入特性曲線向左移。溫度每上升1C，UBE(22.5)mV。溫度每上升10C，ICBO約增大1倍。2.溫度上升，輸出特性曲線向上移。OT1T2>iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0溫度每上升1C，(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O第2章半導(dǎo)體三極管2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1.共放射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321—直流電流放大系數(shù)—溝通電流放大系數(shù)一般為幾十幾百2.共基極電流放大系數(shù)1一般在0.98以上。

Q二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。第2章半導(dǎo)體三極管三、極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時(shí)

值明顯降低。U(BR)CBO—放射極開路時(shí)C、B極間反向擊穿電壓。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基極開路時(shí)C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時(shí)E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO

(P34

2.1.7)已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，當(dāng)UCE

=

10V時(shí)，IC<

mA當(dāng)UCE

=

1V，則IC<

mA當(dāng)IC

=

2mA，則UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)第2章半導(dǎo)體三極管2.2單極型半導(dǎo)體三極管

引言2.2.2結(jié)型場效應(yīng)管2.2.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.2.1MOS場效應(yīng)管第2章半導(dǎo)體三極管引言場效應(yīng)管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結(jié)型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFET)特點(diǎn)：1.單極性器件(一種載流子導(dǎo)電)3.工藝簡潔、易集成、功耗小、體積小、成本低2.輸入電阻高(1071015，IGFET可高達(dá)1015)第2章半導(dǎo)體三極管一、增加型N溝道MOSFET(MentalOxideSemi—FET)2.2.1MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴(kuò)散的方法制作兩個(gè)N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB第2章半導(dǎo)體三極管2.工作原理1)uGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(uDS=0)a.當(dāng)UGS=0

，DS間為兩個(gè)背對背的PN結(jié)；b.當(dāng)0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時(shí)，GB間的垂直電場吸引P區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；c.當(dāng)uGS

UGS(th)

時(shí)，襯底中電子被吸引到表面，形成導(dǎo)電溝道。uGS

越大溝道越厚。反型層(溝道)第2章半導(dǎo)體三極管2)

uDS

對iD的影響(uGS>UGS(th))DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預(yù)夾斷(UGD=UGS(th))：漏極旁邊反型層消逝。預(yù)夾斷發(fā)生之前：uDSiD。預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDSiD不變。第2章半導(dǎo)體三極管3.轉(zhuǎn)移特性曲線2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當(dāng)uGS>UGS(th)

時(shí)：uGS=2UGS(th)

時(shí)的

iD值4.輸出特性曲線可變電阻區(qū)uDS<uGSUGS(th)uDSiD

，直到預(yù)夾斷飽和(放大區(qū))uDS，iD不變uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區(qū)uGS

UGS(th)全夾斷iD=0

開啟電壓iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區(qū)飽和區(qū)可變電阻區(qū)放大區(qū)恒流區(qū)OO第2章半導(dǎo)體三極管二、耗盡型N溝道MOSFETSGDBSio2絕緣層中摻入正離子在uGS=0時(shí)已形成溝道；在DS間加正電壓時(shí)形成iD，uGS

UGS(off)

時(shí)，全夾斷。輸出特性uGS/ViD/mA轉(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當(dāng)uGS

UGS(off)時(shí)，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第2章半導(dǎo)體三極管三、P溝道MOSFET增加型耗盡型SGDBSGDB第2章半導(dǎo)體三極管2.2.2結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號N溝道JFETP溝道JFET第2章半導(dǎo)體三極管2.工作原理uGS

0，uDS

>0此時(shí)uGD=UGS(off)；

溝道楔型耗盡層剛相碰時(shí)稱預(yù)夾斷。預(yù)夾斷當(dāng)uDS

，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。3.轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGS(off)當(dāng)UGS(off)

uGS0時(shí),uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO第2章半導(dǎo)體三極管N溝道增加型SGDBiDP溝道增加型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)OuDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VFET符號、特性的比較第2章半導(dǎo)體三極管2.2.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)開啟電壓UGS(th)(增加型)夾斷電壓UGS(off)(耗盡型)指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時(shí)的uGS值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng)uGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時(shí)，柵、源間加反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015IDSSuGS/ViD/mAO第2章半導(dǎo)體三極管4.低頻跨導(dǎo)gm

反映了uGS對iD的限制實(shí)力，單位S(西門子)。一般為幾毫西(mS)uGS/ViD/mAQPDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動(dòng)態(tài)電阻rds6.最大漏極功耗PDMO第2章半導(dǎo)體三極管2.3半導(dǎo)體三極管的基本分析方法引言2.3.2溝通分析2.3.1直流分析第2章半導(dǎo)體三極管引言基本思想非線性電路經(jīng)適當(dāng)近似后可按線性電路對待，利用疊加定理，分別分析電路中的交、直流成分。一、分析三極管電路的基本思想和方法直流通路(ui=0)分析靜態(tài)。溝通通路(ui0)分析動(dòng)態(tài)，只考慮變更的電壓和電流。畫溝通通路原則：1.固定不變的電壓源都視為短路；2.固定不變的電流源都視為開路；3.視電容對溝通信號短路第2章半導(dǎo)體三極管基本方法圖解法：在輸入、輸出特性圖上畫交、直流負(fù)載線，求靜態(tài)工作點(diǎn)“Q”，分析動(dòng)態(tài)波形及失真等。解析法：依據(jù)放射結(jié)導(dǎo)通壓降估算“Q”。用小信號等效電路法分析計(jì)算電路動(dòng)態(tài)參數(shù)。第2章半導(dǎo)體三極管二、電量的符號表示規(guī)則A

AA大寫表示電量與時(shí)間無關(guān)(直流、平均值、有效值)；A小寫表示電量隨時(shí)間變更(瞬時(shí)值)。大寫表示直流量或總電量(總最大值，總瞬時(shí)值)；小寫表示溝通重量?？偹矔r(shí)值直流量溝通瞬時(shí)值溝通有效值直流量往往在下標(biāo)中加注QA—主要符號；

A—下標(biāo)符號。tuOuBE=UBE

+ube第2章半導(dǎo)體三極管2.3.1直流分析一、圖解分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC輸入直流負(fù)載線方程：uCE=VCCiC

RCuBE=VBBiBRB輸出直流負(fù)載線方程：輸入回路圖解QuBE/ViB/A靜態(tài)工作點(diǎn)VBBVBB/RB115kUBEQIBQ0.720輸出回路圖解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCO1kQ23UCEQICQOiB=20A第2章半導(dǎo)體三極管二、工程近似分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC115k1k

=100第2章半導(dǎo)體三極管三、電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響1.變更RB，其他參數(shù)不變uBEiBuCEiCVCCVBBVBBRBQQRB

iBQ趨近截止區(qū)；RB

iB

Q趨近飽和區(qū)。2.變更RC，其他參數(shù)不變RC

Q趨近飽和區(qū)。iCuBEiBuCEVCCUCEQQQICQVCCRC第2章半導(dǎo)體三極管iC0iC=VCC/RC例2.3.1設(shè)RB

=

38

k，求VBB=0

V、3

V時(shí)的iC、uCE。+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC1

k[解]uCE/ViC/mAiB=010A20A30A40A50A60A41O235當(dāng)VBB=0V：iB0，iC

0，5VuCE

5V當(dāng)VBB=3V：0.3uCE

0.3

V0，iC5mA三極管的開關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)SBCEVCC+RCRBiB0uCE

5ViB飽和狀態(tài)uCE0推斷是否飽和臨界飽和電流ICS和IBS：iB>IBS，則三極管飽和。第2章半導(dǎo)體三極管例2.3.2

耗盡型

N

溝道

MOS

管，RG=

1

M，RS

=2

k，RD=12

k

，VDD=

20

V。IDSS=

4

mA，UGS(off)

=

–4

V，求iD和uO。iG=0uGS=iDRSiD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大區(qū)RDGDSRGRSiD+uO–+VDD–第2章半導(dǎo)體三極管2.3.2溝通分析一、圖解分析法線性非線性線性輸入回路(A左)(B右)輸出回路(B左)(A右)+–RBRC+uCE–+uBE

+–VCCVBBiBiCiBiC+uBE

+uCE–AB第2章半導(dǎo)體三極管例2.3.3

硅管，ui

=10sint(mV)，RB=176k，RC=1k，VCC=VBB=6V，圖解分析各電壓、電流值。[解]令ui=0，求靜態(tài)電流IBQuBE/ViB/AO0.7V30QuiOtuBE/VOtiBIBQ(溝通負(fù)載線)uCE/ViC/mA41O23iB=10A20304050505Q6直流負(fù)載線QQ6OtiCICQUCEQOtuCE/VUcemibicuceRL+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE+uBE–

第2章半導(dǎo)體三極管當(dāng)ui=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

當(dāng)ui=Uimsintib=Ibmsintic=Icmsint

uce=–Ucemsint

uo=uceiB=

IBQ

+IbmsintiC=

ICQ

+IcmsintuCE=

UCEQ

–

Ucemsin

t=

UCEQ

+Ucemsin

(180°–

t)uBE/ViB/A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流負(fù)載線)uCE/ViC/mA4123iB=10A20304050605Q6直流負(fù)載線QQ6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO第2章半導(dǎo)體三極管基本共放射極電路的波形：+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE+uBE–

IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQUCEQ第2章半導(dǎo)體三極管放大電路的非線性失真問題因工作點(diǎn)不合適或者信號太大使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍，從而引起非線性失真。1.“Q”過低引起截止失真NPN管：頂部失真為截止失真。PNP管：底部失真為截止失真。不發(fā)生截止失真的條件：IBQ>Ibm。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBuiuCEiCictOOiCOtuCEQuce溝通負(fù)載線第2章半導(dǎo)體三極管2.“Q”過高引起飽和失真ICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不接負(fù)載時(shí)，交、直流負(fù)載線重合，V

CC=VCC不發(fā)生飽和失真的條件：IBQ+IbmIBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC第2章半導(dǎo)體三極管飽和失真的本質(zhì)：負(fù)載開路時(shí)：接負(fù)載時(shí)：受RC的限制，iB增大，iC不行能超過VCC/RC。受RL的限制，iB增大，iC不行能超過VCC/RL。C1+RCRB+VCCC2RL+uo++iBiCVui(RL=RC//RL)第2章半導(dǎo)體三極管選擇工作點(diǎn)的原則：當(dāng)ui較小時(shí)，為削減功耗和噪聲，“Q”可設(shè)得低一些；為提高電壓放大倍數(shù)，“Q”可以設(shè)得高一些；為獲得最大輸出，“Q”可設(shè)在溝通負(fù)載線中點(diǎn)。第2章半導(dǎo)體三極管二、小信號等效分析法(微變等效)1.晶體三極管電路小信號等效電路分析法三極管電路可當(dāng)成雙口網(wǎng)絡(luò)來分析(1)晶體三極管H(Hybrid)參數(shù)小信號模型從輸入端口看進(jìn)去，相當(dāng)于電阻rberbe

—Hie從輸出端口看進(jìn)去為一個(gè)受ib限制的電流源

ic

=

ib，—Hfe+uce–+ube–

ibicCBErbe

Eibicic+ube+uceBCrbb

—三極管基區(qū)體電阻第2章半導(dǎo)體三極管(2)晶體三極管溝通分析步驟：①分析直流電路，求出“Q”，計(jì)算rbe。②畫電路的溝通通路。③在溝通通路上把三極管畫成H參數(shù)模型。④分析計(jì)算疊加在“Q”點(diǎn)上的各極溝通量。第2章半導(dǎo)體三極管例2.3.4=100，uS=10sint(mV)，求疊加在“Q”點(diǎn)上的各溝通量。+uo+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE+uBE–

12V12V510470k2.7k3.6k[解]令ui=0，求靜態(tài)電流IBQ①求“Q”，計(jì)算rbeICQ=IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.42.7=5.5(V)第2章半導(dǎo)體三極管②溝通通路+uo+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE+uBE–

ubeuce③小信號等效+uo+–

RBRLRSrbe

EibicicBCusRC+ube④分析各極溝通量⑤

分析各極總電量uBE=(0.7+0.0072sint

)ViB=(24+5.5sint)AiC=(2.4+0.55sint

)

mAuCE=(5.5–

0.85sint

)V第2章半導(dǎo)體三極管2.場效應(yīng)管電路小信號等效電路分析法小信號模型rgs

Sidgmugs+ugs+udsGD從輸入端口看入，相當(dāng)于電阻

rgs()。從輸出端口看入為受ugs限制的電流源。id=gmugs第2章半導(dǎo)體三極管例2.3.4gm=0.65mA/V，ui=20sint(mV)，求溝通輸出uo。+RDGDSRGRSiD+uO–+VDD–ui+VGG10k4k溝通通路+RDGDSRGRSid+uO–ui小信號等效電路+uiRSRDSidgmugs+ugs+uoGDRGui=ugs+gmugsRSug