晶體三極管與場效應(yīng)管

晶體三極管晶體三極管也稱為半導(dǎo)體三極管，簡稱三極管，由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管簡稱BJT（BipolarJunctionTransistor）。BJT是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件。作用:把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也用作無觸點開關(guān).晶體管促進(jìn)并帶來了“固態(tài)革命”，進(jìn)而推動了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。目前一頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的常見外形90143DG52N22022N2202目前二頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的結(jié)構(gòu)--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ECB發(fā)射極集電極基極NPN型PNP型--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ECB發(fā)射極集電極基極三極管的結(jié)構(gòu)特點:（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。ECB符號ECB符號目前三頁\總數(shù)四十四頁\編于九點BJT的構(gòu)造(以NPN為例)N+PN-Si集電極CCollector基極BBase發(fā)射極EEmitter金屬層N型硅片（襯底）對于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極E、基極B和集電極C。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子目前四頁\總數(shù)四十四頁\編于九點強(qiáng)化練習(xí)1NPN型三極管ECB符號電路符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EP集電區(qū)的作用：收集載流子基區(qū)的作用：傳送、控制載流子發(fā)射區(qū)的作用：發(fā)射載流子目前五頁\總數(shù)四十四頁\編于九點強(qiáng)化練習(xí)2PNP型三極管ECB符號電路符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)PP集電極C基極B發(fā)射極EN集電區(qū)的雜質(zhì)濃度：較低基區(qū)的厚度：非常薄發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度：很高目前六頁\總數(shù)四十四頁\編于九點icie輸入輸出BJT的組態(tài)三極管在使用時，根據(jù)實際需要，可接成三種不同的組態(tài)。不管接成哪種組態(tài)，都有一對輸入端和一對輸出端；icib輸入輸出共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示;ieib輸入輸出共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。CECBCC目前七頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的放大作用是滿足自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點的前提下，在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)

BJT的結(jié)構(gòu)特點

外部條件

發(fā)射結(jié)正偏，

集電結(jié)反偏。BJT的電流放大條件

UCEVCCRCICCEBUBEVBBRBIB輸入回路輸入回路公共端共發(fā)射極放大電路?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高(N+)；?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。目前八頁\總數(shù)四十四頁\編于九點共射極NPN放大電路CEBNNPRBVBBIBICVCCJCJE三極管在工作時必須加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：由VBB保證；必須使：UBE>0硅管：UBE=UB-UE=0.7（V）鍺管：UBE=UB-UE=0.3（V）集電結(jié)反偏：由VBB、VCC保證；UCB=VCC?UBE

>0，反偏；集電結(jié)電場很強(qiáng)。結(jié)論：對于正常工作的NPN管，必然有UC>UB>UE目前九頁\總數(shù)四十四頁\編于九點共射極PNP放大電路CEBPPNRBVBBIBICVCCJCJE三極管在工作時必須加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：由VBB保證；必須使：UBE<0硅管：UBE=UB-UE=-0.7（V）鍺管：UBE=UB-UE=-0.3（V）集電結(jié)反偏：由VBB、VCC保證；UCB=VCC?UBE

<0，反偏；集電結(jié)電場很強(qiáng)。VCC結(jié)論：對于正常工作的PNP管，必然有UC<UB<UE目前十頁\總數(shù)四十四頁\編于九點BJT的管腳與類型判別3DG5①中間電位對應(yīng)管腳B；②NPN管中間電位靠近低電位UE;

UB?UE≈0.7V為Si-NPN管;

UB?UE≈0.3V為Ge-NPN管;③PNP管中間電位靠近高電位UE

;

UB?UE≈-0.7V為Si-PNP管;

UB?UE≈-0.3V為Ge-PNP管;U1U2U3目前十一頁\總數(shù)四十四頁\編于九點例題1在晶體管放大電路中，測得三極管的各個電極的電位如圖所示。試判斷各三極管的類型（即NPN管或PNP管，硅管或鍺管），并區(qū)分B、E、C

三個電極。U1U2U3U1=6V，U2=2V，U3=2.7V，因為U1>U3>U2，所以③為B極；又因為U3-U2=0.7V，所以該三極管為NPN硅管；且②為E極；①為C極。U1=4.3V，U2=2V，U3=5V因為U3>U1>U2，所以①為B極；又因為U1-U3=-0.7V，所以該三極管為PNP硅管；且②為C極；③為E極。U1=-5V，U2=-1.8V，U3=-1.5V因為U3>U2>U1，所以②為B極；又因為U1-U3=-0.3V，所以該三極管為PNP鍺管；且①為C極；③為E極。目前十二頁\總數(shù)四十四頁\編于九點共射極NPN放大電路

CE

BRBVBB

IB

ICVCC

JC

JEIEN發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流IEN。基區(qū)多數(shù)載流子空穴不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流IEP。IEPIE=IEN+IEP進(jìn)入基區(qū)少數(shù)電子和空穴復(fù)合，以及進(jìn)入發(fā)射區(qū)的空穴與電子復(fù)合而形成電流IBN和IBP，那么其它多數(shù)電子去哪里了？集電結(jié)反偏從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散來的電子作為基區(qū)的少子，在外電場的作用下，漂移進(jìn)入集電區(qū)而被收集，形成電流ICN。ICN集電區(qū)少數(shù)載流子空穴形成漂移電流ICBO。ICBO=ICN+ICBO結(jié)論：IE=IB+ICIE－擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流IB－復(fù)合運(yùn)動形成的電流IC－漂移運(yùn)動形成的電流IBP目前十三頁\總數(shù)四十四頁\編于九點共射極電路電流的放大

UCEVCCRCICCEBUBEVBBRBIB共發(fā)射極放大電路對于一個特定的BJT，擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICN和和基區(qū)復(fù)合電流IBP的比例關(guān)系是確定的，通常把這個比值稱為BJT共射極電路的電流放大系數(shù)β。β通常在20～100之間，它反映了基極與集電極電流之間的分配關(guān)系，或者說IB對IC的控制能力。IB微小的變化會引起IC較大的變化，故BJT稱為電流控制器件。目前十四頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指三極管各極上的電壓、電流之間的關(guān)系曲線。它是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)，所以也稱為外部特性。根據(jù)實際需要，三極管可接成共基組態(tài)、共射組態(tài)或共集組態(tài)。不管接成哪種組態(tài)，都有一對輸入端和一對輸出端；因此，要完整地描述三極管的伏安特性，就必須選用兩組表示不同端變量之間關(guān)系的特性曲線。其中一組表示以輸出端電壓為參變量時輸入端電壓和電流之間關(guān)系的曲線，稱為輸入特性曲線；另一組表示以輸入端電流為參變量時輸出端電壓電流之間關(guān)系的曲線，稱為輸出特性曲線。目前十五頁\總數(shù)四十四頁\編于九點輸入特性曲線實驗電路RCVCCRBVBBIBICIEUCEUBE++--以共發(fā)射極放大電路為例IB

=f(UBE)UCE

=常數(shù)0.60.40.70.850300250200150100UBE=1V輸入回路輸入回路UBE=10V共發(fā)射極輸入特性曲線簇當(dāng)UCE≥1V時，特性曲線右移的距離很小。通常將UCE=1V的特性曲線作為晶體管的輸入特性曲線。0.5輸入特性曲線的三個部分①死區(qū)

0<UBE<Uon=0.4V②非線性區(qū)

Uon<UBE<0.6V③線性區(qū)

UBE>0.6V目前十六頁\總數(shù)四十四頁\編于九點輸出特性曲線實驗電路RCVCCRBVBBIBICIEUCEUBE++--IC

=f(UCE)IB

=常數(shù)放1055423120150IB=0IB=10μAIB=30μAIB=40μAIB=20μA區(qū)大截止區(qū)可將三極管輸出特性分為四個區(qū)間，其中三個為工作區(qū)：飽和區(qū)擊穿區(qū)目前十七頁\總數(shù)四十四頁\編于九點截止區(qū)(Cutoff

region)RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--IB=0UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0IB=0曲線以下的區(qū)域。條件：發(fā)射結(jié)反偏UBE

≤

Uon集電結(jié)反偏因為IB=0所以IE=IC=ICEO（穿透電流）由于ICEO很小，此時UCE近似等于VCC，C與E之間相當(dāng)于開關(guān)斷開。目前十八頁\總數(shù)四十四頁\編于九點飽和區(qū)(Saturationregion)UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0輸出特性曲線靠近縱軸邊UCE很小的區(qū)域。條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；即：UBE

>0，UBE>UCE

,

UC<UB。此時IB對IC失去了控制作用，IC≠

βIB，管子處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。飽和時的UCE記為UCES

。相對于電源電壓飽和時UCES

很小，可以忽略。C與E之間相當(dāng)于開關(guān)閉合。小功率硅管的UCES=0.3V小功率鍺管的UCES=0.1V目前十九頁\總數(shù)四十四頁\編于九點條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；即：UBE

≧UON，

UCES

<UCE

<VCC

。特點：集電極電流與基極電流成正比。即：因此放大區(qū)又稱為線性區(qū)、恒流區(qū)。在放大區(qū)UCE變化時，IC基本不變。這就是晶體管的恒流特性。特性曲線的均勻間隔反映了晶體管電流放大作用的能力，間隔大，即△IC大，因而放大能力（β）也大。放大區(qū)(Activeregion)UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0放大區(qū)目前二十頁\總數(shù)四十四頁\編于九點例題2測量到硅BJT管的三個電極對地電位如圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài),并說明理由。8V3.7V3V1.9V1.2V8V3.7V3V8V3.7V3V5V5V1.2V1.5V1.9V1.2V（a）解答：（a）因為該管的管型為NPN硅管，UBE=UB-BE=0.7V

>0.6V，發(fā)射結(jié)正偏，且UC

>UB，集電結(jié)反偏；所以該三極管工作在放大狀態(tài)。（b）（c）解答：（b）因為該管的管型為NPN硅管，UBE=UB-BE=0.2V

<Uon，發(fā)射結(jié)反偏，且UC

>UB，集電結(jié)反偏；所以該三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。解答：（c）因為該管的管型為NPN硅管，UBE=UB-BE=0.7V

>0.6V，發(fā)射結(jié)正偏，且UB>UC，集電結(jié)正偏；所以該三極管工作在飽和狀態(tài)。1V目前二十一頁\總數(shù)四十四頁\編于九點練習(xí)測量到硅BJT管的三個電極對地電位如圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài),并說明理由。8V3.7V3V3V2.3V8V3.7V3V8V3.7V3V12V5V12V0V-1.5V-2.2V（a）（b）（c）11.3V目前二十二頁\總數(shù)四十四頁\編于九點例題3RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--在下圖所示電路中,如果VCC=15V;RC=5kΩ,在下列幾種條件下,分別求UCE并分別說明晶體管工作在何種狀態(tài)。①如果VBB=15V;RB=10kΩ,β=50②如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=50③如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=300④如果VBB=-1V;RB=10kΩ,β=50目前二十三頁\總數(shù)四十四頁\編于九點例題3①如果VBB=5V;RB=10kΩ,β=50解答：RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--因為IC>ICmax所以該三極管工作在飽和狀態(tài)，UCE=UCES=0.3V②如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=50解答：目前二十四頁\總數(shù)四十四頁\編于九點例題3因為IC<ICmax所以該三極管工作在放大狀態(tài)，RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--③如果VBB=5V;RB=300kΩ,β=300解答：因為IC>ICmax所以該三極管工作在飽和狀態(tài)，UCE=UCES=0.3V目前二十五頁\總數(shù)四十四頁\編于九點例題3④如果VBB=-1V;RB=10kΩ,β=50解答：因為VBB=-1V，VBＥ<０；發(fā)射結(jié)反偏；所以該三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--由于IB=0,那么IC=0所以UCE=VCC-IC×RC=15V結(jié)論：要使三極管工作在放大狀態(tài)，就必須合理的選擇RB和β值。目前二十六頁\總數(shù)四十四頁\編于九點晶體管的主要參數(shù)電流放大系數(shù)極間反向電流極限參數(shù)反向擊穿特性頻率參數(shù)目前二十七頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的檢測①測試的第一步是判斷哪個管腳是基極。我們?nèi)稳蓚€電極(如這兩個電極為1、2)，用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取1、3兩個電極和2、3兩個電極，分別顛倒測量它們的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測量中，必然有兩次測量結(jié)果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)?。皇Ｏ乱淮伪厝皇穷嵉箿y量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極。

目前二十八頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的檢測②PN結(jié)，定管型

找出三極管的基極后，我們就可以根據(jù)基極與另外兩個電極之間PN結(jié)的方向來確定管子的導(dǎo)電類型。將萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說明被測三極管為NPN型管；若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測管即為PNP型。目前二十九頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的檢測③穿透電流確定集電極C，發(fā)射極E找出了基極B，另外兩個電極哪個是集電極C，哪個是發(fā)射極E呢?這時我們可以用測穿透電流ICEO的方法確定集電極C和發(fā)射極E。A對于NPN型三極管，用萬用電表的黑、紅表筆顛倒測量兩極間的正、反向電阻RCE和REC，雖然兩次測量中萬用表指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，但仔細(xì)觀察，總會有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時電流的流向一定是：黑表筆→C極→B極→E極→紅表筆，電流流向正好與三極管符號中的箭頭方向一致(“順箭頭”)，所以此時黑表筆所接的一定是集電極C，紅表筆所接的一定是發(fā)射極E。目前三十頁\總數(shù)四十四頁\編于九點三極管的檢測B

對于PNP型的三極管，道理也類似于NPN型，其電流流向一定是：黑表筆→E極→B極→C極→紅表筆，其電流流向也與三極管符號中的箭頭方向一致，所以此時黑表筆所接的一定是發(fā)射極E，紅表筆所接的一定是集電極C。注：若由于上述顛倒前后的兩次測量指針偏轉(zhuǎn)均太小難以區(qū)分時，就要“動嘴巴”了。具體方法是：在上述兩次測量中，用兩只手分別捏住兩表筆與管腳的結(jié)合部，用嘴巴含住(或用舌頭抵住)基電極B，仍用上面的判別方法即可區(qū)分開集電極C與發(fā)射極E。其中人體起到直流偏置電阻的作用，目的是使效果更加明顯。

目前三十一頁\總數(shù)四十四頁\編于九點場效應(yīng)晶體管場效晶體管（FieldEffectTransistor——FET）是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。按結(jié)構(gòu)不同場效晶體管有兩種:結(jié)型場效晶體管（JFET）絕緣柵型場效晶體管（MOSFET）

MOSFET管按工作狀態(tài)可分為：增強(qiáng)型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分目前三十二頁\總數(shù)四十四頁\編于九點N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)成：用一塊雜質(zhì)濃度較低的P型薄硅片作為襯底，其上擴(kuò)散兩個相距很近的高摻雜N+型區(qū)。并在表面生成一層薄薄的二氧化硅絕緣層。P

型硅襯底N+N+SiO2絕緣層再在兩個N+型區(qū)之間的二氧化硅絕緣層的表面及兩個N+型區(qū)的表面和P型硅襯底分別安置四個電極：柵極G、源極S、漏極D和襯底B。襯底B通常與源極S連在一起。源極S柵極

G漏極

D

DSG符號BSourceGateDrainBase襯底B由于柵極電流幾乎為零，柵源電阻RGS很高，最高可達(dá)1014

。由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬(Metal)-氧化物(Oxide)-半導(dǎo)體(Semiconductor)場效晶體管，簡稱MOS場效晶體管。柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效晶體管。目前三十三頁\總數(shù)四十四頁\編于九點N溝道增強(qiáng)型管的工作原理當(dāng)柵-源電壓UGS=0時，D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，即：無論D與S之間加什么極性的電壓，總有一個PN結(jié)是反向偏置的，漏極電流ID均接近于零。SD≈0=0P型硅襯底N++BSGD。ID

UGSN+N+UDS目前三十四頁\總數(shù)四十四頁\編于九點P型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID

UGSN+N+UDSN溝道增強(qiáng)型管的工作原理當(dāng)在柵極和源極之間加正向電壓但數(shù)值較小時(0<UGS<UGS(th)

)

，由柵極指向襯底方向的電場吸引電子向上移動，填補(bǔ)空穴在P型硅襯底的上表面形成負(fù)離子耗盡層，此時仍然沒有漏極電流。≈0目前三十五頁\總數(shù)四十四頁\編于九點當(dāng)UGS大于一定數(shù)值時(UGS>UGS(th)開啟電壓)，被電場吸引的少數(shù)載流子——電子在柵極附近的P型硅表面出一層由自由電子構(gòu)成的導(dǎo)電薄層，稱為N型薄層，也稱為反型層。它是由UGS感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱為感生溝道。這就是溝通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道(與P型襯底間被耗盡層絕緣)。UGS

正值越高，吸引到P型硅表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小。N溝道增強(qiáng)型管的工作原理P型硅襯底DSGBUGS

+N+N+N型導(dǎo)電溝道通常增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓UGS(th)=1～10V目前三十六頁\總數(shù)四十四頁\編于九點N溝道增強(qiáng)型管的工作原理P型硅襯底N++BSGD。ID

UGSN+N+UDSUGS>UGS(th)的某一固定值時，UDS對溝道的控制作用當(dāng)漏-源電壓UDS=0時，溝道無自由電子的漂移，不形成漏極電流，即ID=0.隨著UDS↑→ID↑同時使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道變窄，使溝道形狀成楔形。當(dāng)UDS增加到使UGD=UGS(th)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時UDS

↑夾斷區(qū)延長溝道電阻↑ID基本不變，表現(xiàn)出恒流特性?！?目前三十七頁\總數(shù)四十四頁\編于九點N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線RDUDDRGUGGIG=0IDISUDSUGS++--輸出特性曲線設(shè)UT

=3V，UGS>UT

，ID>0UDS(V)ID(mA)0

5

10

15

20UGS=8V

7V

6V

5V

4VUGS=UGS(th)

①②③UDS

=

UGS

-UGS(th)

從輸出特性上,可將N溝道增強(qiáng)型FET分為三個工作區(qū):①可變電阻區(qū)。UGS越大，漏源間等效交流電阻越小。UDS<UGS

–UGS(th)（即UGD>UGS(th)

）（預(yù)夾斷前）②線性放大區(qū)（預(yù)夾斷后）(恒流區(qū),飽和區(qū))UDS>UGS

-UGS(th)

iD受uGS控制③夾斷區(qū)（截止區(qū)）UGS

≤

UGS(th)目前三十八頁\總數(shù)四十四頁\編于九點N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UDS(V)ID(mA)0

5

10

15

20UGS=8V

7V

6V

5V

4VUGS=UTUGS(V)ID(mA)0

5

10

UGS(th)

=3V4321目前三十九頁\總數(shù)四十四頁\編于九點P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效晶體