大學(xué)電路第六章-2

雙極型三極管半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)三極管工作狀態(tài)和電路組態(tài)三極管各電極的電流關(guān)系三極管的共射極特性曲線(xiàn)半導(dǎo)體三極管的參數(shù)三極管的型號(hào)三極管應(yīng)用6.3.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類(lèi)型:NPN型和PNP型。e-b間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)(Je)

c-b間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)(Jc)中間部分稱(chēng)為基區(qū)，連上電極稱(chēng)為基極，用B或b表示（Base）；一側(cè)稱(chēng)為發(fā)射區(qū)，電極稱(chēng)為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；另一側(cè)稱(chēng)為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。雙極型三極管的符號(hào)中，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)

從外表上看兩個(gè)N區(qū),(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱(chēng)的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電區(qū)結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。6.3.2三極管的工作狀態(tài)和電路組態(tài)一、三極管的工作狀態(tài)根據(jù)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)所加的偏置電壓的極性的不同，三極管工作時(shí)，可以有以下四種工作狀態(tài)：（1）放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）飽和狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。（3）截止?fàn)顟B(tài)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。（4）反向狀態(tài)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏。通常在放大電路中，利用的是放大工作狀態(tài)，而在數(shù)字電路中，主要應(yīng)用的是飽和和截止工作狀態(tài)。二、

三極管各電極的電流關(guān)系

1.三種組態(tài)

雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入,兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱(chēng)三種組態(tài)，見(jiàn)下圖

共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;

共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBO

稱(chēng)為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，小于1,但接近1，一般為0.98~0.999。由此可得:2.三極管的電流放大系數(shù)（1）共基極組態(tài)：對(duì)于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來(lái)說(shuō)明，定義:

ICBO為集電結(jié)反向飽和漏電流，滿(mǎn)足Ic|IE=0=ICBO。IEICEO為基極開(kāi)路時(shí)流過(guò)集電極和發(fā)射集的電流，稱(chēng)為穿透電流。其值很小，可忽略。CEOBCBOBCBOBIIIIII+=++=-+-=bbbaaa)1(11IC發(fā)射極是電路公共端，基極是輸入端，集電極是輸端。

IE=IC+IB稱(chēng)為共發(fā)射極直流放大系數(shù)(2)共發(fā)射極組態(tài)IC=IE+ICBO將上式代入得(3)共集電極組態(tài)集電極是電路公共端，基極是輸入端，發(fā)射極是輸出端。

IE=IC+IBIc6.3.3三極管的共射極特性曲線(xiàn)輸入特性曲線(xiàn)——

iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線(xiàn)——

iC=f(vCE)

iB=const共發(fā)射極接法三極管的特性曲線(xiàn)：這兩條曲線(xiàn)是共發(fā)射極接法的特性曲線(xiàn)。iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。RCRbVccBBV+_VoiBiCiE+_vBE+_vCEbce1.輸入特性曲線(xiàn)VCE一定時(shí)，iB與vBE之間的變化關(guān)系：由于受集電結(jié)電壓的影響，輸入特性與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)有所不同。

在討論輸入特性曲線(xiàn)時(shí)，設(shè)vCE=const(常數(shù))。(1)VCE=0時(shí)：b、e間加正向電壓，JC和JE都正偏，JC沒(méi)有吸引電子的能力。所以其特性相當(dāng)于兩個(gè)二極管并聯(lián)PN結(jié)的特性。

VCE=0V：兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)輸入特性曲線(xiàn)(2)VCE>1V時(shí)，b、e間加正向電壓，這時(shí)JE正偏，JC反偏。發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的載流子絕大部分被JC收集，只有小部分與基區(qū)多子形成電流IB。所以在相同的VBE下，IB要比VCE=0V時(shí)小。

VCE>1V：

iB比VCE=0V時(shí)小(3)VCE介于0~1V之間時(shí)，JC反偏不夠，吸引電子的能力不夠強(qiáng)。隨著VCE的增加，吸引電子的能力逐漸增強(qiáng)，iB逐漸減小，曲線(xiàn)向右移動(dòng)。

0<VCE<1V:VCE

iB

2.輸出特性曲線(xiàn)表示IB一定時(shí)，iC與vCE之間的變化關(guān)系。放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)0uA100uA80uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0(1)放大區(qū)JE正偏，JC反偏，對(duì)應(yīng)一個(gè)IB，iC基本不隨vCE增大，IC=

IB

。處于放大區(qū)的三極管相當(dāng)于一個(gè)電流控制電流源。截止區(qū)：對(duì)應(yīng)IB0的區(qū)域，JC和JE都反偏，IB=IC=0輸出特性曲線(xiàn)(3)飽和區(qū) 對(duì)應(yīng)于vCE<vBE的區(qū)域，集電結(jié)處于正偏，吸引電子的能力較弱。隨著vCE增加，集電結(jié)吸引電子能力增強(qiáng)，iC增大。JC和JE都正偏，VCES約等于0.3V，IC<

IB飽和時(shí)c、e間電壓記為VCES，深度飽和時(shí)VCES約等于0.3V。飽和時(shí)的三極管c、e間相當(dāng)于一個(gè)壓控電阻。放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)0uA100uA80uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0輸出特性曲線(xiàn)總結(jié)飽和區(qū)——iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線(xiàn)的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線(xiàn)基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7

V左右(硅管)。三極管工作情況總結(jié)狀態(tài)發(fā)射結(jié)集電結(jié)IC截止反偏或零偏反偏0放大正偏反偏bIB飽和正偏正偏<bIB三極管處于放大狀態(tài)時(shí)，三個(gè)極上的電流關(guān)系： 電位關(guān)系：NPNPNPc最高最低b中VB=VE+0.7V中VB=VE-0.7Ve最低最高表1三級(jí)管工作狀態(tài)的判斷1.三極管結(jié)偏置判斷法，參見(jiàn)上表1。2.三極管電流關(guān)系判斷法：見(jiàn)下表2。狀態(tài)IB

IcIE截止

0

00放大

>0b(1+b)IB飽和IB≥IBS<bIB<(1+b)IBIB表2中，IBS稱(chēng)為三極管臨界飽和時(shí)基極應(yīng)注入的電流，表23.溫度對(duì)三極管特性的影響溫度升高使： （1）輸入特性曲線(xiàn)左移 （2）ICBO增大，輸出特性曲線(xiàn)上移 （3）

增大6.4半導(dǎo)體三極管的參數(shù)半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類(lèi):

直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)1.直流參數(shù)

①直流電流放大系數(shù)

a.共基極直流電流放大系數(shù)

=IC/IE=IB/

1+

IB=/

1+

三極管的直流參數(shù)

在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線(xiàn)上，通過(guò)垂直于X軸的直線(xiàn)(vCE=const)來(lái)求取IC/IB

，如下左圖所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)，會(huì)有所減小，這一關(guān)系見(jiàn)下右圖。b.共射極直流電流放大系數(shù)：

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=const三極管的直流參數(shù)b.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO和ICBO之間的關(guān)系：

ICEO=（1+）ICBO相當(dāng)于基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線(xiàn)IB=0時(shí)曲線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值,如圖所示。

②極間反向電流a.集電極基極間反向飽和電流ICBO

ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開(kāi)路。它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。

三極管的交流參數(shù)2.交流參數(shù)①交流電流放大系數(shù)

a.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=

IC/

IB

vCE=const在放大區(qū)

值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線(xiàn)上通過(guò)垂直于X軸的直線(xiàn)求取

IC/

IB。具體方法如圖所示。

三極管的交流參數(shù)

b.共基極交流電流放大系數(shù)α=

IC/

IE

VCB=const

當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈

、≈

，可以不加區(qū)分。

②特征頻率fT

三極管的

值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，三極管的

將會(huì)下降。當(dāng)

下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為特征頻率，用fT表示。fT

隨著工作電壓、工作電流的不同而變化，手冊(cè)中給出的一般是一定工作狀態(tài)下的特征頻率。三極管的極限參數(shù)如圖所示，當(dāng)集電極電流增加時(shí)，

就要下降，當(dāng)

值下降到線(xiàn)性放大區(qū)

值的70～30％時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM。至于

值下降多少，不同型號(hào)的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢?jiàn)，當(dāng)IC＞ICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。

(3)極限參數(shù)①集電極最大允許電流ICM三極管的極限參數(shù)②集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗為，

PC=ICVCB≈ICVCE<PCM

因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。三極管的極限參數(shù)③反向擊穿電壓:反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測(cè)試時(shí)的原理電路如圖所示。BR代表?yè)舸┲?，是Breakdown的字頭。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系：

V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO三極管的極限參數(shù)

a.V(BR)CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)CB代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開(kāi)路。b.V(BR)EBO——集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。

c.V(BR)CEO——基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。對(duì)于V(BR)CER表示BE間接有電阻，

V(BR)CES表示BE間是短路的。三極管的安全工作區(qū)由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線(xiàn)上可以確定過(guò)損耗區(qū)、過(guò)電流區(qū)和擊穿區(qū)，見(jiàn)下圖。三極管的參數(shù)參

數(shù)型

號(hào)

PCM

mWICM

mAVR

CBO

VVR

CEO

VVR

EBO

VIC

BO

μA

f

T

MHz3AX31D125

125

20

12≤6*≥

83BX31C1251254024≤6*≥

83CG101C100

30450.11003DG123C500

5040300.353DD101D5A

5A3002504≤2mA3DK100B100

302515≤0.13003DKG23250W30A400325

8注：*為f

6.5三極管的型號(hào)第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、

K開(kāi)關(guān)管?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

用字母表示材料用字母表示器件的種類(lèi)用數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管例6.1：判斷三極管的工作狀態(tài)

測(cè)量得到三極管三個(gè)電極對(duì)地電位如圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和例6.2：判斷三極管的工作狀態(tài)用數(shù)字電壓表測(cè)得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，試判斷三極管的工作狀態(tài)。7.4場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的一種半導(dǎo)體器件，是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場(chǎng)效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道

MOS型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型7.4.1場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransister

簡(jiǎn)寫(xiě)為FET)，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管,它的外部有三個(gè)電極,分別稱(chēng)為:源極:S(Source)，相當(dāng)e柵極:G(Gate)，相當(dāng)b漏極D(Drain)，相當(dāng)c另外有些FET還有一個(gè)稱(chēng)為襯底的電極B(Substrate);它是一種電壓控制的有源器件,具有輸入阻抗高(可達(dá)108~1015),易于集成,熱穩(wěn)定性好,抗輻射能力強(qiáng),噪聲小等特點(diǎn),在大規(guī)模集成電路中得到廣泛應(yīng)用.

根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同,分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類(lèi)。它們都是依靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的器件,因此又稱(chēng)為單極型晶體管.一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對(duì)應(yīng)于三極管的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。利用g-s之間電壓來(lái)控制d-s之間的電流。iD=f(uGS)轉(zhuǎn)移特性│uGS│增大到一定值，溝道消失，漏極電流為0。導(dǎo)電溝道(以N溝道為例)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來(lái)控制漏極電流的大小的器件。uGD=UGS(off)時(shí)稱(chēng)為預(yù)夾斷夾斷電壓漏極飽和電流

gm稱(chēng)為跨導(dǎo)，反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力二、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(InsulatedGateFieldEffectTransister)

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET又稱(chēng)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)是一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109

。耗盡型：VGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間無(wú)導(dǎo)電溝道。

1、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)反型層

uDS

不變，uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長(zhǎng)。當(dāng)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí)，管子導(dǎo)通。增強(qiáng)型管SiO2絕緣層耗盡型管加正離子

uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。2、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)1)增強(qiáng)型NMOS管2)增強(qiáng)型PMOS管3)耗盡型NMOS管4)耗盡型PMOS管ID=f(VDS)

VGS=const輸出特性曲線(xiàn)

vDS

/V

iD3、特性曲線(xiàn)（以N溝道增強(qiáng)型為例）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。gm

的量綱為mA/V，稱(chēng)為跨導(dǎo)。

gm=

ID/

VGS

VDS=const4、輸出特性曲線(xiàn)

vDS

/V

iD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS<VT以下區(qū)域就是截止區(qū)VGS

VTID=0(2)放大區(qū)（恒流區(qū)）VDS增大，ID不變的區(qū)域

VGS-VDS

VP

VDSID不變處于恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源(3)飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）未產(chǎn)生夾斷時(shí)，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域

VGS