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1、,1.3 双极型晶体管,双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)。,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1.3.1 晶体管的结构和类型,NPN型三极管,PNP型三极管,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结Je,集电结Jc,VBB,RB,VCC,1.3.2 晶体管的电流放大作用,电流放大条件：内部条件：发射区掺杂浓度高；基区薄；集电区面积大。外部条件：发射结正偏；集电结反偏。NPN:VCVBVEPNP:VCVBVE,VB
2、B,RB,VCC,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。,一、晶体管内部载流子的运动,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。,VBB,RB,VCC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。,IB=IBN+IEP-ICBOIBN,图 晶体管内部载流子运动与外部电流,二、晶体管的电流分配关系,外部电流关系：IE=IC+IB内部：,在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度
3、、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。,为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为,其含义是：基区每复合一个电子，则有 电子扩散到集电区去。值一般在20200之间。,确定了 值之后，可得,式中：,称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有,为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为,显然，1，一般约为0.970.99。,不难求得,由于,都是反映晶体管基区扩散与复合的比例
4、关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由,的定义可得,BJT的三种组态,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解晶体管的导电特性非常有用。晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中，有图所示的三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,VCC,VBB,实验线路,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,一、共发射极输入特性,共射输入特性
5、曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即 典型的共发射极输入特性曲线如图所示。,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,一、共发射极输入特性,二、共发射极输出特性曲线,共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即输出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,二、共发射极输出特性曲线,1放大区e结为正偏，c结为反偏的工作区域为放大区。在放大区有以下两个特点：(1)基极电流iB对集电
6、极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量IB时，iC就会有很大的变化量IC。为此，用共发射极交流电流放大系数来表示这种控制能力。定义为反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。,(2)uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为，iB一定而uCE增大时，曲线略有上翘(iC略有增大)。这是因为uCE增大，c结反向电压增大，使c结展宽，所以有效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会减少，即iB要减小。而要保持iB不变，所以iC将略有增大。这种现象称为基区宽度调制效应，或简称基调效应。从另一方面看，由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时，集电极
7、电流具有恒流特性。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,2饱和区 e结和c结均处于正偏的区域为饱和区。通常把uCE=uBE(即c结零偏)的情况称为临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,输出特性三个区域的特点:,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，
8、5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,当USB=-2V时：,IB=0，IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区。,USB=2V时：,USB=5V时:,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大
9、倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1.电流放大倍数和,1.3.4 晶体管的主要参数,例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 由于ICBO、ICEO都很小，在数值上,。所以在以后的计算中，不再加以区分。值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大、不小的中间值范围内，值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意值的测试条件
10、。尤其是大功率管更应强调这一点。,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3.集-射极反向截止电流ICEO,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。,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,U(BR)CBO指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿
11、电压。U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBO。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。U(BR)EBO指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳 热为：,PC=ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,温度对晶体管的参数都有影响。其中，uBE、ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即温度每升高1，uBE减小22.5
12、mV；温度每升高10，ICBO增大一倍。温度对的影响表现为，随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1，值增大0.5%1%(即/T(0.51)%/)。,图 温度对晶体管输入特性的影响,图 温度对晶体管输出特性的影响,例1.3.1 1.3.2 P37,1.3.6 光电三极管,图1.3.10 光电三极管的等效电路、符号和外形,1.3.6 光电三极管,图 光电三极管的输出特性曲线,1.4 场效应管,场效应管与晶体管的区别,1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3
13、.晶体管的输入电阻较低，一般102104；场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管分类,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,1、结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,导电沟道,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示,1.4.1 结型场效应管,VGS对沟道的控制作用,当VGS0时PN结反偏,当沟道夹断时,ID减小至0，此时对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP(或VGS(off)。,对于N沟道的JFET，VP 0。,耗尽层加厚,沟道变窄,VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续变小。,当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，在VD
14、S的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID,此时最大。,沟道电阻变大,ID变小,根据其结构，它只能工作在反偏条件下，N沟道管加负栅源电压，P沟道管加正栅源电压，否则将会出现栅流。,2、结型场效应管（JFET)的工作原理,当VGS=0时，VDS ID,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时VDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,VDS对沟道的控制作用,当VP VGS0 时，,导电沟道更容易夹断，对于同样的VDS，ID的值比VGS=0时的值要小。,在预夹断处,VGD=VGS-
15、VDS=VP,VGS和VDS同时作用时,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。,JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,综上分析可知,#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,(2)输出特性,VP,(1)转移特性,3、结型场效应管（JFET)的特性曲线及参数,夹断电压VP(或VGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,低频跨导g
16、m：,或,漏极电流约为零时的VGS值。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,输出电阻rd：,(3)主要参数,直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。,最大漏极功耗PDM,最大漏源电压V(BR)DS,最大栅源电压V(BR)GS,(3)主要参数,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2.在高温下，PN结的反向电流增大，
17、栅源极间的电阻会显著下降。,结型场效应管的缺点,MOS场效应管,N沟道增强型的MOS管,P沟道增强型的MOS管,N沟道耗尽型的MOS管,P沟道耗尽型的MOS管,1.4.2 绝缘栅场效应管,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,漏极D集电极C,源极S发射极E,绝缘栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,增强型MOS场效应管,当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当VGS=VT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。,-,-,-,-,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什
18、么电压都不会在D、S间形成电流iD,即iD0.,当VGSVT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。,开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。,VDS=VDGVGS=VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当 VGDVT,此时VDS 基本均匀降落
19、在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID,当VDS增加到使VGD=VT时，,当VDS增加到VGDVT时，,这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区,恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。,vGS/V,三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,一、N沟道耗尽型MOS场效应管结
20、构,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,耗尽型MOS场效应管,当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS0时,将使iD进一步增加。当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0,二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,输出特性曲线,转移特性曲线,三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,
21、N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,2.夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。,1.开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,4.直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107，绝缘栅:1091015。,5.漏源击穿电压V(BR)DS:使ID开始剧增时的VDS。,6.栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,1.4.3 场效应管的主要参数,7.低频跨
22、导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,8.输出电阻rds,9.极间电容,Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,图 各种场效应管的符号对比,图 各种场效应管的符号对比,图 各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；(b)输出特性,图 各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；(b)输出特性,图 场效应管的符号及特性P44,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,场效应管 三极管单极性：多子 双极型：多子和少子压控型 流控型Ri很大 Ri较小跨导较小 大JFET的d,s可互换 c,e互换很小温度稳定性好 温度稳定性差可作压控电阻,
