三極管及場效應(yīng)管原理及參數(shù)

1、個人資料整理 僅限學習使用1 / 7、三極管的電流放大原理晶體三極管 以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN 和 PNP 兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅 NPN 和 PNP 兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介 紹 NPN 硅管的電流放大原理。圖一是 NPN 管的結(jié)構(gòu)圖，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，從圖可見發(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。當 b 點電位高于 e 點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C

2、點電位高于 b 點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源 Ec 要高于基極電源 Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控 制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正確，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子 電子）極基區(qū)的多數(shù)載流子 控穴）很容易地截越過發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的 電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb

3、重新補紀念給，從而形成了基極電流 Ibo 根據(jù)電流連續(xù)性原理得：le=lb+lc這就是說，在基極補充一個很小的lb，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic 與 lb 是維持一定的比例關(guān)系，即：B仁 lc/lb式中：B-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量 lc 與基極電流的變化量 lb 之比為：B=lc/lb式中3-稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時31 和B的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，3值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯?作用。、三極管的特性曲線1、輸入特性圖

4、2 是三極管的輸入特性曲線，它表示 lb 隨 Ube 的變化關(guān)系，其特點是：1）當 Uce 在 0-2 伏范圍 內(nèi)，曲線位置和形狀與 Uce 有關(guān)，但當 Uce 高于 2 伏后，曲線 Uce 基本無關(guān)通常輸入特性由兩條曲線1和U）表示即可。2） 當 Ube UbeR 時，lb - 0 稱UbeR 時，lb 隨 Ube 增加而增加，放大 時，三極管工作在較直線的區(qū)段。3）三極管輸入電阻，定義為：rbe=（ Ube/ IbQ 點，其估算公式為：rbe=rb+（3+1（26 毫伏 /le 毫伏）rb 為三極管的基區(qū)電阻，對低頻小功率管，rb 約為 300 歐。2、輸岀特性輸出特性表示 Ic 隨 Uc

5、e 的變化關(guān)系 以 lb 為參數(shù)）從圖 2C）所示的輸出特性可見，它分為三個區(qū)域： 截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū) 當 Ubelcbo常溫時硅管的 Icbo 小于 1 微安，鍺管的 Icbo 約為 10 微安，對于鍺管，溫度每升高12C，Icbo 數(shù)值增加晶體三極管圖 1、晶體三極管NPN 的結(jié)構(gòu)tcT| l| L個人資料整理 僅限學習使用2 / 7一倍，而對于硅管溫度每升高8C,Icbo 數(shù)值增大一倍，雖然硅管的 Icbo 隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的 Icbo 值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴重的管，放大區(qū)，當晶體三極管發(fā)射結(jié)處于正 偏而集電結(jié)于反偏工作時，Ic 隨 Ib 近似

6、作線性變化，放大區(qū)是三極管工作在放大狀態(tài)的區(qū)域。飽和區(qū) 當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)時，Ic 基本上不隨 Ib 而變化，失去了放大功能。根據(jù)三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。圖 2、三極管的輸入特性與輸岀特性截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的區(qū)域，三極管和導(dǎo)通時，工作點落在飽和區(qū)，三極管截止時， 工作點落在截止區(qū)。三、三極管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)1）集電極一基極反向飽和電流Icbo，發(fā)射極開路時，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關(guān)，在一定溫度下是個常數(shù)，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo 很小，小功率鍺管的

7、Icbo 約為 110 微安，大功率鍺管的 Icbo 可達數(shù)毫安， 而硅管的 Icbo則非常小，是毫微安級。2）集電極一發(fā)射極反向電流Iceo（穿透電流）基極開路Icbo o Icbo 和 Iceo 受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小，性能越穩(wěn)定，小功率鍺管的Iceo 比硅管大。3）發(fā)射極-基極反向電流 Iebo 集電極開路時，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時發(fā)射極的 電流，它實際上是發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。4）直流電流放大系數(shù)B1或 hEF）這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸岀的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：B仁 lc/lb2、交流參數(shù)1）交

8、流電流放大系數(shù)B或 hfe ）這是指共發(fā)射極接法，集電極輸岀電流的變化量Ic 與基極輸入電流的變化量厶 Ib 之比，即：B=Ic/Ib一般晶體管的B大約在 10-200 之間，如果B太小，電流放大作用差，如果B太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。2）共基極交流放大系數(shù)a或 hfb ）這是指共基接法時，集電極輸岀電流的變化是Ic 與發(fā)射極電流的變化量 Ie 之比，即：a=Ic/Ie因為 Ic 0.90 就可以使用a與B之間的關(guān)系：a= B /1+ B）B=a/1-a）1/1-a）3）截止頻率 fB、fa當B下降到低頻時 0.707 倍的頻率，就是共發(fā)射極的截止頻率fB；當a下降到低頻時的

9、 0.707 倍的頻率，就是共基極的截止頻率fao fB、fa是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關(guān)系為：fB 1-a ）fa4）特征頻率 fT 因為頻率 f 上升時，B就下降，當B下降到 1 時，對應(yīng)的 fT 是全面地反映晶體管的高頻 放大性能的重要參數(shù)。爍：lgw個人資料整理 僅限學習使用3 / 73、極限參數(shù)1）集電極最大允許電流 ICM 當集電極電流 Ic 增加到某一數(shù)值，引起B(yǎng)值下降到額定值的 2/3 或 1/2， 這時的 Ic 值稱為 ICM。所以當 Ic 超過 ICM 時，雖然不致使管子損壞，但B值顯著下降，影響放大質(zhì)量。2）集電極-基極擊穿電壓 BVCBO 當發(fā)射極開路時，

10、集電結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO3）發(fā)射極-基極反向擊穿電壓 BVEBO 當集電極開路時，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO個人資料整理 僅限學習使用4 / 7BVceo,管子就會被擊穿。5）集電極最大允許耗散功率 PCM 集電流過 lc ,溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許 值時的最大集電極耗散功率稱為PCM 管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=UceXlc.使用時慶使 PcvPCMPCM 與散熱條件有關(guān)，增加散熱片可提高PCIM、三極管1.三極管的放大作用圖 1 是收信放大管的結(jié)構(gòu)及符號圖，柵極用符號g 表示，柵極具有控制陽極電流ia 的作用。由于柵極與

11、陰極之間的距離較陽極與陰極間的距離近得多，所以柵極對陰極發(fā)射電子的影響也較陽極的影響大得多，即是說柵極控制電子的能力要比陽極大得多，柵壓ug 有多少量的變化，就能引起陽極電流ia 發(fā)生較大的變化，這就是三極管具有放大作用的原因。2.三極管的靜態(tài)特性曲線1）陽極特性曲線，指柵壓 ug 為常數(shù)時，陽極是電流 ia 與陽極電壓 ua 的變化關(guān)系曲線，采用圖 2 的線 路可測出在極管陽極特性曲線，圖3 表示 6N8P 的陽極特性曲線簇。從陽極特性的曲線簇可以看出：1）它的每條曲線形狀和二極管的行性曲線相似，柵壓愈負，曲線愈向右移。這是因為柵壓為負進，只有 當陽極電壓增加到能夠抵消在陰極附近產(chǎn)生的排斥電

12、場以后，才會產(chǎn)生陽極電流。2）特性曲線的大部分是彼此平行的直線，間隔也比較均勻，但在陽極電流較低的部分，曲線顯得彎曲。3） 從圖中還可以看出，柵壓電流可變化4 毫安，若柵壓保持-8 伏不變，要使陽極電流變化 4 毫安，則陽極電壓應(yīng)變化 40 伏才行，這說明書柵壓對陽極電流的控制作用是陽極電壓控制作用的20 倍。2）陽柵特性曲線，指陽極電壓為常數(shù)時，陽極電流ia 與柵壓 ug 的變化關(guān)系曲線。仍用圖 2 測量陽柵特性曲線。只要把陽極電壓ua 固定在某一數(shù)值上，然后一條陽柵特性曲線，在不同的陽極電壓下作出很多條曲線就組成特性曲線簇。圖4 為 6N8P 陽柵特性曲線簇。從曲線簇可以看岀：1）在陽極電

13、壓為定值時，隨著負柵壓的增加，陽極電流減小。當負柵壓增加到某一個數(shù)值時，陽極電流 減小到零，這時稱為陽極電流截止，對應(yīng)的柵壓稱為截止柵壓。2）陽極電壓越高，特性曲線越往左移，這是因為陽極電壓越高，要使陽極電流截止的負柵壓也越大。圖 1 三極管結(jié)構(gòu)及符號圖 4、6N8P 陽柵特性曲線個人資料整理 僅限學習使用5 / 73）從圖中還可看出柵壓變化對陽極電流的變化影響很大。3. 三極管的參數(shù)1）跨導(dǎo)跨導(dǎo)的定義是：在陽壓保持不變時，柵壓ug 在某一工作點上變化一個增量厶ug,將引起陽極流 ia 相應(yīng)地彎化一個增量 ia，比值 ia/ ig 稱為跨導(dǎo)，用符號 S 表示，即：S= ia/ ig|ua 固定

14、） 毫安 / 伏）跨導(dǎo)具有電導(dǎo)的性質(zhì)，其物理意義是：在陽壓固定不變的條件下，當柵壓變化1 伏時，陽流變化了多少毫安。它表明柵壓控制陽流的能力，跨導(dǎo)越大，柵壓控制陽流的能力就越強。電子管的跨導(dǎo)可以從已知的陽柵特性曲線簇上求岀。 特性曲線的不同部分的跨導(dǎo)值是不一樣的。 曲線越陡 即斜率越大）跨導(dǎo)就越大，所以在特性曲線的直線部分，跨導(dǎo)最大，而且各點跨導(dǎo)差不多相同，因此， 電子管手冊中給岀的跨導(dǎo)，都是指直線部分的跨導(dǎo)值，一般三極管的跨導(dǎo)值約為210毫安/伏）2）內(nèi)阻內(nèi)阻的定義是：在柵壓保持不變時，陽壓ua 在某一工作點上彎化一個增量厶ua,將引起陽流相應(yīng)地變化一個增量厶 ia，比值 ua/ ia 稱為

15、內(nèi)阻，用符號 Ri 表示，即：Ri= ua/ ia|ig 固定） 歐姆）當 ia 為毫安，ua 為伏時，則 Ri 為千歐。內(nèi)阻的物理意義是：在柵壓保持不公的條件下，陽流變化1 毫安，陽壓需要變化多少伏，這表明了陽極對陽流的控制能力，內(nèi)阻越小，陽壓控制陽流的能力就越強。內(nèi)阻也可以從陽極特性曲線上求出，由于電子管的陽極特性曲線不是直線，所以曲線上各點的內(nèi)阻值也不 相同，曲線越陡 即斜率越大）時，內(nèi)阻越小，曲線越平直即斜率越?。﹦t內(nèi)阻越大，一般三極管內(nèi)阻值為 500 歐至 100 千歐之間。3）放大系數(shù)放大系數(shù)的定義是：陽壓變化一個增量ua 為了保持陽流不變，柵壓 ug 必須相應(yīng)地變化一個 ug，A

16、ua與厶 ug 比值的絕對值，稱為放大系數(shù)，用符號 卩表示，即：卩= ua/ ug|ia 固定）放大系數(shù)沒有單位，它表明柵壓對陽流的影響比陽壓對陽流的影響大多少倍，一般三極管的放大系數(shù)在5100 之間。4）三個參數(shù)之間的關(guān)系電子管的三個參數(shù) S、Ri 和卩三者之間有一定的關(guān)系，這個關(guān)系可用下式求得：根據(jù)Ri 的定義：Ri= ua/ ia，因為增量 ua 與厶 ia 一定是同符號的，所以Ri= ua/ ia=| ua/ ia|又根據(jù) S 的定義：S=Aia/ ua 增量 ia 與厶 ug 也是同符號的，所以S=Aia/ia=|ia/ug|把 Ri 與 S 相乘可得RiS=| ua/ ia|x|

17、ia/ ug|= ua/ ig=卩 倍）則卩可以寫成g=RiS這個方程稱為電子管的內(nèi)部方程。它表示電子管的三個參數(shù)之間的相互關(guān)系，即放大系數(shù)等于內(nèi)阻與跨導(dǎo) 的乘積。4. 三極管的極間電容及其影響電子管的電極是由金屬制成的，并被介質(zhì) 真空所隔開，因此，各電極之間存在著電容，這些電容叫做極間電容。三極管有三個極間電容，如圖 5 所示，柵極和陰極之間的電容 Cgk 叫做輸入電容，陽極和陰極之間的電容 Cak 叫做輸出電容，陽極和柵極之間的電容 Cag 叫做跨路電容，各個極間電容量大致在 120 皮法范圍 內(nèi)。圖 5、三極管的極間電容電子管的極間電容對電子管電路的工作性能有影響，影響最大的是跨路是電容

18、Cag,特別是在高頻工作時，由于 Cag 的容抗下降，陽極回路的交流電壓通過它反饋回柵極，使電路工作變得極不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生 自激。Cgk和 Cak 對電路性能的影響不顯著。個人資料整理 僅限學習使用6 / 7場效應(yīng)管場效應(yīng)管 英縮寫 FET）是電壓控制器件，它由輸入電壓來控制輸岀電流的變化。它具有輸入阻抗高噪聲低，動態(tài)范圍大，溫度系數(shù)低等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于各種電子線路中。供應(yīng)信息需求信息一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理及特性場效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣柵兩種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)又有N 溝道和 P 溝道兩種導(dǎo)電溝道。1、結(jié)型場效應(yīng)管 vJFET）1）結(jié)構(gòu)原理 它的結(jié)構(gòu)及符號見圖 1。在 N 型硅棒兩端引出漏極 D 和

19、源極 S 兩個電極，又在硅棒的兩側(cè) 各做一個 P區(qū)，形成兩個 PN 結(jié)。在 P 區(qū)引出電極并連接起來，稱為柵極Go 這樣就構(gòu)成了 N 型溝道的場效應(yīng)管防*圖 1、N 溝道結(jié)構(gòu)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號由于 PN 結(jié)中的載流子已經(jīng)耗盡，故 PN 基本上是不導(dǎo)電的，形成了所謂耗盡區(qū)，從圖1 中可見，當漏極電源電壓 ED 一定時，如果柵極電壓越負，PN 結(jié)交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚，則漏、源極之間導(dǎo)電的溝道越窄，漏極電流 ID 就愈?。环粗?，如果柵極電壓沒有那么負，則溝道變寬，ID 變大，所以用柵極電壓 EG可以控制漏極電流 ID 的變化，就是說，場效應(yīng)管是電壓控制元件。2）特性曲線1）轉(zhuǎn)移特性圖 2a

20、）給岀了 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管的柵壓-漏流特性曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，它和電子管的動態(tài)特性曲線非常相似，當柵極電壓 VGS=0 時的漏源電流。用 IDSS 表示。VGS 變負時，ID 逐漸減小。ID 接近于 零的柵極電壓稱為夾斷電壓，用VP 表示，在 0VGS VP 的區(qū)段內(nèi)，ID 與 VGS 的關(guān)系可近似表示為：ID=IDSS1-|VGS/VP| ）其跨導(dǎo) gm 為：gm= ID/ VGS |VDS=常微 微歐）|式中： ID-漏極電流增量 微安 VGS-柵源電壓增量 伏）圖 2、結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線2）漏極特性 輸岀特性圖 2（b給岀了場效應(yīng)管的漏極特性曲線，它和晶體三極管的輸岀特性曲線很

21、相似。1可變電阻區(qū) 圖中 I 區(qū)）在 I 區(qū)里 VDS 比較小，溝通電阻隨柵壓 VGS 而改變，故稱為可變電阻區(qū)。當柵 壓一定時，溝通電阻為定值，ID 隨 VDS 近似線性增大，當 VGX VP 時，漏源極間電阻很大 關(guān)斷）。IP=0 ;當 VGS=0 時，漏源極間電阻很小 導(dǎo)通），ID=IDSSo這一特性使場效應(yīng)管具有開關(guān)作用。2恒流區(qū) 區(qū)中 II 區(qū)）當漏極電壓 VDS 繼續(xù)增大到 VDS |VP|時，漏極電流，IP 達到了飽和值后基本保持不變，這一區(qū)稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)，在這里，對于不同的VGS 漏極特性曲線近似平行線，即ID 與 VGS 成線性關(guān)系，故又稱線性放大區(qū)。個人資料整理 僅限學

22、習使用7 / 73擊穿區(qū) 圖中山區(qū)）如果 VDS 繼續(xù)增加，以至超過了 PN 結(jié)所能承受的電壓而被擊穿，漏極電流ID 突然增大，若不加限制措施，管子就會燒壞。2、絕緣柵場效應(yīng)管它是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體所組成，所以又稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱 MOS 場效應(yīng)管。1）結(jié)構(gòu)原理它的結(jié)構(gòu)、電極及符號見圖 3 所示，以一塊 P 型薄硅片作為襯底，在它上面擴散兩個高雜質(zhì)的N 型區(qū)，作為源極 S 和漏極 D。在硅片表覆蓋一層絕緣物，然后再用金屬鋁引岀一個電極G!極）由于柵極與其它電極絕緣，所以稱為絕緣柵場面效應(yīng)管。圖 3、N 溝道 耗盡型）絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號在制造管子時，通過工藝使絕緣層中岀現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)岀較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質(zhì)的 N 區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在 VGS=0 時也有較大的漏極電流 ID。當柵極電壓 改變時，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID 隨著柵極電壓的變化而變化。場效應(yīng)管的式作方式有兩種：當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗散型，當柵壓為零，漏極電流也為 零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強型。2）特性曲線 1）轉(zhuǎn)移特性 柵壓-漏流特性）圖 4a）給出了 N 溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移行性曲線，圖中IDSS 為飽和漏電流。圖