晶體三極管和場效晶體管

晶體三極管和場效晶體管第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月本章學習目標理解晶體管的結(jié)構(gòu)和分類，熟悉其外形、圖形符號。掌握三極管電流分配關(guān)系。掌握三極管的輸入特性、輸出特性及三種工作狀態(tài)，了解其主要參數(shù)。掌握用萬用表對三極管進行測試的方法。了解場效晶體管的類型及工作原理，熟悉其圖形符號，理解其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，了解其使用的注意事項。第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1晶體三極管2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號2.1.2三極管的工作電壓和基本連接方式2.1.3三極管內(nèi)電流的分配和放大作用2.1.4三極管的輸入和輸出特性2.1.5三極管主要參數(shù)2.1.6三極管的簡單測試第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1晶體三極管

晶體三極管：是一種利用輸入電流控制輸出電流的電流控制型器件。

特點：管內(nèi)有兩種載流子參與導電。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號一、晶體三極管的基本結(jié)構(gòu)1．三極管的外形特點：有三個電極，故稱三極管。

第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)圖特點：有三個區(qū)——發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；兩個PN結(jié)——發(fā)射結(jié)(BE結(jié))、集電結(jié)(BC結(jié))；三個電極——發(fā)射極e(E)、基極b(B)和集電極c(C)；兩種類型——PNP型管和NPN型管。工藝要求：發(fā)射區(qū)摻雜濃度較大；基區(qū)很薄且摻雜最少；集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少。第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體三極管的符號三極管符號箭頭：表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向。文字符號：V

第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、晶體三極管的分類1．三極管有多種分類方法。按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：有NPN型和PNP型管；按工作頻率分：有低頻和高頻管；按功率分：有小功率和大功率管；按用途分：有普通管和開關(guān)管；按半導體材料分：有鍺管和硅管等等。2．國產(chǎn)三極管命名法：見《電子線路》（陳其純主編）P261

附錄。例如：3DG表示高頻小功率NPN型硅三極管；3CG表示高頻小功率PNP型硅三極管；3AK表示PNP型開關(guān)鍺三極管等。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2三極管的工作電壓和基本連接方式一、晶體三極管的工作電壓三極管的基本作用是放大電信號。三極管工作在放大狀態(tài)的外部條件是：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。三極管電源的接法第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管電源的接法V為三極管GC為集電極電源GB為基極電源，又稱偏置電源Rb為基極電阻Rc為集電極電阻。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體三極管在電路中的基本連接方式有三種基本連接方式：共發(fā)射極、共基極和共集電極接法。最常用的是共發(fā)射極接法。三極管在電路中的三種基本連接方式第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3三極管內(nèi)電流的分配和放大作用一、電流分配關(guān)系測量電路如圖第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)電位器，測得發(fā)射極電流、基極電流和集電極電流的對應(yīng)數(shù)據(jù)如表所示。因IB很小，則IC

IE

IE=IC+IB

由表可見，三極管中電流分配關(guān)系如下：IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96

第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：1．IE=0時，IC=-IB=ICBO。

ICBO

稱為集電極——基極反向飽和電流，見圖2.1.7(a)。一般ICBO很小，與溫度有關(guān)。2．IB=0時，IC=IE=ICEO。

ICEO

稱為集電極——發(fā)射極反向電流，又叫穿透電流，見圖(b)。

ICEO

越小，三極管溫度穩(wěn)定性越好。硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好。ICBO與ICEO示意圖第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體三極管的電流放大作用當基極電流IB由0.01mA變到0.02mA時，集電極電流IC由0.56mA變到1.14mA。上面兩個變化量之比為這說明，當IB有一微小變化時，就能引起IC較大的變化，這種現(xiàn)象稱為三極管的電流放大作用。比值用符號

來表示，稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，簡稱“交流

”，即第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：1．三極管的電流放大作用——基極電流IB微小的變化，引起集電極電流IC較大變化。2．交流電流放大系數(shù)

——表示三極管放大交流電流的能力4．通常，，所以可表示為考慮ICEO

，則3．直流電流放大系數(shù)——表示三極管放大直流電流的能力第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4三極管的輸入和輸出特性一、共發(fā)射極輸入特性曲線集射極之間的電壓VCE一定時，發(fā)射結(jié)電壓VBE與基極電流IB之間的關(guān)系曲線。共發(fā)射極輸入特性曲線由圖可見：1．當V

CE

≥2V時，特性曲線基本重合。2．當VBE很小時，IB等于零，三極管處于截止狀態(tài)。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月共發(fā)射極輸入特性曲線4．三極管導通后，VBE基本不變。硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V，稱為三極管的導通電壓。5．VBE與IB成非線性關(guān)系。3．當VBE大于門檻電壓(硅管約0.5V，鍺管約0.2V)時，IB逐漸增大，三極管開始導通。第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體三極管的輸出特性曲線基極電流一定時，集、射極之間的電壓與集電極電流的關(guān)系曲線。動畫晶體三極管的輸出特性曲線第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出特性曲線可分為三個工作區(qū):1．截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)反偏或兩端電壓為零。特點：IB=0，IC=ICEO。2．飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。特點：VCE=VCES。VCES稱為飽和管壓降，小功率硅管約0.3V，鍺管約為0.1V。3．放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點：

IC受IB控制，即IC=IB。在放大狀態(tài)，當IB一定時，IC不隨VCE變化，即放大狀態(tài)的三極管具有恒流特性。

第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.5三極管主要參數(shù)三極管的參數(shù)是表征管子的性能和適用范圍的參考數(shù)據(jù)。一、共發(fā)射極電流放大系數(shù)1．直流放大系數(shù)2．交流放大系數(shù)電流放大系數(shù)一般在10~100之間。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不穩(wěn)定。一般取30~80為宜。第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、極間反向飽和電流1．集電極——基極反向飽和電流ICBO。2．集電極——發(fā)射極反向飽和電流ICEO。ICEO=(1+)ICBO

反向飽和電流隨溫度增加而增加，是管子工作狀態(tài)不穩(wěn)定的主要因素。因此，常把它作為判斷管子性能的重要依據(jù)。硅管反向飽和電流遠小于鍺管，在溫度變化范圍大的工作環(huán)境應(yīng)選用硅管。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、極限參數(shù)1．集電極最大允許電流

ICM三極管工作時，當集電極電流超過ICM時，管子性能將顯著下降，并有可能燒壞管子。2．集電極最大允許耗散功率PCM當管子集電結(jié)兩端電壓與通過電流的乘積超過此值時，管子性能變壞或燒毀。3．集電極——發(fā)射極間反向擊穿電壓V(BR)CEO管子基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。當電壓越過此值時，管子將發(fā)生電擊穿，若電擊穿導致熱擊穿會損壞管子。第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.6三極管的簡單測試判別硅管和鍺管的測試電路

一、硅管或鍺管的判別當V=0.1~0.3V時為鍺管。當V=0.6~0.7V時，為硅管第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、估計比較

的大小NPN管估測電路如圖所示。估測

的電路萬用表設(shè)置在R

1k擋，測量并比較開關(guān)S斷開和接通時的電阻值。前后兩個讀數(shù)相差越大，說明管子的

越高，即電流放大能力越大。

估測PNP

管時，將萬用表兩只表筆對換位置。

第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、估測ICEONPN管估測電路如圖所示。所測阻值越大，說明管子的ICEO越小。若阻值無窮大，三極管開路；若阻值為零，三極管短路。測PNP型管時，紅、黑表筆對調(diào)，方法同前。I

CEO的估測第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月四、NPN管型和PNP管型的判斷基極b的判斷將萬用表設(shè)置在R

1k

或R

100k

擋，用黑表筆和任一管腳相接(假設(shè)它是基極b)，紅表筆分別和另外兩個管腳相接，如果測得兩個阻值都很小，則黑表筆所連接的就是基極，而且是NPN型的管子。如圖(a)所示。如果按上述方法測得的結(jié)果均為高阻值，則黑表筆所連接的是PNP管的基極。如圖(b)所示。第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、e、b、c三個管腳的判斷估測的電路如圖所示，首先確定三極管的基極和管型，然后采用估測值的方法判斷c、e極。方法是先假定一個待定電極為集電極(另一個假定為發(fā)射極)接入電路，記下電阻表的擺動幅度，然后再把兩個待定電極對調(diào)一下接入電路，并記下電阻表的擺動幅度。擺動幅度大的一次，黑表筆所連接的管腳是集電極c，紅表筆所連接的管腳為發(fā)射極e。測PNP管時，只要把圖示電路中紅、黑表筆對調(diào)位置，仍照上述方法測試。第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2場效晶體管2.2.1結(jié)型場效晶體管2.2.2絕緣柵場效晶體管2.2.3場效晶體管的主要參數(shù)和特點工程應(yīng)用第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2場效晶體管

場效晶體管：是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。

特點：管子內(nèi)部只有一種載流子參與導電，稱為單極型晶體三極管。第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1結(jié)型場效晶體管N溝道結(jié)型場效晶體管P溝道結(jié)型場效晶體管一、結(jié)構(gòu)和符號N溝道結(jié)型場效晶體管的結(jié)構(gòu)、符號如圖所示；P溝道結(jié)型場效晶體管如圖所示。

特點：由兩個PN結(jié)和一個導電溝道所組成。三個電極分別為源極S、漏極D和柵極G。漏極和源極具有互換性。工作條件：兩個PN結(jié)加反向電壓。第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、工作原理以N溝道結(jié)型場效晶體管為例，原理電路如圖所示。動畫結(jié)型場效晶體管結(jié)構(gòu)第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理如下：

VDS>0；VGS<0。在漏源電壓VDS不變條件下，改變柵源電壓VGS，通過PN結(jié)的變化，控制溝道寬窄，即溝道電阻的大小，從而控制漏極電流ID。結(jié)論：1．結(jié)型場效晶體管是一個電壓控制電流的電壓控制型器件。2．所以輸入電阻很大。一般可達107~108。

第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、結(jié)型場效晶體管的特性曲線和跨導1．轉(zhuǎn)移特性曲線結(jié)型場效晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線反映柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。如圖所示，若漏源電壓一定：當柵源電壓VGS=0時，漏極電流ID=IDSS，IDSS稱為飽和漏極電流；當柵源電壓VGS向負值方向變化時，漏極電流ID逐漸減?。划敄旁措妷篤GS=VP時，漏極電流ID=0，VP稱為夾斷電壓。第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．輸出特性曲線結(jié)型場效晶體管的輸出特性曲線表示在柵源電壓一定條件下，漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。如圖所示。(1)可調(diào)電阻區(qū)(圖中Ⅰ區(qū))VGS不變時，ID隨VDS作線性變化，漏源間呈現(xiàn)電阻性。柵源電壓VGS越負，輸出特性越陡，漏源間的電阻越大。結(jié)論：在Ⅰ區(qū)中，場效晶體管可看作一個受柵源電壓控制的可變電阻。第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)飽和區(qū)(圖中Ⅱ區(qū))結(jié)型場效晶體管的輸出特性曲線

VDS一定時，VGS的少量變化引起ID較大變化，即ID受VGS控制。當VGS不變時，ID不隨VDS變化，基本上維持恒定，即ID對VDS呈飽和狀態(tài)。結(jié)論：在Ⅱ區(qū)中，場效晶體管具有線性放大作用。第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效晶體管的輸出特性曲線(3)擊穿區(qū)(圖中Ⅲ區(qū))當VDS增至一定數(shù)值后，ID劇增，出現(xiàn)電擊穿。如果對此不加限制，將損壞管子。因此，管子不允許工作在這個區(qū)域。3．跨導(gm)反映在線性放大區(qū)VGS對ID的控制能力。單位為μA/V。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2絕緣柵場效晶體管絕緣柵場效晶體管是一種柵極與源極、漏極之間有絕緣層的場效晶體管，簡稱MOS管。特點：輸入電阻高，噪聲小。分類：有P溝道和N溝道兩種類型；每種類型又分為增強型和耗盡型兩種。一、結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道增強型絕緣柵場效晶體管

1.

N溝道增強型絕緣柵場效晶體管第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理如圖所示：

(1)當VGS=0，在漏、源極間加一正向電壓VDS時，漏源極之間的電流ID=0。

(2)當VGS

>0，在絕緣層和襯底之間感應(yīng)出一個反型層，使漏極和源極之間產(chǎn)生導電溝道。在漏、源極間加一正向電壓VDS時，將產(chǎn)生電流ID

。開啟電壓VT：增強型MOS管開始形成反型層的柵源電壓。N溝道增強型絕緣柵場效晶體管工作原理

第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強型絕緣柵場效晶體管工作原理

(3)在VDS>0時：若VGS

<

VT

，反型層消失，無導電溝道，ID=0；若VGS>VT，出現(xiàn)反型層(即導電溝道)，D、S之間有電流ID流過；若VGS逐漸增大，導電溝道變寬，ID也隨之逐漸增大，即VGS控制ID的變化。第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．N溝道耗盡型絕緣柵場效晶體管夾斷電壓：使ID=0時的柵源電壓。

結(jié)構(gòu)及符號如圖所示。特點：管子本身已形成導電溝道。N溝道耗盡型絕緣柵場效晶體管第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道耗盡型絕緣柵場效晶體管工作原理：在VDS>0時，當VGS=0導電溝道有電流ID；當VGS>

0并逐漸增大時，溝道變寬，使ID增大；當VGS<0逐漸增大此負電壓時，溝道變窄，使ID減小。實現(xiàn)VGS對ID的控制作用。夾斷電壓VP：是指使ID=0

時的柵源電壓

VGS。

第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、絕緣柵場效晶體管的特性曲線和跨導以N溝道MOS管為例。

1．轉(zhuǎn)移特性曲線

N溝道MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示。N溝道MOS管轉(zhuǎn)移特性曲線增強型：當VGS=

0時，ID=0；當VGS>VT時，ID>0。耗盡型：當VGS=

0時，ID

0；當VGS為負電壓時ID減??；當VGS=

VPS時，ID=0。

第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．輸出特性曲線3．跨導可調(diào)電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)三個區(qū)的含義與結(jié)型管輸出特性曲線三個區(qū)相同。N溝道MOS管輸出特性曲線第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、絕緣柵場效晶體管的圖形符號MOS管的圖形符號

注意N、P溝道的區(qū)別在于圖中箭頭的指向相反。第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3場效晶體管的主要參數(shù)和特點一、主要參數(shù)1．直流參數(shù)(1)開啟電壓VT

在VDS為定值的條件下，增強型場效晶體管開始導通(ID達到某一定值，如10A)時，所需加VGS

的值。(2)夾斷電壓VP

在VDS為定值的條件下，耗盡型場效晶體管ID減小到近于零時VGS的值。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效晶體管工作在飽和區(qū)且VGS=0時，所對應(yīng)的漏極電流。

(4)直流輸入電阻RGS

柵源電壓VGS與對應(yīng)的柵極電流IG

之比。場效晶體管輸入電阻很高，結(jié)型管一般在107以上；絕緣柵管則更高，一般在109以上。

第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．交流參數(shù)(1)跨導gmVDS一定時，漏極電流變化量ID

和引起這個變化的柵源電壓變化量VDS之比。它表示了柵源電壓對漏極電流的控制能力。(2)極間電容場效晶體管三個電極之間的等效電容CGS、CGD、CDS，一般為幾個皮法，結(jié)電容小的管子，高頻性能好。第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3．極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDMID

與VDS的乘積不應(yīng)超過的極限值。(2)漏極擊穿電壓V(BR)DS漏極電流ID開始劇增時所加的漏源間的電壓。第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、場效晶體管的特點場效晶體管與普通三極管比較表項目器件名稱晶體三極管場效應(yīng)管極型特點雙極型單極型控制方式電流控制電壓控制類型PNP型、NPN型N溝道、P溝道放大參數(shù)=50~200gm=1000~5000μA/V輸入電阻10