大學電路第六章-2

雙極型三極管半導體三極管的結構三極管工作狀態(tài)和電路組態(tài)三極管各電極的電流關系三極管的共射極特性曲線半導體三極管的參數三極管的型號三極管應用6.3.1半導體三極管的結構雙極型半導體三極管的結構示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。e-b間的PN結稱為發(fā)射結(Je)

c-b間的PN結稱為集電結(Jc)中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示（Base）；一側稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；另一側稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。雙極型三極管的符號中，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。半導體三極管的結構

從外表上看兩個N區(qū),(或兩個P區(qū))是對稱的，實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電區(qū)結面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。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)根據集電結和發(fā)射結所加的偏置電壓的極性的不同，三極管工作時，可以有以下四種工作狀態(tài)：（1）放大工作狀態(tài)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。（2）飽和狀態(tài)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。（3）截止狀態(tài)：發(fā)射結反偏，集電結反偏。（4）反向狀態(tài)：發(fā)射結反偏，集電結正偏。通常在放大電路中，利用的是放大工作狀態(tài)，而在數字電路中，主要應用的是飽和和截止工作狀態(tài)。二、

三極管各電極的電流關系

1.三種組態(tài)

雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入,兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見下圖

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

稱為共基極直流電流放大系數。它表示最后達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（1）共基極組態(tài)：對于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關系可以用系數來說明，定義:

ICBO為集電結反向飽和漏電流，滿足Ic|IE=0=ICBO。IEICEO為基極開路時流過集電極和發(fā)射集的電流，稱為穿透電流。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稱為共發(fā)射極直流放大系數(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輸入特性曲線——

iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(vCE)

iB=const共發(fā)射極接法三極管的特性曲線：這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。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VCE一定時，iB與vBE之間的變化關系：由于受集電結電壓的影響，輸入特性與一個單獨的PN結的伏安特性曲線有所不同。

在討論輸入特性曲線時，設vCE=const(常數)。(1)VCE=0時：b、e間加正向電壓，JC和JE都正偏，JC沒有吸引電子的能力。所以其特性相當于兩個二極管并聯PN結的特性。

VCE=0V：兩個PN結并聯輸入特性曲線(2)VCE>1V時，b、e間加正向電壓，這時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時小。

VCE>1V：

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

0<VCE<1V:VCE

iB

2.輸出特性曲線表示IB一定時，iC與vCE之間的變化關系。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，對應一個IB，iC基本不隨vCE增大，IC=

IB

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

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

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

V左右(硅管)。三極管工作情況總結狀態(tài)發(fā)射結集電結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，三個極上的電流關系： 電位關系：NPNPNPc最高最低b中VB=VE+0.7V中VB=VE-0.7Ve最低最高表1三級管工作狀態(tài)的判斷1.三極管結偏置判斷法，參見上表1。2.三極管電流關系判斷法：見下表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稱為三極管臨界飽和時基極應注入的電流，表23.溫度對三極管特性的影響溫度升高使： （1）輸入特性曲線左移 （2）ICBO增大，輸出特性曲線上移 （3）

增大6.4半導體三極管的參數半導體三極管的參數分為三大類:

直流參數交流參數極限參數1.直流參數

①直流電流放大系數

a.共基極直流電流放大系數

=IC/IE=IB/

1+

IB=/

1+

三極管的直流參數

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

，如下左圖所示。在IC較小時和IC較大時，會有所減小，這一關系見下右圖。b.共射極直流電流放大系數：

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

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

ICEO和ICBO之間的關系：

ICEO=（1+）ICBO相當于基極開路時，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0時曲線所對應的Y坐標的數值,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CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當于集電結的反向飽和電流。

三極管的交流參數2.交流參數①交流電流放大系數

a.共發(fā)射極交流電流放大系數

=

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上通過垂直于X軸的直線求取

IC/

IB。具體方法如圖所示。

三極管的交流參數

b.共基極交流電流放大系數α=

IC/

IE

VCB=const

當ICBO和ICEO很小時，≈

、≈

，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，而且與工作頻率有關。由于結電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的

將會下降。當

下降到1時所對應的頻率稱為特征頻率，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。三極管的極限參數如圖所示，當集電極電流增加時，

就要下降，當

值下降到線性放大區(qū)

值的70～30％時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于

值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢姡擨C＞ICM時，并不表示三極管會損壞。

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

集電極電流通過集電結時所產生的功耗為，

PC=ICVCB≈ICVCE<PCM

因發(fā)射結正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結上。在計算時往往用VCE取代VCB。三極管的極限參數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，其測試時的原理電路如圖所示。BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭。幾個擊穿電壓在大小上有如下關系：

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

a.V(BR)CBO——發(fā)射極開路時的集電結擊穿電壓。下標CB代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。b.V(BR)EBO——集電極開路時發(fā)射結的擊穿電壓。

c.V(BR)CEO——基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。對于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在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)，見下圖。三極管的參數參

數型

號

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開關管國家標準對半導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用數字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管例6.1：判斷三極管的工作狀態(tài)

測量得到三極管三個電極對地電位如圖所示，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)用數字電壓表測得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，試判斷三極管的工作狀態(tài)。7.4場效應管及其放大電路

場效應管是一種利用輸入電壓產生的電場效應來控制輸出電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，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。場效應管：結型N溝道P溝道

MOS型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型7.4.1場效應管

場效應晶體管（FieldEffectTransister

簡寫為FET)，簡稱場效應管,它的外部有三個電極,分別稱為:源極:S(Source)，相當e柵極:G(Gate)，相當b漏極D(Drain)，相當c另外有些FET還有一個稱為襯底的電極B(Substrate);它是一種電壓控制的有源器件,具有輸入阻抗高(可達108~1015),易于集成,熱穩(wěn)定性好,抗輻射能力強,噪聲小等特點,在大規(guī)模集成電路中得到廣泛應用.

根據結構和工作原理的不同,分為結型和絕緣柵型兩大類。它們都是依靠半導體中的多數載流子來實現導電的器件,因此又稱為單極型晶體管.一、結型場效應管

場效應管有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應于三極管的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。利用g-s之間電壓來控制d-s之間的電流。iD=f(uGS)轉移特性│uGS│增大到一定值，溝道消失，漏極電流為0。導電溝道(以N溝道為例)結型場效應管是一種利用耗盡層寬度改變導電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。uGD=UGS(off)時稱為預夾斷夾斷電壓漏極飽和電流

gm稱為跨導，反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力二、絕緣柵型場效應管(InsulatedGateFieldEffectTransister)

絕緣柵型場效應管IGFET又稱金屬氧化物場效應管MOSFET(MetalOxide

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

。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道。增強型：VGS=0時，漏源之間無導電溝道。

1、絕緣柵型場效應管結構反型層

uDS

不變，uGS增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當反型層將兩個N區(qū)相接時，管子導通。增強型管SiO2絕緣層耗盡型管加正離子

uGS=0時就存在導電溝道。2、絕緣柵型場效應管符號1)增強型NMOS管2)增強型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

vDS

/V

iD3、特性曲線（以N溝道增強型為例）轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。gm

的量綱為mA/V，稱為跨導。

gm=

ID/

VGS

VDS=const4、輸出特性曲線

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)的場效應管相當于一個壓控電流源(3)飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）未產生夾斷時，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域

VGS