電子技術基礎課件：半導體三極管及其應用

半導體三極管及其應用第一節(jié)晶體三極管第二節(jié)共射極單管基本放大電路第三節(jié)分壓式偏置電路第四節(jié)場效應管第五節(jié)場效應管基本放大電路半導體三極管又稱晶體三極管(通常簡稱三極管或晶體管)，它是應用最廣泛的一種半導體器件。教學內(nèi)容:(1)三極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。(2)放大電路的基本分析方法(以共發(fā)射極放大電路為例)學習目標:(1)了解雙極型和單極型三極管的結(jié)構(gòu)，正確識別各種三極管圖形符號。熟悉晶體三極管的使用知識，掌握使用萬用表判別三極管的引腳和質(zhì)量優(yōu)劣的方法。(2)理解晶體三極管的工作原理、伏安特性及主要參數(shù);理解晶體三極管的電流放大作用。(3)掌握晶體三極管直流電路近似估算方法，熟悉晶體三極管放大、截止、飽和態(tài)的判別。(4)理解三極管放大電路的組成和主要元件的作用，能夠熟悉直流通路、交流通路的作用，掌握其畫法。理解共射、共集放大電路的簡化小信號模型電路，掌握對共射放大電路的放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的估算。

第一節(jié)晶體三極管

半導體三極管又稱為晶體管、雙極性三極管。它是組成各種電子電路的核心器件。晶體三極管種類很多，按制造材料分，有硅管和鍺管;按功率大小分，有大、中、小功率管;按工作頻率分，有高頻管和低頻管等。2.1.1結(jié)構(gòu)及類型三極管是由兩個PN結(jié)組成的，按組成方式，三極管有PNP型和NPN型兩種類型，如圖2.1所示。從結(jié)構(gòu)上看，三極管內(nèi)部有三個區(qū)域，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并相應地引出發(fā)射極(e)、基極(b)和集電極(c)三個電極。三個區(qū)形成的兩個PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。三極管常用的半導體材料有硅和鍺，因此三極管有四種類型。它們對應的系列為:3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)和3D(硅NPN)。由于硅NPN型三極管用得最廣，本書在后面無說明時，即指硅NPN三極管。圖2.2所示為最常見的幾種三極管。1.2電流放大作用1.晶體三極管實現(xiàn)放大的結(jié)構(gòu)要求和外部條件1)結(jié)構(gòu)要求(1)發(fā)射區(qū)重摻雜，多數(shù)載流子電子濃度遠大于基區(qū)多數(shù)載流子空穴濃度。(2)基區(qū)做的很薄，通常只有幾微米到幾十微米，而且是低摻雜。(3)集電區(qū)面積大，以保證盡可能收集到發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子。2)外部條件外加電源的極性應使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài);集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。2.晶體三極管的三種連接方式因為放大器一般為4端網(wǎng)絡，而三極管只有3個電極，所以組成放大電路時，勢必要有一個電極作為輸入與輸出信號的公共端。根據(jù)所選公共端電極的不同，有以下三種連接方式:共基極、共發(fā)射極、共集電極。三極管的三種連接方式如圖2.3所示。3.晶體三極管的電流分配關系以晶體三極管的基極作為信號的輸入端，集電極作為輸出端，發(fā)射極作為輸入和輸出回路的公共端的電路，稱為共發(fā)射極電路，簡稱共射電路。下面以共射接法的NPN型管來討論晶體三極管的放大原理。在如圖2.4所示電路中，由于集電極電源UCC大于基極電源UBB，保證了UO>UB>UE。這樣發(fā)射極正偏，有利于發(fā)射區(qū)電子流入基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。在基區(qū)中因摻雜濃度低，且基區(qū)較薄，故與電子復合的空穴量很少，形成較小的基極電流IB，而大部分電子通過大面積的集電結(jié)被吸引到集電區(qū)，形成較大的集電極電流IC。電源UCC和UBB為各電極電流不斷補充能源。集電區(qū)少子（空穴）和基區(qū)少子(電子)在反偏作用下形成反向飽和電流ICBO，其值雖小，但受溫度影響很大。相應的各極的電流分配關系如下：通常，把IC與IB的比值稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)一般三極管的β約為幾十到幾百。太小，管子的放大能力就差；過大，管子就不夠穩(wěn)定。2.1.3特性曲線由于晶體三極管和二極管一樣也是非線性元件，所以通常用它的特性曲線進行描述。晶體三極管的特性曲線是指晶體三極管各極電壓與電流之間的關系曲線，一般用如圖2.5所示的電路圖測量。1.共發(fā)射極輸入特性曲線共發(fā)射極輸入特性曲線是描述ICE為某一常數(shù)時，晶體管的輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的函數(shù)關系，即iB=f(uBE)|UBE=常數(shù)，具體如圖2.6所示。由圖2.6可知:(1)晶體三極管輸入特性與二極管特性類似，在發(fā)射結(jié)電壓uBE大于死區(qū)電壓時才導通，導通后uBE很小的變化將引起iB很大的變化，而且具有恒壓特性，uBE近似為常數(shù)。(2)當UCE由零增大為1V時，曲線明顯右移，而當UCE≥1V后，曲線重合為同一根線。在實際使用中，多數(shù)情況下滿足UCE≥1V，因此通常用的是最右邊這根曲線。由該曲線可知硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，導通電壓(用UBE(on)表示)約為0.6~0.8V，通常取0.7V。對于鍺管，死區(qū)電壓約為0.1V，導通電壓為0.2~0.3V，通常取0.2V。2.共發(fā)射極輸出特性曲線共發(fā)射極輸出特性曲線是指iB一定時，輸出電流iC和輸出電壓uCE的關系曲線，其函數(shù)表示式為：iC=f(uCE)|iB=常數(shù)，具體如圖2.7所示。由圖2.7可知，晶體三極管有三種工作狀態(tài)，即可以將輸出特性曲線劃分為放大、飽和以及截止三個區(qū)域。1)放大區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏置且大于正向?qū)ㄩ撝惦妷?、集電結(jié)反向偏置時，三極管工作的區(qū)域為放大區(qū)。此時，iB>0，uCE>uBE，iC主要受iB控制，幾乎與uCE無關，表現(xiàn)為恒流特性。輸出特性曲線是一簇幾乎與橫坐標軸平行的等距離直線，各曲線間隔大小可體現(xiàn)β值的大小。但隨著uCE的增大，各條曲線略向上傾斜。在放大區(qū)中，ΔiC與ΔiB之間有一種受控關系，即ΔiC=βΔiB，表現(xiàn)為三極管的電流放大作用。2)飽和區(qū)當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置，且uBE大于正向?qū)ㄩ撝惦妷?工程上認為正向?qū)妷篣BE(on))時，三極管工作在飽和區(qū)。此時uCE很小，uCE<uBE，即UC<UB，iC從0開始隨著uCE的增大而迅速地增大，但iC不受iB的控制，iC<βiB。圖中飽和區(qū)與放大區(qū)的分界線，稱為臨界飽和線。對于小功率管，此時可以認為uCE≈uBE，即uCB≈0。在飽和狀態(tài)下，三極管c、e間的電壓稱為飽和壓降UCE(sat)。對于小功率管，工程上常取硅管為0.3V、鍺管為0.1V。晶體管的飽和工作狀態(tài)如圖2.8所示。3)截止區(qū)當發(fā)射結(jié)反向偏置或正向偏電壓小于正向?qū)ㄩ撝惦妷?，并且集電結(jié)反偏時，IB=0，IC≈ICEO≈0，三極管處于截止狀態(tài)，沒有放大作用。通常把IB=0的那條輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。對于硅管，IB=0的曲線基本與橫軸重合。晶體管的截止工作狀態(tài)如圖2.9所示。3.溫度對三極管特性的影響溫度的變化對三極管的性能會造成很大的影響，輸入、輸出特性曲線簇都將隨溫度變化而變化。在實際應用中，不能忽視三極管溫度穩(wěn)定性的問題。1)溫度對β值的影響三極管的電流放大系數(shù)β會隨溫度上升而增大，使輸出特性各條曲線的距離加大。溫度每升高1℃，β值增大0.5%~1%。2)溫度對uBE的影響三極管uBE隨溫度變化的規(guī)律與二極管正向?qū)〞r的伏安特性類似，溫度升高時，三極管的輸入特性曲線也向左移動，相對于同一IB的uBE將減小。溫度每升高1℃，UBE(on)減小2~2.5mV。3)溫度對ICBO的影晌溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍，而且，穿透電流ICEO也會隨溫度升高而增加。因此，輸出特性曲線會隨溫度升高而向上移動。1.4主要參數(shù)晶體三極管的特性除用特性曲線表示外，還可以用參數(shù)來說明。晶體三極管的參數(shù)可作為設計電路、合理使用器件的參考。晶體管的參數(shù)很多，這里只介紹常用的主要參數(shù)。1.電流放大系數(shù)1)共射直流電流放大系數(shù)共射直流電流放大系數(shù)指在靜態(tài)時IC與IB的比值，也稱為靜態(tài)電流放大系數(shù)，即2)共射交流電流放大系數(shù)共射交流電流放大系數(shù)指在動態(tài)時，基極電流的變化量為ΔiB，它引起集電極電流的變化量為ΔiC。ΔiC與ΔiB的比值為動態(tài)電流(交流)放大系數(shù)，即2.極間反向電流(1)ICBO為發(fā)射極開路時，集電極與基極間的反向飽和電流。室溫下，小功率硅管的ICBO小于1μA，鍺管的約為10μA。(2)ICEO為基極開路時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的反向飽和電流。小功率硅管的ICEO約幾微安以下，而小功率鍺管的ICEO約在幾十微安以上，因此，在可能情況下應盡量選用硅管。ICBO與ICEO均隨溫度的上升而增大，是衡量三極管溫度穩(wěn)定性的重要參數(shù)。為減小溫度的影響，應盡量選用反向飽和電流小的三極管。3.極限參數(shù)1)集電極最大允許電流ICM當集電極電流iC超過一定數(shù)值后，β將明顯下降，ICM是指β明顯下降，且三極管有可能損壞時所對應的最大允許集電極電流。2)反向擊穿電壓(1)U(BR)EBO為發(fā)射極與基極間的反向擊穿電壓，指當集電極開路時，發(fā)射極與基極間允許加的最大反向電壓，一般為5V左右。(2)U(BR)CBO為集電極與基極間的反向擊穿電壓，指當發(fā)射極開路時，集電極與基極間允許加的最大反向電壓，一般在幾十伏以上。(3)U(BR)CEO為集電極與發(fā)射極間反向擊穿電壓，指當基極開路時，集電極與發(fā)射極間允許加的最大反向電壓，通常比U(BR)CBO小些。3)電極最大允許功率損耗PCM由于集電極電流在流經(jīng)集電結(jié)時將產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫升高，從而引起晶體管參數(shù)變化。當晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率，稱為集電極最大允許損耗功率PCM。根據(jù)管子的PCM值，由PCM=iCuCE可在晶體管的輸出特性曲線上作出PCM曲線，由ICM、U(BR)CEO、PCM三者共同確定晶體管的安全工作區(qū)。2.1.5綜合應用1.三極管的使用常識1)三極管的型號命名方法三極管的型號命名方法見表1.1，這里不再重復贅述。舉例：2)如何查閱器件手冊三極管的參數(shù)一般可以從半導體器件手冊中查到，現(xiàn)選錄了部分三極管的參數(shù)，分別列于表2.1中，供學習參考。2.三極管的選用與檢測1)晶體三極管的選用選用晶體管既要滿足設備及電路的要求，又要符合節(jié)約的原則。根據(jù)用途不同，一般應考慮以下因素：頻率、集電極電流、耗散功率、反向擊穿電壓、電流放大系數(shù)、穩(wěn)定性及飽和壓降等。這些因素具有相互制約的關系，在選管時應抓住主要矛盾，兼顧次要因素。首先根據(jù)電路工作頻率確定選用低頻管還是高頻管，低頻管的特征頻率fT一般在3MHz以下，而高頻管的fT達幾十兆赫、幾百兆赫，甚至更高。選管時應使fT為工作頻率的3~10倍以上。原則上講高頻管可以代替低頻管，但高頻管的功率一般比較小，動態(tài)范圍窄，在替代時應注意功率要求。其次，根據(jù)晶體管實際工作的最大集電極電流iCmax、最大管耗PCmax和電源電壓UCC選擇合適的管子。需要注意：小功率管的PCM值是在常溫(25℃)下測得的。對于大功率管則是在常溫下加規(guī)定規(guī)格散熱物的情況下測得的，若溫度升高或不滿足散熱要求，PCM將會下降。對于β值的選擇，不是越大越好。β太大容易引起自激振蕩，且一般高β管的工作多不穩(wěn)定，受溫度影響大。通常β選40~120之間。應盡量選用穿透電流ICEO、飽和壓降UCES小的管子，ICEO越小，電路的溫度穩(wěn)定性就越好。通常硅管的穩(wěn)定性比鍺管好得多，但硅管的飽和壓降比鍺管大。目前電路中多采用硅管。2)晶體三極管的簡易測試與判別因為三極管內(nèi)部有兩個PN結(jié)，所以可以用萬用表的電阻擋測量兩個PN結(jié)的正、反向電阻來確定三極管的引腳、極型及大致判斷其性能的好壞。下面介紹如何用模擬萬用表進行三極管的識別和檢測，測試方法和檢測原理如圖2.10所示。(1)基極(b極)的判別。使用萬用表R×100Ω或R×1kΩ電阻擋隨意測量三極管的兩極，直到指針擺動較大為止。然后固定黑(紅)表筆，把紅(黑)表筆移至另一引腳上，若指針同樣擺動，則說明被測管為NPN(PNP)型，且黑(紅)表筆所接觸引腳為b極。(2)c極和e極判別。根據(jù)上面的測量已確定了b極，且為NPN(PNP)型。再使用萬用表R×1kΩ擋進行測量。假設一極為c極，接黑(紅)表筆，另一極為e極，接紅(黑)表筆，用手指捏住假設c極和b極(注意c極和b極不能相碰)，讀出其阻值R0，然后再假設另一極為c極，重復上述操作(注意捏住b、e極的力度兩次都要相同)。比較前后數(shù)值，阻值小的黑(紅)表筆接的就是c極。(3)β值的測量。將晶體管正確插入萬用表的晶體管測量插座中，將萬用表置于測量β(或hFE)擋，并進行校正。若萬用表的β值讀數(shù)較大，則說明假設正確，萬用表的β值讀數(shù)就是晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)。若β值讀數(shù)較小，則改將另一引腳設為集電極，重新測量β值，這時若β值讀數(shù)較大，則這次的假設是正確的，若β值讀數(shù)仍很小，則說明被測晶體管放大能力很弱，為劣質(zhì)管。(4)用萬用表估測ICEO的大小。ICEO大小的估測是在對集電極和發(fā)射極的判別過程中完成的，萬用表的黑、紅表筆分別正確地搭接在三極管的集電極、發(fā)射極上時，萬用表的讀數(shù)越大，表明三極管的ICEO越小。在估測ICEO大小的同時，用手捏住三極管的管帽，由于管體溫度升高，c-e極間的電阻值將有所減小。若減小不大，表明該管的溫度穩(wěn)定性較好；若減小較大，則表明該管的溫度特性較差。

第二節(jié)共射極單管基本放大電路

放大電路的功能是利用晶體三極管的電流控制作用，把微弱的電信號不失真地放大到所需要的數(shù)值，實現(xiàn)將直流電源的能量轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化的，且具有較大能量的輸出信號，如圖2.11所示。所以，放大電路的實質(zhì)，是一種用較小的能量去控制較大能量的能量控制裝置。2.1組成及工作原理1.單管放大電路各元件的作用圖2.12所示是一個簡單的單管交流放大器。輸入端接信號通?？捎靡粋€理想電壓源Us和電阻Rs串聯(lián)表示，信號源中的電壓源可能是收音機自天線收到的包含聲音信息的微弱電信號，也可以是某種傳感器根據(jù)被測量轉(zhuǎn)換出的微弱電信號。Ui信源的輸出電壓即放大器的輸入電壓，放大器的輸出端接負載電阻RL，輸出電壓為Uo。放大器中各元件的作用如下所述。1)晶體管V晶體管是放大元件，是放大器的核心。利用它的電流控制作用，可實現(xiàn)用微小輸入電壓變化而引起的基極電流變化控制電源UCC在輸出回路中產(chǎn)生的較大的、與輸入信號成比例變化的集電極電流，從而在負載上獲得比輸入信號幅度大得多但又與其成比例的輸出信號。2)集電極電源UCC它的作用有兩個，其一是在受輸入信號控制的晶體管的作用下，適時向負載提供能量；其二是保證晶體管工作在放大狀態(tài)(即發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏)下。UCC對一般小信號放大器取幾伏至幾十伏。3)集電極負載電阻它可以是一個實際的電阻，也可以是繼電器、發(fā)光二極管等器件。當它是一個實際電阻時，其作用主要是將集電極的電流變化變換成集電極的電位變化，以實現(xiàn)電壓放大，Rc的阻值一般為幾千歐到幾十千歐。當它是繼電器、發(fā)光二極管等器件時，作為直流負載，同時也是執(zhí)行元件或能量轉(zhuǎn)換元件。4)基極電源UBB和基極電阻Rb它們的作用是使晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，并通過Rb的限制提供適當?shù)撵o態(tài)基極電流IB，保證晶體管工作在放大區(qū)并有合適的工作點。Rb的取值范圍一般為幾十千歐到幾百千歐。5)耦合電容C1和C2它們分別接在放大電路的輸入端和輸出端。由于電容器對交流信號的阻抗很小，而對直流信號的阻抗很大，利用它的這一特性來耦合交流信號，隔斷直流信號。使放大器、信號源、負載之不同大小的直流電壓互相不產(chǎn)生干擾，但又能夠把信號源提供的交流信號傳遞給放大器，放大后再傳遞給負載。C1和C2的容量一般為幾微法至幾十微法，因為容量大，通常采用電解電容，連接時需注意其極性，正極接高電位端，負極接低電位端，同時還要注意耐壓不能小于接入的兩點間可能出現(xiàn)的最高電壓。2.放大電路的工作原理在實際放大電路中，一般采用單電源供電，如圖2.13所示。只要適當調(diào)節(jié)Rb的大小，仍能保證發(fā)射極正向偏置，并產(chǎn)生合適的基極偏置電流。當正弦信號作為輸入信號加至放大電路輸入端后，交流輸入信號將使三極管各極電流及電壓都在靜態(tài)值的基礎上疊加一個交流量，即2.2.2靜態(tài)分析對于一個放大電路的分析一般包括兩個方面的內(nèi)容:靜態(tài)工作情況和動態(tài)工作情況。前者主要確定靜態(tài)工作點，后者主要研究放大電路的性能指標。當輸入信號為零(ui=0)時，放大電路只有直流電源作用，各處的電壓和電流都是直流量，為直流工作狀態(tài)或靜止狀態(tài)，簡稱靜態(tài)。這時三極管各極電流和各極之間的電壓分別用IB、IC和UBE、UCE表示，它們代表著輸入、輸出特性曲線上的一個點，所以習慣上稱為靜態(tài)工作點，簡稱Q點。靜態(tài)工作點可以由放大電路的直流通路(直流電流流通的路徑)采用估算法求得。分析步驟如下所述。1)畫出直流通路原則：電容視為開路，電感視為短路。根據(jù)該原則畫出共射極基本放大電路直流通路如圖2.14所示。2)計算靜態(tài)工作點(Q點)，即IB、IC、UCE2.2.3動態(tài)分析放大電路是非線性電路，它一般不能采用線性電路的分析方法來進行分析。但是，當Q點已確定，并設置在特性曲線的線性區(qū)，且輸入信號的幅度足夠小時，可以用線性模型(也稱微變等效電路)來代替晶體三極管。值得說明的一點是，由于這里不考慮晶體三極管結(jié)電容的影響，因此它只適用于低頻信號。1.晶體三極管的簡化小信號模型1)輸入回路當信號很小時，輸入特性在小范圍內(nèi)近似線性，如圖2.15所示。對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻rbe。對于小功率三極管，有2)輸出回路所以(1)輸出端相當于一個受ib控制的電流源。(2)考慮uCE對iC的影響，輸出端相當于并聯(lián)一個大電阻rce。共射極的輸出特性曲線如圖2.16所示。rce的含義為3)晶體三極管的小信號模型綜上分析，得到晶體三極管的小信號模型，由于通常rce很大，可忽略不計，如圖2.17所示。2.用微變等效電路法分析放大電路用微變等效電路法可以較為簡單地分析放大電路對交流信號的放大能力，定量地分析出電路的主要技術指標。具體步驟如下所述。(1)畫出放大電路的交流通路。原則:直流電源視為短路(有內(nèi)阻保留)，電容視為短路，電感視為開路。根據(jù)上述原則，畫出共射極放大電路交流通路如圖2.18所示。(2)畫出等效電路。將晶體三極管小信號模型電路代入交流通路，得到共發(fā)射極基本放大電路的微變等效電路，如圖2.19所示。(3)放大電路主要技術指標的計算。①電壓放大倍數(shù)Au。電壓放大倍數(shù)是放大電路的輸出電壓與輸入電壓的變化量之比：②輸入電阻Ri。對于為放大電路提供信號的信號源來說，放大電路相當于是負載電阻，這個負載電阻就是輸入電阻，用Ri來表示。③輸出電阻。對于負載而言，放大電路相當于信號源，圖2.21所示放大電路框圖。求解輸出電阻就是將放大電路進行戴維南等效，戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。具體來說就是用加壓求電流法求輸出電阻，即:所有電源置零，然后計算電阻，所有獨立電源置零，保留受控源，加壓求電流。如圖2.22所示，令=0，保留Rs，將負載開路(RL=∞)，在放大電路的輸出端外加一電壓，求出在的作用下輸出端中的，則輸出電阻為由于=0，有=0，故=0，將該受控電流源作開路處理，則外加電壓產(chǎn)生的電流I·=U·/Rc，根據(jù)上式得到:

第三節(jié)分壓式偏置電路

3.1組成及工作原理1.分壓式偏置電路各元件的作用圖2.26是一個工作點穩(wěn)定的共射極放大電路，由于它的偏置電路是由電阻分壓構(gòu)成的，故為分壓式偏置放大電路。從圖2.26中看出，電路主要采取了兩個措施:一是采用分基極偏置電路；二是在發(fā)射極增加了發(fā)射電阻Re，為了不造成交流信號在上Re的損失，在Re兩端并聯(lián)了一個容量足夠大的交流旁路電容Ce。2.放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程當電路參數(shù)設計滿足條件IR?IB時，有2.3.2靜態(tài)分析1.直流通路按照直流通路的畫法，得到分壓式偏置電路的直流通路，如圖2.27所示。2.靜態(tài)工作點的計算2.3.3動態(tài)分析1.交流通路及小信號模型電路按照放大電路交流通路的畫法，得到分壓式偏置電路的交流通路及小信號模型電路，如圖2.28所示。2.主要性能指標

第四節(jié)場效應管

場效應管即單極型三極管，簡稱FET。與晶體管相比，場效應管具有輸入阻抗非常高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、功耗低、抗輻射能力強等優(yōu)點，而且制造工藝簡單、占有芯片面積小、器件特性便于控制、功耗小，特別適宜于大規(guī)模集成，因此在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛應用。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場效應管主要分為兩大類:結(jié)型場效應管和金屬—氧化物—半導體場效應管。結(jié)型場效應管和MOS場效應管都有N溝道和P溝道之分，MOS場效應管還有增強型和耗盡型之分，所以場效應管共分六種類型。4.1結(jié)型場效應管1.結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)型場效應管有兩種結(jié)構(gòu)形式：N型溝道結(jié)型場效應管和P型溝道結(jié)型場效應管，如圖2.32所示。以N型溝道為例。在一塊N型硅半導體材料的兩邊，利用合金法、擴散法或其他工藝做成高濃度的P+型區(qū)，使之形成兩個PN結(jié)，然后將兩邊的P+型區(qū)連在一起，引出一個電極，稱為柵極G。在N型半導體兩端各引出一個電極，分別作為源極S和漏極D。夾在兩個PN結(jié)中間的N型區(qū)是源極與漏極之間的電流通道，稱為導電溝道。由于N型半導體多數(shù)載流子是電子，故此溝道稱為N型溝道。同理，P型溝道結(jié)型場效應管中，溝道是P型區(qū)，稱為P型溝道，柵極與N型區(qū)相連。電路符號中的箭頭方向可理解為兩個PN結(jié)的正向?qū)щ姺较颉慕Y(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)可看出，我們在D、S間加上電壓UDS，則在源極和漏極之間形成電流ID。通過改變柵極和源極的反向電壓UGS，可以改變兩個PN結(jié)阻擋層(耗盡層)的寬度。由于柵極區(qū)是高摻雜區(qū)，所以阻擋層主要降在溝道區(qū)。故|UGS|的改變變，會引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而改變了漏極電流ID。如|UGS|上升，則溝道變窄，電阻增加，ID下降。反之亦然。所以改變UGS的大小，可以控制漏極電流。這是場效應管工作的基本原理，也是核心部分。1)UGS對導電溝道的影響當UGS由零向負值增大時，PN結(jié)的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大。若UGS的負值再進一步增大，UGS=-UP時，兩個PN結(jié)的阻擋層相遇，溝道消失，稱溝道被“夾斷”了，UP稱為夾斷電壓，此時ID=0，UGS對導電溝道的影響如圖2.33所示。2)ID與UDS、UGS之間的關系假定:柵—源電壓|UGS|<|UP|，如UGS=-1V，UP=-4V。當UDS=2V時，溝道中將有電流ID通過。此電流將沿著溝道方向產(chǎn)生一個電壓降，這樣溝道上各點的電位就不同，因而溝道內(nèi)各點的電位也就不同，也因而溝道內(nèi)各點與柵極的電位差就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，沿著溝道向下逐漸降低，源極端為最低，兩個PN結(jié)阻擋層將出現(xiàn)楔形，使得靠近源極端溝道較寬，而靠近漏極端的溝道較窄，如圖2.34(a)所示。此時再增大UDS，由于溝道電阻增長較慢，所以ID隨之增加。當進一步增大UDS，當柵—漏間電壓UGD等于UP時，即UGD=UGS-UDS=UP，則在D極附近，兩個PN結(jié)的阻擋層相遇，如圖2.34(b)所示，稱之為預夾斷。如果繼續(xù)增大UDS，就會使夾斷區(qū)向源極端方向發(fā)展，溝道電阻增加。由于溝道電阻的增長速率與UDS的增加速率基本相同，故這一期間ID趨于一恒定值，不隨UDS的增大而增大，此時，漏極電流的大小僅取決于UGS的大小。UGS越負，溝道電阻越大，ID便越小。當UGS=UP時，溝道被全部夾斷，ID=0，如圖2.34(c)所示。2.特性曲線1)輸出特性曲線以UGS為參變量時，漏極電流ID與漏—源電壓UDS之間的關系，稱為輸出特性(見圖2.35)，即根據(jù)工作情況，輸出特性可劃分為四個區(qū)域。(1)可變電阻區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，此區(qū)的特點是:固定UGS時，ID隨UDS增大而線性上升，相當于線性電阻；改變UGS時，特性曲線的斜率變化，相當于電阻的阻值不同，UGS增大，相應的電阻增大。(2)恒流區(qū)。該區(qū)的特點是：ID基本不隨UDS而變化，僅取決于UGS的值，輸出特性曲線趨于水平，故稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)。(3)擊穿區(qū)。位于特性曲線的最右部分，當UDS升高到一定程度時，反向偏置的PN結(jié)被擊穿，ID將突然增大。UGS愈負時，達到雪崩擊穿所需的UDS電壓愈小。當UGS=0時其擊穿電壓用BUDSS表示。(4)截止區(qū)。當|UGS|≥|UP|時，管子的導電溝道處于完全夾斷狀態(tài)，ID=0，場效應管截止。2)轉(zhuǎn)移特性曲線當漏—源電壓UDS保持不變時，漏極電流ID和柵—源電壓UGS的關系稱為轉(zhuǎn)移特性(見圖2.36)，即它描述了柵—源電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。由圖可見:?UGS=0時，ID=IDSS，漏極電流最大，稱為飽和漏極電流IDSS。?|UGS|增大，ID減小，當UGS=-UP時，ID=0。UP稱為夾斷電壓。結(jié)型場效應管的轉(zhuǎn)移特性在UGS=0~UP范圍內(nèi)可用下面近似公式表示:2.4.2N溝道增強型MOS管絕緣柵場效應管通常由金屬、氧化物和半導體制成，所以又稱為金屬—氧化物—半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。由于這種場效應管的柵極被絕緣層(SiO2)隔離(所以稱為絕緣柵)，因此其輸入電阻更高，可達109Ω以上。絕緣柵場效應管分為N溝道、P溝道、增強型、耗盡型四種。1.結(jié)構(gòu)及其工作原理1)結(jié)構(gòu)與圖形符號N溝道增強型MOS管簡稱為NEMOS管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.37所示。它以一塊摻雜濃度較低的P型硅片作襯底，在襯底上面的左、右兩側(cè)利用擴散的方法形成兩個高摻雜的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，稱為源極S和漏極D；后在硅片表面生長一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏、源之間的絕緣層上再噴一層金屬鋁作為柵極G；另外在襯底引出襯底引線B（它通常已在管內(nèi)與源極相連）。可見這種場應管由金屬、氧化物和半導體組成，故稱MOS管。由于柵極與源極、漏極之間均無電的接觸，故稱絕緣柵，顯然，柵極電流為零。2)工作原理由圖2.37可見，漏區(qū)(N型)、襯底(P型)和源區(qū)(N型)之間形成兩個背靠背的PN結(jié)。當G、S之間無外加電壓時(即UGS=0)，無論在D、S之間加何種極性的電壓，總有一個PN結(jié)是反偏的，D、S之間無電流流過。若給G、S之間加上正電壓UGS，且源極S與襯底B相連時(通常情況下，S、B是相連的)，則在正電壓UGS的作用下，柵極下的SiO2絕緣層中將產(chǎn)生一個垂直于半導體表面的電場，其/方向由柵極指向P型襯底，如圖2.38所示。該電場是排斥空穴而吸引電子的，當UGS夠大時，該電場可吸引足夠多的電子，使柵極附近的P型襯底表面形成一個N型薄層。由于它是在P型襯底上形成的N型層，故稱為反型層。這個N型反型層將兩個N區(qū)連通，這時只要在D、S之間加上正向電壓，電子就會沿著反型層由源極向漏極運動，形成漏極電ID，如圖2.38所示。故N型反型層構(gòu)成了D、S之間的N型導電溝道。將開始形成反型層所需的柵—源電壓稱為開啟電壓，通常用UGS(th)表示，其值由管子的工藝參數(shù)確定。產(chǎn)生溝道后，若繼續(xù)增大UGS值，則導電溝道加寬，溝道電阻減小，漏極電流iD增大。場效應管具有壓控電流作用，通過控制輸入電壓UGS來控制輸出電流iD的有無和大小。2.特性曲線由于場效應管的輸入電流近于零，故不討論輸入特性。轉(zhuǎn)移特性是指UDS保持不變，ID與UGS的函數(shù)關系，即ID=f(UGS)|UDS=常數(shù)。轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2.39所示。圖中，UGS=10V不變，當UGS<UGS(th)時，因沒有導電溝道，ID=0；當UGS≥UGS(th)(=2V)后形成導電溝道，產(chǎn)生漏極電流ID;UGS增大，ID跟隨增大。輸出特性是指UGS保持不變，ID與UDS的函數(shù)關系，即ID=f(UDS)|UGS=常數(shù)。輸出特性曲線可分為四個區(qū)域:(1)可變電阻區(qū)。指管子導通，但UDS較小的區(qū)域。漏極電流ID隨UDS呈線性增加，輸出特性按線性上升，這樣D、S極間等效為一個線性電阻，阻值的大小與所固定的UGS值有關。故這時場效管D、S極間相當于一個受UGS控制的可變電阻，稱為可變電阻區(qū)。(2)飽和區(qū)(放大區(qū))。指管子導通，且UDS較大的區(qū)域，曲線為一簇基本平行于UDS軸的略向上翹的直線，說明漏極電流ID由柵源電壓UGS控制，而與UDS基本無關，場效應的D、S極間相當于一個受電壓UGS控制的電流源，因此也稱為恒流區(qū)。(3)截止區(qū)。當UGS<UGS(th)時，導電溝道全部消失，ID=0，這時稱為全夾斷，該區(qū)域稱為輸出特性的截止區(qū)，為圖2.39中靠近橫軸的區(qū)域(基本上與橫軸重合)。(4)擊穿區(qū)。若UDS不斷增大，PN結(jié)因承受過大的反向電壓而擊穿，使ID急劇增大，如圖2.39所示，該區(qū)域稱為輸出特性的擊穿區(qū)。.4.3N溝道耗盡型MOS管1.結(jié)構(gòu)及工作原理1)結(jié)構(gòu)耗盡型MOS場效應管是在制造過程中，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時，這些正離子產(chǎn)生的電場也能在P型襯底中“感應”出足夠的電子，形成N型導電溝道，如圖2.40所示。襯底通常在內(nèi)部與源極相連。2)工作原理當UDS>0時，將產(chǎn)生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。當UGS更負，達到某一數(shù)值時溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱之為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS<UP時溝道消失，稱為耗盡型。2.特性曲線N溝道MOS耗盡型場效應管的特性曲線如圖2.41所示，也分為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。IDSS是UGS=0時的漏極電流，UP稱為夾斷電壓，是ID=0對應的UGS的值。圖2.42所示為各種類型的MOS管的符號。4.4場效應管的主要參數(shù)場效應管主要參數(shù)包括直流參數(shù)、交流參數(shù)、極限參數(shù)三部分。1.直流參數(shù)1)飽和漏極電流IDSSIDSS是耗盡型和結(jié)型場效應管的重要參數(shù)之一。IDSS是指當柵、源極之間的電壓UGS=0，而漏、源極之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時對應的漏極電流。2)夾斷電壓UPUP是耗盡型和結(jié)型場效應管的重要參數(shù)之一。UP是指當UDS一定時，使ID減小到某一個微小電流時所需的UGS值。3)開啟電壓UTUT是增強型場效應管的重要參數(shù)之一。UT是指當UDS一定時，漏極電流ID達到某一數(shù)值時所需加的UGS值。4)直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比，由于柵極幾乎不索取電流，因此輸入電阻很高，結(jié)型為106MΩ以上，MOS管可達1010MΩ以上。2.交流參數(shù)1)低頻跨導gm此參數(shù)是描述柵—源電壓UGS對漏極電流的控制作用，它的定義是當UDS一定時，ID與UGS的變化量之比，即跨導gm的單位為mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。在轉(zhuǎn)移特性上工作點Q外切線的斜率即是gm?；蛴奢敵鎏匦钥矗诠ぷ鼽c處作一條垂直橫坐標的直線(表示UDS=常數(shù))，在Q點上下取一個較小的柵—源電壓變化量ΔUGS，然后從縱坐標上找到相應的漏極電流的變化量ΔID/ΔUGS，則2)極間電容場效應管三個極間的電容包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小，管子的高頻性能就愈好。一般為幾個皮法。3)極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDM。(2)漏源間擊穿電壓BUDSS。在場效應管輸出特性曲線上，當漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS即為BUDSS。工作時，外加在漏極、源極之間的電壓不得超過此值。(3)柵源間擊穿電壓