半導(dǎo)體三極管和場效應(yīng)管.ppt

1、 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,第二章 半 導(dǎo) 體 三極管,2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管 2.2單極型半導(dǎo)體三極管 2.3 半導(dǎo)體三極管電路的基本分析方法 2.4 半導(dǎo)體三極管的測試與應(yīng)用,2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管,圖 2 - 1 幾種半導(dǎo)體三極管的外形,2.1.1 晶體三極管的工作原理,圖 2 2 晶體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號,一、結(jié)構(gòu)及符號,無論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個區(qū): 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū), 并相應(yīng)地引出三個電極：發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時,在三個區(qū)的兩兩交界處, 形成兩個PN結(jié), 分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。常用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺, 因此共有四種三

2、極管類型。它們對應(yīng)的型號分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。,二、 三極管的三種連接方式,圖 2 - 3 三極管的三種連接方式,三、 三極管的放大作用,1. 載流子的傳輸過程 發(fā)射。 (2) 擴散和復(fù)合。 (3) 收集。,圖 2 4 三極管中載流子的傳輸過程,2. 電流分配,圖 2 - 5 三極管電流分配,集電極電流由兩部分組成：和, 前者是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的, 后者是由集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)載流子漂移運動形成的,稱為反向飽和電流。 于是有 (2 - 1),發(fā)射極電流也由兩部分組成：和。為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流, 是由基

3、區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散的空穴所形成的電流。因為發(fā)射區(qū)是重?fù)诫s, 所以忽略不計, 即。又分成兩部分, 主要部分是, 極少部分是。是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合時所形成的電流, 基區(qū)空穴是由電源提供的,故它是基極電流的一部分。 ,基極電流是與之差：,(2-2),(2-3),發(fā)射區(qū)注入的電子絕大多數(shù)能夠到達(dá)集電極, 形成集電極電流, 即要求。 通常用共基極直流電流放大系數(shù)衡量上述關(guān)系, 用來表示, 其定義為,(2-4),一般三極管的值為0.970.99。將(2-4)式代入(2-1)式, 可得,(2-5),通常CBO, 可將忽略, 由上式可得出,(2-6),三極管的三個極的電流滿足節(jié)點電流定律, 即,將此式代入(2

4、- 5)式得,(2-7),經(jīng)過整理后得,令,稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)ICICBO時, 又可寫成,(2-8),(2-9),則,其中ICEO稱為穿透電流, 即,表2 - 1 三極管電流關(guān)系的一組典型數(shù)據(jù),相應(yīng)地, 將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比, 定義為共基極交流電流放大系數(shù), 即,故,顯然與, 與其意義是不同的, 但是在多數(shù)情況 下, 。 例如, 從表2 - 1 知, 在mA附近, 設(shè)由mA變?yōu)閙A, 可求得,2.1.2三極管的特性曲線,圖 2 6 三極管共發(fā)射極特性曲線測試電路,1.輸入特性,當(dāng)不變時, 輸入回路中的電流與電壓之間的關(guān)系曲線稱為輸入特性, 即,圖 2 - 7 三極

5、管的輸入特性,2.輸出特性 當(dāng)不變時, 輸出回路中的電流與電壓之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性, 即,圖 2 - 8 三極管的輸出特性,(1) 截止區(qū)。 一般將的區(qū)域稱為截止區(qū), 在圖中為的一條曲線的以下部分。此時也近似為零。由于各極電流都基本上等于零, 因而此時三極管沒有放大作用。 其實時, 并不等于零, 而是等于穿透電流ICEO。 一般硅三極管的穿透電流小于A, 在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。 當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時, 發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子, 則三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。所以, 在截止區(qū), 三極管的兩個結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)。對三極管, , BC。,(2) 放大區(qū)。 此時

6、發(fā)射結(jié)正向運用, 集電結(jié)反向運用。 在曲線上是比較平坦的部分, 表示當(dāng)一定時, 的值基本上不隨CE而變化。在這個區(qū)域內(nèi),當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化量時, 相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量, 此時二者的關(guān)系為 該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。 對于三極管, 工作在放大區(qū)時.V, 而。 ,(3) 飽和區(qū)。 曲線靠近縱軸附近, 各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽和區(qū)。 在這個區(qū)域, 不同值的各條特性曲線幾乎重疊在一起, 即當(dāng)較小時, 管子的集電極電流基本上不隨基極電流而變化, 這種現(xiàn)象稱為飽和。此時三極管失去了放大作用, 或關(guān)系不成立。 一般認(rèn)為CENE, 即CB時, 三極管處于臨界飽和狀態(tài), 當(dāng)CE

7、BE時稱為過飽和。三極管飽和時的管壓降用CES表示。在深度飽和時, 小功率管管壓降通常小于.V。 三極管工作在飽和區(qū)時, 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)。對NPN三極管, 。,2.1.3 三極管的主要參數(shù),(1) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)。體現(xiàn)共射極接法之下的電流放大作用。,(2) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。 由式(2 -10)得,(3) 共基極交流電流放大系數(shù)。體現(xiàn)共基極接法下的電流放大作用。 ,(4) 共基極直流電流放大系數(shù)。在忽略反向飽和電流時,2. 極間反向電流,圖 2 - 9 三極管極間反向電流的測量,3極限參數(shù),(1) 集電極最大允許電流。,圖 2 - 10 與IC關(guān)系曲線,(2

8、) 集電極最大允許功率損耗。當(dāng)三極管工作時, 管子兩端電壓為, 集電極電流為, 因此集電極損耗的功率為,圖 2 - 11 三極管的安全工作區(qū),4. 反向擊穿電壓 CBO發(fā)射極開路時, 集電極-基極間的反向擊穿電壓。 CEO基極開路時, 集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。 CER基射極間接有電阻時, 集電極-發(fā)射極間的反向 擊穿電壓。 CES基射極間短路時, 集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。 EBO集電極開路時, 發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓, 此 電壓一般較小, 僅有幾伏左右。 上述電壓一般存在如下關(guān)系：,2.2 單極型半導(dǎo)體三極管,場效應(yīng)管（簡稱FET）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制輸出電

9、流的，所以又稱之為電壓控制型器件。它工作時只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，故也叫單極型半導(dǎo)體三極管。因它具有很高的輸入電阻，能滿足高內(nèi)阻信號源對放大電路的要求，所以是較理想的前置輸入級器件。它還具有熱穩(wěn)定性好、功耗低、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場效應(yīng)管可以分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）或稱MOS型場效應(yīng)管兩大類。根據(jù)場效應(yīng)管制造工藝和材料的不同，又可分為N型溝道場效應(yīng)管和P型溝道場效應(yīng)管。,2.2.1 MOS場效應(yīng)管,這種場效應(yīng)管是由金屬（Metal）,氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor

10、）組成的，故稱MOS管。MOS管可分為N溝道和P溝道兩種。按照工作方式不同可以分為增強型和耗盡型兩類。,一、增強型溝道絕緣柵場效應(yīng)管 1、結(jié)構(gòu)和符號 圖2 - 12是N溝道增強型MOS管的示意圖。MOS管以一塊摻雜濃度較低的P型硅片做襯底，在襯底上通過擴散工藝形成兩個高摻雜的N型區(qū)，并引出兩個極作為源極S和漏極D；在P型硅表面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在二氧化硅表面再噴上一層金屬鋁，引出柵極G。這種場效應(yīng)管柵極、源極、漏極之間都是絕緣的，所以稱之為絕緣柵場效應(yīng)管。,圖2-12 MOS管的結(jié)構(gòu)及其圖形符號,絕緣柵場效應(yīng)管的圖形符號如圖2-12（b）、(c)所示，箭頭方向表示溝道類

11、型，箭頭指向管內(nèi)表示為N溝道MOS管(圖(b)，否則為P溝道MOS管(圖(c)。,2）工作原理 圖2-13是N溝道增強型MOS管的工作原理示意圖，圖2-13（b）是相應(yīng)的電路圖。工作時柵源之間加正向電源電壓UGS，漏源之間加正向電源電壓UDS,并且源極與襯底連接,襯底是電路中最低的電位點。 當(dāng)UGS=0時，漏極與源極之間沒有原始的導(dǎo)電溝道，漏極電流ID=0。這是因為當(dāng)UGS=0時，漏極和襯底以及源極之間形成了兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)，當(dāng)UDS加正向電壓時，漏極與襯底之間PN結(jié)反向偏置的緣故。,圖2-13 N溝道增強型MOS管工作原理 (a)示意圖； (b)電路圖,當(dāng)UGS0時，柵極與襯底之間產(chǎn)生了

12、一個垂直于半導(dǎo)體表面、由柵極G指向襯底的電場。這個電場的作用是排斥P型襯底中的空穴而吸引電子到表面層，當(dāng)UGS增大到一定程度時，絕緣體和P型襯底的交界面附近積累了較多的電子，形成了N型薄層，稱為N型反型層。反型層使漏極與源極之間成為一條由電子構(gòu)成的導(dǎo)電溝道，當(dāng)加上漏源電壓UGS之后，就會有電流ID流過溝道。通常將剛剛出現(xiàn)漏極電流ID時所對應(yīng)的柵源電壓稱為開啟電壓，用UGS(th)表示。,當(dāng)UGSUGS(th)時，UGS增大、電場增強、溝道變寬、溝道電阻減小、ID增大；反之，UGS減小，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。所以改變UGS的大小，就可以控制溝道電阻的大小，從而達(dá)到控制電流ID的大小，

13、隨著UGS的增強，導(dǎo)電性能也跟著增強，故稱之為增強型。 必須強調(diào)，這種管子當(dāng)UGSUGS(th)時，反型層（導(dǎo)電溝道）消失，ID=0。只有當(dāng)UGSUGS(th)時，才能形成導(dǎo)電溝道，并有電流ID。,3）特性曲線 （1）轉(zhuǎn)移特性曲線為,由圖2-14所示的轉(zhuǎn)移特性曲線可見，當(dāng)UGSUGS(th)時，導(dǎo)電溝道沒有形成，ID=0。當(dāng)UGSUGS(th)時，開始形成導(dǎo)電溝道，并隨著UGS的增大，導(dǎo)電溝道變寬，溝道電阻變小，電流ID增大。 （2）輸出特性曲線為,圖2-14 轉(zhuǎn)移特性曲線,圖2-15為輸出特性曲線，與結(jié)型場效應(yīng)管類似，也分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)，其含義與結(jié)型場效應(yīng)管輸

14、出特性曲線的幾個區(qū)相同。,圖2-15 輸出特性曲線,二、耗盡型溝道絕緣柵場效應(yīng)管,1、結(jié)構(gòu)、符號和工作原理 N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖2-16（a）所示，圖形符號如圖2-16（b）所示。N溝道耗盡型MOS管在制造時，在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子，這些正離子的存在，使得UGS=0時，就有垂直電場進入半導(dǎo)體，并吸引自由電子到半導(dǎo)體的表層而形成N型導(dǎo)電溝道。,圖2-16 N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號 （a）結(jié)構(gòu);（b）圖形符號,如果在柵源之間加負(fù)電壓，UGS所產(chǎn)生的外電場就會削弱正離子所產(chǎn)生的電場，使得溝道變窄，電流ID減小;反之，電流ID增加。故這種管子的柵源電壓UGS可以是正的，

15、也可以是負(fù)的。改變UGS，就可以改變溝道的寬窄，從而控制漏極電流ID。 2）特性曲線 （1）輸出特性曲線。N溝道耗盡型MOS管的輸出特性曲線如圖2-17（a）所示，曲線可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。,圖2-17 N溝道耗盡型MOS管特性 （a）輸出特性曲線,（2）轉(zhuǎn)移特性曲線。N溝道耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2-17（b）所示。從圖中可以看出，這種MOS管可正可負(fù)，且柵源電壓UGS為零時，靈活性較大。 當(dāng)UGS=0時，靠絕緣層中正離子在P型襯底中感應(yīng)出足夠的電子，而形成N型導(dǎo)電溝道，獲得一定的IDSS。 當(dāng)UGS0時，垂直電場增強，導(dǎo)電溝道變寬，電流ID增大。 當(dāng)U

16、GS0時，垂直電場減弱，導(dǎo)電溝道變窄，電流ID減小。 當(dāng)UGS=U GS(th)時，導(dǎo)電溝道全夾斷，ID=0。,圖2-17 N溝道耗盡型MOS管特性 （a）輸出特性曲線; b）轉(zhuǎn)移特性曲線,2.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管,1. 工作原理 現(xiàn)以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例討論外加電場是如何來控制場效應(yīng)管的電流的。 如圖2-18所示，場效應(yīng)管工作時它的兩個PN結(jié)始終要加反向電壓。對于N溝道，各極間的外加電壓變?yōu)閁GS0，漏源之間加正向電壓，即UDS0。 當(dāng)G、S兩極間電壓UGS改變時，溝道兩側(cè)耗盡層的寬度也隨著改變，由于溝道寬度的變化，導(dǎo)致溝道電阻值的改變，從而實現(xiàn)了利用電壓UGS控制電流ID的目的。,圖2-

17、18 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,1）UGS對導(dǎo)電溝道的影響 當(dāng)UGS時，場效應(yīng)管兩側(cè)的PN結(jié)均處于零偏置，形成兩個耗盡層,如圖219（）所示。此時耗盡層最薄，導(dǎo)電溝道最寬，溝道電阻最小。 當(dāng)|UGS|值增大時，柵源之間反偏電壓增大，PN結(jié)的耗盡層增寬，如圖219（b）所示。導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。 當(dāng)|UGS|值增大到使兩側(cè)耗盡層相遇時，導(dǎo)電溝道全部夾斷，如圖219（c）所示。溝道電阻趨于無窮大。對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為場效應(yīng)管的夾斷電壓， 用UGS(off)來表示。,圖219 UGS對導(dǎo)電溝道的影響 （a）導(dǎo)電溝道最寬;（b）導(dǎo)電溝道變窄;（c）導(dǎo)電溝道夾斷,2）UDS對導(dǎo)電溝道的影響

18、 設(shè)柵源電壓UGS=0,當(dāng)UDS=0時，ID=0，溝道均勻，如圖219（a）所示。 當(dāng)UDS增加時，漏極電流ID從零開始增加，ID流過導(dǎo)電溝道時，沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點電位不再相等，溝道不再均勻?？拷礃O端的耗盡層最窄，溝道最寬;靠近漏極端的電位最高，且與柵極電位差最大，因而耗盡層最寬，溝道最窄。由圖218可知，UDS的主要作用是形成漏極電流ID。,3）UDS和UGS對溝道電阻和漏極電流的影響 設(shè)在漏源間加有電壓UDS，當(dāng)UGS變化時，溝道中的電流ID將隨溝道電阻的變化而變化。 當(dāng)UGS=0時，溝道電阻最小，電流ID最大。當(dāng)|UGS|值增大時，耗盡層變寬，溝道變窄，溝道電阻變大，電流I

19、D減小，直至溝道被耗盡層夾斷，ID=0。 當(dāng)0UGSUGS(off)時，溝道電流ID在零和最大值之間變化。 改變柵源電壓UGS的大小，能引起管內(nèi)耗盡層寬度的變化，從而控制了漏極電流ID的大小。 場效應(yīng)管和普通三極管一樣，可以看作是受控的電流源，但它是一種電壓控制的電流源。,2. 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 1）轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線是指在一定漏源電壓UDS作用下，柵極電壓UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系曲線，即,2）輸出特性曲線（或漏極特性曲線） 輸出特性曲線是指在一定柵極電壓UGS作用下，ID與UDS之間的關(guān)系曲線，即,圖2-20 轉(zhuǎn)移特性曲線,圖2-21 結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線,2.2.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù), 開啟電壓UGS(th) (或UT)