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第 2 章 晶體三極管和場(chǎng)效晶體管,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),2.1 晶體三極管,2.2 場(chǎng)效晶體管,本章小結(jié),1,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),理解晶體管的結(jié)構(gòu)和分類，熟悉其外形、圖形符號(hào)。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(duì)三極管進(jìn)行測(cè)試的方法。,了解場(chǎng)效晶體管的類型及工作原理，熟悉其圖形符號(hào)，理解其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，了解其使用的注意事項(xiàng)。,2,2.1 晶體三極管,2.1.1 三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào),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(jiǎn)單測(cè)試,3,2.1 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(diǎn)：管內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電。,4,2.1.1 三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào),一、晶體三極管的基本結(jié)構(gòu),1．三極管的外形,特點(diǎn)：有三個(gè)電極，故稱三極管。,2．三極管的結(jié)構(gòu),三極管的結(jié)構(gòu)圖,特點(diǎn)：,有三個(gè)區(qū) —— 發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；,兩個(gè) PN 結(jié) —— 發(fā)射結(jié)(BE 結(jié))、集電結(jié)(BC 結(jié))；,三個(gè)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。,二、晶體三極管的符號(hào),三極管符號(hào),箭頭：表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向。 文字符號(hào)：V,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(dǎo)體材料分：有鍺管和硅管等等。,2．國(guó)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。,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(hào)。,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,三極管電源的接法,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,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(cè)量電路如圖,調(diào)節(jié)電位器，測(cè)得發(fā)射極電流、基極電流和集電極電流的對(duì)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：,說明：,1．IE = 0 時(shí)，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(shí)，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,二、晶體三極管的電流放大作用,當(dāng)基極電流 IB 由 0.01 mA 變到 0.02 mA 時(shí)，集電極電流 IC 由 0.56 mA 變到 1.14 mA 。上面兩個(gè)變化量之比為,這說明，當(dāng) IB 有一微小變化時(shí)，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(hào) ? 來表示，稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，簡(jiǎn)稱“交流 ? ” ，即,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,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(shí)，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(dāng)V CE ≥ 2 V 時(shí)，特性曲線基本重合。,2．當(dāng) VBE 很小時(shí)，IB 等于零，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。,共發(fā)射極輸入特性曲線,4．三極管導(dǎo)通后，VBE 基本不變。硅管約為 0.7 V ，鍺管 約為 0.3 V ，稱為三極管的導(dǎo)通電壓。,5．VBE 與 IB 成非線性關(guān)系。,3．當(dāng) VBE 大于門檻電壓(硅管約 0.5 V，鍺管約 0.2 V)時(shí)，IB 逐漸增大，三極管開始導(dǎo)通。,二、晶體三極管的輸出特性曲線,基極電流一定時(shí)，集、射極之間的電壓與集電極電流的關(guān)系曲線。,動(dòng)畫 晶體三極管的輸出特性曲線,輸出特性曲線可分為三個(gè)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(diǎn)： 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(diǎn)：VCE = VCES。,VCES 稱為飽和管壓降，小功率硅管約 0.3 V，鍺管約為 0.1 V。,3．放大區(qū),條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 特點(diǎn)： IC 受 IB 控制 ，即 ?IC = ??IB 。,在放大狀態(tài)，當(dāng) IB 一定時(shí)，IC 不隨 VCE 變化，即放大狀態(tài)的三極管具有恒流特性。,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。,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(yuǎn)小于鍺管，在溫度變化范圍大的工作環(huán)境應(yīng)選用硅管。,三、極限參數(shù),1．集電極最大允許電流 ICM,三極管工作時(shí)，當(dāng)集電極電流超過 ICM 時(shí)，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(dāng)管子集電結(jié)兩端電壓與通過電流的乘積超過此值時(shí)，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(shí)，集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。當(dāng)電壓越過此值時(shí)，管子將發(fā)生電擊穿，若電擊穿導(dǎo)致熱擊穿會(huì)損壞管子。,2.1.6 三極管的簡(jiǎn)單測(cè)試,判別硅管和鍺管的測(cè)試電路,一、硅管或鍺管的判別,二、估計(jì)比較 ? 的大小,NPN 管估測(cè)電路如圖所示。,估測(cè) ? 的電路,萬用表設(shè)置在 R ? 1 k 擋，測(cè)量并比較開關(guān) S 斷開和接通時(shí)的電阻值。前后兩個(gè)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(cè) PNP 管時(shí)，將萬用表兩只表筆對(duì)換位置。,三、估測(cè) ICEO,NPN 管估測(cè)電路如圖所示。所測(cè)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(cè) PNP 型管時(shí)，紅、黑表筆對(duì)調(diào)，方法同前。,I CEO 的估測(cè),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 ? 1 k 或 R ? 100 k 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(gè)管腳相接，如果測(cè)得兩個(gè)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(cè)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。,五、e、b、c 三個(gè)管腳的判斷,估測(cè) ? 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(cè) ? 值的方法判斷 c 、e 極。,方法是先假定一個(gè)待定電極為集電極(另一個(gè)假定為發(fā)射極)接入電路，記下電阻表的擺動(dòng)幅度，然后再把兩個(gè)待定電極對(duì)調(diào)一下接入電路，并記下電阻表的擺動(dòng)幅度。,擺動(dòng)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(cè) PNP 管時(shí)，只要把圖 示電路中紅、黑表筆對(duì)調(diào)位置，仍照上述方法測(cè)試。,2.2 場(chǎng)效晶體管,2.2.1 結(jié)型場(chǎng)效晶體管,2.2.2 絕緣柵場(chǎng)效晶體管,2.2.3 場(chǎng)效晶體管的主要參數(shù)和特點(diǎn),工程應(yīng)用,29,2.2 場(chǎng)效晶體管,場(chǎng)效晶體管：是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。,特點(diǎn)：管子內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電，稱為單極型晶體三極管。,2.2.1 結(jié)型場(chǎng)效晶體管,N 溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管,P 溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管,一、結(jié)構(gòu)和符號(hào),N 溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)如圖所示；P 溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管如圖所示。,特點(diǎn)：由兩個(gè) PN 結(jié)和一個(gè)導(dǎo)電溝道所組成。三個(gè)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(gè) PN 結(jié)加反向電壓。,二、工作原理,,,以 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效晶體管為例，原理電路如圖所示。,動(dòng)畫 結(jié)型場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu),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(chǎng)效晶體管是一個(gè)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(dá) 107 ~ 108 ?。,三、結(jié)型場(chǎng)效晶體管的特性曲線和跨導(dǎo),1．轉(zhuǎn)移特性曲線,結(jié)型場(chǎng)效晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線,反映柵源電壓 VGS 對(duì)漏極電流 ID 的控制作用。如圖所示，若漏源電壓一定：,當(dāng)柵源電壓 VGS = 0 時(shí)，漏極電流 ID = IDSS ，IDSS 稱為飽和漏極電流；,當(dāng)柵源電壓 VGS 向負(fù)值方向變化時(shí)，漏極電流 ID 逐漸減??；,當(dāng)柵源電壓 VGS = VP 時(shí)，漏極電流 ID = 0，VP 稱為夾斷電壓。,2．輸出特性曲線,結(jié)型場(chǎng)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(shí)，ID 隨 VDS 作線性變化，漏源間呈現(xiàn)電阻性。,柵源電壓 VGS 越負(fù)，輸出特性越陡，漏源間的電阻越大。,結(jié)論：在Ⅰ區(qū)中，場(chǎng)效晶體管可看作一個(gè)受柵源電壓控制的可變電阻。,(2)飽和區(qū)(圖中Ⅱ區(qū)),結(jié)型場(chǎng)效晶體管的輸出特性曲線,,VDS 一定時(shí)，VGS 的少量變化引起 ID 較大變化，即 ID 受 VGS 控制。,當(dāng) VGS 不變時(shí)，ID 不隨 VDS 變化，基本上維持恒定，即 ID 對(duì) VDS 呈飽和狀態(tài)。,結(jié)論：在Ⅱ區(qū)中，場(chǎng)效晶體管具有線性放大作用。,(3)擊穿區(qū)(圖中 Ⅲ 區(qū)),當(dāng) VDS 增至一定數(shù)值后，ID 劇增，出現(xiàn)電擊穿。如果對(duì)此不加限制，將損壞管子。因此，管子不允許工作在這個(gè)區(qū)域。,3．跨導(dǎo)(gm),反映在線性放大區(qū) ?VGS 對(duì) ID 的控制能力。單位為 μA/V。,,2.2.2 絕緣柵場(chǎng)效晶體管,絕緣柵場(chǎng)效晶體管是一種柵極與源極、漏極之間有絕緣層的場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱 MOS 管。,特點(diǎn)：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(qiáng)型和耗盡型兩種。,一、結(jié)構(gòu)和工作原理,N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管,1. N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管,工作原理如圖所示：,(1)當(dāng) VGS = 0 ，在漏、源極間加一正向電壓 VDS 時(shí)，漏源極之間的電流 ID = 0 。,(2)當(dāng) VGS 0 ，在絕緣層和襯底之間感應(yīng)出一個(gè)反型層，使漏極和源極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。在漏、源極間加一正向電壓 VDS 時(shí)，將產(chǎn)生電流 ID 。,開啟電壓 VT ：增強(qiáng)型 MOS 管開始形成反型層的柵源電壓。,N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管工作原理,N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效晶體管工作原理,(3)在 VDS 0 時(shí)：,若 VGS VT ，反型層消失，無導(dǎo)電溝道，ID = 0 ；,若 VGS VT ，出現(xiàn)反型層(即導(dǎo)電溝道) ，D、S 之間有電流 ID 流過；,若 VGS 逐漸增大，導(dǎo)電溝道變寬，ID 也隨之逐漸增大，即 VGS 控制 ID 的變化。,2．N 溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效晶體管,夾斷電壓：使 ID = 0 時(shí)的柵源電壓。,結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示。,特點(diǎn)：管子本身已形成導(dǎo)電溝道。,N 溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效晶體管,N 溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效晶體管,工作原理：在 VDS 0 時(shí)，,當(dāng) VGS = 0 導(dǎo)電溝道有電流 ID；,當(dāng) VGS 0 并逐漸增大時(shí)，溝道變寬，使 ID 增大；,當(dāng) VGS 0 逐漸增大此負(fù)電壓時(shí)，溝道變窄，使 ID 減小 。實(shí)現(xiàn) VGS 對(duì) ID 的控制作用。,夾斷電壓 VP ： 是指使 ID = 0 時(shí)的柵源電壓 VGS。,二、絕緣柵場(chǎng)效晶體管的特性曲線和跨導(dǎo),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(qiáng)型： 當(dāng) VGS = 0 時(shí)， ID = 0；當(dāng) VGS VT 時(shí)，ID 0 。,耗盡型： 當(dāng) VGS = 0 時(shí)， ID ? 0 ； 當(dāng) VGS 為負(fù)電壓時(shí) ID 減??； 當(dāng) VGS = VPS 時(shí)， ID = 0 。,2．輸出特性曲線,3．跨導(dǎo),可調(diào)電阻區(qū),飽和區(qū),擊穿區(qū),三個(gè)區(qū)的含義與結(jié)型管輸出特性曲線三個(gè)區(qū)相同。,N 溝道 MOS 管輸出特性曲線,,三、絕緣柵場(chǎng)效晶體管的圖形符號(hào),MOS 管的圖形符號(hào),2.2.3 場(chǎng)效晶體管的主要參數(shù)和特點(diǎn),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(qiáng)型場(chǎng)效晶體管開始導(dǎo)通(ID 達(dá)到某一定值，如 10 ?A)時(shí)，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(chǎng)效晶體管 ID 減小到近于零時(shí) VGS 的值。,(3)飽和漏極電流 IDSS,耗盡型場(chǎng)效晶體管工作在飽和區(qū)且 VGS = 0 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,(4)直流輸入電阻 RGS,柵源電壓 VGS 與對(duì)應(yīng)的柵極電流 IG 之比。,場(chǎng)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。,2．交流參數(shù),(1)跨導(dǎo) gm,VDS 一定時(shí)，漏極電流變化量 ?ID 和引起這個(gè)變化的柵源電壓變化量 ?VDS 之比。它表示了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。,(2)極間電容,場(chǎng)效晶體管三個(gè)電極之間的等效電容 CGS、CGD、CDS，一般為幾個(gè)皮法，結(jié)電容小的管子，高頻性能好。,3．極限參數(shù),(1)漏極最大允許耗散功率 PDM,ID 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(shí)所加的漏源間的電壓。,二、場(chǎng)效晶體管的特點(diǎn),場(chǎng)效晶體管與普通三極管比較表,工程應(yīng)用——場(chǎng)效晶體管使用常識(shí),結(jié)形場(chǎng)效晶體管的柵源電壓必須使 PN 結(jié)反偏，不能接反。因結(jié)型場(chǎng)效晶體管的源極及漏極通常制成對(duì)稱的，所以原極和漏極可以調(diào)換使用。,絕緣柵場(chǎng)效晶體管中，有的產(chǎn)品將徹底引出(有四個(gè)管腳)，此時(shí)源極和漏極可以互換使用，但有的產(chǎn)品在制造時(shí)已把源極和襯底連接在一起，這種管子源極和漏極就不能調(diào)換使用。,絕緣柵場(chǎng)效晶體管由于輸入電阻很高，如果在管腳開路狀態(tài)下保存 ，會(huì)使管子還未使用時(shí)就已擊穿或性能下降。因此，無論管子使用與否，都應(yīng)將三個(gè)電極短路或用鋁箔包好。結(jié)型場(chǎng)效晶體管可以在開路狀態(tài)下保存。,本章小結(jié),晶體三極管是一種電流控制器件，具有電流放大作用；使用時(shí)有三種基本連接方式，最常用的是共發(fā)射極接法；有三種工作狀態(tài)，即截止、飽和和放大狀態(tài)；三個(gè)電極的電流關(guān)系是，在放大狀態(tài)時(shí)； ? 值表示電流放大能力的大??；ICBO、ICEO 反映了管子溫度穩(wěn)定性；三極管有 NPN型和PNP型兩大基本類型。,場(chǎng)效晶體管是一種電壓控制器件，用柵極電壓來控制漏極電流；具有高輸入電阻和低噪聲的特點(diǎn)；表征管子性能的有轉(zhuǎn)移特性曲線、輸出特性曲線和跨導(dǎo)；它有結(jié)型場(chǎng)效晶體管和絕緣柵場(chǎng)效晶體管兩大類，每類又有 P 溝道、N溝道的區(qū)別；絕緣柵場(chǎng)效晶體管另有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。,52,本章重點(diǎn),掌握晶體三極管的結(jié)構(gòu)、工作電壓、基本連接方式和電流分配關(guān)系。,熟練掌握晶體三極管的放大作用；共發(fā)射極電路的輸入、輸出特性曲線；主要參數(shù)及溫度對(duì)參數(shù)的影響。,了解 MOS 管的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。,53,本章難點(diǎn),晶體三極管的放大作用。,輸入、輸出特性曲線及主要參數(shù)。,54,學(xué)時(shí)分配,55,