模拟电子技术三极管详解.ppt

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1、半导体三极管,第 2 章,2.1双极型半导体三极管,2.2单极型半导体三极管,2.3半导体三极管电路的基本分析方法,2.4半导体三极管的测试与应用,半导体三极管,第 2 章,2.1双极型半导体三极管,2.1.1 晶体三极管,2.1.2 晶体三极管的特性曲线,2.1.3 晶体三极管的主要参数,(Semiconductor Transistor),第 2 章半导体三极管,2.1.1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 基区, 发射区, 集电区,emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分类： 按材料分： 硅管、锗管 按结

2、构分： NPN、 PNP 按使用频率分： 低频管、高频管 按功率分： 小功率管 1 W,二、电流放大原理,1. 三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,实现电路,第 2 章半导体三极管,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN 。,I BN,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,I

3、BN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO,3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),三极管内载流子运动,第 2 章半导体三极管,4. 三极管的电流分配关系,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,IE = IC + IB,穿透电流,第 2 章半导体三极管,2.1.2 晶体三极管的特性曲线,一、输入特性,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,特性基本重合(电流分配

4、关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,第 2 章半导体三极管,二、输出特性,截止区： IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个结反偏,2. 放大区：,3. 饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,条件：发射结正偏 集电结反偏 特点：水平、等间隔,ICEO,输 出 特

5、性,第 2 章半导体三极管,三、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,T1,T2 ,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,第 2 章半导体三极管,2.1.3 晶体三极管的主要参数,一、电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,2. 共基极电流放大系数, 1 一般在 0.98 以上。,Q,二、极间反向饱和电流,CB 极间反向饱和电流 ICBO，,CE 极

6、间反向饱和电流 ICEO。,第 2 章半导体三极管,三、极限参数,1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,2. PCM 集电极最大允许功率损耗,PC = iC uCE。,3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,(P34 2.1.7)已知: ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V， 当 UCE = 10 V 时，IC mA 当 UCE

7、= 1 V，则 IC mA 当 IC = 2 mA，则 UCE V,10,20,20,第 2 章半导体三极管,2.2单极型半导体 三极管,引言,2.2.2 结型场效应管,2.2.3 场效应管的主要参数,2.2.1 MOS 场效应管,第 2 章半导体三极管,引 言,场效应管 FET (Field Effect Transistor),类型：,结型 JFET (Junction Field Effect Transistor),绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET),特点：,1. 单极性器件(一种载流子导电),3. 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低,2. 输入电阻高(

8、107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ),第 2 章半导体三极管,一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),2.2.1 MOS 场效应管,1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,MOSFET结构,第 2 章半导体三极管,2. 工作原理,1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的

9、 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂直电 场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形 成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,反型层 (沟道),第 2 章半导体三极管,2) uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th),DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前： uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,MOS工作原理,第 2 章半导体三极管,3. 转移特性曲线,UDS = 10

10、 V,UGS (th),当 uGS UGS(th) 时：,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,4. 输出特性曲线,可变电阻区,uDS uGS UGS(th),uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,开启电压,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,O,第 2 章半导体三极管,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,Sio2 绝缘层中掺入正离子 在 uGS = 0 时已形成沟道； 在 DS 间加正电压时形成 iD，,uGS UGS(off) 时，全夹断。,输出特

11、性,转移特性,IDSS,UGS(off),夹断 电压,饱和漏 极电流,当 uGS UGS(off) 时，,O,第 2 章半导体三极管,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,第 2 章半导体三极管,2.2.2 结型场效应管,1. 结构与符号,JFET结构,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,第 2 章半导体三极管,2. 工作原理,uGS 0，uDS 0,此时 uGD = UGS(off)；,沟道楔型,耗尽层刚相碰时称预夹断。,预夹断,当 uDS ，预夹断点下移。,3. 转移特性和输出特性,UGS(off),当 UGS(off) uGS 0 时,JFET工作原理,O,O,第 2 章半导体

12、三极管,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,N 沟道结型,P 沟道结型,FET 符号、特性的比较,第 2 章半导体三极管,2.2.3 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。,UGS(th),2. 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,3. 直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,第 2

13、 章半导体三极管,4. 低频跨导 gm,反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS),PDM = uDS iD，受温度限制。,5. 漏源动态电阻 rds,6. 最大漏极功耗 PDM,O,第 2 章半导体三极管,2.3半导体三极管的 基本分析方法,引 言,2.3.2 交流分析,2.3.1 直流分析,第 2 章半导体三极管,引言,基本思想,非线性电路经适当近似后可按线性电路对待， 利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。,一、分析三极管电路的基本思想和方法,直流通路(ui = 0)分析静态。,交流通路(ui 0)分析动态，只考虑变化的电压和电流。,画交流通路

14、原则：,1. 固定不变的电压源都视为短路；,2. 固定不变的电流源都视为开路；,3. 视电容对交流信号短路,第 2 章半导体三极管,基本方法,图解法：,在输入、输出特性图上画交、直流负载线，求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。,解析法：,根据发射结导通压降估算“Q”。,用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。,第 2 章半导体三极管,二、电量的符号表示规则,A A,A,大写表示电量与时间无关(直流、平均值、有效值)；,A,小写表示电量随时间变化(瞬时值)。,大写表示直流量或总电量(总最大值，总瞬时值)；,小写表示交流分量。,总瞬时值,直流量,交流瞬时值,交流有效值,直流量往往在下标中加注

15、 Q,A 主要符号； A 下标符号。,uBE = UBE + ube,第 2 章半导体三极管,2.3.1 直流分析,一、图解分析法,输入直流负载线方程：,uCE = VCC iC RC,uBE = VBB iBRB,输出直流负载线方程：,输入回路图解,Q,静态工作点,VBB,VBB/RB,115 k,UBEQ,IBQ,0.7,20,输出回路图解,VCC,VCC/RC,O,1 k,2,3,UCEQ,ICQ,O,iB = 20 A,第 2 章半导体三极管,二、工程近似分析法, = 100,第 2 章半导体三极管,三、电路参数对静态工作点的影响,1. 改变 RB，其他参数不变,R B iB ,Q 趋

16、近截止区；,R B iB ,Q 趋近饱和区。,2. 改变 RC ，其他参数不变,RC Q 趋近饱和区。,第 2 章半导体三极管,iC 0,iC = VCC /RC,例 2.3.1 设 RB = 38 k，求 VBB = 0 V、3 V 时的 iC、uCE。,解,当VBB= 0 V：,iB 0，,iC 0，,5 V,uCE 5 V,当VBB = 3 V：,0.3,uCE 0.3 V 0，,iC 5 mA,三极管的开关等效电路,截止 状态,iB 0,uCE 5V,iB,饱和 状态,uCE 0,判断是否饱和 临界饱和电流 ICS和IBS ：,iB IBS，则三极管饱和。,第 2 章半导体三极管,例

17、2.3.2 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 M，RS = 2 k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求 iD 和 uO 。,iG = 0, uGS = iDRS,iD1= 4 mA,iD2= 1 mA,uGS = 8 V, UGS(off),增根,uGS = 2 V,uDS = VDD iD(RS + RD) = 20 14 = 6 (V),uO = VDD iD RD = 20 14 = 8 (V),在放大区,第 2 章半导体三极管,2.3.2 交流分析,一、图解分析法,线性,非线性,线性,输入回路,(A 左),(B

18、右),输出回路,(B 左),(A 右),第 2 章半导体三极管,例 2.3.3,硅管，ui = 10 sin t (mV)，RB = 176 k， RC = 1 k， VCC = VBB = 6 V，图解分析各电压、电流值。,解,令 ui = 0，求静态电流 IBQ,0.7 V,30,Q,ui,IBQ,(交流负载线),6,直流负载线,6,ICQ,Ucem,第 2 章半导体三极管,当 ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ uCE = UCEQ,当 ui = Uim sin t ib = Ibmsin t ic = Icmsin t uce = Ucem sin

19、t uo = uce,iB = IBQ + Ibmsin t iC = ICQ + Icmsin t uCE = UCEQ Ucem sin t = UCEQ +Ucem sin (180 t),第 2 章半导体三极管,基本共发射极 电路的波形：,IBQ,ICQ,UCEQ,基本放大电路的放大作用,第 2 章半导体三极管,放大电路的非线性失真问题,因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。,1. “Q”过低引起截止失真,NPN 管： 顶部失真为截止失真。,PNP 管： 底部失真为截止失真。,不发生截止失真的条件：IBQ Ibm 。,交流负

20、载线,非线性失真,第 2 章半导体三极管,2. “Q”过高引起饱和失真,ICS,NPN 管： 底部失真为饱和失真。,PNP 管： 顶部失真为饱和失真。,IBS 基极临界饱和电流。,不接负载时，交、直流负载线重合，V CC= VCC,不发生饱和失真的条件： IBQ + I bm IBS,第 2 章半导体三极管,饱和失真的本质：,负载开路时：,接负载时：,受 RC 的限制，iB 增大，iC 不可能超过 VCC/RC 。,受 RL 的限制，iB 增大，iC 不可能超过 V CC/RL 。,(RL= RC / RL),第 2 章半导体三极管,选择工作点的原则：,当 ui 较小时，为减少功耗和噪声，“Q

21、” 可设得低一些；,为提高电压放大倍数，“Q”可以设得高一些；,为获得最大输出，“Q” 可设在交流负载线中点。,第 2 章半导体三极管,二、小信号等效分析法(微变等效),1. 晶体三极管电路小信号等效电路分析法,三极管电路 可当成双口 网络来分析,(1) 晶体三极管 H (Hybrid)参数小信号模型,从输入端口看进去，相当于电阻 rbe,rbe Hie,从输出端口看进去为一个受 ib 控制的电流源,ic = ib ，, Hfe,rbb 三极管基区体电阻,第 2 章半导体三极管,(2) 晶体三极管交流分析,步骤：, 分析直流电路，求出“Q”，计算 rbe。, 画电路的交流通路 。, 在交流通路

22、上把三极管画成 H 参数模型。, 分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。,微变等效电路的画法,第 2 章半导体三极管,例 2.3.4 = 100，uS = 10sin t (mV)，求叠加在“Q” 点上的各交流量。,12 V,12 V,510,470 k,2.7 k,3.6 k,解,令 ui = 0，求静态电流 IBQ, 求“Q”，计算 rbe,ICQ = IBQ = 2.4 mA,UCEQ = 12 2.4 2.7 = 5.5 (V),第 2 章半导体三极管, 交流通路,ube,uce, 小信号等效, 分析各极交流量, 分析各极总电量,uBE = (0.7 + 0.0072sint )V,i

23、B = (24 + 5.5sint) A,iC = ( 2.4 + 0.55sint ) mA,uCE = ( 5.5 0.85sint ) V,第 2 章半导体三极管,2. 场效应管电路小信号等效电路分析法,小信号模型,从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。,从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源。,id = gmugs,第 2 章半导体三极管,例 2.3.4 gm= 0.65 mA/V，ui = 20sint (mV)，求交流输出 uo。,10 k,4 k,交流通路,小信号等效电路,ui = ugs+ gmugsRS,ugs= ui / (1 + gmRS),uo = gmui RD

24、/ (1 + gmRS),= 36sin t (mV),第 2 章半导体三极管,2.4半导体三极管的 测试与应用,附录 半导体器件的命名方式,2.4.1 半导体三极管使用的基本知识,第 2 章半导体三极管,2.4.1 半导体三极管使用基本知识,一、外型及引脚排列,第 2 章半导体三极管,二、万用表检测晶体三极管的方法,1. 根据外观判断极性；,3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏，PN 结正 偏时电阻值较小(几千欧以下)，反偏时电阻 值较大(几百千欧以上) 。,插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型 及管脚；,第 2 章半导体三极管,指针式万用表,在 R 1 k 挡进行测量。,红表笔是(表

25、内)负极，黑表笔是(表内)正极。,注意事项：,测量时手不要接触引脚。,第 2 章半导体三极管,数字万用表,注意事项：, 红表笔是(表内电源)正极； 黑表笔是(表内电源)负极。 NPN 和 PNP 管分别按 EBC 排列插入不同的孔。 需要准确测量 值时，应先进行校正。,2. 插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型及管脚。,第 2 章半导体三极管,三、晶体三极管的选用,1. 根据电路工作要求选择高、低频管。,2. 根据电路工作要求选择 PCM、 ICM 、 U(BR)CEO， 应保证：,PC PCm ICM Cm U(BR)CEO VCC,3. 一般三极管的 值在 40 100 之间为好，9

26、013、 9014 等低噪声、高 的管子不受此限制 。,4. 穿透电流 ICEO 越小越好，硅管比锗管的小。,第 2 章半导体三极管,附录：半导体器件的命名方式,第一部分,数字,电极数,2 二极管,3 三极管,第二部分,第三部分,字母(汉拼),材料和极性,A 锗材料 N 型,B 锗材料 P 型,C 硅材料 N 型,D 硅材料 P 型,A 锗材料 PNP,B 锗材料 NPN,C 硅材料 PNP,D 硅材料 NPN,字母(汉拼),器件类型,P 普通管,W 稳压管,Z 整流管,K 开关管,U 光电管,X 低频小功率管,G 高频小功率管,D 低频大功率管,A 高频大功率管,第四部分,第五部分,数字,序号,字母(汉拼),规格号,例如：,2CP 2AP 2CZ 2CW,3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK,常用小功率进口三极管,9011 9018,第 2 章半导体三极管,