晶体三极管及场效应管课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四讲 晶体三极管及场效应管,晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,双极型三极管（,BJT,）,是半导体三极管的一种类型，它有空穴和电子两种载流子参与导电，故称双极型，又称半导体三极管，有两种类型,:NPN,型和,PNP,型。,NPN,结构,NPN,符号,PNP,结构,PNP,符号,一、晶体管的结构和符号,掺杂浓度高,掺杂浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个,PN,结。,小功率管,中,功率管,大功率管,二、晶体管的电流分配与放大原理,扩散运动形成发射极电流,I,E,，,复合运动形成基极电流,I,B,，,漂移运动形成集电极电流,I,C,。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：,I,E,I,B,I,C,I,E,扩散运动形成的电流,I,B,复合运动形成的电流,I,C,漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么,U,CE,增大曲线右移？,对于小功率晶体管，,U,CE,大于,1V,的一条输入特性曲线可以取代,U,CE,大于,1V,的所有输入特性曲线。,为什么像,PN,结的伏安特性？,为什么,U,CE,增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.,输入特性,2.,输出特性,对应于一个,I,B,就有一条,i,C,随,u,CE,变化的曲线。,为什么,u,CE,较小时,i,C,随,u,CE,变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,动画演示,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流,i,C,几乎仅仅决定于输入回路的电流,i,B,，,即可将输出回路等效为电流,i,B,控制的电流源,i,C,。,状态,u,BE,i,C,u,CE,截止,U,on,I,CEO,V,CC,放大,U,on,i,B,u,BE,饱和,U,on,i,B,u,BE,饱和区：,输出特性曲线的陡直部分是饱和区。,I,B,的变化对,I,C,的影响较小。,U,CE,U,BE,，,发射结和集电结均处于正向偏置。,放大区：,输出特性曲线的近于水平部分是放大区。,I,C,I,B,放大区也称为线性区。,发射结必须正向偏置，集电结则应反向偏置,。,截止区：,I,B,0,的曲线以下的区域称为截止区。,对,NPN,硅管使三极管可靠截止，常使,U,BE,0V,。,发射结和集电结均处于反向偏置。,BJT,的,使用常识,国产,BJT,的型号,命名方法按国家标准（,GB249-74,）,规定,四、主要参数,直流参数,：、,I,CBO,、,I,CEO,c-e,间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，,P,CM,i,C,u,CE,安全工作区,交流参数：,、,、,f,T,（使,1,的信号频率）,极限参数,：,I,CM,、,P,CM,、,U,（,BR,）,CEO,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射,直流电流放大倍数,：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为,I,B,，,相应的集电极电流变化为,I,C,，,则,交流电流放大倍数,为：,1.,电流放大倍数,和,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,2.,集,-,基极反向截止电流,I,CBO,A,I,CBO,I,CBO,是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,B,E,C,N,N,P,I,CBO,I,CEO,=,I,BE,+,I,CBO,I,BE,I,BE,I,CBO,进入,N,区，形成,I,BE,。,根据放大关系，由于,I,BE,的存在，必有电流,I,BE,。,集电结反偏有,I,CBO,3,.,集,-,射极反向截止电流,I,CEO,I,CEO,受温度影响很大，当温度上升时，,I,CEO,增加很快，所以,I,C,也相应增加。,三极管的温度特性较差,。,4.,集电极最大电流,I,CM,集电极电流,I,C,上升会导致三极管的,值的下降，当,值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为,I,CM,。（,U,CE,=1V,）,5.,集,-,射极反向击穿电压,当集,-,射极之间的电压,U,CE,超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是,25,C,、,基极开路时的击穿电压,U,(BR)CEO,。,6.,集电极最大允许功耗,P,CM,集电极电流,I,C,流过三极管，,所发出的焦耳,热为：,P,C,=,I,C,U,CE,必定导致结温,上升，所以,P,C,有限制。,P,C,P,CM,I,C,U,CE,I,C,U,CE,=,P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,五、温度对晶体管特性的影响,小结,1,、三极管的三个区域的结构掺杂浓度不同，这是三极管具有电流放大作用的内部条件；其外部条件是发射结正偏，集电极反偏。,2,、晶体管工作在不同状态时，其外部特征是：,放大状态：发射结正偏，集电结反偏。,截止状态：发射结零偏或反偏，集电结反偏。,饱和状态：反射结正偏，集电结正偏。,3,、使用晶体管时，不能超过其极限参数。在放大状态，一般取,4,、温度对晶体管的参数和特性有很大的影响。,特殊三极管,1,光电三极管,将,光,信号,转换为,光电流信号,半导体器件，并且还能把光电流放大，又称,光敏三极管,。,C(+),e(-),无光照时：,I,C,=I,CEO,=,（,1+,）,I,CBO,有光照时：,I,C,=,（,1+,）,I,L,电流较大,2,光电耦合器件,输入电信号,发光,光电流输出,+,-,工业系统,传感电路,执行机构,计算机,系统,传,输,线,输入,输出,光电耦合器组成的计算机接口电路示意图,场效应管,场效应管,本节要点：,1,、场效应管的类型和结构,2,、场效应管的工作原理,3,、场效应管的特性和参数,4,、场效应管与晶体管的异同,复习提问：,1,、晶体管的特点？其工作在放大状态的条件是什么？,2,、在晶体管内部有几种性质的载流子参与导电？,引言：,晶体管是多子和少子均参与导电的双极性晶体管。场效应管与双极性晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性的晶体管,一,.,场效应管的类型,1.,结型场效应管,JFET,P,沟道,场效应管,N,沟道,场效应管,2.,绝缘栅型场效应管,MOS,增强型,N,沟道,绝缘栅型场效应管,增强型,P,沟道,绝缘栅型场效应管,耗尽型,N,沟道,绝缘栅型场效应管,耗尽型,P,沟道,绝缘栅型场效应管,二、场效应管的结构,（以,N,沟道为例）,场效应管有三个极：源极（,s,）,、,栅极（,g,）、,漏极（,d,），,对应于晶体管的,e,、,b,、,c,；有,三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于,晶体,管的截止区、放大区、饱和区。,1.,结型场效应管,导电沟道,源极,栅极,漏极,符号,结构示意图,动画演示,图,1.4.1,结型场效应管的结构和符号,栅,-,源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,沟道变窄,沟道消失称为夹断,u,GS,可以控制导电沟道的宽度。为什么,g-s,必须加负电压？,U,GS（off）,动画演示,漏,-,源电压对漏极电流的影响,u,GS,U,GS,（,off,）,且不变,，,V,DD,增大，,i,D,增大,。,预夹断,u,GD,U,GS,（,off,）,V,DD,的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，,i,D,几乎不变，进入恒流区，,i,D,几乎仅仅决定于,u,GS,。,u,GD,U,GS,（,off,）,u,GD,U,GS,（,off,）,（,U,GS(off,),u,GS,0,的情况）,结论,显然，改变,u,GS,可以改变,PN,结的宽度，改变导电沟道的宽度，改变漏极电流,I,D,的大小，故曰,结型场效应管,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而,u,GS,U,GS,（,off,）,且,u,DS,U,GS,（,off,）,。,g-s,电压控制,d-s,的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，,u,GD,U,GS,（,off,）,可变电阻区,恒,流,区,i,D,几乎仅决定于,u,GS,击,穿,区,夹断区（截止区）,夹断电压,I,DSS,i,D,不同型号的管子,U,GS,（,off,）,、,I,DSS,将不同。,低频跨导：,动画演示,u,u,i,（,1,）可变电阻区,是,u,DS,较小，管子尚未预夹断时的工作区域。虚线为不同,u,GS,是预夹断点的轨迹，故虚线上各点,u,GD,=U,GS(off),，,则虚线上各点对应的,u,DS,=,u,GS,-U,GS(off,),。,2,、改变,u,GS,时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间可以看成一个由,u,GS,控制的线性电阻，即压控电阻。,u,GS,愈负,特性曲线斜率愈小,等效电阻愈大。,特点：,1,、,i,D,几乎与,u,DS,成线性关系，管子相当于线性电阻。,u,u,i,（,2,）恒流区（饱和区）,特性曲线近似水平的部分，它是,JFET,预夹断后所对应的工作区域。,特点,：,1,、输出电流,i,D,基本上不受输出电压,u,DS,的影响，仅取决于,u,GS,，,故特性曲线是一族近乎平行于,u,DS,轴的水平线,。,2,、,输入电压,u,GS,控制输出电流,u,u,i,（,3,）击穿区,特性曲线上翘部分。,u,DS,U,(BR)DS,，,管子不允许工作在这个区域。,（,4,）夹断区（截止区）,输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在,u,GS,U,GS,（,off,）,时，管子的导电沟道完全被夹断。,特点：,i,D,0,夹断区,相当于晶体管的截止区,变阻区,相当于晶体管的饱和区,恒流区,相当于晶体管的放大区,结型场效应管的缺点,1,、栅源极间的电阻虽然可达以上，但在某些场合仍嫌不够高。,2,、在高温下，,PN,结反向电流增大，栅源间的电阻会显著下降。,3,、栅源极间的,PN,结加正向电流时，将会出现较大的栅极电流。,绝缘栅型场效应管可以很好地解决这些问题！,2.,绝缘栅型场效应管,图,1.4.7 N,沟道增强型,MOS,管结构示意图 及增强型,MOS,的符号,2.,绝缘栅型场效应管,u,GS,增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个,N,区相接时，形成导电沟道。,增强型管,SiO,2,绝缘层,衬底,耗尽层,空穴,高,掺杂,反型层,大到一定值才开启,动画演示,增强型,MOS,管,u,DS,对,i,D,的,影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。,N,沟道增强型,MOS,管工作在恒流区的条件是什么？,i,D,随,u,DS,的,增大而增大，可变电阻区,u,GD,U,GS,（,th,）,预夹断,i,D,几乎仅仅受控于,u,GS,，,恒流区,刚出现夹断,u,DS,的,增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,动画演示,图,1.4.10 N,沟道增强型,MOS,管的特性,曲线,特性曲线和电流方程,耗尽型,MOS,管,耗尽型,MOS,管在,u,GS,0,、,u,GS,0,、,u,GS,0,时均可导通，且与结型场效应管不同，由于,SiO,2,绝缘层的存在，在,u,GS,0,时仍保持,g-s,间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,u,GS,=0,时就存在导电沟道,VMOS,管的,结构示意图,MOS,管的特性,1),增强型,MOS,管,2),耗尽型,MOS,管,开启电压,夹断电压,3.,场效应管的分类工作在恒流区时,g-s,、,d-s,间的电压极性,u,GS,=0,可工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0,才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0,才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,2.,夹断