经典三极管与场效应管的-比较

《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案11第2章晶体三极管和场效应管教学重点1．掌握晶体三极管的结构、工作电压、基本连接方式和电流分配关系。2．熟练掌握晶体三极管的放大作用；共发射极电路的输入、输出特性曲线；主要参数及温度对参数的影响。3．了解MOS管的工作原理、特性曲线和主要参数。教学难点1．晶体三极管的放大作用2．输入、输出特性曲线及主要参数学时分配序号内容学时12.1晶体三极管422.2场效应管43本章小结与习题4本章总课时82.1晶体三极管晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。特点：管内有两种载流子参与导电。2.1.1三极管的结构、分类和符号一、晶体三极管的基本结构1．三极管的外形：如图2.1.1所示。2．特点：有三个电极，故称三极管。3．三极管的结构：如图2.1.2所示。晶体三极管有三个区――发射区、基区、集电区；两个PN结――发射结(BE结)、集电结(BC结)；三个电极――发射极e(E)、基极图2.1.2三极管的结构图图2.1.1三极管外形《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案12b(B)和集电极c(C)；两种类型――PNP型管和NPN型管。工艺要求：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。二、晶体三极管的符号晶体三极管的符号如图2.1.3所示。箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：V三、晶体三极管的分类1．三极管有多种分类方法。按内部结构分：有NPN型和PNP型管；按工作频率分：有低频和高频管；按功率分：有小功率和大功率管；按用途分：有普通管和开关管；按半导体材料分：有锗管和硅管等等。2．国产三极管命名法：见《电子线路》P249附录二。例如：3DG表示高频小功率NPN型硅三极管；3CG表示高频小功率PNP型硅三极管；3AK表示PNP型开关锗三极管等。2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式一、晶体三极管的工作电压三极管的基本作用是放大电信号；工作在放大状态的外部条件是发射结加正向电压，集电结加反向电压。图2.1.4三极管电源的接法如图2.1.4所示：V为三极管，GC为集电极电源，GB为基极电源，又称偏置电源，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。二、晶体三极管在电路中的基本连接方式如图2.1.5所示，晶体三极管有三种基本连接方式：共发射极、共基极和共集电极接法。最常用的是共发射极接法。图2.1.3三极管符号《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案13图2.1.5三极管在电路中的三种基本联接方式2.1.3三极管内电流的分配和放大作用一、电流分配关系动画三极管的电流分配关系测量电路如图2.1.6所示：调节电位器PR，测得发射极电流EI、基极电流BI和集电极电流CI的对应数据如表2.1.1所示。表2.1.1IB/mA0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96由表2.1.1可见，三极管中电流分配关系如下：BCEIII(2.1.1)因IB很小，则ICIE(2.1.2)说明：1．0EI时，ICIBICBO。ICBO称为集电极――基极反向饱和电流，见图2.1.7(a)。一般ICBO很小，与温度有关。2．0BI时，CEOECIII。ICEO称为集电极――发射极反向电流，又叫穿透电流，见图2.1.7(b)。ICEO越小，三极管温度稳定性越好。硅管的温度稳定性比锗管好。二、晶体三极管的电流放大作用动画三极管的电流放大作用由表2.1.1得出58mA01.0mA58.0BCII结论：图2.1.6三极管三个电流的测量图2.1.7ICBO和ICEO示意图《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案141．三极管有电流放大作用――基极电流微小的变化，引起集电极电流IC较大变化。2．交流电流放大系数――表示三极管放大交流电流的能力BCII(2.1.3)3．直流电流放大系数――表示三极管放大直流电流的能力BCII(2.1.4)4．通常，，所以BCII可表示为BCII(2.1.5)考虑ICEO，则CEOBCIII(2.1.6)2.1.4三极管的输入和输出特性一、共发射极输入特性曲线动画三极管的输入特性输入特性曲线：集射极之间的电压VCE一定时，发射结电压VBE与基极电流IB之间的关系曲线，如图2.1.9所示。由图可见：1．当VCE2V时，特性曲线基本重合。2．当VBE很小时，IB等于零，三极管处于截止状态；3．当VBE大于门槛电压(硅管约0.5V，锗管约0.2V)时，IB逐渐增大，三极管开始导通。4．三极管导通后，VBE基本不变。硅管约为0.7V，锗管约为0.3V，称为三极管的导通电压。5．VBE与IB成非线性关系。二、晶体三极管的输出特性曲线动画三极管的输出特性输出特性曲线：基极电流BI一定时，集、射极之间的电压CEV与集电极电流CI的关系曲线，如图2.1.10所示。由图可见：输出特性曲线可分为三个工作区。1．截止区条件：发射结反偏或两端电压为零。特点：CEOCB0III，。2．饱和区条件：发射结和集电结均为正偏。特点：CESCEVV。图2.1.9共发射极输入特性曲线图2.1.10三极管的输出特性曲线《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案15CESV称为饱和管压降，小功率硅管约0.3V，锗管约为0.1V。3．放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：CI受BI控制，即BCII。在放大状态，当IB一定时，IC不随VCE变化，即放大状态的三极管具有恒流特性。2.1.5三极管主要参数三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。一、共发射极电流放大系数1．直流放大系数。2．交流放大系数。电流放大系数一般在10~100之间。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般取3080为宜。二、极间反向饱和电流1．集电极――基极反向饱和电流ICBO。2．集电极――发射极反向饱和电流ICEO。CBOCEO)1(II(2.1.7)反向饱和电流随温度增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM三极管工作时，当集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。2.集电极最大允许耗散功率PCM当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。3.集电极――发射极间反向击穿电压V(BR)CEO管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。当电压越过此值时，管子将发生电压击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。2.1.6三极管的简单测试一、硅管或锗管的判别判别电路如图2.1.11所示。当V0.60.7V时，为硅管；当V0.10.3V时，为锗管。图2.1.11判别硅管和锗管的测试电路图2.1.12估测的电路《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案16二、估计比较的大小NPN管估测电路如图2.1.12所示。万用表设置在k1R挡，测量并比较开关S断开和接通时的电阻值。前后两个读数相差越大，说明管子的越高，即电流放大能力越大。估测PNP管时，将万用表两只表笔对换位置。三、估测ICEONPN管估测电路如图2.1.13所示。所测阻值越大，说明管子的CEOI越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为零，三极管短路。测PNP型管时，红、黑表笔对调，方法同前。四、NPN管型和PNP管型的判断将万用表设置在R1k或R100挡，用黑表笔和任一管脚相接(假设它是基极b)，红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是NPN型的管子。如图2.1.14(a)所示。如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是PNP管的基极。如图2.1.14(b)所示。五、e、b、c三个管脚的判断首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测值的方法判断c、e极。方法是先假定一个待定电极为集电极(另一个假定为发射极)接入电路，记下欧姆表的摆动幅度，然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下欧姆表的摆动幅度。摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极c，红表笔所连接的管脚为发射极e，如图2.1.12所示。测PNP管时，只要把图2.1.12电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。2.2场效应管场效应管：是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。特点：管子内部只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。2.2.1结型场效应管一、结构和符号N沟道结型场效应管的结构、符号如图2.2.1所示；P沟道结型场效应管如图2.2.2所示。特点：由两个PN结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极S、漏极D和栅极G。漏极和源极具有互换性。图2.1.13CEOI的估测图2.1.14基极b的判断《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案17工作条件：两个PN结加反向电压。图2.2.1.N沟道结型场效应管图2.2.2P沟道结型场效应管二、工作原理动画结型场效应管的工作原理以N沟道结型场效应管为例，原理电路如图2.2.3所示。工作原理如下：0DSG；0GSG。在漏源电压DSV不变条件下，改变栅源电压GSV，通过PN结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从而控制漏极电流DI。结论：1．结型场效应管是一个电压控制电流的电压控制型器件。2．输入电阻很大。一般可达107108。三、结型场效应管的特性曲线和跨导1．转移特性曲线反映栅源电压GSV对漏极电流DI的控制作用。如图2.2.5所示，若漏源电压一定：当栅源电压0GSV时，漏极电流DSSDII，DSSI称为饱和漏极电流；当栅源电压GSV向负值方向变化时，漏极电流DI逐渐减小；当栅源电压PGSVV时，漏极电流0DI，PV称为夹断电压。图2.2.5结型场效应管的转移特性曲线图2.2.6结型场效应管的输出特性曲线2．输出特性曲线表示在栅源电压一定条件下，漏极电流与漏源电压之间的关系。如图2.2.6所示。(1)可调电阻区(图中Ⅰ区)图2.2.3N沟道结型场效应管的工作原理《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案18GSV不变时，DI随DSV作线性变化，漏源间呈现电阻性；栅源电压GSV越负，输出特性越陡，漏源间的电阻越大。结论：在Ⅰ区中，场效应管可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。(2)饱和区(图中Ⅱ区)DSV一定时，GSV的少量变化引起DI较大变化，即DI受GSV控制。当GSV不变时，DI不随DSV变化，基本上维持恒定值，即DI对DSV呈饱和状态。结论：在Ⅱ区中，场效应管具有线性放大作用。(3)击穿区(图中Ⅲ区)当DSV增至一定数值后，DI剧增，出现电击穿。如果对此不加限制，将损坏管子。因此，管子不允许工作在这个区域。3．跨导(gm)反映在线性放大区GSV对DI的控制能力。单位是A/V。GSDmVIg(2.2.1)2.2.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管是一种栅极与源极、漏极之间有绝缘层的场效应管，简称MOS管。特点：输入电阻高，噪声小。分类：有P沟道和N沟道两种类型；每种类型又分为增强型和耗尽型两种。一、结构和工作原理1．N沟道增强型绝缘栅场效应管N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构及符号如图2.2.7所示。图2.2.7N沟道增强型绝缘栅场效应管图2.2.8N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理如图2.2.8所示。(1)当0GSV，在漏、源极间加一正向电压DSV时，漏源极之间的电流0DI。(2)当0GSV，在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层，使漏极和源极之间产生导电沟道。在漏、源极间加一正向电压DSV时，将产生电流ID。开启电压TV：增强型MOS管开始形成反型层的栅源电压