模拟电子技术三极管详解

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(SemiconductorTransistor)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NNP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emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管500mW中功率管0.51W大功率管1WECBECB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uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE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。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)ICBOIBIBNIB+ICBO即：IB=IBN–ICBO3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2)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=IBNICBOIC=ICN+ICBOBNCNIICEOBCBOBC)1(IIIIIIE=IC+IB穿透电流CEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(IICEOBE)1(IIICBOBCBOCIIII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常数CE)(BEBuufi0CEu与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++iBRB+uBEVBB+BEuBiO0CEuV1CEu0CEuV1CEu特性基本重合(电流分配关系确定)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0.7V取0.2VVBB+RB第2章半导体三极管二、输出特性常数B)(CECiufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843211.截止区：IB0IC=ICEO0条件：两个结反偏2.放大区：CEOBCIII3.饱和区：uCEuBEuCB=uCEuBE0条件：两个结正偏特点：ICIB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(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1C，UBE(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO约增大1倍。2.温度升高，输出特性曲线向上移。BEuBiOT1T2iCuCET1iB=0T2iB=0iB=0温度每升高1C，(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iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数BCCBOBCBOCBNCNIIIIIIII—交流电流放大系数BiiC一般为几十几百2.共基极电流放大系数11BCCECIIIII1一般在0.98以上。Q82A1030A1045.26380108.0A1010A10)65.145.2(63988.018080二、极间反向饱和电流CB极间反向饱和电流ICBO，CE极间反向饱和电流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)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO(P342.1.7)已知:ICM=20mA,PCM=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE=10V时，ICmA当UCE=1V，则ICmA当IC=2mA，则UCEV102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区第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2.2.1MOS场效应管第2章半导体三极管引言场效应管FET(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)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(1071015，IGFET可高达1015)第2章半导体三极管一、增强型N沟道MOSFET(MentalOxideSemi—FET)2.2.1MOS场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+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SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极GateD—漏极DrainSGDBMOSFET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PN结；b.当0UGSUGS(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(uGSUGS(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DS)(GSDUufi2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGSUGS(th)时：2GS(th)GSDOD)1(UuIiuGS=2UGS(th)时的iD值4.输出特性曲线GS)(DSDUufi可变电阻区uDSuGS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iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区OO第2章半导体三极管二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSio2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。输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGSUGS(off)时，2(off))1(GSGSDSSDUuIiuDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第2章半导体三极管三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB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JFETP沟道JFET第2章半导体三极管2.工作原理uGS0，uDS0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,2GS(off)GSDSSD)1(UuIiuGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VJFET工作原理OO第2章半导体三极管N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)OuDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VFET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1.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)UGS(off)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：RGS107MOSFET：RGS=1091015IDSSuGS/ViD/mAO第2章半导体三极管4.低频跨导gm常数DSGSDmUuig反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西(mS)uGS/ViD/mAQPDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds常数GSdDSdsuiur6.最大漏极功耗PDMO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0j/1C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AAA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beU交流有效值直流量往往在下标中加注QA—主要符号；A—下标符号。tuOBEuBEUbeubeUuBE=UBE+ube第2章半导体三极管2.3.1直流分析一、图解分析法+–RBRC+uCE–+uBE+–VCCVBB3V5ViBiC输入直流负载线方程：uCE=VCCiCRCuBE=VBBiBRB输出直流负载线方程：输入回路图解QuBE/ViB/A静态工作点VBBVBB/RB115kUBEQIBQ0.720输出回路图解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCO1kQ23UCEQICQOiB=20A第2章半导体三极管二、工程近似分析法+–RBRC+uCE–+uBE+–VCCVBB3V5ViBiC115k1k=100BBE(on)BBBQRUVIBQCQIICCQCCCEQRIVU)mA(02.01157.03)mA(202.0100)V(3125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