大学课件 模拟电子技术 半导体器件(二)

模拟电子技术第1章半导体器件1.1概述1.2半导体二极管小结1.3双极型晶体三极管1.4场效应管模拟电子技术1.3双极型晶体三极管1.3.1BJT的结构及类型1.3.2BJT的电流放大作用1.3.3BJT的特性曲线1.3.4BJT的主要参数1.3.5温度对BJT的特性及参数的影响(SemiconductorTransistor)晶体管的应用举例模拟电子技术1.3.1BJT的结构及类型（BipolarJunctionTransistor）一、结构与符号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ECBECB模拟电子技术二、分类按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管1W中功率管0.51W模拟电子技术1.3.2BJT的电流放大作用1.晶体管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度很高基区很薄且掺杂浓度很低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.晶体管放大电路的三种接法uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共射共集共基模拟电子技术实现电路:模拟电子技术3.晶体管内部载流子的运动1)发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IEICN多数被集电结收集形成ICNIE少数与空穴复合，形成IBNIBN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–ICBO2)扩散到基区的自由电子与空穴的复合形成基极电流IB模拟电子技术3)集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流ICIC=ICN+ICBO由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，但它的数量很小，近似分析中可忽略不计。可见，在集电极电源VCC的作用下，漂移运动形成集电极电流IC。ICNIEIBNICBOIBICNIEICBOIBIC模拟电子技术4.晶体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穿透电流CBOBCBOCIIII电流放大系数:模拟电子技术IE=IC+IBCEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(IICEOBE)1(III如果忽略ICEO模拟电子技术1.3.3晶体管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路常数CE)(BEBuufi0CEu若：与二极管特性相似模拟电子技术BEuBiO0CEuV1CEu0CEuV1CEu曲线基本重合(电流分配关系确定)曲线右移(因集电结开始吸引电子)发射结压降UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.4)V取0.7V取0.3V输入特性当UCE增大时，曲线将右移。这是因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成集电极电流，而另一部分在基区参与复合运动的非平衡少子将随UCE的增大（即集电结反向电压的增大）而减少。因此，要获得同样的基极电流，就必须加大发射结压降，使发射区向基区注入更多的电子。实际上，对于确定的UBE，当UCE增大到一定值（如1V）以后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大UCE，集电极电流也不可能明显增大，也就是说，基极电流已基本不变。因此，超过一定数值后，曲线不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以近似地用UCE大于1V的任何一条曲线来代表UCE大于1V的所有曲线。模拟电子技术二、输出特性常数B)(CECIufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843211.截止区IB=0IC=ICEO0特征：发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。截止区ICEO对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，当uCE从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而iC也就逐渐增大。而当uCE增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，uCE再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即iC几乎仅仅决定于IB。模拟电子技术2.放大区：CEOBCIII放大区特征：发射结正偏集电结反偏iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区ICEOiC几乎仅仅决定于IB，而与管压降uCE无关，表现出IB对iC的控制作用。在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性是一族与横轴平行的等距离直线。模拟电子技术3.饱和区：uCEuBEuCB=uCEuBE0特征：发射结正偏,集电结正偏.此时，ICIB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)饱和区iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321放大区截止区ICEO模拟电子技术1.3.4晶体管的主要参数一、电流放大系数1.共射电流放大系数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Q82A1030A1045.26380108.0A1010A10)65.145.2(63在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的来取代在此基础上加动态信号时的。因此在近似分析中不对二者加以区分。模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共基电流放大系数11BCCECIIIII1一般在0.98以上。Q988.018080二、极间反向饱和电流1.3.4晶体三极管的主要参数（2）ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流。ICEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流，ICEO=（1+）ICBO。同一型号的管子反向电流愈小，性能愈稳定。选用管子时，应选几十到一百多倍，ICBO与ICEO应尽量小。硅管比锗管的极间反向电流小2~3个数量级，因此温度稳定性也比锗管好。模拟电子技术三、极限参数1.ICM—集电极最大允许电流，超过时值明显降低。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iCuCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区3.U(BR)CEO—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)CBO—发射极开路时C、B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。极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。模拟电子技术1.3.4温度对BJT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。BEuBiOT2T1模拟电子技术2.温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCET1iB=0T2iB=0iB=0温度每升高1C，(0.51)%。输出特性曲线间距增大O综合，温度升高时，由于ICEO、增大，且输入特性左移，所以导致集电极电流iC增大。模拟电子技术•半导体三极管的型号（补充）国家标准对半导体三极管的命名如下：•3DG110B用字母表示同一型号中的不同规格•用数字表示同种器件型号的序号•用字母表示器件的种类•用字母表示材料•三极管•第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管•第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。模拟电子技术例一：现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管b-e间开启电压Uon均为0.5V。试分别说明各管子的工作状态。放大放大饱和截止在电子电路中，可以通过直流电位来判断晶体管的工作状态。对于NPN型管，当b-e间电压UBEUon时，管子截止；当UBEUon且管压降UCE≥UBE时，管子处于放大状态；当UBEUon且管压降UCEUBE时，管子处于饱和状态。硅管的Uon约为0.5V，锗管的Uon约为0.1V。对于PNP型管，读者可自行总结规律。模拟电子技术例二：在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管子的参数如表所示，请选用一只管子，并简述理由。T2管的ICBO较小，β较大，且UCEO大于电源电压，所以T2最合适。模拟电子技术例三：分别判断图示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。可能可能不能不能可能能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？NPN型：UCUBUEPNP型：UCUBUE若要放大，则模拟电子技术例四：已知两只晶体管的电流放大系数β分别为100和50，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。1.01mA5mA模拟电子技术例五：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。BEC硅管BEC锗管BEC硅管BEC硅管BEC锗管BEC锗管模拟电子技术思考：分别判断图示各晶体管是否可能工作在放大状态？6V3V（A）6V2.3V2.3V（C）3V9.3V5.7V（D）5V0V1.9V（B）1.6V分析：图示晶体管中，只有图（D）所示的晶体管处在放大区。模拟电子技术例六：电路如图所示，晶体管导通时UBE=0.7V，β=50。试分析uI为0、1V、1.85V三种情况下晶体管的工作状态及输出电压uo的值。，VuI时0)1(，VuI时1)2(mAkRUuIbBEIB06.057.01IBICVRIVRIVuCBCCCCCCCE9106.05012V，uT，uuOBECE9放大故晶体管晶体管导通发射结也正偏时，，VuI85.1)3(mAkRUuIbBEIB23.057.085.1VRIVRIVuCBCCCCCCCE5.0123.05012故晶体管饱和，uuBECEVUuSATCEo3.0)(发射结正偏，晶体管Ｔ导通晶体管T截止，uO=12V不妨假设晶体管放大，求出uCE，然后与uBE比较不妨假设晶体管放大，求出uCE，然后与uBE比较模拟电子技术方法二（常用于解题）V，uT，VuOI120)1(截止晶体管时晶体管导通发射结正偏时，，VuI1)2(mAkRUuIbBEIB06.057.01mAkRUVIcCESCCBS226.01507.012BSBII晶体管放大VRIVucBCCo9晶体管导通发射结也正偏时，，VuI85.1)3(mAkRUuIbBEIB23.057.085.1mAkRUVIcCESCCBS226.01507.012BSBII晶体管饱和VUuSATCEo3.0)(模拟电子技术思考：电路如图所示，VCC=15V，=100，UBE=0.7V。试问：(1)Rb=50k时，UO=?(2)若T临界饱和，则Rb≈？ARUVIbBEBBB26mAIIBC6.2VRIVUcCCCO2分析：（１）Ｒb=50k时（２）若Ｔ临界饱和ARUVIcCESCCBS6.28kIUVRBSBEBBb4.45模拟电子技术思考：判断下图各三极管的工作状态。