浙江大学-模电课件

集成电子技术基础教程

第一篇电子器件基础

2020年9月28日11.2.4双极型三极管

1.1.4双极型三极管的伏安特性及其模型一、双极型三极管的基本结构简称：晶体管、三极管内部参与导电有自由电子、空穴两种极性载流子：

双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor—BJT）分类：材料：硅三极管、锗三极管掺杂：NPN型、PNP型频率：高、低功率：大、中、小基本结构：2020年9月28日2

N+NPNPN型三极管发射区集电区基区发射极（e）集电极（c）基极

（b）发射结

（Je）集电结

（Jc）2020年9月28日3PNP型三极管P+PN发射区集电区基区发射极（e）集电极（c）基极

（b）发射结

（Je）集电结

（Jc）

2020年9月28日4二、三极管放大电路的电流分配N+NPVEEReVCCRCebc||

+ebc2020年9月28日5发射结正偏集电结反偏放大的工作条件放大工作时

各电流的分配关系b(P)c(N)e(N)IBICIE少子漂移ICB0基区复合IBN多子扩散I

CN四种工作状态JeJc状态反偏反偏截止反偏正偏倒置正偏反偏放大正偏正偏饱和2020年9月28日6三、三极管电路的基本组态区分依据共基极（CB），共基组态共发射极（CE），共射组态共集电极（CC），共集组态

一极连接输入端；一极连接输出端；第三极作为输入、输出的公共端；三种基本组态“公共的极”即为组态形式。放大系统的组成输入信号源输出负载供电电源放大电路2020年9月28日7共基组态共基直流电流放大倍数E区自由电子到达C极形成的电流

与E极电流之比输入：E极输出：C极公共端：B极一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。2020年9月28日8共射组态共射极直流电流放大倍数到达集电极的电流

与基区复合电流的比值输入：B极输出：C极公共端：E极一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。2020年9月28日9共基—共射电流放大倍数的关系共射：共基：2020年9月28日10共集组态

输入：B极输出：E极公共端：C极一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件。2020年9月28日11四、三极管的伏安特性曲线通过晶体管特性图示仪直接显示三极管的伏安特性曲线VCE=0V时VCE增长时共射极输入特性VCE>1V后2020年9月28日12截止区饱和区放大区输出特性的三个区域共射极输出特性2020年9月28日13截止区三极管处于截止状态的条件：

外加电压使发射结和集电结均处于反向偏置，

即：VBE≤0,VBC＜0,IB≈0,IC≈0；

三极管失去了放大能力。三极管截止状态的判断依据三极管截止状态的电路模型2020年9月28日14饱和区三极管处于饱和状态的条件：

发射结正偏，VBE=0.7～0.8V；

集电结为正偏。三极管

饱和状态时的特征三极管的

饱和压降三极管

临界饱和状态三极管

深度饱和状态三极管

深度饱和状态

时的电路模型2020年9月28日15放大区（恒流区）三极管处于放大状态的条件：

发射结正偏，集电结反偏。三极管放大状态时的特征三极管放大状态的电路模型2020年9月28日16PNP型晶体管的伏安特性曲线2020年9月28日17判断三极管工作状态的方法（NPN管为例）判断是否为截止状态？

依据为发射结是否非正偏，IB是否小于0等…按放大区模型计算后，若：

VCE>0.7V，则为放大状态。

此时：2020年9月28日18五、三极管的主要参数电流放大系数（倍数）直流共射电流放大系数：交流共射电流放大系数：直流共基电流放大系数：交流共基电流放大系数：2020年9月28日19极间反向电流集电结反向饱和电流ICBO

穿透电流ICEO

取决于温度和少子浓度。

小功率硅管，ICBO小于0.1μA；锗管ICBO在几μA至十几μA。发射极开路时，集电极与基极间的反向饱和电流。基极开路，集射间加上一定反向电压时，

从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，值愈小愈好。

小功率硅管在几微安以下，小功率锗管约在几十至几百微安。2020年9月28日20极限参数集电极最大允许电流ICM

电流放大系数β下降至正常值2/3时的IC值集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=IC×VCE

PCM取决于管子所允许的温升。

硅管最高结温为150℃，锗管为75℃。

超过这个数值将导致管子性能迅速变坏，以至烧毁。

PCM与散热条件有关。反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路，Je结的反向击穿电压，值几伏～十几伏。V(BR)CBO：发射极开路，Jc结的反向击穿电压，值通常为几十伏，

高反压管可高达上千伏。V(BR)CEO：基极开路，JC-JE间的反向击穿电压，通常比V(BR)CBO小。2020年9月28日21三极管的安全工作范围和温度稳定性三极管的安全工作范围三极管的下列三个极限参数：

PCM、ICM和V(BR)CEO

在输出特性曲线上画出安全工作区2020年9月28日22三极管的温度稳定性输入特性与温度的关系温度升高，发射结正向压降VBE减小，

温度系数约-2.5mV/℃ICBO、ICEO、β均随温度升高迅速增大，

温度升高，整族输出特性曲线都上移，曲线间距拉大。输出特性与温度的关系2020年9月28日231.2.5场效应管

1.1.5场效应管的伏安特性及其模型一、场效应晶体管简介简称：场效应管利用极间电压产生的电场效应来控制电流。输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、

体积小、功耗低、制造工艺简单、易于大规模集成。分类：工作电流主要由多数载流子的漂移运动形成。2020年9月28日24二、N沟道增强型绝缘栅型场效应管基本结构与电路符号2个N+加衬底P，加SiO2，再加铝极。

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)场效应管的栅极与其它电极绝缘。源(Source)、漏(Drain)、栅(Gate)三极。

N+N+2020年9月28日25VGS=0工作原理漏源间只是两个“背向”串联的PN结，

漏-源间为高阻。VGS＞

0VGS将在栅极与衬底之间产生一个垂直电场；漏-源间的P型衬底表面感应出电子层（反型层）；两个N+区连通，形成N型导电沟道，漏-源间为低阻；VGS越大，导电沟道越厚，等效电阻越小，导电能力增强；开始形成导电沟道所需的最小栅-源电压VGS称为开启电压VGS(th)，

习惯上常表示为VT。

2020年9月28日26产生漏-源电流ID；由于沟道电阻的存在，

ID沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布；VGS最大，VGD=VGS－VDS最小，沟道呈楔形分布。VGS＞

VT并保持恒定，同时加上VDS预夹断ID恒流2020年9月28日27伏安特性与电流方程可变电阻区：

导电沟道被预夹断之前输出特性（漏极特性）放大区（恒流区、饱和区）：

导电沟道被夹断后截止区：

无导电沟道2020年9月28日28转移特性IDO是VGS=2VT时的漏极电流ID0(VT)2020年9月28日29制造过程中人为地在SiO２绝缘层中

掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子；VGS=0时，依靠正离子的作用，P型衬底表面感应出N型反型层，

将两个N+区连通，形成原始的N型导电沟道；υDS一定时，外加正栅压（υGS

＞0）后，导电沟道变厚，

沟道等效电阻下降，导电能力增强；减少υGS

至负栅压（υGS

＜0）时，沟道变薄，沟道电阻增大，

导电能力减弱；υGS负到某一定值VGS(off)（常以VP表示）时，导电沟道消失，

整个沟道被夹断，iD≈0，管子截止。三、N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管2020年9月28日30IDSS是VGS=0时的饱和漏极电流伏安特性与电流方程2020年9月28日31基本结构与符号JFET在VGS=0时，存在原始的导电沟道，属于耗尽型；JFET正常工作时，两个PN结必须反偏；JFET通过VGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）来控制iD，

所以称为体内场效应器件。四、N沟道结型场效应管（JFET）工作原理2020年9月28日32伏安特性与电流方程IDSS是VGS=0时的饱和漏极电流2020年9月28日33直流参数增强型管开启电压VGS(th)（VT）耗尽型管夹断电压VGS(off)（VP）耗尽型管在VGS=0时的饱和区漏极电流IDSS直流输入电阻RGS(DC)：

VDS=0时，栅源电压VGS与栅极电流IG之比五、场效应管的主要参数交流参数低频跨导(互导)gm转移特性曲线的斜率交流输出电阻rds

极限参数最大漏源电压V(BR)DS：漏极附近发生雪崩击穿时的VDS

最大栅源电压V(BR)GS：栅极与源极间PN结的反向击穿电压最大耗散功率PDM2020年9月28日34二极管、三极管、场效应管、电阻、电容各种连线集成电路---同一块硅片制作特殊功能电路集成电路---器件之间绝缘介质(如SiO2)隔离---模拟集成电路PN结隔离---数字集成电路小规模SSI

、中规模MSI

、大规模LSI和超大规模VLSI模拟集成电路，数字集成电路集成电路分类1.2.6集成电路中的电子器件2020年9月28日35结论：等效复合管的β≈β1β2；等效复合管的管型取决于第一只管子的类型；等效复合管的输入电流可大大减小，T1可采用小功率管；组成复合管时也可由晶体管和场效应管或多个晶体管进行复合。两只或两只以上的半导体三极管（或场效应管）按一定方式

连接成达林顿管（Darlington）。常见达林顿管组合：一、复合管2020年9月28日36多集电极管集电极电流之比IC1/IC2

约等于集电区面积之比。利用它的多个集电极可以构成

多个具有比较稳定电流关系的电流源。二、多集电极管和多发射极管2020年9月28日37多发射极三极管多发射极三极管常作为门电路的输入级电路。在数字集成电路中，影响门电路转换速度的主要因素是晶体管的开关时间，

多发射极管的引入可以加快后级晶体管存储电