半导体三极管 (2).ppt

.,1,第二章 半导体三极管及其电路分析,第二章 半导体三极管,.,2, 2.1 双极型半导体三极管,一、结构与符号,npn电路符号,第二章 半导体三极管,.,3,注意： 发射区与集电区是同一半导体，但不能互换。原因是发射区掺杂浓度较高，主要任务是发射载流子；而集电区浓度较低，主要任务是接受载流子。（但它比基区浓度高。） 集电区的尺寸比发射区大，集电结比发射结厚。 基区掺杂浓度低而且很薄，使发射区发射的载流子很容易穿过基区到达集电区（发射区比基区浓度高几百几千倍）,第二章 半导体三极管,.,4,另一种型号的三极管为：pnp型,符号为：,b,c,e,箭头示电流流向,或,b,c,e,npn型管子大多由硅材料制成 ，pnp型管子通常用锗材料制成。,第二章 半导体三极管,.,5,二、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,共发射极,共集电极,共基极,实现电路,第二章 半导体三极管,.,6,3. 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,i cn,（基区空穴运动因浓度低而忽略）,2) 电子到达基区后,大部分向bc结方向扩散，形成icn,i e,少部分与空穴复合，形成 ibn 。,i bn,基区空穴来源：,基极电源提供( ib ),集电区少子漂移 (icbo),i cbo,i b,i bn i b + i cbo,即：,ib = ibn icbo,3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 i c,i c,i c=icn +icbo,第二章 半导体三极管,.,7,4. 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 = i bn icbo,ic = icn + icbo,ie = ic + ib,穿透电流,第二章 半导体三极管,.,8,三、晶体三极管特性曲线,1、输入特性：ib=f (ube)|uce=常数,uce=0v为pn结曲线,实验电路,显然与普通二极管的正向特性曲线基本相同 。,第二章 半导体三极管,.,9,2、输出特性曲线：ic=f( uce)|ib=常数,uce,饱和区,截止区ib0,uce=0.7v开始进入放大区,不同的ib有不同的ic,第二章 半导体三极管,.,10,结论： 恒流特性： 因为曲线近似平行与横轴的直线，尽管uce变大，但输出电流不变，当ib一定时，输出电流ic也一定，并且，满足ic= ib这称为恒流特性，c、e之间的等效电阻接近于无穷大。 电流放大作用： 当ib等量增加时，曲线等间隔的上移，这就是交流电流的放大作用。,第二章 半导体三极管,.,11,截止区和饱和区： 除了放大区外，图中还标示出了另外两片阴影区，分别称作截止区和饱和区。,第二章 半导体三极管,.,12,截止区： 那就是当小于死区电压时即可。此时对三极管来讲尽管 电压较高，但无电流 ，故三极管相当于电路来讲的一个开关并且是处于断开状态。,饱和区（上升线以左区域）：此部分 不受 控制，直线上升到最大为饱和电流 ：,三极管已失去直流放大作用，它此时在电路中仅相当于一个开关并且处于接通状态。（两个pn结都正偏。）,第二章 半导体三极管,.,13,1、电流放大倍数 ： 共基极电流放大倍数 = ; 1,四、三极管的主要参数,第二章 半导体三极管,.,14,2、反向电流（极间电流）： （1）集电极基极 电流icbo: 发射极开路时的集电结pn反向漂移电流，一般很小。,第二章 半导体三极管,.,15,（2）集电极-发射极反向饱和电流 iceo: 基极开路时的集电极电流。 iceo=（1+ ）icbo 硅材料器件反向电流都很小。分析时都可忽略。,第二章 半导体三极管,.,16,3、极限参数： 1）集电极最大允许功耗：pcm pcm=icuce 与散热条件有关。硅管的最高结温度小于150c，一般工作在低于80度以内。 2）集电极最大允许电流：icm 三极管工作时的不允许超过的最大集电极电流，如果超过，不但会使其性能变坏。而且有损坏管子。,第二章 半导体三极管,.,17,3）、反向击穿电压： ucbo（br），发射极开路时的集电极基极反向击穿电压；一般比较高。从几十伏到几千伏不等。 uceo（br），基极开路时的集电极发射极反向击穿电压.比ucbo（br）低 uebo（br），集电极开路时的发射极基极反向击穿电压。该电压一般比较低。约510v左右。 实际工作时，往往不会开路。所以反向击穿电压还会高一点。,第二章 半导体三极管,.,18,五、三极管的安全工作范围和温度稳定性,1）、安全工作范围：,（ma）,uce（v）,ic,安 全 区,0,过压区,过流区,uceo,icm,过功率区,pcm=icuce,应该工作在 安全区以内,第二章 半导体三极管,.,19,2)三极管的温度稳定性,0.4 0.7,ube,(v),ib,(a),100 80 60 40 20 0,0度,10度,不同温度下的输入特性曲线,100度,30a,20a,10a, 0a,（ma）,ic, 25度； 45度,不同温度下的输出特性曲线,第二章 半导体三极管,.,20,我们往往进行下面两项分析研究，即直流分析和交流分析。 （这和二极管电路分析类似）,2.2 三极管电路的分析方法,第二章 半导体三极管,.,21,一、直流工作分析 静态工作点q,为微变交流信号；,， 为耦合电容 ；,r为负载。,.,22,1、工程近似计算法求解：,步骤：（1）视ui=0 ，就是ui把忽略掉，去掉无关电路后，此时电路就变成了如下形式。,称为直流通路,.,23,（2）利用定律计算,对输入回路,再利用,得,由输出回路知：,ibq、icq、uceq称为静态值。这些值在三极管特性曲线上所确定的点称为静态工作点。,.,24,2、图解法确定静态工作点q,利用输入曲线求,由输入回路知,.,25,在输出特性曲线上确定icq、uceq：,输出回路得方程,.,26,例：如图,同时还知道它的输出特性，,求q点。（1）估算静态工作点 ， （）用图解法确定q点,.,27,解：（）由电路图知,.,28,（）用作图法：,而,利用两点作图法得一直线如图所示。（见上图中红直线）,这两点 :（0，4）;（12，0）,q点对应的值近似为,.,29,作图法求静态工作点的步骤总结一下： （1）正确给出晶体管的特性曲线，包括输入曲线和输出曲线。 （2）用输入曲线求 。 （3）利用输出曲线求 和 。,.,30,二、动态工作分析,动态指有交流信号输入的情形。分析各电极电流、电压以及放大倍数。,总电流=直流电流+交流电流 总电压=直流电压+交流电压 三极管仅能放大幅度而不是放大频率。,动态工作分析方法也有两种，一种为图解法，另一种为等效电路计算法。,.,31,1、图解法：,（1）输入回路图解：,当输入交流信号后，,造成静态工作点位置发生移动。 电流 电压,显然，电流和电压是同步的,.,32,(2)输出回路图解:,.,33,当,移动时,是增长的曲线形状。,这说明输入电流没出现相位差现象。,再看输入电压情况 ：当在正半周时，电压是减少的；在负半周时，电压是增长的，相位差恰为180。,.,34,总的电流 、电压：,与,是有道理的，因为只有,变小时，,才会变大。,反向变化，,.,35,总 结 交流信号的加入造成了工作点q的移动。 放大后的电压信号与输入的电压信号是相反的。 实际中，应恰当选取工作点q，否则会造成饱和失真或截止 失真。,.,36,（）饱和失真,（）截止失真,.,37,调整,值可使q点上下移动，,减少,值q点上移 ，,增大,值q点下移 。,调整,值可使q点平移，,变小右移，反之，左移。,改变vcc可使负载线平移。,.,38,2 微变等效电路分析法：,思路：想办法利用近似条件将三极管这个非线性元件等效成某种线性元件。然后利用线性电路的知识求解,（1）三极管的微变等效电路：,首先对输入端：如图,.,39,它的输入特性曲线,q点的变化范围 ：,.,40,由于是微变，所以可视直线段,为线性，,它就相当于一个阻值为 的等效电阻,若从三极管的输入端看它就相当于 ：,称 为三极管输入电阻，工程上常用下面公式计算,.,41,其中,经实验知该值与具体管值有关 ：,几十到几百欧均可,称为发射结电阻 ：,对三极管的输出端：,.,42,可以等效为一个受控的恒流源 !,可看出，每条曲线是水平的，具有恒流特性，且代表一个恒流值，恒流值因 不同而不同，所以称是受控的恒流源。, 三极管输出端等效为：,.,43,将以上二者合并起来，我们得三极管的等效电路图为：,.,44,提醒大家：一定是交流分析时才能用这个物理模型 微变等效电路不能用于计算静态工作点 。,.,45,3、动态分析步骤：, 第一步：首先画出交流通路。此时，对电容应视为短路， 对电源也应视为短路。（与二极管分析时相同） 将三极管用微变等效图替换，画出微变等效交流电路。 利用线性电路的知识进行待求量的运算。包括电压放大倍数的计算，输入电阻，输出电阻的计算等是电路的输入输出电阻，不是三极管的）。,例 :,注：目前，已有三种电路图形式。,.,46,.,47,求：选加在q点上的各极的交流量。,解：（一）先求静态工作点：,直流通路为：,根据直流通路电路图得：,.,48,（二）动态分析：,各极的交流量有这几个：,.,49,首先画出它的交流通路,利用,得,.,50,利用线性电路中的分压定理得：,.,51,.,52,1.5 场效应晶体管(fet）,分类和结构： 结型场效应晶体管jfet 绝缘栅型场效应晶体管igfet,n,p,pn结耗尽层,p,源极 门极 漏极 s g d,jfet结构,igfet结构,n 沟 道,.,53,1.5.1结型场效应晶体管jfet,1) p 沟道和n沟道结构及电路符号,.,54,2)工作等效（以p沟道为例）,ugs,is,id,1）pn结不加反向电压（ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称可变电阻区 ； id=uds / rds,rds,p,n,n,g,id,is=id,pn 结,pn 结,+,+,-,ugs增大耗尽层加厚。,ugs=0：id=idss,电路图 等效图,.,55,2）恒流工作（电压控制电流源）,pn结加反向电压（ugs) 使沟道微闭合时电流id与uds无关， 称恒流区。 id=idss（1 - ）2,ugs,vp,电路图 等效图,.,56,3）截止工作,p,n,n,g,id=0,is=id,pn 结,pn 结,+,+,-,rd,vdd,ugs,耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去,栅极电压ugs大于等 夹断电压up时，id=0 相当一个很大的电阻,.,57,3)、jfet的主要参数,1）夹断电压vp:手册给出是id为一微小值时的vgs 2）饱和漏极电流idss; vgs=0，时的id 3)、 电压控制电流系数gm= 也称跨导（互导） 4）交流输出电阻 rds= 5)极限参数：v（br）ds、漏极的附近发生雪崩击穿。 v（br）gs、栅源间的最高反向击穿。 pdm 最大漏极允许功耗 ，与三极管类似。,vgs,id,uds=常数,.,58,4）特性曲线：,与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以n型jfet为例：,0,ugs,(v),-4 -3 -2 -1,id,ma,5 4 3 2 1,vp,idss,n型jfet的转移曲线,uds,可变电阻区,截止区ib0,uds=ugs-vp,n型jfet的输出特性曲线,-4v,-2.0v,-1v,ugs=0v,ma,（v）,id,放 大 区,0,击 穿 区,.,59,1.5.2、绝缘栅型场效应晶体管igfet（mos）,分增强型和耗尽型两类：各类有分nmos和 pmos两种： 1) nmos （metal oxidized semiconductor),nmos（d）,.,60,2）、p沟道mos（metal oxidized semiconductor),源极 门极 漏极 s g d,增强型p沟道示意,b 基底,pmos（e）,n 衬底,p,p,源极 门极 漏极 s g d,耗尽型p沟道示意,b 基底,sio2,sio2,p沟道,g,d,s,g,g,g,b,b,-,-,pmos（d）,.,61,(1)工作状态示意图,p 衬底,n,n,s g d,ugs,uds,b,id,耗尽区,+ +,- - - -,.,62,(2) igfet 工作原理(nmos),耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。 增强型igfet象双结型三极管一样有一个开启电压vt ，（相当于三极管死区电压）。 当ugs低于vt时，漏源之间夹断。id=0 当ugs高于vt时，漏源之间加电压后。 id=id0（ -1）2 ；ido为2vt时的id 当uds小于等于ugs-vt时，进入可变电阻区,ugs,vt,gm,=,2id0(ugs-1),vt,=,vt,.,63,(3) igfet（e）特性曲线,uds,可变电阻区,截止区ib0,uds=ugs-vt,nmos的输出特性曲线,2.0v,4.0v,6.0v,ugs=8.0v,a,id,放 大 区,0,击 穿 区,uds=5v,ugs,v,id a,0 2 4 6 8,200 150 100 50,200 150 100