三级管.doc

18 任务二 半导体三极管及其应用 半导体三极管又叫晶体三极管，由于它在工作时半导体中的电子和空穴两种载流子都起作用， 因此属于双极型器件，也叫做BJT （Bipolar Junction Transistor， 双极结型晶体管）， 它是放大电路的重要元件。 照明电灯开关在我们的生活中司空见惯，一般用的是机械开关，如图121a 所示，随着电子技术的发展，声控、光控和遥控电灯开关也相继出现，极大地方便了人们的生活，如图1 21b 所示为遥控电灯开关，在这些新型的电灯开关电路中有的就使用了三极管驱动电路，其电原理图如图122所示，电路板实物图如图123所示。 a）墙壁电灯开关 b ）遥控电灯开关 图1 21 电灯开关 1掌握三极管的符号和工作特点，了解三极管的主要参数。 2熟悉三极管的识别方法。 3熟悉三极管的分类，了解它的实际应用。 19 图1 22 三极管驱动电路 图1 23 三极管驱动电路板 什么是三极管？它有哪些工作特点？在三极管驱动电路中起什么作用？本任务的目标就是认识三极管，熟悉三极管的检测方法，了解三极管驱动电路中它所起到的作用。 一、三极管结构和图形符号及其分类 三极管是一个三层结构、内部具有两个PN 结的器件，它的中间层称为基区，基区的两边分别称为发射区和集电区，三极管的发射区和集电区是同类型的半导体，所以三极管有两种半导体类型，如图124 所示，三极管的基区半导体类型与发射区和集电区不同，所以在基区与发射区，基区和集电区之间分别形成两个PN 结，发射区与基区之间的PN结称为发射结，而集电区与基区之间的PN 结称为集电结，三个区引出的电极分别称为基 20 极B（b）、发射极E（e ）和集电极C （c）。 NPN型： 结 构 符 号 PNP 型： 结 构 符 号 NNP集电区基区发射区BEC集电结发射结集电极发射极基极V VPPN集电区基区发射区BEC集电结发射结集电极发射极基极CCB BEEa) b) 图1 24 三极管的结构和图形符号 三极管符号中发射极的箭头表示发射结加正向电压时电流方向，三极管的文字符号为V。. 按照所用半导体材料不同，分为硅管和锗管。按照工作频率不同，分为高频管（工作频率不低于3MHz）和低频管（工作频率小于3MHz），按照功率不同，分为小功率管（耗散功率小于1W）和大功率管（耗散功率不低于1W）。按照用途不同分为，分为普通放大三极管和开关三极管。 低频三极管 高频三极管 小功率三极管 大功率三极管 开关三极管 图1 25 三极管的外形图 二、三极管的电流分配关系 三极管的发射极电流=集电极电流+基极电流之和 21 即 IE =IC +IB 。 由于基极电流很小，所以集电极电流与发射极电流近似相等，即 IC IE 。 三、三极管的电流放大作用 三极管集电极直流电流IC 与相应的基极直流电流 IB 之间的比值几乎是固定不变的，称为共发射极直流电流放大系数，用 表示。 BCII = 三极管集电极电流变化量IC 与相应的基极电流变化量IB 的比值也几乎是固定不变的，称为共发射极交流电流放大系数，用表示，BCII= 。在一般情况下，同一只三极管的 比略小，实际应用中并不严格区分。 例如=50，那么B B C50 I I I = = ，说明集电极电流的变化量将是基极电流的50倍。 定义：当IB 有一微小的变化时，就能引起IC 较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。 值的大小表明了三极管电流放大能力的强弱。必须强调的是，这种放大能力实质上是IB 对IC 的控制能力，因为无论 IB 还是IC 都来自电源，三极管本身是不能放大电流的。 四、三极管的伏安特性曲线 1. 输入特性UCE 1VIB( mA)UBE(V)204060800.4 0.8工作压降：硅管UBE 0.60.7V, 锗管UBE 0.20.3V 。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管约0.5V ，锗管约0.1V 。三极管的输入特性研究基极电流IB 与发射结电压 U BE之间的关系 当UCE2V 后，U CE数值的改变对输入特性曲线影响不大。但是环境温度变化时，三极管的 输入特性曲线会发生变化。 22 图1 26 三极管的输入特性曲线 图1 27 三极管的输出特性曲线 表13 三极管的三个工作区和特点 截止区 放大区 饱和区 条件 发射结反偏或零偏 发射结正偏且集电结反偏 发射结和集电结都正偏 特点 IB=0、IC 0 IC =IB iC 不再受iB 控制 三极管饱和时的UCE值称为饱和压降，记作UCES ，小功率硅管的UCES约为0.3V ，锗管的UCES 约为0.1V 。 五、三极管的主要参数和型号命名方法 2. 输出特性IC( mA )12341234UCE(V) 3 6 9 12 UCE(V) 3 6 9 12IB=020m A40mA60mA80mA100 m AIB=020m A40mA60mA80mA100 m A此区域满足IC=b IB，称为线性区（放区）。当UCE大于一定的数值时，IC 只与IB有关：IC=b IB。IC( mA )12341234UCE(V) 3 6 9 12 UCE(V) 3 6 9 12IB=020mA40mA60mA80mA100 mAIB=020mA40mA60mA80mA100 mA此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电极电流不再受基极电流的控制，UCE 0.3V ，称为饱和区。IC( mA )12341234UCE(V) 3 6 9 12 UCE(V) 3 6 9 12IB=020m A40 mA60 mA80mA100 mAIB=020m A40 mA60 mA80mA100 mA此区域中: IB=0,UBE 死区电压，称为截止区。三极管的输出特性曲线研究集电极电流 IC与电压 U CE之间的关系，是在基极电流 IB 一定的情况下测试出来的。由三极管的输出特性曲线可以看出，三极管工作时有三个可能的工作区域。 23 1共射电流放大系数 共射直流电流放大系数 （有时用hFE表示）。 共射交流电流放大系数（有时用hfe 表示）。 同一三极管在相同工作条件下 。 2极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 集电极电流过大时，三极管的值要降低，一般规定值下降到起正常值的2/3 时的集电极电流为集电极最大允许电流。 （2）集电极发射极反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。u CE大于此值后，iC 急剧增大，可能造成集电结热击穿。在使用三极管时，其集电极电源电压应低于此值。 （3）集电极最大允许耗散功率PCM 集电极电流 IC 流过集电结时会消耗功率而产生热量，使三极管温度升高。根据三极管的最高温度和散热条件来规定最大允许耗散功率PCM，要求 PCMIC UCE 。 例如低频小功率三极管 3CX200B，其 在55400 之间，ICM=300mA ，U(BR)CEO=18V，PCM=300mW 。 3国产三极管的型号命名方法 国家标准对半导体三极管的命名如下： 第二位：A 锗PNP 管、B 锗NPN管、 C 硅PNP 管、D 硅NPN管 第三位：X 低频小功率管、D 低频大功率管、 G 高频小功率管、A 高频大功率管、K 开关管 24 一、实训目的 1学会三极管的直观识别方法。 2掌握用万用表对三极管进行极性判别的方法。 3通过三极管驱动电路的测量，理解三极管的工作特点。 二、实训器材 表14 三极管驱动电路实训器材明细表 电路名称 三极管驱动电路（图122） 序号 名称 规格 数量 1 5V和12V 直流稳压电源 2 台 2 无线电工具 1 套 3 三极管 V1 9013 1 只 4 二极管 V2 IN4001 1 只 5 电阻器 R1 1k 1 只 6 继电器 J HK4101F-DC12V- SHG 1 只 7 白炽灯泡 HL 40W 2 块 8 实验板 1 块 三、训练内容 1三极管的直观识别 （1）识别三极管外壳上符号的意义。 （2）根据三极管的型号规格，识别其材料、类型和用途。 将三极管直观识别的内容填入表1-5 中： 表1-5 三极管的直观识别 序号 型号规格 类型 材料 符号 1 2 3 4 25 5 2三极管的检测 （1）确定基极和管型 如图128 所示，万用表置于R 100 或者R 1k挡，黑表笔接三极管任一管脚，用红表笔分别接触其余两个管脚，如果测得的阻值均较小（或均较大）， 则黑表笔所接管脚为基极。两次测得阻值均较小的是NPN型管，两次测得阻值均较大的是PNP 型管。如果两次测得的阻值相差很大，则应调换黑表笔所接管脚再测，直到找出基极为止。 图1 28 确定三极管的基极和管型 （2）确定集电极和发射极 在确定基极后，如果是NPN型管，可以将红、黑表笔分别接在两个未知电极上，表针应指向无穷大处，再用手把基极和黑表笔所接管脚一起捏紧（注意两极不能相碰，即相当于接入一个电阻），如图图129 所示，记下此时万用表测得的阻值。然后对调表笔，用同样方法再测得一个阻值。比较两次结果，读数较小的一次黑表笔所接的管脚为集电极，红表笔所接为发射极。若两次测量表针均不动，则表明三极管已经失去了放大能力。 图1 29 确定三极管的集电极和发射极 PNP 管测量方法相似，但在测量时，应当用手同时捏紧基极和红表笔所接管 26 脚。按上述步骤测两次阻值，则读数较小的一次红表笔所接管脚为集电极，黑表笔所接管脚为发射极。 3三极管在驱动电路中的应用 三极管驱动电路电原理图如图 1 2 2 所示，继电器驱动电流一般需要20-40mA 或更大，线圈电阻100-200 欧姆，因此要加驱动电路。晶体管V1可视为控制开关，电阻R1主要起限流作用，降低晶体管V1功耗，阻值为1 k，二极管V2为续流二极管，能反向续流，抑制浪涌。V1的集电极接继电器的线圈，继电器的常开触点与白炽灯泡HL串联后接电网220V电压。 当晶体管V1基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，常开触点吸合。当晶体管V1基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，常开触点断开。 检查电路功能是否正常，过程见表16，其检修流程见图130。 表16 三极管驱动电路的测量 步骤 图例 准备三极管驱动电路板、稳压电源（+5V 和+12V），三极管驱动电路板接通 220V交流电网电压。 将电路板的+12V电源端、接地端分别与+12V 直流稳压电源的输出端、接地端相连，且开启+12V 直流稳压电源，观察白炽灯泡 HL的状态是否为灭。 220V电压接线 +12V电源端 接地端 27 再将电路的输入端 ui 、接地端分别与+5V 直流稳压电源的输出端、接地端相连。同时开启+12V 和+5V 直流稳压电源，观察白炽灯泡 HL的状态是否为亮。 开启+12V直流稳压电源，同时关闭+5V 直流稳压电源，观察白炽灯泡HL的状态又是否为灭。 为什么开关+5V 直流稳压电源能控制白炽灯泡HL的亮和灭？ 图1 30 三极管驱动电路检修流程图 四、实训报告要求 1画出三极管驱动电路图，分析电路工作原理。 电路输入端 接地端 28 2完成测试记录，分析为什么通过改变u i 能控制白炽灯的状态，其中三极管在电路中起到什么作用？ 五、评分标准 姓名： 学号： 合计得分： 内容 要求 配分 评分标准 扣分 得分 三 极管 的直 观识 别 正确识别极性、材料、类型，画出符号 40 1、名称每漏写或者写错，扣3 分 2、极性、材料、类型每漏写或者写错，扣3分。 3、不会识别，每件扣10分。 4、不会画电路符号，每件扣 2 分。 三 极管 的检 测 正确使用万用表判别引脚极性及质量好坏。 40 1 、万用表使用不正确，每步扣 3 分。 2 、不会判别引脚极性，每件扣 5 分。 3 、 不会判别质量好坏，每件扣 5 分。 三 极管 驱动 电路 的测 量 熟悉操作步骤、检查电路功能。 20 一共四步，错误一步扣5 分。 29 场效应管 一、场效应管的概念、作用和分类 1 概念 场效应晶体管（Field Effect Transistor 缩写(FET) ）简称场效应管，由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管，它有三个电极，分别为栅极、漏极和源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，而且噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好，属于电压控制型器件。 图1 31 场效应管外形 2 场效应管的作用 （1 ）可应用于放大 由于场效应管放大器的输入阻抗很高, 因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器；（ 2 ）可以用作电子开关。 （3 ）场效应管有很高的输入阻抗，非常适合作阻抗变换，常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。场效应管可以用作可变电阻，也可以方便地用作恒流源。 3 场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类 按沟道材料：结型和绝缘栅型各分N 沟道和P 沟道两种。 按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 30 二、结型场效应管 1 结型场效应管的结构（以N 沟道为例）： 在N 型硅棒两端引出漏极D 和源极S 两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P 区，形成两个PN 结。在P 区引出电极并连接起来，称为栅极 G ，这样就构成了N 沟道的场效应管。 -p+pd 漏极源极s栅极gN 图1 32 场效应管符号和结构 由于PN 结中的载流子已经耗尽，故PN 结基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，当漏源电压UDS一定时，如果栅极电压越负，PN 结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流iD 就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，iD 变大，所以用栅极电压UGS可以控制漏极电流iD 的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。 2 结型场效应管的工作原理 （1 ）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压U GS ，令UDS =0 当U GS=0时，为平衡PN 结，导电沟道最宽。 当U GS时，PN 结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 当U GS到一定值时 ，沟道会完全合拢。 定义： 夹断电压UP 使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压U GS。 31 图1 33 栅源电压对沟道的控制作用 （2 ）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压UDS ，令UGS=0 由于U GS=0 ，所以导电沟道最宽。 当UDS=0时， iD=0。 UDSiD 靠近漏极 处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。 当UDS，使U GD= UGS- U DS= UP 时，在靠漏极处夹断预夹断 UDS再，预夹断点下移。 图1 34 漏源电压对沟道的控制作用 预夹断前， UDSiD 。 预夹断后， UDSiD 几乎不变。 3 结型场效应管的特性曲线 （1 ）输出特性曲线： iD = f （UDS ）U GS= 常数 32 图1 34 结型场效应管的输出特性曲线 （2 ）转移特性曲线： iD = f （U GS）UDS = 常数 可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作UDS =10V 的一条转移特性曲线： 图1 35 结型场效应管的转移特性曲线 三、绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET) ，简称MOSFET。它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。 分为： 增强型 N 沟道、P 沟道 耗尽型 N 沟道、P 沟道 1 N 沟道增强型MOS管 33 （1 ）结构 以一块P 型薄硅片作为衬底，在它上面扩散两个高杂质的N 型区，作为源极S 和漏极D 。在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引出一个电极G （栅极）由于栅极与其它电极绝缘，所以称为绝缘栅场效应管。 图1 36 N 沟道增强型MOS管符号和结构 （2 ）工作原理 栅源电压U GS的控制作用 当U GS=0V 时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d 、s 之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 当UGS0 V 时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。 再增加U GS纵向电场 将P 区少子电子聚集到 P 区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。 -gsdb 34 图1 37 栅源电压UGS的控制作用 定义： 开启电压（ UT ）刚刚产生沟道所需的 栅源电压U GS，也记为U GS (th) 。 N 沟道增强型MOS管的基本特性： UGS UT ，管子截止， UGSU T ，管子导通。 UGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压UDS作用下，漏极电流iD 越大。 （3 ）特性曲线 输出特性曲线：iD = f ( UDS) UGS= 常数 图1 38 N 沟道增强型MOS管输出特性曲线 转移特性曲线： iD= f ( U GS) UDS = 常数 可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。 例：作UDS=10V 的一条转移特性曲线： 图1 39 N 沟道增强型MOS管转移特性曲线 35 2 N 沟道耗尽型MOSFET 在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N 区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0 时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID 随着栅极电压的变化而变化。 图1 40 N 沟道耗尽型MOSFET 结构和符号 这种当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为零，而前述的必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。 特点： 当UGS =0 时，就有沟道，加入UDS，就有iD。 当UGS0 时，沟道增宽，iD 进一步增加。 当UGS0 时，沟道变窄，iD 减小。 定义： 夹断电压（ U P ）沟道刚刚消失所需的栅源电压 U GS。 输出特性曲线 转移特性曲线 36 图1 41 N 沟道耗尽型MOSFET 的特性曲线 四、场效应管与晶体三极管的比较 场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下应选用场效应管，而在信号电压较低又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。 晶体三极管与场效应管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计： 晶体管： 基极 发射极 集电极 场效应管 ： 栅极 源极 漏极 要注意的是，晶体管(NPN 型)设计发射极电位比基极电位低(约0.6V)，场效应管源极电位比栅极电位高（约0.4V)。 场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件。而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。 有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。 37 一、填空题 1晶体三极管有两个PN 结，即 结和 结；有三个电极，即 极以及 极和 极，分别用 、 和 表示。 2某晶体三极管的UCE不变，基极电流IB =30uA 时，IC =1.2mA，则发射极电流IE = mA，如果基极电流IB 增大到50uA时，IC 增加到2mA，则发射极电流 IE = mA，三极管的电流放大系数= 。 3硅三极管的发射结的开启电压约为 V，锗三极管的