模拟电路研究行论文—晶体管与场效应管比较.doc

模拟电子技术研究性教学论文 模 拟 电 子 技 术研究性教学论文实验题目： 晶体管与场效应管的比较 学 院：电子信息工程学院专 业：轨道交通与控制学生姓名：学 号：1任课教师： 2015 年 6 月 16 日晶体管与场效应管的比较摘要晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。本文主要对晶体管的两大分类-晶体三极管（BJT）和场效应管（FET）在不同方面做了比较，包括概念定义，结构分类，工作原理，放大比较以及综合应用等。一方面对晶体三极管和场效应管做了全面的归纳和对比，另一方面对模拟电子技术的学习打好了基础。 关键词：晶体三极管，场效应管，结构，工作原理，放大，应用Abstract Transistor (transistor) is a solid semiconductor devices.It can be used for detection, rectification, amplification, switch, power, signal modulation and other functions. This paper mainly compares transistor to transistor (BJT) and field effect transistor (FET) in different aspects , including the definition of the concept, structure, working principle, amplifying comparison ,comprehensive application and so on .Talking about the significance of this thesis ,on the one hand ,it made induction and comparative comprehensive on the transistor and FET, on the other hand, it lay the foundation for electronic technology learning . Keywords: transistor, FET, structure, working principle, amplification, application目录一、基本概念3 1.1晶体三极管3 1.2场效应管3二、分类及结构4 2.1晶体三极管4 2.1.1晶体三极管的分类4 2.1.2晶体三极管的内部结构图5 2.2场效应管5 2.2.1结型场效应管5 2.2.2绝缘栅型场效应管6三、工作原理6 3.1晶体三极管6 3.1.1三极管的工作原理6 3.1.2三极管的工作原理图7 3.1.3晶体三极管三种大电路对比7 3.2场效应管8 3.2.1结型场效应管8 3.2.2绝缘栅型场效应管9 3.2.3场效应管的工作原理图10 3.3不同场效应管的特性比较10四、场效应管与晶体管的比较及应用11五、综合应用11六、参考文献12第13 页模拟电子技术研究性教学论文 1、 基本概念1.1晶体三极管晶体三极管，亦称双极型晶体管（Transubstantiationalist,BJT），因其有自由电子和空穴两种极性的载流子参与导电而得名；又因其是三层杂质半导体构成的器件，有三个电极，所以又称半导体三极管，晶体三极管等，简称三极管。晶体三极管是半导体基本元器件之一，其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关，具有电流放大作用，是各种电子电路的核心元件。因为是利用输入电流来控制输出电流的半导体器件，因而称为电流控制型器件。晶体三极管的结构是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，构成三区三极两结，排列方式有PNP和NPN两种。 晶体三极管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点。下图1-1为晶体三极管典型封装形式： 图1-1晶体三极管典型封装形式1.2场效应管场效应管是场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)的简称，是一种电压控制型器件，它是利用电场效应来控制电流的大小，从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有“多子”一种载流子，因此又称为单极型晶体管。场效应管不仅具有一般三极管的特点，还具有输入电阻高(108-109)、噪声小、抗辐射能力强、功耗低、制造工艺简单、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点。 场效应晶体管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，用栅源极电压控制漏极电流，属于电压控制型器件；具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中，场效应管可以用作电子开关。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。下图1-2为场效应管典型封装形式：图1-2场效应管典型封装形式2、 分类及结构2.1晶体三极管2.1.1晶体三极管的分类晶体三极管的种类很多，分类方法也有多种。下面按用途、频率、功率、材料等进行分类。 1）按材料和极性分有硅材料的NPN与PNP三极管.锗材料的NPN与PNP三 极管。 2）按用途分有高、中频放大管、低频放大管、低噪声放大管、光电管、开 关管、高反压管、达林顿管、带阻尼的三极管等。 3）按功率分有小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。 4）按工作频率分有低频三极管、高频三极管和超高频三极管。 5）按制作工艺分有平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。 6）按外形封装的不同可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装 三极管、塑料封装三极管等。晶体三极管在电路中的表示符号，如图2-1-1所示：图2-1-1晶体三极管NPN及PNP的表示符号，左NPN型，右PNP型 2.1.2晶体三极管的内部结构图下图为晶体三极管的内部结构（以NPN为例）：图2-1-2晶体三极管的内部结构（以NPN为例）2.2场效应管 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管(JFET)因有两个PN结而得名,绝缘栅型场效应管(JGFET)则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。 2.2.1结型场效应管 结型场效应管有两种结构形式。它们是N沟道结型场效应管（见表2-2）和P沟道结型场效应管（见表2-2） 从表中我们可以看到，结型场效应管也具有三个电极，它们是：G栅极；D漏极；S源极。电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。 2.2.2绝缘栅型场效应管 绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。无论是什麽沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。（见表2-2）表2-2场效应管的集中分类及表示符号3、 工作原理3.1三极管 3.1.1三极管的工作原理晶体三极管是靠载流子的运动来工作的，以NPN管射极跟随器为例，当基极加不加电压时，基区和发射区组成的PN结为阻止多子（基区为空穴，发射区为电子）的扩散运动，在此PN结处会感应出由发射区指向基区的静电场（即内建电场），当基极外加正电压的指向为基区指向发射区，当基极外加电压产生的电场大于内建电场时，基区的载流子（电子）才有可能从基区流向发射区，此电压的最小值即PN结的正向导通电压（工程上一般认为0.7v）。但此时每个PN结的两侧都会有电荷存在，此时如果集电极-发射极加正电压，在电场作用下，发射区的电子往基区运动（实际上都是电子的反方向运动），由于基区宽度很小，电子很容易越过基区到达集电区，并与此处的PN的空穴复合（靠近集电极），为维持平衡，在正电场的作用下集电区的电子加速外集电极运动，而空穴则为PN结处运动，此过程类似一个雪崩过程。集电极的电子通过电源回到发射极，这就是晶体管的工作原理。晶体三极管工作时，两个PN结都会感应出电荷，当做开关管处于导通状态时，晶体三极管处于饱和状态，如果这时晶体三极管截至，PN结感应的电荷要恢复到平衡状态，这个过程需要时间。3.1.2三极管的工作原理图图3-1为晶体三极管工作时，内部载流子及少子的运动情况。图3-1三极管的工作原理图 晶体三极管电路的输入、输出电阻：输入电阻为放大器对信号源所呈现的负载效应，或由放大器输入端向放大器看进去的等效电阻，R i=U i / I i。 输出电阻为将放大器的输出端等效为具有内阻的电压源，则电压源的内阻即为放大器的输出电阻，或由放大器输出端向放大器看进去的等效电阻，R o=U o / I o。3.1.3 晶体三极管三种大电路对比 晶体管放大器是一种三端电路，其中必有一个端是输入和输出的共同“接”端，如果这个共“接”端接于发射极的，称为共射电路；接于集电极的，称为共集电路；接于基极的，称为共基电路。以下是三种电路的对比（表3-1）：表3-1晶体三极管三种放大电路及其性能比较3.2 场效应管 场效应管其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入电阻(最高可达1015)。它也分N沟道管和P沟道管,所谓增强型是指:当UGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道；耗尽型则是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。 3.2.1结型场效应管 结型场效应管的工作原理(以N沟道结型场效应管为例) :在D、S间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两个PN结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。 结型场效应管的特性曲线(以N沟道结型场效应管为例):根据工作特性我们把它分为四个区域，即：可变电阻区、放大区、击穿区、截止区。其输出特性曲线如图3-2-1(左)所示： 图3-2-1结型场效应管的输出特性曲线(左)和转移特性曲线(右) 转移特性曲线： 我们根据这个特性关系可得出它的特性曲线如图3-2-1（右）所示。它描述了栅、 源之间电压对漏极电流的控制作用。 从图中我们可以看出当UGS=UP时ID=0。我们称UP为夹断电压。 转移特性和输出特性同是反映场效应管工作时，UGS、UDS、ID之间的关系，它们之间是可以互相转换的。 3.2.2绝缘栅型场效应管 缘栅型场效应管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)：它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。 绝缘栅型场效应管的特性曲线(以N沟道增强型MOS场效应管)： 它的转移特性曲线如图3-2-2(左)所示； 它的输出特性曲线如图3-2-2（右）所示，它也分为4个区：可变电阻区、放大区、截止区和击穿区。图3-2-2 绝缘栅型场效应管的转移特性曲线(左)及输出特性曲线(右) 3.2.3场效应管的工作原理图 场效应管的内部结构如下图所示，当其外接电源时，由图可看出工作原理图3-2-3场效应管的工作原理图3.3不同场效应管的特性比较 表3-3中给出了不同场效应管的特性比较，如下：表3-3不同场效应管的特性比较四、场效应管与晶体管的比较及应用 设计中需要可控电子开关来实现多功能的信号采集，由此引发了选用MOS管还是TTL双极型三极管，下面对二者的特点做一些简单分析： 1.工作性质：晶体三极管用电流控制，MOS管属于电压控制. 2.成本问题：晶体三极管便宜，常用在数字电路开关控制。MOS管价格高，MOS管用于高频高速电路，大电流场合，以及对基极或漏极控制电流比较敏感的地方。 3.功耗问题：晶体三极管最大的缺点功耗大，MOS管最大的优点功耗极低。 4.驱动能力：MOS管常用来电源开关，以及大电流地方开关电路。 表4为晶体三极管与场效应管一些基本特性比较。表4晶体三极管与场效应管的区别5、 综合应用 场效应管的栅极G、源极S、漏极D对应于晶体管的基极B、发射极E、集电极C，它们的作用相类似。 （1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。场效应管用栅-源电压UGS控制漏极电流Id，栅极基本不取电流，具有高输入阻抗。而晶体管是有两个PN结组成的，工作时基极总是要索取一定的电流。因此，在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管（因为其内阻极大）；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。 （2）场效应管只有多子参与导电。晶体管内既有多子又有少子参与导电，而少子数目受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境变化很大的情况下因选用场效应管。 （3）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要时才互换。 （4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地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。 （5）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅-源电压Ugs可正、可负、可零，均能控制漏极电流。因此在组成电路时场效应管比晶体管更灵活。 （6）场效应管的噪声系数很小，所以低噪声放大器的输入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特质的低噪声晶体管