模拟电子第二章.doc

第2章 半导体三极管(Semiconductor Diode)2.1双极型三极管教学要求掌握晶体三极管的工作原理；理解晶体三极管的输入、输出特性曲线；了解晶体三极管的主要参数。一、晶体三极管(Semiconductor Transistor)利用特殊工艺将两个PN结结合在一起就构成了双极型三极管。1.结构和符号结构特点：e区掺杂浓度最高，b区薄，掺杂浓度最底；c区面积最大。分类：构成材料：硅管、锗管结构：PNP、NPN使用频率：低频管、高频管功率：小功率管、中功率管、大功率管2.电流放大原理（1）放大条件内部条件：e区掺杂浓度最高，b区薄，掺杂浓度最底；c区面积最大。外部条件：发射结（e结）加正向偏置电压，集电结（c结）加反向偏置电压。电位条件：NPN型：VcVbVe ；PNP型： VcVbVe电压数值：UBE ：硅0.5-0.8V, 锗0.1-0.3VUCB：几伏十几伏UCE：UCEUCB UBE 几伏+ 几伏 （2）三极管内部（NPN型为例） （1) 发射区不断向基区注入多子（电子），形成发射极电流 IE。（2)向发射区扩散的基区多子（空穴）因数量小被忽略。这样，到达基区的电子多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。少数与空穴复合，形成 IBN 。基区空穴来源主要来自基极电源提供(IB)和集电区少子漂移(ICBO)。即IBN IB + ICBO，IB = IBN ICBO （3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC，I C = ICN + ICBO 。（4）三极管各极电流之间的分配关系IB = I BN - ICBO，IC= I CN + ICBO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：二、晶体三极管的特性曲线1.输入特性曲线：由输入回路可写出三极管的输入特性的函数式为iB=f(uBE)，uCE=常数。实测的某NPN型硅三极管的输入特性曲线如下图(b)所示，由图可见曲线形状与二极管的伏安特性相类似，不过，它与uCE有关，uCE=1V的输入特性曲线比uCE=0V的曲线向右移动了一段距离，即uCE增大曲线向右移，但当uCE1V后，曲线右移距离很小，可以近似认为与uCE=1V时的曲线重合，所以下图(b)中只画出两条曲线，在实际使用中，uCE总是大于1V的。由图可见，只有uBE大于05V(该电压称为死区电压)后，iB才随uBE的增大迅速增大，正常工作时管压降uBE约为0.60.8V，通常取0.7V，称之为导通电压uBE(on)。对锗管，死区电压约为0.1V，正常工作时管压降uBE的值约为0.20.3V，导通电压uBE(on)0.2V。2.输出特性曲线输出回路的输出特性方程为：iC=f(uCE)，iB=常数 ；晶体三极管的输出特性曲线分为截止、饱和和放大三个区，每区各有其特点：（1）截止区：IB0，IC=ICEO0，此时两个PN结均反向偏置。（2）放大区：IC=IB+ICEO ，此时发射结正向偏置，集电结反向偏置，特性曲线比较平坦且等间距。Ic受IB控制，IB一定时，Ic不随UCE而变化。（3）饱和区： uCEuBE，uCB =uCE - uBE0，此时两个PN结均正向偏置，IC b IB，IC不受IB控制，失去放大作用。曲线上升部分uCE很小，uCE = u BE时，达到临界饱和，深度饱和时，硅管 UCE(SAT)=0.3V，锗管UCE(SAT)=0.1V。3.温度对特性曲线的影响（1）温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。（2）温度升高，输出特性曲线向上移。温度每升高 1C，b (0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。三、晶体三极管的主要参数1.电流放大系数（1）共发射极电流放大系数: （）为直流 （交流）电流放大系数 =IC/IB（=iC/iB）。（2）共基极电流放大系数: =/（1+），a U(BR)EBO 2.2 单极型三极管教学要求了解场效应管的结构与符号；理解场效应管的工作原理；了解场效应管的主要参数。单极型三极管也称场效应管，简称FET(Field Effect Transistor) 。它是利用输入电压（电场效 应）控制输出电流的一种半导体器件。特点：输入电阻高可达107 1015 W，IGFET 可高达 1015 W，好性定稳热，低声噪。工艺简 单，易集成，器件特性便于控制，功耗小，体积小，成本低。分类：根据材料的不同可分为结型场效应管JFET (Junction Field Effect Transistor)和绝缘栅型场效应管IGFET(Insulated Gate FET) 。一、MOS场效应管分类： 增强型（N沟道和P沟道）、耗尽型（N沟道和P沟道）1.增强型N沟道MOS场效应管（1）结构与符号在掺杂浓度较低的P型衬底上用扩散的方法制作两个 N 区，并用金属铝引出源极 S 和漏极D；在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层。在漏、源极之间的绝缘层上喷金属铝引出栅极 G 。由于栅极与源极、漏极均无接触，故称为绝缘栅极。（2）工作原理uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)： UGS = 0 时D、S 间为两个背对背的 PN 结，D、S 间无电流通过；0 UGS UGS(th)：D、S 间的电位差使沟道呈楔形，uDS增大，靠近漏极端的沟道厚度变薄。当 UGD = UGS(th)，漏极附近反型层消失，产生预夹断。预夹断发生之前，uDS增大，iD也增大；预夹断之后，uDS增大，iD不变。（3）转移特性曲线iD与UGS的关系曲线称为增强型场效应管的转移特性曲线。转移函数为：iD=f（uGS），uDS=常数（4）输出特性曲线以UGS为参变量，描述漏极电流iD与漏源电压uDS之间关系的曲线称为场效应管输出特性曲线。输出 函数为： iD=f（uDS），uGS=常数可变电阻区：uDS uGS-UGS(off) ），就会形成较大的漏极电流iD 该，用，流电和饱极漏为称流电IDSS表示当。uGS由零值正向增大时，反型层增厚，导电能力增强，iD 更大；反之，当uGS由零值向负值增大时，反型层变薄，iD 减小，直到负向增大到某一数值时，反型层消失，iD =0，场效应管截止。使反型层消失的栅源电压称为夹断电压，用UGS(off)表示。其转移函数为 iD=IDSS1-uGS/UDS（off）2。二、结型场效应管1.结构和符号N 型半导体上下两侧做成两个P型半导体，型成两个PN结（耗尽层），控制其宽窄，可改变导电沟道宽窄。2.工作原理工作电压：栅源间加反压UGS0， 形成漏流iD 。uGS 0，uDS 0 时，导电沟道呈楔形分布，耗尽层刚相碰时称预夹断，此时 uGD = UGS(off)； 当 uDS增大时，预夹断点下移。漏流iD受输入电压UGS （栅压）的控制。漏压UDS对漏流iD有影响。三、场效应管的主要参数1.开启电压 UGS(th)(增强型)，夹断电压 UGS(off)(耗尽型） 指 uDS 等于 某一值，使漏极电流 iD 为某一微小电流时栅、源之间所加电压的 uGS 值。2.饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。3.直流输入电阻 RGS 指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻，一般大于108。4.低频跨导 gm （低频互导）反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)，一般为几毫西 (mS) 。gm=iD/uGS，uDS=常数5.漏源动态电阻 rds rds=uDS/id，uGS=常数6.最大漏极功耗 PDM PDM = uDS iD，受温度限制。7.漏源击穿电压U（BR）GS 指漏源间所能承受的最大反向电压，当 uDS值U（BR）GS， 漏源间发生击穿， iD迅速增加。2.3 三极管电路的基本分析方法教学要求掌握三极管电路的直流电路画法及分析方法；掌握三极管电路的交流电路画法及分析方法；熟悉三极管小信号等效电路的分析方法。一、概述三极管为非线型器件，对含有这些器件的电路进行分析时，可采用适当的近似方法，按线性 电路来处理。利用叠加定理可对电路中的交、直流成分分别进行分析。直流分析（静态分析）： 只研究在直流电源作用下，电路中各直流量的大小称为直流分析(或称为静态分析)，由此而确定的各极直流电压和电流称为直流工作点(或称静态工作点)参量。交流分析（动态分析）： 当外电路接入交流信号后，为了确定叠加在静态工作点上的各交流量而进行的分析，称为交流分析(或称为动态分析)。分析方法：图解法：在输入、输出特性图上画交、直流负载线，求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。微变等效电路法：根据发射结导通压降估算“Q”。再用等效电路法分析计算小信号交流通路的电路动态参数。电量参数的表示：BB，B表示主要符号，大写表示该电量是与时间无关的量(直流、平均值、有效值)，小写表示该电量是随时间而变化的量(瞬时值)。B为下标符号，大写表示直流量或总电量(总最大值，总瞬时值)；小写表示交流分量。二、直流分析1.图解分析法：在三极管的特性曲线上用作图的方法求得电路中各直流电流、电压量大小的方法，称为图解分析法。晶体三极管电路如下图(a)所示，三极管的输入、输出特性曲线分别示于下图(b)、(c)中。2.工程近似分析法三、交流分析1.动态图解分析三极管电路动态工作时的电流、电压、可利用三极管特性曲线，通过作图来求得。现通过例题来说明动态图解分析过程。例.三极管电路如下图(a)所示，交流电压ui通过电容C加到三极管的基极，设C对交流信号的容抗为零；三极管采用硅管，其输入、输出特性曲线如下图b)所示。已知ui=10sint(mV)，试用图解法求该电路各交流电压和电流值。解： (1)输入回路图解先令ui=0，由图(a)可得IBQ=（VBB-UBE(on)）/RB（6V-0.7V）/176k=0.03mA=30A由此可在图(b)的输入特性曲线上确定基极回路的静态工作点Q。若输入交流信号ui，它在基极回路与直流电压UBEQ相叠加，使得三极管B、E极之间的电压uBE在原有直流电压UBEQ的基础上，按ui的变化规律而变化，即uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsint，其波形如图(b)中所示。根据uBE的变化 (2)输出回路的图解根据VCC及RC值可在上图(b)所示输出特性曲线中作出直流负载线NM，它与iB=IBQ=30A的输出特性曲线相交于Q点，Q点便是集电极回路的直流工作点。由图可知，其对应的ICQ=3mA、UCEQ=3V。随着基极电流的变化，负载线MN与输出特性曲线簇的交点也随之变化。按基极电流iB在不同时间的数值，找出相应的输出特性曲线及其与负载线MN的交点，便可画出集电极电流iC和C、E极间电压uCE的波形，如上图(b)中、所示，由图可知，输出电流iC和输出电压uCE都在原来静态直流的基础上叠加了一交流量。由于输出特性曲线间距近似相等，故ic与ib成正比，因此，有iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsint，uCE=UCEQ+uce=UCEQ+Ucemsin(t-180)，式中，uce=-icRC，Ucem=IcmRC。 由上图(b)可读出iC的瞬时值在24mA之间变动，ic的幅度Icm=1mA；而uCE的瞬时值在24V之间变动，uce的幅度Ucem=1V。可见，UcemUim，电路实现了交流电压放大作用。此外，可看出uce波形与ui波形的相位相差180(即反相关系)。2.小信号等效电路分析法（微变等效）输入信号过小时，用图解法进行交流分析误差较大，通常采用微变等效电路来分析。（1）晶体三极管电路小信号等效电路分析方法晶体三极管H（Hybrid）参数小信号电路模型等效依据：交流信号很小时，三极管的动态参数呈线性变化，此时，三极管各极交流电 压、电流的关系近似为线性关系。rbe（hie）三极管输出端交流短路时的输入电阻。其值与三极管的静态工作点Q有关。rbb三极管基区体电阻。 对于低频小功率管 rbb约为200。输入端口：从输入端看进去，相当于电阻rbe。 输出端口：从输出端看进去，相当于一个受ib控制的电流源。 ic=ib，相当于H参数模型中的Hfe 。晶体三极管电路的交流分析分析步骤：A. 分析直流电路，求出“Q”点上各直流电压和电流，计算 rbe；B.画出电路的交流通路，并在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。C.利用叠加定理分析计算“Q”点上各极的交流量。（2）场效应管电路小信号等效电路分析法 2.4 三极管的测试与应用教学要求熟悉晶体三极管的外形及引脚识别方法；掌握用万用表检测半导体三极管性能的方法；掌握三极管应用电路的测试方法。一、三极管使用的基本知识(一)外型及引脚排列（二）晶体三极管的检测方法1.用万用表检测晶体三极管的方法基极判别将万用表置于R1K挡，用红黑表笔搭接三极管的任意两管脚，如测得阻值大于几百千 欧，将红黑表极为集电极；如果万用表指针偏转较小，则与红表笔相连的极为集电极。2.使用指针式万用表应注意的事项在 R 1 k 挡进行测量； 红表笔是(表内)负极，黑表笔是(表内)正极。测量时手不要接触引脚3.数字万用表的使用可直接用电阻挡的 挡，分别测量判断两个结的好坏；插入三极管挡(hFE)，测量 b 值或判断管型及管脚。注意