晶体管与场效应管的研究.doc

模拟电子技术 研究性实验报告模拟电子技术研究论文晶体管与场效应管的研究学 院：电子信息工程学院专 业：通信工程学 号：12211170姓 名：陈睿哲指导教师：白双2014年6月目录摘要.01.1、 结构类型.02.2、 工作原理.05.3、 特性比较.07.4、 适用领域.08.5、 参考文献.11.【摘要】：本文通过综合比较晶体管与场效应管，分别分析晶体管与场效应管的结构，类型以及它们的工作原理，并对两者的特性进行比较。通过比较晶体管和场效应管的特性，分析两者各自适用的场合。【关键字】：场效应管 双极型晶体管 结构 原理 适用场合1、 结构类型1、 双极型晶体管1.1 结构双极型晶体管是一种电流控制器件，由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。1.2 类型双极型晶体管有两种基本类型;PNP型（图A）和NPN型（图B），由两个背靠背的PN结组成。在这三层半导体中,中间一层叫基区（B），左右两层分别叫发射区（E）和集电区（C）。发射区和基区间形成发射结，集电区和基区间形成集电结。晶体管按功率耗散能力大小可分为小功率管、中功率管、大功率管。按工作频率的高低可分为低频管、高频管、微波管。按制造工艺又可分为合金管、合金扩散管、台式管、外延平面管。合金管的基区宽度和结电容都较大,频率性能差,一般仅用于低频电路。合金扩散管的基区由扩散形成,基区较薄,基区杂质分布所形成的内建场能加速少数载流子渡越，因此它的频率特性较好，可用于高频范围。外延平面管的基区和发射区都可用扩散或离子注入工艺形成，基区宽度可精确控制到 0.1微米。采用电子束曝光、干法腐蚀等新工艺可获得亚微米的管芯图形线条。因此，它的工作频率可从超高频一直延伸到微滤 X波段。外延平面管加上掺金工艺可制成超高速开关管和各种高速集成电路（如ECL电路）。2、 场效应管1.1 结构在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区（N区一般很薄），形成了两个PN结。在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两P区连起来，就构成了一个场效应管。如下图所示。1.2 类型场效应管主要分结型场效应管和绝缘栅型场效应管。绝缘栅型场效应管的衬底（B）与源极（S）连在一起，它的三个极分别为栅极（G）、漏极（D）和源极（S）。晶体管分NPN和PNP管，它的三个极分别为基极（b）、集电极（c）、发射极（e）。场效应管的G、D、S极与晶体管的b、c、e极有相似的功能。绝缘栅型效应管和结型场效应管的区别在于它们的导电机构和电流控制原理根本不同，结型管是利用耗尽区的宽度变化来改变导电沟道的宽窄以便控制漏极电流，绝缘栅型场效应管则是用半导体表面的电场效应、电感应电荷的多少去改变导电沟道来控制电流。它们性质的差异使结型场效应管往往运用在功放输入级，绝缘栅型场效应管则用在输出级。按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。按导电方式又分为耗尽型与增强型。上图所示即为N沟道结型场效应管的结构示意图。下图为分类示意图。2、 工作原理1、 双极型晶体管1.1 NPN管的工作原理发射结加正偏，集电结反偏1.2 PNP管的工作原理发射结加正偏，集电结反偏发射区向基区提供载流子，基区传送和控制载流子，集电区收集载流子。在晶体管中，窄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起。从而把正偏下发射结的正向电流几呼全部地传输到反偏的集电结回路中去。这是晶体管能实现放大功能的关键所在。所以三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才能起放大作用。2、 场效应管场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的，用以栅极与沟道间的PN结形成的反偏的栅极电压控制”。更正确地说，流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由PN结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生的饱和现象。其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS（off），此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。3、 特性比较1、 三极管放大电路性能比较1.1、共射放大电路电压增益较大，电流增益较大，输入电阻中等，输出电阻中等，频响特性较差，反相放大。1.2、共集放大电路电压增益较小，电流增益较大，输入电阻高，输出电阻低，频响特性较好，正相放大。1.3、共基放大电路电压增益较大，电流增益较小，输入电阻小，输出电阻大，频响特性好，正相放大。2、 场效应管放大电路性能比较1.1、共源放大电路电压增益较大，输入电阻大，输出电阻大，反相放大。1.2、共漏放大电路电压增益较小，输入电阻大，输出电阻小，正相放大。1.3、共栅放大电路电压增益较大，输入电阻小，输出电阻大，正相放大。3、 场效应管与双极性晶体管的比较场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。因此，在信号源额定电流极小的情况，应选用场效应管。场效应管是多子导电，而晶体管的两种载流子均参与导电。由于少子的浓度对温度、辐射等外界条件很敏感，因此，对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适。场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用。场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS管的栅源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管灵活。4、 适用领域1、 三极管在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管。在信号源电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应用三极管。场效应管靠多子导电，管中运动的只是一种极性的载流子；三极管既用多子，又利用少子。而多子浓度不易受外因的影响。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高、已逐步取代电子管。双极型晶体管已广泛用于广播、电视、通信、雷达、电子计算机、自动控制装置、电子仪器、家用电器等各个领域。 双极型微波低噪声管广泛用于雷达接收机、地面移动通信设备、航空电台、微波接力通信和遥控遥测设备。高速开关晶体管用于高速计算机的逻辑运算单元。高压大功率台式双极型功率管是电视机行扫描电路和电源电路的关键器件。在超低频通信、医用电子仪器中大量使用超低频低噪声晶体管。双极型微波功率晶体管用于相控阵远程预警雷达、微波通信发射机、通信卫星和气象卫星的发射部件中。下图为常见的双极性晶体三极管。2、 场效应管场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺简单，可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上。同时场效应管且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，在现在的用电器件上，一般都用场效应管做开关来用，他的效率是比较高的。场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、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。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。3、 两者应用原理及特点场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。场效应管是电压控制电流器件，由VGS控制，其放大系数一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由（或）控制。场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应