模拟电子技术三极管详解

半导体三极管 第2章 2 1双极型半导体三极管 2 2单极型半导体三极管 2 3半导体三极管电路的基本分析方法 2 4半导体三极管的测试与应用 半导体三极管 第2章 2 1双极型半导体三极管 2 1 1晶体三极管 2 1 2晶体三极管的特性曲线 2 1 3晶体三极管的主要参数 SemiconductorTransistor 第2章半导体三极管 2 1 1晶体三极管 一 结构 符号和分类 发射极E 基极B 集电极C 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN型 PNP型 分类 按材料分 硅管 锗管按结构分 NPN PNP按使用频率分 低频管 高频管按功率分 小功率管1W 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2章半导体三极管 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 ICN 多数向BC结方向扩散形成ICN IE 少数与空穴复合 形成IBN IBN 基区空穴来源 基极电源提供 IB 集电区少子漂移 ICBO ICBO IB IBN IB ICBO 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IC IC IC ICN ICBO 2 电子到达基区后 基区空穴运动因浓度低而忽略 三极管内载流子运动 第2章半导体三极管 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 IBN ICBO IC ICN ICBO IE IC IB 穿透电流 第2章半导体三极管 2 1 2晶体三极管的特性曲线 一 输入特性 输入回路 输出回路 与二极管特性相似 特性基本重合 电流分配关系确定 特性右移 因集电结开始吸引电子 导通电压UBE on 硅管 0 6 0 8 V 锗管 0 2 0 3 V 取0 7V 取0 2V 第2章半导体三极管 二 输出特性 截止区 IB 0IC ICEO 0条件 两个结反偏 2 放大区 3 饱和区 uCE uBE uCB uCE uBE 0 条件 两个结正偏 特点 IC IB 临界饱和时 uCE uBE 深度饱和时 0 3V 硅管 UCE SAT 0 1V 锗管 放大区 截止区 饱和区 条件 发射结正偏集电结反偏特点 水平 等间隔 ICEO 输出特性 第2章半导体三极管 三 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1 C UBE 2 2 5 mV 温度每升高10 C ICBO约增大1倍 2 温度升高 输出特性曲线向上移 T1 T2 温度每升高1 C 0 5 1 输出特性曲线间距增大 O 第2章半导体三极管 2 1 3晶体三极管的主要参数 一 电流放大系数 1 共发射极电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 2 共基极电流放大系数 1一般在0 98以上 Q 二 极间反向饱和电流 CB极间反向饱和电流ICBO CE极间反向饱和电流ICEO 第2章半导体三极管 三 极限参数 1 ICM 集电极最大允许电流 超过时 值明显降低 U BR CBO 发射极开路时C B极间反向击穿电压 2 PCM 集电极最大允许功率损耗 PC iC uCE 3 U BR CEO 基极开路时C E极间反向击穿电压 U BR EBO 集电极极开路时E B极间反向击穿电压 U BR CBO U BR CEO U BR EBO P342 1 7 已知 ICM 20mA PCM 100mW U BR CEO 20V 当UCE 10V时 IC mA当UCE 1V 则IC mA当IC 2mA 则UCE V 10 20 20 第2章半导体三极管 2 2单极型半导体三极管 引言 2 2 2结型场效应管 2 2 3场效应管的主要参数 2 2 1MOS场效应管 第2章半导体三极管 引言 场效应管FET FieldEffectTransistor 类型 结型JFET JunctionFieldEffectTransistor 绝缘栅型IGFET InsulatedGateFET 特点 1 单极性器件 一种载流子导电 3 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 2 输入电阻高 107 1015 IGFET可高达1015 第2章半导体三极管 一 增强型N沟道MOSFET MentalOxideSemi FET 2 2 1MOS场效应管 1 结构与符号 P型衬底 掺杂浓度低 用扩散的方法制作两个N区 在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层 用金属铝引出源极S和漏极D 在绝缘层上喷金属铝引出栅极G S 源极Source G 栅极Gate D 漏极Drain MOSFET结构 第2章半导体三极管 2 工作原理 1 uGS对导电沟道的影响 uDS 0 a 当UGS 0 DS间为两个背对背的PN结 b 当0 UGS UGS th 开启电压 时 GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区 耗尽层 c 当uGS UGS th 时 衬底中电子被吸引到表面 形成导电沟道 uGS越大沟道越厚 反型层 沟道 第2章半导体三极管 2 uDS对iD的影响 uGS UGS th DS间的电位差使沟道呈楔形 uDS 靠近漏极端的沟道厚度变薄 预夹断 UGD UGS th 漏极附近反型层消失 预夹断发生之前 uDS iD 预夹断发生之后 uDS iD不变 MOS工作原理 第2章半导体三极管 3 转移特性曲线 UDS 10V UGS th 当uGS UGS th 时 uGS 2UGS th 时的iD值 4 输出特性曲线 可变电阻区 uDS uGS UGS th uDS iD 直到预夹断 饱和 放大区 uDS iD不变 uDS加在耗尽层上 沟道电阻不变 截止区 uGS UGS th 全夹断iD 0 开启电压 截止区 饱和区 可变电阻区 放大区 恒流区 O O 第2章半导体三极管 二 耗尽型N沟道MOSFET Sio2绝缘层中掺入正离子在uGS 0时已形成沟道 在DS间加正电压时形成iD uGS UGS off 时 全夹断 输出特性 转移特性 IDSS UGS off 夹断电压 饱和漏极电流 当uGS UGS off 时 O 第2章半导体三极管 三 P沟道MOSFET 增强型 耗尽型 第2章半导体三极管 2 2 2结型场效应管 1 结构与符号 JFET结构 N沟道JFET P沟道JFET 第2章半导体三极管 2 工作原理 uGS 0 uDS 0 此时uGD UGS off 沟道楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断 预夹断 当uDS 预夹断点下移 3 转移特性和输出特性 UGS off 当UGS off uGS 0时 JFET工作原理 O O 第2章半导体三极管 N沟道增强型 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 IDSS N沟道结型 P沟道结型 FET符号 特性的比较 第2章半导体三极管 2 2 3场效应管的主要参数 开启电压UGS th 增强型 夹断电压UGS off 耗尽型 指uDS 某值 使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值 UGS th 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 JFET RGS 107 MOSFET RGS 109 1015 第2章半导体三极管 4 低频跨导gm 反映了uGS对iD的控制能力 单位S 西门子 一般为几毫西 mS PDM uDSiD 受温度限制 5 漏源动态电阻rds 6 最大漏极功耗PDM O 第2章半导体三极管 2 3半导体三极管的基本分析方法 引言 2 3 2交流分析 2 3 1直流分析 第2章半导体三极管 引言 基本思想 非线性电路经适当近似后可按线性电路对待 利用叠加定理 分别分析电路中的交 直流成分 一 分析三极管电路的基本思想和方法 直流通路 ui 0 分析静态 交流通路 ui 0 分析动态 只考虑变化的电压和电流 画交流通路原则 1 固定不变的电压源都视为短路 2 固定不变的电流源都视为开路 3 视电容对交流信号短路 第2章半导体三极管 基本方法 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 解析法 根据发射结导通压降估算 Q 用小信号等效电路法分析计算电路动态参数 第2章半导体三极管 二 电量的符号表示规则 AA A 大写表示电量与时间无关 直流 平均值 有效值 A 小写表示电量随时间变化 瞬时值 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 总瞬时值 直流量 交流瞬时值 交流有效值 直流量往往在下标中加注Q A 主要符号 A 下标符号 uBE UBE ube 第2章半导体三极管 2 3 1直流分析 一 图解分析法 输入直流负载线方程 uCE VCC iCRC uBE VBB iBRB 输出直流负载线方程 输入回路图解 Q 静态工作点 VBB VBB RB 115k UBEQ IBQ 0 7 20 输出回路图解 VCC VCC RC O 1k 2 3 UCEQ ICQ O iB 20 A 第2章半导体三极管 二 工程近似分析法 100 第2章半导体三极管 三 电路参数对静态工作点的影响 1 改变RB 其他参数不变 RB iB Q趋近截止区 RB iB Q趋近饱和区 2 改变RC 其他参数不变 RC Q趋近饱和区 第2章半导体三极管 iC 0 iC VCC RC 例2 3 1设RB 38k 求VBB 0V 3V时的iC uCE 解 当VBB 0V iB 0 iC 0 5V uCE 5V 当VBB 3V 0 3 uCE 0 3V 0 iC 5mA 三极管的开关等效电路 截止状态 iB 0 uCE 5V iB 饱和状态 uCE 0 判断是否饱和临界饱和电流ICS和IBS iB IBS 则三极管饱和 第2章半导体三极管 例2 3 2耗尽型N沟道MOS管 RG 1M RS 2k RD 12k VDD 20V IDSS 4mA UGS off 4V 求iD和uO iG 0 uGS iDRS iD1 4mA iD2 1mA uGS 8V UGS off 增根 uGS 2V uDS VDD iD RS RD 20 14 6 V uO VDD iDRD 20 14 8 V 在放大区 第2章半导体三极管 2 3 2交流分析 一 图解分析法 线性 非线性 线性 输入回路 A左 B右 输出回路 B左 A右 第2章半导体三极管 例2 3 3 硅管 ui 10sin t mV RB 176k RC 1k VCC VBB 6V 图解分析各电压 电流值 解 令ui 0 求静态电流IBQ 0 7V 30 Q ui IBQ 交流负载线 6 直流负载线 6 ICQ Ucem 第2章半导体三极管 当ui 0uBE UBEQiB IBQiC ICQuCE UCEQ 当ui Uimsin tib Ibmsin tic Icmsin tuce Ucemsin tuo uce iB IBQ Ibmsin tiC ICQ Icmsin tuCE UCEQ Ucemsin t UCEQ Ucemsin 180 t 第2章半导体三极管 基本共发射极电路的波形 IBQ ICQ UCEQ 基本放大电路的放大作用 第2章半导体三极管 放大电路的非线性失真问题 因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围 从而引起非线性失真 1 Q 过低引起截止失真 NPN管 顶部失真为截止失真 PNP管 底部失真为截止失真 不发生截止失真的条件 IBQ Ibm 交流负载线 非线性失真 第2章半导体三极管 2 Q 过高引起饱和失真 ICS NPN管 底部失真为饱和失真 PNP管 顶部失真为饱和失真 IBS 基极临界饱和电流 不接负载时 交 直流负载线重合 V CC VCC 不发生饱和失真的条件 IBQ Ibm IBS 第2章半导体三极管 饱和失真的本质 负载开路时 接负载时 受RC的限制 iB增大 iC不可能超过VCC RC 受R L的限制 iB增大 iC不可能超过V CC R L R L RC RL 第2章半导体三极管 选择工作点的原则 当ui较小时 为减少功耗和噪声 Q 可设得低一些 为提高电压放大倍数 Q 可以设得高一些 为获得最大输出 Q 可设在交流负载线中点 第2章半导体三极管 二 小信号等效分析法 微变等效 1 晶体三极管电路小信号等效电路分析法 三极管电路可当成双口网络来分析 1 晶体三极管H Hybrid 参数小信号模型 从输入端口看进去 相当于电阻rbe rbe Hie 从输出端口看进去为一个受ib控制的电流源 ic ib Hfe rbb 三极管基区体电阻 第2章半导体三极管 2 晶体三极管交流分析 步骤 分析直流电路 求出 Q 计算rbe 画电路的交流通路 在交流通路上把三极管画成H参数模型 分析计算叠加在 Q 点上的各极交流量 微变等效电路的画法 第2章半导体三极管 例2 3 4 100 uS 10sin t mV 求叠加在 Q 点上的各交流量 12V 12V 510 470k 2 7k 3 6k 解 令ui 0 求静态电流IBQ 求 Q 计算rbe ICQ IBQ 2 4mA UCEQ 12 2 4 2 7 5 5 V 第2章半导体三极管 交流通路 ube uce 小信号等效 分析各极交流量 分析各极总电量 uBE 0 7 0 0072sin t V iB 24 5 5sin t A iC 2 4 0 55sin t mA uCE 5 5 0 85sin t V 第2章半导体三极管 2 场效应管电路小信号等效电路分析法 小信号模型 从输入端口看入 相当于电阻rgs 从输出端口看入为受ugs控制的电流源 id gmugs 第2章半导体三极管 例2 3 4gm 0 65mA V ui 20sin t mV 求交流输出uo 10k 4k 交流通路 小信号等效电路 ui ugs gmugsRS ugs ui 1 gmRS uo gmuiRD 1 gmRS 36sin t mV 第2章半导体三极管 2 4半导体三极管的测试与应用 附录半导体器件的命名方式 2 4 1半导体三极管使用的基本知识 第2章半导体三极管 2 4 1半导体三极管使用基本知识 一 外型及引脚排列 第2章半导体三极管 二 万用表检测晶体三极管的方法 1 根据外观判断极性 3 用万用表电阻挡测量三极管的好坏 PN结正偏时电阻值较小 几千欧以下 反偏时电阻值较大 几百千欧以上 插入三极