三极管ppt课件

三极管也叫双极型晶体管 1 3半导体三极管 1 3 1结构与符号 由三层半导体 两个PN结构成 由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为NPN管 还有一种与它成对偶形式的 即两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子 称为PNP管 晶体管制造工艺上的特点是 发射区是高浓度掺杂区 基区很薄且杂质浓度底 集电结面积大 这样的结构才能保证晶体管具有电流放大作用 基极 发射极 集电极 晶体管有两个结 晶体管有三个区 晶体管有三个电极 三层半导体材料构成NPN型 PNP型 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 各区主要作用及结构特点 发射区 作用 发射载流子特点 掺杂浓度高基区 作用 传输载流子特点 薄 掺杂浓度低集电区 作用 接收载流子特点 面积大 符号 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 PNP型 二 类型 基极 发射极 集电极 NPN型 符号 NPN型三极管 PNP型三极管 1 3 2电流分配和放大原理 1 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 PNP发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 从电位的角度看 NPN发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 晶体管放大的条件 1 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 2 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 晶体管的电流分配和放大作用 实验电路 电路条件 EC EB发射结正偏集电结反偏 2 各电极电流关系及电流放大作用 结论 1 三电极电流关系IE IB IC2 IC IB IC IE3 IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用 实质 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化 晶体管的电流放大原理 1 发射区向基区扩散电子的过程 由于发射结处于正向偏置 发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区 并不断从电源补充进电子 形成发射极电流IE 2 电子在基区的扩散和复合过程 由于基区很薄 其多数载流子空穴浓度很低 所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合 剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘 实验表明 IC比IB大数十至数百倍 因而IB虽然很小 但对IC有控制作用 IC随IB的改变而改变 即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化 表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用 这就是三极管的电流放大作用 3 集电区收集从发射区扩散过来的电子过程 由于集电结反向偏置 可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区 从而形成较大的集电极电流IC 基区空穴向发射区的扩散可忽略 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO IC ICE ICBO ICE IB IBE ICBO IBE ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数 集 射极穿透电流 温度 ICEO 常用公式 若IB 0 则IC ICE0 1 3 3特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线 是管子内部载流子运动的外部表现 反映了晶体管的性能 是分析放大电路的依据 为什么要研究特性曲线 1 直观地分析管子的工作状态2 合理地选择偏置电路的参数 设计性能良好的电路 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 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 同一UBE下IB小 导通电压UBE Si管 0 6 0 8 V Ge管 0 2 0 3 V 取0 7V 取0 2V 发射极是输入回路 输出回路的公共端 共发射极电路 输入回路 输出回路 测量晶体管特性的实验线路 1 输入特性 特点 非线性 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 正常工作时发射结电压 NPN型硅管UBE 0 6 0 7VPNP型锗管UBE 0 2 0 3V 二 输出特性 1 调整RB使基极电流为某一数值 2 基极电流不变 调整EC测量集电极电流和uCE电压 输出特性 IB 0 20 A 放大区 输出特性曲线通常分三个工作区 1 放大区 在放大区有IC IB 也称为线性区 具有恒流特性 在放大区 发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于放大状态 2 截止区 IB 0以下区域为截止区 有IC 0 在截止区发射结处于反向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于截止状态 饱和区 截止区 3 饱和区 当UCE UBE时 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 IB IC 发射结处于正向偏置 集电结也处于正偏 深度饱和时 硅管UCES 0 3V 锗管UCES 0 1V 1 3 4主要参数 一 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 当晶体管接成发射极电路时 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数 晶体管的参数也是设计电路 选用晶体管的依据 注意 和 的含义不同 但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下 两者数值接近 常用晶体管的 值在20 200之间 例 在UCE 6V时 在Q1点IB 40 A IC 1 5mA 在Q2点IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 Q1 Q2 在Q1点 有 由Q1和Q2点 得 1 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流 受温度的影响大 温度 ICBO 2 集 射极反向截止电流 穿透电流 ICEO ICEO受温度的影响大 温度 ICEO 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 二 极间反向饱和电流 发射极开路 基极开路 1 集电极最大允许电流ICM 1 集 射极反向击穿电压U BR CEO 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 基极开路时C E极间反向击穿电压 三 极限参数 2 反向击穿电压 2 集电极 基极反向击穿电压U BR CBO 发射极开路时C B极间反向击穿电压 3 发射极 基极反向击穿电压U BR EBO 集电极开路时E B极间反向击穿电压 ICUCE PCM 安全工作区 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 3 集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于三极管允许的温升 消耗功率过大 温升过高会烧坏三极管 PC PCM ICUCE 硅管允许结温约为150 C 锗管约为70 90 C 晶体管参数与温度的关系 1 温度每增加10 C ICBO增大一倍 硅管优于锗管 2 温度每升高1 C UBE将减小 2 2 5 mV 即晶体管具有负温度系数 3 温度每升高1 C 增加0 5 1 0 学习与探讨 晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的 因为发射区的掺杂质浓度很高 集电区的掺杂质浓度较低 这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和 如果互换作用显然不行 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时 UCE UBE 集电结也处于正偏 这时内电场大大削弱 这种情况下极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子 因此在相同的基极电流IB时 集电极电流IC比放大状态下要小很多 可见饱和区下的电流放大倍数不再等于 晶体管的发射极和集电极能否互换使用 为什么 1 3 5应用实例 晶体管作开关使用的电路如右图所示 试根据输入信号来验证晶体管是否工作在开关状态 想一想 做一做 1 开关状态2 放大状态 解 说明晶体管处于截止状态 当 时 取 则基极电流 集电极电流 集射极电压 晶体管工作在饱和状态 故输入信号为幅值达3V的方波时 晶体管工作在开关状态 1 4MOS场效应管 场效应晶体管 单极型 是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件 即是电压控制元件 它的输出电流决定于输入电压的大小 基本上不需要信号源提供电流 所以它的输入电阻高 且温度稳定性好 结型场效应管 按结构不同场效应管有两种 绝缘栅型场效应管 本节仅介绍绝缘栅型场效应管 按工作状态可分为 增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分 漏极D 栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的 称绝缘栅型场效应管 栅极G 源极S 1 4 1N沟道增强型MOS管的结构 特点 在P型衬扩散两种N型半导体 符号 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅 故又称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOS场效应管 由于栅极是绝缘的 栅极电流几乎为零 输入电阻很高 最高可达1014 仅在漏极D和源极S之间加电压不会导通 Metal Oxide Semicnductor 1 4 2N沟道增强型管的工作原理 由结构图可见 N 型漏区和N 型源区之间被P型衬底隔开 漏极和源极之间是两个背靠背的PN结 当栅源电压UGS 0时 不管漏极和源极之间所加电压的极性如何 其中总有一个PN结是反向偏置的 反向电阻很高 漏极电流近似为零 当UGS 0时 P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层 填补空穴形成负离子的耗尽层 N型导电沟道 在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID 管子导通 当UGS UGS th 时 将出现N型导电沟道 将D S连接起来 UGS愈高 导电沟道愈宽 N型导电沟道 若漏 源之间加上一定的电压UDS 则有漏极电流ID产生 在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关 UGS越大沟道越宽 导电能力越强 ID越大 在一定的漏 源电压UDS下 使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS th 当UGS UGS th 后 场效应管才形成导电沟道 开始导通 所以 场效应管是一种电压控制电流的器件 1 4 3特性曲线及主要参数 有导电沟道 1 转移特性曲线 UDS一定时UGS与ID的关系 无导电沟道 开启电压UGS th UDS UGS 1 特性曲线 当UGS UTh时 ID 0 当UGS UTh 图中2V 时 管子开始导通 当UGS UTh时 ID随UGS的增大而增大 漏极特性曲线 恒流区 可变电阻区 夹断区 2 输出特性输出特性是指在某一固定的UGS下 漏源电压UDS与漏极电流ID之间的关系 分为三个区域 可变电阻区 恒流区和夹断区 a 可变电阻区曲线呈上升趋势 基本上可看做通过原点的一条直线 管子的漏 源之间可等效为一个电阻 此电阻的大小随UGS而变 故称为可变电阻区 漏极特性曲线 恒流区 可变电阻区 夹断区 b 恒流区随着UDS增大 曲线趋于平坦 ID不再随UDS的增大而增大 故称为恒流区 此时ID的大小只受UGS控制 体现了场效应管电压控制电流的放大作用 c 夹断区特点是当UGS UTh时 沟道消失 ID 0 2 场效应管的主要参数 1 开启电压UT增强型MOS管在UDS为某一固定值时 为使管子由截止变为导通 形成ID 栅源之间所需的最小的UGS gm是表征场效应管放大能力的重要参数 相当于半导体三极管的电流放大系数 单位为 2 击穿电压U BR DS漏极和源极间允许的最大电压 3 直流输入电阻RGS 栅源之间的电压与栅极电流之比定义为直流输入电阻RGS MOS场效应管的RGS可达 1 4特种半导体器件简介 1 4 1光敏电阻 光敏电阻有暗电阻 亮电阻和光电流等参数 1 暗电阻光敏电阻在室温下 全暗后经过一定时间测量的电阻值 称为暗电阻 此时流过的电流 称为暗电流 2 亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值 称为该光照下的亮电阻 此时流过的电流称为亮电流 3 光电流亮电流与暗电流之差 称为光电流 1 4 2热敏电阻 热敏电阻的主要参数有标称电阻值 电阻温度系数和耗散系数等 1 标称电阻值R25热敏电阻在25 时的阻值 又称冷阻 标称电阻是阻值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定 2 电阻温度系数电阻温度系数是指热敏电阻的温度变化1 时其阻值变化率与其值之比 即 3 耗散系数H耗散系数是指热敏电阻温度变化1 所耗散的功率 其大小与热敏电阻的结构 形状以及所处介质的种类 状态等有关 1 4 3压敏电阻 压敏电阻的主要参数有压敏电压 电压温度系数和非线性系数等 1 压敏电压U1mA压敏电压是指在直流工作电压条件下 压敏电阻中流过规定直流电流时 其两端的端电压 一般规定此直流电流的值为1mA 2 电压温度系数 u当通过压敏电阻的电流保持恒定时 温度每变化1 电压的相对变化百分比 称为压敏电阻的电压温度系数 u 3 非线性系数 非线性系数是表征压敏电阻伏安特性非线性程度的一项重要参数 越大越好 越大 表明通过压敏电阻的电流随外加电压的变化越大 本章小结 光敏电阻 热敏电阻和压敏电阻是三种特殊的半导体器件 常用于温度