晶体管和场效应管工作原理详解

1 3双极型晶体管 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件 它有三个电极 所以又称为半导体三极管 晶体三极管等 以后我们统称为晶体管BJT BipolarJunctionTransistor 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 3 1晶体管的结构和类型 NPN型三极管 PNP型三极管 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 发射结Je 集电结Jc VBB RB VCC 1 3 2晶体管的电流放大作用 电流放大条件 内部条件 发射区掺杂浓度高 基区薄 集电区面积大 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 NPN VC VB VEPNP VC VB VE VBB RB VCC 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IEN 一 晶体管内部载流子的运动 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBN 多数扩散到集电结 VBB RB VCC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 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ICN IB IBN IEP ICBO IBN 图晶体管内部载流子运动与外部电流 二 晶体管的电流分配关系 外部电流关系 IE IC IB内部 在e结正偏 c结反偏的条件下 晶体管三个电极上的电流不是孤立的 它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系 这一比例关系主要由基区宽度 掺杂浓度等因素决定 管子做好后就基本确定了 反之 一旦知道了这个比例关系 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系 从而为定量分析晶体管电路提供方便 为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系 定义共发射极直流电流放大系数为 其含义是 基区每复合一个电子 则有电子扩散到集电区去 值一般在20 200 之间 确定了值之后 可得 式中 称为穿透电流 因ICBO很小 在忽略其影响时 则有 为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系 定义共基极直流电流放大系数为 显然 1 一般约为0 97 0 99 不难求得 由于 都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系 只是选取的参考量不同 所以两者之间必有内在联系 由 的定义可得 BJT的三种组态 1 3 3晶体管的共射特性曲线 晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线 它对于了解晶体管的导电特性非常有用 晶体管有三个电极 通常用其中两个分别作输入 输出端 第三个作公共端 这样可以构成输入和输出两个回路 实际中 有图所示的三种基本接法 组态 分别称为共发射极 共集电极和共基极接法 其中 共发射极接法更具代表性 所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线 IC V UCE UBE RB IB VCC VBB 实验线路 1 3 3晶体管的共射特性曲线 一 共发射极输入特性 共射输入特性曲线是以uCE为参变量时 iB与uBE间的关系曲线 即典型的共发射极输入特性曲线如图所示 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 一 共发射极输入特性 二 共发射极输出特性曲线 共射输出特性曲线是以iB为参变量时 iC与uCE间的关系曲线 即输出特性可以划分为三个区域 对应于三种工作状态 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 二 共发射极输出特性曲线 1 放大区 e结为正偏 c结为反偏的工作区域为放大区 在放大区有以下两个特点 1 基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用 即iB有很小的变化量 IB时 iC就会有很大的变化量 IC 为此 用共发射极交流电流放大系数 来表示这种控制能力 定义为反映在特性曲线上 为两条不同IB曲线的间隔 2 uCE变化对IC的影响很小 在特性曲线上表现为 iB一定而uCE增大时 曲线略有上翘 iC略有增大 这是因为uCE增大 c结反向电压增大 使c结展宽 所以有效基区宽度变窄 这样基区中电子与空穴复合的机会减少 即iB要减小 而要保持iB不变 所以iC将略有增大 这种现象称为基区宽度调制效应 或简称基调效应 从另一方面看 由于基调效应很微弱 uCE在很大范围内变化时IC基本不变 因此 当IB一定时 集电极电流具有恒流特性 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 2 饱和区 e结和c结均处于正偏的区域为饱和区 通常把uCE uBE 即c结零偏 的情况称为临界饱和 对应点的轨迹为临界饱和线 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 输出特性三个区域的特点 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 当USB 2V时 IB 0 IC 0 IC最大饱和电流 Q位于截止区 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 IC ICmax 2mA Q位于放大区 USB 2V时 USB 5V时 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 Q位于饱和区 此时IC和IB已不是 倍的关系 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 1 电流放大倍数 和 1 3 4晶体管的主要参数 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 共基极直流电流放大系数和交流电流放大系数 由于ICBO ICEO都很小 在数值上 所以在以后的计算中 不再加以区分 值与测量条件有关 一般来说 在iC很大或很小时 值较小 只有在iC不大 不小的中间值范围内 值才比较大 且基本不随iC而变化 因此 在查手册时应注意 值的测试条件 尤其是大功率管更应强调这一点 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 集电结反偏有ICBO 3 集 射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 4 集电极最大电流ICM 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 5 集 射极反向击穿电压 U BR CBO指发射极开路时 集电极 基极间的反向击穿电压 U BR CEO指基极开路时 集电极 发射极间的反向击穿电压 U BR CEO U BR CBO 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO U BR EBO指集电极开路时 发射极 基极间的反向击穿电压 普通晶体管该电压值比较小 只有几伏 6 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管 所发出的焦耳热为 PC ICUCE 必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM ICUCE PCM 安全工作区 1 3 5温度对晶体管特性及参数的影响 温度对晶体管的参数都有影响 其中 uBE ICBO随温度变化的规律与PN结相同 即温度每升高1 uBE减小2 2 5mV 温度每升高10 ICBO增大一倍 温度对 的影响表现为 随温度的升高而增大 变化规律是 温度每升高1 值增大0 5 1 即 T 0 5 1 图温度对晶体管输入特性的影响 图温度对晶体管输出特性的影响 例1 3 11 3 2P37 1 3 6光电三极管 图1 3 10光电三极管的等效电路 符号和外形 1 3 6光电三极管 图光电三极管的输出特性曲线 1 4场效应管 场效应管与晶体管的区别 1 晶体管是电流控制元件 场效应管是电压控制元件 2 晶体管参与导电的是电子 空穴 因此称其为双极型器件 场效应管是电压控制元件 参与导电的只有一种载流子 因此称其为单极型器件 3 晶体管的输入电阻较低 一般102 104 场效应管的输入电阻高 可达109 1014 场效应管分类 结型场效应管JFET 绝缘栅型场效应管MOS N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 1 结型场效应管 JFET 结构 G S D 导电沟道 源极 用S或s表示 N型导电沟道 漏极 用D或d表示 1 4 1结型场效应管 VGS对沟道的控制作用 当VGS 0时PN结反偏 当沟道夹断时 ID减小至0 此时对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP 或VGS off 对于N沟道的JFET VP 0 耗尽层加厚 沟道变窄 VGS继续减小 沟道继续变窄 ID继续变小 当VGS 0时 沟道最宽 沟道电阻最小 在VDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID 此时最大 沟道电阻变大 ID变小 根据其结构 它只能工作在反偏条件下 N沟道管加负栅源电压 P沟道管加正栅源电压 否则将会出现栅流 2 结型场效应管 JFET 的工作原理 当VGS 0时 VDS ID G D间PN结的反向电压增加 使靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 从上至下呈楔形分布 当VDS增加到使VGD VP时 在紧靠漏极处出现预夹断 此时VDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 VDS对沟道的控制作用 当VP VGS 0时 导电沟道更容易夹断 对于同样的VDS ID的值比VGS 0时的值要小 在预夹断处 VGD VGS VDS VP VGS和VDS同时作用时 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电 所以场效应管也称为单极型管 JFET是电压控制电流器件 iD受vGS控制 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系 预夹断后 iD趋于饱和 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的 因此iG 0 输入电阻很高 JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制 来改变导电沟道的宽窄 从而控制漏极电流的大小 综上分析可知 JFET有正常放大作用时 沟道处于什么状态 2 输出特性 VP 1 转移特性 3 结型场效应管 JFET 的特性曲线及参数 夹断电压VP 或VGS off 饱和漏极电流IDSS 低频跨导gm 或 漏极电流约为零时的VGS值 VGS 0时对应的漏极电流 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求得 单位是mS 毫西门子 输出电阻rd 3 主要参数 直流输入电阻RGS 对于结型场效应三极管 反偏时RGS约大于107 最大漏极功耗PDM 最大漏源电压V BR DS 最大栅源电压V BR GS 3 主要参数 结型场效应管 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 1 栅源极间的电阻虽然可达107以上 但在某些场合仍嫌不够高 3 栅源极间的PN结加正向电压时 将出现较大的栅极电流 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题 2 在高温下 PN结的反向电流增大 栅源极间的电阻会显著下降 结型场效应管的缺点 MOS场效应管 N沟道增强型的MOS管 P沟道增强型的MOS管 N沟道耗尽型的MOS管 P沟道耗尽型的MOS管 1 4 2绝缘栅场效应管 一 N沟道增强型MOS场效应管结构 漏极D 集电极C 源极S 发射极E 绝缘栅极G 基极B 衬底B 电极 金属绝缘层 氧化物基体 半导体因此称之为MOS管 增强型MOS场效应管 当VGS较小时 虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层 但负离子不能导电 当VGS VT时 在P型衬底表面形成一层电子层 形成N型导电沟道 在VDS的作用下形成iD 当VGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的PN结 无论VDS之间加什么电压都不会在D S间形成电流iD 即iD 0 当VGS VT时 沟道加厚 沟道电阻减少 在相同VDS的作用下 iD将进一步增加 开始时无导电沟道 当在VGS VT时才形成沟道 这种类型的管子称为增强型MOS管 MOSFET是利用栅源电压的大小 来改变半导体表面感生电荷的多少 从而控制漏极电流的大小 二 N沟道增强型MOS场效应管工作原理 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VGS VT 且固定为某一值时 来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响 VDS VDG VGS VGD VGSVGD VGS VDS 当VDS为0或较小时 相当VGD VT 此时VDS基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布 在VDS作用下形成ID 当VDS增加到使VGD VT时 当VDS增加到VGD VT时 这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 此时的漏极电流ID基本饱和 此时预夹断区域加长 伸向S极 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上 ID基本趋于不变 iD f vGS vDS C 转移特性曲线 iD f vDS vGS C 输出特性曲线 当vGS变化时 RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 恒流区 饱和区 vGS一定时 iD基本不随vDS变化而变化 vGS V 三 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 一 N沟道耗尽型MOS场效应管结构 耗尽型MOS管存在原始导电沟道 耗尽型MOS场效应管 当VGS 0时 VDS加正向电压 产生漏极电流iD 此时的漏极电流称为漏极饱和电流 用IDSS表示 当VGS 0时 将使iD进一步增加 当VGS 0时 随着VGS的减小漏极电流逐渐减小 直至iD 0 对应iD 0的VGS称为夹断电压 用符号VP表示 N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS 0或VGS 0N沟道增强型MOS管只能工作在VGS 0 二 N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 输出特性曲线 转移特性曲线 三 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线 绝缘栅场效