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,IBNIB+ICBO,即：,IB=IBNICBO,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=IBNICBO,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：(0.60.8)V,锗管：(0.20.3)V,取0.7V,取0.2V,第2章半导体三极管,.,二、输出特性,截止区：IB0IC=ICEO0条件：两个结反偏,2.放大区：,3.饱和区：,uCEuBE,uCB=uCEuBE0,条件：两个结正偏,特点：ICIB,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1C，UBE(22.5)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。,T1,T2,温度每升高1C，(0.51)%。,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=iCuCE。,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，ICmA当UCE=1V，则ICmA当IC=2mA，则UCEV,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(1071015，IGFET可高达1015),第2章半导体三极管,.,一、增强型N沟道MOSFET(MentalOxideSemiFET),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0UGS(th)时：,uGS=2UGS(th)时的iD值,4.输出特性曲线,可变电阻区,uDS0,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)uGS0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：RGS107,MOSFET：RGS=1091015,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(ui0)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=VCCiCRC,uBE=VBBiBRB,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=20A,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,RBiB,Q趋近截止区；,RBiB,Q趋近饱和区。,2.改变RC，其他参数不变,RCQ趋近饱和区。,第2章半导体三极管,.,iC0,iC=VCC/RC,例2.3.1设RB=38k，求VBB=0V、3V时的iC、uCE。,解,当VBB=0V：,iB0，,iC0，,5V,uCE5V,当VBB=3V：,0.3,uCE0.3V0，,iC5mA,三极管的开关等效电路,截止状态,iB0,uCE5V,iB,饱和状态,uCE0,判断是否饱和临界饱和电流ICS和IBS：,iBIBS，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,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，VCC=VCC,不发生饱和失真的条件：IBQ+IbmIBS,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RL的限制，iB增大，iC不可能超过VCC/RL。,(RL=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,rbeHie,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=10sint(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=122.42.7=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+0.0072sint)V,iB=(24+5.5sint)A,iC=(2.4+0.55sint)mA,uCE=(5.50.85sint)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=20sint(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),=36sint(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)。,插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚；,第2章半导体三极管,.,指针式万用表,在R1k挡进行测量。,红表笔是(表内)负极，黑表笔是(表内)正极。,注意事项：,测量时手不要接触引脚。,第2章半导体三极管,.,数字万用表,注意事项：,红表笔是(表内电源)正极；黑表笔是(表内电源)负极。NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔。需要准确测量值时，应先进行校正。,2.插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚。,第2章半导体三极管,.,三、晶体三极管的选用,1.根据电路工作要求选择高、低频管。,2.根据电路工作要求选择PCM、ICM、U(BR)CEO，应保证：,PCPCmICMCmU(BR)CEOVCC,3.一般三极管的值在40100之间为好，9013、9014等低噪声、高的管子不受此限制。,4.穿透电流ICEO越小越好，硅管比锗管的小。,第2章半导体三极管,.,附录：