第18讲 三极管

1、电工电子技术电工电子技术 谭甜源、张立宏谭甜源、张立宏 办公地点：办公地点：3 3教教33013301 手手 机：机：1592725685415927256854 E-Mail: E-Mail: QQ: QQ: 8238323582383235 QQ QQ群：群： 213738876213738876 第五次作业参考答案 回顾 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 半导体导电性的有关概念半导体导电性的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质 +4 +4+4

2、+4 +4+4 +4+4+4 价电子、共价键价电子、共价键 回顾 扩散运动、漂移运动扩散运动、漂移运动 PN结的有关概念结的有关概念 伏安特性伏安特性 单向导电性单向导电性 结电容结电容 空间电荷区、耗尽层、阻挡区空间电荷区、耗尽层、阻挡区 NP 内电场 R 外电场外电场 正向偏置反向偏置 低电阻 大的正向扩散电流 高电阻 很小的反向漂移电流 u i 死区死区反向反向 正向正向 UBR URWM I0M 导通区导通区 IS 击穿区击穿区 饱和区饱和区 如何用万用表判断半导体二极如何用万用表判断半导体二极 管是硅管还是锗管？管是硅管还是锗管？ 回顾 光电二极管光电二极管 二极管的相关概念二极管的

3、相关概念 稳压二极管稳压二极管 发光二极管发光二极管 普通二极管普通二极管 k a VD I IS S u u i i U UR R k ka a VSVS U UZ Z IIZ Z UUZ Z I IZmax Zmax ak a k 光电传输系统光电传输系统 回顾 二极管电路分析常用近似简化等效模型二极管电路分析常用近似简化等效模型 理想二极管模型理想二极管模型 恒压降模型恒压降模型 折线模型折线模型 历届考题历届考题 选择题选择题 1、P型半导体（）。型半导体（）。 （a）多子是自由电子，带负电）多子是自由电子，带负电 （b）多子是空穴，带正电）多子是空穴，带正电 （c）少子是自由电子，不

4、带电）少子是自由电子，不带电 （d）少子是空穴，带负电）少子是空穴，带负电 c c2、N型半导体（）。型半导体（）。 （a）多子是自由电子，带负电）多子是自由电子，带负电 （b）多子是空穴，带正电）多子是空穴，带正电 （c）少子是空穴，不带电）少子是空穴，不带电 （d）少子是空穴，带正电）少子是空穴，带正电 3、电路如图所示，设、电路如图所示，设DZ1的稳定电压为的稳定电压为6V，DZ2的稳定电压为的稳定电压为 12V，设稳压管的正向压降为，设稳压管的正向压降为0.7V，则输出电压，则输出电压UO等于（等于（ ）。）。 (a) 18V (b) 6.7V (c) 30V (d) 12.7V b

5、历届考题历届考题 计算题计算题 五、如下图所示电路，五、如下图所示电路，ui=10sinwtV，VDz的稳定电压为的稳定电压为3V。 稳压二极管的正向压降可忽略不计。试分析并画出输出电压稳压二极管的正向压降可忽略不计。试分析并画出输出电压 uo的波形。的波形。 解：解： 当ui0V时VDz反向击穿，uo=-3+3=0V； 当-3ui0V时VD截止，uo=ui。 uo的波形如下： 当uiVBB 调节调节RB，观察，观察IB、IC及及IE的变化。的变化。 （2）IC IEIB （3）IB很小的变化引起很小的变化引起IC很大的变化，很大的变化， 即即IC受受IB控制控制 二、电流控制原理二、电流控制

6、原理 UBB RB IB IC UCC RC N P IE N 电子 空穴 电子 电子 电子 电子 电子电子 电子 电子电子 电子 电子 电子 电子 电子 电子 电子 电子电子电子 电子 电子 电子电子电子 电子 电子 电子电子 电子 电子 电子 电子 电子 空穴 电子 电子 电子 发射区向基发射区向基 区扩散电子区扩散电子 电源负极向发射电源负极向发射 区补充电子形成区补充电子形成 发射极电流发射极电流I IE E 电子在基区的电子在基区的 扩散与复合扩散与复合 集电区收集电子集电区收集电子 电子流向电源正电子流向电源正 极形成极形成I IC C EB正极拉走电子，正极拉走电子， 补充被复合

7、的空补充被复合的空 穴，形成穴，形成IB 综上所述，三极管具有电流控制作用必须满足以下所有条件：综上所述，三极管具有电流控制作用必须满足以下所有条件： 1、外部条件、外部条件 发射结正向偏置发射结正向偏置,集电结反向偏置。集电结反向偏置。 对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE 对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即即 VC VB VT 。 小信号模型分析法应用举例小信号模型分析法应用举例 图示电路中，图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinw wt V

8、。 （1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。 1.6.4 1.6.4 三极管的简化小信号模型三极管的简化小信号模型 b b c c e e e e 0.40.4 i iB B/A/A u uBE BE 0.80.8 2020 4040 6060 8080 0 0 Q Q 所谓小信号模型，是指信号在所谓小信号模型，是指信号在某工作点某工作点Q Q附近微附近微 小范围内变化时的线性化等效模型。小范围内变化时的线性化等效模型。 I IB B=40A=40A u uce ce i ic c 三极管的简化小信号模型三极管的简化小信号模型 ),

9、( CEB1BE vvif 在小信号情况下，对上两式取全微分得在小信号情况下，对上两式取全微分得 CE CE BE B B BE BE ddd BCE v v vv v IV i i 用小信号交流分量表示用小信号交流分量表示vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce 对于对于BJT双口网络，已知输入双口网络，已知输入 输出特性曲线如下：输出特性曲线如下： iB=f(vBE) vCE=const iC=f(vCE) iB=const 可以写成：可以写成：),( CEB2C vifi CE CE C B B C C ddd BCE v v IV i i i i i B

10、JT双口网络双口网络 三极管的简化小信号模型三极管的简化小信号模型 因此小信号交流信号之间的关系可简化为：因此小信号交流信号之间的关系可简化为： vbe= hieib ic= hfeib BJT双口网络双口网络 hre和和hoe都很小，常忽略它们的影响。都很小，常忽略它们的影响。 BJT在共射连接时，其在共射连接时，其H参数的数量级一般为参数的数量级一般为 S1010 101010 52 433 oefe reie e hh hh h CE C fe B V i h i 其中：其中： 2 6 2 0 01 b e E Q r I （） 因此三极管的简化小信号模型可表示如下：因此三极管的简化小信

11、号模型可表示如下： 常温下（常温下（T T=300K=300K） 三极管的微变等效电路只能用来分析放大电路三极管的微变等效电路只能用来分析放大电路变化量变化量之间的关系之间的关系 beV B BE ie r i v h CE 本节小结本节小结 主要知识点：主要知识点： 1.1.了解晶体管的基本结构和主要特性曲线，理解了解晶体管的基本结构和主要特性曲线，理解 其主要参数的意义，理解晶体管的电流分配和其主要参数的意义，理解晶体管的电流分配和 放大作用放大作用 2. 2. 掌握三极管电路的图解法和简化小信号模型分掌握三极管电路的图解法和简化小信号模型分 析法析法 思考题思考题 填空题填空题 3.为了

12、保证三极管工作在放大区，对于为了保证三极管工作在放大区，对于NPN型三极管要求：型三极管要求： UBE ，UCB 。00 4.已知某晶体管处于放大状态，测得其三个极的电位分别为已知某晶体管处于放大状态，测得其三个极的电位分别为 6V、11V和和5.7V，则，则5.7V所对应的电极为所对应的电极为 ，该晶体管，该晶体管 的型号为的型号为 ，三极管所用的半导体材料为，三极管所用的半导体材料为 。 发射极发射极 NPN锗锗 5. 已知某晶体管处于放大状态，测得其三个极的电位分别为已知某晶体管处于放大状态，测得其三个极的电位分别为 -6V、-11V和和-6.7V，则，则-6V所对应的电极为所对应的电极

13、为 ，该晶体，该晶体 管的型号为管的型号为 ，三极管所用的半导体材料为，三极管所用的半导体材料为 。 发射极发射极 PNP硅硅 1.双极性晶体管工作于放大模式的外部条件是双极性晶体管工作于放大模式的外部条件是 、 。 发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏 2.双极性晶体管工作于放大模式的内部条件是双极性晶体管工作于放大模式的内部条件是 、 。 发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度 基区很薄基区很薄 NPN三极管输入输出特性曲线三极管输入输出特性曲线 iB uBE uce/V ic/mA 20A IB=0 40A 60A 80A 100A 电路符号电路符号 b b

14、 c c e e 输入特性输入特性输出特性输出特性 PNP三极管输入输出特性曲线三极管输入输出特性曲线 iB uBE uce/V ic/mA -20A IB=0 -40A -60A -80A -100A 电路符号电路符号输入特性输入特性 输出特性输出特性 b b c c e e V（T） 1.7 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 BJT是一种是一种电流控制元件电流控制元件(iB iC)， 输入电阻很低输入电阻很低； 且工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行（所以且工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行（所以 被称为双极型器件），被称为双极型器件），温度性能差温度性能差。 场效应管场效应管（

15、Field Effect Transistor简称简称FET）是一种）是一种 电压控制器件电压控制器件(uGS iD) ，基本上不需要信号源提供电流，基本上不需要信号源提供电流， 所以它的输入电阻高，可达所以它的输入电阻高，可达1071012 ，控制方便；工作控制方便；工作 时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其因其制造工艺简单制造工艺简单，功耗小功耗小，温度特性好温度特性好，输入输入 电阻极高电阻极高等优点，得到了广泛应用。等优点，得到了广泛应用。 把源极和衬底均接地，在栅源间加一电压把源极和衬底均接地，在栅源间加一电压U

16、GS，此时，此时， 衬底与栅极相当于一平板电容器。衬底与栅极相当于一平板电容器。 栅极栅极与半导体与半导体衬底衬底之间绝缘，故称绝缘栅场效应管之间绝缘，故称绝缘栅场效应管 或称金属或称金属氧化物氧化物半导体场效应管，其英文为半导体场效应管，其英文为Metal- Oxide-Smeiconductor，简称简称MOS管。管。 在电场的作用下，衬底上部的多数载流子（在电场的作用下，衬底上部的多数载流子（空穴空穴）推）推 向底部，而把衬底中的少数载流子（向底部，而把衬底中的少数载流子（电子电子）吸引到与绝缘）吸引到与绝缘 层交界的层交界的P型衬底的表面层。型衬底的表面层。 在在P型硅衬底上扩散两个高

17、掺杂的型硅衬底上扩散两个高掺杂的N型区，从它们上型区，从它们上 面引出电极，分别叫做面引出电极，分别叫做源极源极和和漏极漏极， 当当UGS相当大时，可使这一表层中的自由电子浓度相当大时，可使这一表层中的自由电子浓度 远大于空穴的浓度，使这一薄层由原来的远大于空穴的浓度，使这一薄层由原来的P型转变成型转变成N 型，即成为型，即成为P型衬底的型衬底的反型层反型层。 在两在两N型区之间的硅片表面生成一层薄薄的二氧化型区之间的硅片表面生成一层薄薄的二氧化 硅绝缘层，硅绝缘层， 在绝缘层上面设置一金属电极，叫在绝缘层上面设置一金属电极，叫栅极栅极。 这一反型层沟通了两个这一反型层沟通了两个N区，形成了导

18、电沟道。因沟区，形成了导电沟道。因沟 道是电子型的，故称道是电子型的，故称N沟道沟道。 2.2.基本结构基本结构 3.3.工作原理工作原理 S源极源极 Source N+ P型硅衬底型硅衬底 Gate Drain 1 1）增强型导电沟道的形成）增强型导电沟道的形成 UGS G栅极栅极 D漏极漏极 SiO2绝缘层绝缘层 2）耗尽型导电沟道的形成）耗尽型导电沟道的形成 S N+ N+ P型硅衬底型硅衬底 G D 耗尽的管子，在制造时就形成了导电沟道。耗尽的管子，在制造时就形成了导电沟道。 N+ （1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 把沟道由不通变为导通的临界栅源电压称为把沟道由不通变为导通

19、的临界栅源电压称为开启电开启电 压压，用，用UGS（ （th）表示。 表示。 (2) 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 （a）uds=0时，时， id=0。 （截止区）（截止区） （b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。 （可变电阻区）（可变电阻区） （c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时， 沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。 （d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区 加长，加长， uds增加的部分基本降落增加的部分基本降落 在随之在随之加长加长的夹断沟道上，的夹断沟道上， id 基本不变。基本不变。

20、（恒流区）（恒流区） - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N VGG id - - - 二氧化硅 N i s d N V b + DD d V P衬底 GGg - - - GG b V d 二氧化硅 s i N g DD + d P衬底 V N+ - - - P衬底 d + d DD V s + 二氧化硅 NN b i GG V g 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电，且固定为某一值时，来分析漏源电 压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。 （3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDS DS一定， 一定，vGS GS变化时， 变化时

21、，i iD D随随UgsUgs的变化而变化。的变化而变化。 给定一个给定一个vGS GS ，就有一条不同的 ，就有一条不同的 iD D vDS DS 曲线。 曲线。 - - - P衬底 d + d DD V s + 二氧化硅 NN b i GG V g U UG G S S G G D D U UDS DS U UGS GS U UDD DD + + - - + + - - R RD D I ID D （1 1）输出（漏极）特性）输出（漏极）特性 常数 ）（ GS U DSD ufi U UGS GS=2V =2V 4V4V 5V5V U UDS DS I ID D 3V3V U UGS GS

22、=0V =0V 2 2V V 1V1V U UDS DS I ID D 1V1V 可变电阻区可变电阻区 可变电阻区可变电阻区 恒恒 流流 区区 击击 穿穿 区区 恒恒 流流 区区 击击 穿穿 区区 增强型 耗尽型U UDS DS（BRBR） U UDS DS（BRBR） 4.4.MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线 截止区截止区 当当vGSVT时，导电沟道尚未形成，时，导电沟道尚未形成，iD0， 为截止工作状态。为截止工作状态。 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） iD随随vDS增大而线性增大，相当于一个受增大而线性增大，相当于一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 截止区 截止区

23、饱和区（恒流区、放大区）饱和区（恒流区、放大区） vGS VT ，且，且vDS（vGSVT） 击穿区击穿区 vDSvDS（ （BR） (2)(2)转移特性曲线转移特性曲线： iD=f(uGS) uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出转移特性曲线转移特性曲线。 例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线： i (mA) D GS=6V u u =5V GS =4V uGS u =3V GS u DS(V) D i (mA) 10V 1 2 3 4 1 4 3 2 (V) u GS 246 有导电沟道有导电沟道无导电沟道无导电沟道 2 GS DDO

24、() (1) GS th iI u u （UGS UGS（th） 增强型增强型NMOS管管转移特性转移特性 由于耗尽型的管子具有原始导电沟道，所以由于耗尽型的管子具有原始导电沟道，所以UGS=0时漏时漏 极电流极电流ID已经存在，此称为已经存在，此称为漏极饱和电流，漏极饱和电流，用用IDSS表示。表示。 当减小当减小UDS（即向负的方向增加时）到某一数值时，沟道（即向负的方向增加时）到某一数值时，沟道 断开，断开， ID =0，管子处于截止状态。，管子处于截止状态。 S N+ N+ P型硅衬底型硅衬底 G D （3）耗尽型耗尽型NMOS转移特性转移特性 UGS ID UDS=常数 UGS UD

25、S常数 ）（ DS U GSD ufi 2 1 ）（offGS GS DSSD U u Ii IDSS UGS（ （off） 此时的栅此时的栅源电压称源电压称夹断电压夹断电压UGS（ （off） 。 。 （UGS UGS（off） 漏极饱和电流 （4 4）主要参数主要参数 1 1）特性参数）特性参数 增强型增强型MOSMOS管的开启电压管的开启电压U UGS GS（thth） ，耗尽型管的夹 ，耗尽型管的夹 断电压断电压U UGS GS（offoff）和饱和漏极电流 和饱和漏极电流I IDSS DSS 。 。 低频跨导低频跨导gmgm 常数 DS U GS D m U I g gm的大小反映了

26、栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。 1 (mA) DS u =6V =3V u uGS (V) 1 D 6 2 4 i 4 3 =5V (mA) 2 4 3 i D G S 2 10V (V) uG S i D G S u i D 2 2）极限参数）极限参数 （5 5）简化小信号模型）简化小信号模型 g gm mu uGS GS u uGS GS i i d d S S D D G G 可见场效应管属于电压控制器件。可见场效应

27、管属于电压控制器件。 最大漏最大漏源极击穿电压源极击穿电压U UDS DS（BRBR） ； ； 栅栅源极击穿电压源极击穿电压U UGS GS（BRBR） ； ； 最大漏极电流最大漏极电流I IDM DM和最大耗散功率 和最大耗散功率P PDM DM 。 。 由于栅源间绝缘，故由于栅源间绝缘，故r rGS GS= =；由于输出特性的恒由于输出特性的恒 流特性，漏源间为受流特性，漏源间为受u uGS GS控制的电流源，即 控制的电流源，即 场效应晶体管与双极型晶体管的比较场效应晶体管与双极型晶体管的比较 项目项目 器件名称器件名称双极型晶体管双极型晶体管场效应晶体管场效应晶体管 载流子载流子两种不同极性的载流两种不同极性的载流 子同时参