三极管及场效应管原理及参数

1、个人资料整理 仅限学习使用1 / 7、三极管的电流放大原理晶体三极管 以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN 和 PNP 两种结构形式,但使用最多的是硅 NPN 和 PNP 两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介 绍 NPN 硅管的电流放大原理。图一是 NPN 管的结构图，它是由 2 块 N 型半导体中间夹着一块 P 型半导体所组成，从图可见发射区与基区 之间形成的 PN 结称为发射结，而集电区与基区形成的 PN 结称为集电结，三条引线分别称为发射极 e、基极 b 和集电极。当 b 点电位高于 e 点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C

2、点电位高于 b 点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源 Ec 要高于基极电源 Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控 制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子 电子）极基区的多数载流子 控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的 电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb

3、重新补纪念给，从而形成了基极电流 Ibo 根据电流连续性原理得：le=lb+lc这就是说，在基极补充一个很小的lb，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic 与 lb 是维持一定的比例关系，即：B仁 lc/lb式中：B-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量 lc 与基极电流的变化量 lb 之比为：B=lc/lb式中3-称为交流电流放大倍数，由于低频时31 和B的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，3值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大 作用。、三极管的特性曲线1、输入特性图

4、2 是三极管的输入特性曲线，它表示 lb 随 Ube 的变化关系，其特点是：1）当 Uce 在 0-2 伏范围 内，曲线位置和形状与 Uce 有关，但当 Uce 高于 2 伏后，曲线 Uce 基本无关通常输入特性由两条曲线1和U）表示即可。2） 当 Ube UbeR 时，lb - 0 称UbeR 时，lb 随 Ube 增加而增加，放大 时，三极管工作在较直线的区段。3）三极管输入电阻，定义为：rbe=（ Ube/ IbQ 点，其估算公式为：rbe=rb+（3+1（26 毫伏 /le 毫伏）rb 为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb 约为 300 欧。2、输岀特性输出特性表示 Ic 随 Uc

5、e 的变化关系 以 lb 为参数）从图 2C）所示的输出特性可见，它分为三个区域： 截止区、放大区和饱和区。截止区 当 Ubelcbo常温时硅管的 Icbo 小于 1 微安，锗管的 Icbo 约为 10 微安，对于锗管，温度每升高12C，Icbo 数值增加晶体三极管图 1、晶体三极管NPN 的结构tcT| l| L个人资料整理 仅限学习使用2 / 7一倍，而对于硅管温度每升高8C,Icbo 数值增大一倍，虽然硅管的 Icbo 随温度变化更剧烈，但由于锗管的 Icbo 值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正 偏而集电结于反偏工作时，Ic 随 Ib 近似

6、作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。饱和区 当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic 基本上不随 Ib 而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。图 2、三极管的输入特性与输岀特性截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域，三极管和导通时，工作点落在饱和区，三极管截止时， 工作点落在截止区。三、三极管的主要参数1、直流参数1）集电极一基极反向饱和电流Icbo，发射极开路时，基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，Icbo 很小，小功率锗管的

7、Icbo 约为 110 微安，大功率锗管的 Icbo 可达数毫安， 而硅管的 Icbo则非常小，是毫微安级。2）集电极一发射极反向电流Iceo（穿透电流）基极开路Icbo o Icbo 和 Iceo 受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的Iceo 比硅管大。3）发射极-基极反向电流 Iebo 集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的 电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。4）直流电流放大系数B1或 hEF）这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输岀的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：B仁 lc/lb2、交流参数1）交

8、流电流放大系数B或 hfe ）这是指共发射极接法，集电极输岀电流的变化量Ic 与基极输入电流的变化量厶 Ib 之比，即：B=Ic/Ib一般晶体管的B大约在 10-200 之间，如果B太小，电流放大作用差，如果B太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。2）共基极交流放大系数a或 hfb ）这是指共基接法时，集电极输岀电流的变化是Ic 与发射极电流的变化量 Ie 之比，即：a=Ic/Ie因为 Ic 0.90 就可以使用a与B之间的关系：a= B /1+ B）B=a/1-a）1/1-a）3）截止频率 fB、fa当B下降到低频时 0.707 倍的频率，就是共发射极的截止频率fB；当a下降到低频时的

9、 0.707 倍的频率，就是共基极的截止频率fao fB、fa是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：fB 1-a ）fa4）特征频率 fT 因为频率 f 上升时，B就下降，当B下降到 1 时，对应的 fT 是全面地反映晶体管的高频 放大性能的重要参数。烁：lgw个人资料整理 仅限学习使用3 / 73、极限参数1）集电极最大允许电流 ICM 当集电极电流 Ic 增加到某一数值，引起B值下降到额定值的 2/3 或 1/2， 这时的 Ic 值称为 ICM。所以当 Ic 超过 ICM 时，虽然不致使管子损坏，但B值显著下降，影响放大质量。2）集电极-基极击穿电压 BVCBO 当发射极开路时，

10、集电结的反向击穿电压称为BVEBO3）发射极-基极反向击穿电压 BVEBO 当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO个人资料整理 仅限学习使用4 / 7BVceo,管子就会被击穿。5）集电极最大允许耗散功率 PCM 集电流过 lc ,温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许 值时的最大集电极耗散功率称为PCM 管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=UceXlc.使用时庆使 PcvPCMPCM 与散热条件有关，增加散热片可提高PCIM、三极管1.三极管的放大作用图 1 是收信放大管的结构及符号图，栅极用符号g 表示，栅极具有控制阳极电流ia 的作用。由于栅极与

11、阴极之间的距离较阳极与阴极间的距离近得多，所以栅极对阴极发射电子的影响也较阳极的影响大得多，即是说栅极控制电子的能力要比阳极大得多，栅压ug 有多少量的变化，就能引起阳极电流ia 发生较大的变化，这就是三极管具有放大作用的原因。2.三极管的静态特性曲线1）阳极特性曲线，指栅压 ug 为常数时，阳极是电流 ia 与阳极电压 ua 的变化关系曲线，采用图 2 的线 路可测出在极管阳极特性曲线，图3 表示 6N8P 的阳极特性曲线簇。从阳极特性的曲线簇可以看出：1）它的每条曲线形状和二极管的行性曲线相似，栅压愈负，曲线愈向右移。这是因为栅压为负进，只有 当阳极电压增加到能够抵消在阴极附近产生的排斥电

12、场以后，才会产生阳极电流。2）特性曲线的大部分是彼此平行的直线，间隔也比较均匀，但在阳极电流较低的部分，曲线显得弯曲。3） 从图中还可以看出，栅压电流可变化4 毫安，若栅压保持-8 伏不变，要使阳极电流变化 4 毫安，则阳极电压应变化 40 伏才行，这说明书栅压对阳极电流的控制作用是阳极电压控制作用的20 倍。2）阳栅特性曲线，指阳极电压为常数时，阳极电流ia 与栅压 ug 的变化关系曲线。仍用图 2 测量阳栅特性曲线。只要把阳极电压ua 固定在某一数值上，然后一条阳栅特性曲线，在不同的阳极电压下作出很多条曲线就组成特性曲线簇。图4 为 6N8P 阳栅特性曲线簇。从曲线簇可以看岀：1）在阳极电

13、压为定值时，随着负栅压的增加，阳极电流减小。当负栅压增加到某一个数值时，阳极电流 减小到零，这时称为阳极电流截止，对应的栅压称为截止栅压。2）阳极电压越高，特性曲线越往左移，这是因为阳极电压越高，要使阳极电流截止的负栅压也越大。图 1 三极管结构及符号图 4、6N8P 阳栅特性曲线个人资料整理 仅限学习使用5 / 73）从图中还可看出栅压变化对阳极电流的变化影响很大。3. 三极管的参数1）跨导跨导的定义是：在阳压保持不变时，栅压ug 在某一工作点上变化一个增量厶ug,将引起阳极流 ia 相应地弯化一个增量 ia，比值 ia/ ig 称为跨导，用符号 S 表示，即：S= ia/ ig|ua 固定

14、） 毫安 / 伏）跨导具有电导的性质，其物理意义是：在阳压固定不变的条件下，当栅压变化1 伏时，阳流变化了多少毫安。它表明栅压控制阳流的能力，跨导越大，栅压控制阳流的能力就越强。电子管的跨导可以从已知的阳栅特性曲线簇上求岀。 特性曲线的不同部分的跨导值是不一样的。 曲线越陡 即斜率越大）跨导就越大，所以在特性曲线的直线部分，跨导最大，而且各点跨导差不多相同，因此， 电子管手册中给岀的跨导，都是指直线部分的跨导值，一般三极管的跨导值约为210毫安/伏）2）内阻内阻的定义是：在栅压保持不变时，阳压ua 在某一工作点上弯化一个增量厶ua,将引起阳流相应地变化一个增量厶 ia，比值 ua/ ia 称为

15、内阻，用符号 Ri 表示，即：Ri= ua/ ia|ig 固定） 欧姆）当 ia 为毫安，ua 为伏时，则 Ri 为千欧。内阻的物理意义是：在栅压保持不公的条件下，阳流变化1 毫安，阳压需要变化多少伏，这表明了阳极对阳流的控制能力，内阻越小，阳压控制阳流的能力就越强。内阻也可以从阳极特性曲线上求出，由于电子管的阳极特性曲线不是直线，所以曲线上各点的内阻值也不 相同，曲线越陡 即斜率越大）时，内阻越小，曲线越平直即斜率越小）则内阻越大，一般三极管内阻值为 500 欧至 100 千欧之间。3）放大系数放大系数的定义是：阳压变化一个增量ua 为了保持阳流不变，栅压 ug 必须相应地变化一个 ug，A

16、ua与厶 ug 比值的绝对值，称为放大系数，用符号 卩表示，即：卩= ua/ ug|ia 固定）放大系数没有单位，它表明栅压对阳流的影响比阳压对阳流的影响大多少倍，一般三极管的放大系数在5100 之间。4）三个参数之间的关系电子管的三个参数 S、Ri 和卩三者之间有一定的关系，这个关系可用下式求得：根据Ri 的定义：Ri= ua/ ia，因为增量 ua 与厶 ia 一定是同符号的，所以Ri= ua/ ia=| ua/ ia|又根据 S 的定义：S=Aia/ ua 增量 ia 与厶 ug 也是同符号的，所以S=Aia/ia=|ia/ug|把 Ri 与 S 相乘可得RiS=| ua/ ia|x|

17、ia/ ug|= ua/ ig=卩 倍）则卩可以写成g=RiS这个方程称为电子管的内部方程。它表示电子管的三个参数之间的相互关系，即放大系数等于内阻与跨导 的乘积。4. 三极管的极间电容及其影响电子管的电极是由金属制成的，并被介质 真空所隔开，因此，各电极之间存在着电容，这些电容叫做极间电容。三极管有三个极间电容，如图 5 所示，栅极和阴极之间的电容 Cgk 叫做输入电容，阳极和阴极之间的电容 Cak 叫做输出电容，阳极和栅极之间的电容 Cag 叫做跨路电容，各个极间电容量大致在 120 皮法范围 内。图 5、三极管的极间电容电子管的极间电容对电子管电路的工作性能有影响，影响最大的是跨路是电容

18、Cag,特别是在高频工作时，由于 Cag 的容抗下降，阳极回路的交流电压通过它反馈回栅极，使电路工作变得极不稳定，甚至产生 自激。Cgk和 Cak 对电路性能的影响不显著。个人资料整理 仅限学习使用6 / 7场效应管场效应管 英缩写 FET）是电压控制器件，它由输入电压来控制输岀电流的变化。它具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。供应信息需求信息一、场效应管的结构原理及特性场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N 沟道和 P 沟道两种导电沟道。1、结型场效应管 vJFET）1）结构原理 它的结构及符号见图 1。在 N 型硅棒两端引出漏极 D 和

19、源极 S 两个电极，又在硅棒的两侧 各做一个 P区，形成两个 PN 结。在 P 区引出电极并连接起来，称为栅极Go 这样就构成了 N 型沟道的场效应管防*图 1、N 沟道结构型场效应管的结构及符号由于 PN 结中的载流子已经耗尽，故 PN 基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，从图1 中可见，当漏极电源电压 ED 一定时，如果栅极电压越负，PN 结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流 ID 就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID 变大，所以用栅极电压 EG可以控制漏极电流 ID 的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。2）特性曲线1）转移特性图 2a

20、）给岀了 N 沟道结型场效应管的栅压-漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压 VGS=0 时的漏源电流。用 IDSS 表示。VGS 变负时，ID 逐渐减小。ID 接近于 零的栅极电压称为夹断电压，用VP 表示，在 0VGS VP 的区段内，ID 与 VGS 的关系可近似表示为：ID=IDSS1-|VGS/VP| ）其跨导 gm 为：gm= ID/ VGS |VDS=常微 微欧）|式中： ID-漏极电流增量 微安 VGS-栅源电压增量 伏）图 2、结型场效应管特性曲线2）漏极特性 输岀特性图 2（b给岀了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输岀特性曲线很

21、相似。1可变电阻区 图中 I 区）在 I 区里 VDS 比较小，沟通电阻随栅压 VGS 而改变，故称为可变电阻区。当栅 压一定时，沟通电阻为定值，ID 随 VDS 近似线性增大，当 VGX VP 时，漏源极间电阻很大 关断）。IP=0 ;当 VGS=0 时，漏源极间电阻很小 导通），ID=IDSSo这一特性使场效应管具有开关作用。2恒流区 区中 II 区）当漏极电压 VDS 继续增大到 VDS |VP|时，漏极电流，IP 达到了饱和值后基本保持不变，这一区称为恒流区或饱和区，在这里，对于不同的VGS 漏极特性曲线近似平行线，即ID 与 VGS 成线性关系，故又称线性放大区。个人资料整理 仅限学

22、习使用7 / 73击穿区 图中山区）如果 VDS 继续增加，以至超过了 PN 结所能承受的电压而被击穿，漏极电流ID 突然增大，若不加限制措施，管子就会烧坏。2、绝缘栅场效应管它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称 MOS 场效应管。1）结构原理它的结构、电极及符号见图 3 所示，以一块 P 型薄硅片作为衬底，在它上面扩散两个高杂质的N 型区，作为源极 S 和漏极 D。在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引岀一个电极G!极）由于栅极与其它电极绝缘，所以称为绝缘栅场面效应管。图 3、N 沟道 耗尽型）绝缘栅场效应管结构及符号在制造管子时，通过工艺使绝缘层中岀现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应岀较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的 N 区接通，形成了导电沟道，即使在 VGS=0 时也有较大的漏极电流 ID。当栅极电压 改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID 随着栅极电压的变化而变化。场效应管的式作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为 零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。2）特性曲线 1）转移特性 栅压-漏流特性）图 4a）给出了 N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移行性曲线，图中IDSS 为饱和漏电流。图