模拟电子电路2章3(201203)西北工业大学

2.4.1BJT的结构简介2.4.1BJT的电流分配与放大原理2.4.1BJT的V-I特性曲线2.4.1BJT的主要参数12.4.1BJT的结构简介半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号2NNP发射极E基极B集电极C—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB结构及符号集电结发射结3

结构特点：管芯结构剖面图发射极和集电极不能互换。1、发射区相对基区于掺杂浓度大；2、基区很薄，3、集电区掺杂浓度低，且集电结面积大于发射结4晶体管放大作用1、晶体管工作状态工作状态发射结集电结1放大正偏反偏2截止反偏反偏3饱和正偏正偏4倒置放大反偏正偏在输入端用一个小的变化量去控制能源使输出产生一个大于输入的相对应的变化量。2.4.1BJT的电流分配与放大原理52、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2.4.1BJT的电流分配与放大原理6放大工作状态：发射结加正向电压；集电结加反向电压。IENICNIEPICBOIEICIBIBN注意：图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。由此可确定三个电极的电流IE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO3、放大状态下载流子的传输过程7发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IEICN多数向C结方向扩散形成ICNIE少数与空穴复合，形成IBNIBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)电子到达基区后边扩散边复合2.4.1双极型半导体三极管的电流分配关系{8ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2.4.1双极型半导体三极管的电流分配关系IE=IC+IB91.内部载流子的传输过程

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子

集电区：收集载流子总结内部条件：发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大10以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

2.4.1BJT的电流分配与放大原理

双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。双极型半导体三极管(BJT)

双极型的含义：两种载流子参与导电112.电流分配关系根据传输过程可知

IC=ICN+ICBOIB=IBN-ICBO通常IC>>ICBO

为共基极电流放大系数，与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关一般

=0.90.99IE=IB+ICIE=IB+IC12根据

是共射极电流放大系数，同样，它也与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般

>>1IE=IB+IC可得2.电流分配关系IE=IB+IC穿透电流133.三极管的三种组态信号源负载模拟信号的放大共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；

是共射电流放大系数，一般

>>1143.三极管的三种组态信号源负载共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。

为共基电流放大系数，一般

=0.90.99153.三极管的三种组态信号源负载共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;IE=IB（1＋β）163.三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；BJT的三种组态17实现这一传输过程的两个条件是(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2.4.2BJT的电流分配与放大原理IE=IB+ICIC=βIBIC=αIE 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。182.4.2BJT的电流分配与放大原理放大的外部条件发射结正偏，集电结反偏。高低更高低高更低结论：NPN管和PNP管放大的极间电压极性相反。19RLecb1k

共基极放大电路4.放大作用若

uI

=20mV使当则电压放大倍数UEEUCCUEBIBIEIC+-

uI+uEB

uO+-+iC+iE+iB

iE=-1mA，

iC=iE=-0.98mA，

uO=-iC•

RL=0.98V，

=0.98时，20+-bceRL1k

共射极放大电路

共射极放大电路UBBUCCUBEIBIEIC+-

vI+uBE

uO+-+iC+iE+iB

uI

=20mV

设若则电压放大倍数

iB=20uA

uO=-iC•

RL=-0.98V，

=0.98使4.放大作用结论：共射放大电路既有电流放大能力又有电压放大能力。21vCE=0V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE

iB=f(uBE)

uCE=const(2)当uCE≥1V时，uCB=uCE

-uBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。uCE=0VuCE

1V(1)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线2.4.3BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）22(3)输入特性曲线的三个部分①死区

②非线性区③线性区

1.输入特性曲线2.4.3BJT的特性曲线23饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，一般uCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(uCE)

iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:2.4.3BJT的特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，uBE小于死区电压，集电结反偏。放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。242.4.4BJT的主要参数

(1)共发射极直流电流放大系数

=IC/IB

vCE=const1.电流放大系数

25(2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=const2.4.4BJT的主要参数1.电流放大系数

26

(4)共基极交流电流放大系数α

α=

IC/

IE

VCB=const当BJT工作于放大区时，≈

、≈

，可以不加区分。2.4.4BJT的主要参数1.电流放大系数

27

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流ICEO

(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

2.4.4BJT的主要参数即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。28(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPC=ICUCE

3.极限参数2.4.4BJT的主要参数PCM=ICMUCE

29(3)反向击穿电压

U(BR)CBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。

U(BR)EBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。

U(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系

U(BR)CBO＞U(BR)CEO＞U(BR)EBO

3.极限参数2.4.4BJT的主要参数30

由PCM、ICM和U(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区312.4.5温度对BJT参数的影响1.温度变化对ICBO的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度T

输出特性曲线上移温度T

输入特性曲线左移3.温度变化对

的影响温度每升高1°C，

要增加0.5%1.0%温度T

输出特性曲线族间距增大总之：

ICBO

ICEO

T

UBE

IB

IC

322.4.5

晶体管的近似伏安特性和简化直流模型近似伏安特性简化直流模型

0

uCE

iC

I

III

II

UCE(sat)

0

uBE

BIII

I，II

UBE(on)

放大区IB

UBE(on)

b

c

e

BIbI

饱和区UBE(on)

b

c

e

II

UCE(sat)

截止区b

c

e

III

33N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：2-5场效应管场效应管是利用改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。时沟道不存在

时沟道存在

342-5-1结型场效应管

结构

工作原理

输出特性

转移特性

主要参数

2-5-1

JFET的结构和工作原理

2-5-2

JFET的特性曲线及参数

35N基底：N型半导体P+P+两边是P区G(栅极)S源极D漏极导电沟道1.结构（以N沟道JFET为例）2-5-1结型场效应管36S-----称为源极D-----称为漏极G-----称为栅极1.结构（以N沟道JFET为例）电路符号（N沟道）N型两侧高浓度扩散两个，形成，中间为导电沟道。两个引一个电极，N区引两电极S、D。

37NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管1.结构2-5-1结型场效应管DGSDGSN沟道JFET38PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道JFETDGSDGS2-5-1结型场效应管基底：P型半导体39UDS=0V时NGSDUDS-UGSNNPPIDPN结反偏，|UGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。2.工作原理（以N沟道JFET为例）2-5-1结型场效应管40-UGSUDS=0V时NGSDUDSNNIDPP但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。|PN结反偏，|UGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄，电阻越大。41NGSDUDS-UGSPPUDS=0时

UGS达到一定值时（夹断电压UP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS

0V，漏极电流ID=0A。IDUGS(off)42NGSDUDS-UGSUGS<UP且UDS>0、UGD<UP时耗尽区的形状PP越靠近漏端，PN结反压越大IDUDS≠0时43PGSDUDS-UGSUGS<UP且UDS较大时UGD<UP时耗尽区的形状PP沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。IDVDS≠0时44GSDUDS-UGSUGS<UpUGD=UP时PP漏端的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。ID45GSDUDS-UGSUGS<Up,UGD=UP时PP此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID46总结：（两个因素）NGSDVDS-VGSNNPPID2.工作原理（以N沟道JFET为例）2-5-1结型场效应管对控制作用。①对的影响。

②

47综上分析可知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三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受UGS控制预夹断前iD与UDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因

此iG0，输入电阻很高。48#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？3、

JFET的特性曲线及参数2）.转移特性VP1）.输出特性49N沟道结型场效应管的特性曲线1）、转移特性曲线UGS0IDIDSSVP502）、输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线51vGD=UP时称为预夹断夹断电压523）、P沟道特性曲线uGS0IDIDSSUP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定uDS下的ID-uGS曲线53予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线054①夹断电压UP(或UGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：

③

低频跨导gm：或4.主要参数漏极电流约为零时的UGS值。UGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了UGS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)。④输出电阻rd：554.主要参数⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥最大漏源电压 U(BR)DS⑦最大栅源电压U(BR)GS56结型场效应管的缺点：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57取一块P型半导体作为衬底，用B表示。用氧化工艺生成一层SiO2

薄膜绝缘层。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

5.1绝缘栅场效应管:一、结构和电路符号58两个方面：一是栅源电压UGS对沟道会产生影响；二是漏源电压UDS对漏极电流ID的影响。

1．栅源电压UGS的控制作用UDS=0，加入栅源电压UGS并不断增加

UGS将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层。同时在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS

，就会有漏极电流ID产生。反型层2-5-2、N沟道MOS管的工作原理59

1．栅源电压UGS的控制作用UDS=0，加入栅源电压UGS并不断增加反型层

当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS

，也不能形成ID

。2-5-2

N沟道MOS管的工作原理

显然改变UGS就会改变沟道，从而影响ID

，这说明UGS对ID的控制作用。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。60SDGPN+N+SiO2型衬底DSU++++GSU＞GS(th)U空穴正离子电子负离子

2．漏源电压UDS的控制作用

设UGS＞UT，增加UDS因为源极和衬底相连接，UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内。所以在漏源之间会形成一个倾斜的沟道。

当UDS进一步增加时，ID会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。预夹断

当UDS进一步增加时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夹断区。611）转移特性曲线2）漏极输出特性曲线。转移特性曲