半导体三极管课件1

半導體三極管

(SemiconductorTransistor)2.1.1晶體三極管一、結構、符號和分類NNP發射極E基極B集電極C發射結集電結—基區—發射區—集電區emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分類：按材料分：矽管、鍺管按結構分：

NPN、PNP按使用頻率分：

低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1WECBECB二、電流放大原理1.三極管放大的條件內部條件發射區摻雜濃度高基區薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發射結正偏集電結反偏2.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發射極共集電極共基極實現電路uiuoRBRCuouiRCRE3.三極管內部載流子的傳輸過程1)

發射區向基區注入多子電子，形成發射極電流

IE。ICN多數向BC結方向擴散形成ICN。IE少數與空穴複合，形成IBN。IBN基區空穴來源基極電源提供(IB)集電區少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)

集電區收集擴散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO2)電子到達基區後(基區空穴運動因濃度低而忽略)三極管內載流子運動4.三極管的電流分配關係當管子製成後，發射區載流子濃度、基區寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關係確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透電流2.1.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極體特性相似RCVCCiBIERB+uBE

+uCE

VBBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

VBB+

O特性基本重合(電流分配關係確定)特性右移(因集電結開始吸引電子)導通電壓UBE(on)矽管：(0.6

0.8)V鍺管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2VVBB+

RB二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止區：

IB

0

IC=ICEO

0條件：兩個結反偏2.放大區：3.飽和區：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結正偏特點：IC

IB臨界飽和時：uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(矽管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區截止區飽和區條件：發射結正偏集電結反偏特點：水準、等間隔ICEO輸出特性三、溫度對特性曲線的影響1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1

C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10

C，ICBO

約增大1倍。2.溫度升高，輸出特性曲線向上移。OT1T2>iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0溫度每升高1

C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O2.1.3晶體三極管的主要參數一、電流放大係數1.共發射極電流放大係數iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流電流放大係數

—交流電流放大係數一般為幾十

幾百2.共基極電流放大係數

1一般在0.98以上。

Q二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。三、極限參數1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。U(BR)CBO

—發射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO

(P34

2.1.7)已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，當UCE

=

10V時，IC<

mA當UCE

=

1V，則IC<

mA當IC

=

2mA，則UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區2.2單極型半導體三極管

引言2.2.2結型場效應管2.2.3場效應管的主要參數2.2.1MOS場效應管引言場效應管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFET)特點：1.單極性器件(一種載流子導電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低2.輸入電阻高(107

1015

，IGFET可高達1015

)一、增強型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)2.2.1MOS場效應管1.結構與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法製作兩個N區在矽片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB2.工作原理1)uGS

對導電溝道的影響

(uDS=0)a.

當UGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結；b.

當0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時，GB間的垂直電場吸引

P區中電子形成離子區(耗盡層)；c.

當uGS

UGS(th)

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導電溝道。uGS

越大溝道越厚。反型層(溝道)2)

uDS

對

iD的影響(uGS>UGS(th))

DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS

，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預夾斷發生之前：uDS

iD

。預夾斷發生之後：uDS

iD不變。3.轉移特性曲線2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當uGS>UGS(th)

時：uGS=2UGS(th)

時的

iD值4.輸出特性曲線可變電阻區uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，直到預夾斷飽和(放大區)uDS

，iD

不變

uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區uGS

UGS(th)

全夾斷iD=0

開啟電壓iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區

飽和區可變電阻區放大區恒流區OO二、耗盡型N溝道MOSFETSGDBSio2

絕緣層中摻入正離子在uGS=0時已形成溝道；在DS間加正電壓時形成iD，uGS

UGS(off)

時，全夾斷。輸出特性uGS/ViD/mA轉移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當uGS

UGS(off)

時，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO三、P溝道MOSFET增強型耗盡型SGDBSGDB2.2.2結型場效應管1.結構與符號N溝道JFETP溝道JFET2.工作原理uGS

0，uDS

>0

此時

uGD=UGS(off)；

溝道楔型耗盡層剛相碰時稱預夾斷。預夾斷當uDS

，預夾斷點下移。3.轉移特性和輸出特性UGS(off)當UGS(off)

uGS0時,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOON溝道增強型SGDBiDP溝道增強型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)OuDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結型SGDiDSGDiDP溝道結型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VFET符號、特性的比較2.2.3場效應管的主要參數開啟電壓UGS(th)(增強型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應管，當uGS=0時所對應的漏極電流。3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時，柵、源間加反向電壓呈現的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO4.低頻跨導gm

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQPDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動態電阻rds6.最大漏極功耗PDMO2.3

半導體三極管的基本分析方法引言2.3.2交流分析2.3.1直流分析引言基本思想

非線性電路經適當近似後可按線性電路對待，利用疊加定理，分別分析電路中的交、直流成分。一、分析三極管電路的基本思想和方法直流通路(ui=0)分析靜態。交流通路(ui

0)分析動態，只考慮變化的電壓和電流。畫交流通路原則：1.固定不變的電壓源都視為短路；2.固定不變的電流源都視為開路；3.視電容對交流信號短路基本方法圖解法：在輸入、輸出特性圖上畫交、直流負載線，求靜態工作點“Q”，分析動態波形及失真等。解析法：根據發射結導通壓降估算“Q”。用小信號等效電路法分析計算電路動態參數。二、電量的符號表示規則A

AA大寫表示電量與時間無關(直流、平均值、有效值)；A小寫表示電量隨時間變化(暫態值)。大寫表示直流量或總電量(總最大值，總暫態值)；小寫表示交流分量。總暫態值直流量交流暫態值交流有效值直流量往往在下標中加注QA—主要符號；

A—下標符號。tuOuBE=UBE

+ube2.3.1直流分析一、圖解分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC輸入直流負載線方程：uCE=VCC

iC

RCuBE=VBB

iBRB輸出直流負載線方程：輸入回路圖解QuBE/ViB/

A靜態工作點VBBVBB/RB115k

UBEQIBQ0.720輸出回路圖解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCO1k

Q23UCEQICQOiB=20

A二、工程近似分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC115k

1k

=100三、電路參數對靜態工作點的影響1.改變RB，其他參數不變uBEiBuCEiCVCCVBBVBBRBQQRB

iB

Q趨近截止區；RB

iB

Q趨近飽和區。2.改變RC，其他參數不變RC

Q

趨近飽和區。iCuBEiBuCEVCCUCEQQQICQVCCRCiC

0iC=VCC/RC例2.3.1設RB

=

38

k

，求VBB=0

V、3

V時的iC、uCE。+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC1

k

[解]uCE/ViC/mAiB=010

A20

A30

A40

A50

A60

A41O235當VBB=0V：iB

0，iC

0，5VuCE

5V當VBB=3V：0.3uCE

0.3

V0，iC5mA三極管的開關等效電路截止狀態SBCEVCC+

RCRBiB

0uCE

5ViB飽和狀態uCE0判斷是否飽和臨界飽和電流

ICS和IBS

：iB>IBS，則三極管飽和。例2.3.2

耗盡型

N

溝道

MOS

管，RG=

1

M

，RS

=2

k

，RD=12

k

，VDD=

20

V。IDSS=

4

mA，UGS(off)

=

–4

V，求iD和uO。

iG=0

uGS=iDRSiD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–iD

RD=20–14=8(V)在放大區RDGDSRGRSiD+uO–+VDD–2.3.2交流分析一、圖解分析法線性非線性線性輸入回路(A左)(B右)輸出回路(B左)(A右)+–RBRC+uCE–+uBE

+–VCCVBBiBiCiBiC+uBE

+uCE–AB例2.3.3

矽管，ui

=10sint(mV)，RB=176k，RC=1k，VCC=VBB=6V，圖解分析各電壓、電流值。[解]令ui=0，求靜態電流IBQuBE/ViB/

AO0.7V30QuiOtuBE/VOtiBIBQ(交流負載線)uCE/ViC/mA41O23iB=10

A20304050505Q6直流負載線Q

Q

6OtiCICQUCEQOtuCE/VUcemibicuceRL+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE

+uBE–

當ui=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

當ui=Uimsintib=Ibmsintic=Icmsint

uce=–Ucemsint

uo=uceiB=

IBQ

+IbmsintiC=

ICQ

+IcmsintuCE=

UCEQ

–

Ucemsin

t=

UCEQ

+Ucemsin

(180°–

t)uBE/ViB/

A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流負載線)uCE/ViC/mA4123iB=10

A20304050605Q6直流負載線Q

Q

6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO基本共發射極電路的波形：+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE

+uBE–

IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQUCEQ放大電路的非線性失真問題因工作點不合適或者信號太大使放大電路的工作範圍超出了電晶體特性曲線上的線性範圍，從而引起非線性失真。1.“Q”過低引起截止失真NPN管：頂部失真為截止失真。PNP管：底部失真為截止失真。不發生截止失真的條件：IBQ>Ibm。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBuiuCEiCictOOiCOtuCEQuce交流負載線2.“Q”过高引起饱和失真ICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不接負載時，交、直流負載線重合，V

CC=VCC不發生飽和失真的條件：IBQ+Ibm

IBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC飽和失真的本質：負載開路時：接負載時：受RC的限制，iB增大，iC不可能超過VCC/RC。受R

L的限制，iB增大，iC不可能超過V

CC/R

L。C1+

RCRB+VCCC2RL+uo

++iBiCVui(R

L=RC//RL)選擇工作點的原則：當ui較小時，為減少功耗和雜訊，“Q”可设得低一些；為提高電壓放大倍數，“Q”可以設得高一些；為獲得最大輸出，“Q”可設在交流負載線中點。二、小信號等效分析法(微變等效)1.晶體三極管電路小信號等效電路分析法三極管電路可當成雙口網路來分析(1)

晶體三極管H(Hybrid)參數小信號模型從輸入端口看進去，相當於電阻rberbe

—Hie從輸出端口看進去為一個受

ib

控制的電流源

ic

=

ib，

—Hfe+uce–+ube–

ibicCBErbe

Eibic

ic+ube

+uce

BCrbb

—三極管基區體電阻(2)

晶體三極管交流分析步驟：①

分析直流電路，求出“Q”，計算rbe。②

畫電路的交流通路。③

在交流通路上把三極管畫成H參數模型。④

分析計算疊加在“Q”點上的各極交流量。例2.3.4

=100，uS

=10sint(mV)，求疊加在“Q”点上的各交流量。+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

12V12V510470k

2.7k

3.6k

[解]令ui=0，求靜態電流IBQ①求“Q”，計算rbeICQ=

IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.4

2.7=5.5(V)②交流通路+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

ubeuce③小信號等效+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

icBCusRC+ube

④分析各極交流量⑤

分析各極總電量uBE=(0.7+0.0072sin

t

)ViB=(24+5.5sin

t)

AiC=(2.4+0.55sin

t

)

mAuCE=(5.5–

0.85sin

t

)V2.場效應管電路小信號等效電路分析法小信號模型rgs

Sidgmugs+ugs

+uds

GD從輸入端口看入，相當於電阻

rgs(

)。從輸出端口看入為受

ugs

控制的電流源。id=gmugs例2.3.4gm=0.65mA/V，ui

=20sint(mV)，求交流輸出uo。+

RDGDSRGRSiD+uO–+VDD–ui+

VGG10k

4k

交流通路+

RDGDSRGRSid+uO–ui小信號等效電路+ui

RSRDSidgmugs+ugs

+uo

GDRGui=ugs+gmugsRSugs=ui/(1+gmRS)uo=–