第二章 半导体三极管及其电路分析.ppt

1、第2章 半导体三极管及其电路分析,2.2单极型半导体三极管,2.1 双极型半导体三极管,2.3三极管基本电路及其分析方法,2.1.1 三极管的结构,2.1 双极型半导体三极管,半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor），简称晶体管或三极管。,类 型,按制造材料分,硅三极管,锗三极管,按结构分,NPN型,PNP型,结 构,发射区,发射极，用E或e 表示（Emitter）,发射结,基极，用B或b表示（Base）,集电极，用C或c 表示（Collector）,集电区,

2、基区,集电结,无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区: 发射区、基区和集电区, 并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处, 形成两个PN结, 分别称为发射结和集电结。,结构特点：, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,PNP型,箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向,2.1.2 三极管的工作原理,1、工作状态,放大状态,截止状态,饱和状态,发射结正偏，集电结反偏,发射结正偏，集电结正偏,发射结反偏，集电结反偏,2、放大状态电流分配

3、与放大原理,外部条件：发射结正偏，集电结反偏 内部机制：载流子传输,三极管的放大原理归结为：,发射区：向基区发射载流子（电 子），扩散运动形成发射极电流IE。 基 区：电子与空穴的复合形成 基极电流IB。 集电区：收集来自发射区的电 子，漂移运动形成集电极电流 IC和反向电流ICBO。,三极管内自由电子和空穴都参与导电，故称为双极型三极管。,2. 电流分配关系,（1）三个电极电流总关系,实验表明IC比IB大数十至数百倍。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作

4、用。,称为共发射极直流电流放大系数：,将集电极电流与基极电流的变化量之比, 定义为共发 射极交流电流放大系数:,注：,IE=IB+ IC,3、饱和状态,发射结正偏，集电结正偏。 集电结正偏不利于集电区收集电子，三极管失去了IB对IC的控制能力，IC主要受UCE的控制。 理论上，把UCE=UBE（UBC=0）时管子的状态称为 临界饱和状态。 工程上，取UCES=0.3V。,4、截止状态,发射结反偏，集电结反偏。 各电极的电流近似为0。 实际上，当UBE0.5V时,可认为管子进入截止状态。,iB=f(uBE) uCE=const,(2) 当uCE1V时，集电结进入反偏状态（ uCB= uCEuBE

5、 0）；集电结收集电子，使基区复合减少，达到相同的IB需要更大uBE，表现为特性曲线右移。,(1) 当uCE=0V时，相当于C和E短接，表现为PN结的正向伏安特性曲线。,1. 共射电路输入特性曲线,当u不变时, 输入回路中的电流i与电压u之间的关系曲线, 即 ：,饱和区：IC明显受uCE控制，该区域内，一般uCE0.7V(硅管)。即发射结正偏，集电结正偏（uBucuE）。,iC=f(uCE) iB=const,输出特性曲线的三个区域,截止区：IC接近零，该区域为iB=0的曲线下方。发射结反偏（uBuE） 或正偏电压很小，集电结反偏。,放大区：IC平行于uCE轴，该区域内，曲线基本平行等距，IC

6、受IB的控制 。发射结正偏，集电结反偏（ucuBuE）。,2. 共射电路输出特性曲线,临界饱和线,当i不变时, 输出回路中的电流i与电压u之间的关系曲线, 即:,3. PNP型三极管的伏安特性曲线,PNP型三极管工作电压的极性和电流方向均与NPN型三极管相反。,4. 温度对三极管特性的影响,图示电路中的三极管为硅管，试判断其工作状态。（参见书81页2.1）,解题思路：对NPN型三极管,uBuBuE （且uBEuD（on）放大区； uBuCuE （且uBEuD（on ）饱和区。,对PNP型三极管： uEuBuC （且uEBuD（on）放大区； uEuCuB （且uBEuD（on ）饱和区。,放大

7、,截止,饱和,放大,截止,放大电路中某三极管的三个管脚电位分别为3.5V、 2.8V 、 5V，试判断此管的三个电极，类型及其材料。,解题思路：,电位居中的为B；与B电位相差0.7V或0.20.3V的电极为E;剩下的电极为C。,三个电极中，C电位最高为NPN型三极管；E电位最高为PNP型三极管。,B与E的电位相差0.6 0.8 V为硅材料；电位相差0.2 0.3 V为锗材料。,放大电路中某三极管的三个管脚电位分别为-2V、 -2.2V 、 -10V，试判断此管的三个电极，类型及其材料。,对如图所示各三极管，试判断其三个电极及其类型，估算其 值。,对（a）图：,解题思路：,电流最大的电极为E ；

8、电流最小的电极为 B;剩下的电极为C。,电流从E流出为NPN型三极管；电流从E流入为PNP型三极管。,对（b）图：,B,E,C,B,C,E,(1)共发射极直流电流放大系数 =IC / IB VCE=const,1. 电流放大系数, =IC/IBvCE=const,(2) 共发射极交流电流放大系数,=IC/IE VCB=const,(4) 共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const,当BJT工作于放大区时， 、 ，可以不加区 分；并且 。,(3) 共基极直流电流放大系数,(2) 集射间反向饱和电流ICEO 基极开路时，晶体管的穿透电流。,(1) 集基间反向饱和电流ICBO 发射极开

9、路时，集电结的反向饱和电流。,2. 极间反向电流,ICEO=（1+ ）ICBO,ICBO、ICEO均随温度的上升而增大，反映了三极管的温度稳定性。,(1) 集电极最大允许电流ICM,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM,注意：任何时候晶体管功耗 PC= iCuCE,3. 极限参数, V(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压, V(BR) EBO集电极开路时发射结的反向击穿电压, V(BR)CEO基极开路时集射间的击穿电压，它与穿透电流直接联系,几个击穿电压有如下关系 : V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,(3) 反向击穿电压,极限参数决定晶体管是否能安全工作。 由PC

10、M、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定晶体管安全工作区。,(4) 晶体管安全工作区,输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,2.2 单极型三极管及其电路分析,类 型,结型场效应管 （JFET),绝缘栅型MOS场效应管 （Metal Oxidized Semiconductor),N沟道,增强型,单极型半导体三极管又称为场效应管 FET （Field Effect Transistor）,主要由一种载流子参入导电。具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；其制造工艺简单，功耗小，特别适宜大规模集成。,场效应管,P沟道,耗尽型,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,（耗尽型）,导

11、电通道在无外加电压时已存在,导电通道需外加 电压时才形成,2.2.1 MOS场效应管的结构及伏安关系,1、N沟道增强型MOS（EMOS）,结构与符号,1、栅极无电流； 2、基（衬）底B常与源极S连接在一起使用。,特点：,(a) VGS= VDS 0, 导电沟道形成,(b) VGS(th) VGS0, VDS 0,当VGS为零或较小的正值时，源区和漏区之间均被空间电荷区隔断，不能形成导电沟道。 VGS(th) 开启电压,原始状态,工作原理,(c) VGS VGS(th),VDS 0,形成导电沟道，且VGS越大，导电沟道越宽，从而控制漏极的大小。,(b) VGS VGS(th) , VDS = V

12、GS -VGS(th),(a) VGS VGS(th) , VG VD VS,沟道被预夹断，iD几乎与uDS无关，受uGS的控制。,VGD = VGS-VDS =VGS（th）,（2）VDS对沟道的控制作用,增强型MOS管的基本工作原理：在栅极电压作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。在漏极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。改变栅极电压，控制导电沟道的导电能力，使漏极电流发生变化。,伏安特性,结论,1、转移特性,可变电阻区,截止区iD0,预夹断线 uDS=uGS-UGS(th),可变电阻区：也称为非饱和区，该区域内， uDS较小，沟道电阻由uGS决定， iD与

13、uDS成线性关系，MOS的D、S间相当于一个受 uGS 控制的可变电阻。,放大区：也称为饱和区（恒流区）， iD受uGS控制，与 uDS基本无关。,截止区： 的区域，iD=0。,2、输出特性,2、N沟道耗尽型MOS（DMOS）,结构与符号,在制造过程中，在氧化层中引入一些金属正离子，或者在半导体表面进行专门的掺杂，从而在P型半导体表面形成原始的反型层导电沟道。,UGS(off),由于具有原始导电通道，故当加电压VDS后，即使VGS0，也存在电流ID。只有当VGS加反向电压至一定大小，方可使反型层沟道消失。表现为伏安特性上ID=0时，VGS0。伏安特性的变化形式及性质与增强型一样。,特性曲线,漏

14、极饱和电流,可变电阻区,截止区（全夹断）uGSUGS(off) iD0,预夹断线 uDS=uGS-UGS(off),放大区,夹断 电压,3、P沟道MOS,2.2.2 结型场效应管的结构及伏安关系,结型场效应管结构与符号,结型场效应管的栅极不是绝缘的，为使场效应管呈现高输入电阻、栅极电流近似为0，应使栅极和沟道间的PN结截止。,注：, UGS对导电沟道的影响,工作原理,当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意,沟道全夹断，使iD=0。,沟道两侧的PN结变宽，使导电沟道变窄。,（2）uDS对导电沟道和iD的影响,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

15、电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,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。,结论,伏安特性,1、输出特性曲线,2、转移特性曲线,各种场效应管的符号和特性曲线,开启电压UGS(th)和夹断电压UP (或UGS(off)：, 饱和漏极电流IDSS：, 低频跨导gm：,即：,UGS(th) 当增强型场效应管的uDS一定时, 漏极电流iD达到某 一数 值时所需加的uGS值。 UGS(off) 是耗尽型和结型场效应管的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

16、制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,2.2.3 场效应管的主要参数,直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107; MOS管可达1010 以上。, 最大漏极功耗PDM,漏源击穿电压U(BR)DS,栅源击穿电压U(BR)GS,漏源动态电阻rdS ：,一般在几十几百K之间。,2.3 三极管基本电路及其分析方法,交流分析, 又称动态分析, 主要是分析放大电路仅在输入信号ui作用下时电路的电压放大倍数、 输入电阻和输出电阻等性能指标。,放大电路的分析主要包含两个部分:,直流分析, 又称为静态分析（ui=0）, 用于求出电路的直流工作状态, 即基极直流

17、电流IB（或IBQ ）; 集电极直流电流IC （或ICQ ）; 集电极与发射极间直流电压UCE （或UCEQ ） 。,工程近似分析法 【近似估算法】,1、画出放大电路的直流通路,将交流电压源 短路，将电容 开路。,直流通路的画法：,2、确定静态（直流）工作点,硅管：,锗管：,根据三极管各极电流关系, 可求出静态工作点的集电极电流ICQ：,再根据集电极输出回路可求出UCEQ,估算如图所示放大电路 的静态工作点。 设UCC=12 V, Rc=3k, Rb=280k, 。,图解分析法,图解法求静态工作点的步骤:,(1)由基极回路求出IBQ。,(2)在输出特性曲线所在坐标中, 按直流负载线方程UCE=

18、UCC-ICRc, 作出直流负载线。,(3) 找出iB=IBQ这一条输出特性曲线, 与直流负载线的交点即为静态工作点（ Q点）。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求。,IB,UCE,IC,静态工作点,uCE怎么变化,？,1. 交流放大原理（设输出空载即RL=0）,假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 ui,图解分析法,uCE沿着负载线变化,UCE与Ui反相！,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,结论：（1）放大电路中的信号是交直流共存，可表示成：,（2）输出uo与输入ui相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。,对交流信号(输入信号ui),2.放大器的交流通路,1/C0,将直流电

19、压源短路， 将电容短路。,交流通路的画法：,交流通路,3.交流负载线,输出端接入负载RL：不影响Q ， 影响动态！,其中：,交流负载线的斜率为：,交流负载线的作法,直流负载线,交流负载线,斜 率为-1/RL 。 （ RL= RLRc ）,经过Q点。,（1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。,（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。,注意：,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合适的静态工作点,4非线性失真与Q的关系,uo,（2）Q点过低,因静态工作点设置过低靠近截止区而产生的失真称为截止失真；输出波形将产生顶部失真。,信号波形,消除失真的方法,？,uo,（3）Q点过高,信号波形,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,因静态工作点设置过高靠近饱和区而产生的失真称为饱和失真；输出波形将产生底部失真。,消除失真的方法,？,思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路,条件：交流小信号,小信号模型分析法,三极管的输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线