模拟电路三极管.ppt

,半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管 二是场效应半导体三极管,半导体三极管,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CCCS器件,场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。,双极型半导体三极管的结构双极型半导体三极管电流的分配与控制双极型半导体三极管的电流关系双极型半导体三极管的特性曲线半导体三极管的参数半导体三极管的型号,双极型半导体三极管,双极型半导体三极管的结构,双极型半导体三极管的结构有两种类型:NPN型和PNP型。图 01.01 两种极性的双极型三极管,左边区称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示Collector）。中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示Base）；,c-b间的PN结称为集电结(Jc),e-b间的PN结称为发射结(Je),三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。,从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,双极型半导体三极管的电流分配与控制,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见图01.02。(动画1-1),发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:,IE=IEN+IEP 且有IENIEP IEN=ICN+IBN 且有IEN IBN，ICNIBN,IC=ICN+ICBO,IB=IEP+IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO),IE=IC+IB,以上关系在图01.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,双极型半导体三极管的电流关系,(1)三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图01.03。,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；,图 01.03 三极管的三种组态,(2)三极管的电流放大系数,对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:,称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1,但接近1。由此可得:,IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO,因 1,所以 1,定义:=IC/IB=(ICN+ICBO)/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是,1.4.4 双极型半导体三极管的特性曲线,这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E 两电极取出。,输入特性曲线 iB=f(vBE)vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE)iB=const,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图01.04所示。,图01.04 共发射极接法的电压-电流关系,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。,(1)输入特性曲线,vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响。,共发射极接法的输入特性曲线见图01.05。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区：死区 非线性区 图01.05 共射接法输入特性曲线 线性区,(2)输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图01.06所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当vCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB=vCE-vBE=0.7 V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。,图01.06 共发射极接法输出特性曲线,当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 vCE 1 V vBE 0.7 V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的)。（动画1-2）,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,1.4.5 半导体三极管的参数,半导体三极管的参数分为三大类:直流参数 交流参数 极限参数(1)直流参数 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const,在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC/IB，如图01.07所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图01.08。,图01.08 值与IC的关系,图 01.07 在输出特性曲线上决定,2.共基极直流电流放大系数=（ICICBO）/IEIC/IE 显然 与 之间有如下关系:=IC/IE=IB/1+IB=/1+,极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图01.09所示。,(2)交流参数交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。或在图01.08上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图01.10所示。,图01.10 在输出特性曲线上求,2.共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(3)极限参数 集电极最大允许电流ICM,如图01.08所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICVCBICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。,反向击穿电压,反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图02.11所示。图01.11 三极管击穿电压的测试电路,1.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,2.V(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR)EBO,由PCM、ICM和V(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，见图01.12。图01.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,1.4.6 半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,表01.01 双极型三极管的参数,注：*为 f,场效应半导体三极管,绝缘栅场效应三极管的工作原理伏安特性曲线结型场效应三极管场效应三极管的参数和型号双极型和场效应型三极管的比较,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。1.结型场效应三极管JFET(Junction type Field Effect Transister),2.绝缘栅型场效应三极管IGFET(Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET）,N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 01.13。其中：D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。图01.13 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3）,1.5.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理,绝缘栅型场效应三极管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,(1)N沟道增强型MOSFET 结构,根据图，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。,（动画2-3）,当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,工作原理(工作时，B、S接在一起）1栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图01.14。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（VGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。(动画2-4）,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。对漏极电流的控制关系可用,VGS,图01.14 VGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const(单位mS),ID=f(VGS)VDS=const,2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVGS(th)，且固定为一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图01.15所示。,当VDS为0或较小时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图01.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,图01.15(a)漏源电压VDS对沟道的影响,(动画2-5),当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图01.15(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。,当VDS增加到VGDVGS(th)时，沟道如图01.15(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图01.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,图01.16 漏极输出特性曲线,ID=f(VDS)VGS=const,VGD=VGSVDS=VGS(th)VDS=VGS(th)-VGS,预夹断轨迹方程：,(2)N沟道耗尽型MOSFET,当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图01.17(b)所示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图01.17(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,(a)结构示意图(b)转移特性曲线 图01.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线,(3)P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,伏安特性曲线,场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图01.18之中。,图01.18 各类场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,场效应绝缘栅管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,1.5.3 结型场效应三极管,(1)结型场效应三极管的结构 JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图01.19所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。图01.19 结型场效应三极管的结构(动画2-8）,(2)结型场效应三极管的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，N沟道结型场效应三极管工作在负栅压区，P沟道的工作在正栅压区，否则会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,栅源电压对沟道的控制,当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。这一过程如图01.20所示。,图01.20 VGS对沟道的控制作用（动画2-9）,当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。,漏源电压对沟道的控制作用,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，如图01.21(b)所示。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似，见图01.15。图02.21 漏源电压对沟道的控制作用（动画2-9）,在栅极加上电压，且VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布，如图01.21(a)所示。,(3)结型场效应三极管的特性曲线,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线如图01.22所示。,(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线 图01.22 N沟道结型场效应三极管的特性曲线动画（2-6）动画（2-7）,1.5.4 场效应三极管的参数和型号,(1)场效应三极管的参数 开启电压VGS(th)(或VT)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,夹断电压VGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。,饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管,当VGS=0时所对应的漏极电流。,输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。,低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,(2)场效应三极管的型号,场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,几种常用的场效应三极管的主要参数见表01.02。,半导体三极管图片,半导体三极管图片,1.5.5 双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm),双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,