半导体三极管和场效应管.ppt

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1、第二章 半 导 体 三极管,2.1 双极型半导体三极管 2.2单极型半导体三极管 2.3 半导体三极管电路的基本分析方法2.4 半导体三极管的测试与应用,2.1 双极型半导体三极管,图 2-1 几种半导体三极管的外形,2.1.1 晶体三极管的工作原理,图 2 2 晶体三极管的结构示意图和符号,一、结构及符号,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。常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PN

2、P)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。,二、三极管的三种连接方式,图 2-3 三极管的三种连接方式,三、三极管的放大作用,1.载流子的传输过程发射。(2)扩散和复合。(3)收集。,图 2 4 三极管中载流子的传输过程,2.电流分配,图 2-5 三极管电流分配,集电极电流由两部分组成：和,前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的,后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。于是有(2-1),发射极电流也由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流,是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂,所以忽略不计,即。又分成两部分

3、,主要部分是,极少部分是。是电子在基区与空穴复合时所形成的电流,基区空穴是由电源提供的,故它是基极电流的一部分。,基极电流是与之差：,(2-2),(2-3),发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成集电极电流,即要求。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系,用来表示,其定义为,(2-4),一般三极管的值为0.970.99。将(2-4)式代入(2-1)式,可得,(2-5),通常CBO,可将忽略,由上式可得出,(2-6),三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即,将此式代入(2-5)式得,(2-7),经过整理后得,令,称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时,又可写成,(2-8),(2

4、-9),则,其中ICEO称为穿透电流,即,表2-1 三极管电流关系的一组典型数据,相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比,定义为共基极交流电流放大系数,即,故,显然与,与其意义是不同的,但是在多数情况下,。例如,从表2-1 知,在mA附近,设由mA变为mA,可求得,2.1.2三极管的特性曲线,图 2 6 三极管共发射极特性曲线测试电路,1.输入特性,当不变时,输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性,即,图 2-7 三极管的输入特性,2.输出特性 当不变时,输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性,即,图 2-8 三极管的输出特性,(1)截止区。一般将的区域称为截止区,在

5、图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零,因而此时三极管没有放大作用。其实时,并不等于零,而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于A,在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。当发射结反向偏置时,发射区不再向基区注入电子,则三极管处于截止状态。所以,在截止区,三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管,BC。,(2)放大区。此时发射结正向运用,集电结反向运用。在曲线上是比较平坦的部分,表示当一定时,的值基本上不随CE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时,相应的集电极电流将产生较大的变化量,此时二者的关系为 该式体现了三

6、极管的电流放大作用。对于三极管,工作在放大区时.V,而。,(3)饱和区。曲线靠近纵轴附近,各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在这个区域,不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起,即当较小时,管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化,这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用,或关系不成立。一般认为CENE,即CB时,三极管处于临界饱和状态,当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时,小功率管管压降通常小于.V。三极管工作在饱和区时,发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管,。,2.1.3 三极管的主要参数,(1)共发射极交流电流放大系数。体现共射极接法之下的电

7、流放大作用。,(2)共发射极直流电流放大系数。由式(2-10)得,(3)共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的电流放大作用。,(4)共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流时,2.极间反向电流,图 2-9 三极管极间反向电流的测量,3极限参数,(1)集电极最大允许电流。,图 2-10 与IC关系曲线,(2)集电极最大允许功率损耗。当三极管工作时,管子两端电压为,集电极电流为,因此集电极损耗的功率为,图 2-11 三极管的安全工作区,4.反向击穿电压 CBO发射极开路时,集电极-基极间的反向击穿电压。CEO基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。CER基射极间接有电阻时,集电极-发射极

8、间的反向 击穿电压。CES基射极间短路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。EBO集电极开路时,发射极-基极间的反向击穿电压,此 电压一般较小,仅有几伏左右。上述电压一般存在如下关系：,2.2 单极型半导体三极管,场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管

9、（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。,2.2.1 MOS场效应管,这种场效应管是由金属（Metal）,氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故称MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式不同可以分为增强型和耗尽型两类。,一、增强型沟道绝缘栅场效应管 1、结构和符号 图2-12是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作

10、一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。,图2-12 MOS管的结构及其图形符号,绝缘栅场效应管的图形符号如图2-12（b）、(c)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(b)，否则为P沟道MOS管(图(c)。,2）工作原理 图2-13是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图，图2-13（b）是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。当UGS=0时，漏极与源极之间没有原始的导

11、电沟道，漏极电流ID=0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故。,图2-13 N沟道增强型MOS管工作原理(a)示意图；(b)电路图,当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流ID时所

12、对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。,当UGSUGS(th)时，UGS增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。所以改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流ID的大小，随着UGS的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。必须强调，这种管子当UGSUGS(th)时，反型层（导电沟道）消失，ID=0。只有当UGSUGS(th)时，才能形成导电沟道，并有电流ID。,3）特性曲线（1）转移特性曲线为,由图2-14所示的转移特性曲线可见，当UGSUGS(th)时，导电沟道没有形成，ID=0。当UGSUGS(t

13、h)时，开始形成导电沟道，并随着UGS的增大，导电沟道变宽，沟道电阻变小，电流ID增大。（2）输出特性曲线为,图2-14 转移特性曲线,图2-15为输出特性曲线，与结型场效应管类似，也分为可变电阻区、恒流区（放大区）、夹断区和击穿区，其含义与结型场效应管输出特性曲线的几个区相同。,图2-15 输出特性曲线,二、耗尽型沟道绝缘栅场效应管,1、结构、符号和工作原理 N沟道耗尽型MOS管的结构如图2-16（a）所示，图形符号如图2-16（b）所示。N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，这些正离子的存在，使得UGS=0时，就有垂直电场进入半导体，并吸引自由电子到半导体的表

14、层而形成N型导电沟道。,图2-16 N沟道耗尽型MOS管的结构和符号（a）结构;（b）图形符号,如果在栅源之间加负电压，UGS所产生的外电场就会削弱正离子所产生的电场，使得沟道变窄，电流ID减小;反之，电流ID增加。故这种管子的栅源电压UGS可以是正的，也可以是负的。改变UGS，就可以改变沟道的宽窄，从而控制漏极电流ID。2）特性曲线（1）输出特性曲线。N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线如图2-17（a）所示，曲线可分为可变电阻区、恒流区（放大区）、夹断区和击穿区。,图2-17 N沟道耗尽型MOS管特性（a）输出特性曲线,（2）转移特性曲线。N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线如图2-17（b）

15、所示。从图中可以看出，这种MOS管可正可负，且栅源电压UGS为零时，灵活性较大。当UGS=0时，靠绝缘层中正离子在P型衬底中感应出足够的电子，而形成N型导电沟道，获得一定的IDSS。当UGS0时，垂直电场增强，导电沟道变宽，电流ID增大。当UGS0时，垂直电场减弱，导电沟道变窄，电流ID减小。当UGS=U GS(th)时，导电沟道全夹断，ID=0。,图2-17 N沟道耗尽型MOS管特性（a）输出特性曲线;b）转移特性曲线,2.2.2 结型场效应管,1.工作原理 现以N沟道结型场效应管为例讨论外加电场是如何来控制场效应管的电流的。如图2-18所示，场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对

16、于N沟道，各极间的外加电压变为UGS0，漏源之间加正向电压，即UDS0。当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。,图2-18 结型场效应管的工作原理,1）UGS对导电沟道的影响 当UGS时，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，形成两个耗尽层,如图219（）所示。此时耗尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。当|UGS|值增大时，栅源之间反偏电压增大，PN结的耗尽层增宽，如图219（b）所示。导致导电沟道变窄，沟道电阻增大。当|UGS|值增大到使两侧耗尽层相遇时，导电沟道全部夹断，如图219

17、（c）所示。沟道电阻趋于无穷大。对应的栅源电压UGS称为场效应管的夹断电压，用UGS(off)来表示。,图219 UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断,2）UDS对导电沟道的影响 设栅源电压UGS=0,当UDS=0时，ID=0，沟道均匀，如图219（a）所示。当UDS增加时，漏极电流ID从零开始增加，ID流过导电沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不再相等，沟道不再均匀。靠近源极端的耗尽层最窄，沟道最宽;靠近漏极端的电位最高，且与栅极电位差最大，因而耗尽层最宽，沟道最窄。由图218可知，UDS的主要作用是形成漏极电流ID。,3）UDS和UGS对

18、沟道电阻和漏极电流的影响 设在漏源间加有电压UDS，当UGS变化时，沟道中的电流ID将随沟道电阻的变化而变化。当UGS=0时，沟道电阻最小，电流ID最大。当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流ID减小，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。当0UGSUGS(off)时，沟道电流ID在零和最大值之间变化。改变栅源电压UGS的大小，能引起管内耗尽层宽度的变化，从而控制了漏极电流ID的大小。场效应管和普通三极管一样，可以看作是受控的电流源，但它是一种电压控制的电流源。,2.结型场效应管的特性曲线 1）转移特性曲线 转移特性曲线是指在一定漏源电压UDS作用下，栅极电压UGS对漏极电流

19、ID的控制关系曲线，即,2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）输出特性曲线是指在一定栅极电压UGS作用下，ID与UDS之间的关系曲线，即,图2-20 转移特性曲线,图2-21 结型场效应管的输出特性曲线,2.2.3 场效应管的主要参数,开启电压UGS(th)(或UT)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UGS(off)(或UP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。,饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当UGS=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

20、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。,附：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,