三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理.pptVIP

第二章：三極管及其基本放大電路,半導(dǎo)體三極管是最重要的半導(dǎo)體器件，是電子電路中的核心器件，被廣泛應(yīng)用到了各種電子線路中，是電子線路的靈魂。,本章主要介紹雙極性三極管的特點、基本放大電路、多級放大電路。,2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管,三極管是組成各種電子電路的核心器件。通過一定的制造工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起，是三極管具有放大作用。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。,2.1.1 雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)類型和符號,雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極：,發(fā)射極e,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),集電極c,基極b,NPN型,PNP型,根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導(dǎo)電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導(dǎo)電，即為單極型。,NPN型三極管圖符號,大功率低頻三極管,小功率高頻三極管,中功率低頻三極管,e,c,b,PNP型三極管圖符號,e,c,b,注意：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向。,2.1.2 雙極型三極管的電流分配關(guān)系及放大作用,晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖,e發(fā)射極,集電區(qū)N,基區(qū)P,發(fā)射區(qū)N,b基極,c集電極,晶體管實現(xiàn)電流 放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件,(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有 足夠的載流子供“發(fā)射”。,(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī) 會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個 微米，且摻雜濃度極低。,(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利 收集邊緣載流子，摻雜濃度界于 發(fā)射極和基極之間。,可見，雙極型三極管并非是兩個PN 結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。,晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件,(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散 電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形 成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。,(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的 多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。,IE,IC,IB,整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： IE=IB+IC,結(jié)論,由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。,回顧與總結(jié),1. 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程,由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過 來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。,2. 電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程,集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣 的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。,3. 集電區(qū)收集電子的過程,只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。,三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的 比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小 的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40 A增加到50A時，IC將從3.2mA增大到4mA，即：,顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的值稱為 三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號、不同類型和用途的三 極管，值的差異較大，大多數(shù)三極管的值通常在幾十 至幾百的范圍。,由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。,2.1.3 雙極型三極管的特性曲線,所謂伏安特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來看，外部特性更為重要。,(1) 輸入特性曲線,以常用的共射極放大電路為例說明（ UCE為常數(shù)時，IB和UBE之間的關(guān)系）,UCE=0V,令UBB從0開始增加,令UCC為0,UCE=0時的輸入特性曲線,UCE為0時,令UBB重新從0開始增加,增大UCC,讓UCE=0.5V,UCE =1V,UCE=0.5V,UCE=0.5V的特性曲線,繼續(xù)增大UCC,讓UCE=1V,令UBB重新從0開始增加,UCE=1V,UCE=1V的特性曲線,繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后 的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不 再變化。,實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。,UCE1V的特性曲線,(2) 輸出特性曲線,先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。,當(dāng)IB不變時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。,然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。,根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。,IB,0,再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變。,仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增 大，繼續(xù)觀察毫安表中IC 的變化并記錄下來。,根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。,IB1,IB2,IB3,IB=0,如此不斷重復(fù)上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。,輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨UCE的增加而急劇增大。,當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。,當(dāng)IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC 。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。,當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移， 且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。,從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)。,取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；,再讀出這兩條曲線對應(yīng)的集電極電流之差I(lǐng)C=1.3mA；,IC,于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)： =IC/IB=1.30.04=32.5,輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：,飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對IC的影響很小。,截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于和等于零。,放 大 區(qū),晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正 偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電 流與基極電流之間成倍的數(shù)量關(guān)系， 即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用。,此時UCE小于UBE,規(guī)定： UCE=UBE時，為臨近飽和狀態(tài)，用UCES（0.3或0.1）表示，此時集電極臨近飽和電流是,管子深度飽和時，硅管的VCE約為0.3V，鍺管約為0.1V, 由于深度飽和時VCE約等于0，晶體管在電路中猶如一個閉合的開關(guān)。,例1: 用直流電壓表測得放大電路中晶體管T1各電極的對地電位分別為V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V，如圖（a）所示, T2管各電極電位V1 = +0V，V2= -0.3V，V3= -5V，如圖（b）所示，試判斷T1和T2各是何類型、何材料的管子，x、y、z各是何電極？,解： 工作在放大區(qū)的NPN型晶體管應(yīng)滿足VCVB VE ，PNP型晶體管應(yīng)滿足VCVB VE，因此分析時,先找出三電極的最高或最低電位，確定為集電極,而電位差為導(dǎo)通電壓的就是發(fā)射極和基極。根據(jù)發(fā)射極和基極的電位差值判斷管子的材質(zhì)。,（1） 在圖（a）中，3與2的電壓為0.7V，可確定為硅管，因為V1V3 V2,，所以1為集電極，2為發(fā)射極，3為基極，滿足VCVB VE,的關(guān)系，管子為NPN型。 （2）在圖（b）中，1與2的電壓為0.3V，可確定為鍺管，又因V3V2 V1,，所以3為集電極，1為發(fā)射極，2為基極，滿足VCVB VE的關(guān)系，管子為PNP型。,V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V,V1 = +0V，V2 = -0.3V，V3= -5V,例2圖所示的電路中，晶體管均為硅管,=30，試分析各晶體管的工作狀態(tài)。 解: （1）因為基極偏置電源+6V大于管子的導(dǎo)通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏，管子導(dǎo)通,基極電流：,（2）因為基極偏置電源-2V小于管子的導(dǎo)通電壓，管子的發(fā)射結(jié)反偏，管子截止，所以管子工作在截止區(qū)。,(3)因為基極偏置電源+2V大于管子的導(dǎo)通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏,管子導(dǎo)通基極電流:：,2.1.4 三極管的主要參數(shù),1.電流放大倍數(shù),2.極限參數(shù),集電極最大允許電流ICM,反向擊穿電壓U(BR)CEO,UCC,U(BR ) CEO,基極開路,指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。,使用中若超過此值,晶體管的集電結(jié)就會出現(xiàn)擊穿。,值的大小反映了晶體管的電流放大能力。,ICICM時，晶體管不一定燒損，但值明顯下降。,集電極最大允許功耗PCM,晶體管上的功耗超過PCM，管子將損壞。,安 全 區(qū),3.極間電流,集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEO（穿透電流） 指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間加一定反向電壓時的集電極電流。該值越小越好。 . 集電極反向飽和電流ICBO,是少數(shù)載流子運(yùn)動的結(jié)果，其值越小越好。,4.溫度對晶體管參數(shù)的影響,見書的27頁,晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。,晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，UCEUBE，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降。,學(xué)習(xí)與討論,為了使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復(fù)合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分?jǐn)U散電子與基區(qū)空穴相復(fù)合形成基極電流，剩余大部分?jǐn)U散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流。,用萬用表測試二極管好壞及極性的方法,用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦?？并判別其極性。,正向?qū)娮韬苄?。指針偏轉(zhuǎn)大。,反向阻斷時電 阻很大，指針基本不動。,選擇萬用表R1k 的歐姆檔，其中黑表棒作為電源正極， 紅表棒作為電源負(fù)極，根據(jù)二極管正向?qū)?、反向阻斷?單向?qū)щ娦詫⒈戆魧φ{(diào)一次即可測出其極性及好壞。,如何判斷二級管的正負(fù)極呢？,用萬用表測試三極管好壞及極性的方法,用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型：,指針不動，說明管子反偏截止，因此為NPN型。,先將萬用表置于Rlk 歐姆檔，將紅表棒接假定的基極B，黑表棒分別與另兩個極相接觸，觀測到指針不動(或近滿偏)時，則假定的基極是正確的;且晶體管類型為NPN型（或PNP型）。,如果把紅黑兩表棒對調(diào)后，指針仍不動(或仍偏轉(zhuǎn))，則說明管子已經(jīng)老化(或已被擊穿)損壞。,想一想，這種檢測方法依據(jù)的是什么？,指針偏轉(zhuǎn)，說明管子正向?qū)?，因此為PNP型。,PN結(jié)的 單向?qū)щ娦?若被測管為NPN三極管，讓黑表棒接假定的集電極C ，紅表棒接假定的發(fā)射極E 。兩手分別捏住B、C兩極充當(dāng)基極電阻RB(兩手不能相接觸)。注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小； 之后，再將兩檢測極反過來假定，仍然注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小。,c,b,e,人體電阻,c,b,e,人體電阻,假定極正確,假定極錯誤,用萬用表R1k歐姆檔判別發(fā)射極E和集電極C,偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的！偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降，即集電極和發(fā)射極接反了。 如果兩次檢測時電阻相差不大，則說明管子的性能較差。,1.三極管起電流放大作用，其內(nèi)部、外部條件分別要滿足哪些？,你會做嗎？,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,2.使用三極管時，只要集電極電流超過ICM值；耗散功率超過PCM值；集射極電壓超過U（BR）CEO值，三極管就必然損壞。上述說法哪個是對的？,3.用萬用表測量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說明每個管子是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么區(qū)域？ UBE0.7V，UCE0.3V； UBE0.7V，UCE4V； UBE0V，UCE4V； UBE0.2V，UCE0.3V； UBE0V，UCE4V。,NPN硅管，飽和區(qū),NPN硅管，放大區(qū),NPN硅管，截止區(qū),PNP鍺管，飽和區(qū),PNP鍺管，截止區(qū),2.2放大電路基本組成,1.5 單極型三極管,雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的 電流控制型器件，因工作時兩種載流子同時參與導(dǎo)電而稱之 為雙極型。單極型三極管因工作時只有多數(shù)載流子一種載流 子參與導(dǎo)電，因此稱為單極型三極管；單極型三極管是利用 輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。,上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實物圖。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其中絕緣柵型場效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，其 中又分增強(qiáng)型和耗盡型兩類，且各有N溝道和P溝道之分。,1、MOS管的基本結(jié)構(gòu),N+,N+,以P型硅為襯底,二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層,兩端擴(kuò)散出兩個高濃度的N區(qū),N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié),由襯底引出電極B,由高濃度的N區(qū)引出的源極S,由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D,由二氧化硅層表面直接引出柵極G,雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高。,大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起,鋁電極、金屬 （Metal）,二氧化硅氧化物 （Oxide）,半導(dǎo)體 （Semiconductor),故單極型三極管又稱為MOS管。,MOS管電路的連接形式,漏極與源極間 電源UDS,柵極與源極間 電源UGS,如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般P型硅襯底應(yīng)接低電位，N型硅襯底應(yīng)接高電位，由導(dǎo)電溝道的不同而異。,不同類型MOS管的電路圖符號,由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道。,虛線表示 增強(qiáng)型,實線表示 耗盡型,2. 工作原理,以增強(qiáng)型NMOS管為例說明其工作原理。N溝道增強(qiáng)型MOS管不存在原始導(dǎo)電溝道。,當(dāng)柵源極間電壓UGS=0 時，增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在兩個背靠背的PN結(jié)。,不存在 原始溝道,+,UDS,UGS=0,此時無論UDS是否為0，也無論其極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導(dǎo)通，ID=0。MOS管處于截止區(qū)。,P,ID=0,怎樣才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道呢？,在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷。,+,UDS=0,UGS,電場力 排斥空穴,二氧化硅層在 UGS作用下被充 電而產(chǎn)生電場,形成耗盡層,出現(xiàn)反型層 形成 導(dǎo)電溝道,電場吸引電子,導(dǎo)電溝道形成時，對應(yīng)的柵源間電壓UGS=UT稱為開啟電壓。,UT,當(dāng)UGSUT、UDS0且較小時,UDS,UGS,ID,當(dāng)UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時，ID隨著UGS的增大而增大。,此時增大UDS，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度，ID又將隨著UDS的增大而增大。,直到UGD=UGSUDS=UT時，相當(dāng)于UDS增加使漏極溝道縮減到導(dǎo)電溝道剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，ID基本飽和。,導(dǎo)電溝道加厚 產(chǎn)生漏極電流,如果繼續(xù)增大UDS，使UGDUT時，溝道夾斷區(qū)延長，ID達(dá)到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進(jìn)入飽和區(qū)。,溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無關(guān)，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來控制漏極電流ID大小的一種電壓控制器件。,MOS管的工作過程可參看下面動畫演示：,3. MOS管使用注意事項,(1) MOS管中, 有的產(chǎn)品將襯底引出，形成四個管腳。使用者可視電路需要進(jìn)行連接。P襯底接低電位，N襯底接高電位。但當(dāng)源極電位很高或很低時 , 可將源極與襯底連在一起。,(2)場效應(yīng)管的漏極與源極通常可以互換，且不會對伏安特性曲線產(chǎn)生明顯影響。注意：大多產(chǎn)品出廠時已將源極與襯底連在一起了，這時源極與漏極就不能再進(jìn)行對調(diào)使用。,(3)MOS管不使用時 , 由于它的輸入電阻非常高, 須將各電極短 路 , 以免受外電場作用時使管子損壞。即MOS管在不使用時 應(yīng)避免柵極懸空，務(wù)必將各電極短接。,(4)焊接MOS管時，電烙鐵須有外接地線，用來屏蔽交流電 場，以防止損壞管子。特別是焊接絕緣柵場效應(yīng)管時，最 好斷電后再焊接。,單極型晶體管和雙極型晶體管的性能比較,1. 場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于雙極型晶體管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。 2. 場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，場效應(yīng)管柵極基本上不取電流，而雙極型晶體管工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應(yīng)該選用場效應(yīng)管；而在允許取一定量電流時，選用雙極型晶體管進(jìn)行放大可以得到比場效應(yīng)管較高的電壓放大倍數(shù)。 3. 場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而雙極型晶體管則是既利用多子，又利用少子。由于少子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效應(yīng)管比較合適。 4. 場效應(yīng)管的源極和襯底未連