浙大模電課件第一章第二節(jié)

1、第一篇第一篇 電子器件基礎(chǔ)電子器件基礎(chǔ) 1.2.4 雙極型三極管雙極型三極管1.1.4 雙極型三極管的伏安特性及其模型雙極型三極管的伏安特性及其模型一、雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)v簡稱：晶體管、三極管 v內(nèi)部參與導(dǎo)電有自由電子、空穴兩種極性載流子： 雙極型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT）v分類：材料：硅三極管、鍺三極管摻雜：NPN型、PNP型頻率：高、低功率：大、中、小v基本結(jié)構(gòu)：N+NPvNPN型三極管發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極（e）集電極（c）基極（b）發(fā)射結(jié)（Je）集電結(jié)（Jc）vPNP型三極管P+PN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極（e）集電極（c）基極（b）發(fā)射結(jié)

2、（Je）集電結(jié)（Jc）二、三極管放大電路的電流分配0BEU0BCUN+NPVEEReVCCRC e b cENEIICBOBNBIIICBOCNCIIIENIEIeCBOIBNIBIbCNICIc發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏v放大的工作條件v放大工作時 各電流的分配關(guān)系b (P)c (N)e (N)IBICIE少子漂移I CBO基區(qū)復(fù)合I BN多子擴散I CNv四種工作狀態(tài)JeJc狀態(tài)反偏反偏截止反偏正偏倒置正偏反偏放大正偏正偏飽和ENEIICBOBNBIIICBOCNCIII三、三極管電路的基本組態(tài)v區(qū)分依據(jù)共 基 極（CB），共基組態(tài) 共發(fā)射極（CE），共射組態(tài) 共集電極（CC），共集組態(tài) 一極連

3、接輸入端；一極連接輸出端；第三極作為輸入、輸出的公共端；v三種基本組態(tài)“公共的極”即為組態(tài)形式。v放大系統(tǒng)的組成輸入信號源 輸出負載 供電電源 放大電路 v共基組態(tài)共基直流電流放大倍數(shù)E區(qū)自由電子到達C極形成的電流 與E極電流之比CBOEBCBOECBCE)1 (IIIIIIIII輸入：E極輸出：C極公共端：B極995. 095. 0,/ENCNII一定條件下，輸入/輸出電流成線性關(guān)系，三極管是一種電流控制器件。v共射組態(tài) 共射極直流電流放大倍數(shù) 到達集電極的電流 與基區(qū)復(fù)合電流的比值 BNCN/II 輸入：B極輸出：C極公共端：E極一定條件下，輸入/輸出電流成線性關(guān)系，三極管是一種電流控制器

4、件。BCEOBCBOBCBOBNC1III)I(IIIIv共基共射電流放大倍數(shù)的關(guān)系1,1BEBC)1 (IIII共射：共基：EBEC)1 (IIIIv共集組態(tài) BCEOBCBE)1 ()1 (IIIIII輸入：B極輸出：E極公共端：C極一定條件下，輸入/輸出電流成線性關(guān)系，三極管是一種電流控制器件。四、三極管的伏安特性曲線 通過晶體管特性圖示儀直接顯示三極管的伏安特性曲線 VCE = 0V 時VCE 增長時CBEBCE)(vvfiv共射極輸入特性VCE 1V 后截止區(qū) 飽和區(qū) 放大區(qū) CCECB| )(ivfi輸出特性的三個區(qū)域v共射極輸出特性截止區(qū) 三極管處于截止?fàn)顟B(tài)的條件： 外加電壓使發(fā)

5、射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置， 即：VBE0, VBC0, IB0, IC0； 三極管失去了放大能力。三極管截止?fàn)顟B(tài)的判斷依據(jù) 三極管截止?fàn)顟B(tài)的電路模型 飽和區(qū) 三極管處于飽和狀態(tài)的條件： 發(fā)射結(jié)正偏，VBE = 0.70.8V； 集電結(jié)為正偏。三極管 飽和狀態(tài)時的特征三極管的 飽和壓降三極管 臨界飽和狀態(tài)三極管 深度飽和狀態(tài)三極管 深度飽和狀態(tài) 時的電路模型 放大區(qū)（恒流區(qū) ） 三極管處于放大狀態(tài)的條件： 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管放大狀態(tài)時的特征三極管放大狀態(tài)的電路模型 vPNP型晶體管的伏安特性曲線v 判斷三極管工作狀態(tài)的方法（NPN管為例）判斷是否為截止?fàn)顟B(tài)？ 依據(jù)為發(fā)射結(jié)是否非正偏

6、，IB是否小于0等BCII按放大區(qū)模型計算后，若： VCE 0.7V，則為放大狀態(tài)。 此時：100k2k1V20V7 .30cbCBRRVVRbVBVCRck10bR五、三極管的主要參數(shù) v電流放大系數(shù)（倍數(shù)） BCBCEOCIIIII直流共射電流放大系數(shù)：20020,BCII交流共射電流放大系數(shù)：ECII直流共基電流放大系數(shù)：995. 095. 0,ECII交流共基電流放大系數(shù)：v極間反向電流 集電結(jié)反向飽和電流 ICBO 穿透電流 ICEO 取決于溫度和少子濃度。 小功率硅管，ICBO小于0.1A；鍺管ICBO在幾A至十幾A 。發(fā)射極開路時，集電極與基極間的反向飽和電流。 基極開路，集射間

7、加上一定反向電壓時， 從集電極穿過基區(qū)流入發(fā)射極的反向飽和電流。 ICEO是衡量三極管性能穩(wěn)定與否的重要參數(shù)之一，值愈小愈好。 小功率硅管在幾微安以下，小功率鍺管約在幾十至幾百微安。 v 極限參數(shù) 集電極最大允許電流 ICM 電流放大系數(shù)下降至正常值 2/3 時的 IC 值 集電極最大允許功率損耗 PCM PCM = ICVCE PCM 取決于管子所允許的溫升。 硅管最高結(jié)溫為 150，鍺管為 75。 超過這個數(shù)值將導(dǎo)致管子性能迅速變壞，以至燒毀。 PCM 與散熱條件有關(guān)。反向擊穿電壓 V(BR)EBO ：集電極開路，Je 結(jié)的反向擊穿電壓，值幾伏十幾伏 。V(BR)CBO ：發(fā)射極開路，Jc

8、 結(jié)的反向擊穿電壓，值通常為幾十伏， 高反壓管可高達上千伏 。V(BR)CEO ：基極開路，JC-JE 間的反向擊穿電壓，通常比V(BR)CBO小。 v 三極管的安全工作范圍和溫度穩(wěn)定性 三極管的安全工作范圍 三極管的下列三個極限參數(shù)： PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上畫出安全工作區(qū) 三極管的溫度穩(wěn)定性 輸入特性與溫度的關(guān)系 溫度升高，發(fā)射結(jié)正向壓降VBE減小，溫度系數(shù)約-2.5mV/ ICBO 、ICEO 、 均隨溫度升高迅速增大，溫度升高，整簇輸出特性曲線都上移，曲線間距拉大 。輸出特性與溫度的關(guān)系 1.2.5 場效應(yīng)管場效應(yīng)管1.1.5 場效應(yīng)管的伏安特性及其模型場效應(yīng)管

9、的伏安特性及其模型一、場效應(yīng)晶體管簡介v簡稱：場效應(yīng)管 v利用極間電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制電流。v輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、噪聲低、抗輻射能力強、 體積小、功耗低、制造工藝簡單、易于大規(guī)模集成。v分類：v工作電流主要由多數(shù)載流子的漂移運動形成。溝道溝道結(jié)型耗盡型增強型溝道耗盡型增強型溝道絕緣柵型場效應(yīng)管PNPN二、N溝道增強型絕緣柵型場效應(yīng)管v基本結(jié)構(gòu)與電路符號 2個N+加襯底P，加SiO2，再加鋁極。 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)場效應(yīng)管的柵極與其它電極絕緣。源(Source)、漏(Drain)、柵(Gate)三極。 N+N+vGS = 0v工作原理 漏源間只是

10、兩個“背向”串聯(lián)的PN結(jié)， 漏-源間為高阻。vGS 0vGS 將在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個垂直電場；漏-源間的P型襯底表面感應(yīng)出電子層（反型層） ；兩個N+區(qū)連通，形成N型導(dǎo)電溝道，漏-源間為低阻；vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，等效電阻越小，導(dǎo)電能力增強；開始形成導(dǎo)電溝道所需的最小柵-源電壓vGS稱為開啟電壓VGS(th) ， 習(xí)慣上常表示為VT。 TGSDSTDSGSVvvVvvTGSDSTDSGS0VvvVvv產(chǎn)生漏-源電流 iD ；由于溝道電阻的存在， iD 沿溝道方向所產(chǎn)生的電壓降使溝道上的電場產(chǎn)生不均勻分布；vGS 最大，vGD = vGSvDS 最小，溝道呈楔形分布。vGS VT 并保持

11、恒定，同時加上 vDS 預(yù)夾斷iD 恒流TGSDSTDSGSVvvVvvv伏安特性與電流方程常數(shù)GS)(DSDvvfi可變電阻區(qū) ： 導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷之前 常數(shù)GSDDSDSvivRTDSGSTGS,VvvVv輸出特性（漏極特性）放大區(qū)（恒流區(qū)、飽和區(qū)） ： 導(dǎo)電溝道被夾斷后 截止區(qū) ： 無導(dǎo)電溝道TDSGSTGS,VvvVv0,DTGSiVv轉(zhuǎn)移特性 常數(shù)DS)(GSDvvfi2TGSDOD) 1(VvIiIDO 是vGS = 2VT 時的漏極電流 IDO(VT)制造過程中人為地在SiO絕緣層中 摻入了大量的K+(鉀)或Na+(鈉)正離子； vGS = 0時，依靠正離子的作用，P型襯底表面感

12、應(yīng)出N型反型層， 將兩個N+區(qū)連通，形成原始的N型導(dǎo)電溝道； vDS 一定時，外加正柵壓（vGS 0）后，導(dǎo)電溝道變厚， 溝道等效電阻下降，導(dǎo)電能力增強；減少 vGS 至負柵壓（vGS 0）時，溝道變薄，溝道電阻增大， 導(dǎo)電能力減弱； vGS負到某一定值 VGS(off)（常以 VP 表示）時，導(dǎo)電溝道消失， 整個溝道被夾斷，iD0，管子截止。 三、N溝道耗盡型絕緣柵型場效應(yīng)管2PGSDSSD)1 (VvIiIDSS 是 vGS = 0時的飽和漏極電流 伏安特性與電流方程v基本結(jié)構(gòu)與符號 JFET 在 vGS = 0 時，存在原始的導(dǎo)電溝道，屬于耗盡型； JFET 正常工作時，兩個PN結(jié)必須反

13、偏； JFET 通過vGS 改變半導(dǎo)體內(nèi)耗盡層厚度（溝道的截面積）來控制 iD， 所以稱為體內(nèi)場效應(yīng)器件 。四、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）v工作原理v伏安特性與電流方程2PGSDSSD)1 (VvIiIDSS ： vGS = 0 時飽和漏極電流 v直流參數(shù) 增強型管開啟電壓 VGS(th)（VT） 耗盡型管夾斷電壓 VGS(off) （VP）耗盡型管在 vGS = 0 時的飽和區(qū)漏極電流 IDSS 直流輸入電阻 RGS(DC) ： vDS = 0 時，柵源電壓 vGS 與柵極電流 iG 之比五、場效應(yīng)管的主要參數(shù)v交流參數(shù) 低頻跨導(dǎo)(互導(dǎo)) gm轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率 常數(shù)DSGSDmvvig

14、交流輸出電阻 rds 常數(shù)GSDDSdsvivrv極限參數(shù) 最大漏源電壓 V(BR)DS：漏極附近發(fā)生雪崩擊穿時的vDS 最大柵源電壓 V(BR)GS：柵極與源極間PN結(jié)的反向擊穿電壓 最大耗散功率 PDM二極管、三極管、場效應(yīng)管、電阻、電容 各種連線v集成電路 - 同一塊硅片制作特殊功能電路 v集成電路 - 器件之間絕緣 介質(zhì)(如SiO2)隔離 - 模擬集成電路PN結(jié)隔離 - 數(shù)字集成電路 小規(guī)模SSI 、中規(guī)模MSI 、大規(guī)模LSI和超大規(guī)模VLSI 模擬集成電路，數(shù)字集成電路 v集成電路分類1.2.6 集成電路中的電子器件集成電路中的電子器件v結(jié)論：等效復(fù)合管的12 ；等效復(fù)合管的管型取決于第一只管子的類型 ；等效復(fù)合管的輸入電流可大大減小，T1可采用小功率管； 組成復(fù)合管時也可由晶體管和場效應(yīng)管或多個晶體管進行復(fù)合。 v兩只或兩只以上的半導(dǎo)體三極管（或場效應(yīng)管）按一定方式 連接成達林頓管（Darlington ）。v常見達林頓管組合：一、復(fù)合管v多集電極管集電極電流之比 iC1/iC2 約等于集電區(qū)面積之比。 利用它的多個集電極可以構(gòu)成 多個具有比較穩(wěn)定電流關(guān)系的電流源。 二、多集電極管和多發(fā)射極管v多發(fā)射極三極管 多發(fā)射極三極管常作為門電路的輸入