模擬電子技術(shù)三極管詳解

模擬電子技術(shù)三極管詳解第1頁/共55頁半導體三極管第

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章2.1雙極型半導體三極管2.2單極型半導體三極管2.3半導體三極管電路的基本分析方法2.4半導體三極管的測試與應(yīng)用第2頁/共55頁半導體三極管第

2

章2.1雙極型半導體三極管2.1.1晶體三極管2.1.2晶體三極管的特性曲線2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)第3頁/共55頁(SemiconductorTransistor)第2章半導體三極管2.1.1晶體三極管一、結(jié)構(gòu)、符號和分類NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分類：按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：

NPN、PNP按使用頻率分：

低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.51W大功率管>1WECBECB第4頁/共55頁二、電流放大原理1.三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏2.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極實現(xiàn)電路uiuoRBRCuouiRCRE第2章半導體三極管第5頁/共55頁3.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1)

發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子，形成發(fā)射極電流

IE。ICN多數(shù)向BC結(jié)方向擴散形成ICN。IE少數(shù)與空穴復合，形成IBN。IBN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)

集電區(qū)收集擴散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO2)電子到達基區(qū)后(基區(qū)空穴運動因濃度低而忽略)三極管內(nèi)載流子運動第2章半導體三極管第6頁/共55頁4.三極管的電流分配關(guān)系當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透電流第2章半導體三極管第7頁/共55頁2.1.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++iBRB+uBEVBB+O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導通電壓UBE(on)硅管：(0.60.8)V鍺管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2VVBB+RB第2章半導體三極管第8頁/共55頁二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個結(jié)反偏2.放大區(qū)：3.飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結(jié)正偏特點：IC

IB臨界飽和時：uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點：水平、等間隔ICEO輸出特性第2章半導體三極管第9頁/共55頁三、溫度對特性曲線的影響1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10C，ICBO

約增大1倍。2.溫度升高，輸出特性曲線向上移。OT1T2>iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0溫度每升高1C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O第2章半導體三極管第10頁/共55頁2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321—直流電流放大系數(shù)

—交流電流放大系數(shù)一般為幾十幾百2.共基極電流放大系數(shù)1一般在0.98以上。

Q二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。第2章半導體三極管第11頁/共55頁三、極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO

(P34

2.1.7)已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，當UCE

=

10V時，IC<

mA當UCE

=

1V，則IC<

mA當IC

=

2mA，則UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)第2章半導體三極管第12頁/共55頁2.2單極型半導體三極管

引言2.2.2結(jié)型場效應(yīng)管2.2.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.2.1MOS場效應(yīng)管第2章半導體三極管第13頁/共55頁引言場效應(yīng)管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結(jié)型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFET)特點：1.單極性器件(一種載流子導電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低2.輸入電阻高(1071015，IGFET可高達1015)第2章半導體三極管第14頁/共55頁一、增強型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)2.2.1MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDBMOSFET結(jié)構(gòu)第2章半導體三極管第15頁/共55頁2.工作原理1)uGS

對導電溝道的影響

(uDS=0)a.

當UGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結(jié)；b.

當0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時，GB間的垂直電場吸引

P區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；c.

當uGS

UGS(th)

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導電溝道。uGS

越大溝道越厚。反型層(溝道)第2章半導體三極管第16頁/共55頁2)

uDS

對

iD的影響(uGS>UGS(th))

DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預夾斷發(fā)生之前：uDSiD。預夾斷發(fā)生之后：uDSiD不變。MOS工作原理第2章半導體三極管第17頁/共55頁3.轉(zhuǎn)移特性曲線2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當uGS>UGS(th)

時：uGS=2UGS(th)

時的

iD值4.輸出特性曲線可變電阻區(qū)uDS<uGSUGS(th)uDSiD

，直到預夾斷飽和(放大區(qū))uDS，iD

不變uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區(qū)uGS

UGS(th)

全夾斷iD=0

開啟電壓iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區(qū)

飽和區(qū)可變電阻區(qū)放大區(qū)恒流區(qū)OO第2章半導體三極管第18頁/共55頁二、耗盡型N溝道MOSFETSGDBSio2

絕緣層中摻入正離子在uGS=0時已形成溝道；在DS間加正電壓時形成iD，uGS

UGS(off)

時，全夾斷。輸出特性uGS/ViD/mA轉(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當uGS

UGS(off)

時，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第2章半導體三極管第19頁/共55頁三、P溝道MOSFET增強型耗盡型SGDBSGDB第2章半導體三極管第20頁/共55頁2.2.2結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號JFET結(jié)構(gòu)N溝道JFETP溝道JFET第2章半導體三極管第21頁/共55頁2.工作原理uGS

0，uDS

>0

此時

uGD=UGS(off)；

溝道楔型耗盡層剛相碰時稱預夾斷。預夾斷當uDS

，預夾斷點下移。3.轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGS(off)當UGS(off)

uGS0時,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VJFET工作原理OO第2章半導體三極管第22頁/共55頁N溝道增強型SGDBiDP溝道增強型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)OuDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VFET符號、特性的比較第2章半導體三極管第23頁/共55頁2.2.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)開啟電壓UGS(th)(增強型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)管，當uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時，柵、源間加反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015IDSSuGS/ViD/mAO第2章半導體三極管第24頁/共55頁4.低頻跨導gm

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQPDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動態(tài)電阻rds6.最大漏極功耗PDMO第2章半導體三極管第25頁/共55頁2.3

半導體三極管的基本分析方法引言2.3.2交流分析2.3.1直流分析第2章半導體三極管第26頁/共55頁引言基本思想

非線性電路經(jīng)適當近似后可按線性電路對待，利用疊加定理，分別分析電路中的交、直流成分。一、分析三極管電路的基本思想和方法直流通路(ui=0)分析靜態(tài)。交流通路(ui

0)分析動態(tài)，只考慮變化的電壓和電流。畫交流通路原則：1.固定不變的電壓源都視為短路；2.固定不變的電流源都視為開路；3.視電容對交流信號短路第2章半導體三極管第27頁/共55頁基本方法圖解法：在輸入、輸出特性圖上畫交、直流負載線，求靜態(tài)工作點“Q”，分析動態(tài)波形及失真等。解析法：根據(jù)發(fā)射結(jié)導通壓降估算“Q”。用小信號等效電路法分析計算電路動態(tài)參數(shù)。第2章半導體三極管第28頁/共55頁二、電量的符號表示規(guī)則A

AA大寫表示電量與時間無關(guān)(直流、平均值、有效值)；A小寫表示電量隨時間變化(瞬時值)。大寫表示直流量或總電量(總最大值，總瞬時值)；小寫表示交流分量?？偹矔r值直流量交流瞬時值交流有效值直流量往往在下標中加注QA—主要符號；

A—下標符號。tuOuBE=UBE

+ube第2章半導體三極管第29頁/共55頁2.3.1直流分析一、圖解分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC輸入直流負載線方程：uCE=VCCiC

RCuBE=VBBiBRB輸出直流負載線方程：輸入回路圖解QuBE/ViB/A靜態(tài)工作點VBBVBB/RB115kUBEQIBQ0.720輸出回路圖解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCO1kQ23UCEQICQOiB=20A第2章半導體三極管第30頁/共55頁二、工程近似分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC115k1k

=100第2章半導體三極管第31頁/共55頁三、電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響1.改變RB，其他參數(shù)不變uBEiBuCEiCVCCVBBVBBRBQQRB

iBQ趨近截止區(qū)；RB

iB

Q趨近飽和區(qū)。2.改變RC，其他參數(shù)不變RC

Q

趨近飽和區(qū)。iCuBEiBuCEVCCUCEQQQICQVCCRC第2章半導體三極管第32頁/共55頁iC0iC=VCC/RC例2.3.1設(shè)RB

=

38

k，求VBB=0

V、3

V時的iC、uCE。+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC1

k[解]uCE/ViC/mAiB=010A20A30A40A50A60A41O235當VBB=0V：iB0，iC

0，5VuCE

5V當VBB=3V：0.3uCE

0.3

V0，iC5mA三極管的開關(guān)等效電路截止狀態(tài)SBCEVCC+RCRBiB0uCE

5ViB飽和狀態(tài)uCE0判斷是否飽和臨界飽和電流

ICS和IBS

：iB>IBS，則三極管飽和。第2章半導體三極管第33頁/共55頁例2.3.2

耗盡型

N

溝道

MOS

管，RG=

1

M，RS

=2

k，RD=12

k

，VDD=

20

V。IDSS=

4

mA，UGS(off)

=

–4

V，求iD和uO。iG=0uGS=iDRSiD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大區(qū)RDGDSRGRSiD+uO–+VDD–第2章半導體三極管第34頁/共55頁2.3.2交流分析一、圖解分析法線性非線性線性輸入回路(A左)(B右)輸出回路(B左)(A右)+–RBRC+uCE–+uBE

+–VCCVBBiBiCiBiC+uBE

+uCE–AB第2章半導體三極管第35頁/共55頁例2.3.3

硅管，ui

=10sint(mV)，RB=176k，RC=1k，VCC=VBB=6V，圖解分析各電壓、電流值。[解]令ui=0，求靜態(tài)電流IBQuBE/ViB/AO0.7V30QuiOtuBE/VOtiBIBQ(交流負載線)uCE/ViC/mA41O23iB=10A20304050505Q6直流負載線QQ6OtiCICQUCEQOtuCE/VUcemibicuceRL+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE+uBE–

第2章半導體三極管第36頁/共55頁當ui=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

當ui=Uimsintib=Ibmsintic=Icmsint

uce=–Ucemsint

uo=uceiB=

IBQ

+IbmsintiC=

ICQ

+IcmsintuCE=

UCEQ

–

Ucemsin

t=

UCEQ

+Ucemsin

(180°–

t)uBE/ViB/A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流負載線)uCE/ViC/mA4123iB=10A20304050605Q6直流負載線QQ6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO第2章半導體三極管第37頁/共55頁基本共發(fā)射極電路的波形：+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE+uBE–

IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQUCEQ基本放大電路的放大作用第2章半導體三極管第38頁/共55頁放大電路的非線性失真問題因工作點不合適或者信號太大使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍，從而引起非線性失真。1.“Q”過低引起截止失真NPN管：頂部失真為截止失真。PNP管：底部失真為截止失真。不發(fā)生截止失真的條件：IBQ>Ibm。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBuiuCEiCictOOiCOtuCEQuce交流負載線非線性失真第2章半導體三極管第39頁/共55頁2.“Q”過高引起飽和失真ICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不接負載時，交、直流負載線重合，V

CC=VCC不發(fā)生飽和失真的條件：IBQ+IbmIBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC第2章半導體三極管第40頁/共55頁飽和失真的本質(zhì)：負載開路時：接負載時：受RC的限制，iB增大，iC不可能超過VCC/RC。受RL的限制，iB增大，iC不可能超過V

CC/RL。C1+RCRB+VCCC2RL+uo++iBiCVui(RL=RC//RL)第2章半導體三極管第41頁/共55頁選擇工作點的原則：當ui較小時，為減少功耗和噪聲，“Q”

可設(shè)得低一些；為提高電壓放大倍數(shù)，“Q”可以設(shè)得高一些；為獲得最大輸出，“Q”可設(shè)在交流負載線中點。第2章半導體三極管第42頁/共55頁二、小信號等效分析法(微變等效)1.晶體三極管電路小信號等效電路分析法三極管電路可當成雙口網(wǎng)絡(luò)來分析(1)

晶體三極管H(Hybrid)參數(shù)小信號模型從輸入端口看進去，相當于電阻rberbe

—Hie從輸出端口看進去為一個受

ib

控制的電流源

ic

=

ib，—Hfe+uce–+ube–

ibicCBErbe

Eibicic+ube+uceBCrbb

—三極管基區(qū)體電阻第2章半導體三極管第43頁/共55頁(2)

晶體三極管交流分析步驟：①

分析直流電路，求出“Q”，計算rbe。②

畫電路的交流通路。③

在交流通路上把三極管畫成H參數(shù)模型。④

分析計算疊加在“Q”點上的各極交流量。微變等效電路的畫法第2章半導體三極管第44頁/共55頁例2.3.4=100，uS

=10sint(mV)，求疊加在“Q”

點上的各交流量。+uo+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE+uBE–

12V12V510470k2.7k3.6k[解]令ui=0，求靜態(tài)電流IBQ①求“Q”，計算rbeICQ=IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.42.7=5.5(V)第2章半導體三極管第45頁/共55頁②交流通路+uo+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE+uBE–

ubeuce③小信號等效+uo+–

RBRLRSrbe

EibicicBCusRC+ube④分析各極交流量⑤

分析各極總電量uBE=(0.7+0.0072sint

)ViB=(24+5.5sint)AiC=(2.4+0.55sint

)

mAuCE=(5.5–

0.85sint

)V第2章半導體三極管第46頁/共55頁2.場效應(yīng)管電路小信號等效電路分析法小信號模型rgs

Sidgmugs+ugs+udsGD從輸入端口看入，相當于電阻

rgs()。從輸出端口看入為受

ugs

控制的電流源。id=gmugs第2章半導體三極管第47頁/共