第二章、半導(dǎo)體三極管分解

,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),第二章,半導(dǎo)體三極管及其電路分析,第二章 半導(dǎo)體三極管,§,2.1,雙極型,半導(dǎo)體三極管,一、結(jié)構(gòu)與符號(hào),N,P,N,e,b c,e b c,集電區(qū),N,發(fā)射區(qū),N,基區(qū),P,e,b,c,集電結(jié),發(fā)射結(jié),集電極,發(fā)射極,基極,N,e,b,P,N,c,NPN,電路符號(hào),第二章 半導(dǎo)體三極管,注意,：,發(fā)射區(qū)與集電區(qū)是同一半導(dǎo)體，但不能互換。原因是發(fā)射區(qū)摻雜濃度較高，主要任務(wù)是發(fā)射載流子；而集電區(qū)濃度較低，主要任務(wù)是接受載流子。（但它比基區(qū)濃度高。）,集電區(qū)的尺寸比發(fā)射區(qū)大，集電結(jié)比發(fā)射結(jié)厚。,基區(qū)摻雜濃度低而且很薄，使發(fā)射區(qū)發(fā)射的載流子很容易穿過基區(qū)到達(dá)集電區(qū)（發(fā)射區(qū)比基區(qū)濃度高幾百幾千倍）,第二章 半導(dǎo)體三極管,另一種型號(hào)的三極管為：,PNP,型,P,P,N,發(fā)射區(qū),基區(qū),集電區(qū),E,B,C,符號(hào)為：,B,C,E,箭頭示電流流向,或,B,C,E,NPN,型管子大多由硅材料制成,，,PNP,型管子通常用鍺材料制成。,第二章 半導(dǎo)體三極管,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,u,i,u,o,C,E,B,E,C,B,u,i,u,o,E,C,B,u,i,u,o,共發(fā)射極,共集電極,共基極,實(shí)現(xiàn)電路,u,i,u,o,R,B,R,C,u,o,u,i,R,C,R,E,第二章 半導(dǎo)體三極管,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,I,E,I,CN,（基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽略）,2) 電子到達(dá)基區(qū)后,大部分向,BC,結(jié)方向擴(kuò)散，形成,I,CN,I,E,少部分與空穴復(fù)合，形成,I,BN,。,I,BN,基區(qū)空穴來源：,基極電源提供(,I,B,),集電區(qū)少子漂移 (,I,CBO,),I,CBO,I,B,I,BN,I,B,+,I,CBO,即：,I,B,=,I,BN,I,CBO,3) 集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流,I,C,I,C,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,第二章 半導(dǎo)體三極管,4. 三極管的電流分配關(guān)系,當(dāng)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：,I,B,=,I,BN,I,CBO,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,I,E,=,I,C,+,I,B,穿透電流,第二章 半導(dǎo)體三極管,三、晶體三極管特性曲線,1、輸入特性：,I,B,=f (u,BE,)|,u,CE=,常數(shù),u,CE,=0V,為,PN,結(jié)曲線,0.4 0.7,u,BE,(,v),I,B,(,A),100,80,60,40,20,0,U,CE,=,10V,集電極吸收電子多使基極電流減少,u,CE,=1V,輸入電流和電壓的關(guān)系曲線,實(shí)驗(yàn)電路,顯然與普通二極管的正向特性曲線基本相同,。,第二章 半導(dǎo)體三極管,2、輸出特性曲線：,Ic=f( u,CE,)|,i,B=,常數(shù),u,CE,飽和區(qū),截止區(qū),I,B,0,U,CE,=0.7V,開始進(jìn)入放大區(qū),不同的,I,B,有不同的,I,C,I,B,=0,A,I,B,=20,A,I,B,=40,A,I,B,=70,A,ma,（,V）,I,C,放,大,區(qū),0,第二章 半導(dǎo)體三極管,結(jié)論：,恒流特性：,因?yàn)榍€近似平行與橫軸的直線，盡管,u,CE,變大，但輸出電流不變，當(dāng),i,B,一定時(shí)，輸出電流,I,C,也一定，并且，滿足,I,C,=,I,B,這稱為恒流特性，,C、E,之間的等效電阻接近于無窮大。,電流放大作用：,當(dāng),I,B,等量增加時(shí)，曲線等間隔的上移，這就是交流電流的放大作用。,第二章 半導(dǎo)體三極管,截止區(qū)和飽和區(qū)：,除了放大區(qū)外，圖中還標(biāo)示出了另外兩片陰影區(qū)，分別稱作截止區(qū)和飽和區(qū)。,第二章 半導(dǎo)體三極管,截止區(qū),： 那就是當(dāng)小于死區(qū)電壓時(shí)即可。此時(shí)對(duì)三極管來講盡管 電壓較高，但無電流 ，故三極管相當(dāng)于電路來講的一個(gè)開關(guān)并且是處于斷開狀態(tài)。,飽和區(qū),（上升線以左區(qū)域）：此部分 不受 控制，直線上升到最大為飽和電流,：,三極管已失去,直流,放大作用，它此時(shí)在電路中僅相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)并且處于接通狀態(tài)。（兩個(gè),PN,結(jié)都正偏。）,第二章 半導(dǎo)體三極管,1、電流放大倍數(shù) ：, 共基極,電流放大倍數(shù),= ;,<1,共發(fā)射極,電流放大倍數(shù),= ；,>>1,四、三極管的主要參數(shù),Ic,Ie,Ic,I,b,第二章 半導(dǎo)體三極管,2、,反向電流,（極間電流）,：,（1）集電極基極 電流,I,CBO,:,發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié),PN,反向漂移電流，一般很小。,第二章 半導(dǎo)體三極管,（2）集電極-發(fā)射極反向飽和電流,I,CEO,:,基極開路時(shí)的集電極電流。,I,CEO,=（1+,）I,CBO,硅材料器件反向電流都很小。分析時(shí)都可忽略。,第二章 半導(dǎo)體三極管,3、極限參數(shù)：,1）集電極最大允許功耗：,P,CM,P,CM,=I,C,·U,CE,與散熱條件有關(guān)。硅管的最高結(jié)溫度小于150,°,C，,一般工作在低于80度以內(nèi)。,2）集電極最大允許電流：,I,CM,三極管工作時(shí)的不允許超過的最大集電極電流,，,如果超過，不但會(huì)使其性能變壞。而且有損壞管子。,第二章 半導(dǎo)體三極管,3）、反向擊穿電壓：,U,CBO（BR）,，,發(fā)射極開路時(shí)的集電極基極反向擊穿電壓；一般比較高。從幾十伏到幾千伏不等。,U,CEO（BR,）,，,基極開路時(shí)的集電極發(fā)射極反向擊穿電壓.比,U,CBO（BR）,低,U,EBO（BR,）,，,集電極開路時(shí)的發(fā)射極基極反向擊穿電壓。該電壓一般比較低。約510,V,左右。,實(shí)際工作時(shí)，往往不會(huì)開路。所以反向擊穿電壓還會(huì),高一點(diǎn),。,第二章 半導(dǎo)體三極管,五,、三極管的安全工作范圍和溫度穩(wěn)定性,1）、安全工作范圍：,（,ma）,U,CE,（V）,I,C,安,全,區(qū),0,過壓區(qū),過流區(qū),U,CEO,I,CM,過功率區(qū),P,CM,=I,C,·U,CE,應(yīng)該工作在,安全區(qū)以內(nèi),第二章 半導(dǎo)體三極管,2)三極管的溫度穩(wěn)定性,0.4 0.7,U,BE,(,v),I,B,(,A),100,80,60,40,20,0,0度,10度,不同溫度下的輸入特性曲線,100度,30,A,20,A,10,A, 0,A,（,ma）,I,C, 25度； 45度,不同溫度下的輸出特性曲線,第二章 半導(dǎo)體三極管,我們往往進(jìn)行下面兩項(xiàng)分析研究，即直流分析和交流分析。,（這和二極管電路分析類似,）,§,2.2,三極管電路的分析方法,第二章 半導(dǎo)體三極管,一、直流工作分析,靜態(tài)工作點(diǎn),Q,R,R,R,C2,C1,u,B,C,i,V,CC,-,+,-,-,+,v,BB,+,-,為微變交流信號(hào)；,， 為耦合電容,；,R,為負(fù)載。,1,、工程近似計(jì)算法求解,：,步驟：（,1,）視,u,i,=0 ，,就是,u,i,把忽略掉，去掉無關(guān)電路后，此時(shí)電路就變成了如下形式。,稱為直流通路,R,R,R,C2,C1,u,B,C,i,V,CC,-,+,-,-,+,v,BB,+,-,（,2,）利用定律計(jì)算,對(duì)輸入回路,再利用,得,由輸出回路知：,I,BQ,、I,CQ,、U,CEQ,稱為靜態(tài)值。這些值在三極管特性曲線上所確定的點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。,2、圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn),Q,利用輸入曲線求,由輸入回路知,(0,V,BB,/,R,B,),i,B,Q,I,BQ,U,BEQ,u,BE,(,V,BB,0),負(fù)載線,在輸出特性曲線上確定,I,CQ,、U,CEQ,：,輸出回路得方程,稱為負(fù)載線,M,N,i,C,CE,u,(,v,cc,0),Q,I,CQ,U,CEQ,I,BQ,）,CC,/,R,C,（0，,V,例,：如圖,同時(shí)還知道它的輸出特性，,1,2,3,4,2,4,6,8,10,12,i,(,mA),(,v),u,CE,C,25,uA,75,uA,50,uA,100,uA,求,Q,點(diǎn)。（1）估算靜態(tài)工作點(diǎn) ，,（）用圖解法確定,Q,點(diǎn),解：（）由電路圖知,（）用作圖法,：,而,利用兩點(diǎn)作圖法得一直線如圖所示。（見上圖中紅直線）,這兩點(diǎn),:,（,0,，,4,）;（12，0）,Q,點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值近似為,作圖法求靜態(tài)工作點(diǎn)的步驟總結(jié)一下：,（1）正確給出晶體管的特性曲線，包括輸入曲線和輸出曲線。,（2）用輸入曲線求,。,（3）利用輸出曲線求 和 。,二、動(dòng)態(tài)工作分析,動(dòng)態(tài)指有交流信號(hào)輸入的情形。分析各電極電流、電壓以及放大倍數(shù)。,總電流=直流電流+交流電流,總電壓=直流電壓+交流電壓,三極管僅能放大幅度而不是放大頻率。,動(dòng)態(tài)工作分析方法也有兩種，一種為圖解法，另一種為等效電路計(jì)算法。,1、圖解法,：,（1）輸入回路圖解：,i,B,B,i,I,BQ,BQ,I,t,t,u,u,BE,BE,(,V),(,uA),U,BEQ,Q,Q1,Q2,0,0,0,I,bm,u,i,當(dāng)輸入交流信號(hào)后，,造成靜態(tài)工作點(diǎn)位置發(fā)生移動(dòng)。,電流,電壓,顯然，,電流和電壓是同步的,(2)輸出回路圖解:,Q,i,(,v),u,CE,C,I,減少后的,增長后的,M,N,u,CE,Q,Q,1,2,BQ,i,c,t,t,I,CQ,CQ,I,0,U,CEQ,輸出電壓波形,當(dāng),移動(dòng)時(shí),是增長的曲線形狀。,這說明輸入電流沒出現(xiàn)相位差現(xiàn)象。,再看輸入電壓情況,：,當(dāng)在正半周時(shí)，電壓是減少的；在負(fù)半周時(shí)，電壓是增長的，相位差恰為180°。,Q,i,(,v),u,CE,C,I,減少后的,增長后的,M,N,u,CE,Q,Q,1,2,BQ,i,c,t,t,I,CQ,CQ,I,0,U,CEQ,輸出電壓波形,總的電流,、電壓：,與,是有道理的，因?yàn)橹挥?變小時(shí)，,才會(huì)變大。,反向變化，,Q,i,(,v),u,CE,C,I,減少后的,增長后的,M,N,u,CE,Q,Q,1,2,BQ,i,c,t,t,I,CQ,CQ,I,0,U,CEQ,輸出電壓波形,總 結(jié),交流信號(hào)的加入造成了工作點(diǎn),Q,的移動(dòng)。,放大后的電壓信號(hào)與輸入的電壓信號(hào)是相反的。,實(shí)際中，應(yīng)恰當(dāng)選取工作點(diǎn),Q，,否則會(huì)造成飽和失真或截止 失真。,CE,U,I,C,i,c,Q,Q1,u,ce,Q2,t,O,o,o,t,（）飽和失真,（）截止失真,CE,U,I,C,i,c,Q,Q1,Q2,u,ce,t,O,o,o,t,調(diào)整,值可使,Q,點(diǎn)上下移動(dòng)，,減少,值,Q,點(diǎn)上移,，,增大,值,Q,點(diǎn)下移,。,調(diào)整,值可使,Q,點(diǎn)平移，,變小右移，反之，左移。,改變,V,CC,可使負(fù)載線平移。,2,微變等效電路分析法,：,思路：,想辦法利用近似條件將三極管這個(gè)非線性元件等效成某種線性元件。然后利用線性電路的知識(shí)求解,（,1,）三極管的微變等效電路：,首先對(duì)輸入端：如圖,它的輸入特性曲線,Q,點(diǎn)的變化范圍,：,由于是微變，所以可視直線段,為線性，,它就相當(dāng)于一個(gè)阻值為 的等效電阻,若從三極管的輸入端看它就相當(dāng)于,：,稱 為三極管輸入電阻，工程上常用下面公式計(jì)算,其中,經(jīng)實(shí)驗(yàn)知該值與具體管,值有關(guān),：,幾十到幾百歐均可,稱為發(fā)射結(jié)電阻,：,對(duì)三極管的輸出端：,可以等效為一個(gè)受控的恒流源,!,可看出，每條曲線是水平的，具有恒流特性，且代表一個(gè)恒流值，恒流值因 不同而不同，,所以稱是受控的恒流源。,三極管輸出端等效為：,將以上二者合并起來，我們得三極管的等效電路圖為：,提醒大家：一定是交流分析時(shí)才能用,這個(gè),物理模型,微變等效電路不能用于計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn),。,3,、動(dòng)態(tài)分析步驟,：,第一步：首先畫出,交流通路,。此時(shí)，對(duì)電容應(yīng)視為短路， 對(duì)電源也應(yīng)視為短路。（與二極管分析時(shí)相同）,將三極管用微變等效圖替換，畫出,微變等效交流電路,。,利用線性電路的知識(shí)進(jìn)行待求量的運(yùn)算。包括電壓放大倍數(shù)的計(jì)算，輸入電阻，輸出電阻的計(jì)算等是電路的輸入輸出電阻，不是三極管的）。,例,:,注：目前，已有三種電路圖形式,。,求：選加在,Q,點(diǎn)上的各極的交流量。,解：,（一）先求靜態(tài)工作點(diǎn),：,直流通路為：,根據(jù)直流通路電路圖得：,（二）動(dòng)態(tài)分析：,各極的交流量有這幾個(gè)：,首先畫出它的交流通路,利用,得,利用線性電路中的分壓定理得：,1.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET）,分類和結(jié)構(gòu)：,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,JFET,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,IGFET,N,P,PN,結(jié)耗盡層,P,N,溝,道,G,門極,D,漏極,S,源極,P,襯底,N,N,源極,門極,漏極,S,G,D,JFET,結(jié)構(gòu),IGFET,結(jié)構(gòu),N,溝,道,1.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET,1),P,溝道和,N,溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào),N,溝,道,G,門極,D,漏極,S,源極,g,d,s,N,溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào),P,溝,道,G,門極,D,漏極,S,源極,g,d,s,P,溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào),2)工作等效（以,P,溝道為例）,U,gs,I,s,I,d,1）,PN,結(jié)不加,反向,電壓（,Ugs),或加的電壓不足以使,溝道閉合,時(shí)。溝道導(dǎo)通，電阻很小，并且,阻值,隨溝道的,截面,積減少,而,增大,。,稱,可變電阻區(qū) ；,I,D,=U,Ds,/ R,Ds,R,DS,P,N,N,G,I,D,I,S,=I,D,PN,結(jié),PN,結(jié),+,+,-,U,GS,增大耗盡層加厚。,U,GS,=0：,I,D,=I,DSS,電路圖 等效圖,2）恒流工作（電壓控制電流源）,G,I,D,+,R,D,V,DD,D,S,PN,結(jié)加,反向,電壓（,Ugs),使,溝道,微,閉合,時(shí)電流,I,D,與,U,DS,無關(guān)，,稱,恒流區(qū)。,I,D,=I,DSS,（,1,- ）,2,u,gs,v,P,P,N,N,G,I,D,I,S,=I,D,PN,結(jié),PN,結(jié),+,+,-,耗盡層閉合時(shí),U,GS,=V,P,R,D,V,DD,U,GS,電路圖 等效圖,3）截止工作,P,N,N,G,I,D,=0,I,S,=I,D,PN,結(jié),PN,結(jié),+,+,-,R,D,V,DD,U,GS,耗盡層,完全閉合，溝道夾斷，電子過不去,柵極電壓,U,GS,大于等,夾斷電壓,U,P,時(shí)，,I,D,=0,相當(dāng)一個(gè)很大的電阻,3)、,JFET,的主要參數(shù),1）夾斷電壓,V,P,:,手冊(cè)給出是,I,D,為一微小值時(shí)的,V,GS,2）,飽和漏極電流,I,DSS;,V,GS,=0，,時(shí)的,I,D,3)、,電壓控制電流系數(shù),g,m,=,也稱跨導(dǎo)（互導(dǎo)）,4）交流輸出,電阻,r,ds,=,5),極限參數(shù)：,V,（BR）DS、,漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。,V,（BR）GS、,柵源間的最高反向擊穿。,P,DM,最大漏極允許功耗,，,與三極管類似。,v,gs,i,d,Uds=,常數(shù),u,ds,i,d,vgs=,常數(shù),u,GS,i,d,4）特性曲線：,與三極管相同，場(chǎng)效應(yīng)管也有輸入和輸出的特性曲線。稱為轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。以,N,型,JFET,為例：,0,u,gs,(,v),-4 -3 -2 -1,i,d,mA,5,4,3,2,1,V,P,I,DSS,N,型,JFET,的轉(zhuǎn)移曲線,U,DS,可變電阻區(qū),截止區(qū),I,B,0,U,DS,=U,GS,-V,P,N,型,JFET,的,輸出特性曲線,-4,V,-2.0,V,-1,V,U,GS,=0,V,ma,（,V）,I,D,放,大,區(qū),0,擊,穿,區(qū),1.5.2、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,IGFET（MOS）,分,增強(qiáng)型,和,耗盡型,兩類：各類有分,NMOS,和,PMOS,兩種：,1),NMOS,（Metal Oxidized Semiconductor),NMOS（D）,P,襯底,N,N,源極,門極,漏極,S,G,D,增強(qiáng)型,N,溝道示意,B,基底,NMOS（E）,P,襯底,N,N,源極,門極,漏極,S,G,D,耗盡型,N,溝道示意,B,基底,S,i,o,2,S,i,o,2,N,溝道,G,D,S,G,G,G,B,B,+,+,2）、,P,溝道,MOS,（Metal Oxidized Semiconductor),N,襯底,P,P,源極,門極,漏極,S,G,D,增強(qiáng)型,P,溝道示意,B,基底,PMOS（E）,N,襯底,P,P,源極,門極,漏極,S,G,D,耗盡型,P,溝道示意,B,基底,S,i,o,2,S,i,o,2,P,溝道,G,D,S,G,G,G,B,B,-,-,PMOS（D）,(1)工作狀態(tài)示意圖,P,襯底,N,N,S,G,D,U,GS,U,DS,B,I,D,耗盡區(qū),+ +,- - - -,G,D,S,B,I,D,U,DS,U,GS,(2),IGFET,工作原理(,NMOS),耗盡型,場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理類似,結(jié)型,場(chǎng)效應(yīng)管。,增強(qiáng)型,IGFET,象雙結(jié)型三極管一樣有一個(gè)開啟電壓,V,T,，,（,相當(dāng)于三極管死區(qū)電壓）。,當(dāng),U,GS,低于,V,T,時(shí)，漏源之間夾斷。,ID=0,當(dāng),U,GS,高于,V,T,時(shí)，漏源之間加電壓后。,I,D,=I,D0,（ -1）,2 ；,I,DO,為2,V,T,時(shí)的,I,D,當(dāng),U,DS,小于等于,U,GS,-V,T,時(shí)，進(jìn)入可變電阻區(qū),U,GS,V,T,u,GS,i,D,g,m,=,2,I,D0,(U,GS,-1),V,T,=,V,T,2,I,D,I,D0,V,T,(3) IGFET（E）特性曲線,U,DS,可變電阻區(qū),截止區(qū),I,B,0,U,DS,=U,GS,-V,T,NMOS,的,輸出特性曲線,2.0,V,4.0,V,6.0,V,U,GS,=8.0,V,A,I,D,放,大,區(qū),0,擊,穿,區(qū),U,DS,=5V,U,GS,V,I,D,A,0 2 4 6 8,200,150,100,50,200,150,100,50,NMOS,的,轉(zhuǎn)移特性曲線,(4)主要參數(shù)：,1）開啟電壓,V,T,:,手冊(cè)給出是,I,D,為一微小值時(shí)的,V,GS,2）,飽和漏極電流,I,DO;,V,GS,=2V,T,時(shí)的,I,D,3)、,電壓控制電流系數(shù),g,m,=,也稱跨導(dǎo)（互導(dǎo)）,4）交流輸出,電阻,r,ds,=,5),極限參數(shù)：,V,（BR）DS,漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。,V,（BR）GS,柵源間的最高反向擊穿,P,DM,最大漏極允許功耗,，,與三極管類似。,v,gs,i,d,Uds=,常數(shù),u,ds,i,d,vgs=,常數(shù),u,ds,i,d,2,I,D,I,D0,V,T,=,1.5.3、FET的三種工作組態(tài),以,NMOS（E）,為例,I,D,G,R,D,S,B,U,DS,U,GS,輸,入,輸,出,共源組態(tài)：,輸入：,GS,輸出：,DS,G,R,D,D,B,U,DS,U,GS,輸,入,輸,出,共漏組態(tài)：,輸入：,GS,輸出：,DS,G,R,D,S,B,U,DS,輸,入,輸,出,共柵組態(tài)：,輸入：,GS,輸出：,DS,