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双极型晶体管MOS管简介共62页文档_图文

§1.3 双极型晶体管
双极型晶体管又称三极管。电路表示符号: BJT。根据功率的不同具有不同的外形结构。
双极型晶体管的几种常见外形
(a)小功率管 (b)小功率管 (c)中功率管 (d)大功率管
1

一. 基本结构
由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成, 根据排列方式的不同可分为NPN型和PNP型两种,每个 PN结所对应区域分别称为发射区、基区和集电区。

C 集电极

集电极 C

NPN型

N

B

P

基极

N

B
基极

P PNP型 N P

E 发射极

发射极 E

2

C IC B

IB E

IE

NPN型三极管

C IC B

IB E

IE

PNP型三极管

制成晶体管的材料可以为Si或Ge。
3

集电区: 面积较大
B
基极

C 集电极

N P N
E
发射极

基区:较薄,掺 杂浓度低
发射区:掺 杂浓度较高
4

C 集电极
集电结
N

BJT是非线性元 件,其工作特性与其 工作模式有关:

B
基极

P

N

发射结

E 发射极

当EB结加正偏, CB结 加反偏时,BJT处于放 大模式;

当EB结和CB结均加正偏时,BJT处于饱和模式; 当EB结加零偏或反偏、CB结加反偏时,BJT处于截止 模式。 BJT主要用途是对变化的电流、电压信号进行放 大,饱和模式和截止模式主要用于数字电路中。
5

二. 电流放大原理 ?以NPN型BJT为例讨论

?,其结论同样适用于

?PNP型BJT,不同的是

?外加电压与前者相反。

?输入回路 ?输出回路 ?共射极放大电路

?工作的基本条件: ?EB结正偏; ?CB结反偏。

?VCC>VBB >VEE

6

BJT的放大作用可表现为:用较小的 基极电流控制较大的集电极电流,或将较 小的电压按比例放大为较大的电压。
1.BJT内部载流子运动 ?a).EB结加正偏,扩散运动形成IE。 b).扩散到基区的自由电子与空穴复合 形成IB。 ?c).CB结加反偏,漂移运动形成IC。
7

基区空穴

向发射区

的扩散可

忽略。

B

RB
进入P区的电子少部
分合与,基形区成的 电E空流B穴IBE复,
多数扩散到集电结。

C

N

P

IBE

N

E IE

RC
EC
发射结正 偏,发射 区电子不 断向基区 扩散,形 成发射极 电流IE。8

ICBO:发射极开路时集电结反向饱和电流

ICEO :基极开路时集电极与发射极在VCC 反偏作用下的 电流 ,称为穿透电流。分析时可忽略,但可反映BJT

的质量。

IC=ICE+ICBO?ICE

集电结反偏,有

少子形成的反向

电流ICBO。

B

RB EB

C

I ICBO CE N

P

IBE

N

E IE

从基区扩 散来的电 子作为集 电结的少
子进, 入漂 集E移 电C
结而被收 集,形成 ICE。

9

IC=ICE+ICBO ?ICE C

IB=IBE -ICBO?IBE
B

I ICBO CE N

P

EC

IB

IBE

N

RB

EB

E IE

10

2.电流分配关系 忽略对极间电流影响较小的电子和空穴
运动形成的电流,BJT中电流关系为:
IE=IC+IB 3.BJT电流放大系数 共射极直流电流放大系数:
β ≈IC / IB ∴ IE ≈(1+ β ) IB 共射极交流电流放大系数: β≈△iC /△iB β ≈ β ,β 由BJT制造时材料掺杂浓度决定。
11

三. 特性曲线

IB
?A

RB

V UBE

IC mA
RC EC V UCE

输入回路
EB 实验线路

输出回路
12

1.输入特性
UCE=0V
80

UCE =0.5V
IB(?A)

UCE ?1V

60

死区电 压,硅管

40

0.5V,锗 20 管0.2V。

工作压降: 硅管 UBE?0.6~0.7V,锗管 UBE?0.2~0.4V。
0.4 0.8 UBE(V)
13

2.输出特性 IC(mA )
此区域满4 足IC=?IB 称为线性3 区(放大 区)。 2
1
36

当UCE大于一 定的10数0?值A时, IC只与IB有关, IC=?8I0B?。A
60?A
40?A
20?A IB=0 9 12 UCE(V)
14

4

IC(mA

) 此区域中UC1E?00U?BAE,

集电结正偏,?IB>IC,

3

UCE≤ 0.3V称为80饱?A和 区。

60?A

2

40?A

1

20?A

IB=0

3 6 9 12 UCE(V)

15

IC(mA ) 4 3
2

此1区00域?A中 :
I,UB=B80E0<,?ICA死=I区CEO 电压60,?A称为 截止区。
40?A

1

20?A

IB=0

3 6 9 12 UCE(V)

16

输出特性三个区域的特点:

(1) 放大区:发射结正偏,集电结反偏。

(2)

即: IC=?IB , 且 ?IC = ? ? IB

(2) 饱和区:发射结正偏,集电结正偏。
即:UCE?UBE , ?IB>IC,UCE≤0.3V

(3) 截止区: UBE< 死区电压, IB=0 , IC=ICEO ?0

17

电路共基极直流电流放大系数: α ≈IC / IE
∵IE=IC+IB= IC / α ∴ IC / IB = α /(1- α )=β
或α = β / (1+ β ) 共基极交流电流放大系数:
α ≈△iC /△I 且α≈α
18

对共集电极电路 有 IE ≈ β IB+ IB = (1+ β ) IB
故共集电极电路又称为 电流放大器或电压跟随器。
19

四.BJT的主要参数 1.电流放大系数
a)对共射极电路接法:
β ≈IC / IB≈△iC /△iB ≈ β
实际电路使用时一般采用β=30~80的BJT 作为放大管。
b)对共基极电路接法:
α ≈IC / IE≈△iC /△iE ≈ α
20

2.极间反向电流
a) C-B极反向饱和电流ICBO 硅管小于锗管,而且受温度影响较大。 应用时选用ICBO较小的BJT。
b) C-E极反向饱和电流ICEO B极开路时,C-E极间的穿透电流 有ICEO=(1+β) ICBO
21

3.特征频率fT BJT工作在交流状态下,由于结电
容的作用,信号频率增大使β下降并 产生相移,使β下降为1时的信号频率 称为特征频率fT 。应尽量选用fT较高 的BJT。
22

4.极限参数
a)集电极最大允许电流

IC

ICM

ICM

b)集电极最大允许功耗

PCM

c)极间反向击穿电压

UCBO:大小可从几十至 上千伏。

UCEO:与ICEO相关,

UCEO << UCBO。 UEBO:大小从1/10~10V

安全工作区
ICUCE=PCM

U(BR)CEO

UCE
23

五.温度对BJT特性的影响
1.温度对ICBO的影响 温度每升高10℃时, ICBO约增加一倍。
2.温度对输入特性的影响 温度升高,输入特性曲 线将左移。
2.温度对输出特性的影响 温度升高将导致IC增大。
24

六.光电三极管
利用光照强度 来控制集电极电 流大小,可等效 为一只光电二极 管与一只BJT连接组成 ,引出线为集电极和发 射极,目前应用较多。
25

例: ?=50, USC =12V,
RB =70k?, RC =6k? 当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管分别工作于哪个工 作区?
当USB = -2V时:

IC

IB B

C

RC

UCE

RB UBE E

USC USB

IB=0 , IC=0 Q位于截止区

IC最大饱和电流:
(忽略BJT饱和压降)
ICmax?URSCC?162?2mA 26

例: ?=50, USC =12V,
RB =70k?, RC =6k? 当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管分别工作于哪个工 作区?
USB =2V时:

IC

IB B

C

RC

UCE

RB UBE E

USC USB

IIB C? ?U ?ISBB R ? ? B U 5B? 0 E0 ?.0 2? 7 9 1 0.0 7 m ? ?0 0 A .0.9 1 9m 5m A A

IC< ICmax (=2mA) , Q位于放大区。
27

例: ?=50, USC =12V,
RB =70k?, RC =6k? 当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管分别工作于哪个工 作区?

IC

IB B

C

RC

UCE

RB UBE E

USC

USB

USB =5V时:

?IB?U SB R ? B U BE ?5? 70.0 7?0.06 m1A I? 5? 0 .0m 6? 1 3 A .0 5m ? I A

B

cmax

Ic ?Icma?x 2mA

Q 位于饱和区,此时IC 和IB 已不是 ? 倍的关系。

28

判断BJT工作状态的一般方法(以NPN管为例)

状态 方法
发射结 集电极 极电压
(硅管Uon =0.7V 锗管Uon =0.4V)
极电流IB 极电流IC 极电流IE

截止
反偏或零偏 反偏
UBE<Uon
(临界饱和压降UCES 硅管UCES =0.5V 锗管UCES=0.2V )
0 0 0

放大

饱和

正偏

正偏

反偏 正偏或零偏

UBE>Uon UCE≥UBE
(UCES <UC <VCC)
>0 β IB (1+ β )IB

UBE>Uon UCE<UBE (UC=UCES)
≥IBS* <β IB <(1+ β )IB

*:临界饱和电流IBS =(VCC-UCES)/ βRC
29

作业: P67~69
15、16、18*、19
30

§1-4 场效应管
场效应管与双极型晶体管不同,它是多子 导电,输入阻抗高,温度稳定性好。 场效应管有两种:
结型场效应管JFET Joint-Field-Effect-Transistor 绝缘栅型场效应管MOS Metal-Oxide-Semiconductor
31

1-4.1 结型场效应管:
一、结构

基底:N型半导体

drain electrode n.漏极 grid n.栅极 source n.源极
G(栅极)

D漏极
N

两边是P区

PP

导电沟道

S源极 32

D漏极

G(栅极)

N PP

N沟道结型场效应管

D

D

G

G

S

S

S源极

33

D漏极

G(栅极)

P NN

P沟道结型场效应管

D

D

G

G

S

S

S源极

34

二、工作原理(以P沟道为例)

PN结反偏,UGS越 大则耗尽区越宽, 导电沟道越窄。
G
UGS

D ID P
NN
S

UDS=0V时 UDS
35

UGS越大耗尽区越 宽,沟道越窄, 电阻越大。
G

但区当宽度UG有S较限小U,时D存S=,在0V耗导时尽
电沟道。DS间相当于 D 线I性D 电阻。

P

UDS

NN

UGS S
36

UGS达到一定值时 (夹断电压VP),耗 尽区碰到一起,DS

间被夹断,这时,即

使UDS ? 0V,漏极电 D ID

流ID=0A。

P

夹断电压

G

Pinch off

voltage

NN

UGS

S

UDS=0时 UDS
37

越靠近漏端,PN 结反压越大
G

UGS<Vp且UDS>0、UGD<VP时 耗尽区的形状

D ID

P

UDS

NN

UGS S
38

沟道中仍是电阻 特性,但是是非 线性电阻。
G

UGS<Vp且UDS较大时UGD<VP 时耗尽区的形状

D ID

P

UDS

NN

UGS S
39

漏端的沟道被夹断, 称为预夹断。
D UDS增大则被夹断区 向下延伸。
G N

UGS<Vp UGD=VP时 ID UDS N

UGS S
40

此时,电流ID由未 被夹断区域中的载 流子形成,基本不 随UDS的增加而增 加,呈恒流特性。
G
UGS

UGS<Vp UGD=VP时 D ID
UDS NN
S
41

三、特性曲线 ID
0

转移特性曲线
一定UDS下的ID-UGS曲线
UGS VP
夹断电压

IDSS 饱和漏极电流
42

夹断区
5V 4V 3V 恒流区 2V 1V

输出特性曲线 ID 0 U DS
可变电阻区

UGS=0V

预夹断曲线

43

N沟道结型场效应管的特性曲线 转移特性曲线
ID
IDSS

VP

UGS

0
44

N沟道结型场效应管的特性曲线
输出特性曲线
ID UGS=0V

-1V

-2V

-3V

-4V

-5V

0

U DS

45

结型场效应管的缺点:
1. 栅源极间的电阻虽然可达107Ω以上,但 在某些场合仍嫌不够高。
2. 在高温下,PN结的反向电流增大,栅源 极间的电阻会显著下降。
3. 栅源极间的PN结加正向电压时,将出现 较大的栅极电流。
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
46

1-4.2 绝缘栅场效应管:
一、结构和电路符号

S G D 金属铝

N

N

P

两个N区 G

P型基底 SiO2绝缘层

导电沟道

N沟道增强型

D
S
47

SG D

N

N

P

预埋了导 电沟道

D G
S
N 沟道耗尽型
48

SG D

P

P

N

D
G S
P 沟道增强型

49

SG D

P

P

N

予埋了导 电沟道

D
G S
P 沟道耗尽型
50

二、MOS管的工作原理

以N 沟道增强型为例

UGS=0时

UGS UDS

S GD

ID=0
对应截止区

N

N

P

D-S 间相当于 两个反接的 PN结
51

UGS>0时
UGS UDS
S GD

UGS足够大时 (UGS>VT)感 应出足够多电子,
这里出现以电子 导电为主的N型 导电沟道。

N

N

感应出电子

P
VT称为阈值电压
52

UGS UDS S GD

UGS较小时,导 电沟道相当于电
阻将D-S连接起
来,UGS越大此 电阻越小。

N

N

P

53

UGS UDS

当UDS不太大时, 导电沟道在两
个N区间是均
匀的。

S GD

N

N

P

当UDS较大 时,靠近D 区的导电沟 道变窄。

54

UGS UDS

UDS增加,UGD=VT 时,靠近D端的沟道 被夹断,称为予夹 断。

S GD ID

N

N

P

夹断后,即使 UDS 继续增加,
ID仍呈恒流特性。

55

三、增强型N沟道MOS管的特性曲线
转移特性曲线
ID
UGS 0 VT
56

输出特性曲线 ID

UGS>0

0

U DS

57

四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线

耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道,加反向 电压才能夹断。

ID

转移特性曲线

UGS VT 0
58

输出特性曲线
ID
UGS>0

UGS=0

UGS<0

0

U DS

59

单结晶体管和可控硅
? 单结晶体管──由一个PN结构成的负阻器件 ? 可控硅──又称晶闸管, 由三个PN结构成的大
功率可控整流器件,
请自学
60

集成电路简介
? 集成电路是采用一定的制造工艺,将晶体管,场效应 管, 电阻,电容等许多元件组成的具有完整功能的 电路制作在同一块硅片上,并加以封装所构成的半 导体器件.
? 集成电路的制造工艺有: 氧化,光刻,掩模,扩散,外延, 蒸铝等
? 集成电路中最基本的元件是PN结.利用PN结可制 作电阻,电容,二极管,三极管,场效应管( 电感不行). 各PN结之间必须绝缘隔离.
61

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