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1、,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,,,*,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,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,,,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,第二章 半導(dǎo)體三極管,,注意,：,,①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。）,,②集電區(qū)的
2、尺寸比發(fā)射區(qū)大，集電結(jié)比發(fā)射結(jié)厚。,,③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
3、,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)空穴運動因濃度低而忽略）,2) 電子到達基區(qū)后,大部分向,BC,結(jié)方向擴散，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
4、,即：,I,B,=,I,BN,,–,,I,CBO,3) 集電區(qū)收集擴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
5、 0.7,u,BE,(,v),I,B,(,μ,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,,實驗電路,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,開始進入放大區(qū),不同的,I,B,有不同的,I,C,I,B,=0,μ,A,I,B,=20,μ,A,I,B,=40,μ,A,I,B,=70,μ,A,ma,（,V）,,I,C,放,,,大,,,區(qū),0,
6、,第二章 半導(dǎo)體三極管,,結(jié)論：,,①恒流特性：,,因為曲線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，輸出電流,I,C,也一定，并且，滿足,I,C,=,β,I,B,這稱為恒流特性，,C、E,之間的等效電阻接近于無窮大。,,②電流放大作用：,,當(dāng),I,B,等量增加時，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,,③截止區(qū)和飽和區(qū)：,,除了放大區(qū)外，圖中還標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)電壓時即可。此時對三極管來講盡管 電壓較高，但無電流
7、，故三極管相當(dāng)于電路來講的一個開關(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，它此時在電路中僅相當(dāng)于一個開關(guān)并且處于接通狀態(tài)。（兩個,PN,結(jié)都正偏。）,,第二章 半導(dǎo)體三極管,,1、電流放大倍數(shù) ：,,⑴ 共基極,電流放大倍數(shù),,,,α,= ;,α,<1,,,,⑵,,共發(fā)射極,電流放大倍數(shù),,,,β,= ；,β,>>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
8、 電流,I,CBO,:,,,發(fā)射極開路時的集電結(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,:,,,基極開路時的集電極電流。,I,CEO,=（1+,β,）I,CBO,,硅材料器件反向電流都很小。分析時都可忽略。,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,,,三極管工作時的不允許超過的最大集電極電流,，,如果超過，不但會使其性能變壞。
9、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,）,，,集電極開路時的發(fā)射極基極反向擊穿電壓。該電壓一般比較低。約5—10,V,左右。,,實際工作時，往往不會開路。所以反向擊穿電壓還會,高一點,。,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),
10、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,(,μ,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,μ,A,}20,μ,A,}10,μ,A,} 0,μ,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,,我們往往進行下面兩項分析研究，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
11、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,Q,R,R,R,C2,C1,u,B,C,i,V,CC,-,+,-,-,+,v,BB,+,-,為微變交流信號；,,， 為耦合電容,；,R,為負載。,,1,、工程近似計算法求解,：,,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,）利用定律計算,,對輸入回路,,∵,,∴,,再利用,,得,,由輸出回路知：,,∴,,I,BQ,、I,CQ,、U,CEQ
12、,稱為靜態(tài)值。這些值在三極管特性曲線上所確定的點稱為靜態(tài)工作點。,,,2、圖解法確定靜態(tài)工作點,Q,①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),負載線,,②在輸出特性曲線上確定,I,CQ,、U,CEQ,：,,輸出回路得方程,,稱為負載線,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,5
13、0,uA,100,uA,求,Q,點。（1）估算靜態(tài)工作點 ，,,（２）用圖解法確定,Q,點,,,解：（１）由電路圖知,,∴,,≈,,,（２）用作圖法,：,,∵,,而,,∴利用兩點作圖法得一直線如圖所示。（見上圖中紅直線）,,這兩點,:,（,0,，,4,）;（12，0）,,,∴,Q,點對應(yīng)的值近似為,,,作圖法求靜態(tài)工作點的步驟總結(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、動態(tài)工作分析,,動態(tài)指有交流信號輸入的情形。分析各電極電流、電壓以及放大倍數(shù)。,,①總電流
14、=直流電流+交流電流,,②總電壓=直流電壓+交流電壓,,③三極管僅能放大幅度而不是放大頻率。,動態(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算法。,,,1、圖解法,：,（1）輸入回路圖解：,i,B,B,i,I,BQ,BQ,I,ωt,ωt,u,u,BE,BE,(,V),(,uA),U,BEQ,Q,Q1,Q2,0,0,0,I,bm,u,i,當(dāng)輸入交流信號后，,①造成靜態(tài)工作點位置發(fā)生移動。,,②電流,,③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,ωt,ωt,I,C
15、Q,CQ,I,0,U,CEQ,輸出電壓波形,,∵,,∴,,當(dāng),,移動時,,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，電壓是減少的；在負半周時，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,ωt,ωt,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，因為只有,,變小時，,,才會變大。,,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,ωt,
16、ωt,I,CQ,CQ,I,0,U,CEQ,輸出電壓波形,,總 結(jié),,①交流信號的加入造成了工作點,Q,的移動。,,②放大后的電壓信號與輸入的電壓信號是相反的。,,③,實際中，應(yīng)恰當(dāng)選取工作點,Q，,否則會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,（ａ）飽和失真,（ｂ）截止失真,CE,U,I,C,i,c,Q,Q1,Q2,u,ce,t,O,o,o,t,,④調(diào)整,,值可使,Q,點上下移動，,,減少,,值,Q,點上移,，,增大,,值,Q,點下移,。,⑤調(diào)整,,值可使,Q,點平移，,,變小右移，反之，左移。,,⑥,改變,V,CC,可使負載線
17、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求解,,（,1,）三極管的微變等效電路：,,首先對輸入端：如圖,,,它的輸入特性曲線,,Q,點的變化范圍,：,,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算,,,其中,,經(jīng)實驗知該值與具體管,β,值有關(guān),：,幾十到幾百歐均可,,稱為發(fā)射結(jié)電阻,：,對三極管的輸出端：,,,可以等效為一個受控的恒流源,!,可看出，每條曲線是水平的，具有
18、恒流特性，且代表一個恒流值，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：一定是交流分析時才能用,這個,物理模型,微變等效電路不能用于計算靜態(tài)工作點,。,,3,、動態(tài)分析步驟,：,,①,,第一步：首先畫出,交流通路,。此時，對電容應(yīng)視為短路， 對電源也應(yīng)視為短路。（與二極管分析時相同）,,②,,將三極管用微變等效圖替換，畫出,微變等效交流電路,。。,,③利用線性電路的知識進行待求量的運算。包括電壓放大倍數(shù)的計算，輸入電阻，輸出電阻的計算等是電路的輸入輸出電阻，不是三極管的）。,
19、,例,:,注：目前，已有三種電路圖形式,。,,,,求：選加在,Q,點上的各極的交流量。,,解：,（一）先求靜態(tài)工作點,：,,,直流通路為：,,根據(jù)直流通路電路圖得：,,,（二）動態(tài)分析：,,各極的交流量有這幾個：,,,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 場效應(yīng)晶體管(FET）,,分類和結(jié)構(gòu)：,,結(jié)型場效應(yīng)晶體管,JFET,,絕緣柵型場效應(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,,
20、1.5.1結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET,,1),P,溝道和,N,溝道結(jié)構(gòu)及電路符號,,,,,,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,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,,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。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
21、,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,,U,GS,=V,P,R,D,V,DD,U,GS,電路圖
22、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，,I,D,=0,,相當(dāng)一個很大的電阻,,3)、,JFET,的主要參數(shù),1）夾斷電壓,V,P,:,手冊給出是,I,D,為一微小值時的,V,GS,,2）,飽和漏極電流,I,DSS;,V,GS,=0，,時的,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
23、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
24、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、絕緣柵型場效應(yīng)晶體管,IGFET（MOS）,分,增強型,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
25、,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
26、原理(,NMOS),耗盡型,場效應(yīng)管的工作原理類似,結(jié)型,場效應(yīng)管。,,增強型,IGFET,象雙結(jié)型三極管一樣有一個開啟電壓,V,T,，,（,相當(dāng)于三極管死區(qū)電壓）。,,當(dāng),U,GS,低于,V,T,時，漏源之間夾斷。,ID=0,,當(dāng),U,GS,高于,V,T,時，漏源之間加電壓后。,,,I,D,=I,D0,（ -1）,2 ；,I,DO,為2,V,T,時的,I,D,,,,,,當(dāng),U,DS,小于等于,U,GS,-V,T,時，進入可變電阻區(qū),,,U,GS,V,T,?,u,GS,?,i,D,g,m,=,2,I,D0,(U,GS,-1),V,T,=,V,T,2,I,D
27、,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,μ,A,,I,D,放,,,大,,,區(qū),0,擊,,穿,,區(qū),U,DS,=5V,,U,GS,V,I,D,,μ,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,:,手冊給出是,I,D,為一微小值時的,V,GS,,
28、2）,飽和漏極電流,I,DO;,V,GS,=2V,T,時的,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,,
第二章、半導(dǎo)體三極管分解
