第4讲晶体三极管及场效应管.课件

C
ICBO IBE N
P
ICEO受温度影响 很大，当温度上
升时，ICEO增加 很快，所以IC也 相应增加。三极
管的温度特性较
差。
IBE
N
根据放大关系，
ICBO进入N E
区，形成
由于IBE的存 在，必有电流
IBE。
IBE。
4.集电极最大电流ICM
集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降， 当值下降到正常值的三分之二时的集电极电
栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用
沟道最宽
UGS（off）
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必 须加负电压？
动画演示
漏-源电压对漏极电流的影响
（UGS(off)< uGS <0且uDS >0的情况）
uGD>UGS（off）
uGD＝UGS（off）
预夹断
uGD<UGS（off）
放大状态：发射结正偏，集电结反偏。
IC IB 截止状态：发射结零偏或反偏，集电结反偏。
IB 0, IC ICEO 0
饱和状态：反射结正偏，集电结正偏。
UCE U BE , IC IB ,UCES 0.3V
3、使用晶体管时，不能超过其极限参数。在放大状态，一
般取
___
4、温度对晶体管的参数和特性有很大的影响。
晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
一、晶体管的结构和符号
双极型三极管（BJT）是半导体三极管的一种类型，它 有空穴和电子两种载流子参与导电，故称双极型，又称 半导体三极管，有两种类型:NPN型和PNP型。
PCPCM
安全工作区
ICUCE=PCM
U(BR)CEO
UCE
五、温度对晶体管特性的影响
T (℃) ICEO
u
不变时
BE
iB
，即iB不变时uBE
小结
• 1、三极管的三个区域的结构掺杂浓度不同，这是三极管
具有电流放大作用的内部条件；其外部条件是发射结正偏， 集电极反偏。
• 2、晶体管工作在不同状态时，其外部特征是：
流即为ICM。（UCE =1V）
5.集-射极反向击穿电压
当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时， 三极管就会被击穿。手册上给出的数值是 25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。
6. 集电极最大允许功耗PCM
• 集电极电流IC 流过三极管，
所发出的焦耳
IC ICM
热为：
PC =ICUCE
• 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。
c-e间击穿电压
最大集电极耗散功率， PCM＝iCuCE
安全工作区
___
1. 电流放大倍数
前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的
公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共 集接法。共射直流电流放大倍数：
___
IC
IB
工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在
直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，
二、场效应管的结构（以N沟道为例）
场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d）， 对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、 可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。
1. 结型场效应管
结构示意图
漏极
符号
栅极
导电 沟道
源极 动画演示
图1.4.1 结型场效应管的结构和符号
特殊三极管
1 光电三极管 将光信号转换为光电流信号半导体器件， 并且还能把光电流放大，又称光敏三极管。
C(+)
e(-)
无光照时：IC=ICEO=（1+β）ICBO
2
有光照时：IC=（1+3β）IL
电流较大 4
2 光电耦合器件
发 光 输入电信号 +
-
光电流输出
3
4
5
6
光电耦合器组成的计算机接口电路示意图
2. 输出特性 iC f (uCE ) IB
对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。 饱和区
iC
放大区
为什么uCE较小时iC随uCE变 化很大？为什么进入放大状态
曲线几乎是横轴的平行线？
iB
iC iB
UCE 常量
截止区
动画演示
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
• 1、栅源极间的电阻虽然可达以上，但在某些 场合仍嫌不够高。
• 2、在高温下，PN结反向电流增大，栅源间的 电阻会显著下降。
• 3、栅源极间的PN结加正向电流时，将会出现 较大的栅极电流。
绝缘栅型场效应管可以很好地解决这些问题！
2. 绝缘栅型场效应管
图1.4.7 N沟道增强型MOS管结构示意图 及增强型MOS的符号
uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大
。
VDD的增大，几乎全部用来克服沟道 的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD 几乎仅仅决定于uGS。
结论
显然，改变uGS可以改变PN结的宽度，改变 导电沟道的宽度，改变漏极电流ID的大小， 故曰结型场效应管
转移特性
iD f (uGS) UDS 常量
特点：
u u
1、输出电流iD 基本上不受输出电压uDS的影响，仅取决于uGS，
故特性曲线是一族近乎平行于uDS轴的水平线。
2、输入电压uGS控制输出电流
u
i I D
DSS
U
2 GS 1
GS(off )
（3）击穿区
i
特性曲线上翘部分。
uDS>U(BR)DS，管子不允许工作在 这个区域。
（4）夹断区（截止区）
恒 流
区
区
低频跨导：Байду номын сангаас
夹断区（截止区）
iD几乎仅决 定于uGS
击 穿 区
夹断电压
gm
iD uGS
U DS 常量
不同型号的管子UGS（off）、IDSS 将不同。
动画演示
（1）可变电阻区
i
是uDS较小，管子尚未预夹断时
的工作区域。虚线为不同uGS是预夹
断点的轨迹，故虚线上各点
uGD=UGS(off)，则虚线上各点对应的 uDS=uGS-UGS(off)。
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。
饱和区： 输出特性曲线的陡直部分是饱和区。 IB的变化对 IC的影响较小。 UCE＜UBE，发射结和集电结均处于正向偏置。
夹断 电压
在恒流区时，iD
I
DO
( uGS U GS(th)
1)2
式中IDO为uGS 2UGS(th)时的iD
3. 场效应管的分类 工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性
结型PN沟沟道道((uuGGSS＞＜00，，uuDDSS＜＞00)) 场效应管绝缘栅型耗 增尽 强型 型PPNN沟 沟沟 沟道 道道 道((((uuuuGGGGSSSS＜极＞极0性 0性，，任任 uuDD意S意S＜＞，，00)u)uDDSS＜＞00))
NPN结构
NPN符号
PNP结构
PNP符号
小功率管
中功率管
大功率管
掺杂浓度高
掺杂浓度很 低，且很薄
面积大
晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
二、晶体管的电流分配与放大原理
放大的条件uBE uCB
U
（发射结正偏）
on
0，即uCE uB（E 集电结反偏）
少数载 流子的 运动
因集电区面积大，在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区
uGS=0时就存在 导电沟道
小到一定 值才夹断
加正离子
耗尽型MOS管在 uGS＞0、 uGS ＜0、 uGS ＝0时均可导 通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在 uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。
VMOS管的结构示意图
MOS管的特性
1)增强型MOS管
开启 电压
2)耗尽型MOS管
u u
特点：
1、iD几乎与uDS成线性关系，管子相当于线性电阻。
2、改变uGS时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间 可以看成一个由uGS控制的线性电阻，即压控电阻。uGS愈负,特 性曲线斜率愈小,等效电阻愈大。
（2）恒流区（饱和区）
i
特性曲线近似水平的部分，
它是JFET预夹断后所对应的工
作区域。
管。场效应管与双极性晶体管不同，它是多子导电， 输入阻抗高，温度稳定性的晶体管
一.场效应管的类型
• 1.结型场效应管JFET
P沟道场效应管 N沟道场效应管
• 2.绝缘栅型场效应管MOS
增强型N沟道绝缘栅型场效应管 增强型P沟道绝缘栅型场效应管 耗尽型N沟道绝缘栅型场效应管 耗尽型P沟道绝缘栅型场效应管
uDS的增大几乎全部用 来克服夹断区的电阻
iD几乎仅仅 受控于uGS，恒 流区
用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N 沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？
动画演示
特性曲线和电流方程
iD
I
DO
( uGS U GS(off)
1) 2
图1.4.10 N沟道增强型MOS管的特性曲线
耗尽型MOS管
因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合
基区空穴 的扩散
因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极 电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
• 电流分配： IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。
漏极饱 和电流
夹断 电压
在恒流区时
iD
I
DSS
(1
uGS U GS(off)
)
2
输出特性
iD f (uDS) UGS 常量
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
IDSS
g-s电压控 制d-s的等
效电阻
ΔiD
可 变 电 阻
放大区： 输出特性曲线的近于水平部分是放大区。 IC ＝ IB ×β放大区也称为线性区。 发射结必须正向偏置，集电结则应反向偏置。
截止区： IB ＝ 0的曲线以下的区域称为截止区。 对NPN硅管使三极管可靠截止，常使UBE≤0V。 发射结和集电结均处于反向偏置。
BJT的使用常识 国产BJT的型号
直流电流 放大系数
IC
IB
iC
iB
ICEO (1 )ICBO
穿透电流
集电结反向电流
交流电流放大系数
三、晶体管的共射输入特性和输出特性
1. 输入特性
iB f (uBE ) UCE
为什么像PN结的伏安特性？ 为什么UCE增大曲线右移？ 为什么UCE增大到一定值曲 线右移就不明显了？
对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线 可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。
相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放
大倍数为：
IC IB
在以后的计算中，一般作近似处理： =
2.集-基极反向截止电流ICBO
ICBO A
ICBO是集 电结反偏 由少子的 漂移形成 的反向电 流，受温 度的变化 影响。
3. 集-射极反向截止电流ICEO
集电结反 偏有ICBO
B
ICEO= IBE+ICBO
2. 绝缘栅型场效应管
增强型管
大到一定 值才开启
高掺杂 耗尽层 空穴
衬底 SiO2绝缘层
反型层
uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当 反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。
动画演示
增强型MOS管uDS对iD的影响
刚出现夹断
iD随uDS的增 大而增大，可
uGD＝UGS（th）, 预夹断
变电阻区
3 D G 110 A
规格号 序号
高频小功率 NPN型,硅材料
三极管
命名方法按国家标准 （GB249-74）规定
四、主要参数
•
直流参数：
、 、ICBO、 ICEO
IC
IE
iC iE 1
• 交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率）
• 极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO
最大集电 极电流
uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS＞0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS＜0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？
场效应管的主要参数
1. 开启电压 UGS(th) ：MOS增强型管的参数，栅源电压小于 开启电压的绝对值,场效应管不能导通。 2. 夹断电压UGS (off ) ：是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS (off ) 时, 漏极电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS
u u
输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在uGS≤ UGS（off） 时，管子的导电沟道完全被夹断。
特点：
iD≈0
• 夹断区
相当于晶体管的截止区
U GS
U
GS
(
off
，
)
ID
0
• 变阻区
相当于晶体管的饱和区
U DS变，iD也变
• 恒流区
相当于晶体管的放大区
U
一定，
DS
iD与uGS
成正比
结型场效应管的缺点
输入
传感 电路
工业
系统 执行 机构
R1
传 输 线
输出
计算机
R2
系统
场效应管
场效应管
本节要点： 1、场效应管的类型和结构 2、场效应管的工作原理 3、场效应管的特性和参数 4、场效应管与晶体管的异同 复习提问： 1、晶体管的特点？其工作在放大状态的条件是什么？ 2、在晶体管内部有几种性质的载流子参与导电？ 引言：晶体管是多子和少子均参与导电的双极性晶体