双极型晶体管MOS管简介

B
cmax
Ic Icmax 2mA
Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。
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判断BJT工作状态的一般方法(以NPN管为例)
状态 方法
发射结
截止
反偏或零偏
放大
正偏
饱和
正偏
集电极
反偏
反偏 正偏或零偏
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
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
4
Байду номын сангаас 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。
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 -ICBOIBE
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
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。
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）
ICmaxURSCC1622mA 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？
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
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:
IBU SB R B U BE 5 70.0 70.06 m1A I 5 0 .0m 6 1 3 A .0 5m I A
UBE<Uon
(临界饱和压降UCES 硅管UCES =0.5V 锗管UCES=0.2V )
0
0
0
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
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
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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：
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。
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
或α = β / (1+ β ) 共基极交流电流放大系数:
α ≈△iC /△I 且α≈α
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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
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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
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
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
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
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。
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例： =50， USC =12V，
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
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。
(2)
即： IC=IB , 且 IC = IB
(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。
即：UCEUBE ， IB>IC，UCE≤0.3V
(3) 截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0
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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
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+ICBOICE
集电结反偏，有
少子形成的反向
电流ICBO。
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
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
60A
40A
20A IB=0 9 12 UCE(V)
14
4
IC(mA
) 此区域中UC1E00UBAE,
集电结正偏，IB>IC，
3
UCE≤ 0.3V称为80饱A和 区。
§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。
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
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。
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。
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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。
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 UBE0.6~0.7V,锗管 UBE0.2~0.4V。
0.4 0.8 UBE(V)
13
2.输出特性 IC(mA )
60A
2
40A
1
20A
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40区A。
1
20A
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。