晶体管简介与工作原理

e
IC IB
I CBO 0

U BE
RB
b
VBB
VCC
IB
U CE
RC

U CB



为共射极直流电流 放大系数
2．共射极输出特性
iC/ mA
输出特性曲线
4 3
60
iB =
100 μ A 80
iB
iC

饱和区
uBE

2 1 0 2
放大区
uCE iE
40 20 0
4
6
8 u /V CE
双极性晶体管的三个极，分别由N型跟P型组成发射极（Emitter）、基极(Base) 和集电极（Collector）; 场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极 （Drain）。 晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称 共射放大）、基极接地（又称共基放大）和集电极接地（又称共集放大）。
晶体管简介与工作原理
2016.11
晶体管简介
• 一、 定义： 严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为 基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、 场效应管、可控硅等。 • 晶体管有时多指晶体三极管。 晶体管主要分为两大类：双极性 晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。
晶体管有三个极；
I CBO 0
RE
VEE
VCC
RC
称为共基极直流电流放大系数
晶体管共射极接法 原理图
IE
电路图
P
N
N
IC
c ICBO
e
IB
IC

RC VCC

U BE
RB
b
VBB
VCC
IB
U CE
RC

U CB



T U CE RB U BE IE VBB
放大系数
定义
IE
N
P
N
IC
c ICBO
iC/ mA
4 3
100 μ A 80
饱和区
60
2
放大区
40 20 0
(3) 截止区
a. IB≈0 b. IC≈0
1 0 2 4 6 8
uCE/ V
2.1.4 晶体管的主要电参数 1. 直流参数 (1) 共基极直流电流放大系数

(2) 共射极直流电流放大系数 (3) 集电极——基极间反向饱和电流ICBO (4) 集电极——发射极间反向饱和电流ICEO
场效应管
• 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写 (FET)）简称场效应管。 • 由多数载流子参与导电，也称为单极型晶 体管。它属于电压控制型半导体器件。
场效应管的分类
• 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。 • 结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名， 绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它 电极完全绝缘而得名。
集电区少子空 穴向基区漂移 基区少子电子向 集电区漂移 少子漂移形成反 向饱和电流ICBO
IE
N
P
N
IC
c
e
ICBO

U BE

b

U CB
IB
RE
VEE
VCC
RC
e. 集电区、基区少子相互漂移
晶体管的电流分配关系动画演示
IE
N
P
N
IC
c
e
ICBO

U BE

b

U CB
IB
定义
IC IE
U(BR)
反向特性
0
u
按指数规律快 速增加
|u|↑>UBR， －反向击穿
u<0， i≈-IS，恒定不变
反向漏电流
11
E
D 20℃
1.正向特性
死区电压UT：正向电压超过某一数值后，才有 明显的正向电流。
i
硅：UT=0.5V；锗：UT=0.1V
UBR
IS
正向导通电压U范围： 硅：0.6~0.8V（计算时取0.7V），U=0.7
0
E D
UT
u
锗：0.1~0.3V（计算时取0.2V），U=0.2
使用时应加限流电阻。
2.反向特性
反向电流很小，与温度有关； 硅：Is<0.1 A，锗：Is＝几十A。 UBR=几十伏
12
|U | 击穿电压，击穿导通，反向电流急剧增加；
稳压二极管
一、 基本结构
结构：结构同二极管（击穿可逆） 符号：
• 目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的 是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化 物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、 NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世 的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
场效应管分三个极
• Ｄ极为漏极（供电极） • • • Ｓ极为源极（输出极） • • • Ｇ极为栅极（控制极）
• 饱和漏极电流：IDSS
它可定义为：当栅、源极之间的电压等于零，而漏、源极 之间的电压大于夹断电压时，对应的漏极电流。
VMOS场效应管的检测方法
（1）判定栅极G 将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚 之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均 呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证 明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘 的。 （2）判定源极S、漏极D 在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、 反向电阻存在差异，可识别S极与D极。用交换 表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为 几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时 黑表笔的是S极，红表笔接D极。
DZ
二、伏安特性（在一定电流内稳定电压）：I
-
+
稳压值
稳压 误差 UZ
IZ IZ IZmax
UZ
曲线越 U 陡，电 压越稳 定。
13
+
双极型晶体管
• 晶体管的类型
NPN型 PNP型
• Bipolar Junction Transistor------BJT 集电极 C 集电极 C • 简称晶体管或三极管 • 晶体管的作用 P N B N – 电流控制和电流放大 P B 基极 基极 P – 开关作用 N E
N
P
N
e
c
U BE


b

U CB

RE
VEE
VCC
RC
发射区向基区扩散电子 b. 基区向发射区扩散空穴
基区向发射区扩散空穴
形成空穴电流
IE
N
P
N
e
c
U BE


b

U CB

RE
VEE
VCC
RC
发射区向基区扩散电子
基区向发射区扩散空穴
因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流 可忽略不记。
N型半导体(电子型半导体)
在硅或锗晶体（四价）中掺 入少量的五价元素磷，使自 由电子浓度大大增加。
磷原子
+4 +4
+5
+4
多子(Majority)：自由电子(Free Electron)
---由掺杂形成，取决于掺杂浓度
多余电子
少子(Minority)：空
穴(Hole)
---由热激发形成，取决于温度。
截止区
各区的特点
(1) 饱和区 a. UCE≤UBE
（集电结正偏）
iC/ mA
4
iB =
100 μ A 80
饱和区
3
60
b. IC＜βIB c. UCE增大， IC 增大
2 1
40
20 0
0
2
4
6
8
uCE/ V
(2)
放大区
iB =
a. UCE>UBE
（集电结反偏）
b. IC=βIB c. IC与UCE无关
7
因此
半导体中有 两种电流 漂移电流(Drift Current)：由载流子的漂移运动形 成的电流
漂移运动：由电 场力引起的载流 子定向运动
扩散运动：由于 载流子浓度不均 匀（浓度梯度） 造成的运动
扩散电流(Diffusion Current)：由载流子的扩散运 动形成的电流
8
PN结反向偏置
反向偏置：阳极ห้องสมุดไป่ตู้接电源负极，阴极N接电源阳极
特点：
• 外电场与内电场方向相同 （增强内电场），使PN结 变宽。 扩散运动＜漂移运动 结电阻大，反向电流很小， 反向截止
• •
9
二极管
一、 基本结构
PN结 + 引线 + 封装 = 二极管。
阳极
P D N
阴极
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
10
三、 PN结的伏安特性
i
IS 正向特性 u>0，u↑→i↑
P沟道的MOS
绝缘栅型N沟道输出特性曲线
• gm=△ID / △UGS
• 跨导的单位是 S （西门子）。 或单位：姆欧( mhos)
•
（为什么β没单位而gm有单位?）
场效应管的指标
V（BR）DSS---漏源击穿电压 V（BR）GSS---漏源短路时栅源击穿电压 V GS(th) ---开启电压或阀电压（导通栅压）
• 对于场效应管，在 栅极没有电压时， 由前面分析可知， 在源极与漏极之间 不会有电流流过， 此时场效应管处与 截止状态（右1图）。
• 当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时， 由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电 子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使 得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（右2图）， 从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以 想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立 相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压 的大小决定。
IE
N
P
N
e
c
U BE
非平衡少子在 基区复合，形 成基极电流IB


b

U CB

IB
RE
VEE
VCC
RC
c. 基区电子的扩散和复合
非平衡少子向 集电结扩散
IE
N
P
N
IC
c
e

U BE

b

U CB

IB
RE
VEE
VCC
RC
d. 集电区收集从发射区扩散过来的电子 形成发射极电流IC
非平衡少子 到达集电区
3
P型半导体(空穴型半导体)
在硅或锗晶体（四 价）中掺入少量的
+4 +4
三价元素硼，使空
穴浓度大大增加。
多子(Majority)：空 穴(Hole)
空穴
+3 +4
硼原子
---由掺杂形成，取决于掺杂浓度； 少子(Minority)：自由电子(Free Electron) ----由热激发形成，取决于温度。
5
PN结及其单向导电性
一、 PN结的形成
多子扩散
少子漂移
因浓度差多子的扩散运动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内
电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散多子的扩散和少子的漂移达到动态
平衡形成PN结
6
• PN结建立在N型和P型半导体的结合处，由于扩散运动， 使空穴和电子复合后形成不能移动的负离子和正离子状态。 • PN结称为 ---空间电荷区（无电压状态下正负离子在里面） – 耗尽层（P区和N区的电子空穴发生中和） – 阻挡层（PN结反向不导通） • PN结很窄（几个到几十个 m)。
N
C(c) T B (b) E(e)
NPN型晶体管符号
2. PNP型晶体管结构示意图和符号
发射区
基区
集电区
C(c)
E(e)
P
JE
N
JC B(b)
P
C(c) T E(e)
结构示意图
B (b)
符号
3. 晶体管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件） B E 发射区 基区 集电区 C
平面型晶 体管的结 构示意图
U BE
IB RE V EE

U CB
–
U BE
+
VEE
b
–
IB
VCC
U CB
+
RC
RE
VCC
RC
(1) 电流关系
IE
N
P
N
e
c
U BE


b

U CB

RE
VEE
VCC
RC
发射区向基区扩散电子 a. 发射区向基区扩散电子
形成发射极电流IE
称扩散到基区的发射 区多子为非平衡少子
IE
发射极
E
发射极
14
一、晶体管的结构和符号
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
15
发射极E(e)
发射结JE
集电结JC
集电极C(c)
发射区
基区
集电区
N
NPN型晶体管 结构示意图
P
基极B(b)
N
发射极E(e)
发射结JE
集电结JC
集电极C(c)
发射区
基区
集电区
N
P
基极B(b)
(1) 发射区小，掺杂浓度高。
B
E 发射区
基区 集电区
C (2) 集电区面积大。 (3) 基区掺杂浓度很低，且很薄。
晶体管的工作原理（以NPN型管为例） 依据两个PN结的偏置情况 放大状态 饱和状态 晶体管的工作状态 截止状态
倒置状态
晶体管共基极接法 原理图
IE
e
电路图
N
c
N
P
IC
IE
T
IC
2. 交流参数 (1) 共基极交流电流放大系数α (2) 共射极交流电流放大系数β
一般情况
0.95 ~ 0.995
20 ~ 200
一般可以认为
，
3. 极限参数 (1) 集电极开路时发射极——基极间反向击穿 电压U(BR)EBO (2) 发射极开路时集电极——基极间反向击穿 电压U(BR)CBO (3) 基极开路时集电极——发射极间反向击穿 电压U(BR)CEO
4
归纳
1 杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载
流子和少数载流子（简称多子、少子）。
2 杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓 3 杂质半导体中起导电作用的主要是多子。 4 N型半导体中电子是多子，空穴是少子；
P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
会移动？)
度，少数载流子的数量取决于温度。(少数载流子也
(4) 集电极最大允许电流ICM
(5) 集电极最大允许功率耗散PCM 晶体管的安全工作区
iC ICM 等功耗线PC=PCM =uCE×iC
不安全区
O
U (BR)CEO
uCE
三极管和运放器放大原理的区别
• 1、运放是输入到元器件内，既可以输出某 个倍数的输出 • 2、三极管则是通过像水龙头的阀门一样通 过Ib控制Ic，两者是不相干的两个电路