模拟电子技术三极管详解

GS
uGS iD = IDO( −1)2 UGS(th)
uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值 ( )
半导体三极管 第 2 章 半导体三极管
二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
Sio2 绝缘层中掺入正离子 D 时已形成沟道； 在 uGS = 0 时已形成沟道； B 在 DS 间加正电压时形成 iD， uGS ≤ UGS(off) 时，全夹断。 全夹断。 ( ) S
ICEO O
U(BR)CEO
1. ICM — 集电极最大允许电流，超过时 β 值明显降低。 集电极最大允许电流， 值明显降低。 2. PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC × uCE。 3. U(BR)CEO — 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。 间反向击穿电压。 、 ) U(BR)CBO — 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。 间反向击穿电压。 、 ) U(BR)EBO — 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。 间反向击穿电压。 、 ) U(BR)CBO > U(BR)CEO > U(BR)EBO ) ) )
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2.2.1 MOS 场效应管 一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi— FET) ) 1. 结构与符号
S
N+
MOSFET结构 结构
G
D
N+
耗尽层
(掺杂浓度低) 掺杂浓度在硅片表面生一 用金属铝引出 用扩散的方法 在绝缘层上喷金 G — 栅极 Gate 层薄 SiO2 绝缘层 G 属铝引出栅极 G 源极 S 和漏极 D 制作两个 N 区 D — 漏极 Drain
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2.1.2 晶体三极管的特性曲线 一、输入特性
iC
B + RC + 输出 RB E uCE 输入 回路 + uBE + − VCC 回路 VBB − − IE
−
iB
C
iB = f (uBE) u
CE=常数
uCE = 0 与二极管特性相似
iB
RB + + uBE
iC / mA 4 50 µA 饱 40 µA 3 和 放大区 区 30 µA
2 1
B=常数
20 µA 10 µA IB = 0 截止区
ICEO
特点： 特点：IC ≠ β IB O 2 4 6 8 uCE /V 临界饱和时： u 临界饱和时： CE = uBE 1. 截止区： IB ≤ 0 截止区： 深度饱和时： 深度饱和时： IC = ICEO ≈ 0 0.3 V (硅管) 硅管) UCE(SAT)= ( ) 条件： 条件：两个结反偏 0.1 V (锗管) 锗管)
iD /mA 夹断 电压 UGS(off)O uGS /V 转移特性 IDSS 饱和漏 极电流
G iD /mA
O
2V 0V −2V uGS = − 4 V uDS /V 输出特性
当 uGS ≥ UGS(off) 时， ( )
uGS 2 iD = IDSS (1 − ) UGS(off)
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二、电流放大原理 1. 三极管放大的条件 发射区掺杂浓度高 内部 基区薄且掺杂浓度低 外部 条件 条件 集电结面积大 2. 满足放大条件的三种电路
E ui B 共基极 C uo ui B C uo ui B
发射结正偏 集电结反偏
E uo C 共集电极
E 共发射极
IE
3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC ) I C = ICN + ICBO
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4. 三极管的电流分配关系 IC = ICN + ICBO IB = I BN − ICBO
当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、 当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集 电结面积等确定，故电流的比例关系确定， 电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：
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2) uDS 对 iD的影响(uGS > UGS(th)) ) 的影响( ( )
MOS工作原理 工作原理
DS 间的电位差使 沟 道 呈 楔 形 ， uDS↑ ， 靠近漏极端的沟道厚 度变薄。 度变薄。 预夹断(U 预夹断 GD = UGS(th))：漏极附近反型层消失。 ( ) ：漏极附近反型层消失。 预夹断发生之前： 预夹断发生之前： uDS↑ iD↑。 预夹断发生之后： 不变。 预夹断发生之后：uDS↑ iD 不变。
实现电路 ui RE RC uo ui
RB
RC
uo
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3. 三极管内部载流子的传输过程
I CBO
三极管内载流子运动
IC
I CN
IB
I BN
1) 发射区向基区注入多子电子， ) 发射区向基区注入多子电子 电子， 形成发射极电流 IE。 ) 基区空穴运动因浓度低而忽略) (2)电子到达基区后 基区空穴运动因浓度低而忽略) 多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。 少数与空穴复合， 少数与空穴复合，形成 IBN 。 基极电源提供( 基区空 基极电源提供(IB) 穴来源 集电区少子漂移(ICBO) 集电区少子漂移( 即： IBN ≈ IB + ICBO IB = IBN – ICBO
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2.2 单极型半导体 单极型半导体 三极管
引 言 2.2.1 MOS 场效应管 2.2.2 结型场效应管 2.2.3 场效应管的主要参数
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引 言
场效应管 FET (Field Effect Transistor) ) 类型： 类型： 结型 JFET (Junction Field Effect Transistor) ) IGFET( FET) 绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET) 特点： 特点： 1. 单极性器件(一种载流子导电) 单极性器件(一种载流子导电) 2. 输入电阻高(107 ∼ 1015 Ω，IGFET 可高达 1015 Ω) 输入电阻高( 3. 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、
4 iC / mA 3 2 1 O 2 4
ICN ×10C3− ICBO IC 2.45 I− A β= = −6 ≈ 82 ≈ = I30×10IBA ICBO IB + BN
Q
β — 交流电流放大系数
50 µA 40 µA 30 µA 20 µA 10 µA IB = 0uCE /V
6 8
∆ iC (2.45 −1.65)×10−3 A 0.8 β= β ≈= 一般为几十 ∼ 几百 = 80 = −6 10 ∆i B 10×10 A
三、极限参数
iC ICM 安 全 PCM 工 作 区 (P34 2.1.7)已知 )已知: ICM = 20 mA, PCM = 100 mW， ， U(BR)CEO = 20 V， ， 当 UCE = 10 V 时，IC < 10 mA 当 UCE = 1 V，则 IC < 20 mA ， 当 IC = 2 mA，则 UCE < 20 V ， uCE
−
RB +
−
iB
VBB
−
VBB
uCE = 0 uCE ≥ 1 V
uBE
uCE > 0 特性右移(因集电结开始吸引电子) 特性右移(因集电结开始吸引电子) uCE ≥ 1 V 特性基本重合(电流分配关系确定) 特性基本重合 电流分配关系确定) 重合( 硅管： (0.6 ∼ 0.8) V 取 0.7 V 导通电压 UBE(on) 硅管： ( ) 锗管： (0.2 ∼ 0.3) V 取 0.2 V 锗管：
D B S
B
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2. 工作原理
反型层 沟道) (沟道)
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0) ) ) a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结； b. 当 0 < UGS < UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂直电 ( ) 开启电压) 区中电子形成离子区(耗尽层) 场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)； c. 当 uGS ≥ UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形 衬底中电子被吸引到表面， ( ) 成导电沟道。 越大沟道越厚 沟道越厚。 成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。
O
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二、输出特性
输出特性
iC = f (uCE ) i
2. 放大区： I C = β I B + I CEO 放大区： 条件： 条件：发射结正偏 集电结反偏 特点：水平、 特点：水平、等间隔 u 3. 饱和区： CE ≤ u BE 饱和区： uCB = uCE − u BE ≤ 0 条件： 条件：两个结正偏
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3. 转移特性曲线 iD = f ( uGS ) U
DS
4. 输出特性曲线 iD = f ( uDS ) U
iD /mA 4 UDS = 10 V
3 2 1 UGS (th) 开启电压 O 2 4 6
uGS /V
当 uGS > UGS(th) 时： ( )
iD /mA 8V 可 变 6V 电 放大区 恒流区 饱和区 4V 阻 区 uGS = 2 V O 截止区 uDS /V 可变电阻区 uDS < uGS − UGS(th) ( ) uDS↑→ iD ↑，直到预夹断 饱和(放大区) 饱和(放大区) uDS↑，iD 不变 加在耗尽层上， ∆uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变 截止区 uGS ≤ UGS(th) 全夹断 iD = 0 ( )
第2章
半导体三极管
2.1 双极型半导体三极管 2.2 单极型半导体三极管 2.3 半导体三极管电路的基本分析方法 2.4 半导体三极管的测试与应用
第2章
半导体三极管
2.1 双极型半导体三极管 双极型半导体三极管
2.1.1 晶体三极管 2.1.2 晶体三极管的特性曲线 2.1.3 晶体三极管的主要参数
IC − ICBO ICN β= = IB + ICBO IBN
I C = β I B + (1 + β ) I CBO = β I B + I CEO 穿透电流
IE = IC + IB I C = β I B + I CEO
IE = IC + IB
IE = (1+ β ) IB + ICEO
IC = β IB IE = (1 + β ) IB
iC T2 > T1
温度每升高 1°C，β ↑(0.5 ∼ 1)%。 ° ， 。 输出特性曲线间距增大。 输出特性曲线间距增大。
B= 0 iiB = 0 iB = 0u
O
CE
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2.1.3 晶体三极管的主要参数
一、电流放大系数
1. 共发射极电流放大系数 β — 直流电流放大系数
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) 2.1.1 晶体三极管 (Semiconductor Transistor) 一、结构、符号和分类 结构、 collector 分类： 分类： 集电极 C C — 集电区 按材料分： 按材料分： N P 集电结 硅管、 硅管、锗管 — 基区 B 基极 B P N 按结构分： 按结构分： 发射结 N P base NPN、 PNP 、 — 发射区 按使用频率分： 按使用频率分： E 发射极 E emitter 低频管、 低频管、高频管 C C 按功率分： 按功率分： 小功率管 < 500 mW B B NPN 型 E E 中功率管 0.5 ∼1 W PNP 型 大功率管 > 1 W
2. 共基极电流放大系数 α < 1 一般在 0.98 以上。 以上。
二、极间反向饱和电流 CE CB 极间反向饱和电流 ICBO， 极间反向饱和电流 ICEO。
IC 80 C I β β = α = == = 0.988 = IE 80C + IB 1+ β 1+ β I +1
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三、温度对特性曲线的影响 1. 温度升高，输入特性曲线向左移。 温度升高，输入特性曲线向左移。 向左移
iB
T2 > T1
温度每升高 1°C，UBE ↓ (2 ∼ 2.5) mV。 ° ， 。 温度每升高 10°C，ICBO 约增大 1 倍。 ° ，
uBE
O
2. 温度升高，输出特性曲线向上移。 温度升高，输出特性曲线向上移 向上移。