第四讲 晶体三极管及场效应管晶体三极管一、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、主要参数双极型三极管（双极型三极管（BJT）是半导体三极管的一种类型，它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，有两种类型半导体三极管，有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。NPN结构NPN符号PNP结构PNP符号 一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号掺杂浓度高掺杂浓度高掺杂浓度很掺杂浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中中功率管功率管大功率管大功率管二、晶体管的电流分配与放大原理二、晶体管的电流分配与放大原理 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流漂移运动形成集电极电流IC。少数载少数载流子的流子的运动运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少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数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散电流分配：电流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲增大到一定值曲线右移就不明显了？线右移就不明显了？1. 输入特性输入特性2. 输出特性输出特性对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。 为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区动画演示动画演示晶体管的三个工作区域晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅几乎仅仅决定于输入回路的电流决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流即可将输出回路等效为电流即可将输出回路等效为电流即可将输出回路等效为电流 i iB B 控制的电流源控制的电流源控制的电流源控制的电流源i iC C 。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE饱和区：饱和区：q输出特性曲线的陡直部分是饱和区。输出特性曲线的陡直部分是饱和区。qIB的变化对的变化对 IC的影响较小。的影响较小。q UCEUBE，发射结和集电结均处于正向偏置。发射结和集电结均处于正向偏置。放大区：放大区：q输出特性曲线的近于水平部分是放大区。输出特性曲线的近于水平部分是放大区。q IC IB 放大区也称为线性区。放大区也称为线性区。q发射结必须正向偏置，集电结则应反向偏置发射结必须正向偏置，集电结则应反向偏置。截止区：截止区：q IB 0的曲线以下的区域称为截止区。的曲线以下的区域称为截止区。q对对NPN硅管使三极管可靠截止，常使硅管使三极管可靠截止，常使UBE0V。q发射结和集电结均处于反向偏置。发射结和集电结均处于反向偏置。BJT的的使用常识使用常识国产国产BJT的型号的型号命名方法按国家标准命名方法按国家标准（GB249-74）规定规定四、主要参数 直流参数直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功率，最大集电极耗散功率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率） 极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的前面的电路中，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、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在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直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流交流电流放大倍数放大倍数为：为：1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： =2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，形成区，形成IBE。根据放大关系，根据放大关系，由于由于IBE的存的存在，必有电流在，必有电流 IBE。集电结反集电结反偏有偏有ICBO3. 集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很受温度影响很大，当温度上升大，当温度上升时，时，ICEO增加很快增加很快，所以，所以IC也相应也相应增加。增加。三极管的三极管的温度特性较差温度特性较差。4.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为流即为ICM。（。（UCE =1V =1V）5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集- -射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，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三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管， 所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC =ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区五、温度对晶体管特性的影响五、温度对晶体管特性的影响小结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： 放大状态：发射结正偏，集电结反偏。 截止状态：发射结零偏或反偏，集电结反偏。 饱和状态：反射结正偏，集电结正偏。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。 特殊三极管特殊三极管1 光电三极管光电三极管将将光光信号信号转换为转换为光电流信号光电流信号半导体器件，半导体器件，并且还能把光电流放大，又称并且还能把光电流放大，又称光敏三极管光敏三极管。C(+)e(-)无光照时：无光照时：IC=ICEO=（1+）ICBO有光照时：有光照时：IC=（1+）IL电流较大电流较大2 光电耦合器件光电耦合器件输入电信号输入电信号发发光光光电流输出光电流输出+-工业工业系统系统传感传感电路电路执行执行机构机构计算机计算机系统系统传传输输线线输入输入输出输出光电耦合器组成的计算机接口电路示意图光电耦合器组成的计算机接口电路示意图场效应管场效应管场效应管本节要点：本节要点：1 1、场效应管的类型和结构、场效应管的类型和结构2 2、场效应管的工作原理、场效应管的工作原理3 3、场效应管的特性和参数、场效应管的特性和参数4 4、场效应管与晶体管的异同、场效应管与晶体管的异同复习提问：复习提问：1 1、晶体管的特点？其工作在放大状态的条件是什么？、晶体管的特点？其工作在放大状态的条件是什么？2 2、在晶体管内部有几种性质的载流子参与导电？、在晶体管内部有几种性质的载流子参与导电？引言：引言：晶体管是多子和少子均参与导电的双极性晶体管。晶体管是多子和少子均参与导电的双极性晶体管。场效应管与双极性晶体管不同，它是多子导电，输入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二、场效应管的结构二、场效应管的结构（以（以N沟道为例）沟道为例） 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（栅极（g）、）、漏极（漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1. 结型场效应管结型场效应管导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图动画演示动画演示图图1.4.1 结型场效应管的结构和符号结型场效应管的结构和符号栅栅- -源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必必须加负电压？须加负电压？UGS（off）动画演示动画演示漏漏- -源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响uGSUGS（off）且不变且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几几乎仅仅决定于乎仅仅决定于uGS。uGDUGS（off）uGDUGS（off）（UGS(off) uGS 0的情况）的情况）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，故曰结型场效应管夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性转移特性场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uDSUGS（off）。g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：动画演示动画演示uui（1）可变电阻区）可变电阻区 是是u uDSDS较小，管子尚未预夹断时较小，管子尚未预夹断时的工作区域。虚线为不同的工作区域。虚线为不同u uGSGS是预夹是预夹断点的轨迹，故虚线上各点断点的轨迹，故虚线上各点u uGDGD=U=UGS(off)GS(off)，则虚线上各点对应的则虚线上各点对应的u uDSDS= =u uGSGS-U-UGS(offGS(off) )。2、改变、改变uGS时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间时，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可以看成一个由uGS控制的线性电阻，即压控电阻。控制的线性电阻，即压控电阻。uGS愈负愈负,特特性曲线斜率愈小性曲线斜率愈小,等效电阻愈大。等效电阻愈大。特点：特点：1、iD几乎与几乎与uDS成线性关系，管子相当于线性电阻。成线性关系，管子相当于线性电阻。uui（2）恒流区（饱和区）恒流区（饱和区） 特性曲线近似水平的部分，特性曲线近似水平的部分，它是它是JFETJFET预夹断后所对应的工预夹断后所对应的工作区域。作区域。特点特点：1、输出电流、输出电流i iD D 基本上不受输出电压基本上不受输出电压u uDSDS的影响，仅取决于的影响，仅取决于u uGSGS，故特性曲线是一族近乎平行于故特性曲线是一族近乎平行于u uDSDS轴的水平线轴的水平线。2、输入电压输入电压uGS控制输出电流控制输出电流uui（3）击穿区）击穿区 特性曲线上翘部分。特性曲线上翘部分。uDSU(BR)DS，管子不允许工作在管子不允许工作在这个区域。这个区域。（4）夹断区（截止区）夹断区（截止区） 输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在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。时，管子的导电沟道完全被夹断。特点：特点：iD0 夹断区 相当于晶体管的截止区 变阻区 相当于晶体管的饱和区恒流区 相当于晶体管的放大区结型场效应管的缺点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！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2. 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。增强型管增强型管SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高高掺杂掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启动画演示动画演示增强型增强型MOS管管uDS对对iD的的影响影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？ iD随随uDS的的增增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻动画演示动画演示图图1.4.10 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性管的特性曲线曲线特性曲线和电流方程特性曲线和电流方程耗尽型耗尽型MOS管管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道VMOS管的结构示意图MOS管的特性管的特性1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压3. 场效应管的分类场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 2. 夹断电压夹断电压 ：是耗尽型是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS= 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1. 开启电压开启电压 ：MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC):栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过与流过栅极电流栅极电流IGS之比。结型之比。结型:大于大于107，绝缘栅绝缘栅:1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压U(BR)DS: 使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR) GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压场效应管的主要参数场效应管的主要参数8. 低频跨导低频跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。反映了栅源压对漏极电流的控制作用。9. 极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容7. 最大漏极电流最大漏极电流IDM ：管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较1、场效应管是电压控制元件，晶体管是电流控制元件；2、场效应管只有多子参与导电，故其温度稳定性高于晶体管,晶体管内既有多子又有少子参与导电；3、场效应管的输入电阻很大，功耗很小，但其电流放大能力远小于晶体管；4、漏极与源极互换位置后特性变化不大；5、场效应管特别是绝缘栅场效应管，其栅源击穿电压较低，且易感应静电电压。故故贮存时，应将管子的三个电贮存时，应将管子的三个电极短路；把管子焊接到电路上或取下时，应先用导线将极短路；把管子焊接到电路上或取下时，应先用导线将各电极绕在一起；焊接管子，最好断电利用余热焊接；各电极绕在一起；焊接管子，最好断电利用余热焊接；6、均可用于放大电路和开关电路。注意: 半导体中载流子的运动以及由载流子的运动而阐述的半导体二极管、晶体管和场效应管的工作原理是学习的难点，但不是学习的重点。 本章的重点是从使用的角度出发掌握半导体二极管、晶体管和场效应管的外部特性和主要参数。因此大家不要将注意力过多放在管子内部，而应以理解外特性为主。