第第2章晶体三极管和场效晶体管章晶体三极管和场效晶体管本章学习目标本章学习目标2.1晶体三极管晶体三极管2.2场效晶体管场效晶体管本章小结本章小结本章学习目标本章学习目标1.理理解解晶晶体体管管的的结结构构和和分分类类，熟熟悉悉其其外外形形、图图形形符符号号。掌掌握三极管电流分配关系。握三极管电流分配关系。2.掌掌握握三三极极管管的的输输入入特特性性、输输出出特特性性及及三三种种工工作作状状态态，了了解其主要参数。解其主要参数。3.掌握用万用表对三极管进行测试的方法。掌握用万用表对三极管进行测试的方法。4.了了解解场场效效晶晶体体管管的的类类型型及及工工作作原原理理，熟熟悉悉其其图图形形符符号号，理解其转移特性和输出特性，了解其使用的注意事项。理解其转移特性和输出特性，了解其使用的注意事项。2.1晶体三极管晶体三极管2.1.1三极管的结构、分类和符号三极管的结构、分类和符号2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式三极管的工作电压和基本连接方式2.1.3三极管内电流的分配和放大作用三极管内电流的分配和放大作用2.1.4三极管的输入和输出特性三极管的输入和输出特性2.1.5三极管主要参数三极管主要参数2.1.6三极管的简单测试三极管的简单测试2.1晶体三极管晶体三极管晶晶体体三三极极管管：是是一一种种利利用用输输入入电电流流控控制制输输出出电电流流的的电电流流控制型器件。控制型器件。特点：特点：管内有两种载流子参与导电。管内有两种载流子参与导电。2.1.1三极管的结构、分类和符号三极管的结构、分类和符号一、晶体三极管的基本结构一、晶体三极管的基本结构1三极管的外形三极管的外形特点：特点：有三个电有三个电极，故称极，故称三极管三极管。2三极管的结构三极管的结构三极管的结构图三极管的结构图特点：特点：有三个区有三个区发射区、基区、集电区；发射区、基区、集电区；两个两个PN结结发射结发射结( (BE结结) )、集电结、集电结( (BC结结) )；三个电极三个电极发射极发射极e( (E) )、基极、基极b( (B) )和集电极和集电极c( (C) )；两种类型两种类型PNP型管和型管和NPN型管。型管。工工艺艺要要求求：发发射射区区掺掺杂杂浓浓度度较较大大；基基区区很很薄薄且且掺掺杂杂最最少少；集集电电区区比发射区体积大且掺杂少。比发射区体积大且掺杂少。二、晶体三极管的符号二、晶体三极管的符号三极管符号三极管符号箭头：箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：文字符号：V三、晶体三极管的分类三、晶体三极管的分类1三极管有多种分类方法。三极管有多种分类方法。按内部结构分：按内部结构分：有有NPN型和型和PNP型管；型管；按工作频率分：按工作频率分：有低频和高频管；有低频和高频管；按功率分：按功率分：有小功率和大功率管；有小功率和大功率管；按用途分：按用途分：有普通管和开关管；有普通管和开关管；按半导体材料分：按半导体材料分：有锗管和硅管等等。有锗管和硅管等等。2国国产产三三极极管管命命名名法法：见见电电子子线线路路（陈陈其其纯纯主主编编）P261附录。附录。例如：例如：3DG表示高频小功率表示高频小功率NPN型硅三极管；型硅三极管；3CG表示高频小功率表示高频小功率PNP型硅三极管；型硅三极管；3AK表示表示PNP型开关锗三极管等。型开关锗三极管等。2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式三极管的工作电压和基本连接方式一、晶体三极管的工作电压一、晶体三极管的工作电压三极管的基本作用三极管的基本作用是放大电信号。是放大电信号。三三极极管管工工作作在在放放大大状状态态的的外外部部条条件件是是：发发射射结结加加正正向向电电压压，集电结加反向电压。集电结加反向电压。三极管电源的接法三极管电源的接法三极管电源的接法三极管电源的接法V为三极管为三极管GC为集电为集电极电源极电源GB为基极电为基极电源，又称偏源，又称偏置电源置电源Rb为基极为基极电阻电阻Rc为集电为集电极电阻。极电阻。 二、晶体三极管在电路中的基本连接方式二、晶体三极管在电路中的基本连接方式有有三三种种基基本本连连接接方方式式：共共发发射射极极、共共基基极极和和共共集集电电极极接接法。最常用的是共发射极接法。法。最常用的是共发射极接法。三极管在电路中的三种基本连接方式三极管在电路中的三种基本连接方式2.1.3三极管内电流的分配和放大作用三极管内电流的分配和放大作用一、电流分配关系一、电流分配关系测量电路如图测量电路如图调调节节电电位位器器，测测得得发发射射极极电电流流、基基极极电电流流和和集集电电极极电电流的对应数据如表所示。流的对应数据如表所示。因因IB很小，则很小，则IC IEIE=IC+IB由表可见，三极管中电流分配关系如下：由表可见，三极管中电流分配关系如下：IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96 说明：说明：1IE=0时，时，IC=- -IB= ICBO。ICBO称为集电极称为集电极基极反向饱和电流，见图基极反向饱和电流，见图2.1.7( (a) )。一般一般ICBO很小，与温度有关。很小，与温度有关。2IB=0时，时，IC=IE=ICEO。ICEO称称为为集集电电极极发发射射极极反反向向电电流流，又又叫叫穿穿透透电电流流，见图，见图( (b) )。ICEO越越小小，三三极极管管温温度度稳稳定定性性越越好好。硅硅管管的的温温度度稳稳定性比锗管好。定性比锗管好。ICBO与与ICEO示意图示意图二、晶体三极管的电流放大作用二、晶体三极管的电流放大作用当当基基极极电电流流 IB由由0.01mA变变到到0.02mA时时，集集电电极极电电流流IC由由0.56mA变到变到1.14mA。上面两个变化量之比为。上面两个变化量之比为这这说说明明，当当IB有有一一微微小小变变化化时时，就就能能引引起起IC较较大大的的变变化化，这这种种现现象象称称为为三三极极管管的的电电流流放放大大作作用用。比比值值用用符符号号 来来表表示示，称为共发射极交流电流放大系数，简称称为共发射极交流电流放大系数，简称“交流交流 ”，即，即结论：结论：1三三极极管管的的电电流流放放大大作作用用基基极极电电流流IB微微小小的的变变化化，引引起集电极电流起集电极电流IC较大变化。较大变化。2交交流流电电流流放放大大系系数数 表表示示三三极极管管放放大大交交流流电电流流的的能能力力4通常通常，所以可表示为，所以可表示为考虑考虑ICEO，则，则3直直流流电电流流放放大大系系数数表表示示三三极极管管放放大大直直流流电电流流的的能能力力2.1.4三极管的输入和输出特性三极管的输入和输出特性一、共发射极输入特性曲线一、共发射极输入特性曲线集集射射极极之之间间的的电电压压VCE一一定定时时，发发射射结结电电压压VBE与与基基极极电流电流IB之间的关系曲线。之间的关系曲线。共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线由图可见：由图可见：1当当VCE2V时时，特特性性曲线基本重合。曲线基本重合。2当当VBE很很小小时时，IB等等于于零，三极管处于截止状态。零，三极管处于截止状态。共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线4三三极极管管导导通通后后，VBE基基本本不不变变。硅硅管管约约为为0.7V，锗锗管管约约为为0.3V，称称为为三三极极管管的的导导通通电电压。压。5VBE与与IB成非线性关系。成非线性关系。3当当VBE大大于于门门槛槛电电压压( (硅硅管管约约0.5V，锗锗管管约约0.2V) )时时，IB逐渐增大，三极管开始导通。逐渐增大，三极管开始导通。二、晶体三极管的输出特性曲线二、晶体三极管的输出特性曲线基基极极电电流流一一定定时时，集集、射射极极之之间间的的电电压压与与集集电电极极电电流流的的关关系曲线。系曲线。动画动画晶体三极管的输出特性曲线晶体三极管的输出特性曲线输出特性曲线可分为三个工作区输出特性曲线可分为三个工作区:1截止区截止区条件：条件：发射结反偏或两端电压为零。发射结反偏或两端电压为零。特点：特点：IB=0，IC=ICEO。2饱和区饱和区条件：条件：发射结和集电结均为正偏。发射结和集电结均为正偏。特点：特点：VCE=VCES。VCES称为饱和管压降，小功率硅管约称为饱和管压降，小功率硅管约0.3V，锗管约为，锗管约为0.1V。3放大区放大区条件：条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。特点：特点：IC受受IB控制控制，即，即 IC= IB。在在放放大大状状态态，当当 IB一一定定时时，IC不不随随 VCE变变化化，即即放放大大状状态的三极管具有恒流特性。态的三极管具有恒流特性。2.1.5三极管主要参数三极管主要参数三极管的参数三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。是表征管子的性能和适用范围的参考数据。一、共发射极电流放大系数一、共发射极电流放大系数1直流放大系数直流放大系数2交流放大系数交流放大系数 电电流流放放大大系系数数一一般般在在10100之之间间。太太小小，放放大大能能力力弱弱，太大易使管子性能不稳定。一般取太大易使管子性能不稳定。一般取3080为宜。为宜。二、极间反向饱和电流二、极间反向饱和电流1集电极集电极基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBO。2集电极集电极发射极反向饱和电流发射极反向饱和电流ICEO。ICEO=(1+ )ICBO反反向向饱饱和和电电流流随随温温度度增增加加而而增增加加，是是管管子子工工作作状状态态不不稳稳定定的的主主要要因因素素。因因此此，常常把把它它作作为为判判断断管管子子性性能能的的重重要要依依据据。硅硅管管反反向向饱饱和和电电流流远远小小于于锗锗管管，在在温温度度变变化化范范围围大大的的工工作作环环境应选用硅管。境应选用硅管。三、极限参数三、极限参数1集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM三三极极管管工工作作时时，当当集集电电极极电电流流超超过过ICM时时，管管子子性性能能将将显显著下降，并有可能烧坏管子。著下降，并有可能烧坏管子。2集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM当当管管子子集集电电结结两两端端电电压压与与通通过过电电流流的的乘乘积积超超过过此此值值时时，管子性能变坏或烧毁。管子性能变坏或烧毁。3集电极集电极发射极间反向击穿电压发射极间反向击穿电压V(BR)CEO管管子子基基极极开开路路时时，集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的最最大大允允许许电电压压。当当电电压压越越过过此此值值时时，管管子子将将发发生生电电击击穿穿，若若电电击击穿穿导导致致热热击击穿穿会损坏管子。会损坏管子。2.1.6三极管的简单测试三极管的简单测试判别硅管和锗管的测试电路判别硅管和锗管的测试电路一、硅管或锗管的判别一、硅管或锗管的判别当当V =0.10.3V时为时为锗管。锗管。当当V =0. .60. .7V时，为硅管时，为硅管二、估计比较二、估计比较 的大小的大小NPN管估测电路如图所示。管估测电路如图所示。估测估测 的电路的电路万万用用表表设设置置在在R 1 k 挡挡，测测量量并并比比较较开开关关S断断开开和和接接通通时时的的电电阻阻值值。前前后后两两个个读读数数相相差差越越大大，说说明明管管子子的的 越越高高，即即电电流放大能力越大。流放大能力越大。估测估测 PNP管时，将万用表两只表笔对换位置。管时，将万用表两只表笔对换位置。三、估测三、估测ICEONPN管管估估测测电电路路如如图图所所示示。所所测测阻阻值值越越大大，说说明明管管子子的的ICEO越越小小。若若阻阻值值无无穷穷大大，三三极极管管开开路路；若若阻阻值值为为零零，三三极极管短路。管短路。 测测 PNP型管时，红、黑表笔对调，方法同前。型管时，红、黑表笔对调，方法同前。ICEO的的估测估测四、四、NPN管型和管型和PNP管型的判断管型的判断基极基极b的判断的判断将将万万用用表表设设置置在在R 1k或或R 100挡挡，用用黑黑表表笔笔和和任任一一管管脚脚相相接接( (假假设设它它是是基基极极b) )，红红表表笔笔分分别别和和另另外外两两个个管管脚脚相相接接，如如果果测测得得两两个个阻阻值值都都很很小小，则则黑黑表表笔笔所所连连接接的的就就是是基基极极，而而且且是是NPN型型的的管管子子。如如图图( (a) )所所示示。如如果果按按上上述述方方法法测测得得的的结结果果均均为为高高阻阻值值，则则黑黑表表笔笔所所连连接接的的是是PNP管管的的基基极极。如如图图( (b) )所所示。示。五、五、e、b、c三个管脚的判断三个管脚的判断估测估测 的电路的电路如如图图所所示示，首首先先确确定定三三极极管管的的基基极极和和管管型型，然然后后采采用用估估测测 值的方法判断值的方法判断c、e极。极。方方法法是是先先假假定定一一个个待待定定电电极极为为集集电电极极( (另另一一个个假假定定为为发发射射极极) )接接入入电电路路，记记下下电电阻阻表表的的摆摆动动幅幅度度，然然后后再再把把两两个个待待定定电电极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。摆摆动动幅幅度度大大的的一一次次，黑黑表表笔笔所所连连接接的的管管脚脚是是集集电电极极c，红红表表笔笔所所连连接接的的管管脚脚为为发发射极射极e。测测PNP管管时时，只只要要把把图图示示电电路路中中红红、黑黑表表笔笔对对调调位位置，仍照上述方法测试。置，仍照上述方法测试。2.2场效晶体管场效晶体管2.2.1结型场效晶体管结型场效晶体管2.2.2绝缘栅场效晶体管绝缘栅场效晶体管2.2.3场效晶体管的主要参数和特点场效晶体管的主要参数和特点工程应用工程应用2.2场效晶体管场效晶体管场场效效晶晶体体管管：是是利利用用输输入入电电压压产产生生的的电电场场效效应应控控制制输出电流的电压控制型器件。输出电流的电压控制型器件。特特点点：管管子子内内部部只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，称称为为单单极型晶体三极管。极型晶体三极管。2.2.1结型场效晶体管结型场效晶体管N沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管P沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管一、结构和符号一、结构和符号N沟沟道道结结型型场场效效晶晶体体管管的的结结构构、符符号号如如图图所所示示；P沟沟道道结结型场效晶体管如图所示。型场效晶体管如图所示。特特点点：由由两两个个PN结结和和一一个个导导电电沟沟道道所所组组成成。三三个个电电极极分分别为源极别为源极S、漏极、漏极D和栅极和栅极G。漏极和源极具有互换性。漏极和源极具有互换性。工作条件：工作条件：两个两个PN结加反向电压。结加反向电压。二、工作原理二、工作原理以以N沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。动画结型场效晶体管结构动画结型场效晶体管结构工作原理如下：工作原理如下：VDS0；VGS0，在在绝绝缘缘层层和和衬衬底底之之间间感感应应出出一一个个反反型型层层，使使漏漏极极和和源源极极之之间间产产生生导导电电沟沟道道。在在漏漏、源源极极间间加加一一正正向向电电压压VDS时，将产生电流时，将产生电流ID 。开启电压开启电压VT：增强：增强型型MOS管开始形成反型管开始形成反型层的栅源电压。层的栅源电压。N沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理N沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理沟道增强型绝缘栅场效晶体管工作原理( (3) )在在VDS0时：时：若若VGSVT，出出现现反反型型层层( (即即导导电电沟沟道道) )，D、S之之间间有有电电流流ID流过流过；若若VGS逐逐渐渐增增大大，导导电电沟沟道道变变宽宽，ID也也随随之之逐逐渐渐增增大大，即即VGS控制控制ID的变化。的变化。2N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管夹断电压：夹断电压：使使 ID=0时的栅源电压。时的栅源电压。结结构构及及符符号号如如图所示。图所示。特点：特点：管子本身已形成导电沟道。管子本身已形成导电沟道。N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管工作原理：在工作原理：在VDS0时，时，当当VGS=0导电沟道有电流导电沟道有电流ID；当当VGS 0并逐渐增大时，沟道变宽，使并逐渐增大时，沟道变宽，使ID增大；增大；当当VGSVT 时，时，ID0。耗尽型耗尽型：当当 VGS= 0 时，时， ID 0；当当 VGS 为负电压时为负电压时 ID 减小；减小；当当 VGS= VPS 时，时， ID=0 。2输出特性曲线输出特性曲线3跨导跨导可调电阻区可调电阻区饱和区饱和区击击穿区穿区三个区三个区的含义与结型管输出特性的含义与结型管输出特性曲线曲线三个区相同。三个区相同。N沟道沟道MOS管输出特性曲线管输出特性曲线三、绝缘栅场效晶体管的图形符号三、绝缘栅场效晶体管的图形符号MOS管的图形符号管的图形符号注注意意N、P沟沟道道的的区区别别在在于于图图中中箭箭头头的的指指向相反。向相反。2.2.3场效晶体管的主要参数和特点场效晶体管的主要参数和特点一、主要参数一、主要参数1直流参数直流参数( (1) )开启电压开启电压VT在在VDS为为定定值值的的条条件件下下，增增强强型型场场效效晶晶体体管管开开始始导导通通( (ID达到某一定值，如达到某一定值，如10 A) )时，所需加时，所需加VGS的值。的值。( (2) )夹断电压夹断电压VP在在VDS为为定定值值的的条条件件下下，耗耗尽尽型型场场效效晶晶体体管管ID减减小小到到近近于于零时零时VGS的值。的值。( (3) )饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS耗耗尽尽型型场场效效晶晶体体管管工工作作在在饱饱和和区区且且VGS=0时时，所所对对应应的漏极电流。的漏极电流。( (4) )直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源电压栅源电压VGS与对应的栅极电流与对应的栅极电流IG之比。之比。场场效效晶晶体体管管输输入入电电阻阻很很高高，结结型型管管一一般般在在 107 以以 上上；绝缘栅管则更高，一般在绝缘栅管则更高，一般在 109 以上。以上。2交流参数交流参数( (1) )跨导跨导gmVDS一一定定时时，漏漏极极电电流流变变化化量量 ID和和引引起起这这个个变变化化的的栅栅源源电电压压变变化化量量 VDS之之比比。它它表表示示了了栅栅源源电电压压对对漏漏极极电电流流的的控控制能力。制能力。( (2) )极间电容极间电容场场效效晶晶体体管管三三个个电电极极之之间间的的等等效效电电容容CGS、CGD、CDS，一般为几个皮法，结电容小的管子，高频性能好。一般为几个皮法，结电容小的管子，高频性能好。3极限参数极限参数( (1) )漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率PDMID与与VDS的乘积不应超过的极限值。的乘积不应超过的极限值。( (2) )漏极击穿电压漏极击穿电压V(BR)DS漏极电流漏极电流ID开始剧增时所加的漏源间的电压。开始剧增时所加的漏源间的电压。二、场效晶体管的特点二、场效晶体管的特点场效晶体管与普通三极管比较表场效晶体管与普通三极管比较表项项 目目器器件件名名称称晶体三极管晶体三极管场场效效应应管管极型特点极型特点双双极极型型单单极极型型控制方式控制方式电电流流控控制制电电压压控控制制类类型型PNP型、型、NPN型型N沟道、沟道、P沟道沟道放大参数放大参数 = 50200gm=10005000A/V输入电阻输入电阻102104 1071015 噪噪声声较较大大较较小小热稳定性热稳定性差差好好抗辐射能力抗辐射能力差差强强制造工艺制造工艺较较复复杂杂简单、成本低简单、成本低工程应用工程应用场效晶体管使用常识场效晶体管使用常识1.结结形形场场效效晶晶体体管管的的栅栅源源电电压压必必须须使使PN结结反反偏偏，不不能能接接反反。因因结结型型场场效效晶晶体体管管的的源源极极及及漏漏极极通通常常制制成成对对称称的的，所所以以原极和漏极可以调换使用。原极和漏极可以调换使用。2.绝绝缘缘栅栅场场效效晶晶体体管管中中，有有的的产产品品将将彻彻底底引引出出( (有有四四个个管管脚脚) )，此此时时源源极极和和漏漏极极可可以以互互换换使使用用，但但有有的的产产品品在在制制造造时时已已把把源源极极和和衬衬底底连连接接在在一一起起，这这种种管管子子源源极极和和漏漏极极就就不不能调换使用。能调换使用。3.绝绝缘缘栅栅场场效效晶晶体体管管由由于于输输入入电电阻阻很很高高，如如果果在在管管脚脚开开路路状状态态下下保保存存，会会使使管管子子还还未未使使用用时时就就已已击击穿穿或或性性能能下下降降。因因此此，无无论论管管子子使使用用与与否否，都都应应将将三三个个电电极极短短路路或或用用铝铝箔包好。结型场效晶体管可以在开路状态下保存。箔包好。结型场效晶体管可以在开路状态下保存。本章小结本章小结1.晶晶体体三三极极管管是是一一种种电电流流控控制制器器件件，具具有有电电流流放放大大作作用用；使使用用时时有有三三种种基基本本连连接接方方式式，最最常常用用的的是是共共发发射射极极接接法法；有有三三种种工工作作状状态态，即即截截止止、饱饱和和和和放放大大状状态态；三三个个电电极极的的电电流流关关系系是是，在在放放大大状状态态时时； 值值表表示示电电流流放放大大能能力力的的大大小小；ICBO、ICEO反反映映了了管管子子温温度度稳稳定定性性；三三极极管管有有NPN型型和和PNP型两大基本类型。型两大基本类型。2.场场效效晶晶体体管管是是一一种种电电压压控控制制器器件件，用用栅栅极极电电压压来来控控制制漏漏极极电电流流；具具有有高高输输入入电电阻阻和和低低噪噪声声的的特特点点；表表征征管管子子性性能能的的有有转转移移特特性性曲曲线线、输输出出特特性性曲曲线线和和跨跨导导；它它有有结结型型场场效效晶晶体体管管和和绝绝缘缘栅栅场场效效晶晶体体管管两两大大类类，每每类类又又有有P沟沟道道、N沟沟道道的区别；绝缘栅场效晶体管另有增强型和耗尽型两种。的区别；绝缘栅场效晶体管另有增强型和耗尽型两种。本章重点本章重点1.掌掌握握晶晶体体三三极极管管的的结结构构、工工作作电电压压、基基本本连连接接方方式式和和电电流分配关系。流分配关系。2.熟熟练练掌掌握握晶晶体体三三极极管管的的放放大大作作用用；共共发发射射极极电电路路的的输输入入、输出特性曲线；主要参数及温度对参数的影响。输出特性曲线；主要参数及温度对参数的影响。3.了解了解MOS管的工作原理、特性曲线和主要参数。管的工作原理、特性曲线和主要参数。本章难点本章难点1.晶体三极管的放大作用。晶体三极管的放大作用。2.输入、输出特性曲线及主要参数。输入、输出特性曲线及主要参数。学时分配学时分配序序号号内内容容学学时时12. .1晶体三极管晶体三极管422. .2场效晶体管场效晶体管43本章小结本章小结4本章总课时本章总课时8