电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 第二章：三极管及其基本放大电路第二章：三极管及其基本放大电路 半导体三极管是最重要的半导体器件，是电子电路中的核心器件，被广泛应用到了各种电子线路中，是电子线路的灵魂。 本章主要介绍双极性三极管的特点、基本放大电路、本章主要介绍双极性三极管的特点、基本放大电路、多级放大电路。多级放大电路。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 N NN NP P2.1 双极型半导体三极管双极型半导体三极管 三极管是组成各种电子电路的核心器件。通过一定的制造工艺，将两三极管是组成各种电子电路的核心器件。通过一定的制造工艺，将两个个PN结结合在一起，是三极管具有放大作用。三极管的产生使结结合在一起，是三极管具有放大作用。三极管的产生使PN结的结的应用发生了质的飞跃。应用发生了质的飞跃。2.1.1双极型三极管的基本结构类型和符号双极型晶体管分有双极型晶体管分有NPN型和型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：结和三个向外引出的电极：发射极发射极e发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区集电极集电极c基极基极bNPNNPN型型型型PNPPNP型型型型P PP PN N电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 根据制造工艺和材料的不同，三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电，就是所谓的双极型。如果只有一种载流子参与导电，即为单极型。NPN型三极管图符号型三极管图符号大功率低频三极管大功率低频三极管小功率高频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管中功率低频三极管e ec cb bPNP型三极管图符号型三极管图符号e ec cb b注意：注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 2.1.2双极型三极管的电流分配关系及放大作用晶体管芯结构剖面图晶体管芯结构剖面图e e发发发发射射射射极极极极集电区集电区集电区集电区N N基区基区基区基区P P发射区发射区发射区发射区N Nb b基基基基极极极极c c集集集集电电电电极极极极晶体管实现电流放大作用的内部结构条件内部结构条件(1)发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。(2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。(3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度界于发射极和基极之间。可见，双极型三极管并非是两个PN结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 晶体管实现电流放大作用的外部条件外部条件N NN NP PUBBRB(1)发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。IEICIB整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即：I IE E= =I IB B+ +I IC C电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 结论 由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流I IE E。1. 1. 发射区向基区扩散电子的过程发射区向基区扩散电子的过程发射区向基区扩散电子的过程发射区向基区扩散电子的过程 由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流I IB B，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。2. 2. 电子在基区的扩散和复合过程电子在基区的扩散和复合过程电子在基区的扩散和复合过程电子在基区的扩散和复合过程 集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流I IC C。3. 3. 集电区收集电子的过程集电区收集电子的过程集电区收集电子的过程集电区收集电子的过程只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间，且基区做得很薄的内部条件内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40A增加到50A时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的值称为三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三极管，值的差异较大，大多数三极管的值通常在几十至几百的范围。由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。 电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 2.1.3双极型三极管的特性曲线所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。(1)输入特性曲线以常用的共射极放大电路为例说明（UCE为常数时，为常数时，IB和和UBE之间的关系）之间的关系）UCE=0VUBE /VIB / A0UCE =0VUBBUCCRC+ +RB令令UBB从从0开始增加开始增加IBIE=IBUBE令令UCC为为0UCE=0时的输时的输入特性曲线入特性曲线UCE为为0时时电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 UCE =0.5VUCE=0VUBE /VIB / A0UBBUCCRC+ +RB令令UBB重重新从新从0开开始增加始增加IBICUBE增大增大UCC让让UCE=0.5VUCE =1VUCE=0.5VUCE=0.5V的的特性曲线特性曲线继续增继续增大大UCC让让UCE=1V令令UBB重重新从新从0开开始增加始增加UCE=1VUCE=1V的的特性曲线特性曲线继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。UCE1V的的特性曲线特性曲线电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 (2)输出特性曲线先把先把IB调到调到某一固定值某一固定值保持不变。保持不变。当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。然后调节然后调节UCC使使UCE从从0增增大，观察毫安表中大，观察毫安表中IC的变的变化并记录下来。化并记录下来。UCEUBBUCCRC+ + +RBICIBUBEmA AIE根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。IBUCE / VIC /mA0电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 UBBUCCRC+ + +RBICIBUBEmA AIE再调节再调节IB1至至另一稍小的另一稍小的固定值上保固定值上保持不变。持不变。仍然调节仍然调节UCC使使UCE从从0增增大，继续观察毫安表中大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。的变化并记录下来。UCE根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很输出曲线开始部分很陡，说明陡，说明IC随随UCE的增的增加而急剧增大。加而急剧增大。当当UCE增至一定数值时增至一定数值时(一般小于一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明，输出特性曲线变得平坦，表明IC基基本上不再随本上不再随UCE而变化。而变化。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移，且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数。IB=40 A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；再读出这两条曲线对应的集电极电流之差IC=1.3mA；IC于是我们可得到三极管的电流放大倍数： = = I IC C/ / I IB B=1.3=1.3 0.04=32.50.04=32.5电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区饱和区。当。当发射结和发射结和集电结均为正向偏置集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和时，三极管处于饱和状态。此时集电极电状态。此时集电极电流流IC与基极电流与基极电流IB之之间不再成比例关系，间不再成比例关系，IB的变化对的变化对IC的影响的影响很小。很小。截止区截止区。当基极电。当基极电流流IB等于等于0时，晶体时，晶体管处于截止状态。管处于截止状态。实际上当发射结电实际上当发射结电压处在正向死区范压处在正向死区范围时，晶体管就已围时，晶体管就已经截止，为让其可经截止，为让其可靠截止，常使靠截止，常使UBE小于和等于零。小于和等于零。放放放放 大大大大 区区区区晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。此时UCE小于UBE,规定： UCE=UBE时，为临近饱和状态，用UCES（0.3或0.1）表示，此时集电极临近饱和电流是 管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V,由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 UBBUCCRC+ + +RBICIBUBEmA AIE 电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 例1:用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为V1=+10V，V2=0V，V3=+0.7V，如图（a）所示,T2管各电极电位V1=+0V，V2=-0.3V，V3=-5V，如图（b）所示，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？2321T131T1(a)(b)解解： 工作在放大区的工作在放大区的NPN型晶体管应满足型晶体管应满足VCVB VE ，PNP型晶体管应满足型晶体管应满足VCVBV3 V2,，所以，所以1为集电极，为集电极，2为发射极，为发射极，3为基极，满为基极，满足足VCVB VE,的关系，管子为的关系，管子为NPN型。型。（2）在图（）在图（b）中，）中，1与与2的电压为的电压为0.3V，可确定为锗管，又，可确定为锗管，又因因V3V2 V1,，所以，所以3为集电极，为集电极，1为发射极，为发射极，2为基极，满足为基极，满足VCVBICM时，晶体管不一定烧时，晶体管不一定烧损，但损，但值明显下降。值明显下降。集电极最大允许功耗PCM晶体管上的功晶体管上的功耗超过耗超过PCM，管，管子将损坏。子将损坏。安安 全全 区区电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 3.极间电流集电极集电极-发射极反向饱和电流发射极反向饱和电流ICEO（穿透电（穿透电流）流）指基极开路时，指基极开路时，集电极与发射极集电极与发射极之间加一定之间加一定反向电压时的集电极反向电压时的集电极电流。该值越小越好。电流。该值越小越好。. 集电极反向饱和电流集电极反向饱和电流ICBO,是少数载流子运是少数载流子运动的结果，其值越小越好。动的结果，其值越小越好。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 4.温度对晶体管参数的影响见书的27页电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 晶体管的发射极和集晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。电极是不能互换使用的。因为发射区和集电区的因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电则严重影响晶体管的电流放大能力，甚至造成流放大能力，甚至造成放大能力丧失。放大能力丧失。晶体管的发射极晶体管的发射极和集电极能否互和集电极能否互换使用？为什么换使用？为什么? 晶体管在输出特性曲线的晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，饱和区工作时，UCEUT、UDS0且较小时U UDSDSU UGSGSI ID D当UGS继续增大，UDS仍然很小且不变时，ID随着UGS的增大而增大。此时增大UDS，导电沟道出现梯度，ID又将随着UDS的增大而增大。直到UGD=UGSUDS=UT时，相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况，称为预夹断，ID基本饱和。导电沟道加厚导电沟道加厚导电沟道加厚导电沟道加厚产生漏极电流产生漏极电流产生漏极电流产生漏极电流电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 I ID D+N+N+N+N+P P型硅衬底型硅衬底B BD DGGS SU UDSDSU UGSGS如果继续增大UDS，使UGDUT时，沟道夹断区延长，ID达到最大且恒定，管子将从放大区跳出而进入饱和区。U UGDGD沟道出现预夹断时工作在放大状态，放大区ID几乎与UDS的变化无关，只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 MOSMOS管的工作过程可参看下面动画演示：管的工作过程可参看下面动画演示：电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 3.MOS管使用注意事项(1)MOS管中,有的产品将衬底引出，形成四个管脚。使用者可视电路需要进行连接。P衬底接低电位，N衬底接高电位。但当源极电位很高或很低时,可将源极与衬底连在一起。(2)场效应管的漏极与源极通常可以互换，且不会对伏安特性曲线产生明显影响。注意注意注意注意：大多产品出厂时已将源极与衬底连在一起了，这时源极与漏极就不能再进行对调使用。(3)MOS管不使用时,由于它的输入电阻非常高,须将各电极短路,以免受外电场作用时使管子损坏。即MOS管在不使用时应避免栅极悬空，务必将各电极短接。(4)焊接MOS管时，电烙铁须有外接地线，用来屏蔽交流电场，以防止损坏管子。特别是焊接绝缘栅场效应管时，最好断电后再焊接。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较 1. 场效应管的源极场效应管的源极S、栅极、栅极G、漏极、漏极D分别对应于双极型晶体管的发射极分别对应于双极型晶体管的发射极e、基极、基极b、集电极集电极c，它们的作用相似。，它们的作用相似。 2. 场效应管是场效应管是电压控制电流器件电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而双极型晶体，场效应管栅极基本上不取电流，而双极型晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用双极型晶体管进行放大可以应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用双极型晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。得到比场效应管较高的电压放大倍数。3. 场效应管是多子导电，而双极型晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少场效应管是多子导电，而双极型晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效应管比较合适。应管比较合适。4. 场效应管的源极和衬底未连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘场效应管的源极和衬底未连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而双极型晶体管的集电极与发栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而双极型晶体管的集电极与发射极由于特性差异很大而不允许互换使用。射极由于特性差异很大而不允许互换使用。5. 与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主要矛盾时，还应选用场效应管。要矛盾时，还应选用场效应管。6. 场效应管和双极型晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为场效应管和双极型晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 在使用在使用MOS管管时，为什么栅极时，为什么栅极不能悬空？不能悬空？晶体管和晶体管和MOS管管的输入电阻有何的输入电阻有何不同？不同？你会做吗？当当UGS为何值时，为何值时，增强型增强型N沟道沟道MOS管导通？管导通？ 双极型三极管和单极双极型三极管和单极型三极管的导电机理有型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶什么不同？为什么称晶体管为电流体管为电流 控件而称控件而称MOS管为电压控件？管为电压控件？ 电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 1. 双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶体管为电流双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶体管为电流 控件而称控件而称MOS管为电压控件？管为电压控件？检验学习结果解答 2. 当当UGS为何值时，增强型为何值时，增强型N沟道沟道MOS管导通？管导通？ 3. 在使用在使用MOS管时，为什么栅极不能悬空？管时，为什么栅极不能悬空？ 4. 晶体管和晶体管和MOS管的输入电阻有何不同？管的输入电阻有何不同？双极型三极管有多子和少子两双极型三极管有多子和少子两种载流子同时参与导电；单极种载流子同时参与导电；单极型三极管只有多子参与导电。型三极管只有多子参与导电。晶体管的输出电流晶体管的输出电流IC受基极电受基极电流流IB的控制而变化，因此称之的控制而变化，因此称之为电流控件；为电流控件；MOS管的输出电管的输出电流流ID受栅源间电压受栅源间电压UGS的控制而的控制而变化，所以称为电压控件。变化，所以称为电压控件。当当UGS=UT时，增强型时，增强型N沟道沟道MOS管开始导通，随着管开始导通，随着UGS的增加，沟道加宽，的增加，沟道加宽，ID增大。增大。由于二氧化硅层的原因，由于二氧化硅层的原因，使使MOS管具有很高的输管具有很高的输入电阻。在外界电压影响入电阻。在外界电压影响下，栅极易产生相当高的下，栅极易产生相当高的感应电压，造成管子击穿，感应电压，造成管子击穿，所以所以MOS管在不使用时管在不使用时应避免栅极悬空，务必将应避免栅极悬空，务必将各电极短接。各电极短接。晶体管的输入电阻晶体管的输入电阻rbe一般在几百欧千欧一般在几百欧千欧左右，相对较低；而左右，相对较低；而MOS管绝缘层的输入管绝缘层的输入电阻极高，一般认为电阻极高，一般认为栅极电流为零。栅极电流为零。电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础主编主编 吴利斌吴利斌唐东自动化教研室唐东自动化教研室 本章学习结束，希望同学们对本章本章学习结束，希望同学们对本章内容予以重视，因为这是电子技术中内容予以重视，因为这是电子技术中基础的基础。基础的基础。Goodbye!