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1、半导体三极管和场效应管半导体三极管和场效应管第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.1 双极型半导体三极管双极型半导体三极管 图 2 - 1 几种半导体三极管的外形 第二章 半导体三极管 第二章 半导体三极管 第二章 半导体三极管 第二章 半导体三极管 第二章 半导体三极管 第二章 半导体三极管 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 发射极电流也由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流, 是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂, 所以忽略不计, 即。又分成两部分, 主要部分是, 极少部分是。是电子在基区与空穴复合时所形成的电流, 基区空穴是由电源
2、提供的,故它是基极电流的一部分。 BnCnEnEIIII基极电流是与之差： CBOBnBIII(2-2)(2-3)第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即要求。 通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 用来表示, 其定义为ECnEnCnIIII(2-4)一般三极管的值为0.970.99。将(2-4)式代入(2-1)式, 可得 CBOECBOCnCIIIII(2-5)第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友通常CBO, 可将忽略, 由上式可得出 ECII(2-6)三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即BCEIII
3、将此式代入(2 - 5)式得CBOBCCIIII)(2-7)第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友经过整理后得 CBOBCIII1111BCII令 称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时,又可写成(2-8)(2-9)第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友CEOBCBOBCIIIII)1 (则其中ICEO称为穿透电流, 即 CBOCEOII)1 (一般三极管的约为几十几百。太小, 管子的放大能力就差, 而过大则管子不够稳定。 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友表表2 - 1 三极管电流关系的一组典型数据三极管电流关系的一组典型数据 IB/mA -0.00100
4、.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96ECECBIIIII,第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友常数CEUBCII常数CBUECII1/1/ECECCECBCIIIIIIIII相应地, 将集电极电流与发射极电流的变化量之比, 定义为共基极交流电流放大系数, 即故第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 显然与, 与其意义是不同的, 但是在多数情况下, 。 例如, 从表2 - 1 知, 在mA附近, 设由mA变为mA, 可求得983. 077. 174.
5、 1983. 016. 137. 214. 133. 25803. 074. 15 .5902. 004. 014. 133. 2BCBCIIII第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.1.2三极管的特性曲线三极管的特性曲线 AmAVVIBICUCCUBBRcRbuBEUCE图 2 6 三极管共发射极特性曲线测试电路 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友1.输入特性输入特性 当不变时, 输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性, 即 常数CEUBEBUfI)(IB / mAUBE / V00.20.40.6UCE 0 VUCE 2 V图 2 - 7 三极管的输入特性
6、 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 2.输出特性输出特性 当不变时, 输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性, 即常数BICECUfI)(UCE / V5101501234饱和区截止区IB 80 A60 A放大区IC / mA40 A20 A0 A图 2 - 8 三极管的输出特性 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 (1) 截止区。截止区。 一般将的区域称为截止区, 在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零, 因而此时三极管没有放大作用。 其实时, 并不等于零, 而是等于穿透电流ICEO。 一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特
7、性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。 当发射结反向偏置时, 发射区不再向基区注入电子, 则三极管处于截止状态。所以, 在截止区, 三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管, , BC。 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 (2) 放大区。放大区。 此时发射结正向运用, 集电结反向运用。 在曲线上是比较平坦的部分, 表示当一定时, 的值基本上不随CE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时, 相应的集电极电流将产生较大的变化量, 此时二者的关系为 该式体现了三极管的电流放大作用。 对于三极管, 工作在放大区时.V, 而。 第二章 半导体三极管 htt
8、p:/ 电子发烧友 (3) 饱和区。饱和区。 曲线靠近纵轴附近, 各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。 在这个区域, 不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起, 即当较小时, 管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化, 这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用, 或关系不成立。 一般认为CENE, 即CB时, 三极管处于临界饱和状态, 当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时, 小功率管管压降通常小于.V。 三极管工作在饱和区时, 发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管, 。 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.1.3 三极管的主要参数三极管
9、的主要参数 (1) 共发射极交流电流放大系数。体现共射极接法之下的电流放大作用。 常数CEUBCII(2) 共发射极直流电流放大系数。 由式(2 -10)得BCEOCIII 当ICICEO时, IC/IB。 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 (3) 共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的电流放大作用。 ECII (4) 共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流时, ECII第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2. 极间反向电流极间反向电流 A(a) ICBOICBOAICEO(b) ICEO图 2 - 9 三极管极间反向电流的测量 第二章 半导体三极管 http:
10、/ 电子发烧友3极限参数极限参数 (1) 集电极最大允许电流。 OIC图 2 - 10 与IC关系曲线 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 (2) 集电极最大允许功率损耗。当三极管工作时, 管子两端电压为, 集电极电流为, 因此集电极损耗的功率为CECCUIP IB0.2 mA01020304050IC / mA102030UCE / V过流区0.81.00.60.4过压区过损耗区安全区工作区图 2 - 11 三极管的安全工作区第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 4. 反向击穿电压反向击穿电压 CBO发射极开路时, 集电极-基极间的反向击穿电压。 CEO基极开路时, 集
11、电极-发射极间的反向击穿电压。 CER基射极间接有电阻时, 集电极-发射极间的反向 击穿电压。 CES基射极间短路时, 集电极-发射极间的反向击穿电压。 EBO集电极开路时, 发射极-基极间的反向击穿电压, 此 电压一般较小, 仅有几伏左右。 上述电压一般存在如下关系： EBOCEOCESCBOBUBUBUBU第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.2 单极型半导体三极管单极型半导体三极管 场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满
12、足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。 根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.2.1 MOS场效应管场效应管这种场效应管是由金属（Metal）,氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故称MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式不同可以分为增
13、强型和耗尽型两类。一、增强型沟道绝缘栅场效应管增强型沟道绝缘栅场效应管 1、结构和符号 图2 - 12是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友(a)(c)NNP衬底SGD铝二氧化硅(SiO2)(衬底引线)BDGBS(b)DGBS图2-12 MOS管的结构及其图形符号绝缘栅场
14、效应管的图形符号如图2-12（b）、(c)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(b)，否则为P沟道MOS管(图(c)。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 2）工作原理 图2-13是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图，图2-13（b）是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。 当UGS=0时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流ID=0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘
15、故。 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友(a)(b)NNP型衬底SGDRDUDDRDUDDGDSUGG 图2-13 N沟道增强型MOS管工作原理 (a)示意图； (b)电路图第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流I
16、D时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 当UGSUGS(th)时，UGS增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。所以改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流ID的大小，随着UGS的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。 必须强调，这种管子当UGSUGS(th)时，反型层（导电沟道）消失，ID=0。只有当UGSUGS(th)时，才能形成导电沟道，并有电流ID。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 3）特性曲线 （1）转移特性曲线为 常数G
17、SUGSDUfI)( 由图2-14所示的转移特性曲线可见，当UGS0时，垂直电场增强，导电沟道变宽，电流ID增大。 当UGS0时，垂直电场减弱，导电沟道变窄，电流ID减小。 当UGS=U GS(th)时，导电沟道全夹断，ID=0。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友(b)32101224681012ID / mAUGS(off)IDSSUDS / V 图2-17 N沟道耗尽型MOS管特性（a）输出特性曲线; b）转移特性曲线第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.2.2 结型场效应管结型场效应管 1. 工作原理工作原理 现以N沟道结型场效应管为例讨论外加电场是如何来控制场效
18、应管的电流的。 如图2-18所示，场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS0，漏源之间加正向电压，即UDS0。 当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友NDGSPPIDUDSUDDUGGUGS图2-18 结型场效应管的工作原理第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 1）UGS对导电沟道的影响 当UGS时，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，形成两个耗尽层,如图219（）所示。此时耗尽层最薄，
19、导电沟道最宽，沟道电阻最小。 当|UGS|值增大时，栅源之间反偏电压增大，PN结的耗尽层增宽，如图219（b）所示。导致导电沟道变窄，沟道电阻增大。 当|UGS|值增大到使两侧耗尽层相遇时，导电沟道全部夹断，如图219（c）所示。沟道电阻趋于无穷大。对应的栅源电压UGS称为场效应管的夹断电压， 用UGS(off)来表示。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友N沟道DGSNDGSUGGPPP(b)DGSUGG耗尽层(a)(c)PPP 图219 UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 2）UDS对导电沟
20、道的影响 设栅源电压UGS=0,当UDS=0时，ID=0，沟道均匀，如图219（a）所示。 当UDS增加时，漏极电流ID从零开始增加，ID流过导电沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不再相等，沟道不再均匀。靠近源极端的耗尽层最窄，沟道最宽;靠近漏极端的电位最高，且与栅极电位差最大，因而耗尽层最宽，沟道最窄。由图218可知，UDS的主要作用是形成漏极电流ID。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 3）UDS和UGS对沟道电阻和漏极电流的影响 设在漏源间加有电压UDS，当UGS变化时，沟道中的电流ID将随沟道电阻的变化而变化。 当UGS=0时，沟道电阻最小，电流ID最大。当|UGS
21、|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流ID减小，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。 当0UGSUGS(off)时，沟道电流ID在零和最大值之间变化。 改变栅源电压UGS的大小，能引起管内耗尽层宽度的变化，从而控制了漏极电流ID的大小。 场效应管和普通三极管一样，可以看作是受控的电流源，但它是一种电压控制的电流源。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 2. 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 1）转移特性曲线 转移特性曲线是指在一定漏源电压UDS作用下，栅极电压UGS对漏极电流ID的控制关系曲线，即 常数DSUGSDUfI)( 2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）
22、输出特性曲线是指在一定栅极电压UGS作用下，ID与UDS之间的关系曲线，即常数GSUDSDUfI)(第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友ID / mA54321UGS / VUDS 10 VUGS(off)01234IDSS3.4 图2-20 转移特性曲线 第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友ID / mA54321UDS / V01020 3 .4V 2 V 1 VUGS 0可变电阻区预夹断轨迹恒流区夹断区图2-21 结型场效应管的输出特性曲线第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友2.2.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 开启电压UGS(th) (或UT)
23、 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 夹断电压UGS(off) (或UP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off) 时,漏极电流为零。 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当UGS=0时所对应的漏极电流。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单
24、位是mS(毫西门子)。 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友附：附： 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm)第二章 半导体三极管 http:/ 电子发烧友 双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成58 结束语结束语