晶體管與場效應(yīng)管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)晶體三極管晶體三極管也稱為半導(dǎo)體三極管，簡稱三極管，由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管簡稱BJT（BipolarJunctionTransistor）。BJT是一種電流限制電流的半導(dǎo)體器件。作用:把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也用作無觸點(diǎn)開關(guān).晶體管促進(jìn)并帶來了“固態(tài)革命”，進(jìn)而推動了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。三極管的常見外形90143DG52N22022N2202三極管的結(jié)構(gòu)--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ECB發(fā)射極集電極基極NPN型PNP型--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ECB發(fā)射極集電極基極三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）放射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。ECB符號ECB符號BJT的構(gòu)造(以NPN為例)N+PN-Si集電極CCollector基極BBase放射極EEmitter金屬層N型硅片（襯底）對于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，放射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為放射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為放射極E、基極B和集電極C。放射區(qū)：放射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和限制載流子強(qiáng)化練習(xí)1NPN型三極管ECB符號電路符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)放射結(jié)放射區(qū)NN集電極C基極B放射極EP集電區(qū)的作用：收集載流子基區(qū)的作用：傳送、限制載流子放射區(qū)的作用：放射載流子強(qiáng)化練習(xí)2PNP型三極管ECB符號電路符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)放射結(jié)放射區(qū)PP集電極C基極B放射極EN集電區(qū)的雜質(zhì)濃度：較低基區(qū)的厚度：特殊薄放射區(qū)的雜質(zhì)濃度：很高icie輸入輸出BJT的組態(tài)三極管在運(yùn)用時，依據(jù)實(shí)際須要，可接成三種不同的組態(tài)。不管接成哪種組態(tài)，都有一對輸入端和一對輸出端；icib輸入輸出共放射極接法，放射極作為公共電極，用CE表示；共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示;ieib輸入輸出共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。CECBCC三極管的放大作用是滿足自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的前提下，在確定的外部條件限制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)BJT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外部條件放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。BJT的電流放大條件

UCEVCCRCICCEBUBEVBBRBIB輸入回路輸入回路公共端共放射極放大電路?放射區(qū)的摻雜濃度最高(N+)；?集電區(qū)摻雜濃度低于放射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。共射極NPN放大電路CEBNNPRBVBBIBICVCCJCJE三極管在工作時必需加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：放射結(jié)正偏：由VBB保證；必需使：UBE>0硅管：UBE=UB-UE=0.7（V）鍺管：UBE=UB-UE=0.3（V）集電結(jié)反偏：由VBB、VCC保證；UCB=VCC?UBE>0，反偏；集電結(jié)電場很強(qiáng)。結(jié)論：對于正常工作的NPN管，必定有UC>UB>UE共射極PNP放大電路CEBPPNRBVBBIBICVCCJCJE三極管在工作時必需加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：放射結(jié)正偏：由VBB保證；必需使：UBE<0硅管：UBE=UB-UE=-0.7（V）鍺管：UBE=UB-UE=-0.3（V）集電結(jié)反偏：由VBB、VCC保證；UCB=VCC?UBE<0，反偏；集電結(jié)電場很強(qiáng)。VCC結(jié)論：對于正常工作的PNP管，必定有UC<UB<UEBJT的管腳與類型判別3DG5①中間電位對應(yīng)管腳B；②NPN管中間電位靠近低電位UE;

UB?UE≈0.7V為Si-NPN管;

UB?UE≈0.3V為Ge-NPN管;③PNP管中間電位靠近高電位UE

;

UB?UE≈-0.7V為Si-PNP管;

UB?UE≈-0.3V為Ge-PNP管;U1U2U3例題1在晶體管放大電路中，測得三極管的各個電極的電位如圖所示。試推斷各三極管的類型（即NPN管或PNP管，硅管或鍺管），并區(qū)分B、E、C三個電極。U1U2U3U1=6V，U2=2V，U3=2.7V，因?yàn)閁1>U3>U2，所以③為B極；又因?yàn)閁3-U2=0.7V，所以該三極管為NPN硅管；且②為E極；①為C極。U1=4.3V，U2=2V，U3=5V因?yàn)閁3>U1>U2，所以①為B極；又因?yàn)閁1-U3=-0.7V，所以該三極管為PNP硅管；且②為C極；③為E極。U1=-5V，U2=-1.8V，U3=-1.5V因?yàn)閁3>U2>U1，所以②為B極；又因?yàn)閁1-U3=-0.3V，所以該三極管為PNP鍺管；且①為C極；③為E極。共射極NPN放大電路

CE

BRBVBB

IB

ICVCC

JC

JEIEN放射結(jié)正偏，放射區(qū)多數(shù)載流子電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流IEN?；鶇^(qū)多數(shù)載流子空穴不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流IEP。IEPIE=IEN+IEP進(jìn)入基區(qū)少數(shù)電子和空穴復(fù)合，以及進(jìn)入放射區(qū)的空穴與電子復(fù)合而形成電流IBN和IBP，那么其它多數(shù)電子去哪里了？集電結(jié)反偏從放射區(qū)擴(kuò)散來的電子作為基區(qū)的少子，在外電場的作用下，漂移進(jìn)入集電區(qū)而被收集，形成電流ICN。ICN集電區(qū)少數(shù)載流子空穴形成漂移電流ICBO。ICBO=ICN+ICBO結(jié)論：IE=IB+ICIE－擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流IB－復(fù)合運(yùn)動形成的電流IC－漂移運(yùn)動形成的電流IBP共射極電路電流的放大

UCEVCCRCICCEBUBEVBBRBIB共放射極放大電路對于一個特定的BJT，擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICN和和基區(qū)復(fù)合電流IBP的比例關(guān)系是確定的，通常把這個比值稱為BJT共射極電路的電流放大系數(shù)β。β通常在20～100之間，它反映了基極與集電極電流之間的支配關(guān)系，或者說IB對IC的限制實(shí)力。IB微小的變更會引起IC較大的變更，故BJT稱為電流限制器件。三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指三極管各極上的電壓、電流之間的關(guān)系曲線。它是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)，所以也稱為外部特性。依據(jù)實(shí)際須要，三極管可接成共基組態(tài)、共射組態(tài)或共集組態(tài)。不管接成哪種組態(tài)，都有一對輸入端和一對輸出端；因此，要完整地描述三極管的伏安特性，就必需選用兩組表示不同端變量之間關(guān)系的特性曲線。其中一組表示以輸出端電壓為參變量時輸入端電壓和電流之間關(guān)系的曲線，稱為輸入特性曲線；另一組表示以輸入端電流為參變量時輸出端電壓電流之間關(guān)系的曲線，稱為輸出特性曲線。輸入特性曲線實(shí)驗(yàn)電路RCVCCRBVBBIBICIEUCEUBE++--以共放射極放大電路為例IB

=f(UBE)UCE

=常數(shù)0.60.40.70.850300250200150100UBE=1V輸入回路輸入回路UBE=10V共放射極輸入特性曲線簇當(dāng)UCE≥1V時，特性曲線右移的距離很小。通常將UCE=1V的特性曲線作為晶體管的輸入特性曲線。0.5輸入特性曲線的三個部分①死區(qū)

0<UBE<Uon=0.4V②非線性區(qū)

Uon<UBE<0.6V③線性區(qū)

UBE>0.6V輸出特性曲線實(shí)驗(yàn)電路RCVCCRBVBBIBICIEUCEUBE++--IC

=f(UCE)IB

=常數(shù)放1055423120150IB=0IB=10μAIB=30μAIB=40μAIB=20μA區(qū)大截止區(qū)可將三極管輸出特性分為四個區(qū)間，其中三個為工作區(qū)：飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)(Cutoff

region)RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--IB=0UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0IB=0曲線以下的區(qū)域。條件：放射結(jié)反偏UBE

≤

Uon集電結(jié)反偏因?yàn)镮B=0所以IE=IC=ICEO（穿透電流）由于ICEO很小，此時UCE近似等于VCC，C與E之間相當(dāng)于開關(guān)斷開。飽和區(qū)(Saturationregion)UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0輸出特性曲線靠近縱軸邊UCE很小的區(qū)域。條件：放射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；即：UBE>0，UBE>UCE,UC<UB。此時IB對IC失去了限制作用，IC≠βIB，管子處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。飽和時的UCE記為UCES。相對于電源電壓飽和時UCES很小，可以忽視。C與E之間相當(dāng)于開關(guān)閉合。小功率硅管的UCES=0.3V小功率鍺管的UCES=0.1V條件：放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；即：UBE≧UON，UCES<UCE<VCC。特點(diǎn)：集電極電流與基極電流成正比。即：因此放大區(qū)又稱為線性區(qū)、恒流區(qū)。在放大區(qū)UCE變化時，IC基本不變。這就是晶體管的恒流特性。特性曲線的勻整間隔反映了晶體管電流放大作用的實(shí)力，間隔大，即△IC大，因而放大實(shí)力（β）也大。放大區(qū)(Activeregion)UCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0放大區(qū)例題2測量到硅BJT管的三個電極對地電位如圖所示，試推斷三極管的工作狀態(tài),并說明理由。8V3.7V3V1.9V1.2V8V3.7V3V8V3.7V3V5V5V1.2V1.5V1.9V1.2V（a）解答：（a）因?yàn)樵摴艿墓苄蜑镹PN硅管，UBE=UB-BE=0.7V>0.6V，放射結(jié)正偏，且UC>UB，集電結(jié)反偏；所以該三極管工作在放大狀態(tài)。（b）（c）解答：（b）因?yàn)樵摴艿墓苄蜑镹PN硅管，UBE=UB-BE=0.2V<Uon，放射結(jié)反偏，且UC>UB，集電結(jié)反偏；所以該三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。解答：（c）因?yàn)樵摴艿墓苄蜑镹PN硅管，UBE=UB-BE=0.7V>0.6V，放射結(jié)正偏，且UB>UC，集電結(jié)正偏；所以該三極管工作在飽和狀態(tài)。1V練習(xí)測量到硅BJT管的三個電極對地電位如圖所示，試推斷三極管的工作狀態(tài),并說明理由。8V3.7V3V3V2.3V8V3.7V3V8V3.7V3V12V5V12V0V-1.5V-2.2V（a）（b）（c）11.3V例題3RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--在下圖所示電路中,假如VCC=15V;RC=5kΩ,在下列幾種條件下,分別求UCE并分別說明晶體管工作在何種狀態(tài)。①假如VBB=15V;RB=10kΩ,β=50②假如VBB=5V;RB=300kΩ,β=50③假如VBB=5V;RB=300kΩ,β=300④假如VBB=-1V;RB=10kΩ,β=50例題3①假如VBB=5V;RB=10kΩ,β=50解答：RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--因?yàn)镮C>ICmax所以該三極管工作在飽和狀態(tài)，UCE=UCES=0.3V②假如VBB=5V;RB=300kΩ,β=50解答：例題3因?yàn)镮C<ICmax所以該三極管工作在放大狀態(tài)，RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--③假如VBB=5V;RB=300kΩ,β=300解答：因?yàn)镮C>ICmax所以該三極管工作在飽和狀態(tài)，UCE=UCES=0.3V例題3④假如VBB=-1V;RB=10kΩ,β=50解答：因?yàn)閂BB=-1V，VBＥ<０；放射結(jié)反偏；所以該三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。RCVCCRBVBBICIEUCEUBE++--由于IB=0,那么IC=0所以UCE=VCC-IC×RC=15V結(jié)論：要使三極管工作在放大狀態(tài)，就必需合理的選擇RB和β值。晶體管的主要參數(shù)電流放大系數(shù)極間反向電流極限參數(shù)反向擊穿特性頻率參數(shù)三極管的檢測①測試的第一步是推斷哪個管腳是基極。我們?nèi)稳蓚€電極(如這兩個電極為1、2)，用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正、反向電阻，視察表針的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取1、3兩個電極和2、3兩個電極，分別顛倒測量它們的正、反向電阻，視察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測量中，必定有兩次測量結(jié)果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)小；剩下一次必定是顛倒測量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要找尋的基極。三極管的檢測②PN結(jié)，定管型

找出三極管的基極后，我們就可以依據(jù)基極與另外兩個電極之間PN結(jié)的方始終確定管子的導(dǎo)電類型。將萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說明被測三極管為NPN型管；若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測管即為PNP型。三極管的檢測③穿透電流確定集電極C，放射極E找出了基極B，另外兩個電極哪個是集電極C，哪個是放射極E呢?這時我們可以用測穿透電流ICEO的方法確定集電極C和放射極E。A對于NPN型三極管，用萬用電表的黑、紅表筆顛倒測量兩極間的正、反向電阻RCE和REC，雖然兩次測量中萬用表指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，但細(xì)致視察，總會有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時電流的流向確定是：黑表筆→C極→B極→E極→紅表筆，電流流向正好與三極管符號中的箭頭方向一樣(“順箭頭”)，所以此時黑表筆所接的確定是集電極C，紅表筆所接的確定是放射極E。三極管的檢測B對于PNP型的三極管，道理也類似于NPN型，其電流流向確定是：黑表筆→E極→B極→C極→紅表筆，其電流流向也與三極管符號中的箭頭方向一樣，所以此時黑表筆所接的確定是放射極E，紅表筆所接的確定是集電極C。注：若由于上述顛倒前后的兩次測量指針偏轉(zhuǎn)均太小難以區(qū)分時，就要“動嘴巴”了。具體方法是：在上述兩次測量中，用兩只手分別捏住兩表筆與管腳的結(jié)合部，用嘴巴含住(或用舌頭抵住)基電極B，仍用上面的判別方法即可區(qū)分開集電極C與放射極E。其中人體起到直流偏置電阻的作用，目的是使效果更加明顯。場效應(yīng)晶體管場效晶體管（FieldEffectTransistor——FET）是利用電場效應(yīng)來限制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。它的輸出電流確定于輸入電壓的大小，基本上不須要信號源供應(yīng)電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。按結(jié)構(gòu)不同場效晶體管有兩種:結(jié)型場效晶體管（JFET）絕緣柵型場效晶體管（MOSFET）

MOSFET管按工作狀態(tài)可分為：增加型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分N溝道增加型絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)成：用一塊雜質(zhì)濃度較低的P型薄硅片作為襯底，其上擴(kuò)散兩個相距很近的高摻雜N+型區(qū)。并在表面生成一層薄薄的二氧化硅絕緣層。P

型硅襯底N+N+SiO2絕緣層再在兩個N+型區(qū)之間的二氧化硅絕緣層的表面及兩個N+型區(qū)的表面和P型硅襯底分別安置四個電極：柵極G、源極S、漏極D和襯底B。襯底B通常與源極S連在一起。源極S柵極

G漏極

D

DSG符號BSourceGateDrainBase襯底B由于柵極電流幾乎為零，柵源電阻RGS很高，最高可達(dá)1014

。由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬(Metal)-氧化物(Oxide)-半導(dǎo)體(Semiconductor)場效晶體管，簡稱MOS場效晶體管。柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效晶體管。N溝道增加型管的工作原理當(dāng)柵-源電壓UGS=0時，D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，即：無論D與S之間加什么極性的電壓，總有一個PN結(jié)是反向偏置的，漏極電流ID均接近于零。SD≈0=0P型硅襯底N++BSGD。ID

UGSN+N+UDSP型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID

UGSN+N+UDSN溝道增加型管的工作原理當(dāng)在柵極和源極之間加正向電壓但數(shù)值較小時(0<UGS<UGS(th))，由柵極指向襯底方向的電場吸引電子向上移動，填補(bǔ)空穴在P型硅襯底的上表面形成負(fù)離子耗盡層，此時照舊沒有漏極電流?！?當(dāng)UGS大于確定數(shù)值時(UGS>UGS(th)開啟電壓)，被電場吸引的少數(shù)載流子——電子在柵極旁邊的P型硅表面出一層由自由電子構(gòu)成的導(dǎo)電薄層，稱為N型薄層，也稱為反型層。它是由UGS感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱為感生溝道。這就是溝通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道(與P型襯底間被耗盡層絕緣)。UGS正值越高，吸引到P型硅表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小。N溝道增加型管的工作原理P型硅襯底DSGBUGS

+N+N+N型導(dǎo)電溝道通常增加型MOS管的開啟電壓UGS(th)=1～10VN溝道增加型管的工作原理P型硅襯底N++BSGD。ID

UGSN+N+UDSUGS>UGS(th)的某一固定值時，UDS對溝道的限制作用當(dāng)漏-源電壓UDS=0時，溝道無自由電子的漂移，不形成漏極電流，即ID=0.隨著UDS↑→ID↑同時使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道變窄，使溝道形態(tài)成楔形。當(dāng)UDS增加到使UGD=UGS(th)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時UDS↑夾斷區(qū)延長溝道電阻↑ID基本不變，表現(xiàn)出恒流特性?！?N溝道增加型MOS管的特性曲線RDUDDRGUGGIG=0IDISUDSUGS++--輸出特性曲線設(shè)UT

=3V，UGS>UT

，ID>0UDS(V)ID(mA)0

5

10

15

20UGS=8V

7V

6V

5V

4VUGS=UGS(th)

①②③UDS

=

UGS

-UGS(th)

從輸出特性上,可將N溝道增加型FET分為三個工作區(qū):①可變電阻區(qū)。UGS越大，漏源間等效溝通電阻越小。UDS<UGS–UGS(th)（即UGD>UGS(th)）（預(yù)夾斷前）②線性放大區(qū)（預(yù)夾斷后）(恒流區(qū),飽和區(qū))UDS>UGS-UGS(th)iD受uGS限制③夾斷區(qū)（截止區(qū)）UGS≤UGS(th)N溝道增加型MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線可依據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UDS(V)ID(mA)0

5

10

15

20UGS=8V

7V

6V

5V

4VUGS=UTUGS(V)ID(mA)0

5

10

UGS(th)

=3V4321P溝道增加型絕緣柵場效晶體管SiO2

絕緣層結(jié)構(gòu)示意圖N

型硅襯底源極

S柵極

G漏極

D

P+P+其工作原理與N溝道管相像，接線時應(yīng)調(diào)換電源的極性，電流方向也相反。BDSG符號N溝道耗盡型MOS管P

型硅襯底N+N+結(jié)構(gòu)示意圖假如MOS管在制造時導(dǎo)電溝道就已形成，稱為耗盡型場效晶體管。柵極

GBSourceGateDrainBase襯底B源極

S漏極

D

＋＋＋＋＋＋＋SiO2絕緣層中摻有大量正離子N型導(dǎo)電溝道GSD符號N溝道耗盡型絕緣柵場效晶體管與N溝道增加型絕緣柵場效晶體管的符號有何不同？N溝道耗盡型MOS管由于耗盡型場效應(yīng)管制造時導(dǎo)電溝道就已存在，所以在UGS=0時，若漏–源之間加上確定的電壓UDS，就會有漏極電流ID產(chǎn)生。這時的漏極電流用IDSS表示，稱為飽和漏極電流。當(dāng)UGS>0時，使導(dǎo)電溝道變寬，ID增大；當(dāng)UGS<0時，使導(dǎo)電溝道變窄，ID減??；UGS負(fù)值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。當(dāng)UGS達(dá)到確定負(fù)值時，N型導(dǎo)電溝道消逝，ID=0，稱為場效晶體管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。N溝道耗盡型MOS管的特性曲線RDUDDRGUGGIG=0IDISUDSUGS++--耗盡型的MOS管UGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到確定值時才能夾斷。UDS(V)ID(mA)0

4

8

12

16UGS=+2V+1V

0V

-1V

-2VUGS=UGS(off）輸出特性曲線簇2015105

轉(zhuǎn)移特性