半导体器件三极管与FET课件.ppt

1、电子技术电子技术晶体三极管晶体三极管场效应管场效应管1.3.1 三极管的类型和结构三极管的类型和结构1.3.2 三极管的电流分配和电流放大作用三极管的电流分配和电流放大作用1.3.3 三极管的共发射极三极管的共发射极特性曲线特性曲线1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.3.4 三极管的主要参数三极管的主要参数小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEICCENNPBCEPPNB发射极的箭头表示发射极电流的实际方向，发射极的箭头表示发射极电流的实际方向，即发射结在正向接法下的电流方向。即发射结在正向接法下的电流方向。

2、结构结构共集电极接法共集电极接法：集电极作为公共电极，用：集电极作为公共电极，用CC表示。表示。共基极接法共基极接法：基极作为公共电极，用：基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法：发射极作为公共电极，用：发射极作为公共电极，用CE表示。表示。1.1.三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式EEBRBRC三极管电流放大的实验电路三极管电流放大的实验电路 mA AVVmAICECIBIERB+UBE+UCE EBCEB3DG100符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律IB（mA）00.010.020.030.040.05IC（mA）0.011.091.983.074.065.05I

3、E（mA）0.011.102.003.104.105.10+UBE ICIEIB CT E B +UCE(a)NPN 型晶体管；型晶体管；+UBE IBIEIC CT EB +UCE 电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性(b)PNP 型晶体管型晶体管 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，复合运动形成基极电流电流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，

4、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（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu3 3、电流分配关系、电流分配关系 IC=ICN+ICBOIB=IBN-ICBOIE=IB+IC基区少子漂移到集电区所形成的电流基区少子漂移到集电区所形成的电流基区内复合运动形成的电流基区内复合运动形成的电流CNCCBOCBNBCBOBIIIIIIIICBCBOBCEO(1)IIIIICEO CB III忽

5、略，有通常通常 IC ICBO3 3、电流分配关系、电流分配关系CEII 、为电流放大系数，只为电流放大系数，只与管子的结构尺寸和掺杂与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无浓度有关，与外加电压无关。一般关。一般 =0.9 0.99，1CBII以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参与导电，参与导电，故称为双极型三极管或故称为双极型三极管或BJT(Bipolar Junction Transistor)。IE=IB+IC 三极管特性曲线是指管子各电极电压与电流的关系曲三极管特性曲线是指管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动

6、的外部表现，反映了晶体管的线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。性能，是分析放大电路的依据。重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路mA AVVICECIBRB+UBE+UCE EBCEB3DG100vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(uBE)uCE=const(2)(2)当当uCE1V时，时，uCB=uCE-uBE0，集电结已进入反偏状，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的态，开始收集电

7、子，基区复合减少，同样的uBE下下iB减小，减小，特性曲线右移。特性曲线右移。uCE=0VuCE 1V(1)(1)当当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.1.输入特性曲线输入特性曲线死区死区非线性区非线性区线性区线性区iC=f(uCE)iB=const2.2.输出特性曲线输出特性曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCuBEiCiB+-uCE曲线特点：曲线特点：1 1、起始部分很陡，起始部分很陡，uCE略有增加，略有增加，iC增加很快；增加很快；2 2、当当uCE超过某一数值超过某一数值(约约1V)后，特性曲线变的比较平坦。后，特性曲线变的比

8、较平坦。BJT的三个工作区域的三个工作区域饱和区特点：饱和区特点：iC不再随不再随iB的增加而线性增加，即的增加而线性增加，即BCii 此时此时CBii 截止区特点：截止区特点：iB=0，iC=ICEO。当工作点进入饱和区或截止区时，将产生。当工作点进入饱和区或截止区时，将产生 非线性失真非线性失真。uCE=UCES ，典型值为，典型值为0.3V。放大区特点：放大区特点：BJT输出特性比较平坦，接近于恒流特性，在这个区域符合输出特性比较平坦，接近于恒流特性，在这个区域符合 iB=iC的规律，是放大器的工作部分的规律，是放大器的工作部分。判断三极管工作状态的依据：判断三极管工作状态的依据：饱和区

9、饱和区:发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏截止区：截止区：发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏或：或：UBE 0.5V（Si)|UBE|0.2V（Ge)放大区放大区:发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏BJTBJT的三个工作区域的三个工作区域(1)(1)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数1.1.电流放大系数电流放大系数 (2)共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 =I IC C/I IB B v vCECE=const=const1.3.4 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 2.极间反向电流极间反向电流(1)集电极集电极-基极间反

10、向饱和电流基极间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流。路时，集电结的反向饱和电流。+b c e-uA Ie=0 VCC ICBO 1.3.4 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 (2)集电极集电极-发射极间的反向饱和电流发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+）ICBO ICEO也称为集电极发射极间穿也称为集电极发射极间穿透电流。透电流。ICBO和和ICEO都是衡量都是衡量BJT 质量的重要参数，由于质量的重要参数，由于ICEO比比ICBO大的多，比较容易测量，常把测量大的多，比较容易测量，常把测量ICEO作为判断管子质量的重要依据。作为判断管子质

11、量的重要依据。另外在使用时还要注意，另外在使用时还要注意，ICEO和和ICBO都受温度的影响。都受温度的影响。+bce-VCCICEOuA1.3.4 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数(1)(1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM (2)(2)集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM PCM=ICUCE 3.极限参数极限参数 当集电极电流增加时，当集电极电流增加时，就要下降，就要下降，当当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值的值的2/3时所时所对应的最大集电极电流。对应的最大集电极电流。ICICM时，并不表示三极管会损坏。时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放

12、大倍数降低。只是管子的放大倍数降低。(3)(3)反向击穿电压反向击穿电压U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO1.3.4 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 由由PCM、ICM和和U(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。过损耗区、过电流区和击穿区。1.3.4 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数1.4.11.4.1场效应管概述场效应管概述1.4.21.4.2结型场效应管结型场效应管1.4.31.4.3绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管1.4.41.4.4场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.4 1.4 场效应晶体管场效

13、应晶体管（概述）（概述）场效应管场效应管是是通过改变外加（通过改变外加（输入输入）电压产生的电场强度）电压产生的电场强度来控制其（来控制其（输出输出）导电能力的半导体器件。）导电能力的半导体器件。它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据

14、结构和工作原理不同根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类场效应管可分为两大类:结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(IGFET).(IGFET).1.4.1 概述概述1.4.结型场效应管结型场效应管一、结型一、结型场效应管（场效应管（JFET)工作原理工作原理P+P+NGSD导电沟道导电沟道 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示1 1、结构、结构DP+P+NGSVDSIDVGS电源极性的安排电源极性的安排:D S间间-

15、D接电源正端接电源正端 S接电源负端接电源负端 形成漏极电流形成漏极电流iDG S间间-S接电源正端接电源正端 G接电源负端接电源负端 栅极电流栅极电流iG0,输入电阻高达输入电阻高达107N沟道管加沟道管加负栅源电压，负栅源电压，P沟道管加沟道管加正栅源电压正栅源电压，否则将会出现栅流。，否则将会出现栅流。2 2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理UGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当UGS0时时 当沟道夹断时当沟道夹断时,ID减小至减小至0 0，此，此时时对应的栅源电压对应的栅源电压UGS称为称为夹断夹断电压电压UGS(off)。对于对于N N沟道的

16、沟道的JFETJFET，UPGS(off)0。PNPN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄沟道变窄 UGS继续减小，沟道继续变继续减小，沟道继续变窄，窄，ID D继续变小继续变小DP+P+NGSUDSIDUGS 当当UGS=0=0时，时，沟道最宽沟道最宽，沟道电阻最小，沟道电阻最小，在在UDS的作用下的作用下N N沟道内的电子定向运动形沟道内的电子定向运动形成漏极电流成漏极电流ID D,此时最大。此时最大。沟道电阻变大沟道电阻变大ID D变小变小2 2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理 U UDSDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当U UGSGS=

17、0=0时时，UDS ID G G、D D间间PNPN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。当当UDS增加到使增加到使UGD=UGS(off)时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。此时此时UDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变DP+P+NGSUDSIDUGS综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是

18、电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受uGS控制控制 预夹断前预夹断前iD与与uDS S呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。JFETJFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。JFET是是利用利用PNPN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。二、结型二、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的特性曲线的特性曲线const.uDSDGS)u(fi

19、 (2)(2)转移特性转移特性 const.uGSDDS)u(fi UGS(off)(1)(1)输出特性输出特性 预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）夹断电压夹断电压结结型型场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型增强型增强型MOS场效应管场效应管耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管MOS场效应管分类场效应管分类1.4.绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管MOSMOS场效应管场效应管N N沟道增强型的沟道增强型的MOSMOS管管P P沟道增强型的沟道增强型的MOSMOS管管N N沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOSMOS管管P P沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOSMOS管管VGS=

20、0时时,无导电沟道，无导电沟道，这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管VGS=0时时,有导电沟道，有导电沟道，这种类型的管子称为这种类型的管子称为耗尽型耗尽型MOS管管MOS场效应管分类场效应管分类1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管一、一、N沟道沟道增强型增强型MOS场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E绝缘栅极绝缘栅极G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管1 1、结构、结构各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效

21、应应管管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型1.4.1.4.场效应管的主要参数场效应管的主要参数2.夹断电压夹断电压UGS(off)：是耗尽型：是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UGS(off)时时,漏漏极电流为零。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UGS(th)：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

22、效应管不能导通。4.直流输入电阻直流输入电阻RGS(DS):栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极与流过栅极电流电流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1.4.1.4.场效应管的主要参数场效应管的主要参数7.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

23、作用。CUGSDmDSdudig 8.输出电阻输出电阻rdsCUDDSsdGSdidur 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场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1.晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2.晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，因此称其为单极型器件。因此称其为单极型器件。3.晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104；场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 1.4.4 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的应用场效应管与晶体管的应用均可用于放大电路和开关电路，构成品种繁多的集成电路。均可用于放大电路和开关电路，构成品种繁多的集成电路。谢谢观看！