半导体三极管

第二章半导体三极管第二章半导体三极管2.1双极型半导体三极管2.2单极型半导体三极管2.3半导体三极管电路的基本分析方法2.4半导体三极管的测试与应用第二章半导体三极管2.1双极型半导体三极管3AX813AX13DG43AD10(a)(b)(c)(d)图2-1几种半导体三极管的外形第二章半导体三极管2.1.1晶体三极管的工作原理图2–2晶体三极管的结构示意图和符号一、结构及符号第二章半导体三极管无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区:发射区、基区和集电区,并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处,形成两个PN结,分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。第二章半导体三极管二、三极管的三种连接方式becIBIEIC(a)共基极beIBIEIC(b)共发射极beIBIEIC(c)共集电极cc图2-3三极管的三种连接方式第二章半导体三极管三、三极管的放大作用1.载流子的传输过程(1)发射。(2)扩散和复合。(3)收集。IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb图2–4三极管中载流子的传输过程第二章半导体三极管2.电流分配IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICnICBObIBn图2-5三极管电流分配第二章半导体三极管集电极电流ＩＣ由两部分组成：ＩＣｎ和ＩＣＢＯ,前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的,后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。于是有ＩＣ＝ＩＣｎ＋ＩＣＢＯ(2-1)第二章半导体三极管发射极电流ＩＥ也由两部分组成：ＩＥｎ和ＩＥｐ。ＩＥｎ为发射区发射的电子所形成的电流,ＩＥｐ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ＩＥｐ忽略不计,即ＩＥ≈ＩＥｎ。ＩＥｎ又分成两部分,主要部分是ＩＣｎ,极少部分是ＩＢｎ。ＩＢｎ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ＵＢＢ提供的,故它是基极电流的一部分。BnCnEnEIIII基极电流ＩＢ是ＩＢｎ与ＩＣＢＯ之差：CBOBnBIII(2-2)(2-3)第二章半导体三极管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ＩＣｎＩＢｎ。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系,用α来表示,其定义为ECnEnCnIIII(2-4)一般三极管的α值为0.97～0.99。将(2-4)式代入(2-1)式,可CBOECBOCnCIIIII(2-5)第二章半导体三极管通常ＩＣＩCBO,可将ＩＣＢＯ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将此式代入(2-5)式得CBOBCCIIII)((2-7)第二章半导体三极管经过整理后得CBOBCIII1111BCII令β称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时,β又可写成(2-8)(2-9)第二章半导体三极管CEOBCBOBCIIIII)1(则其中ICEO称为穿透电流,CBOCEOII)1(一般三极管的β约为几十～几百。β太小,管子的放大能力就差,而β过大则管子不够稳定。第二章半导体三极管表2-1三极管电流关系的一组典型数据IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96ECECBIIIII,第二章半导体三极管常数CEUBCII常数CBUECII1/1/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显然β与β,α与α其意义是不同的,但是在多数情况下β≈β,α≈α。例如,从表2-1知,在ＩＢ＝００３mA附近,设ＩＢ由００２mA变为００４mA,可求得983.077.174.1983.016.137.214.133.25803.074.15.5902.004.014.133.2BCBCIIII第二章半导体三极管2.1.2三极管的特性曲线AmAVVIBICUCCUBBRcRb＋－uBE＋－UCE＋－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1.输入特性当ＵＣＥ不变时,输入回路中的电流ＩＢ与电压ＵＢＥ之间的关系曲线称为输入特性,即常数CEUBEBUfI)(IB/mAUBE/V00.20.40.6UCE＝0VUCE＝2V图2-7三极管的输入特性第二章半导体三极管2.输出特性当ＩＢ不变时,输出回路中的电流ＩＣ与电压ＵＣＥ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(1)截止区。一般将ＩＢ≤０的区域称为截止区,在图中为ＩＢ＝０的一条曲线的以下部分。此时ＩＣ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ＩＢ＝０时,ＩＣ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１μA,在特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ＮＰＮ三极管,ＵＢＥ＜０,ＵBC＜０。第二章半导体三极管(2)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ＩＢ一定时,ＩＣ的值基本上不随ＵCE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量ΔＩＢ时,相应的集电极电流将产生较大的变化量ΔＩＣ,此时二者的关系为ΔＩＣ＝βΔＩＢ该式体现了三极管的电流放大作用。对于ＮＰＮ三极管,工作在放大区时ＵＢＥ≥０.７V,而ＵＢＣ＜０。第二章半导体三极管(3)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ＩＢ值的各条特性曲线几乎重叠在一起,即当ＵＣＥ较小时,管子的集电极电流ＩＣ基本上不随基极电流ＩＢ而变化,这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用,ＩＣ＝βＩＢ或ΔＩＣ＝βΔＩＢ关系不成立。一般认为ＵCE＝ＵNE,即ＵCB＝０时,三极管处于临界饱和状态,当ＵCE＜ＵBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用ＵCES表示。在深度饱和时,小功率管管压降通常小于０.３V。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,ＵＢＥ＞０,ＵＢＣ＞０。第二章半导体三极管2.1.3三极管的主要参数(1)共发射极交流电流放大系数β。β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β。由式(2-10)得BCEOCIII当ICICEO时,β≈IC/IB。第二章半导体三极管(3)共基极交流电流放大系数α。α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α。在忽略反向饱和电流ＩＣＢＯ时,ECII第二章半导体三极管2.极间反向电流A(a)ICBOICBOAICEO(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3极限参数(1)集电极最大允许电流ＩＣＭ。OIC图2-10β与IC关系曲线第二章半导体三极管(2)集电极最大允许功率损耗ＰＣＭ。当三极管工作时,管子两端电压为ＵＣＥ,集电极电流为ＩＣ,因此集电极损耗的功率为CECCUIPIB＝0.2mA01020304050IC/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4.反向击穿电压ＢＵCBO——发射极开路时,集电极-基极间的反向击穿电压。ＢＵCEO——基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵCER——基射极间接有电阻Ｒ时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵCES——基射极间短路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵEBO——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2.2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2.2.1MOS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强型和耗尽型两类。一、增强型Ｎ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(a)(c)N＋N＋P衬底SGD铝二氧化硅(SiO2)(衬底引线)BDGBS(b)DGBS图2-12MOS管的结构及其图形符号绝缘栅场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结反向偏置的缘故。第二章半导体三极管(a)(b)N＋N＋P型衬底SGDRDUDDRDUDDGDSUGG图2-13N沟道增强型MOS(a)示意图；(b)电路图第二章半导体三极管当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ID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。