第二章 半导体三极管.docx
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第二章半导体三极管
第二章半导体三极管
内容简介
导体三极管具有放大作用，使用很广泛。
它分为双极型和单极型两种类型，双极型半导体三极管（简称BJT）又称为晶体三极管，简称三极管因为它有空穴和自由电子两种载流子参与导电，因此成为双极型三极管；单极型半导体又称场效应管（简称FET），是一种利用电场效应控制输出电流的半导体三极管，它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故称为单极型半三极管。
本章先分别讨论晶体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数，然后对三极管电路的基本分析方法进行研究，最后介绍三极管的测试与应用基本知识。
知识教学目标
1.熟悉晶体三极管的结构、符号、工作原理、输入和输出特性曲线，了解晶体三极管主要参数。
2.熟悉结型和MOS效应管的结构，了解其性能参数。
3.掌握三极管电路的静态和动态分析方法。
技能教学目标
1.能够识别、检测和选用晶体三极管；
2.会通过三极管电路测其基本特性。
本章重点
1.晶体三极管的结构、符号、输入和输出特性曲线，了解晶体三极管主要参数。
2.三极管电路的静态和动态分析方法。
本章难点
1.晶体三极管的结构、符号、工作原理、输入和输出特性曲线。
2.三极管电路的图解法和小信号等效电路分析法。
通过一定的工艺将两个PN结结合在一起就构成了双极型三极管。
由于PN结之间的相互影响，使晶体三极管具有放大作用，从而使得PN结的应用发生了质的变化。
2.1双极性三极管
2.1.1晶体三极管的工作原理
一、结构和符号
图2.1.1三极管外形图
通过工艺的方法,把两个二极管背靠背的连接起来级组成了三极管。
按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它的外形如图2.1.1所示，它们的结构示意图和符号图分别为：
如图2.1.2
（1）、
（2）所示：
图2.1.1三极管外形图
二、三极管的电流放大作用
我们知道，把两个二极管背靠背的连在一起，是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须做到一下几点：
1）发射区中掺杂
2）基区必须很薄
3）基电结的面积应很大
工作时：
发射结应正向偏置，集电结应反向偏置
1.载流子的传输过程
因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。
而留在基区的很少，因为基区做的很薄。
我们再用图形来说明一下，如图2.1.3（3）所示：
图2.1.3三极管内部结构
2.电流的分配关系
由于载流子的运动，从而产生相应电流，它们的关系如下：
IE=IC+IB IC=αIE+ICBO
IC=βIB+ICEO ICEO=（1+β）ICBO
其中：
ICEO为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；ICBO为IB=0时，集电极和发射极之间的穿透电流。
α为共基极电流的放大系数， β为共发射极电流的放大系数。
它们可定义为：
放大系数有两种（直流和交流），但我们一般认为，它们二者是相等的，不区分它们。
2.1.2晶体三极管的特性曲线
它的特性曲线与它的接法有关，在学习之前，我们先来学习一下它的三种不同接法。
如图2.1.4所示：
（1）共基极，如图
（1）所示
（2）共发射极 如图
（2）所示
（3）共集电极 如图（3）所示
图2.1.4三种三极管组态
我们以NPN管共发射极为例：
一、输入特性曲线
它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压UCE对输入特性有影响，且UCE>1,时这两个PN结的输入特性基本重合。
我们用UCE=0和UCE>=1,两条曲线表示，如图2.1.5（4）所示
图2.1.5三极管的输入和输出特性曲线
二、输出特性曲线
它的输出特性可分为三个区：
（如图2.1.5（5）的特性曲线）
1.截止区：
IB<=0时，此时集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏
2.饱和区：
此时两个结均处于正向偏置，UCE=0.3V
3.放大区:
此时IC=ßIB，IC基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏
2.1.3 晶体三极管的主要参数
三极管的性能常用有关参数表示，作为工程上选用三极管的依据，其主要参数有：
一、电流放大系数
1．共发射极电流放大系数：
2．共基极电流放大系数 ：
二、极间的反向电流（它们是有少数载流子形成的）
1．基电极--基极的反向饱和电流。
2.ICEO：
穿透电流，它与ICBO关系为：
ICEO=（1+ß）ICBO
三、参数与温度的关系
由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。
输出特性曲线上移。
温度升高，放大系数也增加。
2.2单极型三极管
单极型三极管又称场效应管，场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。
2.2.1 MOS场效应管
绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。
无论是什麽沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。
一、增强型N沟道MOS场效应管
1．结构和符号
图2.2.1MOS场效应管的符号
图2.2.2MOS场效应管外形
2．工作原理和转移特性曲线（以N沟道增强型MOS场效应管）
它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。
它的转移特性曲线如图2.2.3
（2）所示；它的输出特性曲线如图2.2.3（3）所示，它也分为4个区：
可变电阻区、放大区、截止区和击穿区。
2.2.2 结型场效应管
结型场效应管同MOS管一样，也是电压控制器件，但它的结构和工作原理与MOS管是不相同的。
一、结型场效应管的分类
结型场效应管有两种结构形式。
它们是N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管，从图中我们可以看到，结型场效应管也具有三个电极，它们是：
G——栅极；D——漏极；S——源极。
电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。
二、.结型场效应管的工作原理（以N沟道结型场效应管为例）
在D、S间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两个PN结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。
三、.结型场效应管的特性曲线（以N沟道结型场效应管为例）
1．输出特性曲线：
（如图2.2.5（3）所示）根据工作特性我们把它分为四个区域，即：
可变电阻区、放大区、击穿区、截止区。
对此不作很深的要求，只要求我们看到输出特性曲线能判断是什麽类型的管子即可
2．转移特性曲线：
我们根据这个特性关系可得出它的特性曲线如图2.2.5（4）所示。
它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。
从图中我们可以看出当UGS=UP时ID=0。
我们称UP为夹断电压。
2.2.3场效应管的主要参数和特点
一、场效应管的主要参数
1.直流参数
饱和漏极电流IDSS：
它可定义为：
当栅、源极之间的电压等于零，而漏、源极之间的电压大于夹断电压时，对应的漏极电流。
夹断电压UP ：
它可定义为：
当UDS一定时，使ID减小到一个微小的电流时所需的UGS
开启电压UT :
它可定义为：
当UDS一定时，使ID到达某一个数值时所需的UGS
2.交流参数
低频跨导gm：
它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。
极间电容：
场效应管三个电极之间的电容，它的值越小表示管子的性能越好。
3.极限参数
漏、源击穿电压：
当漏极电流急剧上升时，产生雪崩击穿时的UDS。
栅极击穿电压：
结型场效应管正常工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，若电流过高，则产生击穿现象。
二、场效应管的特点
场效应管具有放大作用，可以组成放大电路，它与双极性三极管相比具有以下特点：
1.场效应管是电压控制器件，它通过UGS来控制ID；
2.场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很高；
3.它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；
4.它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；
5.场效应管的抗辐射能力强。
2.3三极管电路的分析方法
我们知道三极管可以通过控制基极的电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。
放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路。
我们下面以共发射极的接法为例来说明一下。
2.3.1直流分析
一、图解分析法
1.直流通路：
将放大电路中的电容视为开路，电感视为短路即得。
它又被称为静态分析。
例：
试画出图2.3.1
（2）所示电路的直流通路。
解：
图2.3.1
（2）所示电路的直流通路如图2.3.1（3）所示：
电容看成开路处理。
什么是Q点？
它就是直流工作点，又称为静态工作点，简称Q点。
我们在进行静态分析时，主要是求基极直流电流IB、集电极直流电流IC、集电极与发射极间的直流电压UCE
三极管的电流、电压关系可用输入特性曲线和输出特性曲线表示，我们可以在特性曲线上，直接用作图的方法来确定静态工作点。
用图解法的关键是正确的作出直流负载线，通过直流负载线与iB=IBQ的特性曲线的交点，即为Q点。
读出它的坐标即得IC和UCE。
图解法求Q点的步骤为：
1）通过直流负载方程画出直流负载线，（直流负载方程为UCE=UCC-iCRC）
2）由基极回路求出IB
3）找出iB=IB这一条输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。
读出Q点的坐标即为所求。
例：
如图2.3.2
（2）所示电路，已知Rb=280千欧，Rc=3千欧，Ucc=12伏，三极管的输出特性曲线如图2.3.2（3）所示，试用图解法确定静态工作点。
解：
1）画直流负载线：
因直流负载方程为UCE=UCC-iCRCiC=0，UCE=UCC=12V；UCE=4mA，iC=UCC/RC=4mA，连接这两点，即得直流负载线：
如图（3）中的蓝线。
2）通过基极输入回路，求得IB=（UCC-UBE）/RC=40uA
3）找出Q点（如图（3）所示），因此IC=2mA；UCE=6V
2.3.2 交流分析
我们把加进的输入交流信号时的状态称为动态，这一节我们主要学习放大电路动态分析的两种方法：
图解法和微变等效电路法。
我们对放大电路进行动态分析的任务是求出电压的放大倍数、输入电阻、和输出电阻。
一、交流通路
交流通路：
将放大电路中的电容视为短路，电感视为开路，直流电源视为短路即得。
它又被称为动态分析。
例：
试画出图2.3.3
（2）所示电路的交流通路。
解：
图2.3.3
（2）所示电路的交流通路如图2.3.3（4）所示：
二、图解法分析动态特性
1.交流负载线的画法
交流负载线的特点：
必须通过静态工作点，交流负载线的斜率由R"L表示（R"L=Rc//RL）。
交流负载线的画法（有两种）：
1）先作出直流负载线，找出Q点；作出一条斜率为R"L的辅助线，然后过Q点作它的平行线即得。
（此法为点斜式）
2）先求出UCE坐标的截距（通过方程U"CC=UCE+ICR"L），连接Q点和U"CC点即为交流负载线。
（此法为两点式）
例：
作出图2.3.4
（1）所示电路的交流负载线。
已知特性曲线如图2.3.4
（2）所示，Ucc=12V，Rc=3千欧，RL=3千欧，Rb=280千欧。
二、小信号等效电路分析法
我们采用微变（小信号）等效电路法的思想是：
当信号变化的范围很小（微变）时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系是线性的。
通过上述思想我们就可以把含有非线性元件（如三极管）的放大电路，转换为我们熟悉的线性电路，这样我们就可以利用电路分析的各种方法来求解了。
在应用中我们把三极管等效为图2.3.6
（1）所示的电路。
其中：
Ie=（1+ß）Ib，rbe为基极和发射极之间的等效电阻，具体应用将在第三章中着重讲述。
2.4三极管的测试与应用
一、晶体三极管的检测方法
因为晶体三极管内部有两个PN结，所以可以用万用表欧姆挡测量PN结的正、反向电阻来确定晶体三极管的管脚、管型并可判断三极管性能的好坏。
1.三极管管脚极性和管型判别
将万用表量程调到R×100Ω或R×1KΩ档，假定一个电极是b极，并用黑表笔与假定的b极相接，用红表笔分别与另外两个电极相接，如图2.4.1（a）所示，如果两次测得电阻均很小，即为PN结正向电阻，则黑表笔所接的就是b极，且管子为NPN；如果两次测得的电阻一大一小，则表明假设的电极不是真正的b极，则需要将黑表笔所接的管脚调换一下，再按上述方法测试。
若为PNP管则应用红表笔与假定的b极相接，用黑表笔接另外两个电极。
两次测得电阻均很小时，红表笔所接的为b极，且可确定为PNP管。
当b极确定后，可接着判别发射极e和集电极c。
若是NPN管，可将黑表笔和红表笔分别接触两个待定的电极，然后用手指捏紧黑表笔和b极（不能将两极短路，即相当于接入一个100K的电阻），观察表的指针摆动幅度，见图2.4.1（b）。
然后将黑、红表笔对调，按上述方法重测一次。
比较两次表针摆动幅度，摆动幅度较大的一次黑表笔所接的管脚为c极，红表笔所接的为e极。
若为PNP管，上述方法中将黑、红表笔调换即可。
2.三极管质量好坏判断（以NPN型管为例）
用万用表的R×1KΩ档，将黑表笔接在三极管的基极，红表笔分别接在三极管的发射极和集电极，测得两次的电阻值应在10KΩ左右，然后将红表笔接在基极，黑表笔分别接三极管的e极和c极，测得的电阻应该为无穷大，再将红表笔接三极管的e极，黑表笔接在c极，然后调换表笔，其测量电阻值应该为无穷大。
然后用万用表测量三极管e极和c极之间的电阻，其阻值也是无穷大。
若测量结果符合上述结论，则三极管基本完好。
二、三极管的选用和代换
中、小功率的三极管可用万用表的“hFE”档来进行，方法是将NPN（或PNP）插入表相应管脚座中，就可以在表中显示“hFE”的值。
大功率三极管选用一般在晶体管图示仪中进行。
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