经典三极管与场效应管的比较.docx
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经典三极管与场效应管的比较
第2章晶体三极管和场效应管
教学重点
1•掌握晶体三极管的结构、工作电压、基本连接方式和电流分配关系。
2•熟练掌握晶体三极管的放大作用;共发射极电路的输入、输出特性曲线;主要参数及温度对参数的影响。
3•了解MOS管的工作原理、特性曲线和主要参数。
教学难点
1•晶体三极管的放大作用
2•输入、输出特性曲线及主要参数
学时分配
序号
内容
学时
1
2.1晶体三极管
4
2
2.2场效应管
4
3
本章小结与习题
4
本章总课时
8
2.1晶体三极管
晶体三极管:
是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。
特点:
管内有两种载流子参与导电。
图2.1.1三极管外形
图2.1.2三极管的结构图
2.1.1三极管的结构、分类和符号
一、晶体三极管的基本结构
1•三极管的外形:
如图2.1.1所示。
2•特点:
有三个电极,故称三极管。
3•三极管的结构:
如图2.1.2所示。
晶体三极管有三个区一一发射区、
基区、集电区;
两个PN结一一发射结(BE结)、集
电结(BC结);
三个电极一一发射极e(E)、基极
b(B)和集电极c(C);
两种类型一一PNP型管和NPN型管。
工艺要求:
发射区掺杂浓度较大;基区很薄且掺杂最少;集电区比发射区体积大且掺杂少。
二、晶体三极管的符号晶体三极管的符号如图2.1.3所示。
箭头:
表示发射结加正向电压时的电流方向。
文字符号:
V
图2.1.3三极管符号
三、晶体三极管的分类
1.三极管有多种分类方法。
按内部结构分:
有NPN型和PNP型管;按工作频率分:
有低频和高频管;按功率分:
有小功率和大功率管;按用途分:
有普通管和开关管;按半导体材料分:
有锗管和硅管等等。
2.国产三极管命名法:
见《电子线路》P249附录二。
例如:
3DG表示高频小功率NPN型硅三极管;3CG表示高频小功率PNP型硅三极管;3AK表示PNP型开关锗三极管等。
2.1.2三极管的工作电压和基本连接方式
一、晶体三极管的工作电压
三极管的基本作用是放大电信号;工作在放大状态的外部条件是发射结加正向电压,
集电结加反向电压。
图2.1.4三极管电源的接法
如图2.1.4所示:
V为三极管,Gc为集电极电源,Gb为基极电源,又称偏置电源,Rb为基极电阻,Rc为集电极电阻。
二、晶体三极管在电路中的基本连接方式
如图2.1.5所示,晶体三极管有三种基本连接方式:
共发射极、共基极和共集电极接
法。
最常用的是共发射极接法。
何状发射极接法巾)共恳扱按法心戏集収规接法
图2.1.5三极管在电路中的三种基本联接方式
2.1.3三极管内电流的分配和放大作用
一、电流分配关系
动画三极管的电流分配关系
测量电路如图2.1.6所示:
调节电位器RP,测得发射极电流Ie、基极电流Ib和集电极电流Ic的对应数据如表2.1.1所示。
IB/mA
-0.001
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Ic/mA
0.001
0.01
0.56
1.14
1.74
2.33
2.91
k/mA
0
0.01
0.57
1.16
1.77
2.37
2.96
表2.1.1
由表2.1.1可见,三极管中电流分配关系如下:
IE=IC+1B因Ib很小,贝U
(2.1.1)
Ic:
Ie
说明:
1.IE=0时,Ic__Ib=Icbo。
ICBO称为集电极基极反向饱和电流,
见图2.1.7(a)。
一般Icbo很小,与温度有关。
2.咕=0时,Ic=丨e=Iceo。
ICEO称为集电极一一发射极反向电流,又
叫穿透电流,见图2.1.7(b)。
Iceo越小,三极管温度稳定性越好。
硅管
的温度稳定性比锗管好。
二、晶体三极管的电流放大作用
动画三极管的电流放大作用
由表2.1.1得出
玉0.58mA
Ib一0.01mA
结论:
L群£!
!
■■
图2.1.7Icbo和Iceo示意图
(2.1.4)
(2.1.5)
图2.1.10三极管的输出特性曲线
1•三极管有电流放大作用一一基极电流微小的变化,引起集电极电流IC较大变化。
2.交流电流放大系数一:
一一表示三极管放大交流电流的能力
二土(2.1.3)
应B
3.直流电流放大系数――表示三极管放大直流电流的能力
4.通常,『-■:
I-',所以lc=了4可表示为lc=曰B考虑IcEO,则
1C=■1B1CEO
(2.1.6)
2.1.4三极管的输入和输出特性
一、共发射极输入特性曲线
动画三极管的输入特性
输入特性曲线:
集射极之间的电压Vce一定时,发射结电压Vbe与基极电流Ib之间的关系曲线,如图2.1.9所示。
由图可见:
1.当Vce_2V时,特性曲线基本重合。
2.当Vbe很小时,Ib等于零,三极管处于截止状态;
3.当Vbe大于门槛电压(硅管约0.5V,锗管约
0.2V)时,Ib逐渐增大,三极管开始导通。
4.三极管导通后,Vbe基本不变。
硅管约为
0.7V,锗管约为0.3V,称为三极管的导通电压。
5.Vbe与Ib成非线性关系。
二、晶体三极管的输出特性曲线
动画三极管的输出特性
输出特性曲线:
基极电流IB一定时,集、射极之间的电压Vce与集电极电流Ic的关系曲线,如图2.1.10所示。
由图可见:
输出特性曲线可分为三个工作区。
1.截止区
条件:
发射结反偏或两端电压为零。
特点:
Ib=0,Ic=Iceo。
2.饱和区
条件:
发射结和集电结均为正偏。
特点:
Vce=Vces。
Vces称为饱和管压降,小功率硅管约0.3V,锗管约为0.1V。
3.放大区条件:
发射结正偏,集电结反偏。
特点:
Ic受Ib控制,即%二Ib。
在放大状态,当Ib一定时,Ic不随Vce变化,即放大状态的三极管具有恒流特性。
2.1.5三极管主要参数
三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。
一、共发射极电流放大系数
1.直流放大系数「。
2.交流放大系数1。
电流放大系数一般在10~100之间。
太小,放大能力弱,太大易使管子性能不稳定。
一般取30、80为宜。
二、极间反向饱和电流
1.集电极基极反向饱和电流ICBO。
2.集电极发射极反向饱和电流Iceo。
Iceo=(1-:
)Icbo(2.1.7)
反向饱和电流随温度增加而增加,是管子工作状态不稳定的主要因素。
因此,常把它作为判断管子性能的重要依据。
硅管反向饱和电流远小于锗管,在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。
三、极限参数
1.集电极最大允许电流ICM
三极管工作时,当集电极电流超过IcM时,管子性能将显著下降,并有可能烧坏管
子。
2.集电极最大允许耗散功率Pcm
当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时,管子性能变坏或烧毁。
3.集电极发射极间反向击穿电压V(BR)CEO
管子基极开路时,集电极和发射极之间的最大允许电压。
当电压越过此值时,管子将发生电压击穿,若电击穿导致热击穿会损坏管子。
2.1.6三极管的简单测试
一、硅管或锗管的判别
判别电路如图2.1.11所示。
当V=0.6、0.7V时,为硅管;当V=0.1
二、估计比较1的大小
NPN管估测电路如图2.1.12所示。
万用表设置在R1k「挡,测量并比较开关S断开和接通时的电阻值。
前后两个读
数相差越大,说明管子的[越高,即电流放大能力越大。
估测PNP管时,将万用表两只表笔对换位置。
三、估测Iceo
NPN管估测电路如图2.1.13所示。
所测阻值越大,说明管子的Iceo越小。
若阻值无穷大,三极管开路;若阻值为零,三极管短路。
图2.1.13Go的估测
测PNP型管时,红、黑表笔对调,方法同前。
四、NPN管型和PNP管型的判断
将万用表设置在R1]或R100门挡,用黑表笔和任一管脚相接(假设它是基极
红笔
b),红表笔分别和另外两个管脚相接,如果测得两个阻值都很小,则黑表笔所连接的就是基极,而且是
NPN型的管子。
如图2.1.14(a)所示。
如果按上述方法测得的结果均为高阻值,则黑表笔所连接的是
PNP管的基极。
如图2.1.14(b)所
示。
五、e、b、c三个管脚的判断
首先确定三极管的基极和管型,然后采用估测"直的方法判断c、e极。
方法是先假
定一个待定电极为集电极(另一个假定为发射极)接入电路,记下欧姆表的摆动幅度,然后再把两个待定电极对调一下接入电路,并记下欧姆表的摆动幅度。
摆动幅度大的一次,
黑表笔所连接的管脚是集电极c,红表笔所连接的管脚为发射极e,如图2.1.12所示。
测
PNP管时,只要把图2.1.12电路中红、黑表笔对调位置,仍照上述方法测试。
2.2场效应管
场效应管:
是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。
特点:
管子内部只有一种载流子参与导电,称为单极型晶体三极管。
2.2.1结型场效应管
一、结构和符号
N沟道结型场效应管的结构、符号如图2.2.1所示;P沟道结型场效应管如图2.2.2
所示。
特点:
由两个PN结和一个导电沟道所组成。
三个电极分别为源极S、漏极D和栅
极G。
漏极和源极具有互换性。
工作条件:
两个PN结加反向电压。
、工作原理
动画结型场效应管的工作原理
当栅源电压Vgs向负值方向变化时,漏极电流Id逐渐减小;
当栅源电压Vgs-Vp时,漏极电流Id-0,Vp称为夹断电压。
2.输出特性曲线
2.2.6所示。
表示在栅源电压一定条件下,漏极电流与漏源电压之间的关系。
如图
(1)可调电阻区(图中I区)
Vgs不变时,Id随Vds作线性变化,漏源间呈现电阻性;
栅源电压Vgs越负,输出特性越陡,漏源间的电阻越大。
结论:
在I区中,场效应管可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。
(2)饱和区(图中H区)
Vds一定时,VGs的少量变化引起Id较大变化,即Id受Vs控制。
当Vgs不变时,Id不随Vds变化,基本上维持恒定值,即Id对Vds呈饱和状态。
结论:
在H区中,场效应管具有线性放大作用。
(3)击穿区(图中川区)
当Vds增至一定数值后,Id剧增,出现电击穿。
如果对此不加限制,将损坏管子。
因此,管子不允许工作在这个区域。
3•跨导(gm)
反映在线性放大区「Vgs对.-:
Id的控制能力。
单位是-A/V。
也Id
gm-(2.2.1)
=Vgs
2.2.2绝缘栅场效应管
绝缘栅场效应管是一种栅极与源极、漏极之间有绝缘层的场效应管,简称MOS管。
特点:
输入电阻高,噪声小。
分类:
有P沟道和N沟道两种类型;每种类型又分为增强型和耗尽型两种。
一、结构和工作原理
1•N沟道增强型绝缘栅场效应管
2.2.7所示。
N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构及符号如图
(b)符乃
N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理如图2.2.8所示。
(1)当Vgs,在漏、源极间加一正向电压Vds时,漏源极之间的电流Id=0。
(2)当Vgs0,在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层,使漏极和源极之间产生导
电沟道。
在漏、源极间加一正向电压Vds时,将产生电流Id。
开启电压Vt:
增强型MOS管开始形成反型层的栅源电压。
(3)在Vds0时
若Vgs:
:
:
Vt,反型层消失,无导电沟道,Id=0;
若VgsVt,出现反型层即导电沟道,D、S之间有电流Id流过;
若Vgs逐渐增大,导电沟道变宽,Id也随之逐渐增大,即Vgs控制Id的变化。
2.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管
N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构及符号如图2.2.9所示。
特点:
管子本身已形成导电沟道。
工作原理:
在Vds.0时,若Vgs=0,导电沟道有电流Id;当Vgs0,并逐渐增大时,导致沟道变宽,使Id增大;当Vgs<0,并逐渐增大此负电压,导致沟道变窄,使Id减小。
实现Vgs对Id的控制。
夹断电压Vp:
使Id=0时的栅源电压Vgs。
二、绝缘栅场效应管的特性曲线和跨导
以N沟道MOS管为例。
1•转移特性曲线
N沟道MOS管的转移特性曲线如图2.2.10所示。
增强型:
当Vgs0时,Id0;当VgsVt时,Id0。
耗尽型:
当Vgs=0时,Id";当Vgs为负电压时Id减小;当Vgs时,Id=0。
2.输出特性曲线
N沟道MOS管输出特性曲线如图2.2.11所
示。
有三个区:
可调电阻区(I区)、饱和区(□区)和击穿区([区)。
其含义与结型管输出特性曲线三个区相同。
3.跨导
三、绝缘栅场效应管的图形符号
符号如图2.2.12所示。
N、P沟道的区别在于图中箭头的指向相反。
2.2.3场效应管的主要参数和特点
一、主要参数
1.直流参数
(1)开启电压Vt
在Vds为定值的条件下,增强型场效应管开始导通(Id达到某一定值,如10・A)时,
所需加的VGS值。
(2)夹断电压Vp
在Vds为定值的条件下,耗尽型场效应管Id减小到近于零时的Vgs值。
(3)饱和漏极电流lDSS
耗尽型场效应管工作在饱和区且Vgs=0时,所对应的漏极电流。
(4)直流输入电阻RqS
栅源电压Vgs与对应的栅极电流Ig之比。
场效应管输入电阻很高,结型管一般在IO?
"以上;绝缘栅管则更高,一般在109门
以上。
3.交流参数
(1)跨导gm
Vds一定时,漏极电流变化量-=Id和引起这个变化的栅源电压变化量^Vgs之比。
它
表示了栅源电压对漏极电流的控制能力。
(2)极间电容
场效应管三个电极之间的等效电容Cgs、Cgd、Cds。
一般为几个皮法,结电容小的
管子,高频性能好。
4.极限参数
(1)漏极最大允许耗散功率PDM
Id与Vds的乘积不应超过的极限值。
(2)漏极击穿电压V(Br)ds
漏极电流Id开始剧增时所加的漏源间的电压。
二、场效应管的特点
特点列于表2.2.1中,供比较参考。
表2.2.1场效应管与普通三极管比较表
项目
器件名称
晶体三极管
场效应管
极型特点
双极型
单极型
控制方式
电流控制
电压控制
类型
PNP型、NPN型
N沟道、P沟道
放大参数
0=50*200
gm=1000“5000A/V
输入电阻
102~104Q
107~1015Q
噪声
较大
较小
热稳定性
差
好
抗辐射能力
差
强
制造工艺
较复杂
简单、成本低
本章小结
1.晶体三极管是一种电流控制器件,具有电流放大作用;使用时有三种基本连接方
式,最常用的是共发射极接法;有三种工作状态,即截止、饱和和放大状态;三个电极的电流关系是Ie=lcIB,在放大状态时lc二:
Ib;:
值表示电流放大能力的大小;ICBO、
Iceo反映了管子温度稳定性;三极管有NPN型和PNP型两大基本类型。
2.场效应管是一种电压控制器件,用栅极电压控制漏极电流;具有高输入电阻和低噪声的特点;表征管子性能的有转移特性曲线、输出特性曲线和跨导;有结型和绝缘栅型场效应管两大类,
每类又有P沟道、N沟道之分;绝缘栅场效应管另有增强型和耗尽
型两种。
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