三极管的用法资料讲解.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。三极管的用法-第5章三极管及基本放大电路半导体三极管是一种最重要的半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。场效应管是一种较新型的半导体器件,现在已被广泛应用于放大电路和数字电路中。本章介绍半导体三极管、绝缘栅型场效应管以及由它们组成的基本放大电路。5.1半导体三极管半导体三极管简称为晶体管。它由两个PN结组成。由于内部结构的特点,使三极管表现出电流放大作用和开关作用,这就促使电子技术有了质的飞跃。本节围绕三极管的电流放大作用这个核心问题来讨论它的基本结构、工作原理、特性曲线及主要参数。5
2、.1.1三极管的基本结构和类型基极BTCEBTCEB基极B发射极E发射极E集电极C集电极CN集电区P基区N发射区P集电区N基区P发射区三极管的种类很多,按功率大小可分为大功率管和小功率管;按电路中的工作频率可分为高频管和低频管;按半导体材料不同可分为硅管和锗管;按结构不同可分为NPN管和PNP管。无论是NPN型还是PNP型都分为三个区,分别称为发射区、基区和集电区,由三个区各引出一个电极,分别称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C),发射区和基区之间的PN结称为发射结,集电区和基区之间的PN结称为集电结。其结构和符号见图5-1,其中发射极箭头所示方向表示发射极电流的流向。在电路中,晶体管用字
3、符T表示。具有电流放大作用的三极管,在内部结构上具有其特殊性,这就是:其一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度,集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度;其二是基区很薄,一般只有几微米。这些结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内在依据。(a)(b)图5-1两类三极管的结构示意图及符号5.1.2三极管的电流分配关系和放大作用图5-2共发射极放大实验电路VBBIBIERBVBBVCCRCmAATmA现以NPN管为例来说明晶体管各极间电流分配关系及其电流放大作用,上面介绍了三极管具有电流放大用的内部条件。为实现晶体三极管的电流放大作用还必须具有一定的外部条件,这就是要给三极管的发射结加上正向电压,集电结加上
4、反向电压。如图5-2,VBB为基极电源,与基极电阻RB及三极管的基极B、发射极E组成基极发射极回路(称作输入回路),VBB使发射结正偏,VCC为集电极电源,与集电极电阻RC及三极管的集电极C、发射极E组成集电极发射极回路(称作输出回路),VCC使集电结反偏。图中,发射极E是输入输出回路的公共端,因此称这种接法为共发射极放大电路,改变可变电阻RB,测基极电流IB,集电极电流IC和发射结电流IE,,结果如表5-1。表5-1三极管电流测试数据IB(A)020406080100IC(mA)0.0050.992.083.174.265.40IE(mA)0.00510.012.123.234.345.50
5、从实验结果可得如下结论:(1)IE=IB+IC。此关系就是三极管的电流分配关系,它符合基尔霍夫电流定律。(2)IE和IC几乎相等,但远远大于基极电流IB.,从第三列和第四列的实验数据可知IC与IB的比值分别为:,IB的微小变化会引起IC较大的变化,计算可得:计算结果表明,微小的基极电流变化,可以控制比之大数十倍至数百倍的集电极电流的变化,这就是三极管的电流放大作用。、称为电流放大系数。通过了解三极管内部载流子的运动规律,可以解释晶体管的电流放大原理。本书从略。5.1.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线是用来表示各个电极间电压和电流之间的相互关系的,它反映出三极管的性能,是分析放大电路的重要依据
6、。特性曲线可由实验测得,也可在晶体管图示仪上直观地显示出来。1输入特性曲线晶体管的输入特性曲线表示了VCE为参考变量时,IB和VBE的关系。0.20.40.60.8VBE(V)806040200VCE1VIB(A)图5-3三极管的输入特性曲线(5-1)图5-3是三极管的输入特性曲线,由图可见,输入特性有以下几个特点:(1)输入特性也有一个“死区”。在“死区”内,VBE虽已大于零,但IB几乎仍为零。当VBE大于某一值后,IB才随VBE增加而明显增大。和二极管一样,硅晶体管的死区电压VT(或称为门槛电压)约为0.5V,发射结导通电压VBE=(0.60.7)V;锗晶体管的死区电压VT约为0.2V,导
7、通电压约(0.20.3)V。若为PNP型晶体管,则发射结导通电压VBE分别为(-0.6-0.7)V和(-0.2-0.3)V。(2)一般情况下,当VCE1V以后,输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合,因为VCE1V后,IB无明显改变了。晶体管工作在放大状态时,VCE总是大于1V的(集电结反偏),因此常用VCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。2.输出特性曲线晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时,IC和VCE的关系,即:100A80A60A40A20AIB=036912VCE(V)截止区5饱和区放大区IC(mA)43210图5-4三极管的输出特性曲线(5-2)图5-4是三极管的输出特性
8、曲线,当IB改变时,可得一组曲线族,由图可见,输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。(1)截止区:IB=0的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中,集电结处于反偏,VBE0发射结反偏或零偏,即VCVEVB。电流IC很小,(等于反向穿透电流ICEO)工作在截止区时,晶体管在电路中犹如一个断开的开关。(2)饱和区:特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。当VCEVCVE。在饱和区IB增大,IC几乎不再增大,三极管失去放大作用。规定VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态,用VCES表示,此时集电极临界饱和电流:(5-3)基极临界饱和电流:(5-4)当集电极电流ICICS时,认为管子已处于饱和状态。IC
9、VBVE。其特点是IC的大小受IB的控制,IC=IB,晶体管具有电流放大作用。在放大区约等于常数,IC几乎按一定比例等距离平行变化。由于IC只受IB的控制,几乎与VCE的大小无关。特性曲线反映出恒流源的特点,即三极管可看作受基极电流控制的受控恒流源。例5-1用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为Vx=+10V,Vy=0V,Vz=+0.7V,如图5-5(a)所示,T2管各电极电位Vx=+0V,Vy=-0.3V,Vz=-5V,如图5-5(b)所示,试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子,x、y、z各是何电极?yzyxT2zxT1(a)(b)图5-5例5-1解:工作在放大区的N
10、PN型晶体管应满足VCVBVE,PNP型晶体管应满足VCVBVzVy,,所以x为集电极,y为发射极,z为基极,满足VCVBVE,的关系,管子为NPN型。(2)在图(b)中,x与y的电压为0.3V,可确定为锗管,又因VzVyVx,,所以z为集电极,x为发射极,y为基极,满足VCVBICS,所以管子工作在饱和区。(2)因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压,管子的发射结反偏,管子截止,所以管子工作在截止区。(3)因为基极偏置电源+2V大于管子的导通电压,故管子的发射结正偏,管子导通基极电流::因为ICICS,所以管子工作在放大区。5.1.4晶体管的主要参数晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能的
11、指标,是评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据,也是计算和调整晶体管电路时必不可少的根据。主要参数有以下几个。1电流放大系数(1)共射直流电流放大系数。它表示集电极电压一定时,集电极电流和基极电流之间的关系。即:(5-5)(2)共射交流电流放大系数。它表示在VCE保持不变的条件下,集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比,即:(5-6)上述两个电流放大系数和的含义虽不同,但工作于输出特性曲线的放大区域的平坦部分时,两着差异极小,故在今后估算时常认为。由于制造工艺上的分散性,同一类型晶体管的值差异很大。常用的小功率晶体管,值一般为20200。过小,管子电流放大作用小,过大,工作稳定性差。一般选用
12、在40100的管子较为合适。ICEOICEOAAICBOICBOAA2极间电流(a)NPN管(b)PNP管(c)NPN管(d)PNP管图5-7ICBO的测量图5-8ICEO的测量(1)集电极反向饱和电流ICBO。ICBO是指发射极开路,集电极与基极之间加反向电压时产生的电流,也是集电结的反向饱和电流。可以用图5-7的电路测出。手册上给出的ICBO都是在规定的反向电压之下测出的。反向电压大小改变时,ICBO的数值可能稍有改变。另外ICBO是少数载流子电流,随温度升高而指数上升,影响晶体管工作的稳定性。作为晶体管的性能指标,ICBO越小越好,硅管的ICBO比锗管的小得多,大功率管的ICBO值较大,
13、使用时应予以注意。(2)穿透电流ICEO。ICEO是基极开路,集电极与发射极间加电压时的集电极电流,由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极,故称为穿透电流。测量ICEO的电路如图5-8所示。根据晶体管的电流分配关系可知:ICEO=(1+)ICBO。故ICEO也要受温度影响而改变,且大的晶体管的温度稳定性较差。3极限参数晶体管的极限参数规定了使用时不许超过的限度。主要极限参数如下:(1)集电极最大允许耗散功率PCM晶体管电流IC与电压VCE的乘积称为集电极耗散功率,这个功率导致集电结发热,温度升高。而晶体管的结温是有一定限度的,一般硅管的最高结温为1001500C,锗管的最高结温为701000C
14、,超过这个限度,管子的性能就要变坏,甚至烧毁。因此,根据管子的允许结温定出了集电极最大允许耗散功率PCM,工作时管子消耗功率必须小于PCM。可以在输出特性的坐标系上画出PCM=ICVCE的曲线,称为集电极最大功率损耗线。如图5-9所示。曲线的左下方均满足PCPCM的条件为安全区,右上方为过损耗区。(2)反向击穿电压V(BR)CEO反向击穿电压V(BR)CEO是指基极开路时,加于集电极发射极之间的最大允许电压。使用时如果超出这个电压将导致集电极电流IC急剧增大,这种现象称为击穿。从而造成管子永久性损坏。一般取电源VCC)时的值。通常高频晶体管都用fT表征它的高频放大特性。5温度对晶体管参数的影响
15、几乎所有晶体管参数都与温度有关,因此不容忽视。温度对下列三个参数的影响最大。(1)温度对ICBO的影响:ICBO是少数载流子形成,与PN结的反向饱和电流一样,受温度影很大。无论硅管或锗管,作为工程上的估算,一般都按温度每升高10C,ICBO增大一倍来考虑。(2)温度对的影响:温度升高时随之增大。实验表明,对于不同类型的管子随温度增长的情况是不同的,一般认为:以250C时测得的值为基数,温度每升高10C,增加约(0.51)%。(3)温度对发射结电压VBE的影响:和二极管的正向特性一样,温度每升高10C,|VBE|约减小22.5mV。因为,ICEO=(1+)ICBO,而IC=IB+(1+)ICBO
16、,所以温度升高使集电极电流IC升高。换言之,集电极电流IC随温度变化而变化。5.1.5晶体管开关的应用非门RCF-VBBR2R1A1图5-11三极管非门VCC第 I 条 ATF图5-11所示的晶体管非门电路及其图形符号。晶体管T的工作状态或从截止转为饱和,或从饱和转为截止。非门电路只有一个输入端A。F为输出端。当输入端A为高电平1,即VA=3V时,晶体管T饱和,使集电极输出的电位VF=0V,即输出端F为低电平0;当输入端A为低电平0时,晶体管T截止,使集电极输出的电位VF=VCC,即输出端F为高电平1。可见非门电路的输出与输入状态相反,所以非门电路也称为反相器。图中加负电源VBB是为了使晶体管
17、可靠截止。从上述分析可知,该电路的输出电平高低总是和输入电平高低相反,这种“结果与条件处于相反状态”的逻辑关系称为非(Not)逻辑关系。非逻辑也称为逻辑反、非运算。逻辑变量上的“”是非运算符,设A、F分别为逻辑变量,则非运算的表达式可写成以下上式读作F等于A非。逻辑非的含义是:只要输入变量A为0,输出变量F就为1;反之,A为1时,F便为0。换言之,也就是“见0出1,见1出0”。以上是晶体管开关作用具体应用的一个实例。5.2绝缘栅型场效应晶体管场效应管是一种电压控制型的半导体器件,它具有输入电阻高(可达1091015,而晶体三极管的输入电阻仅有102104),噪声低,受温度、幅射等外界条件的影响
18、较小,耗电省、便于集成等优点。,因此得到广泛应用。场效应管按结构的不同可分为结型和绝缘栅型;从工作性能可分耗尽型和增强型;所用基片(衬底)材料不同,又可分P沟道和N沟道两种导电沟道。因此,有结型P沟道和N沟道,绝缘栅耗尽型P沟道和N沟及增强型P沟道和N沟六种类型的场效应管。它们都是以半导体的某一种多数载流子(电子或空穴)来实现导电,所以又称为单极型晶体管。在本书中只简单介绍绝缘栅型场效应管。5.1.1绝缘栅型场效应管目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是一种金属(M)氧化物(O)半导体(S)结构的场效应管,简称为MOS(MetalOxideSemiconductor)管。本节以沟道增强型绝缘栅型场效
19、应管为主进行讨论。1 N沟道增强MOS型管(1)结构图5-12(a)是沟道增强型MOS管的结构示意图。用一块型半导体为衬底,在衬底上面的左、右两边制成两个高掺杂浓度的型区,用N+表示,在这两个N+区各引出一个电极,分别称为源极S和漏极D,管子的衬底也引出一个电极称为衬底引线b。管子在工作时b通常与S相连接。在这两个N+区之间的型半导体表面做出一层很薄的二氧化硅绝缘层,再在绝缘层上面喷一层金属铝电极,称为栅极G,图5-12(b)是沟增强型MOS管的符号。沟道增强型MOS管是以型半导体为衬底,再制作两个高掺杂浓度的P+区做源极S和漏极D,其符号如图5-12(c),衬底b的箭头方向是区别沟道和沟道的
20、标志。SG铝DP衬底DN+GGGbSSDSio2N+b绝缘层PPP衬b(衬底引线)(a)(b)(c)图5-12增强型MOS管的结构和符号(2)工作原理如图5-13所示。当VGS=0时,由于漏源之间有两个背向的结不存在导电沟道,所以即使D、S间电压VDS0,但ID=0,只有VGS增大到某一值时,由栅极指向P型衬底的电场的作用下,衬底中的电子被吸引到两个N+区之间构成了漏源极之间的导电沟道,电路中才有电流ID。对应此时的VGS称为开启电压VGS(th)=VT。在一定VDS下,VGS值越大,电场作用越强,导电的沟道越宽,沟道电阻越小,ID就越大,这就是增强型管子的含义。图5-13Vgs对沟道的影响V
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