模电课件第三章三极管

1.结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transistor)
2.绝缘栅型场效应三极管IGFET
( Insulated Gate Field Effect Transistor)
IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET
（Metal Oxide Semiconductor FET）
② 夹断电压UGS(off) (或UP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当uGS=UGS(off) 时, 漏极电流为零。
③ 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当UGS=0时所对应的漏极 电流。
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④ 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于
结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于 绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109～1015Ω。
1.3 半导体场效应管
1.3.1结型场效应管 1.3.2绝缘栅场效应管 1.3.3场效应管的主要参数及电路模型 1.3.4双极型和场效应型三极管的比较
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场效应三极管仅由一种载流子参与导电—单极型器件 用输入电压控制输出电流的的半导体器件—VCCS 从参与导电的载流子来分，有N沟道器件和P沟道器件 从场效应三极管的结构来划分，它有两大类
A. uGS=0V B. 0＜uGS＜UGS(th)
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C. uGS>UGS(th) UGS(th) 称为开启电压
随着uGS的继续增加，iD将不断增加。在uGS=0V时iD=0，
只有当uGS＞UGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为
增强型MOS管。
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(2) 漏源电压对沟道的控制作用

耗尽型（D） P沟道（P-DMOS）
金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）
N-MOS管与P-MOS管工作原理相似，不同之
处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此，
导致加在各极上的电压极性相反。
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3.1.1 N沟道增强型MOS场效应
管
N-EMOS FET结构示意图
源极
金属栅极
衬底极
电路符号
US G D W
第三章 场效应管
3.1 MOS场效应管 3.2 结型场效应管 3.3 场效管应用原理
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概述
场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。 它比BJT体积小、工艺简单，器件特性便于控制， 是目前制造大规模集成电路
• 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管Ri不 高，在许多场合不能满足要求。
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3.1 绝缘栅型场效应管（MOS管）
3.1.1 N沟道增强型（EMOS）管
栅衬之间相当于以SiO2 为介质的平板电容器。
说明
①MOS管衬底一般与源极相连使用； ②栅极和衬底间形成电容。
一. 工作原理
1、沟道形成原理。(1)设VDS =0，当VGS=0时，iD=0。图(a) 7
(2)当VGS>0时，VGS对沟道导电能力的控制作用。图(b) 反型层
二、N-DMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
ID/mA 转移特性
0. 5V
0V
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
VGS /V
外部工作条件： VDS > 0，VGS 正、负、零均可。 DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。

U GSQ U GS(off)
UDSQ =UDD IDQ (RD RS )
对图b：
UGSQ
R G2V DD R G1 R G2
IDQR S
2
U GSQ
IDQ ID0
1
U GS(th)
UDSQ =UDD IDQ (RD RS )
3.2.2 场效应晶体管的微变等效电路
a)微变等效电路 b)简化微变等效电路 c)高频模型
本章教学要求
•了解场效应晶体管的结构、工作原理，掌握场效应晶体 管的外特性及主要参数；
•掌握场效应晶体管的共源、共漏极放大电路分析方法；
•理解多级放大器的级联方式及其特点，掌握多级放大器 的放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算方法。
3.1 场效应晶体管 3.1.1 结型场效应晶体管 1.结型场效应晶体管的结构和符号
（2）增强型FET加压原则：
•在栅－源极之间加电压，使沟道 开启
•在漏-源极之间加电压，使沟道 中的多数载流子在电场作用下由 源极向漏极作定向移动，形成漏 极电流iD。
(3)工作原理 1)uGS对iD及沟道的控制作用。
a)耗尽层的形成 b)导电沟道的形成
UGS(th)：开启电压，指开始形成沟道时的栅-源极电压。
需的最小|uGS|值
(3)饱和漏极电流IDSS：在uGS=0的条件下，场效应管发生预 夹断时的漏极电流。IDSS是结型场效管管子所能输出的最 大电流。
(4)直流输入电阻RGS：它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源 极间加一定电压时栅-源极间的直流电阻。JFET的RGS一般
大于 106Ω，而MOS管的大于 109Ω
例3-1 在图b所示电路中，场效应晶体管的输出特性曲线如图a所示，RD＝5kΩ。 试分析ui为0V、8V和10V三种情况下，uo分别为多少？

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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
模拟电子线路(模电)二极管Fra bibliotek三极管61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
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Nhomakorabea04
三极管在模拟电路中应用 举例
共射极放大电路
原理
输入信号加在基极与发射极之间， 输出信号从集电极取出。
特点
电压放大倍数大，输出电压与输 入电压反相。
应用
音频放大、振荡器、调制器等。
共基极放大电路
原理
输入信号加在发射极与基极之间，输出信号从集电极取出。
特点
电压放大倍数小，但频带宽，适用于高频放大。
品牌与质量
选择知名品牌和质量可靠的三极管，可以 降低因器件质量问题导致的电路故障风险。
THANKS
感谢观看
3
极间反向电压测量
包括集电极-基极反向击穿电压BVCBO、集电极发射极反向击穿电压BVCEO、发射极-基极反向 击穿电压BVEBO的测量。
封装类型及识别方法
封装类型
常见的三极管封装类型有TO-92、TO-126、TO-220等，不同 封装类型的三极管在引脚排列、尺寸等方面存在差异。
识别方法
通过观察封装上的标记和引脚排列，可以识别出三极管的类型、 引脚定义等信息。例如，TO-92封装的三极管通常有一个突出 的引脚，即为发射极；而TO-220封装的三极管则通过引脚排列 和散热片的位置来识别。
工作原理简介
截止状态 当基极电流IB=0时，三极管处于截止状态，此时集电极电 流IC≈0，相当于开关断开。
放大状态 当基极电流IB介于截止电流和饱和电流之间时，三极管处 于放大状态。此时，集电极电流IC随基极电流IB的增大而 增大，且满足一定的电流放大倍数。
饱和状态 当基极电流IB增大到一定程度时，三极管进入饱和状态。 此时，集电极电流IC达到最大值，且不再随基极电流IB的 增大而明显增大。相当于开关闭合。

常见故障现象及诊断方法
诊断方法
测量三极管的耐压值是否降低，观察电路是否有过载现象，若确认 损坏则更换三极管。
故障现象3
三极管漏电流过大。
诊断方法
测量三极管的漏电流是否超过规定值，若过大则检查电路是否存在漏 电现象，并更换三极管。
常见故障现象及诊断方法
故障现象4
三极管热稳定性差。
诊断方法
检查三极管的散热条件是否良好，测量其热稳定性参数是否在规定范围内，若异常则改善散热条件或 更换适合的三极管型号。
组成
输入回路、输出回路、耦合电容、直流电源。
工作原理
共基放大电路的特点是输入回路与输出回路共用一个电极，即基极。输入信号加在三极管的发射极和基极之间， 输出信号从集电极取出。由于共基放大电路的输入阻抗低，输出阻抗高，因此具有电压放大倍数大、频带宽等优 点。
共集放大电路组成及工作原理
组成
输入回路、输出回路、耦合电容、直流电源 。
真加剧。而截止频率则限制了三极管能够放大的信号频率范围。
03
三极管基本放大电路分析
共射放大电路组成及工作原理
组成
输入回路、输出回路、耦合电容、直流电源。
工作原理
利用三极管的电流放大作用，将输入信号放大并输出。输入信号加在三极管的基 极和发射极之间，输出信号从集电极取出，经过耦合电容与负载相连。
共基放大电路组成及工作原理
偏置电路类型及其作用
固定偏置电路
01
提供稳定的基极电流，使三极管工作在放大区。
分压式偏置电路
02
通过电阻分压为基极提供合适的偏置电压，使三极管具有稳定
的静态工作点。
集电极-基极偏置电路
03
利用集电极电阻的压降为基极提供偏置电压，适用于某些特殊

稳定静态工作点的措施
为了稳定放大电路的静态工作点，可以采取以下措施：一是采用合适的偏置电路 ，如固定偏置电路或分压式偏置电路；二是引入负反馈，减小输出信号对输入信 号的影响；三是采用温度补偿措施，减小温度变化对静态工作点的影响。
02
射极输出器
静态分析
直流工作点的确定
射极输出器的直流工作点可以通 过输入信号源和偏置电路来确定 ，以保证晶体管工作在放大区。
特点
场效应管具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、温度稳定性好等优点。同时，由于场效应管是电压控制器件，其控 制信号为电压信号而非电流信号，因此具有较高的输入阻抗和较低的噪声。此外，场效应管还具有热稳定性好、 抗辐射能力强等特点。
场效应管放大电路
要点一
共源放大电路
共源放大电路是场效应管放大电路的 一种基本形式，其特点是输入信号加 在栅源之间，输出信号从漏极取出。 共源放大电路具有电压放大倍数高、 输入阻抗高、输出阻抗低等优点。
工作原理
基本放大电路的工作原理是，当输入信号作用于放大元件时 ，通过控制元件的电流或电压，使得输出信号在幅度上得到 放大。同时，由于负反馈的作用，可以使得输出信号稳定且 波形失真较小。
放大电路的分析方法
静态分析
静态分析是指在没有输入信号的情况下，分析放大电路的直流工作状态。通过 求解电路的静态工作点，可以了解放大电路的偏置情况，为后续的动态分析提 供基础。
互补对称功率放大电路的工作原理
在互补对称功率放大电路中，输入信号同时作用于两个晶体管，使它们交替导通和截止，从而在负载上产生放大了的 输出信号。由于两个晶体管的特性相反，它们的输出波形在时间上互补，因此称为互补对称功率放大电路。
互补对称功率放大电路的优缺点
互补对称功率放大电路具有效率高、失真小、输出功率大等优点。但是，它需要两个特性相反的晶体管， 且对电源电压和负载变化较为敏感，因此设计难度较大。

1.3 双极型三极管(BJT)
又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。 (Bipolar Junction Transistor)
三极管的外形如下图所示。
图 1.3.1 三极管的外形
三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。
1.3.1 三极管的结构
常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类
iC / mA 4饱 3和
区
2
1
ICEO
O2
50 µA
40 µA 放大区
30 µA
20 µA
10 µA
截止区IB = 0
4
6 8 uCE /V
饱和区 输出特性曲线中，
UCE≤UBE的区域，即曲线
的上升段组成的区域称
为饱和区。饱和区的特
点是：发射结和集电结 均为正偏。
工作在此区的三极管相当于一个 闭合的开关，没有电流放大作用。
IB f (UBE ) UCE常数
IC
Rc
mA
输出特性：
IC f (UCE ) IB 常数
VBB
Rb
IB A
输入
b
+
cUCE 输出 e V 回U路CE
VCC
回路
VUBE
图 1.3.6 三极管共射特性曲线测试电路
一、输入特性
IB f (UBE ) UCE 常数
(1) UCE = 0 时的输入特 性曲线
饱3 和 区2
放 大 区
80µA 60 µA 40 µA 20 µA
1. 截止区 IB ≤ 0 的 区域。
IB= 0 时，IC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管
1
IB = 0

特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性 差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是 可取之处。
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荧光灯将电光源带入新天地
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2. 气体放电光源
定义： 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可 得到主要在某一光谱范围的辐射。
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真空光电管
光束
阴极
e
阳极丝（Ni）
抽真空
直流放大
R
- 90V DC +
阴 极 表 面 可 涂 渍 不 同 光 敏 物 质 ： 高 灵 敏 (K,Cs,Sb 其 中 二 者 ) 、 红 光 敏 (Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影 响小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
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照明领域的又一次革命
3. 发光二极管(Light emitting diode)
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31
LED的发展历史
1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成 ，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w.
1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的 发光效率达到1 lm/w, 并且能够发出红光、橙光和 黄光.
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印刷机纸张监控器
印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是 否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷， 待整理好纸张后，再开始工作。
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光控电焊眼罩 汽车车灯全自动控制器
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3.3.3 光电倍增管
Photo-Multiplier tube （PMT） 光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发射 效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换 成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。

2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向
饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应 的Y坐标的数值。如图01.09所示。
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23
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(2)交流参数
①交流电流放大系数
1.共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const
用数字表示同种器件型号的序号
用字母表示器件的种类
用字母表示材料 三极管
第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、
C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、
G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
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表01.01 双极型三极管的参数
参数 型号
PCM
I CM
mW mA
3AX31D 125 125
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2
1.4.1双极型半导体三极管的结构
双极型半导体三极管的结构有两种类型:NPN型和PNP型。
左边区称为发射区，电极称为发射极，用E或e表 示Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或 c表示Collector）。中间部分称为基区，连上电极称 为基极，用B或b表示Base）；
图 01.01 两种极性的双极型三极管
在放大区 值基本不变，可在共射接法输出
特性曲线上，通过垂 直于X 轴的直线求取 IC/IB。或在图01. 08上通过求某一点的
斜率得到。具体方
法如图01.10所示。
图01.10 在输出特性曲线上求β
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2.共基极交流电流放大系数α
α=IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时 ， ≈、 ≈，可以不加区分。

双极型三极管（1.2.4)
三极管的结构与工作原理
一、三极管的结构与类型
半导体三极管又称为晶体管、三极管、双极型晶 体管、BJT 。自由电子和空穴两种载流子参与导 电。 三极管由2个背靠背的PN结组成，分为 NPN型、 PNP型。 三极管又分为硅三极管、锗三极管。
NPN型三极管
基区
发射区
c：Collector 集电极 b：base 基极 e：emitter 发射极
基区
集电区
集电区
发射区
采用平面管制造工艺，在 N＋型 底层上形成两个PN结。
工艺特点：e区掺杂浓度高，b区
薄， c结面积大 。
P+高
N低
不对称PN结
掺杂
区
掺杂 区
箭头表示发射结正偏时 的实际电流方向。
PNP型三极管
在P＋型底层上形成 两个PN结。
发射结正偏（VBE ＜0）时，电流从b 极流出。
NPN
vBE、vCE 为负值
iB、iC的实际流向与 NPN型管相反
➢ NPN型三极管
横坐标为-vBE、-vCE
三、三极管的主要参数
1. 电流放大倍数
➢ 共射极直流电流放大倍数
I C I CEO I C
IB
IB
➢ 共射极交流电流放大倍数 iC iC2 iC1
iB iB2 iB1
β典型值为20～200
数字 电路
发射结反偏，集电结正偏：倒置工作状态 较少应用
条件（放大状态）： 发射结正偏(VBE＞0)，发射区电子大量向基区扩散的必要条件； 集电结反偏(VCB＞0)，由发射区来的电子得以绝大部分到达集电 区的必要条件。
IC I B ICEO
IE (1 )IB ICEO