1、第8章 半导体三极管及放大电路,8.1 半导体三极管8.2 场效应管8.3 基本放大电路的组成及性能指标8.4 基本放大电路的工作原理及分析方法8.5 放大电路静态工作点的稳定8.6 共集电极放大电路,8.7 场效应管放大电路8.8 多级放大电路实验六 常用电子元器件的识别实验七 晶体管单管放大电路本章小结,本章内容提要 重点： （1）三极管的结构及电流放大原理； （2）结型场效应管的结构及工作原理； （3）基本放大电路的组成及分析方法； （4）射极输出器的分析。 难点： （1）微变等效电路法的思想及应用； （2）分压式工作点稳定电路的稳定原理； （3）多级放大电路的直接耦合及零漂现象的产生。
2、,8.1 半导体三极管半导体三极管又称为晶体三极管、双极型晶体管，简称三极管或晶体管（Transistor）。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本元件。三极管一般用字母T表示。8.1.1 三极管的结构、外形及型号1三极管的结构在一块极薄的硅基片或锗基片上制作两个PN结，并从P区和N区引出接线，再封装在管壳里，如图2.19所示的结构，就构成了三极管。三极管有三个区、三个电极和两个PN结：中间层称为基区，外面两层分别称为发射区和集电区；从三个区各引一个电极出来，分别称为基极b（base）、发射极e（emitter）和集电极c（collector）；基区与集电区之间的PN结称为集电结，基区与
3、发射区之间的PN结称为发射结。三极管有两种类型：NPN型和PNP型。在电路中分别用两种不同的符号表示，如图8.1（a）和（b）所示。两种符号的区别在于发射极箭头的方向不同，它表示发射结加上正向电压时，发射极电流的实际方向。,三极管的内部结构在制造工艺上的特点如下：（1）发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；（2）基区很薄，一般为1m至几m；（3）集电结面积大于发射结面积。,三极管按材料不同分为硅管和锗管。目前我国制造的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。不论是硅管还是锗管，NPN管还是PNP管，它们的基本工作原理是相同的。2三极管的封装和外形功率大小不同的世界观有着不同的体积和封装形式。图8
4、.2所示为常见的国产三极管的封装和外形。从图中可以看出绝大多数大、中、小型晶体三极管采用金属封装，3DG13A、3DG46、等超小型三极管采用陶瓷环氧封装，近年来越来越多的管型，如图8.2中 3DG57B、CD568等采用硅酮塑封，大功率晶体三极管，如图8.2中3DD6、3DA5、3AD11等的集电极制成螺栓形，以便于和散热器组成一体。,3三极管的型号国产三极管的型号由五个部分组成，见表2.2。例如：3DG6是NPN硅高频小功率三极管；3DG12C是另一种NPN硅高频小功率三极管中的C挡；3AD30是PNP锗低频大功率三极管。 表8.1的第二栏、第三栏是三极管的常用类型。,8.1.2 三极管的
5、电流放大原理下面以NPN型三极管为例，来讨论三极管的电流放大作用。三极管要实现电流放大，除要满足内部结构特点外，还应满足外部偏置条件，即发射结正偏，集电结反偏，如图8.3（a）所示。电源VBB约几伏，VCC约几十伏，且RBRC。,1. 三极管内部载流子的运动三极管的电流放大作用是通过载流子的运动体现出来的，其内部载流子的运动有三个过程：（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流 从图8.3（b）可以看出，发射结施加正向电压且掺杂浓度高，所以发射区的多子自由电子越过发射结扩散到基区，发射区的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流IE。同时基区的多数载流子空穴也会扩散到发射区，成为IE的
6、一部分。但由于基区很薄且掺杂浓度较低，故这部分由基区空穴形成的电流可以忽略不计。（2）自由电子在基区和空穴复合，形成基区电流，并继续向集电区扩散 自由电子在基区扩散过程中，其一小部分和基区的多数载流子空穴复合，基区中的空穴由直流电源补充，从而形成基极电流IB，大部分自由电子则继续向集电区扩散。（3）集电区收集自由电子，形成集电极电流由于集电结加反向电压且结面积较大，所以将基区扩散过来的自由电子吸引到集电区，形成集电极电流IC。另外，基区的少子自由电子和集电区的少子空穴在集电结反向电压作用下会进行漂移运动，成为集电极电流IC的一部分。这部分电流称为反向饱和电流ICBO，ICBO是由少子形成的，因
7、此其值受温度影响很大，我们希望ICBO越小越好，越小表明管子的温度稳定性越好。通常，ICBO数值很小，可以忽略不计，但由于它受温度影响大，将影响管子的性能。,由以上分析可知，三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管。2. 三极管各电极电流之间的关系在图8.3所示电路中，IB所在回路称为输入回路，IC所在回路称为输出回路，而发射极是两个回路的公共端，因此，该电路称为共发射极放大电路，简称共射电路。此外还有共基极电路，简称共基电路，以及共集电极电路，简称共集电路。图8.3所示电路中，电流IE主要是由发射区扩散到基区的电子产生；IB主要是由发射区扩散过来的电子在基区与空穴复合而产生；IC主
8、要是由发射区注入基区的电子漂移到集电区而形成的。当管子制成以后，复合和漂移所占的比例就确定了，也就是说IC与IB的比值是确定的，这个比值就称为共发射极直流电流放大系数，即,(8-1),由于IB远小于IC，因此 1，一般NPN型三极管的 为几十倍至一百多倍。实际电路中，三极管主要用于放大动态信号。当输入回路加上动态信号后，将引起发射结电压的变化，从而使发射极电流、基极电流变化，集电极电流也将随之变化。集电极电流的变化量IC与基极电流变化量IB的比值称为共发射极交流电流放大系数，即 上式表明三极管具有将基极电流变化量IB放大倍的能力，这就是三极管的电流放大作用。因为在近似分析中可以认为=，故在实际
9、应用中不再加以区分。 发射区发射的自由电子包括基区被复合的部分和被集电区收集的部分，因此三个电极的电流具有如下关系：IE = IB + IC (8-3) 上式符合基尔霍夫电流定律（KCL）。,(8-2),8.1.3 三极管的共射特性曲线 三极管的共射特性曲线是指三极管在共射接法下各电极电压与电流之间的关系曲线，分为输入特性曲线和输出特性曲线。本节主要介绍NPN型三极管的共射特性曲线。1. 输入特性曲线输入特性是指当UCE一定时，IB与UBE之间的关系曲线，即IB = f（UBE）UCE = 常数， 如图8.4所示。从图中可知，输入特性曲线和二极管正向特性曲线相似。当UCE增大时，输入特性曲线右
10、移，但当UCE 2V后曲线重合。2. 输出特性输出特性是指当IB一定时， IC与UCE之间的关系曲线，即IC = f（UCE）IB =常数。由于三极管的基极输入电流IB对输出电流IC的控制作用，因此不同的IB，将有不同的IC-UCE关系，由此可得图8.5所示的一簇曲线，这就是三极管的输出特性曲线。,从输出特性曲线可以看出，三极管有三个不同的工作区域，截止区、放大区和饱和区，它们分别表示三极管的三种工作状态，即截止、放大和饱和状态。三极管工作在不同状态，特点也各不相同。（1）截止区指曲线上IB0的区域，此时，集电结和发射结均反偏，三极管为截止状态，IC很小，集电极与发射极之间相当于断开的开关。,
11、（2）放大区指曲线上IB0和UCE1V之间的部分，此时三极管的发射结正偏、集电结反偏，三极管处于放大状态。对于NPN型三极管来说，UBE0，UBC0，即各电极电位为VCVBVE；对于PNP型三极管来说，UBE0，UBC0，各电极电位为VCVBVE。在放大区时，可以看出IB不变时IC也基本不变，即具有恒流特性；而当IB变化时，IC也随之变化，且满足IC =IB，这就是三极管的电流放大作用。（3）饱和区指曲线上UCE UBE的区域，此时IC与IB无对应关系，IC IB。集电结和发射结均正偏，三极管处于饱和状态。一般称UCE = UBE时三极管的工作状态为临界饱和状态。饱和时的UCE称为饱和管压降，
12、记作UCES，一般小功率硅三极管的UCES0.4 V，c-e间相当于闭合的开关。三极管的放大区可以近似看成线性工作取区，饱和区和截止区是非线性工作区。模拟电路主要讨论各种放大电路，因此三极管工作在放大区；数字电路讨论输出变量与输入变量的逻辑关系，需要三极管充当开关使用，因此三极管工作在饱和区和截止区。,8.1.4 三极管的主要参数1. 电流放大系数 三极管的电流放大系数是表征管子放大作用大小的参数。综合前面的讨论，有以下几个参数：共射交流电流放大系数和共射直流电流放大系数。 2. 极间反向饱和电流（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO：ICBO是指发射极e开路时集电极c和基极b之间的反向电流。
13、一般小功率锗管的ICBO约为几微安几十微安；硅三极管的ICBO要小得多，有的可以达到纳安数量级。（2）集电极-发射极间的穿透电流ICEO：ICEO是指基极b开路时集电极c和发射e间加上一定电压时所产生的集电极电流。ICEO=（1+）ICBO。 因为ICBO和ICEO都是少数载流子运动形成的，所以对温度非常敏感。ICBO和ICEO愈小，表明三极管的质量愈高。3. 极限参数三极管的极限参数是指使用时不得超过的限度。主要有以下几项：（1）集电极最大允许电流ICM当集电极电流过大，超过一定值时，三极管的 值就要减小，且三极管有损坏的危险，该电流值即为ICM。,（2）集电极最大允许功耗PCM三极管的功率
14、损耗大部分消耗在反向偏置的集电结上，并表现为结温升高，PCM是在管子温升允许的条件下集电极所消耗的最大功率。超过此值，管子将被烧毁。（3）反向击穿电压三极管的两个结上所加反向电压超过一定值时都将被击穿，因此，必须了解三极管的反向击穿电压。极间反向击穿电压主要有以下几项： U（BR）CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。 U（BR）CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。 三极管正常工作时，其安全工作范围如图2.24所示。,8.1.5 PNP型三极管PNP型三极管的工作原理与NPN型近似，两者的区别是三个电极电流的实际方向正好相反：对于PNP型三极管，电流从发射极流
15、入，从基极和集电极流出。外加电源的极性和NPN电路也相反，如图8.7所示。在PNP型三极管构成的放大电路中，发射极电位最高，基极次之，集电极最低。其他分析和NPN型三极管构成的放大电路相仿。,8.2 场效应管场效应管（简称FET，Field Effect Transistor）是另一类晶体管，它也有三个电极，叫栅极（G）、源极（S）和漏极（D），分别对应于三极管的基极、发射极和集电极。场效应管工作时，参与导电的是单一极性的载流子，所以它是单极型晶体管。场效应管分为两大类：一类是结型场效应管JFET（Junction FET），另一类是绝缘栅型场效应管IGFET（Insutated Gate F
16、ET）。而按导电沟道分，每一类场效应管都有P沟道和N沟道两种。绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体构成，一般称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管，目前在大规模和超大规模集成电路中使用非常广泛。绝缘栅型场效应管可分为增强型和耗尽型两类，两者的区别是前者没有原始的导电沟道，后者有原始的导电沟道。下面主要以N沟道增强型MOS管为例，介绍场效应管的基本结构和工作原理。,8.2.1 结型场效应管1结 构在N型半导体两边用扩散法或其他工艺形成两个高浓度的P型区（用P+）表示，将这两个P+区各引出一个电极并连在一起称为栅极G，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极S和
17、漏极D，如图8-8（a）所示，这样就制成了N沟道JFET。两个P+区与N型半导体之间形成了两个PN结，PN结中间的N型区域称为导电沟道。用同样方法可制成P沟道的JFET。 N沟道和P沟道JFET的电路符号分别如图8-8（b）和（c）所示。其中箭头表示栅结（PN结）的方向，从P指向N，因而可根据箭头方向识别管子属于N沟道管还是P沟道管。,2. 工作原理改变JFET栅极和源极之间的电压uGS，即可改变导电沟道的宽度，从而改变通过漏极和源极的电流iD的大小。JFET工作时常接成如图8-9所示的共源接法，以源极为公共端。,图中VDD为正电源，保证D、S间电压足够大，而VGG应为负电源。当VGG = 0
18、时，uGS = 0，漏极与源极之间存在导电沟道，因而存在漏极电流iD。当VGG逐渐增大时，uGS逐渐变负，由于两个PN结均反向偏置，耗尽层均变宽而向导电沟道内扩展，使导电沟道变窄，沟道电阻增大，因而电流iD减小；当VGG的数值继续增大到某一个值时，两个PN结的耗尽层将彼此相遇，使导电沟道被夹断，iD = 0，此时的栅-源电压称为夹断电压UP。可见，作为输出的漏极电流ID是受输入电压UGS的控制，因此，场效应管是一种电压控制型元件。,由于栅极为两个反向偏置的PN结，栅极几乎没有电流，因此JFET的输入电阻很高，可达106109。若uGS0，则两个PN结处于正向偏置，将有较大的栅极电流，JFET将
19、失去输入阻抗很高的特点。另外，当uGS一定（即VGG不变），且|uGS|UP|时，漏-源电压uDS对iD也有一定的控制作用。图8-9中由于电源VDD与VGG串联，因而在漏极附近的PN结上反向电压（约为VDD+|VGG|）比源极附近（约为|VGG|）要高，所以在漏极附近的耗尽层最宽，导电沟道自上而下逐渐变宽，如图中所示。当uDS从零开始增加时，iD随之增加；但当uDS增加到一定程度时，即uDS -|uGS|= |UP|时，耗尽层将互相靠拢，并且使漏极附近最先靠拢，导电沟道极窄。此时即使uDS再增大，也无法使iD继续增大，iD趋于恒定。在使用中结型管的漏极D和源极S可以互换。,3. 特性曲线场效应
20、管的伏安特性曲线有两种，一种是与三极管的输入特性曲线相对应的，叫转移特性曲线；另一种是与三极管的输出特性曲线相对应的叫漏极特性曲线，也称输出特性曲线。（1）转移特性 转移特性是指当uDS一定时，iD与uGS之间的关系曲线。它反映栅-源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，表示了JFET是一种电压控制电流的器件。在图8-10（a）所示的N沟道JFET的转移特性中，uGS0，表明正常工作时栅-源电压不能为正；当UPuGS0时，电流iD随| uGS|减小而增大，当| uGS|= 0时的iD称为饱和漏极电流，记作IDSS。近似计算时，可用如下公式表示iD与uGS之间的关系：,(8-5),（2）漏极特性漏
21、极特性是指当uGS一定时，iD与uDS之间的关系曲线。图8-10（b）所示为N沟道JFET的漏极特性曲线，与三极管的输出特性类似，也可分为三个工作区：可变电阻区：图中虚线uDS - |uGS|= - UP（称为预夹断轨迹）左边部分即为可变电阻区。其特点是：iD随uDS增大而线性增加，曲线的斜率表现为漏-源间的等效电阻rDS。对应不同的uGS，曲线斜率将不同，也就是说该区是一个由uGS控制的可变电阻区。恒流区（也称饱和区）：图中虚线右边曲线近似水平的部分为恒流区。其特点是：iD不随uDS而改变，表现出恒流特性，因而称为恒流区。JFET用于放大时应工作在该区域，此时iD几乎仅仅决定于uGS。夹断区
22、：图中靠近横轴的部分称为夹断区，此时uGSUP，导电沟道被夹断，iD= 0，此时JFET的三个电极均相当于开路。,8.2.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体构成，一般称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管，目前在大规模和超大规模集成电路中使用非常广泛。绝缘栅型场效应管也分为N沟道型和P沟道型，每种沟道型又有增强型和耗尽型之分。下面以N沟道型MOS管为例，介绍场效应管的基本结构和工作原理。1N沟道增强型MOS管（1）结构图8-11（a）所示为N沟道增强型MOS管的结构图。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其上扩散出两个高掺杂的N型区（
23、称为N+区），然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层。从两个N+区表面及它们之间的二氧化硅表面分别引出三个铝电极：源极S、漏极D和栅极G。因为栅极是和衬底完全绝缘的，所以称作绝缘栅型场效应管。衬底B也有引极，通常在管子内部和源极相连。图8-11（b）为N沟道增强型MOS管的电路符号。,（2）工作原理增强型MOS管的两个N+区和P型衬底形成两个背靠背的PN结，不加栅-源电压时，源-漏两极之间没有原始的导电沟道。当栅极和源极之间施加正向电压UGS时，将产生一个作用于衬底的电场，在该电场的作用下，可将P型衬底中的少数载流子自由电子吸引到绝缘层下方，感生出一个N型电荷层（称为反型层），如图8-1
24、2所示，该电路是共源接法。当电压UGS超过一定值时，这个N型电荷层将会将两个N+区联结起来，从而在漏-源两极之间形成一个导电沟道。刚开始产生导电沟道的栅-源电压UGS称为开启电压UT。由于该导电沟道是由自由电子构成的，所以称为N沟道。,当漏-源两极间加上电压UDS时，自由电子定向运动，就会形成漏极电流ID，如图8-12所示。当UDS一定时，改变UGS的大小，可以改变导电沟道的宽度，从而改变漏极电流ID的大小。另外，当加上电压UDS时，沿沟道有一个电位梯度，靠近漏极处电位最高，该处栅-漏电压（UGD = UGS - UDS）最小，因此感生出的导电沟道最窄，而靠近源极处电位最低，该处栅-源电压最大
25、，因此感生出的导电沟道最宽，所以实际的导电沟道呈契形，如图8-12所示。图8-13所示为N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线，读者可参照N沟道结型场效应管的特性曲线自行分析。,衡量栅-源电压UGS对漏极电流ID的控制作用的参数称作低频跨导，用gm表示。定义为：当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，即若ID的单位为毫安（mA），UGS的单位为伏（V），则gm的单位为毫西门子（mS）。2. N沟道耗尽型MOS管耗尽型MOS管和增强型MOS管的区别是：前者具有原始的导电沟道，而后者没有原始的导电沟道。如果在MOS的制作过程中，在二氧化硅里掺入大量的正离子，那么即使栅-源电压UGS = 0，在这些正
26、离子的作用下，也能在P型衬底中感生出原始的导电沟道，将两个高浓度的N+区相连。这就是N沟道耗尽型MOS管。,(8-6),N沟道耗尽型MOS管在使用中，栅-源电压UGS可正可负。UGS0时，工作过程与增强型MOS管相仿，UGS增大，导电沟道变宽，使ID增大；UGS0时，其产生的电场将削弱正离子的作用，使导电沟道变窄，从而使ID减小。当负的UGS大到一定程度时，将使导电沟道消失，ID = 0，此时的UGS就是夹断电压，用UP表示。各种MOS管的电路符号如图8-14所示。,8.2.3 场效应管和三极管比较（1）三极管是两种载流子（多子和少子）参与导电，故称双极型晶体管。而场效应管是由一种载流子（多子
27、）参与导电，N沟道管是电子，P沟道管是空穴，故称单极型晶体管。所以场效应管的温度稳定性好，因此，若使用条件恶劣，宜选用场效应管。（2）三极管的集电极电流IC受基极电流IB的控制，若工作在放大区可视为电流控制的电流源（CCCS）。场效应管的漏极电流ID受栅源电压UGS的控制，是电压控制元件。若工作在放大区可视为电压控制的电流源（VCCS）。（3）三极管的输入电阻低（102104），而场效应管的输入电阻可高达1061015。（4）三极管的制造工艺较复杂，场效应管的制造工艺较简单，因而成本低，适用于大规模和超大规模集成电路中。 有些场效应管的漏极和源极可以互换使用，而三极管正常工作时集电极和发射极不
28、能互换使用，这是基于结构和工作原理所致。 场效应管产生的电噪声比三极管小，所以低噪声放大器的前级常选用场效应管。（5）三极管分NPN型和PNP型两种，有硅管和锗管之分。场效应管分结型和绝缘栅型两大类，每类场效应管又可分为N沟道和P沟道两种，都是由硅片制成。,8.3 基本放大电路的组成及性能指标在电子设备中，经常要把微弱的电信号放大，以便推动执行元件工作。例如，在测量或自动控制的过程中，常常需要检测和控制一些与设备运行有关的非电量，如温度、湿度、流量、转速、声、光、力和机械位移等，虽然这些非电量的变化可以用传感器转换成相应的电信号，但这样获得的电信号一般都比较微弱，必须经过放大电路放大以后，才能驱动继电器、控制电机、显示仪表或其他执行机构动作，以达到测量或控制的目的。所以说，放大电路是自动控制、检测装置、通讯设备、计算机以及扩音机、电视机等电子设备中最基本的组成部分。 放大电路又叫放大器。基本放大电路，是指由一只放大管构成的简单放大电路，又称为单管放大电路，它是构成多级放大电路的基础。本章首先分析基本放大电路有关问题。,8.3.1 基本放大电路的组成图8-15所示是单管共射基本放大电路的结构图，图（a）是完整画法，图（b）是简化画法。输入端接交流信号源ui，输出端接负载RL，输出电压为uo。单管共射放大电路是最常用的基本放大电路。,
