模拟电子线路第2章教案

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

授课课题：2.1晶体三极管

教学时间：

教学时数：4学时

教学目的与要求：

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。

教学重点与难点：

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

教学方法：讲授法

教学过程：

Ⅰ复习旧课

1．滤波电路的作用是使脉动的直流电压变换为较平滑的直流电压。常见的滤波器有电容滤波器、电感滤波器和复式滤波器。

2．稳压电路的作用是保持输出电压的稳定，不受电网电压和负载变化的影响。最简单的稳压电路是带有稳压管的稳压电路。

3．讲评作业。

Ⅱ新课内容

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。

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。

图2.1.1 三极管外形

3．三极管的结构：如图2.1.2所示。 晶体三极管有三个区――发射区、基区、集电区；

两个PN 结――发射结(BE 结)、集电结(BC 结)；

三个电极――发射极e (E )、基极b (B )和集电极c (C )；

两种类型――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

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》P 249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，G C 为集电极电源，G B 为基极电源，又称偏置电源，R b 为基极电阻，R c 为集电极电阻。

图2.1.2 三极管的结构图

图2.1.3 三极管符号

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。

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

如表

由表2.1.1可见，三极管中电流分配关系如下：

B C E I I I += (2.1.1) 因I B 很小，则

I C ≈ I E (2.1.2) 说明：

1．0E =I 时，I C = - I B = I CBO 。

I CBO 称为集电极――基极反向饱和电流，见图2.1.7(a )。一般I CBO 很小，与温度有关。

2．0B =I 时，CEO E C I I I ==。

I CEO 称为集电极――发射极反向电流，又叫穿透电流，见图2.1.7(b )。

I CEO 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 由表2.1.1得出

58m A

01.0m A

58.0B C ==??I I

图2.1.7 I CBO 和I CEO 示意图

结论：

1．三极管有电流放大作用――基极电流微小的变化，引起集电极电流I C 较大变化。 2．交流电流放大系数 β――表示三极管放大交流电流的能力

B

C I I

??=β (2.1.3)

3．直流电流放大系数β――表示三极管放大直流电流的能力 B

C

I I =

β (2.1.4) 4．通常，ββ≈，所以B C I I β=可表示为

B C I I β= (2.1.5) 考虑I CEO ，则

CEO B C I I I +=β (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 输入特性曲线：集射极之间的电压V CE 一定时，发射结电压V BE 与基极电流I B 之间的关系曲线，如图2.1.9所示。由图可见：

1．当V CE ≥ 2 V 时，特性曲线基本重合。 2．当V BE 很小时，I B 等于零，三极管处于截止状态；

3．当V BE 大于门槛电压(硅管约0.5 V ，锗管约0.2 V )时，I B 逐渐增大，三极管开始导通。

4．三极管导通后，V BE 基本不变。硅管约为0.7 V ，锗管约为0.3 V ，称为三极管的导通电压。

5．V BE 与I B 成非线性关系。

二、晶体三极管的输出特性曲线

输出特性曲线：基极电流B I 一定时，集、射极之间的电压CE V 与集电极电流C I 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：CEO C B 0I I I ==，。 2．饱和区

条件：发射结和集电结均为正偏。 特点：CES CE V V =。 CES V 称为饱和管压降，小功率硅管约0.3 V ，锗

图2.1.9 共发射极输入特性曲线

图2.1.10 三极管的输出特性曲线

管约为0.1 V 。

3．放大区

条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点：C I 受B I 控制，即B C I I ?=?β。

在放大状态，当I B 一定时，I C 不随V CE 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β。 2．交流放大系数β。

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I CBO 。 2．集电极――发射极反向饱和电流I CEO 。

CBO CEO )1(I I β+= (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I CM

三极管工作时，当集电极电流超过I CM 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P CM

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 ~ 0.7 V 时，为硅管；当V = 0.1 ~ 0.3V 时，为锗管。

图2.1.11 判别硅管和锗管的测试电路 图2.1.12 估测 β 的电路

二、估计比较 β 的大小

NPN 管估测电路如图2.1.12所示。

万用表设置在Ω?k 1R 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 β 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I CEO

NPN 管估测电路如图2.1.13所示。所测阻值越大，说明管子的CEO I 越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为零，三极管短路。

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R ? 1 k Ω 或R ? 100 Ω 挡，用黑表笔和任一管脚相接(假设它是基极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 β 值的方法判断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。

Ⅲ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B C E I I I +=，在放大状态时B C I I β=；β 值表示电流放大能力的大小；I CBO 、I CEO 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。

Ⅳ布置作业

2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10 授课课题：2.2 场效应管

图2.1.13 CEO I 的估测

图2.1.14 基极b 的判断

教学时间：

教学时数：2学时

教学目的与要求：

1．了解MOS管的工作原理、特性曲线和主要参数。

教学重点与难点：

1．MOS管的工作原理和特性曲线。

教学方法：讲授法

教学过程：

Ⅰ复习旧课

1．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．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。

Ⅱ新课内容

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。

图2.2.1 .N沟道结型场效应管图2.2.2 P沟道结型场效应管

二、工作原理

以N沟道结型场效应管为例，原理电路如图2.2.3所示。工作原理如下：0

DS

>

G；0

GS

<

G。在漏源电压DS

V不变条件下，改

变栅源电压

GS

V，通过PN结的变化，控制沟道宽窄，即

沟道电阻的大小，从而控制漏极电流

D

I。

结论：

1．结型场效应管是一个电压控制电流的电压控制

型器件。

2．输入电阻很大。一般可达107 ~ 108 Ω。

三、结型场效应管的特性曲线和跨导

1．转移特性曲线

反映栅源电压

GS

V对漏极电流D I的控制作用。如图

2.2.5所示，若漏源电压一定：

当栅源电压0

GS

=

V时，漏极电流DSS

D

I

I=，DSS

I称为饱和漏极电流；

当栅源电压

GS

V向负值方向变化时，漏极电流D I逐渐减小；

当栅源电压

P

GS

V

V=时，漏极电流0

D

=

I，P V称为夹断电压。

图2.2.5 结型场效应管的转移特性曲线图2.2.6 结型场效应管的输出特性曲线2．输出特性曲线

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2.2.6所示。

(1) 可调电阻区(图中Ⅰ区)

GS

V不变时，D I随DS

V作线性变化，漏源间呈现电阻性；

栅源电压

GS

V越负，输出特性越陡，漏源间的电阻越大。

图2.2.3 N沟道结型场效应管

的工作原理

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Ⅱ区)

DS V 一定时，GS V 的少量变化引起D I 较大变化，即D I 受GS V 控制。

当GS V 不变时，D I 不随DS V 变化，基本上维持恒定值，即D I 对DS V 呈饱和状态。 结论：在Ⅱ区中，场效应管具有线性放大作用。 (3) 击穿区(图中Ⅲ区)

当DS V 增至一定数值后，D I 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(g m )

反映在线性放大区GS V ?对D I ?的控制能力。单位是 μA/V 。

GS

D

m V I g ??= (2.2.1)

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

N 沟道增强型绝缘栅场效应管的结构及符号如图2.2.7所示。

图2.2.7 N 沟道增强型绝缘栅场效应管 图2.2.8 N 沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理 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0GS =V ，在漏、源极间加一正向电压DS V 时，漏源极之间的电流0D =I 。 (2) 当0GS >V ，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DS V 时，将产生电流I D 。

开启电压T V ：增强型MOS 管开始形成反型层的栅源电压。 (3) 在0DS >V 时

若T GS V V <，反型层消失，无导电沟道，0D =I ；

若T GS V V >，出现反型层即导电沟道，D 、S 之间有电流D I 流过；

若GS V 逐渐增大，导电沟道变宽，D I 也随之逐渐增大，即GS V 控制D I 的变化。

2．N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管

D GS D

夹断电压

P

V：使0

D

=

I时的栅源电压GS

V。

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0

GS

=

V时，0

D

=

I；当T

GS

V

V>时，0

D

>

I。

耗尽型：当0

GS

=

V时，0

D

≠

I；当GS

V为负电压时D I减小；当P

GS

V

V=时，0

D

=

I。

图2.2.10 N沟道MOS管转移特性曲线图2.2.11 N沟道MOS管输出特性

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(Ⅱ区)

和击穿区(β区)。其含义与结型管输出特性曲线

三个区相同。

3．跨导

GS

D

m V

I

g

?

?

=

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V T

在

DS

V为定值的条件下，增强型场效应管开始导通(D I达到某一定值，如10 μA)时，

图2.2.9 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管

图2.2.12 MOS管的图形符号

所需加的GS V 值。

(2) 夹断电压V P

在DS V 为定值的条件下，耗尽型场效应管D I 减小到近于零时的GS V 值。 (3) 饱和漏极电流DSS I

耗尽型场效应管工作在饱和区且0GS =V 时，所对应的漏极电流。 (4) 直流输入电阻GS R

栅源电压GS V 与对应的栅极电流G I 之比。 场效应管输入电阻很高，结型管一般在107 Ω 以上；绝缘栅管则更高，一般在109 Ω 以上。

3． 交流参数 (1) 跨导m g

DS V 一定时，漏极电流变化量D I ?和引起这个变化的栅源电压变化量GS V ?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C GS 、C GD 、C DS 。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DM P D I 与DS V 的乘积不应超过的极限值。 (2) 漏极击穿电压(BR)DS V

漏极电流D I 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

Ⅲ小结

1．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。

Ⅳ布置作业

2-11、2-12、2-13、2-14、2-15、2-16

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B C E I I I +=，在放大状态时B C I I β=；β 值表示电流放大能力的大小；I CBO 、I CEO 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。