晶体管原理(3-1)
功率场效应晶体管(MOSFET)原理3
功率场效应晶体管(MOSFET)原理功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VV MOSFET和双扩散VD MOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。
U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
{{分页}}1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
3晶体三极管
2.三极管内部载流子的运动规律
集电结反偏， 集电结反偏， 有少子形成的反 向电流ICBO。 基区空穴 向发射区的 扩散形成电流 IEP可忽略。 可忽略。 进入P 进入P 区的电 子少部分与基区 的空穴复合， 的空穴复合，形 成电流IBN ，多 数作为非平衡少 子扩散到集电结 B RB IB IBN E IE IC ICBO C ICN
v
v
i
i
输出特性曲线各区的特点： 输出特性曲线各区的特点：
（1）饱和区 a.发射结正偏，集电结正偏或反 发射结正偏， 发射结正偏 偏电压很小。 偏电压很小。 UCE≤UBE b. iC明显受uCE控制, 明显受 控制 iC＜βiB
1
4 3
i
C/
mA
iB =
µ 100 A 80 60
饱和区
随着VCE的变化而迅速变化。 的变化而迅速变化。 随着
∆iC
∆iB
β=
放大区 截止区
∆iC ∆iB
U CE =常量
β是常数吗？什么是理想三极管？什么情况下 β = β ? 是常数吗？什么是理想三极管？ 是常数吗
2. 输出特性
iC = f (uCE ) I
数 B =常
对应于一个I 就有一条i 变化的曲线。 对应于一个 B就有一条 C随uCE变化的曲线。 输出特性曲线特点： 输出特性曲线特点： a. 各条特性曲线形状相同 b. 每条输出特性起始部分很陡 V时 uCE=0 V时，因集电极无收 b （集电结反压增加， 当集电结反压增加， 吸引电子能力增强,ic增大 增大） 吸引电子能力增强 增大） 集作用， =0。 集作用，iC=0。 c．每条输出特性当超过某一数 u c ．CE ↑ → Ic ↑ 。 值时（ ），变得平坦 值时（约1V），变得平坦 ）， d. 曲线比较平坦的部分， 曲线比较平坦的部分， 的增加而略向上倾斜。 随vCE的增加而略向上倾斜。 d每条输出特性当超过某一数值时（约1V），变得平坦 每条输出特性当超过某一数值时（ 1V），变得平坦 ）， 这是基区宽变效应） （这是基区宽变效应） • CB ↑→ 基区宽带变窄 → B 1V后 当uCE ＞CE后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子 1V ↑→ 收集电子的能力足够强。这时， 变小 • 都被集电极收集， 再增加， 基本保持不变。 都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。 iC •→ β = iB ↑→ iB 若不变则 C ↑
电工电子技术基础知识点详解3-1-晶体管的微变等效电路
微变等效电路法： 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数 Au、
输入电阻 ri、输出电阻 ro等。
1. 晶体管的微变等效电路 晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。
(1) 输入回路
es
--
ic C
ib
rbe
RC
E
微变等效电路
Ii B Ib
Ic C
+
RS
βIb
E S-+
U i -
RB rbe
RC
E
+ RL uO
-
+ RL UO
-
小结
1. 晶体管的微变等效电路
2. 放大电路的微变等效电路 Nhomakorabearbe
RC
E
+ RL UO
-
ii B ib
+
R+S eS-
ui -
RB
ic C
+
RC RL uO -
E
交流通路
微变等效电路
将交流通路中的晶体管 用晶体管微变等效电路代替 即可得放大电路的微变等效 电路。
分析时假设输入为正弦 交流，所以等效电路中的电 压与电流可用相量表示。
ii B ib
+ RS
+ ui RB
IB
当信号很小时，在静态工作点附近的 输入特性在小范围内可近似线性化。
Q IB
UBE
O
UBE
输入特性
晶体管的 输入电阻
rbe
U BE IB
U CE
ube ib
3-1 MOS场效应管(北邮)
流向D漏区，形成电流 iD 。
vDS>0使栅、漏极间电压vGD=( vGS-vDS )＜vGS，使得导电沟道靠近漏极D
一侧吸引的电子少于源极S一侧。使导电沟道呈楔型状。
在导电沟道处于贯通的情况下，漏极电流 iD 与漏源电压vDS 呈二次函数关系。
夹断点向S源区方向移动。沟道长度有所缩短，源S、漏D间的耗尽区有所增长。
在vDS的作用下，自由电子由源区沿沟道向漏区方向运动，到达耗尽层夹断区， 被耗尽层内电场作用继续向漏区方向漂移，形成漏极电流iD 。
预夹断后再增加vDS ，vDS主要降在夹断沟道的、呈高电阻的耗尽层部分， 在剩余的沟道部分上的电场强度增加不多，因而，当vDS增大时， 电流 iD 基本不变，略有增加。此状态对应输出特性曲线的饱和区。
vGS=定值(较小)
vDS
vDS
vGS
iD
S N＋
G
D
N＋
P型衬底
12
(2) 可变电阻区
iD
可
（近似线形区）、(三极管区)
变 电
阻
导电沟道形成、楔形、预夹断前。 区
饱和区
vGS=定值
(较大) 击 穿 区
vGS＞Vth , vGD＞Vth , vDS＜vGS-Vth
0
iD
=
kp 2
W L
[2(vGS
源极S 栅极G
漏极 D
铝
SiO2绝缘层
t 厚度 ox
耗尽层
N+
L
P 型衬底
衬底
N+
沟 W宽道 度
B 衬底极
沟道 长度
第三章双极型晶体管
ICn
电子电流 电子流
上式等号右边第一项称为
发射效率，是入射空穴电
流与总发射极电流的比，
即：
I E•
I Ep IE
I Ep I Ep＋I En
第二项称为基区输运系数，
是到达集电极的空穴电流量
与由发射极入射的空穴电流
量的比，即
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
发射区 (P )
}I EP
I En
基区 (n) I BB
(d)n-p-n双级型集体管的电路符号
图 4.2
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
-B-
VCB
(a)理想一维p-n-p双级型集体管
IE E
+
+ VEC - IC - C
VEB
VBC
- + IB
B
(b)p-n-p双级型集体管的电路符号
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
I En I BB
I B I E IC I En (I EpICp ) ICn
晶体管中有一项重要的参数
，称为共基电流增益，定义
为
0
I Cp IE
IB
空穴电流 和空穴流
图4.5
因此，得到
＝
0
I
I Cp Ep＋I
En
＝
I Ep I Ep＋I En
I Cp I Ep
}
集电区(P)
3t1c像素驱动电路侦测补偿原理
3t1c像素驱动电路侦测补偿原理
3T1C（Three transistor-one capacitor）像素驱动电路是一种常见的动态驱动电路，常用于液晶显示器的像素驱动。
在3T1C像素驱动电路中，每个像素点包含3个晶体管（T1、T2和T3）和一个电容器（C）。
T1和T2分别作为开关管控制像素的放电和充电，T3用于控制每个像素点的输出。
当电压应用在T1上时，T1打开并给像素点充电，此时C开始储存电荷。
当T1关闭并将电压应用在T2上时，T2打开，C 开始释放储存的电荷，使得像素点的电压下降。
根据C中储存的电荷量的不同，像素点的电压变化也会不同。
为了确保每个像素驱动电路输出的电压准确可靠，需要进行电路的侦测和补偿。
侦测和补偿的原理主要包括以下几个步骤：
1. 侦测：通过特定的电路，对每个像素电路的电荷储存和释放过程进行检测。
通过测量电容器C中的电压变化，可以获得像素驱动电路的输出电压情况。
2. 比较：将每个像素驱动电路的输出电压与期望的电压进行比较，判断是否存在电压偏差。
如果存在电压偏差，需要进行补偿操作。
3. 补偿：根据比较的结果，通过调整某些参数或电路元件的电压，对像素驱动电路进行调整，以使输出电压恢复到期望的水平。
常见的补偿方法包括电流源校准、电容器校准等。
通过侦测和补偿原理，可以实现像素驱动电路的准确驱动，提高液晶显示器的显示效果和稳定性。
贝尔实验室晶体管 原理
贝尔实验室晶体管原理
贝尔实验室晶体管的原理主要是通过控制材料内的电子流，实现对电路的放大和控制。
1947年12月23日，威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿在美国贝尔实验室发现了一种新型半导体器件——晶体管。
他们在实验室中使用了一个硅片和几根金属线制作出了世界上第一个晶体管。
晶体管的基本原理是“放大”，即用小电流去控制大电流。
此外，贝尔实验室在20世纪50年代还推动了数字交换机、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等重大发明，这些都体现了晶体管在电子技术中的重要作用和其背后的物理原理。
第3章习题解答
第3章习题解答习题来源：严国萍，龙占超，通信电子线路，科学出版社，2006年第一版，2009年第五次印刷，P89～P913-1. 解答晶体管低频放大器主要采用混合参数（H参数）等效模型分析方法；而晶体管高频小信号放大器主要采用形式等效电路（Y参数）以及物理模拟等效电路（混合π参数）分析方法。
分析方法的不同，本质原因在于晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。
高频小信号放大器不能用特性曲线来分析，这是因为特性曲线是晶体管低频运用时的工作曲线，是不随工作频率变化的；但晶体管在高频运用时，其结电容不可忽略，从而使得晶体管的特性随频率变化而变化。
因此在分析高频小信号时，不可用特性曲线来分析。
3-2. 解答r bb’含义：从晶体管内部结构可知，从基极外部引线b到内部扩散区中某一抽象点b’之间，是一段较长而又薄的N型（或P型）半导体，因掺入杂质很少，因而电导率不高，所以存在一定体积电阻，故在b-b’之间，用集总电阻r bb’表示。
r b’c含义：晶体管内部扩散区某一抽象点b’到集电极c之间的集电结电阻。
r bb’的影响：r bb’的存在，使得输入交流信号产生损失，所以r bb’的值应尽量减小，一般r bb’为15～50Ω。
r b’c的影响：因为集电结为反偏，所以r b’c较大，r b’c一般为10k～10MΩ，特别是硅管，r b’c很大，和放大器负载相比，它的作用往往可以忽略。
3-3. 解答g m是晶体管的跨导，反映晶体管的放大能力，即输入对输出的控制能力。
它和晶体管集电极静态电流（I E ）大小有关。
3-4. 解答因为高频小信号放大器的负载是一个谐振回路，如果阻抗不匹配，会使输出信号幅度减小，而且会失真，为此，必须考虑阻抗匹配的问题。
3-5. 解答小信号放大器主要质量指标有：增益，通频带，选择性，工作稳定性，噪声系数这5个指标。
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3.1.3 少子浓度分布与能带图
均匀基区晶体管在 4 种工作状态下的少子分布图 放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
均匀基区 NPN 晶体管在平衡状态下的能带图
N
P
N
EC EF EV
均匀基区 NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图
放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
3.1.4 晶体管的放大作用
J dp N区
J dn
Jr
xp
V
0
xn
以 PNP 管为例。忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态 的晶体管内部的各电流成分如下图所示，
I E I pE I nE , I B I nE I nr , I C I pC I pE I pr I E I nE I nr
加在各 PN 结上的电压为 PNP 管， VEB VE VB , VCB VC VB NPN 管， VBE VB VE , VBC VB VC 根据两个结上电压的正负，晶体管有 4 种工作状态， E结 C结 ＋ － ＋ ＋ － － － ＋ 工 作 状 态 放大状态，用于模拟电路 饱和状态，用于数字电路 截止状态，用于数字电路 倒向放大状态
由此发明的双极结型晶体管获得了诺贝尔物理奖。
美国贝尔实验室发明的世界上第一支锗点接触式双极型晶
体管。随后出现了结型双极型晶体管。
双极结型晶体管 ( Bipolar Junction Transistor) 简称为双极 型晶体管，或晶体管。
3.1.1 双极结型晶体管的结构
双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型，其结构 示意图和在电路图中的符号如下。 E C E C
晶体管放大电路有两种基本类型：共基极接法 与 共发射极
接法 。
IC IE P E NE N NB IB B B E P IC C NC P NC B IB N NB P NE IE E C
为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中的
正向电流。 P区
J
J dp J dn J r
第 3 章 双极结型晶体管
3.1 双极结型晶体管基础
PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大；反向电 流的来源是少子，所以反向电流很小。如果给反偏 PN 结提供大
量少子，就能使反向电流提高。给反偏 PN 结提供少子的方法之
一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来 不及复合就被反偏 PN 结收集而形成很大的反向电流。反向电流 的大小取决于正偏 PN 结偏压的大小。通过改变正偏 PN 结的偏 压来控制其附近反偏 PN 结的电流的方法称为 双极晶体管效应，
定义：发射结正偏，集电结反偏时的 IC 与 IB 之比，称为
共发射极静态电流放大系数，记为 hFE ，即：
IC hFE IB
VEB 0,VCB 0
α 与 hFB以及 β 与 hFE 在数值上几乎没有什么区别，但是若 采用 α 与 β 的定义，则无论对 α 与 β 本身的推导还是对晶体管 直流电流电压方程的推导，都要更方便一些，所以本书只讨论
α与β。
根据晶体管端电流之间的关系：IB = IE - I C ，及 α 与 β 的
定义，可得 α 与 β 之间的关系为
IC IC IE IB IE IC IE 1
1
对于一般的晶体管，α = 0.950 ~ 0.995 ，β = 20 ~ 200 。
P
N B
P
N B
P
N
E B
C
E B
C
均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区主要
作扩散运动，又称为 扩散晶体管。
缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区
主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。
N+ P N
0
NE(x) NB(x) NC
xje
xjc
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
除了上面两种直流电流放大系数外，还有 直流小信号电流
放大系数（也称为 增量电流放大系数）和 高频小信号电流放大
系数。直流小信号电流放大系数的定义是
dI C 0 dI E
VEB 0,VCB 0
dI C 0 dI B
VEB 0,VCB 0
定义：发射结正偏，集电结反偏时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极静态电流放大系数，记为 hFB ，即：
IC hFB IE
VEB 0,VCB 0
定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IB 之比，称为
共发射极直流短路电
VEB 0,VCB 0
从 IE 到 IC ，发生了两部分亏损：InE 与 Inr 。
要减小 InE ，就应使 NE >> NB ；
要减小 Inr ，就应使 WB << LB 。
定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极直流短路电流放大系数，记为 ，即：
IC IE
VEB 0,VCB 0