雙極型半導(dǎo)體三極管.ppt

2.1.1 雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu) 2.1.2 雙極型半導(dǎo)體三極管電流的分配 與控制 2.1.3 雙極型半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系 2.1.4 雙極型半導(dǎo)體三極管的特性曲線 2.1.5 半導(dǎo)體三極管的參數(shù) 2.1.6 半導(dǎo)體三極管的型號(hào),2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管,半導(dǎo)體三極管有兩大類型， 一是雙極型半導(dǎo)體三極管 二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管,2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管,2.2 場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管,02 半導(dǎo)體三極管,雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載 流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩 個(gè) PN 結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。,場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種 載流子參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。,2.1.1雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu),雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示。 它有兩種類型:NPN型和PNP型。 圖 02.01 兩種極性的雙極型三極管,e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je),c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc),中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極， 用B或b表示（Base）；,一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極， 用E或e表示（Emitter）；,另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極， 用C或c表示（Collector）。,雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。 從外表上看兩個(gè)N區(qū),(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。,2.1.2 雙極型半導(dǎo)體三極管的 電流分配與控制,雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。,現(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來(lái)說(shuō)明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系， 見圖02.02。,動(dòng)畫2-1,發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成的電流為IEN。與PN結(jié)中的情況相同。 從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。,進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成的電流是 IBN。,另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式:,IE= IEN+ IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN,IC=ICN+ ICBO,IB=IEP+ IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB,以上關(guān)系在圖02.02的動(dòng)畫中都給予了演示。由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒(méi)有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個(gè)實(shí)例。,問(wèn)題1：除了從三極管的電流分配關(guān)系可以 證明 IE=IC+IB 。還可以通過(guò)什么方 法加以說(shuō)明？,問(wèn)題2：為什么當(dāng)溫度升高時(shí)，三極管將失 去放大作用？從物理概念上加以說(shuō) 明。,2.1.2 雙極型半導(dǎo)體三極管的 電流分配與控制,改進(jìn)的電子教案,2.1 雙極型半導(dǎo)體三極管的工作原理,半導(dǎo)體三極管在英文中稱為晶體管(Transister)，半導(dǎo)體三極管有兩大類型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管(BJT)， 二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管(FET)。,雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè) PN 結(jié)組合而成，是一種電流控制電流源器件（CCCS）。,場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種電壓控制電流源器件（VCCS）。,2.1.1 雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu),NPN型,PNP型,這是基極b,這是發(fā)射極e,這是集電極c,這是發(fā)射結(jié)Je,這是集電結(jié)Jc,三極管的符號(hào)短粗線代表基極,發(fā)射極的箭頭方向,代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。,2.1.2 雙極型半導(dǎo)體三極管的電流分配關(guān)系,雙極型三極管在制造時(shí)，要求發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，基區(qū)摻雜濃度低并要制造得很薄，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積較大。從結(jié)構(gòu)上看雙極型三極管是對(duì)稱的，但發(fā)射極和集電極不能互換。,雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓?，F(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來(lái)說(shuō)明三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，見下圖。,IEN,ICN,IEP,ICEO,IE,IC,IB,IBN,注意圖中畫的是載流子的運(yùn)動(dòng)方向，空穴流與電流方向相同；電子流與電流方向相反。為此可確定三個(gè)電極的電流,IE=IEN + IEP 且IEN IEP,IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN,IB= IEP + IBN - ICBO,由此可寫出三極管三個(gè)電極的電流,發(fā)射極電流：IE= IEN IEP 且有IENIEP 集電極電流：IC=ICN+ ICBO ICN=IEN- IBN 且有IEN IBN ， ICNIBN 基極電流： IB=IEP+ IBNICBO 所以，發(fā)射極電流又可以寫成 IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB,從以上分析可知，對(duì)于NPN型三極管，集電極電流和基極電流是流入三極管，發(fā)射極電流是流出三極管，流進(jìn)的電流等于流出的電流。由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)摻雜濃度低且很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。,若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒(méi)有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個(gè)實(shí)例。,動(dòng)畫2-1,2.1.3 雙極型半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系,2.1.3.1 三種組態(tài),雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入, 兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，如共發(fā)射極接法，也稱共發(fā)射極組態(tài)，簡(jiǎn)稱共射組態(tài)，見下圖。,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示； 共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示； 共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。,2.1.3.2 三極管的電流放大系數(shù),1.共基極直流電流放大系數(shù),電流放大系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)是指輸出電流與輸入電流的比。由于組態(tài)不同，三極管的輸入電極和輸出電極不同，所以對(duì)共基組態(tài)，輸出電流是集電極電流IC，輸入電流是發(fā)射極電流IE，二電流之比的關(guān)系可定義為：,稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒(méi)有IEP和IBN，所以 的值小于1， 但接近1。由此可得：,IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO,2.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù),對(duì)共射組態(tài)的電流放大系數(shù)，輸出電流是集電極電流IC，輸入電流是基極電流IB，二電流之比可定義：,稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是,因 1, 所以 1 。,2.1.3雙極型半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系,(1)三種組態(tài) 雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入, 兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見圖02.03。,共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;,共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；,圖 02.03 三極管的三種組態(tài),(2)三極管的電流放大系數(shù),對(duì)于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來(lái)說(shuō)明，定義:,稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒(méi)有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:,IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO,因 1, 所以 1,定義: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB 稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是,2.1.4 雙極型半導(dǎo)體三極管的特性曲線,這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。 iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E 兩電極取出。,輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE=const 輸出特性曲線 iC=f(vCE) iB=const,本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即,共發(fā)射極接法的供電電路和電壓-電流關(guān)系如圖02.04所示。,圖02.04 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系,簡(jiǎn)單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和vBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。 為了排除vCE的影響，在討論輸入特性曲線時(shí)，應(yīng)使vCE=const(常數(shù))。,(1) 輸入特性曲線,vCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部反饋?zhàn)饔媒忉?，即vCE對(duì)iB的影響 。,共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖02.05。其 中vCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。 當(dāng)vCE1V時(shí)， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反 偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB 增大，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但vCE再增 加時(shí)，曲線右移很不明 顯。曲線的右移是三極 管內(nèi)部反饋所致，右移 不明顯說(shuō)明內(nèi)部反饋很 小。輸入特性曲線的分 區(qū)：死區(qū) 非線性區(qū) 線性區(qū) 圖02.05 共射接法輸入特性曲線,(2)輸出特性曲線,共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖02.06所示，它是以 iB為參變量的一族特性曲線。現(xiàn)以其中任何一條加以說(shuō)明， 當(dāng)vCE=0 V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，iC=0。當(dāng)vCE稍增大時(shí)， 發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓 之下，但集電結(jié)反偏電 壓很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V 集電區(qū)收集電子的能力 很弱，iC主要由vCE決定。 圖02.06 共發(fā)射極接法輸出特性曲線,當(dāng)vCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，如 vCE 1 V vBE 0.7 V 運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子 基本上都可以被集電 區(qū)收集，此后vCE再增 加，電流也沒(méi)有明顯 的增加，特性曲線進(jìn) 入與vCE軸基本平行的 區(qū)域 (這與輸入特性曲 線隨vCE增大而右移的 圖02.06 共發(fā)射極接法輸出特性曲線 原因是一致的) 。（動(dòng)畫2-2）,輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:,飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的 數(shù)值較小，一般vCE0.7 V(硅管)。此時(shí) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域， 曲線基本平行等距。 此時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于 0.7 V左右(硅管) 。,2.1.5 半導(dǎo)體三極管的參數(shù),半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類: 直流參數(shù) 交流參數(shù) 極限參數(shù),(1)直流參數(shù) 直流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性 曲線上，通過(guò)垂直于X軸的直線(vCE=const)來(lái)求 取IC / IB ，如圖02.07所示。在IC較小時(shí)和IC較大 時(shí)， 會(huì)有所減小，這一關(guān)系見圖02.08。,圖02.08 值與IC的關(guān)系,圖 02.07 在輸出特性曲線上決定,2.共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE 顯然 與 之間有如下關(guān)系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ ,極間反向電流 1.集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是 Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開路。它相當(dāng)于 集電結(jié)的反向飽和電流。,2.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO和ICBO有如下關(guān)系 ICEO=（1+ ）ICBO 相當(dāng)基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向 飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng) 的Y坐標(biāo)的數(shù)值。如圖02.09所示。,圖02.09 ICEO在輸出特性曲線上的位置,(2)交流參數(shù) 交流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const,在放大區(qū) 值基本不變，可在共射接法輸出 特性曲線上，通過(guò)垂 直于X 軸的直線求取 IC/IB?；蛟趫D02. 08上通過(guò)求某一點(diǎn)的 斜率得到。具體方 法如圖02.10所示。,圖02.10 在輸出特性曲線上求,2.共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const 當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，、，可以不加區(qū)分。,特征頻率fT 三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與 工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，三極管的將會(huì)下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。,(3)極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM,如圖02.08所示，當(dāng)集電極電流增加時(shí)， 就 要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的7030 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電 流ICM。至于值下降多少，不同型號(hào)的三極管， 不同的廠家的規(guī)定有 所差別?？梢?，當(dāng) ICICM時(shí)，并不表 示三極管會(huì)損壞。 圖02.08 值與IC的關(guān)系,集電極最大允許功率損耗PCM,集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBICV