三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、2.2.1 2.2.1 三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理分類分類按頻率分有高頻管、低頻管按頻率分有高頻管、低頻管按功率分有小、中、大功率管按功率分有小、中、大功率管按材料分有硅管、鍺管按材料分有硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分有按結(jié)構(gòu)分有NPNNPN型和型和PNPPNP型型國產(chǎn)三極管的命名方式國產(chǎn)三極管的命名方式3 D G 63 D G 6三三極極管管表表示示器器件件材材料料和和極極性性高頻管高頻管設(shè)計序號設(shè)計序號A：PNP鍺材料鍺材料B：NPN鍺材料鍺材料D：NPN硅材料硅材料C：PNP硅材料硅材料三極管的不同封裝形式三極管的不同封裝形式金屬封裝金屬封裝塑料封裝塑料封裝大功率管大功率管中功率管

2、中功率管 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種類型類型:NPN型和型和PNP型。型。兩種類型的三極管兩種類型的三極管發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)(Je) 集電結(jié)集電結(jié)(Jc) 基極基極，用B或b表示（Base） 發(fā)射極發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極集電極，用C或c表示（Collector）。 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)三極管符號三極管符號三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高； 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大； 基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微

3、米，且基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖管芯結(jié)構(gòu)剖面圖三極管的電流分配與放大作用三極管的電流分配與放大作用正常放大時外加偏置電壓的要求正常放大時外加偏置電壓的要求bc結(jié)反偏結(jié)反偏be結(jié)正結(jié)正偏偏問：若為問：若為PNP管，圖中電源極性如何？管，圖中電源極性如何？發(fā)射結(jié)應(yīng)加正向電壓（正向偏置）發(fā)射結(jié)應(yīng)加正向電壓（正向偏置）集電結(jié)應(yīng)加反向電壓（反向偏置）集電結(jié)應(yīng)加反向電壓（反向偏置）三極管內(nèi)載流子的傳輸過程三極管內(nèi)載流子的傳輸過程動畫動畫21三極管內(nèi)載流子的傳輸過程三極管內(nèi)載流子的傳輸過程2.電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合3.集電區(qū)收

4、集擴(kuò)散過來的電子集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子另外另外, ,基區(qū)集電區(qū)本身存在的少子，基區(qū)集電區(qū)本身存在的少子，在集電結(jié)上存在漂移運(yùn)動，由此形成電流在集電結(jié)上存在漂移運(yùn)動，由此形成電流ICBO三極管內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電，故稱此種三極管三極管內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電，故稱此種三極管為雙極型三極管，記為為雙極型三極管，記為BJT1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子I IE E=I=IB BI IC C三極管三個電極間的分配關(guān)系三極管三個電極間的分配關(guān)系I IE E=I=IBNBNI ICNCNI IB B=I=IBNBNI ICBOCBOI IC C=I=ICNCNI ICBOCBO較大的較大的

5、i iE E如如(1mA)VVO O= = iC CR RL L(較大較大)i iC C( (較大較大) )如如(0.98mA)較小較小VVI I如如(20mV)三極管的放大作用三極管的放大作用正向時正向時PN結(jié)電結(jié)電流與電壓成指流與電壓成指數(shù)關(guān)系數(shù)關(guān)系VO iB=IB+iBiC=iE=IC+iCiE=IE+iE+-+_ecbRLVIOVIVAV電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)三極管基區(qū)的三極管基區(qū)的電流傳遞作用電流傳遞作用三極管的放大作用三極管的放大作用, ,主要是主要是依靠它的依靠它的I IE E能通過基區(qū)傳輸能通過基區(qū)傳輸, ,然后順利到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)然后順利到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。故要保證此傳輸?shù)?/p>

6、。故要保證此傳輸, ,一方一方面要滿足內(nèi)部條件面要滿足內(nèi)部條件, ,即即發(fā)射發(fā)射區(qū)摻雜濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)摻區(qū)摻雜濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)摻雜濃度雜濃度, ,基區(qū)要薄基區(qū)要薄; ;另一方面另一方面要滿足外部條件要滿足外部條件, ,即即發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏, ,集電結(jié)要反偏集電結(jié)要反偏。輸入電壓的變化輸入電壓的變化, ,是通過其是通過其改變輸入電流改變輸入電流, ,再通過輸入再通過輸入電流的傳輸去控制輸出電壓電流的傳輸去控制輸出電壓的變化的變化, ,所以是一種所以是一種電流控電流控制器件制器件。兩個要點(diǎn)兩個要點(diǎn)2.2.2 2.2.2 三極管的特性三極管的特性三極管在電路中的連接方式三極管在電路中的連接方式共

7、基極連接共基極連接共集電極連接共集電極連接共發(fā)射極連接共發(fā)射極連接三極管的特性曲線三極管的特性曲線特性曲線是特性曲線是指各電極之指各電極之間的間的電壓與電壓與電流電流之間的之間的關(guān)系曲線關(guān)系曲線概概念念輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線vCE = 0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=const(2) 當(dāng)集電結(jié)進(jìn)入反偏狀態(tài)時，當(dāng)集電結(jié)進(jìn)入反偏狀態(tài)時， vCB= vCE - vBE隨著隨著 vCE的增大而增大，的增大而增大，集電結(jié)的反偏加強(qiáng)。由于基區(qū)的寬度調(diào)制效應(yīng)，基區(qū)變窄，基區(qū)復(fù)合集電結(jié)的反偏加強(qiáng)。由于基區(qū)的寬度調(diào)制效應(yīng)，基

8、區(qū)變窄，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的減少，同樣的vBE下下 IB減小，特性曲線右移。減小，特性曲線右移。vCE = 0VvCE 1V(1) 當(dāng)當(dāng)vCE=0V時，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。時，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1. 輸入特性曲線輸入特性曲線 BJT的特性曲線的特性曲線（以共射極放大電路為例）（以共射極放大電路為例）輸入電流與輸入電壓間的關(guān)系曲線輸入電流與輸入電壓間的關(guān)系曲線當(dāng)當(dāng) vCE1V以后，由于集電結(jié)的反偏電壓可以在單位時以后，由于集電結(jié)的反偏電壓可以在單位時間內(nèi)將所有到達(dá)集電結(jié)邊上的載流子拉到集電極，故間內(nèi)將所有到達(dá)集電結(jié)邊上的載流子拉到集電極，故iC不隨不隨vCE變化，所以同

9、樣的變化，所以同樣的vBE下的下的 iB不變，特性曲線幾不變，特性曲線幾乎重疊。乎重疊。iC=f(vCE) iB=const2. 2. 輸出特性曲線輸出特性曲線 BJT的特性曲線的特性曲線輸出電流與輸出電壓間的關(guān)系曲線輸出電流與輸出電壓間的關(guān)系曲線+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE輸出特性曲線的三個區(qū)域輸出特性曲線的三個區(qū)域:飽和區(qū)：飽和區(qū)： 的區(qū)域，的區(qū)域，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。偏。 iC明顯受明顯受vCE控制控制的區(qū)域，但不隨的區(qū)域，但不隨iB的增的增加而增大。在飽和區(qū)，加而增大。在飽和區(qū)，可近似認(rèn)為可近似認(rèn)為 vCE保持不保持不變。對于小功

10、率硅管，變。對于小功率硅管，一般一般vCES0.2V。CEBEvvCEBEV=V放大區(qū)：放大區(qū)：此時，發(fā)射結(jié)正此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。偏，集電結(jié)反偏。iC不隨不隨vCE變化，但隨變化，但隨iB的增大而的增大而線性增大，且線性增大，且CBii截止區(qū)：截止區(qū)：iB=0的輸出曲線以的輸出曲線以下的區(qū)域。此時，下的區(qū)域。此時， 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏。和集電結(jié)均反偏。iC只有很只有很小的反向電流。小的反向電流。CBCEBEvvv如何判斷三極管的電極、管型和材料如何判斷三極管的電極、管型和材料 發(fā)射結(jié)處于正向偏置，且對于硅管發(fā)射結(jié)處于正向偏置，且對于硅管| |VBE| |=0.7V，鍺管，鍺管

11、| |VBE| |=0.2V；集電結(jié)處于反向偏置，且集電結(jié)處于反向偏置，且|VCB|1V；NPN管集電極電位比發(fā)射極電位高，管集電極電位比發(fā)射極電位高，PNP管集電極電位比發(fā)射極電位低。管集電極電位比發(fā)射極電位低。當(dāng)三極管在電路中處于放大狀態(tài)時當(dāng)三極管在電路中處于放大狀態(tài)時例例題題一個一個BJTBJT在電路中處于在電路中處于正常放大正常放大狀態(tài)，測得狀態(tài)，測得A A、B B和和C C三個管腳對地的直三個管腳對地的直流電位分別為流電位分別為6V6V，0.6V0.6V，1.3V1.3V。試判別三個管腳。試判別三個管腳的極名、是硅管還是鍺的極名、是硅管還是鍺管？管？NPNNPN型還是型還是PNPPN

12、P型？型？1.3 ,0.6CBVV VV1.3 0.60.7CBVVVA集電極集電極6,ABCVV V V管子為管子為NPN管管C基極，基極，B發(fā)射極發(fā)射極另一例題參見另一例題參見P30 2.2.2-12.2.3 2.2.3 三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是三極管的參數(shù)是用來表征管子性用來表征管子性能優(yōu)劣適應(yīng)范圍能優(yōu)劣適應(yīng)范圍的，是選管的依的，是選管的依據(jù)，共有以下三據(jù)，共有以下三大類參數(shù)。大類參數(shù)。電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)極間反向電流極間反向電流極限參數(shù)極限參數(shù)電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù) = IC/ IB vCE=const =IC / IB |

13、vCE =const直流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù) 共共射射電電流流放放大大系系數(shù)數(shù)+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù) =i iC C/i iE E=I=IC C/I/IE E共共基基電電流流放放大大系系數(shù)數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)與與間的關(guān)系間的關(guān)系 (2) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO 極間反向電流極間反向電流ICEO (1) 集電極基極間反向飽和電流集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向飽和電流。路時，

14、集電結(jié)的反向飽和電流。 即輸出特性曲即輸出特性曲線線IB=0那條曲線所那條曲線所對應(yīng)的對應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。坐標(biāo)的數(shù)值。 ICEO也稱為集電極也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。發(fā)射極間穿透電流。+bce-uAIe=0VCCICBO+bce-VCCICEOuA極極限限參參數(shù)數(shù)集電極最大允許電流集電極最大允許電流I ICM集電極最大允許功率損耗集電極最大允許功率損耗P PCM 三極管正常工作時集電極所三極管正常工作時集電極所允許的最大工作電流允許的最大工作電流P PCM值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度愈高，則愈高，則P PCM值愈小。當(dāng)超過值愈小。當(dāng)超過此值時，管子性能將變壞或燒此值時，管子

15、性能將變壞或燒毀。毀。反向擊穿電壓反向擊穿電壓V(BR)EBO：集電極開路時集電極開路時發(fā)射極發(fā)射極- -基基極間的反向擊穿電壓。極間的反向擊穿電壓。V(BR)CBO：發(fā)射極開路時集電極發(fā)射極開路時集電極- -基基極間的反向擊穿電壓。極間的反向擊穿電壓。V(BR)CEO：基極開路時集電極基極開路時集電極- -發(fā)射發(fā)射極間的反向擊穿電壓極間的反向擊穿電壓安全工作區(qū)安全工作區(qū)由由I ICMCM、V V(BR)CEO(BR)CEO、及、及P PCMCM三個極限參數(shù)三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)圖?？僧嫵鋈龢O管的安全工作區(qū)圖。2.2.4 2.2.4 三極管的模型三極管的模型三極管的簡化直流模型三

16、極管的簡化直流模型截止模型截止模型飽和模型飽和模型放大模型放大模型建立小信號模型的意義建立小信號模型的意義建立小信號模型的思路建立小信號模型的思路 當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。電路來處理。 由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號模型，就是將非線性器件的分析非常困難。建立小信號

17、模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計。做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計。三極管的小信號模型三極管的小信號模型三極管的小信號模型三極管的小信號模型H參參數(shù)數(shù)的的引引出出將共射連接三將共射連接三極管看成一雙極管看成一雙端口網(wǎng)絡(luò)端口網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口的輸入輸出端口的函數(shù)表達(dá)式函數(shù)表達(dá)式ebc對輸入輸出端口的兩對輸入輸出端口的兩函數(shù)表達(dá)式求微分函數(shù)表達(dá)式求微分BEdvBEBCEBVvdiiBECEBCEIvdvvCdi CBCEBVidiiCCEBCEIidvv用相關(guān)符號取代上式用相關(guān)符號取代上式中的微分量后得中的微分量后得beie brecevh ih vcfe

18、boeceih ih v微分量用交流量微分量用交流量取代，偏微分量取代，偏微分量用用H參數(shù)取代參數(shù)取代H參參數(shù)數(shù)物物理理含含義義輸出端交流短路時的輸出端交流短路時的輸入電阻輸入電阻，即，即 rbe。 輸入端交流開路時的輸入端交流開路時的反向反向電壓傳輸系數(shù)，電壓傳輸系數(shù)，即即 r輸出端交流短路時的輸出端交流短路時的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，即，即 。輸入端交流開路時的輸入端交流開路時的輸出電導(dǎo)輸出電導(dǎo)，即，即1 / rce。根據(jù)根據(jù)可得小信號模型可得小信號模型BJT的的H參數(shù)模型參數(shù)模型vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevcevBEvCEiBcebiCBJTBJT

19、雙口網(wǎng)絡(luò)雙口網(wǎng)絡(luò)H參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路H參數(shù)等效電路中需注意的幾點(diǎn)參數(shù)等效電路中需注意的幾點(diǎn)h h參數(shù)小信號模型是用于交流分析參數(shù)小信號模型是用于交流分析的，不能用于直流分析。的，不能用于直流分析。h h參數(shù)是在某個靜態(tài)工作點(diǎn)測得的，其數(shù)值參數(shù)是在某個靜態(tài)工作點(diǎn)測得的，其數(shù)值與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。h h參數(shù)中的電流源和電壓源都是受控源，參數(shù)中的電流源和電壓源都是受控源，其方向不能隨意假定。其方向不能隨意假定。hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即即 rbe= hie = hfe ur = hre rce= 1/hoe一般采用習(xí)慣符號一般采用習(xí)慣符號則則BJT的的H參數(shù)模型為參數(shù)模型為 ur很小，一般為很小，一般為10-3 10-4 ， rce很大，很大，約為約為100k 。故一故一般可忽略它們的影響，得到般可忽略它們的影響，得到簡化電路簡化電路 ib 是受控源是受控源 ，且為電流，且為電流控制電流源控制電流源(CCCS)。 電流方向與電流方向與ib的方向是關(guān)聯(lián)的方向是關(guān)聯(lián)的。的。 H參