晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理

1、和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個 性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開。(a)(b)晶體三極管知識晶體三極管作為重要的半導(dǎo)體器件，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理需要掌握。下面具體介紹。三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個反向連結(jié)的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極( emitter, E )、基極(base, B)和集 極(collector, C)，名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關(guān)。圖中也顯示出 npn與pnp三極管的電路符號，射極特別被標(biāo)出，箭號所指的極為n型半導(dǎo)體，pn接面都會形成耗盡區(qū)，將中圖1 pnp(a)與npn(b)三極管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號。三極管的電特

2、性和兩個pn接面的偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來分類，這里我們先討論最常用的所謂 "正向活性區(qū)” (forward active),在此區(qū)EB極間的pn接 面維持在正向偏壓，而 BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管 都以此方式偏壓。圖 2(a)為一 pnp三極管在此偏壓區(qū)的示意圖。EB接面的空乏區(qū)由于在正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會注入到基極，基 極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導(dǎo)通的。圖 2(b)畫的是沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形 下，電洞和電子的電位能的分布圖。三極管和兩個反向相接的

3、pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個接面相當(dāng)接近。以上述之偏壓在正向活性區(qū)之pnp三極管為例，射極的電洞注入基極的 n型中性區(qū)，馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極 方向擴(kuò)散，同時也被電子復(fù)合。當(dāng)沒有被復(fù)合的電洞到達(dá)BC接面的耗盡區(qū)時，會被此區(qū)內(nèi)的電場加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數(shù)載體，很快藉由漂移電流 到達(dá)連結(jié)外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。 IC的大小和BC間反向偏壓的大小關(guān)系不大。基極外部僅需提供與注入電洞復(fù)合部分的電子流IBrec，與由基極注入射極的電子流InB? E (這部分是三極管作用不需要的部分)。InB? E在射極與與電洞復(fù)合，即InB?

4、E=I Ereco pnp三極管在正向活性區(qū)時主要的電流種類可以清楚地 在圖3(a)中看出。耗盡區(qū)+位能 無外加偏壓電洞位能分布電子位能分布仁代.S任正向活動區(qū)T (4 J E B VC、圖2 (a) pnp三極管偏壓在正向活性區(qū)；(b)沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖比較。軸楡空刑浦比豈碾注入時檢険合(b)電洞電位能分布及圖3 (a) pnp三極管在正向活性區(qū)時主要的電流種類; 注入的情形；(c)電子的電位能分布及注入的情形。一般三極管設(shè)計時，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極 的射極主要載體電洞(也就是基極的少數(shù)載體)IpE? B電流會比由

5、基極注入射極的載體電子電流InB? E大很多，三極管的效益比較高。圖3(b)和(c)個別畫出電洞和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時如果基極中性區(qū)的寬度WB愈窄，電洞通過基極的時間愈短，被多數(shù)載體電子復(fù)合的機(jī)率愈低，到達(dá)集電極的有效電 洞流IpE? C愈大，基極必須提供的復(fù)合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。 集電極的摻雜通常最低，如此可增大CB極的崩潰電壓，并減小BC間反向偏壓的pn接面的反向飽和電流，這里我們忽略這個反向飽和電流。由圖4(a),我們可以把各種電流的關(guān)系寫下來：射極電流 Ie=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ I Brec

6、+ InB? E (1a)基極電流IB= InB? E + I Brec= I Erec + I Brec (1b)集電極電流 I C =IpE? C= I E - I Erec - lBrec= I E - I B (1c)式1c也可以寫成I E = I C + I B射極注入基極的電洞流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來控制，和二極體的情形類似，在啟動電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變 化。更精確的說，三極管是利用Veb (或Vbe)的變化來控制IC，而且提供之IB遠(yuǎn)比IC小。npn三極管的操作原理和pnp三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方向均相反，電子和電洞的角色互易。

7、pnp三極管是利用 VEB控制由射極經(jīng)基極、入射到集電極的電洞，而 npn三極管則是利用 Vbe控制由射極經(jīng)基極、入射到集電極 的電子，圖4是二者的比較。經(jīng)過上面討論可以看出，三極管的效益可以由在正向活性區(qū)時，射極電流中 有多少比例可以到達(dá)集電極看出，這個比例習(xí)慣性定義作希臘字母電流方向電流方向(a)(b)圖4 pnp三極管與npn三極管在正向活性區(qū)的比較。而且a 一定小于1。效益高的三極管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射極電流在基極與射極內(nèi)與基極的主要載體復(fù)合，超過99%的射極電流到達(dá)集電極！了解正向活性區(qū)的工作原理后，三極管在其他偏壓方式的工作情形就很容易理 解了。表1列出三極

8、管四種工作方式的名稱及對應(yīng)之BE和BC之pn接面偏壓方式。反向活性區(qū)(reverse active)是將原來之集電極用作射極，原來的射極當(dāng)作集電極， 但由于原來集電極之摻雜濃度較基極低，正向偏壓時由原基極注入到原集電極之載體 遠(yuǎn)較原集電極注入基極的多，效益很差，也就是說和正向活性區(qū)相比，提供相同的 基極電流，能夠開關(guān)控制的集電極電流較少，a較小。在飽和區(qū)(saturation)，兩個接面都是正向偏壓，射極和集電極同時將載體注入基極，基極因此堆積很多少數(shù)載 體，基極復(fù)合電流大增，而且射極和集電極的電流抵銷，被控制的電流量減小。在 截止區(qū)(cut off)，BE和BC接面均不導(dǎo)通，各極間只有很小的

9、反向飽和電流，三 極間可視作開路，也就是開關(guān)在關(guān)的狀態(tài)。名稱正向活性區(qū)反向活性區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)(forward active)(reverse active)(saturati on)(cut off )BE接面正向偏壓反向偏壓正向偏壓反向偏壓BC接面反向偏壓正向偏壓正向偏壓反向偏壓用途線性信號放大器數(shù)字電路開關(guān)電路很少使用數(shù)字電路 開關(guān)電路數(shù)字電路 開關(guān)電路工作模式射極結(jié)面極集結(jié)面飽和正向偏壓正向偏壓線性正向偏壓反向偏壓反向反向偏壓正向偏壓截止反向偏壓反向偏壓表中同時列出了四種工作方式的主要用途。三極管在數(shù)字電路中的用途其實就是開關(guān)，利用電信號使三極管在正向活性區(qū)(或飽和區(qū))與截止區(qū)間切換，就

10、 開關(guān)而言，對應(yīng)開與關(guān)的狀態(tài)，就數(shù)字電路而言則代表0與1 (或1與0)兩個二進(jìn)位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區(qū)，在射極與基極間微小的電信 號(可以是電壓或電流)變化，會造成射極與集電極間電流相對上很大的變化，故 可用作信號放大器。下面在介紹完三極管的電流電壓特性后，會再仔細(xì)討論三極管 的用途。三極管截止與飽合狀態(tài)截止?fàn)顟B(tài)三極管作為開關(guān)使用時，仍是處于下列兩種狀態(tài)下工作。 1截止(cut off)狀態(tài):如圖5所示，當(dāng)三極管之基極不加偏壓或 加上反向偏壓使BE極截止時(BE極之特性和二極管相同，須加 上大于0.7V之正向偏壓時才態(tài)導(dǎo)通)，基極電流IB=0，因為IC=3 IB,所以IC=IE

11、=0，此時CE極之間相當(dāng)于斷路，負(fù)載無電流。a)基極(B)不加偏壓使 基極電流IB等于零(b)基極(B)加上反向偏壓使基極電流IB等于零(c)此時集極(C)與射極(E) 之間形同段路，負(fù)載無 電流通過圖5三極管截止?fàn)顟B(tài)飽合狀態(tài)飽合(saturation)狀態(tài)：如圖6所示，當(dāng)三極管之基極加入駛 大的電流時，因為IC =IE= px IB射極和集極的電流亦非常大，此 時，集極與射極之間的電壓降非常低(VCE為0.4V以下)，其意義相當(dāng)于集極與射極之間完全導(dǎo)通，此一狀態(tài)稱為三極管飽合。圖6 （a）基極加上足夠的順向偏壓使IB足夠大（b）此時C-E極之間視同 導(dǎo)通狀態(tài)晶體管的電路符號和各三個電極的名稱

12、如下基板C 集電根圖7 PNP型三極管E發(fā)射極圖8 NPN型三極管三極管的特性曲線1輸入特性圖2 （b）是三極管的輸入特性曲線，它表示 lb隨Ube的變化關(guān)系，其特點是：1）當(dāng)Uce 在0-2伏范圍內(nèi)，曲線位置和形狀與 Uce有關(guān)，但當(dāng)Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關(guān) 通常輸入特性由兩條曲線（I和H）表示即可。2） 當(dāng)Ubev UbeR時，lbO稱（0UbeR）的區(qū)段為“死區(qū)”當(dāng)Ube> UbeR時，lb隨Ube 增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區(qū)段。3）三極管輸入電阻，定義為：rbe=（ Ube/A Ib）Q點，其估算公式為：rbe=rb+（ 3 +1）（26 毫伏 /Ie

13、 毫伏）rb為三極管的基區(qū)電阻，對低頻小功率管，rb約為300歐。2、輸出特性輸出特性表示Ic隨Uce的變化關(guān)系（以Ib為參數(shù)）從圖9 （C）所示的輸出特性可見，它 分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)當(dāng)Ubev 0時，貝U Ib-0，發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運動，集電集 仍有小量電流通過，即lc=lceo稱為穿透電流，常溫時Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安 至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關(guān)系是：lcbo=（1+ 3 ）lcbo常溫時硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對于鍺管，溫度每升高12C,Icbo數(shù)值增加一倍，而對于硅管溫度每升高8

14、 C,Icbo數(shù)值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的 Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴(yán)重的 管，放大區(qū)，當(dāng)晶體三極管發(fā)射結(jié)處于正偏而集電結(jié)于反偏工作時，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區(qū)是三極管工作在放大狀態(tài)的區(qū)域。飽和區(qū)當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)時，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據(jù)三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。圖9三極管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)(1) 集電極一基極反向飽和電流Icbo，發(fā)射極開路(le=0)時，基極和集電極之間加上規(guī)定 的反向電壓 Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關(guān)，在一定溫度下是個常數(shù)，所以稱

15、為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為110微安，大功率鍺管的Icbo可達(dá)數(shù)毫安培，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。(2) 集電極一發(fā)射極反向電流lceo(穿透電流)基極開路(Ib=0 )時，集電極和發(fā)射極之間 加上規(guī)定反向電壓 Vce時的集電極電流。 Iceo大約是Icbo的B倍即lceo=(1+ 3 )Icbo o Icbo 和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小，性能越穩(wěn)定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。(3) 發(fā)射極-基極反向電流Iebo集電極開路時，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓 時發(fā)射極的電流，它

16、實際上是發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。(4) 直流電流放大系數(shù)3 1 (或hEF)這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：3 仁lc/lb2、交流參數(shù)(1) 交流電流放大系數(shù) 3 (或hfe)這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量Ic與基極輸入電流的變化量Ib之比，即：3 = Ic/ Ib一般電晶體的3大約在10-200之間，如果3太小，電流放大作用差，如果3太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。(2) 共基極交流放大系數(shù)a (或hfb)這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是Ic與發(fā)射極電流的變化量厶le之比，即：a = Ic/ le因為

17、Ic< le,故aV 1。高頻三極管的a >0.90就可以使用a與3之間的關(guān)系：a =3 / ( 1+ 3 )3 = a / ( 1- a) 1/ ( 1-a )(3) 截止頻率f B、f a當(dāng)B下降到低頻時0.707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率f 3 ；當(dāng)a下降到低頻時的 0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率f a 0 f 3、 f a是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關(guān)系為：f 3(1- a ) f a(4) 特征頻率fT因為頻率f上升時，3就下降，當(dāng)3下降到1時，對應(yīng)的fT是全面地反 映電晶體的高頻放大性能的重要參數(shù)。3、極限參數(shù)(1) 集電極最大允許電流 ICM當(dāng)

18、集電極電流Ic增加到某一數(shù)值，引起 3值下降到額定值 的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當(dāng)Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但 3 值顯著下降，影響放大品質(zhì)。(2) 集電極一基極擊穿電壓BVCBO當(dāng)發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO。(3) 發(fā)射極-基極反向擊穿電壓BVEBO當(dāng)集電極開路時，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓稱為 BVEBO。(4) 集電極-發(fā)射極擊穿電壓 BVCEO當(dāng)基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大 允許電壓，使用時如果 Vce > BVceo，管子就會被擊穿。(5) 集電極最大允許耗散功率 PCM集電流過Ic,溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的

19、 變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流 電壓和電流的乘積，即 Pc=Uce x Ic.使用時慶使 Pcv PCM。PCM與散熱條件有關(guān)，增加散熱片可提高PCM。晶體三極管用途晶體三極管的用途主要是交流信號放大，直流信號放大和電路開關(guān)。晶體三極管偏置使用晶體管作放大用途時，必須在它的各電極上加上適當(dāng)極性的電壓，稱為“偏置電壓”簡稱“偏壓”，又“偏置偏流”。電路組成上叫偏置電路。晶體管各電極加上適當(dāng)?shù)钠秒妷褐螅麟姌O上便有電流流動。通過發(fā)射極的電流稱為“射極電流”，用IE表示；通過基極的電流稱為“基極電流” ，用IB表示；通過集電極的電 流稱為“集極電流”，用IC表示。18基極電謊” IC篦極電流“ IE肘極電流圖10晶體管三個電極的電流有一定關(guān)系，公式如下IE = IB + IC晶體三極管的三種放大電路三極管放大電路當(dāng)晶體管被用作放大器使用時，其中兩個電極用作信號(待放大信號)的