三極管的結構及工作原理

1、主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 第二章：三極管及其基本放大電路第二章：三極管及其基本放大電路 半導體三極管是最重要的半導體器件，是電子電路中的核心器件，被廣泛應用到了各種電子線路中，是電子線路的靈魂。 本章主要介紹雙極性三極管的特點、基本放大電路、本章主要介紹雙極性三極管的特點、基本放大電路、多級放大電路。多級放大電路。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 2.1 雙極型半導體三極管雙極型半導體三極管 三極管是組成各種電子電路的核心器件。通過一定的制造工藝，將兩三極管是組成各種電子電路的核心器件。通過一定的制造工藝，將兩個個PN結結合在一起，是三極管具

2、有放大作用。三極管的產生使結結合在一起，是三極管具有放大作用。三極管的產生使PN結的結的應用發(fā)生了質的飛躍。應用發(fā)生了質的飛躍。2.1.1 雙極型三極管的基本結構類型和符號雙極型晶體管分有雙極型晶體管分有NPN型和型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結和三個向外引出的電極：結和三個向外引出的電極：發(fā)射極發(fā)射極e發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)集電極集電極c基極基極b主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 根據制造工藝和材料的不同，三極

3、管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導電，即為單極型。NPN型三極管圖符號型三極管圖符號大功率低頻三極管大功率低頻三極管小功率高頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管中功率低頻三極管PNP型三極管圖符號型三極管圖符號圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 2.1.2 雙極型三極管的電流分配關系及放大作用晶體管實現電流放大作用的(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，且摻雜濃度極

4、低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間。 可見，雙極型三極管并非是兩個PN 結的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 晶體管實現電流放大作用的UBBRB(1)發(fā)射結必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴散，擴散電流即發(fā)射極電流ie，擴散電子的少數與基區(qū)空穴復合，形成基極電流ib，多數繼續(xù)向集電結邊緣擴散。UCCRC(2)集電結必須“反向偏置”，以利于收集擴散到集電結邊緣的多數擴散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。I

5、EICIB 整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數等于基區(qū)復合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數之和，即： 主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 由于發(fā)射結處正偏，發(fā)射區(qū)的多數載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū)，并不斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流I IE E。 由于基區(qū)很薄，且多數載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復合形成基極電流I IB B，剩下的絕大部分電子則都擴散到了集電結邊緣。 集電結由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流I IC

6、C。只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內部條件內部條件，再加上晶體管的發(fā)射結正偏、集電結反偏的外部條件外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠大于IB，IC與IB的比值在一定范圍內基本保持不變。特別是基極電流有微小的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40A增加到50A時，IC將從3.2mA增大到4mA，即：8010)4050(10)2 . 34(63BCII 顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的值稱為三極管的電流放大

7、倍數。不同型號、不同類型和用途的三極管，值的差異較大，大多數三極管的值通常在幾十至幾百的范圍。 由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 2.1.3 雙極型三極管的特性曲線 所謂伏安特性曲線是指各極電壓與電流之間的關系曲線，是三極管內部載流子運動的外部表現。從工程應用角度來看，外部特性更為重要。(1) 輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說明（ UCE為常數時，為常數時，IB和和UBE之間的關系）之間的關系）UCE=0VUBE /VIB / A0UCE =0VUBBUCCRC+RB令令UB

8、B從從0開始增加開始增加IBIE=IBUBE令令UCC為為0UCE=0時的輸時的輸入特性曲線入特性曲線UCE為為0時時主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 UCE =0.5VUCE=0VUBE /VIB / A0UBBUCCRC+RB令令UBB重重新從新從0開開始增加始增加IBICUBE增大增大UCC讓讓UCE=0.5VUCE =1VUCE=0.5VUCE=0.5V的的特性曲線特性曲線繼續(xù)增繼續(xù)增大大UCC讓讓UCE=1V令令UBB重重新從新從0開開始增加始增加UCE=1VUCE=1V的的特性曲線特性曲線 繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結果發(fā)現：之后的所有輸入特性

9、幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。 實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。UCE1V的的特性曲線特性曲線主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 (2) 輸出特性曲線先把先把IB調到調到某一固定值某一固定值保持不變。保持不變。 當IB不變時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關系曲線稱為輸出特性。然后調節(jié)然后調節(jié)UCC使使UCE從從0增增大，觀察毫安表中大，觀察毫安表中IC的變的變化并記錄下來?；⒂涗浵聛怼CEUBBUCCRCRBICI

10、BUBEmA AIE 根據記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。IBUCE / VIC /mA0主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再調節(jié)再調節(jié)IB1至至另一稍小的另一稍小的固定值上保固定值上保持不變。持不變。仍然調節(jié)仍然調節(jié)UCC使使UCE從從0增增大，繼續(xù)觀察毫安表中大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。的變化并記錄下來。UCE 根據電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0 如此不斷重

11、復上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對應相應IC、UCE數值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開始部分很輸出曲線開始部分很陡，說明陡，說明IC隨隨UCE的增的增加而急劇增大。加而急劇增大。當當UCE增至一定數值時增至一定數值時(一般小于一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基基本上不再隨本上不再隨UCE而變化。而變化。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 當IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數大致一定。當UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC 。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有

12、恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3 當IB增大時，相應IC也增大，輸出特性曲線上移， 且IC增大的幅度比對應IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數。IB=40 A取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；再讀出這兩條曲線對應的集電極電流之差IC=1.3mA；IC于是我們可得到三極管的電流放大倍數：主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3輸出特

13、性曲線上一般可分為三個區(qū)：飽和區(qū)飽和區(qū)。當。當發(fā)射結和發(fā)射結和集電結均為正向偏置集電結均為正向偏置時，三極管處于飽和時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電狀態(tài)。此時集電極電流流IC與基極電流與基極電流IB之之間不再成比例關系，間不再成比例關系，IB的變化對的變化對IC的影響的影響很小。很小。截止區(qū)截止區(qū)。當基極電。當基極電流流IB等于等于0時，晶體時，晶體管處于截止狀態(tài)。管處于截止狀態(tài)。實際上當發(fā)射結電實際上當發(fā)射結電壓處在正向死區(qū)范壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已圍時，晶體管就已經截止，為讓其可經截止，為讓其可靠截止，常使靠截止，常使UBE小于和等于零。小于和等于零。 晶體管工作在放大狀態(tài)時，

14、發(fā)射結正偏，集電結反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成倍的數量關系，即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用。此時UCE小于UBE,規(guī)定： UCE=UBE時，為臨近飽和狀態(tài)，用UCES（0.3或0.1）表示，此時集電極臨近飽和電流是 /CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI臨近飽和基極電流 管子深度飽和時，硅管的VCE約為0.3V，鍺管約為0.1V,由于深度飽和時VCE約等于0，晶體管在電路中猶如一個閉合的開關。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE /CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI臨近飽和基極電流 管子處

15、于飽和狀態(tài)管子處于放大狀態(tài)，CSCCSCIiIi主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 例1: 用直流電壓表測得放大電路中晶體管T1各電極的對地電位分別為V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V，如圖（a）所示, T2管各電極電位V1 = +0V，V2= -0.3V，V3= -5V，如圖（b）所示，試判斷T1和T2各是何類型、何材料的管子，x、y、z各是何電極？ 2 3 21T131T1 (a) (b)解解： 工作在放大區(qū)的工作在放大區(qū)的NPN型晶體管應滿足型晶體管應滿足VCVB VE ，PNP型晶體管應滿足型晶體管應滿足VCVBV3 V2,，所以，所以1為集電極，

16、為集電極，2為發(fā)射極，為發(fā)射極，3為基極，滿為基極，滿足足VCVB VE,的關系，管子為的關系，管子為NPN型。型。（2）在圖（）在圖（b）中，）中，1與與2的電壓為的電壓為0.3V，可確定為鍺管，又，可確定為鍺管，又因因V3V2 V1,，所以，所以3為集電極，為集電極，1為發(fā)射極，為發(fā)射極，2為基極，滿足為基極，滿足VCVBICM時，晶體管不一定燒時，晶體管不一定燒損，但損，但值明顯下降。值明顯下降。集電極最大允許功耗PCMCMP晶體管上的功晶體管上的功耗超過耗超過PCM，管，管子將損壞。子將損壞。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 3.極間電流指基極開路時，指基極開路時

17、，電流。該值越小越好。電流。該值越小越好。. 集電極反向飽和電流集電極反向飽和電流ICBO,是少數載流子運是少數載流子運動的結果，其值越小越好。動的結果，其值越小越好。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 4.溫度對晶體管參數的影響 見書的27頁主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 晶體管的發(fā)射極和集晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質濃度差別較大的摻雜質濃度差別較大，如果把兩個極互換使，如果把兩個極互換使用，則嚴重影響晶體管用，則嚴重影響晶體管的電流放大能力，甚至的電流放大能力，甚至造成

18、放大能力喪失。造成放大能力喪失。晶體管的發(fā)射極晶體管的發(fā)射極和集電極能否互和集電極能否互換使用？為什么換使用？為什么? 晶體管在輸出特性曲線的晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，飽和區(qū)工作時，UCEUT、UDS0且較小時當UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時，ID隨著UGS的增大而增大。此時增大UDS，導電溝道出現梯度，ID又將隨著UDS的增大而增大。直到UGD=UGSUDS=UT時，相當于UDS增加使漏極溝道縮減到導電溝道剛剛開啟的情況，稱為預夾斷，ID基本飽和。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 如果繼續(xù)增大UDS，使UGDUT時，溝道夾斷區(qū)延長，ID達到最大且恒定，

19、管子將從放大區(qū)跳出而進入飽和區(qū)。 溝道出現預夾斷時工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無關，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來控制漏極電流ID大小的一種電壓控制器件。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 3. MOS管使用注意事項(1) MOS管中, 有的產品將襯底引出，形成四個管腳。使用者可視電路需要進行連接。P襯底接低電位，N襯底接高電位。但當源極電位很高或很低時 , 可將源極與襯底連在一起。(2)場效應管的漏極與源極通?？梢曰Q，且不會對伏安特性曲線產生明顯影響。：大多產品出廠時已將源極與襯

20、底連在一起了，這時源極與漏極就不能再進行對調使用。(3)MOS管不使用時 , 由于它的輸入電阻非常高, 須將各電極短路 , 以免受外電場作用時使管子損壞。即MOS管在不使用時應避免柵極懸空，務必將各電極短接。(4)焊接MOS管時，電烙鐵須有外接地線，用來屏蔽交流電場，以防止損壞管子。特別是焊接絕緣柵場效應管時，最好斷電后再焊接。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 單極型晶體管和雙極型晶體管的性能比較 1. 場效應管的源極場效應管的源極S、柵極、柵極G、漏極、漏極D分別對應于雙極型晶體管的發(fā)射極分別對應于雙極型晶體管的發(fā)射極e、基極、基極b、集電極集電極c，它們的作用相似。，

21、它們的作用相似。 2. 場效應管是場效應管是電壓控制電流器件電壓控制電流器件，場效應管柵極基本上不取電流，而雙極型晶體，場效應管柵極基本上不取電流，而雙極型晶體管工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，管工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應該選用場效應管；而在允許取一定量電流時，選用雙極型晶體管進行放大可以應該選用場效應管；而在允許取一定量電流時，選用雙極型晶體管進行放大可以得到比場效應管較高的電壓放大倍數。得到比場效應管較高的電壓放大倍數。3. 場效應管是多子導電，而雙極型晶體管則是既利用多子，又利用少子。由于少場效應管是多子

22、導電，而雙極型晶體管則是既利用多子，又利用少子。由于少子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效應管比較合適。應管比較合適。4. 場效應管的源極和襯底未連在一起時，源極和漏極可以互換使用，耗盡型絕緣場效應管的源極和襯底未連在一起時，源極和漏極可以互換使用，耗盡型絕緣柵型管的柵極電壓可正可負，靈活性比晶體管強；而雙極型晶體管的集電極與發(fā)柵型管的柵極電壓可正可負，

23、靈活性比晶體管強；而雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極由于特性差異很大而不允許互換使用。射極由于特性差異很大而不允許互換使用。5. 與雙極型晶體管相比，場效應管的噪聲系數較小，所以在低噪聲放大器的前級與雙極型晶體管相比，場效應管的噪聲系數較小，所以在低噪聲放大器的前級通常選用場效應管，也可以選特制的低噪聲晶體管。但總的來說，當信噪比是主通常選用場效應管，也可以選特制的低噪聲晶體管。但總的來說，當信噪比是主要矛盾時，還應選用場效應管。要矛盾時，還應選用場效應管。6. 場效應管和雙極型晶體管都可以用于放大或可控開關，但場效應管還可以作為場效應管和雙極型晶體管都可以用于放大或可控開關，但場效應管還可以作為

24、壓控電阻使用，而且制造工藝便于集成化，具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源壓控電阻使用，而且制造工藝便于集成化，具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因此在電子設備中得到廣泛的應用。電壓范圍寬等優(yōu)點，因此在電子設備中得到廣泛的應用。主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 在使用在使用MOS管管時，為什么柵極時，為什么柵極不能懸空？不能懸空？晶體管和晶體管和MOS管管的輸入電阻有何的輸入電阻有何不同？不同？當當UGS為何值時，為何值時，增強型增強型N溝道溝道MOS管導通？管導通？ 雙極型三極管和單極雙極型三極管和單極型三極管的導電機理有型三極管的導電機理有什么不同？為什么稱晶什么不同？為什么稱晶體管為電流體管為電流 控件而稱控件而稱MOS管為電壓控件？管為電壓控件？ 主編主編 吳利斌吳利斌唐東自動化教研室唐東自動化教研室 1. 雙極型三極管和單極型三極管的導電機理有什么不同？為什么稱晶體管為電流雙極型三極管和單極型三極管