三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理

1、 5.21 三極管的結(jié)構(gòu)與符號三極管的結(jié)構(gòu)與符號 隨著電子技術(shù)在汽車上的應用和發(fā)展，在汽車上采用的電子裝置也越來越多，而這些裝置又廣泛采用半導體三極管組成放大電路和開關(guān)電路。這些電子電路的核心元件就是三極管 本章主要介紹三極管的特點、基本放大電路、多級放大電路。 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PN結(jié)結(jié)合在一起，是三極管具有放大作用。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。聯(lián)系生活想一想o學習目標：認識三極管的外形以及符號o學習重點：掌握三極管符號的寫法o學習難點：三極管按結(jié)構(gòu)的分類5.21 半導體三極管半導體三極管5.21 三極管的基本結(jié)構(gòu)類型和符號 晶體管分

2、有晶體管分有NPN型和型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁型，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)、兩個多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三結(jié)和三個向外引出的電極：個向外引出的電極：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向。常見的三極管三極管的類型o按照材料不同分為：鍺管和硅管o按內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)的不同分為：NPN型和PNP型，目前我國生產(chǎn)的硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型。o按工作效率可分為：高頻管和低頻管o按用途不同分為：普通放大管和開關(guān)管o按功率不同分為：小功率管和大功率管。o1三極管按結(jié)構(gòu)分為_ 和 兩種類型，均具有兩個PN結(jié)，即_和_。o2.三極管按

3、照制造材料不同分為_和_。o3.請畫出兩種三極管的符號。課后思考：o 汽車上哪里用到了三極管？o由于三極管管腳排列有很多形式，在使用前應查閱晶體管器件手冊或相關(guān)資料核對管腳排列。如果有些管子管腳排列不清楚，可以用萬用表來判斷三極管的管腳排列，切不可主觀臆斷，更不可憑經(jīng)驗，要避免裝錯返工。 三極管型號命名三極管型號命名 三極管的種類三極管的種類 很多，其型號很多，其型號的命名方法各的命名方法各個國家也不盡個國家也不盡相同，一般由相同，一般由 五部分組成。五部分組成。部分部分 三極管的三極管的命名見下表。命名見下表。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

4、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。5.23 三極管的電流分配關(guān)系及放大作用晶體管實現(xiàn)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，三極管并非是兩個PN 結(jié)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。晶體管實現(xiàn)電流放大作用的UBBRB(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置

5、”，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(shù)與基區(qū)空穴復合，形成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴散。UCCRC(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴散到集電結(jié)邊的多數(shù)擴散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。IEICIB 整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： 由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)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(shù)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

6、電子則都擴散到了集電結(jié)邊緣。 集電結(jié)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 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(nèi)部條件內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)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。 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(nèi)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 . 3

7、4(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倍數(shù)。不同型號、不同類型和用途的三極管，值的差異較大，大多數(shù)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。5.24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(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。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(shù)時，為常數(shù)時，IB和和UBE之間的關(guān)系）之間的關(guān)系）UCE=0VUBE /VIB / A0UCE =0VUBBU

8、CCRC+RB令令UBB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(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲

9、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(2) 輸出特性曲線先把先把IB調(diào)到調(diào)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(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)然后調(diào)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。化并記錄下來。UCEUBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE 根據(jù)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

10、特性曲線。IBUCE / VIC /mA0UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再調(diào)節(jié)再調(diào)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(diào)節(jié)仍然調(diào)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(jù)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(shù)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U

11、CE的增的增加而急劇增大。加而急劇增大。當當UCE增至一定數(shù)值時增至一定數(shù)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。 當IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數(shù)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。

12、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(shù)。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(shù)：UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3輸出特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(jié)和發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置集電結(jié)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(guān)系，間不再成比例關(guān)系，IB的變化對的

13、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(jié)電實際上當發(fā)射結(jié)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(jīng)截止，為讓其可經(jīng)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，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成倍的數(shù)量關(guān)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 /CSBSCCCCCE

14、SCCCSIIRVRVVI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(guān)。UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE /CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI臨近飽和基極電流 管子處于飽和狀態(tài)管子處于放大狀態(tài)，CSCCSCIiIi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

15、，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，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(guān)系，管子為的關(guān)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

16、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。3.極間電流指基極開路時，指基極開路時，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(shù)載流子運動是少數(shù)載流子運動的結(jié)果，其值越小越好。的結(jié)果，其值越小越好。4.溫度對晶體管參數(shù)的影響 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(zhì)濃度差別較大的摻雜質(zhì)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

17、響晶體管的電流放大能力，甚至的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。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，UCEUBE，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達集電結(jié)邊緣的電子，這種達集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流情況下，集電極電流IC與基與基極電流極電流IB不再是不再是倍的關(guān)系倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能因此，晶體管的電流放大能力大大下

18、降。力大大下降。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，其電流放飽和區(qū)工作時，其電流放大系數(shù)是否也等于大系數(shù)是否也等于？為什么晶體管基區(qū)摻雜為什么晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度??？而且還要做質(zhì)濃度小？而且還要做得很??？得很薄？ 為了使發(fā)射區(qū)擴散電子的絕大多數(shù)無為了使發(fā)射區(qū)擴散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復合，由于基區(qū)摻雜深法在基區(qū)和空穴復合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分度很低且很薄，因此只能有極小一部分擴散電子與基區(qū)空穴相復合形成基極電擴散電子與基區(qū)空穴相復合形成基極電流，剩余大部分擴散電子繼續(xù)向集電結(jié)流，剩余大部分擴散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散，由于集成電結(jié)反偏，這些

19、集結(jié)到擴散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流。形成集電極電流。5.26 用萬用表測試三極管好壞及極性的方法用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦?？并判別其極性。正向?qū)娬驅(qū)娮韬苄?。指阻很小。指針偏轉(zhuǎn)大。針偏轉(zhuǎn)大。反向阻斷時電反向阻斷時電阻很大，指針阻很大，指針基本不動?；静粍?。 選擇萬用表R1k 的歐姆檔，其中黑表棒作為電源正極，紅表棒作為電源負極，根據(jù)二極管正向?qū)?、反向阻斷的單向?qū)щ娦詫⒈戆魧φ{(diào)一次即可測出其極性及好壞。如何判斷二級管的正負極呢？用萬用表測試三極管好壞及極性的方法 用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型：指針不動，說明管指針不動，說明管子反偏截止，因此子反偏截止，因此為為NPN型。型。 先將萬用表置于Rlk 歐姆檔，將紅表棒接假定的基極B，黑表棒分別與另兩個極相接觸，觀測到指針不動(或近滿偏)時，則假定的基極是正確的;且晶體管類型為NPN型（或PNP型）。如果把紅