雙極型半導(dǎo)體三極管

1、關(guān)于雙極型半導(dǎo)體三極管第1頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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。第2頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四2.1.1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

2、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）。第3頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 雙極型三極管的符號在圖的下方給出，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。第4頁，共42頁，2022年

3、，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四2.1.2 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，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系， 見圖02.02。圖 02.02 雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系動畫2-1第5頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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，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)

4、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)動到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場區(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。第6頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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+ IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN

5、=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB第7頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 以上關(guān)系在圖02.02的動畫中都給予了演示。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)對接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，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。第8頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四問題1：除了從三極管的電流分配關(guān)系可以 證明 IE=IC+IB 。還可以通過什么方 法加以說明？問題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

6、以說 明。第9頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四2.1.2 雙極型半導(dǎo)體三極管的電流分配與控制改進(jìn)的電子教案第10頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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

7、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。第11頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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。現(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為

8、例，來說明三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動關(guān)系，見下圖。IENICNIEPICEOIEICIBIBN注意圖中畫的是載流子的運(yùn)動方向，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 IEPIC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO第12頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 由此可寫出三極管三個(gè)電極的電流IENICNIEPICEOIEICIBIBNIE=IEN + IEP且IEN IEPIC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - IC

9、BO 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 第13頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 從以上分析可知，對于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

10、實(shí)現(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。 若兩個(gè)PN結(jié)對接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，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。動畫2-1第14頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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。第15頁

11、，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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)，一般來說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 第16頁，共42頁，2022年，5月2

12、0日，2點(diǎn)51分，星期四 2.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 對共射組態(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 。第17頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四2.1.3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

13、；圖 02.03 三極管的三種組態(tài)第18頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四(2)三極管的電流放大系數(shù) 對于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明，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第19頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四因 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

14、大系數(shù)。于是第20頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四2.1.4 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，即第21頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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

15、.04 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系第22頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 簡單地看，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iB的影響 。第23頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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

16、= 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第24頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 (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?，F(xiàn)以其中任何一條加以說明，當(dāng)vCE=0 V時(shí)，因集電極無收集作用，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

17、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第25頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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) 。（動畫2-2） 第26頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)

18、51分，星期四 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) 。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四2.1.5 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)

19、 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const第28頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來求取IC / IB ，如圖02.07所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)， 會有所減小，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第29頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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+ 第30頁，共42

20、頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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那條曲線所對應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。如圖02.09所示。第31頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 圖02.09 ICEO在輸出特性曲線上的位置第32頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期

21、四(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，通過垂直于X 軸的直線求取IC/IB。或在圖02.08上通過求某一點(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第33頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 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)信號頻率增加時(shí)，三極管的將會下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對應(yīng)的頻

22、率稱為特征頻率，用fT表示。第34頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 (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，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見，當(dāng)ICICM時(shí)，并不表示三極管會損壞。 圖02.08 值與IC的關(guān)系第35頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。第36頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 反向擊穿電壓 反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測試時(shí)的原理電路如圖02.11所示。 圖02.11 三極管擊穿電壓的測試電路第37頁，共42頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)51分，星期四 1.V(BR)CBO發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開路。 2.V(BR) EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。 3.V(BR)CEO基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的