雙極型半導(dǎo)體三極管

關(guān)于雙極型半導(dǎo)體三極管第一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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。第二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日雙極型半導(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）。第三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日雙極型三極管的符號(hào)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(duì)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。基區(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。第四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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?。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(lái)說(shuō)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(dòng)畫2-1第五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日發(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(dòng)，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)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(huì)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(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)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。第六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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IEN>>IEP

IEN=ICN+IBN

且有IEN>>IBN

，ICN>>IBN

IC=ICN+ICBO

IB=IEP+IBN－ICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN

=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)

IE=IC+IB第七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日以上關(guān)系在圖02.02的動(dòng)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(duì)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。第八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日問(wèn)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(guò)什么方法加以說(shuō)明？問(wèn)題2：為什么當(dāng)溫度升高時(shí)，三極管將失去放大作用？從物理概念上加以說(shuō)明。第九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

雙極型半導(dǎo)體三極管的

電流分配與控制改進(jìn)的電子教案第十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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(chǎng)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(chǎng)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(hào)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。第十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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(duì)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秒妷骸Ｈ粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓?，F(xiàn)以NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來(lái)說(shuō)明三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，見下圖。IENICNIEPICEOIEICIBIBN注意圖中畫的是載流子的運(yùn)動(dòng)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+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO第十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

由此可寫出三極管三個(gè)電極的電流IENICNIEPICEOIEICIBIBNIE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO

發(fā)射極電流：IE=IEN＋I(xiàn)EP

且有IEN>>IEP

集電極電流：IC=ICN+ICBO

ICN=IEN-IBN

且有IEN>>IBN

，ICN>>IBN

基極電流：IB=IEP+IBN－ICBO

所以，發(fā)射極電流又可以寫成

IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB第十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

從以上分析可知，對(duì)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?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)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(dòng)畫2-1第十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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(jiǎn)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。第十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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(lái)說(shuō)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(duì)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

第十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

2.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

對(duì)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。第十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日雙極型半導(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；圖02.03三極管的三種組態(tài)第十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日(2)三極管的電流放大系數(shù)

對(duì)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(lái)說(shuō)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第十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日因≈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大系數(shù)。于是第二十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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，即第二十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日共發(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02.04共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系第二十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

簡(jiǎn)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(duì)iB的影響。第二十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE

-vBE>0，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(dòng)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(shuō)明內(nèi)部反饋很小。輸入特性曲線的分區(qū)：①死區(qū)②非線性區(qū)③線性區(qū)圖02.05共射接法輸入特性曲線

第二十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

(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。現(xiàn)以其中任何一條加以說(shuō)明，當(dāng)vCE=0

V時(shí)，因集電極無(wú)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二十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日當(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(dòng)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(dòng)畫2-2）

第二十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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vCE＜0.7

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)。第二十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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)

①直流電流放大系數(shù)

1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const第二十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過(guò)垂直于X軸的直線(vCE=const)來(lái)求取IC/IB

，如圖02.07所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)，會(huì)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二十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

2.共基極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

顯然與之間有如下關(guān)系:=IC/IE=IB/1+IB=/1+第三十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

②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(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。如圖02.09所示。第三十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

圖02.09ICEO在輸出特性曲線上的位置第三十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日(2)交流參數(shù)①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(guò)垂直于X軸的直線求取IC/IB?；蛟趫D02.08上通過(guò)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β第三十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

2.共基極交流電流放大系數(shù)α

α=IC/IE

VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈、≈，可以不加區(qū)分。

②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(hào)頻率增加時(shí)，三極管的將會(huì)下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。第三十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

(3)極限參數(shù)

①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70～30％時(shí)，所對(duì)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(hào)的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢?，當(dāng)IC＞ICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。

圖02.08值與IC的關(guān)系第三十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日②集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，

PCM=ICVCB≈ICVCE，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。第三十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

③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(cè)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(cè)試電路第三十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

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?yè)舸┲?，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)射極間的擊穿電壓。對(duì)于V(BR)CER表示BE間