半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)

￡坦電極N也電FliQN也電FliQ ■F==基底,K覲區(qū)F1結(jié)□3腳槌Kl,L|<"集電Si國(guó)國(guó)52半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)若在半導(dǎo)體二極管P型半導(dǎo)體的旁邊，半導(dǎo)體二極管內(nèi)部只有一個(gè)PN結(jié)再加上一塊N型半導(dǎo)體如圖5-1（a）所示。由圖5-1（a）可見(jiàn)，這種結(jié)構(gòu)的器件內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié)，且N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體交錯(cuò)排列形成三個(gè)區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)，基區(qū)和集電區(qū)。從三個(gè)區(qū)引出的引腳分別稱為發(fā)射極，基極和集電極，用符號(hào)e、b、c來(lái)表示。處在發(fā)射區(qū)和基區(qū)交界處的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)；處在基區(qū)和集電區(qū)交界處的PN結(jié)稱為集電結(jié)。具有這種結(jié)構(gòu)特性的器件稱為三極管。三極管通常也稱雙極型晶體管（BJT），簡(jiǎn)稱晶體管或三極管。三極管在電路中常用字母T來(lái)表示。因三極管內(nèi)部的兩個(gè)PN結(jié)相互影響，使三極管呈現(xiàn)出單個(gè)PN結(jié)所沒(méi)有的電流放大的功能，開(kāi)拓了PN結(jié)應(yīng)用的新領(lǐng)域，促進(jìn)了電子技術(shù)的發(fā)展。因圖5-1（a）所示三極管的三個(gè)區(qū)分別由NPN型半導(dǎo)體材料組成，所以，這種結(jié)構(gòu)的三極管稱為NPN型三極管，圖5-1（b）是NPN型三極管的符號(hào)，符號(hào)中箭頭的指向表示發(fā)射結(jié)處在正向偏置時(shí)電流的流向。根據(jù)同樣的原理，也可以組成PNP型三極管，圖5-2（a）、（b）分別為PNP型三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和符號(hào)。由圖5-1和圖5-2可見(jiàn)，兩種類型三極管符號(hào)的差別僅在發(fā)射結(jié)箭頭的方向上，理解箭頭的指向是代表發(fā)射結(jié)處在正向偏置時(shí)電流的流向，有利于記憶NPN和PNP型三極管的符號(hào)，同時(shí)還可根據(jù)箭頭的方向來(lái)判別三極管的類型。例如，當(dāng)大家看到“七”符號(hào)時(shí)，因?yàn)樵摲?hào)的箭頭是由基極指向發(fā)射極的，說(shuō)明當(dāng)發(fā)射結(jié)處在正向偏置時(shí)，電流是由基極流向發(fā)射極。根據(jù)前面所討論的內(nèi)容已知，當(dāng)PN結(jié)處在正向偏置時(shí)，電流是由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，由此可得，該三極管的基區(qū)是P型半導(dǎo)體，其它的兩個(gè)區(qū)都是N型半導(dǎo)體，所以該三極管為NPN型三極管。晶體管除了PNP和NPN兩種類別的區(qū)分外，還有很多種類。根據(jù)三極管工作頻率的不同，可將三極管分為低頻管和高頻管；根據(jù)三極管消耗功率的不同，可將三極管分為小功率管、中功率管和大功率管等。常見(jiàn)三極管的外形如圖5-3所示。

IHI5：J(d)IHI5：J(d)圖5-3(a)和圖5-3(b)都是小功率管，圖5-3(c)為中功率管，圖5-3(d)為大功率管。三極管的電流放大作用1、三極管內(nèi)部PN結(jié)的結(jié)構(gòu)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理最基本的形式是放大。在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，從傳感器獲得的模擬信號(hào)通常都很微弱，只有經(jīng)過(guò)放大后才能進(jìn)一步處理，或者使之具有足夠的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成特定的工作。放大電路的核心器件是三極管，三極管的電流放大作用與三極管內(nèi)部PN的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖『4圖『4從圖5-1和5-2可見(jiàn)，三極管猶如兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，如果孤立地看待這兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，或?qū)蓚€(gè)普通二極管串聯(lián)起來(lái)組成三極管，是不可能具有電流的放大作用。具有電流放大作用的三極管，PN結(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性是:為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子，發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的摻雜溶度遠(yuǎn)高于基區(qū)半導(dǎo)體的摻雜溶度，且發(fā)射結(jié)的面積較小。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖為同一性質(zhì)的摻雜半導(dǎo)體，但發(fā)射區(qū)的摻雜溶度要高于集電區(qū)的摻雜溶度，且集電結(jié)的面積要比發(fā)射結(jié)的面積大，便于收集電子。聯(lián)系發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個(gè)PN結(jié)的基區(qū)非常薄，且摻雜溶度也很低。上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是三極管具有電流放大作用的內(nèi)因。要使三極管具有電流的放大作用，除了三極管的內(nèi)因外，還要有外部條件。三極管的發(fā)射極為正向偏置，集電結(jié)為反向偏置是三極管具有電流放大作用的外部條件。放大器是一個(gè)有輸入和輸出端口的四端網(wǎng)絡(luò)，要將三極管的三個(gè)引腳接成四端網(wǎng)絡(luò)的電路，必須將三極管的一個(gè)腳當(dāng)公共腳。取發(fā)射極當(dāng)公共腳的放大器稱為共發(fā)射極放大器，基本共發(fā)射極放大器的電路如圖5-4所示。圖5-4中的基極和發(fā)射極為輸入端，集電極和發(fā)射極為輸出端，發(fā)射極是該電路輸入和輸出的公共端，所以，該電路稱為共發(fā)射極電路。圖5-4中的u是要放大的輸入信號(hào)，u是放大以后的輸出信號(hào)，V是基極電源，該電源的作用是使三極管的發(fā)射結(jié)處在正向偏置的狀態(tài)，V是重電極電源，該電源的作用是使三極管的集電結(jié)處在反向偏置的狀態(tài)，R是集"電極電阻。2、共發(fā)射極電路三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)情況 C［細(xì)占共發(fā)射極電路三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)情況的示意圖如圖5-5所示。圖5-5中載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為以下的幾個(gè)過(guò)程。（1） 發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子的過(guò)程發(fā)射結(jié)處在正向偏置，使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷的通過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，即向基區(qū)發(fā)射電子。與此同時(shí)，基區(qū)的空穴也會(huì)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，由于兩者摻雜溶度上的懸殊，形成發(fā)射極電流I的載流子主要是電子，電流的一- 一一 一一 E 方向與電子流的方向相反。發(fā)射區(qū)所發(fā)射的電子由電源E的負(fù)極來(lái)補(bǔ)充。（2） 電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合的過(guò)程 C擴(kuò)散到基區(qū)的電子，將有一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，同時(shí)基極電源E不斷的向基區(qū)提供空穴，形成基極電流I。由于基區(qū)摻雜的溶度很低，且很薄，B在基區(qū)與空穴復(fù)合的電子很少，所以，基極電流I也很小。擴(kuò)散到基區(qū)的電子除了被基區(qū)復(fù)合掉的一小部分外，大量的電子將起慣性的作用下繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散。（3） 集電結(jié)收集電子的過(guò)程反向偏置的集電結(jié)在阻礙集電區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的同時(shí)，空間電荷區(qū)將向基區(qū)延伸，因集電結(jié)的面積很大，延伸進(jìn)基區(qū)的空間電荷區(qū)使基區(qū)的厚度進(jìn)一步變薄，使發(fā)射極擴(kuò)散來(lái)的電子更容易在慣性的作用下進(jìn)入空間電荷區(qū)。集電結(jié)的空間電荷區(qū)，可將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散進(jìn)空間電荷區(qū)的電子迅速推向集電極，相當(dāng)于被集電極收集。集電極收集到的電子由集電極電源E吸收，形成集電極電流I。3、三極管的電流分配關(guān)系和電流放大系數(shù) C根據(jù)上面的分析和節(jié)點(diǎn)電流定律可得，三極管三個(gè)電極的電流I、I、I之EBC間的關(guān)系為：I=I+I （5-1）三極管的特殊結(jié)構(gòu)使孔大大于IB，令=— （5-2）A汲稱為三極管的直流電流放大倍數(shù)。它是描述三極管基極電流對(duì)集電極電流控制能力大小的物理量，萬(wàn)大的管子，基極電流對(duì)集電極電流控制的能力就大。萬(wàn)是由晶體管的結(jié)構(gòu)來(lái)決定的，一個(gè)管子做成以后，該管子的萬(wàn)就確定了。三極管的共射特性曲線三極管的特性曲線是描述三極管各個(gè)電極之間電壓與電流關(guān)系的曲線，它們是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律在管子外部的表現(xiàn)。三極管的特性曲線反映了管子的技術(shù)性能，是分析放大電路技術(shù)指標(biāo)的重要依據(jù)。三極管特性曲線可在晶體管圖示儀上直觀地顯示出來(lái)，也可從手冊(cè)上查到某一型號(hào)三極管的典型曲線。三極管共發(fā)射極放大電路的特性曲線有輸入特性曲線和輸出特性曲線，下面以NPN型三極管為例，來(lái)討論三極管共射電路的特性曲線。圖56 萩頃ias-71、輸入特性曲線輸入特性曲線是描述三極管在管壓降U保持不變的前提下，基極電流i和發(fā)射結(jié)壓降ube之間的函數(shù)關(guān)系，即 CE B%=y（侃部）uCL—s*成 （5-3）三極管的輸入特性曲線如圖5-6所示。由圖5-6可見(jiàn)NPN型三極管共射極輸入持性曲線的特點(diǎn)是：（1） 在輸入特性曲線上也有一個(gè)開(kāi)啟電壓，在開(kāi)啟電壓內(nèi)，u雖己大于零，但i幾乎仍為零，只有當(dāng)u的值大于開(kāi)啟電壓后，i的值與二極管一樣隨u的增折按指數(shù)規(guī)律增大。硅晶體管的開(kāi)啟電壓約為0.5V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓V約為0.6?0.7V；錯(cuò)晶體管的開(kāi)啟電壓約為0.2V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓約為0.2?0：n3V。（2） 三條曲線分別為U=0V，U=0.5V和U=1V的情況。當(dāng)U=0V時(shí)，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極短路，即集電結(jié)和E發(fā)射結(jié)并聯(lián)，輸入特性曲線和OPN結(jié)的正向特性曲線相類似。當(dāng)U=1V，集電結(jié)已處在反向偏置，管子工作在放大區(qū)，集電極收集基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)白的電子，使在相同Ube值的情況下，流向基極的電流iB減小，輸入特性隨著U的增大而右移。當(dāng)U>1V以后，輸入特性幾乎與U=1V時(shí)的特CE CE CE性曲線重合，這是因?yàn)閂cc>lV后，集電極已將發(fā)射區(qū)發(fā)射過(guò)來(lái)的電子幾乎全部收集走，對(duì)基區(qū)電子與空穴的復(fù)合影響不大，i的改變也不明顯。TOC\o"1-5"\h\z因晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，集電結(jié)要反偏，uce必須大于l伏，所以，只要給出u=iv時(shí)的輸入特性就可以了。 CE2廣輸出特性曲線輸出特性曲線是描述三極管在輸入電流i保持不變的前提下，集電極電流ic和管壓降uce之間的函數(shù)關(guān)系，即 B亳=了也頃=亢 （5-4）、三極管的輸出特性曲線如圖5-7所示。由圖5-7可見(jiàn)，當(dāng)Ib改變時(shí)，ic和Uce（1）截止區(qū)1=0持性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。此時(shí)晶體管的集電結(jié)處于反偏，發(fā)射結(jié)電壓uV0，也是處于反偏的狀態(tài)。由于i=0，在反向飽和電流可忽略的前提下，i暨Bi也等于0，晶體管無(wú)電流的放大作用。處在截止?fàn)顟B(tài)下的三極管，發(fā)射極和集電結(jié)都是反偏，在電路中猶如一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。實(shí)際的情況是：處在截止?fàn)顟B(tài)下的三極管集電極有很小的電流I，該電流稱為三極管的穿透電流，它是在基極開(kāi)路時(shí)測(cè)得的集電極-發(fā)射極間的電流，不受i的控制，但受溫度的影響。B（2）飽和區(qū)在圖5-4的三極管放大電路中，集電極接有電阻R，如果電源電壓V一定，當(dāng)集電極電流i增大時(shí)，u=V-iR將下降，對(duì)于硅管C，當(dāng)u降低到小于0.7V C 頊…CC<C .一 CE . … . .時(shí)，集電結(jié)也進(jìn)入正向偏置的狀態(tài)，集電極吸引電子的能力將下降，此時(shí)i再增大，i幾乎就不再增大了，三極管失去了電流放大作用，處于這種狀態(tài)下工作…一-C-一…的三極官稱為飽和。規(guī)定UCE=UBE時(shí)的狀態(tài)為臨界飽和態(tài)，圖5-7中的虛線為臨界飽和線，在臨界飽和態(tài)下工作的三極管集電極電流和基極電流的關(guān)系為：土==M （5-1-4）式中的I，1，U分別為三極管處在臨界飽和態(tài)下的集電極電流、基極電流和管子兩孀的就壓（E飽和管壓降）。當(dāng)管子兩端的電壓UVU時(shí)，三極管將進(jìn)入深度飽和的狀態(tài)，在深度飽和的狀態(tài)下，i=Bi的關(guān)系不成立，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置會(huì)導(dǎo)電的狀態(tài)下，在I電路中猶如一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)。三極管截止和飽和的狀態(tài)與開(kāi)關(guān)斷、通的特性很相似，數(shù)字電路中的各種開(kāi)關(guān)電路就是利用三極管的這種特性來(lái)制作的。（3）放大區(qū)三極管輸出特性曲線飽和區(qū)和截止區(qū)之間的部分就是放大區(qū)。工作在放大區(qū)的三極管才具有電流的放大作用。此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)處在正偏，集電結(jié)處在反偏。由放大區(qū)的特性曲線可見(jiàn)，特性曲線非常平坦，當(dāng)i等量變化時(shí)，i幾乎也按一定比例等距離平行變化。由于i只受i控制，幾乎與u的大小無(wú)關(guān)，說(shuō)明處在放大狀態(tài)下的三極管相當(dāng)于一不輸出電流受"控制的受控電流源。

上述討論的是NPN型三極管的特性曲線,PNP型三極管特性曲線是一組與NPN型三極管特性曲線關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的圖像三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)有:1、共射電流放大系數(shù)0和B在共射極放大電路中，若交流輸入信號(hào)為零，則管子各極間的電壓和電流都是直流量，此時(shí)的集電極電流Ic和基極電流Ib的比就是萬(wàn)，波稱為共射直流電流放大系數(shù)。當(dāng)共射極放大電路有交流信號(hào)輸入時(shí)，因交流信號(hào)的作用，必然會(huì)引起I的變化，相應(yīng)的也會(huì)引起I的變化，兩電流變化量的比稱為共射交流電流放大系數(shù)B，即 Cff=—(5-6)ff=—上述兩個(gè)電流放大系數(shù)萬(wàn)和B的含義雖然不同，但工作在輸出特性曲線放大區(qū)平坦部分的三極管，兩者的差異極小，可做近似相等處理，故在今后應(yīng)用時(shí)，通常不加區(qū)分，直接互相替代使用。由于制造工藝的分散性，同一型號(hào)三極管的B值差異較大。常用的小功率三極管，B值一般為20?100。6過(guò)小，管子的電流放大作用小，B過(guò)大，管子工作的穩(wěn)定性差，一般選用B在40?80之間的管子較為合適。2、極間反向飽和電流、。和、集電結(jié)反向飽和電流I壓是指發(fā)射極開(kāi)路，集電結(jié)加反向電壓時(shí)測(cè)得的集電極電流。常溫下，硅管的［B。在nA(10-9)的量級(jí)，通?？珊雎?。集電極-發(fā)射極反向電流、是指基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的反向電流，即穿透電流，穿透電流的大小受溫度的影響較大，穿透電流小的管子熱穩(wěn)定性好。3、極限參數(shù)(1)集電極最大允許電流ICMTOC\o"1-5"\h\z晶體管的集電極電流I在相當(dāng)大的范圍內(nèi)B值基本保持不變，但當(dāng)I的數(shù)值大到一定程度時(shí)，電流放大系數(shù)B值將下降。使B明顯減少的I即為CI。為了使三極管在放大電路中能正常工作，I不應(yīng)超過(guò)I。 CCM集電極最大允許功耗P C CM晶體管工作時(shí)、集電極電流在集電結(jié)上將產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生熱量所消耗的功率就是集電極的功耗Pcm，即CM P=IU (5-7)功耗與三極管的結(jié)溫有關(guān)「結(jié)'浦又與環(huán)境溫度、管子是否有散熱器等條件相關(guān)。根據(jù)5-7式可在輸出特性曲線上作出三極管的允許功耗線，如圖5-8所示。功耗線的左下方為安全工作區(qū)，右上方為過(guò)損耗區(qū)。手冊(cè)上給出的P值是在常溫下25°C時(shí)測(cè)得的。硅管集電結(jié)的上限溫度為150°C左右，錯(cuò)管為C70C左右，使用時(shí)應(yīng)注意不要超過(guò)此值，否則管子將損壞。反向擊穿電壓U反向擊穿電壓ur(ceo)^!基極開(kāi)路時(shí)，加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。使用中如果管子兩端的電壓UC>UBRCE，集電極電流IC將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿。管子擊穿將造成三極管永久性的損壞。三極管電路在電源EC的值選得過(guò)大時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)管子截止時(shí)，U>U 導(dǎo)致三極管擊穿而損壞的現(xiàn)象。一般情況下，三極管電路的電源電壓EC應(yīng)小(于)1/2UBR(CEO)。4、溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響幾乎所有的三極管參數(shù)都與溫度有關(guān)，因此不容忽視。溫度對(duì)