03第1章-常用半導(dǎo)體器件-三極管及應(yīng)用

2023/11/7模擬電子技術(shù)根底北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院主講：趙建輝第一章常用半導(dǎo)體器件(2)

三極管原理與應(yīng)用2023/11/71.1半導(dǎo)體根底學(xué)問(wèn)1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型晶體管1.4場(chǎng)效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管1.6集成電路中的元件第1章常用半導(dǎo)體器件本節(jié)課內(nèi)容2023/11/71.3雙極型晶體管(三極管)重點(diǎn)：晶體管放大原理、特性曲線。難點(diǎn)：1.晶體管電流安排及把握2.晶體管輸入輸出曲線3.晶體管主要參數(shù)及意義重點(diǎn)難點(diǎn)1.3.1晶體管構(gòu)造及類(lèi)型1.3.2晶體管電流放大作用1.3.3晶體管共射特性曲線1.3.4晶體管主要參數(shù)1.3.5溫度對(duì)晶體管特性幾參數(shù)的影響1.3.6光電晶體管2023/11/7構(gòu)造：有PNP型和NPN型；材料：硅管和鍺管；功率：大功率管和小功率管；頻率：高頻管和低頻管。常見(jiàn)三極管封裝2023/11/7構(gòu)造與類(lèi)型1.3.1晶體管構(gòu)造與類(lèi)型BECNNP基極集電極發(fā)射極BECPPN基極集電極發(fā)射極NPN型PNP型becbec構(gòu)造符號(hào)箭頭指向：P—>N2023/11/7BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：結(jié)面積較大放射區(qū)：摻雜濃度較高構(gòu)造特點(diǎn):(三極兩結(jié))目的:有利于電流的把握(放大)作用放射結(jié)集電結(jié)2023/11/7〔留意：為何不是6種！〕1.3.2電流安排〔放大〕作用三種接法：〔三極雙端口網(wǎng)絡(luò)〕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。共放射極接法，放射極作為公共電極，用CE表示；BJT的三種組態(tài)IE=(1+β)IB？2023/11/7共射放大電路：〔條件：放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏〕ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEuo

放大：輸入電壓微小變化，反映在輸出中。2023/11/7載流子運(yùn)動(dòng)〔放射、復(fù)合、收集〕放射結(jié)正偏，放射區(qū)電子不斷向基區(qū)集中，形成放射極電流IEN。放射結(jié)正偏，基區(qū)空穴向放射區(qū)的集中很小,可無(wú)視。進(jìn)入基區(qū)的電子少局部與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBN，多數(shù)集中到集電結(jié)。集電結(jié)反偏，極經(jīng)放射結(jié)集中到基區(qū)的電子作為非平衡少子，經(jīng)集電結(jié)漂移被C極收集，形成ICN。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。2023/11/7IB=IBN+IEP-ICBOIC=ICN+ICBO

ICN二、各極電流安排關(guān)系(P25)IE=IEP+IEN

IEN

外部關(guān)系：IE=IC+IBCB結(jié)平衡少子漂移形成ICBOCB結(jié)非平衡少子漂移被C極收集2023/11/7ICN與(IB)’之比稱(chēng)為共射電流放大倍數(shù)意義：(IB+ICBO)對(duì)ICN的把握力氣〔內(nèi)部〕。IB對(duì)IC的把握力氣〔外部〕。三、共射電流放大系數(shù)表示直流放大倍數(shù)ICEO集電結(jié)反向飽和電流(可無(wú)視)溝通放大倍數(shù)整理:2023/11/7ICN與IE之比稱(chēng)為共基電流放大倍數(shù)三、共基電流放大系數(shù)表示直流放大倍數(shù)溝通放大倍數(shù)意義：ICN對(duì)IE的把握/放大力氣〔內(nèi)部〕。IC對(duì)IE的把握/放大力氣〔外部〕。2023/11/7三極管電流安排：留意：要使三極管能放大電流，必需使放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三、近似公式〔外部特性〕BECIBIEICNPNBECIBIEICPNP記?。。?023/11/7ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB測(cè)試試驗(yàn)電路1.3.3晶體管共射特性曲線各極間電壓電流關(guān)系〔試驗(yàn)〕2023/11/7一、輸入特性曲線IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V鍺管BE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。留意：輸入曲線是一簇曲線！2023/11/7二、輸出特性曲線IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大區(qū)：放射結(jié)正偏集電結(jié)反偏I(xiàn)C=IBUCE變化截止區(qū):UBE<UON集電結(jié)反偏,IB=0IC=ICEO飽和區(qū)：放射結(jié)正偏集電結(jié)正偏UCEUBEIB>IC，UCE0.3VIC=ICEO2023/11/7輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):放大區(qū)：放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏?！簿€性放大〕即：UCE≥UBE，IC=IB,且IC=IB(2)飽和區(qū)：放射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏〔二PN結(jié)均導(dǎo)通〕即：UCEUBE，IC<IB，UCE0.3V(3)截止區(qū)：UBE<UON〔或反偏〕，集電結(jié)反偏〕。IB=0，IC≤ICEO0，UCE≥UBE三種狀態(tài)的推斷：(依據(jù)UBE,UCE，IB,IC同時(shí)推斷)2023/11/7例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？當(dāng)USB=-2V，〔放射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏〕ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大〔可能〕飽和電流：Q位于截止區(qū)

2023/11/7例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？IC<

ICmax(=2mA)

，

Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB=2V時(shí)：〔放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏〕2023/11/7USB=5V時(shí):〔放射結(jié)正偏，最終導(dǎo)致集電結(jié)反偏正偏〕例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)，此時(shí)IC和IB

已不是倍線性關(guān)系。UCE=0,集電結(jié)正偏！而非反偏！2023/11/71.3.4晶體管的主要參數(shù)由三極管構(gòu)造預(yù)備，由試驗(yàn)測(cè)得〔確定范圍〕，通常在半導(dǎo)體手冊(cè)〔元件手冊(cè)〕中查到。分為：直流參數(shù)溝通參數(shù)極限參數(shù)〔應(yīng)用極限〕。2023/11/71.共射電流放大倍數(shù)一、直流參數(shù)IB對(duì)IC把握/放大力氣〔幾十~幾百〕2.共基電流放大倍數(shù)IE對(duì)IC把握/放大力氣〔小于1，接近1〕3.極間反向電流ICBO集電結(jié)反向飽和電流(盡量小)ICEO集電結(jié)到放射結(jié)穿透電流2023/11/71.共射溝通電流放大倍數(shù)二、溝通參數(shù)IB變化對(duì)IC變化的把握/放大力氣〔疊加于直流上〕2.共基電流放大倍數(shù)IE的變化對(duì)IC的變化的把握/放大力氣〔疊加于直流上〕3.特征頻率使下降到1的信號(hào)頻率，與結(jié)電容有關(guān)2023/11/71.集電極最大允許功耗PCM

集電極電流IC

流過(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱功率為：PC=ICUCE

必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PC

PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)三、極限參數(shù)2023/11/72.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的

值的下降，當(dāng)

值下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流即為ICM。3.極間反向擊穿電壓(一極開(kāi)路，另2極最高電壓)UCBO：放射極開(kāi)路，C、B之間擊電壓(CB間最大電壓)UCEO：基極開(kāi)路，C、E之間擊穿電壓(CE間最大電壓)參考上圖2023/11/7三極管極間反向電流的測(cè)量4.極間反向電流平衡少子漂移形成，越小越好，溫度敏感CE極間穿透電流CB極間反向飽和電流2023/11/71.3.5溫度對(duì)特性及參數(shù)的影響溫度影響很大，過(guò)高溫度導(dǎo)致性能下降，甚至不能用。一、溫度對(duì)ICBOI/ICEO的影響ICBO由集電結(jié)反向平衡少子漂移形成，溫度↑少子數(shù)目↑ICBO↑溫度每上升10oC，ICBO增加一倍〔反向飽和電流〕。硅管比鍺管ICBO小的多，溫度影響小。2023/11/7二、溫度對(duì)輸入特性的影響IBUBEUBE260OC20OCUBE1溫度上升↑輸入曲線左移〔同二極管輸入特性〕溫度每上升1oC，UBE減小2-2.5mV〔負(fù)溫度系數(shù)〕2023/11/7三、溫度對(duì)輸出特性的影響ICUCE20OC60OC溫度上升↑曲線上移〔間隔不等〕，β、ICEO↑溫度每上升1oC，β增加0.5-1%，〔ICBO增加1倍/10oC〕2023/11/71.3.6其它三極管光電三極管〔見(jiàn)課本P33〕三極管應(yīng)用模擬電路：線性放大〔線性放大區(qū)〕數(shù)字電路：開(kāi)關(guān)規(guī)律〔截止/飽和區(qū)〕〔精度、穩(wěn)定性等〕〔開(kāi)關(guān)頻率、功耗、牢靠性〕2023/11/71.既然BJT具有兩個(gè)PN結(jié)，可否用兩個(gè)二極管相聯(lián)以構(gòu)成一只BJT，試說(shuō)明其理由。2.能否將BJT的e、c兩個(gè)電極交換使用，為什么？3.BJT是電流把握器件，還是電壓把握器件？4.放大電路輸出端增加的能量是從哪里來(lái)的？？思考題5.三極管如何用于開(kāi)關(guān)電路〔數(shù)字電路/模電區(qū)分〕？2023/11/7小結(jié)晶體三極管是電流把握元件，通過(guò)把握基極電流或射極電流可以把握集電極電流〔電流可控性〕。要使三極管正常工作并有放大作用，管子的放射結(jié)