2-2半導(dǎo)體三極管解析

1、二極管（1）二極管的結(jié)構(gòu)（2）二極管的伏安特性上節(jié)課內(nèi)容提要2024/8/161（3）二極管的開關(guān)特性存在反向恢復(fù)時(shí)間（4）二極管的電路模型直流模型（5）特殊二極管穩(wěn)壓二極管（6）二極管整流電路（精密整流電路）利用二極管的單向?qū)щ娦?/p>

2024/8/162

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管（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。2.2半導(dǎo)體三極管二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管（場(chǎng)效應(yīng)管）2024/8/1632.2.1三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.2三極管的基本特性2.2.3三極管的主要參數(shù)及電路模型2024/8/1642.2.1三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理雙極型半導(dǎo)體三極管有兩種類型:NPN型和PNP型。

1.結(jié)構(gòu)、符號(hào)和分類NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB2024/8/165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?；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。PPNEBCNNPBECNPN型PNP型2024/8/166按材料分：硅管、鍺管按功率分：

小功率管<500mW按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.5

1W分類：2024/8/1672.三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。

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。(動(dòng)畫2-1)雙極型三極管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)2024/8/168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>>IBNIC=ICN+ICBO

IB=IEP+IBN－ICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN

=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)

IE=IC+IB2024/8/1693.三極管的電流關(guān)系(1)三種組態(tài)

雙極型三極管有三個(gè)電極，其中一個(gè)可以作為輸入,一個(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)。

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；三極管的三種組態(tài)2024/8/1610(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(méi)有IEP和IBN，所以的值小于1,但接近1。由此可得:2024/8/1611因≈1,所以

>>1IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)

IC=IB+(1+)ICBO2024/8/1612穿透電流2024/8/1613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(méi)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。2024/8/16142.2.2三極管的基本特性輸入特性曲線——

iB=f(uBE)

uCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(uCE)

iB=const以NPN型共發(fā)射極接法為例，介紹三極管的特性曲線。2024/8/16151.輸入特性曲線輸入特性曲線——

iB=f(uBE)

uCE=const

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。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。

2024/8/1616與二極管特性相似O①2024/8/1617②uCE≥1V

uCB=uCE

-uBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，三極管處于放大狀態(tài)，集電極更易收集電子，且基區(qū)復(fù)合更少，IB減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但uCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。

O2024/8/16182.輸出特性曲線它是以iB為參變量的一族特性曲線?，F(xiàn)以其中任何一條加以說(shuō)明，當(dāng)uCE=0

V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，iC=0。當(dāng)uCE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

uCE<1

V

uBE=0.7

V

uCB=uCE-uBE=<0.3

V集電區(qū)收集電子的能力很弱，iC主要由uCE決定。

輸出特性曲線——

iC=f(uCE)

iB=const2024/8/1619當(dāng)uCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，如

uCE

≥1

V

uCB

≥0.3

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uCE再增加，電流也沒(méi)有明顯的增加，特性曲線進(jìn)入比較平坦的區(qū)域，略微上翹——基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。（動(dòng)畫2-2）

2024/8/1620

輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE的數(shù)值較小。三極管的飽和壓降UCES。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或零偏。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)——滿足的關(guān)系，曲線基本等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，uCE電壓大于0.7

V左右(硅管)。2024/8/16213.三極管的開關(guān)特性(1)開關(guān)作用

截止?fàn)顟B(tài)IB＝0，IC＝0，UCE＝VCC飽和狀態(tài)IC＝ICS，VCE＝UCES＝0集電極飽和電流基極臨界飽和電流2024/8/1622上節(jié)課內(nèi)容提要1、三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)工藝特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)高摻雜，基區(qū)低摻雜、寬度窄，集電區(qū)結(jié)面積大、摻雜濃度低。NNP發(fā)射極E基極B集電極C—基區(qū)NPN型ECB—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)PNP型ECB2024/8/16232、三極管的電流分配與控制保證三極管處于放大狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏、集電極反偏。IE=IC+IB雙極型三極管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)2024/8/16243、三極管的電流關(guān)系（1）組態(tài)

CE、CB、CC（2）電流放大系數(shù)

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。

共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)穿透電流≈1,

>>12024/8/16254、三極管的伏安特性輸入特性O(shè)2024/8/1626輸出特性曲線飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)反偏2024/8/16275、三極管的開關(guān)特性截止?fàn)顟B(tài)IB＝0，IC＝0，UCE＝VCC飽和狀態(tài)IC＝ICS，VCE＝UCES＝02024/8/1628(2)三極管的開關(guān)時(shí)間延遲時(shí)間td

+uB2加入→0.1ICS上升時(shí)間tr

0.1ICS→0.9ICS存儲(chǔ)時(shí)間ts

-uB1

加入→0.9ICS下降時(shí)間tf

0.9ICS→0.1ICS開通時(shí)間ton=td+tr

；關(guān)閉時(shí)間toff=ts+tf。開通時(shí)間ton與關(guān)閉時(shí)間toff也總稱為三極管的開關(guān)時(shí)間。2024/8/16292.2.3三極管的主要參數(shù)及電路模型

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)

a.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

1.主要參數(shù)2024/8/1630

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(uCE=const)來(lái)求取IC

/IB

。從IC較小到IC較大，會(huì)有所減小。值與IC的關(guān)系在輸出特性曲線上決定2024/8/1631

b.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+

2024/8/1632

②極間反向電流

a.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。

b.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。2024/8/1633ICEO在輸出特性曲線上的位置2024/8/1634(2)交流參數(shù)①交流電流放大系數(shù)

a.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=

IC/

IB

uCE=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。

在輸出特性曲線上求β2024/8/1635

b.共基極交流電流放大系數(shù)α

α=

IC/

IE

UCB=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。2024/8/1636

(3)極限參數(shù)

①集電極最大允許電流ICM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2/3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?？梢姡?dāng)IC＞ICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。值與IC的關(guān)系2024/8/1637②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=ICUCB≈ICUCE，

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UCE取代UCB。2024/8/1638

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。三極管擊穿電壓的測(cè)試電路2024/8/1639

a.U(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。

b.U(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U(BR)CER表示BE間接有電阻，U(BR)CES表示BE間是短路的。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系

U(BR)CBO>U(BR)CES＞U(BR)CER＞U(BR)CEO2024/8/1640

由PCM、ICM和U(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過(guò)損耗區(qū)、過(guò)電流區(qū)和擊穿區(qū)。輸出特性曲線上的過(guò)損耗區(qū)和擊穿區(qū)2024/8/1641⑴三極管的物理結(jié)構(gòu)如圖所示雙極型三極管物理模型2.電路模型rb'e---re歸算到基極回路的電阻

---發(fā)射結(jié)電容，也用C

這一符號(hào)---集電結(jié)電阻---集電結(jié)電容，也用C

這一符號(hào)

rbb'---基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。---發(fā)射結(jié)電阻

re2024/8/1642⑵混合π型微變等效電路－物理模型簡(jiǎn)化：忽略rb’c

、rce忽略Cb’c、Cb’e2024/8/1643⑶參數(shù)計(jì)算2024/8/1644跨導(dǎo)定義：2024/8/1645

附錄：半導(dǎo)體三極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：