双极型半导体三极管

2.1.1 双极型半导体三极管的结构 2.1.2 双极型半导体三极管电流的分配 与控制 2.1.3 双极型半导体三极管的电流关系 2.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线 2.1.5 半导体三极管的参数 2.1.6 半导体三极管的型号 2.1 双极型半导体三极管 半导体三极管有两大类型， 一是 双极型半导体三极管 二是 场效应半导体三极管 2.1 双极型半导体三极管 2.2 场效应半导体三极管 双极型半导体三极管是由两种载 流子参与导电的半导体器件，它由两 个 PN 结组合而成，是一种 CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种 载流子参与导电，是一种 VCCS器件。 2.1.1双极型半导体三极管的结构 双极型半导体三极管的结构示意图如图 02.01所示。 它有两种类型 :NPN型和 PNP型。 图 02.01 两种极性的双极型三极管 e-b间的 PN结称为 发射结 (Je) c-b间的 PN结称为 集电结 (Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为 基极 ， 用 B或 b表示（ Base）； 一侧称为发射区，电极称为 发射极 ， 用 E或 e表示（ Emitter）； 另一侧称为集电区和 集电极 ， 用 C或 c表示（ Collector）。 双极型三极管的符号在图的下方给出，发 射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个 N区 ,(或两个 P区 )是对称的， 实际上 发射区的掺杂浓度大 ， 集电区掺杂浓度 低 ，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其 厚度一般在几个微米至几十个微米。 2.1.2 双极型半导体三极管的 电流分配与控制 双极型半导体三极管在工作时一定要加上 适当的直流偏置电压。 若在放大工作状态：发射结加正向电压， 集电结加反向电压。 现以 NPN型三 极管的放大状态为 例，来说明三极管 内部的电流关系， 见图 02.02。 图 02.02 双极型三极管的电 流传输关系 动画 2-1 发射结加正偏时，从发射区将有大量 的电子向基区扩散，形成的电流为 IEN。与 PN结中的情况相同。 。 从基区向发射区也有空穴的扩散运动， 但其数量小，形成的电流为 IEP。 这是因为 发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度 低，被复合的机会较少。又因基区很薄， 在集电结反偏电压的作用下，电子在基区 停留的时间很短，很快 就运动到了集电结 的边上，进入集电 结的结电场区域，被集 电极所收集，形成集电极电流 ICN。 在基区 被复合的电子形成的电流是 IBN。 另外因集电结反偏， 使集电结区的少子形成 漂移电流 ICBO。 于是可 得如下电流关系式 : IE= IEN+ IEP 且有 IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有 IEN IBN ， ICNIBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBN ICBO IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEP ICBO) IE =IC+IB 以上关系在图 02.02的动画中都给予 了演示。由以上分析可知，发射区掺杂 浓度高，基区很薄，是保证三极管能够 实现电流放大的关键。若两个 PN结对接 ，相当基区很厚，所以没有电流放大作 用，基区从厚变薄，两个 PN结演变为三 极管，这是量变引起质变的又一个实例 。 问题 1：除了从三极管的电流分配关系可以 证明 IE=IC+IB 。还可以通过什么方 法加以说明？ 问题 2：为什么当温度升高时，三极管将失 去放大作用？从物理概念上加以说 明。 2.1.2 双极型半导体三极管的 电流分配与控制 改进的电子教案 2.1 双极型半导体三极管的工作原理 半导体三极管在英文中称为晶体管 (Transister)，半导体三极管有 两大类型， 一是 双极型 半导体三极管 (BJT)， 二是 场效应 半导体三极管 (FET)。 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件， 它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流源器件（ CCCS） 。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种电压 控制电流源器件（ VCCS） 。 2.1.1 双极型半导体三极管的结构 b NP 型PNP型NPN e e b ccP NN P NPN型 PNP型 这是基极 b 这是发射极 e 这是集电极 c 这是发射结 Je 这是集电结 Jc c e e c bb 型NPN 型PNP 三极管的 符号短粗线代 表基极 ,发射极 的箭头方向 ,代 表发射极电流 的实际方向。 2.1.2 双极型半导体三极管的电流分配关系 双极型三极管在制造时，要求发射区的掺杂浓度大，基区掺杂 浓度低并要制造得很薄 ， 集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。 从结构上看双极型三极管是对称的，但 发射极和集电极不能互换。 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 。 若在放大工作状态：发射结加正向电压 ， 集电结加反向电压 。 现以 NPN型三极管的放大状态为例 ， 来说明三极管 内部载流子的 运动关系 ， 见下图 。 N P N e b c 电子 空穴 IEN ICN IEP ICEO IE IC IB IBN 注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向 相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的 电流 IE=IEN + IEP 且 IEN IEP IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO 由此可写出三极管三个电极的电流 N P N e b c 电子 空穴 IEN ICN IEP ICEO IE IC IB IBN IE=IEN + IEP 且 IEN IEP IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO 发射极电流： IE= IEN IEP 且有 IENIEP 集电极电流： IC=ICN+ ICBO ICN=IEN- IBN 且有 IEN IBN ， ICNIBN 基极电流： IB=IEP+ IBN ICBO 所以，发射极电流又可以写成 IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEP ICBO)=IC+IB 从以上分析可知 ， 对于 NPN型三极管 ， 集电极电流和基极电流 是流入三极管 ， 发射极电流是流出三极管 ， 流进的电流等于流出 的电流 。 由以上分析可知 ， 发射区掺杂浓度高 ， 基区掺杂浓度低 且很薄 ， 是保证三极管能够实现电流放大的关键 。 若两个 PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基 区从厚变薄，两个 PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个 实例。 e b c 动画 2-1 2.1.3 双极型半导体三极管的电流关系 2.1.3.1 三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入 , 两个可 以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三 种组态，如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态， 见下图。 CE e b c I I B c CB c e bI B I CI E b c e I E I C I B CC 共发射极接法，发射极作为公共电极，用 CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用 CC表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用 CB表示。 2.1.3.2 三极管的电流放大系数 1.共基极直流电流放大系数 电流放大系数，一般来说是指输出电流与输入电流的比。由于组态不 同，三极管的输入电极和输出电极不同，所以对共基组态，输出电流是集 电极电流 IC，输入电流是发射极电流 IE，二电流之比的关系可定义为： E CN I I 称为共基极直流电流放大系数 。它表示最后达到集电极的电子电流 ICN与总发射极电流 IE的比值。 ICN与 IE相比，因 ICN中没有 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 111 BC B OB C IIII 2.共发射极直流电流放大系数 对共射组态的电流放大系数，输出电流是集电极电流 IC，输入 电流是基极电流 IB，二电流之比可定义： B C B OCN B C I II I I 称为共发射极接法直流电流放大系数 。于是 B C B OB B C 1) 11( I II I I B B 1) 1( I I 1 因 1, 所以 1 。 2.1.3双极型半导体三极管的电流关系 (1)三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可 以作为输入 , 两个可以作为输出，这样必然 有一个电极是公共电极。三种接法也称三种 组态 ，见图 02.03。 共集电极接法 ，集电极作为公共电极，用 CC表示 ; 共基极接法 ， 基极作为公共电极，用 CB表示。 共发射极接法 ，发射极作为公共电极，用 CE表示； 图 02.03 三极管的三种组态 (2)三极管的电流放大系数 对于集电极电流 IC和发射极电流 IE之间的 关系可以用系数来说明，定义 : ECN / II 11 C B OBC III 称为 共基极直流电流放大系数 。它表示最 后达到集电极的电子电流 ICN与总发射极电流 IE 的比值。 ICN与 IE相比，因 ICN中没有 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 B C B OB B C 1) 11( I II I I B B 1) 1( I I 1 因 1, 所以 1 定义 : =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB 称为 共发射极接法直流电流放大系数 。 于是 2.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线 这里， B表示输入电极， C表示输出电极， E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极 接法的特性曲线。 iB是输入电流， vBE是输入电压 ，加在 B、 E 两电极之间。 iC是输出电流， vCE是输出电压 ，从 C、 E 两电极取出。 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const 本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即 共发射极接法的供电电路和电压 -电流 关系如图 02.04所示 。 图 02.04 共发射极接法的电压 -电流关系 简单地看，输入特性曲线类似于发射 结的伏安特性曲线，现讨论 iB和 vBE之间的 函数关系 。因为有集电结电压的影响， 它 与一个单独的 PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除 vCE的影响，在讨论输入特性曲线 时，应使 vCE=const(常数 )。 (1) 输入特性曲线 vCE的影响，可以用 三极管的内部反馈 作用 解释，即 vCE对 iB的影响 。 共发射极接法的输入特性曲线见图 02.05。其 中 vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。 当 vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反 偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但 vCE再增 加时，曲线右移很不明 显。曲线的右移是三极 管内部反馈所致，右移 不明显说明内部反馈很 小。 输入特性曲线的分 区： 死区 非线性区 线性区 图 02.05 共射接法输入特性曲线 (2)输出特性曲线 共发射极接法的输出特性曲线如图 02.06所示，它是以 i B为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明， 当 vCE=0 V时，因集电极无收集作用， iC=0。 当 vCE稍增大时， 发射结虽处于正向电压 之下，但集电结反偏电 压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V 集电区收集电子的能力 很弱， iC主要由 vCE决定。 图 02.06 共发射极接法输出特性曲线 当 vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 vCE 1 V vBE 0.7 V 运动到集电结的电子 基本上都可以被集电 区收集，此后 vCE再增 加，电流也没有明显 的增加，特性曲线进 入与 vCE轴基本平行的 区域 (这与输入特性曲 线随 vCE增大而右移的 图 02.06 共发射极接法输出特性曲线 原因是一致的 ) 。（ 动画 2-2） 输出特性曲线可以分为三个区域 : 饱和区 iC受 vCE显著控制的区域，该区域内 vCE的 数值较小，一般 vCE 0.7 V(硅管 )。此时 发射结正偏， 集电结正偏 或反偏电压很小 。 截止区 iC接近零的区域，相当 iB=0的曲线的下方。 此时， 发射结反偏， 集电结反偏。 放大区 i C平行于 vCE轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时， 发 射结正偏， 集电结反偏， 电压大于 0.7 V左右 (硅管 ) 。 2.1.5 半导体三极管的参数 半导体三极管的参数分为三大类 : 直流参数 交流参数 极限参数 (1)直流参数 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数 =（ IC ICEO） /IBIC / IB vCE=const 在放大区基本不变。在共发射极输出特性 曲线上，通过垂直于 X轴的直线 (vCE=const)来求 取 IC / IB ，如图 02.07所示。在 IC较小时和 IC较大 时， 会有所减小，这一关系见图 02.08。 图 02.08 值与 IC的关系 图 02.07 在输出特性曲 线上决定 2.共基极直流电流放大系数 =（ IC ICBO） /IEIC/IE 显然 与 之间有如下关系 : = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ 极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流 ICBO ICBO的下标 CB代表集电极和基极， O是 Open的字头，代表第三个电极 E开 路。它相当于 集电结的反向饱和电流。 2.集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO ICEO和 ICBO有如下关系 ICEO=（ 1+ ） ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向 饱和电流，即输出特性曲线 IB=0那条曲线所对应 的 Y坐标的数值。如图 02.09所示。 图 02.09 ICEO在输 出特性曲线上的位置 (2)交流参数 交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const 在放大区 值基本不变，可在共射接法输出 特性曲线上，通过垂 直于 X 轴的直线求取 IC/IB。或在图 02. 08上通过求某一点的 斜率得到 。 具体方 法如图 02.10所示。 图 02.10 在输出特性曲线上求 2.共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当 ICBO和 ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。 特征频率 fT 三极管的 值不仅与工作电流有关，而且与 工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率 增加时，三极管的 将会下降。 当 下降到 1时所对 应的频率称为特征频率，用 fT表示。 (3)极限参数 集电极最大允许电流 ICM 如图 02.08所示，当集电极电流增加时， 就 要下降，当 值 下降到线性放大区 值的 70 30 时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电 流 ICM。 至于 值 下降多少，不同型号的三极管， 不同的厂家的规定有 所差别。可见，当 IC ICM时，并不表 示三极管 会损坏。 图 02.08 值与 IC的关系 集电极最大允许功率损耗 PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算时往往用 VCE取代 VCB。 反向击穿电压 反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电 压的能力，其测试时的原理电路如图 02.11所示。 图 02.11 三极管击穿电压的测试电路 1.V(BR)CBO 发射极开路时的集电结击穿电压。 下标 BR代表击穿之意，是 Breakdown的字头， CB 代表集电极和基极， O代表第三个电极 E开路。 2.V (BR) EBO 集电极开路时发射结的击穿电压 。 3.V(BR)CEO 基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。 对于 V(BR)CER表示 BE间接有电阻， V(BR)CES表示 BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CES V(BR)CER V(BR)CEO V(BR) EBO 由 PCM、 ICM和 V(BR)CEO在输出特性曲线上可以 确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图 02.12。 图 02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 2.1.6 半导体三极管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下 : 3 D G 110 B 第二位： A锗 PNP管、 B锗 NPN管、 C硅 PNP管、 D硅 NPN管 第三位： X低频小功率管、 D低频大功率管、 G高频小功率管、 A高频大功率管、 K开关管 用字母表示材料 用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格 三极管 表 02.01 双极型三极管的参数 参 数 型 号 P C M mW I C M mA VR CBO V VR CEO V VR EBO V I C BO A f T MHz 3AX31D 125 125 20 12 6 * 8 3BX31C 125 125 40 24 6 * 8 3CG101C 100 30 45 0.1 100 3DG123C 500 50 40 30 0.35 3DD101D 5A 5A 300 250 4 2mA 3DK100B 100 30 25 15 0.1 300 3DKG23 250W 30A 400 325 8 注： *为 f