第3讲-半导体基础知识三极管课件

晶体三极管晶体三极管 晶体三极管又称双极型晶体管晶体三极管又称双极型晶体管(BJT)(BJT)，一般由两个背靠，一般由两个背靠背的背的PNPN结构成，根据这两个结构成，根据这两个PNPN结的排列方式不同，三极管分结的排列方式不同，三极管分为为NPNNPN型和型和PNPPNP型型两种。两种。NPN型型CP PN NN NE EB B发射区集电区基区基极发射极集电极集电结发射结PNP型型N NP PP PE EB B基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCNPNBETCPNP 晶体三极管又称双极型晶体管晶体三极管又称双极型晶体管(BJT)，一般由两个，一般由两个晶体三极管晶体三极管 晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，它的主要特性与其工作模式有关。它的主要特性与其工作模式有关。晶体三极管有三种工作模式：晶体三极管有三种工作模式：放大模式放大模式 饱和模式饱和模式 截止模式截止模式 晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，晶体三极管晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，晶体三极管晶体三极管晶体三极管2.2 2.2 放大模式下的工作原理放大模式下的工作原理 放大模式是指晶体管工作在放大模式是指晶体管工作在发射结正偏、发射结正偏、集电结反偏集电结反偏的模式。这时它呈现的主要特的模式。这时它呈现的主要特 性是性是正向受控正向受控作用，即三极管的集电极电作用，即三极管的集电极电 流和发射极电流只受正偏发射结电压的控流和发射极电流只受正偏发射结电压的控 制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。这种作用是实现放大器的基础。这种作用是实现放大器的基础。2.2 放大模式下的工作原理放大模式下的工作原理 放大模式是指晶体放大模式是指晶体晶体三极管晶体三极管2.2.1三极管的放大作用和载流子的运动三极管的放大作用和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不不具具备备放大作用放大作用2.2.1三极管的放大作用和载流子的运动以三极管的放大作用和载流子的运动以 NPN 型三极型三极晶体三极管晶体三极管三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基基区区做做得得很很薄薄。通通常常只只有有几几微微米米到到几几十十微微米米，而而且且掺掺杂较少杂较少。三三极极管管放放大大的的外外部部条条件件：外外加加电电源源的的极极性性应应使使发发射射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基区做得很基区做得很晶体三极管晶体三极管becRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程I EIB1.发发射射发发射射区区的的电电子子越越过过发发射射结结扩扩散散到到基基区区，基基区区的的空空穴穴扩扩散散到到发发射射区区形形成成发发射射极极电电流流 IE(基基区区多多子子数数目目较较少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略)。2.复复合合和和扩扩散散电电子子到到达达基基区区，少少数数与与空空穴穴复复合合形形成成基基极极电电流流 Ibn，复复合合掉的空穴由掉的空穴由 VBB 补充补充。多多数数电电子子在在基基区区继继续续扩扩散，到达集电结的一侧。散，到达集电结的一侧。图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动becRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程I EIB1.发射发射晶体三极管晶体三极管becI EI BRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3.收收集集集集电电结结反反偏偏，有有利利于于收收集集基基区区扩扩散散过过来来的的电电子子而而形形成成集集电电极极电电流流 Icn。其其能能量量来来自自外外接接电电源源 VCC。I C另另外外，集集电电区区和和基基区区的的少少子子在在外外电电场场的的作作用用下下将将进进行行漂漂移移运运动动而而形形成成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。ICBO图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动becI EI BRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3.收收晶体三极管晶体三极管beceRcRb三极管的电流分三极管的电流分配关系配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp一一般般要要求求 ICn 在在 IE 中中占占的的比比例例尽尽量量大大。而而二二者者之之比比称称共共基基直直流电流放大系数流电流放大系数，即，即一般可达一般可达 0.95 0.99beceRcRb三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系IEpICBOIEI晶体三极管晶体三极管三个极的电流之间满足节点电流定律，即三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IB代入代入(1)式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。三个极的电流之间满足节点电流定律，即三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IB晶体三极管晶体三极管上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示，表示，ICEO 称穿透电流。称穿透电流。当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略 ICEO，则由上式可得，则由上式可得共共射射直直流流电电流流放放大大系系数数 近近似似等等于于 IC 与与 IB 之之比比。一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示，表示，ICEO 称穿透电流。当称穿透电流。当晶体三极管晶体三极管三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961.任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB ICVVBEBE 所以：所以：I IB B=0=0，I IC C I ICEOCEO 结论：结论：发射结反向偏置时，发射结反向偏置时，晶体管是截止的。晶体管是截止的。1.截止区截止区 晶体管工作在截止模式下，有：晶体管工作在截止模式下，有：晶体三极管晶体三极管2.放大区放大区 晶体管工作在放大模式下，晶体管工作在放大模式下，V VBEBE Von,VCEVBE，此时特，此时特性曲线表现为近似水平的部分，性曲线表现为近似水平的部分，而且变化均匀：而且变化均匀：I IC C的大小受的大小受I IB B的控制；的控制；IIc cIIB B；具强的电流放大；具强的电流放大作用。作用。随着随着V VCECE的增加，曲线的增加，曲线有些上翘。有些上翘。理想情况下，当理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性曲按等差变化时，输出特性曲线是一族与横轴平行的等距离线。线是一族与横轴平行的等距离线。2.放大区放大区 晶体管工作在放大模式下，晶体管工作在放大模式下，VBEVon晶体三极管晶体三极管3.饱和区饱和区 条件：条件：VBEVon，VBCVBE特点：此时曲线簇靠近纵轴特点：此时曲线簇靠近纵轴附近，各条曲线的上升部分附近，各条曲线的上升部分十分密集，几乎重叠在一起，十分密集，几乎重叠在一起，可以看出：可以看出：当当IB改变时，改变时，I IC C基基本上不会随之而改变本上不会随之而改变。关于晶体管的饱和程度：关于晶体管的饱和程度：一般认为一般认为，当，当 VCE=VBE 时时的状态为临界状态（的状态为临界状态（VCB=0）3.饱和区饱和区 条件：条件：VBEVon，VBCVBE关于晶体关于晶体晶体三极管晶体三极管 饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，分别为分别为 和和对于硅管，一般取对于硅管，一般取共发射极连接时共发射极连接时2.3.3 晶体三极管的饱和模式晶体三极管的饱和模式 当三极管的发射结和集电结当三极管的发射结和集电结均加正偏均加正偏时，它工作在饱和时，它工作在饱和模式。模式。和和 将同时受到两个结正偏电压的控制，不再具有将同时受到两个结正偏电压的控制，不再具有放大模式下的正向受控作用。放大模式下的正向受控作用。饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，晶体三极管晶体三极管2.3.4 晶体三极管的截止模式晶体三极管的截止模式三极管工作在截止模式时，发射结与集电结均反偏。三极管工作在截止模式时，发射结与集电结均反偏。若忽略两个结的反向饱和电流，则可近似认为晶体三若忽略两个结的反向饱和电流，则可近似认为晶体三极管的各级电流均为零。极管的各级电流均为零。其简化模型可用其简化模型可用两段开路线表示：两段开路线表示：2.3.4 晶体三极管的截止模式三极管工作在截止模式时，发射晶体三极管的截止模式三极管工作在截止模式时，发射晶体三极管晶体三极管2.6三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的连接方式三极管的连接方式VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共发射极接法共发射极接法图图 1.3.10NPN 三极管的电流放大关系三极管的电流放大关系一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法共基极接法2.6三极管的主要参数三极管的连接方式三极管的主要参数三极管的连接方式VCCRb+VBBC晶体三极管晶体三极管1.共射电流放大系数共射电流放大系数 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数忽略穿透电流忽略穿透电流 ICEO 时，时，3.共基电流放大系数共基电流放大系数 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时，时，和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：1.共射电流放大系数共射电流放大系数 2.共射直流电流放大系数忽略穿透共射直流电流放大系数忽略穿透晶体三极管晶体三极管二、反向饱和电流二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电测量电路路(b)ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小小功功率率锗锗管管 ICBO 约约为为几几微微安安；硅硅管管的的 ICBO 小小，有有的的为为纳纳安数量级。安数量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流。之间的电流。值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。图图 1.3.11反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路二、反向饱和电流二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICB晶体三极管晶体三极管三、三、极限参数极限参数1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 IC 过过大大时时，三三极极管管的的 值值要要减减小小。在在 IC=ICM 时时，值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区 将将 IC 与与 UCE 乘乘积积等等于于规规定定的的 PCM 值值各各点点连连接接起起来来，可得一条双曲线。可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区三、三、极限参数极限参数1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 晶体三极管晶体三极管3.极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基基 极极 开开 路路 时时，集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的反反向击穿电压。向击穿电压。U(BR)CBO：发发射射极极开开路路时时，集集电电极极和和基基极极之之间间的的反向击穿电压。反向击穿电压。安安全全工工作作区区同同时时要要受受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区3.极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电晶体三极管晶体三极管2.7PNP 型三极管型三极管放放大大原原理理与与 NPN 型型基基本本相相同同，但但为为了了保保证证发发射射结结正正偏，集电结反偏，外加电源的极性与偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型型VCCVBBRCRb+uoui2.7PNP 型三极管放大原理与型三极管放大原理与 NPN 型基本相同，型基本相同，晶体三极管晶体三极管2.72.7温度对晶体三极管特性的影响温度对晶体三极管特性的影响 由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。主要表现在以下三度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。主要表现在以下三个方面：个方面：(2)(2)温度对温度对V VBEBE的影响：的影响：输入特性曲线随温度升高向输入特性曲线随温度升高向左移左移，这，这样在样在I IB B不变时，不变时，V VBEBE将减小。将减小。V VBEBE随温度变化的规律与二极管随温度变化的规律与二极管正向导通电压一样，即：温度每升高正向导通电压一样，即：温度每升高11，V VBEBE减小减小2 22.5mV2.5mV。(1)(1)温度对温度对I ICBOCBO的影响：的影响：I ICBOCBO是集电结的反向饱和电流，它随是集电结的反向饱和电流，它随温度变化的规律是：温度变化的规律是：温度每升高温度每升高1010，I ICBOCBO约增大一倍。约增大一倍。2.7温度对晶体三极管特性的影响温度对晶体三极管特性的影响 由于三极管也是由半由于三极管也是由半晶体三极管晶体三极管(3)(3)温度对温度对的影响：晶体管的电流放大系数的影响：晶体管的电流放大系数随温度升随温度升高而增大，变化规律是：高而增大，变化规律是：每升高每升高11，值增大值增大0.50.51%1%。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。总之：温度对总之：温度对V VBEBE、I ICBOCBO和和的影响反映在管子上的集电极的影响反映在管子上的集电极电流电流I Ic c上，它们都是上，它们都是使使I Ic c随温度升高而增大随温度升高而增大，这样造成的，这样造成的后果将在后面的放大电路的稳定性及反馈中详细讨论。后果将在后面的放大电路的稳定性及反馈中详细讨论。(3)温度对温度对的影响：晶体管的电流放大系数的影响：晶体管的电流放大系数随温度升高而增大随温度升高而增大晶体三极管晶体三极管（1 1）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。（2 2）为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，）为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，外加的电源的极性应使三极管的发射结处于正向偏置状外加的电源的极性应使三极管的发射结处于正向偏置状态，集电结则处于反向偏置状态。态，集电结则处于反向偏置状态。晶体管三极管的工作特点晶体管三极管的工作特点（1）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管晶体管三极）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管晶体管三极晶体三极管晶体三极管（3 3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。波形仍有一定程度的非线性失真。（4 4）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如、r rbebe等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大电路的基本不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大电路的基本分析方法是分析方法是图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。（3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性