模电第2讲 1.3

1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三三极极管管有有两两种种类类型型：NPN 和和 PNP 型型。主主要要以以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形1.3.1三极管的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图图1.3.2三极管的结构三极管的结构(a)平面型平面型(NPN)(b)合金型合金型(PNP)NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发发射射极极，b基基 极极，c 集电极。集电极。平面型平面型(NPN)三极管制作工艺三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散e磷磷杂质扩散杂质扩散磷磷杂质扩散杂质扩散磷磷杂质扩散杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在在 N 型型硅硅片片(集集电电区区)氧氧化化膜膜上上刻刻一一个个窗窗口口，将将硼硼杂杂质质进进行行扩扩散散形形成成 P 型型(基基区区)，再再在在 P 型型区区上上刻刻窗窗口口，将将磷磷杂杂质质进进行行扩扩散散形形成成N型型的的发发射射区区。引引出三个电极即可。出三个电极即可。合合金金型型三三极极管管制制作作工工艺艺：在在 N 型型锗锗片片(基基区区)两两边边各各置置一一个个铟铟球球，加加温温铟铟被被熔熔化化并并与与 N 型型锗锗接接触触，冷冷却却后后形形成成两两个个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型1.3.2三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动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三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.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，而而且且掺掺杂杂较较少少。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。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直直流流电电流放大系数流放大系数，即，即一般可达一般可达 0.95 0.99三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。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。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 IC 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时时，这这个个电电压压有有利利于于将将发发射射区区扩扩散散到到基基区区的的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。三极管处于放大状态。*特性右移特性右移(因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子)OIB/AUCE 1 时的时的输入特性具有实用意义。输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321划划分分三三个个区区：截截止止区区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1.截截止止区区IB 0 的的区域。区域。两两个个结结都都处处于于反反向向偏偏置。置。IB=0 时时，IC=ICEO。硅硅管管约约等等于于 1 A，锗锗管管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。截止区截止区截止区截止区2.放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特特点点：各各条条输输出出特特性性曲曲线线比比较较平平坦坦，近近似似为为水水平平线线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321放放大大区区集集电电极极电电流流和和基基极极电电流流体现放大作用，即体现放大作用，即放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特特点点：IC 基基本本上上不不随随 IB 而而变变化化，在在饱饱和和区区三三极极管管失失去放大作用。去放大作用。I C IB。当当 UCE=UBE，即即 UCB=0 时时，称称临临界界饱饱和和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管)，UCES 0.2 V(锗管锗管)饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区1.3.4三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ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法共基极接法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、电流放大系数是是表征管子放大作用的参数。有以下几个：表征管子放大作用的参数。有以下几个：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：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。值值愈大，则该管的愈大，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1.3.5PNP 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+uoui PNP 三三极极管管电电流流和和电电压实际方向。压实际方向。UCEUBE+IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP 三三极极管管各各极极电电流流和电压的规定正方向。和电压的规定正方向。PNP 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电电压压(UBE、UCE)实实际际方方向向与与规规定定正正方方向向相相反反。计计算算中中UBE、UCE 为为负负值值；输输入入与与输输出出特特性性曲曲线线横横轴轴为为(UBE)、(UCE)。发射结反向偏置发射结反向偏置发射结反向偏置发射结反向偏置,集电结反向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置,三极管工作在截止区三极管工作在截止区三极管工作在截止区三极管工作在截止区,可调换可调换可调换可调换 E EB B 极性。极性。极性。极性。发射结反向偏置发射结反向偏置发射结反向偏置发射结反向偏置,三极管工作在截止区三极管工作在截止区三极管工作在截止区三极管工作在截止区,可调换可调换可调换可调换 E EC C 极性极性极性极性,或将或将或将或将VTVT更换为更换为更换为更换为PNPPNP型。型。型。型。两两两两PNPN结均结均结均结均正偏三极正偏三极正偏三极正偏三极管工作在管工作在管工作在管工作在饱和区。饱和区。饱和区。饱和区。例例例例1.3.1 1.3.1 判断图示各电路中三极管的工作状态。判断图示各电路中三极管的工作状态。判断图示各电路中三极管的工作状态。判断图示各电路中三极管的工作状态。0.70.7V VVTVT0.30.3V VR Rb bR Rc cE EC CE EB BVTVTR Rb bR Rc cE EC CVTVTE EB B=I IB B R Rb b+U UBEBEI IB BI IC CI IB B =46.546.5 A A I IB B =2.3 2.3 mAmAI IC C=I IB B =2.3 2.3 mAmAU UCE CE =E EC C-I IC C R Rc c =5.45.4 V V发射结正偏集电结反偏，发射结正偏集电结反偏，发射结正偏集电结反偏，发射结正偏集电结反偏，三极管工作在放大区。三极管工作在放大区。三极管工作在放大区。三极管工作在放大区。R Rb bR RC CE EC CE EB BVTVT2k2k200k200k10V10V10V10V=50=50E EB B=I IB B R Rb b+U UBEBEI IB BI IC CI IB B =465465 A A I IB B =23 23 mAmA假设三极管饱和，假设三极管饱和，假设三极管饱和，假设三极管饱和，U UCES CES =0.30.3 V V则则则则I ICS CS =E EC C-U UCESCESR Rc c=4.854.85 mAmA I IB B I ICS CS 假设成立，假设成立，假设成立，假设成立，三极管工作在饱和区。三极管工作在饱和区。三极管工作在饱和区。三极管工作在饱和区。或者或者或者或者I IC C=I IB B =23 23 mAmAU UCE CE =E EC C-I IC C R Rc c =-=-3636 V V发射结正偏集电结正偏，发射结正偏集电结正偏，发射结正偏集电结正偏，发射结正偏集电结正偏，三极管工作在饱和区。三极管工作在饱和区。三极管工作在饱和区。三极管工作在饱和区。R Rb bR RC CE EC CE EB BVTVT2k2k20k20k10V10V10V10V=50=50