双极型半导体三极管课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,02 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,I,EN,。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,I,EP,。,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,I,CN,。,在基区被复合的电子形成的电流是,I,BN,。,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流,I,CBO,。,于是可得如下电流关系式:,I,E,=,I,EN,+,I,EP,且有,I,EN,I,EP,I,EN,=,I,CN,+,I,BN,且有,I,EN,I,BN,，,I,CN,I,BN,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,I,B,=,I,EP,+,I,BN,I,CBO,I,E,=,I,EP,+,I,EN,=,I,EP,+,I,CN,+,I,BN,=(,I,CN,+,I,CBO,)+(,I,BN,+,I,EP,I,CBO,),I,E,=,I,C,+,I,B,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,I,E,=,I,C,+,I,B,。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,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,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。,I,EN,I,CN,I,EP,I,CEO,I,E,I,C,I,B,I,BN,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,I,E,=,I,EN,+,I,EP,且,I,EN,I,EP,I,C,= I,CN,+I,CBO,I,CN,= I,EN,-,I,BN,I,B,=,I,EP,+,I,BN,-,I,CBO,由此可写出三极管三个电极的电流,I,EN,I,CN,I,EP,I,CEO,I,E,I,C,I,B,I,BN,I,E,=,I,EN,+,I,EP,且,I,EN,I,EP,I,C,= I,CN,+I,CBO,I,CN,= I,EN,-,I,BN,I,B,=,I,EP,+,I,BN,-,I,CBO,发射极电流：,I,E,=,I,EN,I,EP,且有,I,EN,I,EP,集电极电流：,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,I,CN,=,I,EN,-,I,BN,且有,I,EN,I,BN,，,I,CN,I,BN,基极电流：,I,B,=,I,EP,+,I,BN,I,CBO,所以，发射极电流又可以写成,I,E,=,I,EP,+,I,EN,=,I,EP,+,I,CN,+,I,BN,=(,I,CN,+,I,CBO,)+(,I,BN,+,I,EP,I,CBO,)=,I,C,+,I,B,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。,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。,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,I,C,，输入电流是发射极电流,I,E,，二电流之比的关系可定义为：,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,I,CN,与总发射极电流,I,E,的比值。,I,CN,与,I,E,相比，因,I,CN,中没有,I,EP,和,I,BN,，所以,的值小于,1,， 但接近,1,。由此可得：,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,=,I,E,+,I,CBO,= (,I,C,+,I,B,)+,I,CBO,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,I,C,，输入电流是基极电流,I,B,，二电流之比可定义：,称为共发射极接法直流电流放大系数,。于是,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,I,C,和发射极电流,I,E,之间的关系可以用系数来说明，定义:,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,I,CN,与总发射极电流,I,E,的比值。,I,CN,与,I,E,相比，因,I,CN,中没有,I,EP,和,I,BN,，,所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,=,I,E,+,I,CBO,= (,I,C,+,I,B,)+,I,CBO,因 1, 所以,1,定义:,=,I,C,/,I,B,=(,I,CN,+,I,CBO,)/,I,B,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。,i,B,是输入电流，,v,BE,是输入电压,，加在,B、E,两电极之间。,i,C,是输出电流，,v,CE,是输出电压,，从,C、E,两电极取出。,输入特性曲线,i,B,=,f,(,v,BE,),v,CE,=const,输出特性曲线,i,C,=,f,(,v,CE,),i,B,=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,i,B,和,v,BE,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,v,CE,的影响，在讨论输入特性曲线时，应使,v,CE,=const(,常数)。,(1) 输入特性曲线,v,CE,的影响，可以用,三极管的内部反馈作用,解释，即,v,CE,对,i,B,的影响 。,共发射极接法的输入特性曲线见图,02.05,。其,中,v,CE,=0V,的那一条相当于发射结的正向特性曲线。,当,v,CE,1V,时，,v,CB,=,v,CE,-,v,BE,0，集电结已进入反,偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，,I,C,/,I,B,增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但,v,CE,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,v,CE,=0,V,时，因集电极无收集作用，,i,C,=0。,当,v,CE,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,v,CE, 1,V,v,BE,=0.7,V,v,CB,=,v,CE,-,v,BE,= 0.7,V,集电区收集电子的能力,很弱，,i,C,主要由,v,CE,决定。,图,02.06 共发射极接法输出特性曲线,当,v,CE,增加到使集电结反偏电压较大时，如,v,CE,1,V,v,BE,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,v,CE,再增,加，电流也没有明显,的增加，特性曲线进,入与,v,CE,轴基本平行的,区域 (这与输入特性曲,线随,v,CE,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,i,C,受,v,CE,显著控制的区域，该区域内,v,CE,的,数值较小，一般,v,CE,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,i,C,接近零的区域，相当,i,B,=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,v,CE,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,=（,I,C,I,CEO,）/,I,B,I,C,/,I,B,v,CE,=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(,v,CE,=const),来求,取,I,C,/,I,B,，如图02.07所示。在,I,C,较小时和,I,C,较大,时， 会有所减小，这一关系见图02.08。,图02.08 值与,I,C,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,=（,I,C,I,CBO,）/,I,E,I,C,/,I,E,显然 与 之间有如下关系:,=,I,C,/,I,E,=,I,B,/,1+,I,B,= /,1+,极间反向电流,1.集电极基极间反向饱和电流,I,CBO,I,CBO,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,I,CEO,I,CEO,和,I,CBO,有如下关系,I,CEO,=（1+ ）,I,CBO,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,I,B,=0,那条曲线所对应,的,Y,坐标的数值。如图02.09所示。,图02.09,I,CEO,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,=,I,C,/,I,B,v,CE,=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,I,C,/,I,B,。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,=,I,C,/,I,E,V,CB,=const,当,I,CBO,和,I,CEO,很小时，,、,，可以不加区分。,特征频率,f,T,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,f,T,表示。,(3)极限参数,集电极最大允许电流,I,CM,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7030,时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电,流,I,CM,。,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,I,C,I,CM,时，并不表,示三极管,会损坏。,图02.08 值与,I,C,的关系,集电极最大允许功率损耗,P,CM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，,P,CM,=,I,C,V,CB,I,C,V,CE,，,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,V,CE,取代,V,CB,。,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)CB,O,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) EB,O,集电极开路时发射结的击穿电压,。,3.,V,(BR)CE,O,基极开路时集电极和发射极间的,击穿电压。,对于,V,(BR)CE,R,表示,BE,间接有电阻，,V,(BR)CE,S,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)CBO,V,(BR)CES,V,(BR)CER,V,(BR)CEO,V,(BR) EBO,由,P,CM、,I,CM,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,3,AX31D,125,125,20,12,6,*,8,3,BX31C,125,125,40,24,6,*,8,3,CG101C,100,30,45,0.1,100,3,DG123C,500,50,40,30,0.35,3,DD101D,5,A,5,A,300,250,4,2,mA,3,DK100B,100,30,25,15,0.1,300,3,DKG23,250,W,30,A,400,325,8,注：*为,f,