第15双极型半导体晶体管

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5,双极型晶体管的工作原理,1.5.1,双极型晶体管的结构,1.5.,2,双极型晶体管的电流分配关系,1.5.,3,晶体管的电流放大系数,1.5.,4,晶体管的特性曲线,1.5.,5,晶体管的参数,1.5.,6,晶体管的型号,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,双极型晶体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,）,。,晶体管英文称为,Transister,，在中文中称为晶体管或半导体三极管。晶体管有两大类型,:,一是,双极型,晶体管,(BJT),，,二是,场效应,晶体管,(FET),。,场效应型晶体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,）,。,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,图,01.03.01,晶体管的两种结构,1.5.1,双极型晶体管的结构,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,晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，代表发射极电流的实际方向。,双极型半导体晶体管有两种结构，,NPN,型和,PNP,型，见图,01.03.01,。,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.2,双极型晶体管的电流分配关系,双极型晶体管在制造时，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。从结构上看双极型晶体管是对称的，但因工艺参数不同，发射极和集电极不能互换。,双极型晶体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,型晶体管的放大状态为例，来说明晶体管内部的电流关系。,1.5.2.1,晶体管内部载流子的运动,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,I,EN,I,EP,I,CBO,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,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,CN,图,01.03.02,晶体管中载流子的运动,如何保证注入的载流子尽可能的到达集电区？,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,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,1.5.2.2,晶体管电极电流的关系,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,I,EN,I,EP,I,CBO,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,I,CN,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.3,晶体管的电流放大系数,1.5.,3.1,三种组态,双极型晶体管有三个电极，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。晶体管的三种组态见图,01.03.03,。,图,01.03.03,晶体管的三种组态,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。,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.,3.2,晶体管的电流放大系数,1.5.,3.2.1,共基极组态直流电流放大系数,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，晶体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,。定义集电极电流的主要部分,I,CN,与发射极电流,I,E,之比为共基极直流电流放大系数：,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,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,I,EN,I,EP,I,CBO,I,E,I,C,I,B,I,BN,I,CN,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.,3.2.2,共发射极组态直流电流放大系数,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。,因 ,1,所以,1,。,I,EN,I,EP,I,CBO,I,E,I,C,I,B,I,BN,I,CN,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.4,晶体管的特性曲线,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，,u,BE,是输入电压,，加在,B,、,E,两电极之间。,i,C,是输出电流，,u,CE,是输出电压,，从,C,、,E,两电极取出。,输入特性曲线,i,B,=,f,(,u,BE,),u,CE,=const,输出特性曲线,i,C,=,f,(,u,CE,),i,B,=const,本节介绍共发射极接法晶体管的特性曲线，即,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,共发射极接法的供电电路和电压,-,电流关系如图,01.03.04,所示。,图,01.03.04,共发射极接法的电压,-,电流关系,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,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,u,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,u,CE,变化的影响，在讨论输入特性曲线时，应使,u,CE,=const(,常数,),。,1.5.4.1,输入特性曲线,u,CE,的影响，可以用,三极管的内部反馈作用,解释，即,u,CE,对,i,B,的影响。,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,共发射极接法的输入特性曲线见图,01.03.05,。其中,U,CE,=0V,的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当,U,CE,1V,时，,U,CB,=,U,CE,-,U,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,U,CE,再增加时，,曲线右移很不明显。,曲线右移是晶体管内部,反馈所致，因该反馈很小右,移不明显。,输入特性曲线的,分区：,死区,非线性区,近似线性区,图,01.03.05,共射接法输入特性曲线,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,共发射极接法的输出特性曲线如图,01.03.06,所示，它是,以,I,B,为参变量的一族特性曲线。,图,01.03.06,共射接法输出特性曲线,1.5.4.2,输出特性曲线,当,U,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,U,CE,1 V,、,U,BE,=0.7 V,U,CB,=,U,CE,-,U,BE,=1,。,同样,可以推导出 和 的关系：,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.5.1.2.1,集电结反向饱和电流,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。,1.5.5.1.2.2,穿透电流,I,CEO,I,CEO,和,I,CBO,有如下关系,:,I,CEO,=,（,1+,）,I,CBO,I,CEO,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。如图所示。,1.5.5.1.2,极间反向电流,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,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,。见,图,01.03.10,，在工作点附近,求,I,C,和,I,B,，即可得到,。,图,01.03.10,在输出特性曲线上求,1.5.5.2,交流参数,1.5.5.2.1,交流电流放大系数,1.5.5.2.1.1,共发射极组态交流电流放大系数,Q,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.5.2.1.2,共基极组态交流电流放大系数,1.5.,5.2.2,特征频率,f,T,晶体管的,值不仅仅与工作电流有关，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，晶体管的,值,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。,当,I,CBO,和,I,CEO,很小时，,、,，可以不加区分。,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.5.5.3.1,集电极最大允许电流,I,CM,如图,01.03.11,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,I,CM,。,1.5.5.3,极限参数,图,01.03.11,值与,I,C,的关系,至于,值,下降多,少，不同型号的晶体,管，不同的厂家的规定,有所差别。可见，当,I,C,I,CM,时，并不表示晶,体管,会损坏。,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,集电极电流通过集电结时所产生的功耗,P,CM,=,I,C,U,CB,I,C,U,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,U,CE,取代,U,CB,。,1.5.5.3.2,集电极最大允许功率损耗,P,CM,图,01.03.08,输出特性曲线的安全工作区,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,反向击穿电压表示晶体管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图,01.03.12,所示。,U,(BR)CEO,U,(BR)CBO,图,01.03.12,晶体管击穿电压的测试电路,U,(BR)CES,U,(BR)CER,1.5.5.3.3,反向击穿电压,U,(BR)EBO,HIT,基础电子技术电子教案,-,双极型半导体晶体管,1.,U,(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.,U,(BR)EB,O,集电极开路时发射结的击穿电压。,3.,U,(BR)CE,O,基极开路集电极和发射极间的击穿电压。,U,(BR)CBO,U,(BR)CEO,对于,U,(BR)CE,R,表示,BE,间接有电阻，,U,(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,U,(BR)CBO,U,