三极管工作原理及详解

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,*,*,*,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,*,*,*,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,*,*,*,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,*,*,*,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,*,*,*,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，又称为双极结型晶体管,（BJT）,b,e,c,N,N,P,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,NPN,型,PNP,型,c,b,e,b,c,e,三极管的发射极的箭头方向，代表三极管工作在放大，饱和状态时，发射极电流（,I,E,）的实际方向。,1.3.1 概述,半导体三极管的分类：,按材料分：,硅管、锗管,按功率分：,小功率管, 1 W,中功率管,0.5,1 W,按结构和材料共有,4,种组合,1.3.2 半导体三极管的工作原理,半导体,半导体三极管,有共有四种工作状态,：,三极管的电流放大条件,内部：发射区高掺杂，基区很薄，集电结面积大,外部：发射结,正偏,，集电结,反偏,1.,工作于放大状态的半导体三极管,发射结正偏,集电结反偏,U,BB,R,B,U,CC,R,C,外电场方向,e,b,c,三极管的,电流放大条件,内部,：发射区高掺杂，基区很薄，集电结面积大,外部,：发射结,正偏,，集电结,反偏,N,N,P,U,BB,R,B,U,CC,R,C,1,、发射区的电子大量地扩散注入到基区，基区空穴的扩散可忽略。,e,b,c,I,E,发射结正偏,集电结反偏,外电场方向,N,N,P,U,BB,R,B,U,CC,R,C,1,、发射区的电子大量地扩散注入到基区，基区空穴的扩散可忽略。,2,、电子扩散的同时，在基区将与空穴相遇产生复合。由于基区空穴浓度低，且基区做得很薄，因此，复合的电子是极少数。,3,、绝大多数到基区的电子均能扩散到集电结处，并在集电结电场作用下到达集电区。,4,、因集电结反偏，集电区和基区中少子在结电场作用下漂移，形成很小的且与集电结的反偏压无关的反向饱和电流。,e,b,c,I,E,I,B,I,C,发射结正偏,集电结反偏,外电场方向,N,N,P,I,CBO,1,、大量电子,N,2,通过很薄的基极被集电极吸收，少量电子,N,1,在基极与空穴复合。,N,2,和,N,1,的比例由三极管内部结构决定。,在不考虑,I,CBO,时：,I,C,/,I,B,=,N,2,/,N,1,=,2,、以上公式是右方电路满足发射结正偏、集电结反偏时得到的，一旦外界条件改变到不再满足这两个条件，则以上公式不再成立。,电流分配关系,电压分配关系,U,BE,正向导通,:,硅管大约,0.7V,锗管大约,0.2V,U,CE,=,U,CC,-,I,C,*,R,c,U,CC,-,I,B,*,R,c,三极管的放大原理归结为：,内部机制：,发射区高掺杂，基区很薄，集电结面积大,外部条件：,发射结,正偏,，集电结,反偏,载流子传输：,发射区向基区提供载流子,基区传送和,控制,载流子,集电区收集载流子,很小的,I,B,控制,I,C,I,C,=,I,B,基极电流和集电极电流除直流分量外还有交流分量，且,i,C,=,i,B,。放大电路是在,u,i,的作用下，改变,i,B,，并通过,i,B,控制直流电源供给集电极电流,i,C,，使其产生相应的交流分量，并在足够大的,R,C,上形成较大的电压降，就有了可供输出的经放大的交流电压,u,o,。,由放大状态进入截止状态的,临界情况是发射结电压为零,，此时基区的反向电流分别流入发射极和集电极。,2.,工作于截止状态的半导体三极管,放大状态时有：,I,C,=,I,B,+,I,CEO,I,B,U,CE,=,U,CC,-,I,C,*,R,c,减小,R,b,，,I,B,增大；,I,C,增大，,U,CE,减小,集电结反偏电压减小。,3.,工作于饱和状态的半导体三极管,饱和后，,U,CE,0,I,C,=(,U,CC,-,U,CES,)/,R,c,I,C,U,CC,/,R,c,饱和条件：,I,B,I,C,/,I,B,(,U,CC,-,U,CES,)/,R,c,U,CC,/(,R,c,）,三极管饱和时的管压降,U,CE,被称作为三极管的饱和压降,U,CES,4.,工作于倒置状态的半导体三极管,放大,倒置,由于内部结构原因，集电区掺杂的浓度低，正偏的集电区不能提供大量的电子发射，发射结也不能有效收集电子，所以倒置状态电流放大倍数很小，不采用。,NPN,型,PNP,型,c,b,e,b,c,e,判断放大状态时的引脚,U,C,U,B,U,E,U,C,U,B,U,E,U,B,U,C,U,E,U,C,U,B,U,B,U,E,PNP:,U,E,U,B,U,C,Si:,U,BE,=0.7V,Ge:,U,BE,=0.2V,c,b,e,c,b,e,c,b,e,b,c,e,c,b,e,1、无正向导通电压的处在截止状态,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,例,1-5 NPN: (3)2V, 5V, 1V,1V,2V,5V,例,1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V,PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和,例,1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V,(3)2V,5V,1V,PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,1、无正向导通电压的处在截止状态,2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和,3、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,1、无正向导通电压的处在截止状态,例,1-5 NPN:(2) 0.3V,0.3V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V,-0.2V,0V,-0.05V,1V,0.3V,0.35V,NPN: 0.35V,0.3V,1V,PNP: -0.2V,0V,-0.05V,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,例,1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V,(2) 0.3V,0.3V,1V,(3)2V,5V,1V,PNP:,(1) -0.2V,0V,0V,(2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,1、无正向导通电压的处在截止状态,2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和,3、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极,4、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,例,1-5 NPN: (1) 1V,0.3V, 3V,B E C,PNP: (2) -3V,-0.2V,0V,C B E,(3)1V, 1.2V, -2V,B E C,1、无正向导通电压的处在截止状态,2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和,3、如果饱和则先判断基极，再判断集电极和发射极,4、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压,5、,有正向导通电压,一般,按放大状态去判断,讨论：,P40,题1-18，,1-20,图,1-33,，,1-36,三极管状态电流判断条件说明,放大、饱和,放大状态时：,I,C,=(,U,CC,-,U,CE,) /,R,C,=,I,B,I,C,随着,I,B,的增大而增大,饱和状态时：,I,C,=,（,U,CC,-,U,CES,) /,R,C,I,C,受外电路限制不再随,I,B,变化。,三极管饱和压降,U,CES,硅,0.7V,锗,I,C,/,时，三极管处于 饱和状态,（3）当,I,B,=,I,C,=0时，三极管处于放大状态,2、当只有,I,B,已知时：,（1）当0,I,B,I,BS,时，三极管处于饱和状态,3、当只有,I,C,已知时：,（1）当,U,CE,=,U,CC,-,I,C,R,C,U,CES,时，三极管处于放大状态,（2）当0,U,CE,U,CES,时，三极管处于饱和状态,硅0.7V锗0.2V,三极管状态电流判断条件说明,U,cc,R,c,c,b,e,U,bb,R,b,R,e,U,CE,射极无电阻时：,U,CE,=,U,CC,-,I,C,R,C,射极有电阻时：,U,CE,=,U,CC,-,I,C,R,C,-,I,E,R,E,U,CC,-,I,C,(,R,C,+,R,E,),则此时的,I,BS,=(U,CC,-U,CES,)/,(,R,C,+,R,E,),U,CC,/,(,R,C,+,R,E,),三极管状态电流判断条件说明,思考：射极加上电阻后的,I,BS,变化吗？如变化如何变化？,例2. NPN型接法如下。,U,BE,=0.7V，分析电路中三极管处于何种工作状态,R,b,+U,cc,R,c,c,b,e,（a）,R,b,=100k,R,c,=2k,=40,U,cc=5V,因为,I,B,I,BS,，,所以三极管处在饱和状态,例2. NPN型接法如下。,U,BE,=0.7V，分析电路中三极管处于何种工作状态,（c）,R,b,=30k,R,c,=2.5k,=35,U,cc,=5V,U,i,=0V或3V,U,i,=3V，,I,B,I,BS,，故三极管处在饱和状态,U,i,=0V，发射结无正偏，故三极管截止,U,i,=3V,R,b,+U,cc,R,c,c,b,e,U,i,1.3.3 半导体三极管的基本组态和特性曲线,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；,BJT,的三种组态,三极管共射输入特性曲线研究共射电路输入端,I,B,和,U,BE,的关系。,一般来说，,I,B,和,U,BE,的关系就是一个PN结的特性曲线关系。,U,CE,=0V时，三极管饱和，,I,B,较大。,U,CE,1,V时，三极管放大状态，,I,B,比饱和状态稍少，以后随着,U,CE,增大，,I,B,增大不明显。,u,CE,=0V,I,B,(,A),u,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,u,CE,1V,1.,共发射极输入特性曲线,截止区：发射结反偏，集电结反偏。,I,B,=0,u,BE,u,BE,。,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,U,CE,(V),3,6,9,12,1,2,3,4,I,C,(,m,A ),2.,共发射极输出特性曲线,放大区：发射结正偏，集电结反偏。,u,BE,0,且,u,CE,u,BE,。,I,C,=,I,B,，,0,I,B,0,，,u,CE,u,BE,。,I,C,I,B,。,I,B,I,BS,1.3.4 半导体三极管的主要电参数,1. 直流,参数,共射直流放大系数,共基直流放大系数,极间反向电流,I,CBO,：发射极开路，集电结的反向饱和电流,I,CEO,：基极开路，集电极与发射极间穿透电流,2. 交流,参数,共射交流放大系数,共基交流放大系数,3. 极限参数,极间反向击穿电压,U,(BR) EBO,，,U,(BR) CBO,，,U,(BR)CEO,最大集电极耗散功率P,CM,=,i,C,u,ce,最大集电极电流,I,CM,，即使,值明显减小的,i,C,例1-6 某三极管的极限参数,P,CM,=150mW，,I,CM,=100mA，,U,BRCEO,=30V。问：（1）若工作电压,U,CE,=10V，求工作电流,I,C,的最大值？（2）若工作电压,U,CE,=1V，求,I,C,的最大值？（3）若工作电流,I,C,=1mA，求工作电压,U,CE,最大值？,解：三极管的三个极限参数在使用中均不能超过。,（1）因为,P,CM,=,I,C,U,CE,=150mW，当,U,CE,=10V时，,I,C,=15mA即为此时所允许的最大值。,（2）当,U,CE,=10V时，仅从功率的角度考虑，工作电流可达,I,C,=150mA 。但考虑极限参数，故,I,C,=100mA即为此时所允许的最大值。,（3）当,I,C,=1mA时，仅从功率的角度考虑，可有,U,CE,=150V 。但考虑到,U,BRCEO,参数，故,U,CE,=30V即为此时所允许的最大值。,1.3,半导体三极管,结构,放大、饱和、截止的三种工作状态,电流放大原理,三种组态,共射组态的输入和输出特性曲线,工作状态的判定,思考 习题,18,、,20,第1章 半导体器件,1.1 半导体器件的基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 半导体三极管,1.4 场效应管,场,效应晶体三极管简称,场,效应管（,FET,）：,场,效应管分为：,结型场效应管,（JFET）和,绝缘栅型场效应管,（IGFET）。,是一种,通过改变半导体内的电场实现电流控制作用,的半导体器件。,它除了具有与双极型晶体管相同的体积小、重量轻、寿命长等特点外，还具有,输入阻抗高（10,7,10,15,）、噪声低、温度稳定好、抗辐射能力强、工艺简单,等优点，特别适用于制造大规模和超大规模集成电路,。,1.4 场效应管,场效应管,和,双极型晶体管,的重要区别是,：,双,极型晶体管,是通过基极,或发射极,电流实现对集电极电流的控制，参与导电的有,两,种载流子即,多数载流子,和,少数载流子,所以叫做,“电流控制型”器件,或,“,双极型,”器件,。,而,场效应管,是靠电场效应控制漏极电流的，所以输入端只需电压，且参与导电的只有,一,种载流子即,多数载流子,，因此场效应管也叫,“电压控制型”器件,或,“单极型”器件,。,1.4.1 结型场效应管,1. 结构,三个电极,源极和漏极形成沟道,栅极控制沟道导通,符号中的箭头方向表示什么？,图,1-41 N,沟道结型场效应管,图,1-42 P,沟道结型场效应管,g,d,s,N,2. 工作原理,漏极和源极接通,U,DS,=0,U,GS,使,PN,结反偏,U,GS,=0,随着,U,GS,绝对值逐渐增加：,沟道由宽逐渐变窄，最后夹断。,U,gs,对导电沟道的影响,u,GS,i,D,P,P,g,d,s,N,2. 工作原理,U,GS,使,PN,结反偏,漏、源极加固定电压,U,DS,U,GS,=0,随着,U,GS,绝对值逐渐增加：,沟道由宽逐渐变窄，最后夹断。,U,gs,对导电沟道的影响,u,GS,i,D,U,DS,=10V,I,DSS,I,D,U,GS(off),转移特性曲线,P,P,2. 工作原理,特点（电路与三极管对比）：,U,GS,使,JFET栅极与沟道间的PN结反偏，因此,i,G,0，输入电阻很高,。,FET,用输入电压（利用电场效应）控制漏极电流，,是电压控制电流器件。,沟道中仅,一种类型的,多子,参与,导电，受温度影响小。,所以场效应管也称为单极型三极管,。,u,GS,i,D,U,DS,=10V,I,DSS,U,GS(off),转移特性曲线,3. 特性曲线,2. 转移特性,1. 输出特性,饱和漏极电流,夹断电压,V,P,恒流放大区,可变电阻区,截止区,击穿区,与三极管对比：,1、各特性曲线反映的内容,2、公式反映的实质,3、输出特性曲线的几个区间,绝缘栅场效应管的栅极处于绝缘状态，利用半导体表面的,电场,效应来控制漏极电流，,输入电阻可高达,10,15,。,绝缘栅场效应管也有,N,沟道和,P,沟道之分，而且每一类又可分为,耗尽型,和,增强型,两种。,1.4.2 绝缘栅场效应管,耗尽型,：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在,增强型,：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道,转移特性曲线,u,GS,i,D,0,u,GS,i,D,0,耗尽型,增强型,P,沟道,耗尽型,P,沟道,P,沟道,N,沟道,增强型,N,沟道,N,沟道,（耗尽型）,FET,场效应管,分类,JFET,结型,IG,FET,绝缘栅型,(,MOS,FET),耗尽型,：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在,增强型,：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道,场效应管：,栅极,g,（基极,b,），漏极,d,（集电极,c,），源极,s,（发射极,e,）,1.4.3 场效应管的主要参数,1.,直流参数,（,1,）夹断电压,U,p,（,2,）饱和漏极电流,I,DSS,（,3,）开启电压,U,T,（,4,）直流输入电阻,R,GS,u,GS,i,D,0,2.,交流参数,（,1,）低频跨导,g,m,（,2,）极间电容,U,p,I,DSS,U,T,耗尽型,增强型,g,m,=,转移特性曲线的斜率,FET BJT,电压控制器件 电流控制器件,i,D,=,gu,GS,i,C,=,i,B,r,i,很大，几乎无输入电流 输入,PN,结正偏，,r,i,较小,主要多子导电，受温度影响小 易受温度影响,结构源漏极对称，可互换 结构要求，,EC,不可互换,工艺简单，适宜大规模集成,MOS,管易被静电击穿,跨导一般不大，在相同条件下其电压放大倍数比,BJT,小,1.4.4 场效应管和晶体管的比较,1.4,场效应管,分类、符号、三个电极,特点：,输入电阻，,电压（电场）控制漏极电流，仅多子导电，受温度影响小。,转移特性和输出特性曲线,主要参数,和双极型的对比,