模拟电子半导体基础知识三极管

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,*,第,1,章 常用半导体器件,1.1,半导体基础知识,1.2,半导体,二极管,1.3,晶,体三极管,1.4,场效应管,1.3,晶体三极管,由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为,双极型晶体管,（,Bipolar Junction Transistor,简称,BJT,）。,BJT,是由两个PN结组成的。,一,.,BJT,的结构及类型,二晶体管的电流放大作用,三,.,晶体管共射的特性曲线,四,.BJT,的主要参数,五,.,温度对晶体管特性及参数的影响,11/27/2024,一,.,BJT,的结构及类型,NPN,型,PNP,型,符号:,三极管的结构特点,:,（,1,）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。,（,2,）基区要制造得很薄且浓度很低。,（,3,）集电区面积大,-,-,N,N,P,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,e,c,b,发射极,集电极,基极,-,-,P,P,N,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,e,c,b,发射极,集电极,基极,E,C,B,E,C,B,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,二 晶体管的电流放大作用,若在放大工作状态：,发射结正偏：,+,U,CE,U,BE,U,CB,集电结反偏：,由,V,BB,保证,由,V,CC,、,V,BB,保证,U,CB,=,U,CE,-,U,BE,0,共,发射极接法,c,区,b,区,e,区,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,11/27/2024,1,BJT,内部的载流子传输过程,（,1,）因为发射结正偏，扩散运动形成发射极电流,I,E,发射结正偏，有利于多子的扩散；发射区掺杂浓度高，大量自由电子扩散到基区，形成电流,I,EN,。,同时，基区的空穴也扩散到发射区，形成电流,I,EP,，,但由于发射区的杂质浓度比基区高得多（一般高几百倍），因此：,I,E,=,I,EN,I,EP,I,EN,（,2,）扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流,由于,V,BB,的作用，复合运动将源源不断地进行，因此：,另外，集电区与基区的少子也参与漂移运动，形成电流,I,CBO,。,（,3,）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流,I,C,扩散到基区的多数电子，在电场作用下漂移到集电区形成电流,I,CN,。,因此：,2,晶体管的电流分配关系,从外部看：,11/27/2024,3,晶体管的共射电流放大系数,共射直流电流放大系数,11/27/2024,3,晶体管的共射电流放大系数,共射交流电流放大系数,定义：,可以认为：,11/27/2024,共基直流电流放大系数,通常：,定义：,（,1,）,u,CE,=0V,时，相当于两个,PN,结并联。,三,.,晶体管共射的特性曲线,1.,输入特性曲线,i,B,=,f,(,u,BE,),u,CE,=const,（,3,）,u,CE,1V,再,增加时，曲线右移很不明显。,（,2,）当,u,CE,=1V,时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一,u,BE,电压下，,i,B,减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,死区,电压,硅,0.5V,锗,0.1V,导通压降,硅,0.7V,锗,0.3V,(2),输出特性曲线,i,C,=,f,(,u,CE,),i,B,=const,（,1,）当,u,CE,=0,V,时，因集电极无收集作用，,i,C,=0,。,（,2,）,u,CE,I,c,。,（,3,）当,u,CE,1V,后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成,i,C,。,所以,u,CE,再增加，,i,C,基本保持不变。,同理，可作出,i,B,=,其他值的曲线。,现以,i,B,=60uA,一条加以说明。,饱和区,i,C,受,u,CE,显著控制的区域，该区域内,u,CE,0.7,V,。,此时发射结正偏，集电结也正偏。,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,曲线基本平行等,距。此时，发,射结正偏，集电,结反偏。,饱和区,放大区,截止区,输出特性曲线可以分为三个区域,:,该区中,i,C,几乎仅仅决定于,i,B,，而与,u,CE,无关。,四,.BJT,的主要参数,（,2,）共基直流电流放大系数：,（,1,）共射直流电流放大系数：,1.,直流参数,（,3,）极间反射电流：,四,.BJT,的主要参数,（,2,）共基交流电流放大系数：,i,CE,=20uA,(,mA,),B,=40uA,I,C,u,=0,(V),=80uA,I,B,B,B,I,B,i,I,B,I,=100uA,C,B,I,=60uA,i,一般取,20200,之间,2.3,1.5,（,1,）共射交流电流放大系数：,2.,交流参数,（,3,）特征频率：,使共射电流放大系数的数值下降到,1,的信号频率称为特征频率,f,T,3.,极限参数,（,2,）最大集电极电流,I,CM,（,1,）最大集电极耗散功率,P,CM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，,P,C,=,i,C,u,CE,P,CM,P,CM,I,c,增加时，,要下降。使,值明显,下降的集电极电流即为,I,CM,。,对小功率管，定义当,U,ce,=1V,时，由,P,CM,=,i,C,u,CE,得出的,i,C,即为,I,CM,（,3,）极间反向击穿电压,U,（,BR,）,CBO,发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏上千伏。,U,（,BR,）,CEO,基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。其值小于,U,（,BR,）,CBO,在实际使用时，还有,U,（,BR,）,CER,、,U,（,BR,）,CES,、,U,（,BR,）,CES,等击穿电压。,-,-,(BR)CEO,U,(BR)CBO,U,(BR)EBO,U,晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反射电压称为极间反向击穿电压，超过此值时，管子会发生击穿现象。,U,（,BR,）,EBO,集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为,1,伏以下几伏。,三极管的选用原则,1,、当直流电源电压对地为正值时，选用,NPN,型管子，当直流电源电压对地为负值时，选用,PNP,型管子，,2,、在同型号的管子中，应选用反向电流小的，温度稳定性好；管子的,值一般选几十到,100,，,值太大的管子性能不稳定。,3,、如果要求,反向电流小，工作温度高，则应选硅管；,如果要求导通电压低时，,则应选锗管。,6,、必须使管子工作在安全区。为此：在工作电压高时，选高反压管；在需要大电流时，选,I,CM,大的管子；在需要输出大功率时，选,P,CM,大的管子，并保证散热条件。,4,、音频放大电路，应选低频管；宽频带放大电路，应选高频管或超高频管；组成数字电路，应选开关管；,5,、反向电压要小于击穿电压；,半导体三极管的型号,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,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,11/27/2024,五、温度对晶体管特性及参数的影响,由于半导体材料的热敏性，晶体管的参数几乎都与温度有关。,1,、温度对,I,CBO,的影响,因为,I,CBO,是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，所以，当温度升高时，热运动加剧，使更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子浓度明显增大。因此，参与漂移运动的少子数目增多，从外部看就是,I,CBO,增大。,可以证明，温度每升高,10,，,I,CBO,增加约一倍。反之，当温度降低时,I,CBO,减小。,由于硅管的,I,CBO,比锗管小得多，所以从绝对数值上看，硅管比锗管受温度的影响要小得多。,2,、温度对输入特性的影响,与二极管伏安特性相类似，当温度升高时，正向特性将左移，反之将右移，如图所示。,当温度升高,1,时，,u,BE,大约降低,2,2.5mV,，,即具有负的温度系数，,换一角度说,，若,u,BE,不变，则当温度升高时,i,B,将增大，反之,i,B,减小。,3,、温度对输出特性的影响,下 图为一只晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图。,从以上分析可知，温度升高时，,由于,I,CBO,、,增大，且输入特性左移，所以导致集电极电流增大。,实线所示为,20,时的特性曲线，虚线所示为,60,时的特性曲线。说明温度升高时,增大。,例,1,、,由电极电位判定三极管的状态,在放大电路中，测得下述,6,组三极管,3,个极的电位：,1,NPN,管：（,1,）,1V 0.3V 3V,（,2,）,0.3V 0.3V 1V,（,3,）,2V 5V 1V 2,PNP,管：（,1,）,-0.2V 0V 0V,（,2,）,-3V -02V 0V,（,3,）,1V 1.2V -2V,试确定三极管处何种状态，并判定各电位对应三极管的哪个电极。,多数,NPN,管用,Si,材料制成，,PN,结的导通压降一般设为,0.7V,；,而多数的,PNP,管用,Ge,材料制成，,PN,结导通压降一般,为,0.2V,左右。,根据电位确定三极管的状态和电极时一般应先设法确定三极管的基极,B,和发射极,E,，,再确定集电极,C,。,按此思路对给定的,6,组数据分析如下。,1,NPN,管,（,1,）,1V 0.3V 3V,若基极,B,对应,1V,，,射极,E,应为,0.3V,，,则集电极,C,为,3V,，,满足发射结正偏，集电结反偏，故三极管,T,处于放大状态。,解：,（,2,）,0.3V 0.3V 1V,可考虑各电极对应的电位如下：基极,B,为,1V,，,射极,E,为,0.3V,，,集电极,C,为,0.3V,。,发射结正偏，集电结也正偏，故三极管,T,处在饱和状态。,（,3,）,2V 5V 1V,发射结若正偏,BE,间必然满足正偏条件，即,U,BE,=0.7V,，,而给定的,3,个数据中，不具备此条件，因而发射结没有正偏。可认为基极,B,电位低于射极,E,，,又由于集电极,C,通常处于最高电位，故正确的对应关系是,：,B,极为,1V,，,E,极为,2V,，,C,极为,5V,。,三极管,T,处在截止状态。,2,PNP,管,（,l,）,-0.2V 0V 0V,电极和电位对应关系是：,B,极为,-0.2V,，,E,极为,0V,，,C,极为,0V,。,发射结正偏，偏置电压,U,BE,=-0.2V,，,集电结也正偏，故三极管,T,处在饱和状态。,（,2,）,-3V -0.2V 0V,电极和电位对应关系是；,B,极为,-0.2V,，,E,极为,0V,，,C,极为,-3V,。,发射结正偏，集电结反偏，,T,为放大状态。,（,3,）,1V 1.2V -2V,电极和电位对应关系是：,B,极为,1V,，,E,极为,1.2V,，,C,极为,-2V,。,同样，发射结正偏，集电结反偏，,T,为放大状态。,三极管的选用原则,1,、当直流电源电压对地为正值时，选用,NPN,型管子，当直流电源电压对地为负值时，选用,PNP,型管子，,2,、在同型号的管子中，应选用反向电流小的，温度稳定性好；管子的,值一般选几十到,100,，,值太大的管子性能不稳定。,3,、如果要求,反向电流小，工作温度高，则应选硅管；,如果要求导通电压低时，,则应选锗管。,6,、必须使管子工作在安全区。为此：在工作电压高时，选高反压管；在需要大电流时，选,ICM,大的管子；在需要输出大功率时，选,PCM,大的管子，并保证散热条件。,4,、音频放大电路，应选低频管；宽频带放大电路，应选高频管或超高频管；组成数字电路，应选开关管；,5,、反向电压要小于击穿电压；,例,2,、