電子線路課件12ppt課件

1、 半導體三極管有兩大類型， 一是雙極型半導體三極管三極管） 雙極型半導體三極管是由兩種載雙極型半導體三極管是由兩種載流子參與導電的半導體器件，它由兩流子參與導電的半導體器件，它由兩個個 PN 結(jié)組合而成，是一種結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。器件。 場效應(yīng)型半導體三極管僅由一種場效應(yīng)型半導體三極管僅由一種載流子參與導電，是一種載流子參與導電，是一種VCCS器件。器件。1.2 半導體三極管半導體三極管二是場效應(yīng)半導體三極管場效應(yīng)管)1.2.1 三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.2.2 三極管的基本特性1.2.3 三極管的主要參數(shù)及電路模型1.2.1三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理 雙極型半導體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如

2、圖02.01所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。 圖 02.01 兩種極性的雙極型三極管e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je) c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc) 中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示Base）； 一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示Emitter）； 另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示Collector）。 雙極型三極管的符號在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。 從外表上看兩個N區(qū),(或兩個P區(qū))是對稱的，實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。1. 三極管的電流

3、分配與控制 雙極型半導體三極管在工作時一定要加上適當?shù)闹绷髌秒妷骸?若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。 現(xiàn)以現(xiàn)以 NPN型三型三極管的放大狀態(tài)為極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系，內(nèi)部的電流關(guān)系， 見圖見圖02.02。(動畫動畫2-1)圖 02.02 雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系 發(fā)射結(jié)加正偏時，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴散，形成的電流為IEN。與PN結(jié)中的情況相同。 從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。這是因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃度。 進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復合的機會較少。又因基區(qū)

4、很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時間很短，很快就運動到了集電結(jié)的邊上，進入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復合的電子形成的電流是 IBN。 另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式: IE= IEN+ IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB 以上關(guān)系在圖02.02的動畫中都給予了演示。由以

5、上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個PN結(jié)對接，相當基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個實例。2. 三極管的電流關(guān)系 (1)三種組態(tài) 雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入, 兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見圖02.03。 共集電極接法，集電極作為公共電極，用共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示表示; 共基極接法，基極作為公共電極，用共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用共發(fā)射極接法，發(fā)射極作

6、為公共電極，用CE表示；表示；圖 02.03 三極管的三種組態(tài)(2)三極管的電流放大系數(shù) 對于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明，定義: ECN/ II11CBOBCIII 稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達到集電極的電子電流后達到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流與總發(fā)射極電流IE的比值。的比值。ICN與與IE相比，因相比，因ICN中沒有中沒有IEP和和IBN，所以，所以 的值小于的值小于1, 但接近但接近1。由此可。由此可得得:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBOBCBOBBC1)11(III

7、IIBB1)1(II1因 1, 所以 1定義定義: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是1.2.2 三極管的基本特性 這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。 iB是輸入電流，uBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，uCE是輸出電壓，從C、E 兩電極取出。 輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const 輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即 共發(fā)射極接法的供電電路和電壓-電流關(guān)系

8、如圖02.04所示。圖02.04 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系 簡單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和uBE之間的函數(shù)關(guān)系。因為有集電結(jié)電壓的影響，它與一個單獨的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。 為了排除uCE的影響，在討論輸入特性曲線時，應(yīng)使uCE=const(常數(shù))。1. 輸入特性曲線 uCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部反的影響，可以用三極管的內(nèi)部反饋作用解釋，即饋作用解釋，即uCE對對iB的影響的影響 。 共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖02.05。其中uCE=0V的那一條相當于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當uCE1V時，uCB= uCE - uBE0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始

9、收集電子，且基區(qū)復合減少， IC / IB 增大，特性曲線將向右稍微移動一些。但uCE再增加時，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。輸入特性曲線的分區(qū)：死區(qū) 非線性區(qū) 圖02.05 共射接法輸入特性曲線 線性區(qū) 2.輸出特性曲線 共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖02.06所示，它是以iB為參變量的一族特性曲線?，F(xiàn)以其中任何一條加以說明，當uCE=0 V時，因集電極無收集作用，iC=0。當uCE稍增大時，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓很小，如 uCE 1 V uBE=0.7 V uCB= uCE- uBE= 0.7 V集電區(qū)收集電子的能力很弱，

10、iC主要由uCE決定。 圖02.06 共發(fā)射極接法輸出特性曲線 當uCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時，如 uCE 1 V uBE 0.7 V運動到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后uCE再增加，電流也沒有明顯的增加，特性曲線進入與uCE軸基本平行的區(qū)域 (這與輸入特性曲線隨uCE增大而右移的 圖02.06 共發(fā)射極接法輸出特性曲線原因是一致的) 。（動畫2-2） 輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE的 數(shù)值較小，一般uCE0.7 V(硅管)。此時 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，發(fā)射

11、結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)iC平行于uCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。 此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7 V左右(硅管) 。3.三極管的開關(guān)特性 (1)開關(guān)作用 截止狀態(tài) IB0，IC0，UCEVCCCCCCCESCCCSRVRUVICCCCSBSRVIIBSBIi ICICS，VCEUCES0 飽和狀態(tài)(2)三極管的開關(guān)時間 延遲時間延遲時間td 從從+uB2的加入至集電極電流上的加入至集電極電流上升到升到0.1ICS所需的時間所需的時間 上升時間上升時間tr 集電極電集電極電流從流從0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需的時間所需的時間 存儲時間存儲時間ts 從輸入端從輸入端

12、電壓降至電壓降至- uB1 到集電到集電極電流降至極電流降至0.1ICS所需所需的時間的時間 下降時間下降時間tf 集電極電集電極電流從流從0.9ICS下降到下降到0.1ICS所需的時間所需的時間 td, tr就是指基區(qū)電荷建立的時間就是指基區(qū)電荷建立的時間,常用開通時間常用開通時間ton= td+tr來表示三極管來表示三極管從截止到飽和所需的時間；而從截止到飽和所需的時間；而ts, tf是是指基區(qū)存儲電荷消散所需的時間，常用指基區(qū)存儲電荷消散所需的時間，常用關(guān)閉時間關(guān)閉時間toff= ts+tf表示三極管從飽和表示三極管從飽和到截止所需的時間。開通時間到截止所需的時間。開通時間ton與關(guān)與關(guān)

13、閉時間閉時間toff也總稱為三極管的開關(guān)時間也總稱為三極管的開關(guān)時間,它限制三極管的開關(guān)運用速度，不同的它限制三極管的開關(guān)運用速度，不同的管子開關(guān)時間各不相同，一般開關(guān)三極管子開關(guān)時間各不相同，一般開關(guān)三極管的開關(guān)時間在幾十到幾百納秒管的開關(guān)時間在幾十到幾百納秒1.2.3 三極管的主要參數(shù)及電路模型 半導體三極管的參數(shù)分為三大類: 直流參數(shù) 交流參數(shù) 極限參數(shù) (1)直流參數(shù) 直流電流放大系數(shù) a.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) constuBCBCEOCCEIIIII/ )(1.主要參數(shù) 在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線(uCE=const)來求取IC / IB ，

14、如圖02.07所示。在IC較小時和IC較大時， 會有所減小，這一關(guān)系見圖02.08。圖02.08 值與IC的關(guān)系圖 02.07 在輸出特性曲線上決定 b.共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE 顯然 與 之間有如下關(guān)系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ 極間反向電流 a.集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當于集電結(jié)的反向飽和電流。 b.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO和和ICBO有如下關(guān)系有如下關(guān)系 ICEO=（1+ ）ICBO 相當基極

15、開路時，集電極和發(fā)射極間的反向相當基極開路時，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng)那條曲線所對應(yīng)的的Y坐標的數(shù)值。如圖坐標的數(shù)值。如圖02.09所示。所示。 圖圖02.09 ICEO在輸出特性曲線上的在輸出特性曲線上的位置位置(2)(2)交流參數(shù)交流參數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù) a. a.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) = =IC/IC/IBIBuCE=constuCE=const 在放大區(qū) 值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過垂直于X 軸的直線求取IC/IB?；蛟趫D02.08上通過求某一點的斜率得到。具

16、體方法如圖02.10所示。 圖圖02.10 在輸出特性曲線上求在輸出特性曲線上求 b.共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE UCB=const當ICBO和ICEO很小時，、，可以不加區(qū)分。 特征頻率特征頻率fT 三極管的三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當信號頻率工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的增加時，三極管的將會下降。當將會下降。當下降到下降到1時所時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。表示。 (3)極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM 如圖02.08所示，當集電極電流增加時，

17、就要下降，當值下降到線性放大區(qū)值的7030時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢?，當ICICM時，并不表示三極管會損壞。 圖02.08 值與IC的關(guān)系集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICUCBICUCE， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計算時往往用UCE取代UCB。 反向擊穿電壓 反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測試時的原理電路如圖02.11所示。圖02.11 三極管擊穿電壓的測試電路 a.U(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電

18、壓。下標BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。 b.U(BR) EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。 c.U(BR)CEO基極開路時集電極和發(fā)射極間的 擊穿電壓。 對于U(BR)CER表示BE間接有電阻，U(BR)CES表示BE間是短路的。幾個擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系 U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR) EBO 由PCM、 ICM和U(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)，見圖02.12。圖02.12 輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)三極管的物理結(jié)構(gòu)如圖所示。三極管的物理結(jié)構(gòu)如圖所示。雙極型三極管 物理模型2.電路模型rbe- re歸算到基極回路的電阻 -發(fā)射結(jié)電容，也用C這一符號Cbe-集電結(jié)電阻rbc -集電結(jié)電容，也用C這一符號 Cbc rbb -基區(qū)的體電阻，b是假想的基區(qū)內(nèi)的一個點。 - 發(fā)射結(jié)電阻 re混合型微變等效電路物理模型簡化：忽略rbc 、 rce（3參數(shù)計算)mA(ImV26)1 (rrrrEbe bbbbe據(jù)e bbebbEe brrr)