半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識-三極管

晶體三極管第1頁，共35頁。晶體三極管又稱雙極型晶體管(BJT)，一般由兩個背靠背的PN結(jié)構(gòu)成，根據(jù)這兩個PN結(jié)的排列方式不同，三極管分為NPN型和PNP型兩種。NPN型CPNNEB發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電極集電結(jié)發(fā)射結(jié)PNP型NPPEB基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電極C發(fā)射極基極BETCNPNBETCPNP第2頁，共35頁。晶體三極管和晶體二極管一樣都是非線性器件，它的主要特性與其工作模式有關(guān)。晶體三極管有三種工作模式：放大模式飽和模式截止模式第3頁，共35頁。2.2放大模式下的工作原理放大模式是指晶體管工作在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的模式。這時它呈現(xiàn)的主要特性是正向受控作用，即三極管的集電極電流和發(fā)射極電流只受正偏發(fā)射結(jié)電壓的控制，而幾乎不受反偏集電結(jié)電壓的控制。這種作用是實現(xiàn)放大器的基礎(chǔ)。第4頁，共35頁。2.2.1三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動以NPN型三極管為例討論圖1.3.4三極管中的兩個PN結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用第5頁，共35頁。三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：1.發(fā)射區(qū)高摻雜。2.基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。

三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3.集電結(jié)面積大。第6頁，共35頁。becRcRb三極管中載流子運(yùn)動過程IEIB1.發(fā)射發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)—形成發(fā)射極電流

IE

(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。2.復(fù)合和擴(kuò)散電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流Ibn，復(fù)合掉的空穴由VBB補(bǔ)充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。圖1.3.5三極管中載流子的運(yùn)動第7頁，共35頁。becIEIBRcRb三極管中載流子運(yùn)動過程3.收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過來的電子而形成集電極電流

Icn。其能量來自外接電源VCC。IC

另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖1.3.5三極管中載流子的運(yùn)動第8頁，共35頁。beceRcRb三極管的電流分配關(guān)系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO

IE=ICn+IBn+IEp

=IEn+IEp一般要求ICn在IE中占的比例盡量大。而二者之比稱共基直流電流放大系數(shù)，即一般可達(dá)0.95~0.99第9頁，共35頁。三個極的電流之間滿足節(jié)點(diǎn)電流定律，即IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流電流放大系數(shù)。第10頁，共35頁。上式中的后一項常用ICEO表示，ICEO稱穿透電流。當(dāng)ICEO<<IC時，忽略ICEO，則由上式可得共射直流電流放大系數(shù)近似等于IC與IB之比。一般值約為幾十~幾百。第11頁，共35頁。三極管的電流分配關(guān)系一組三極管電流關(guān)系典型數(shù)據(jù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.任何一列電流關(guān)系符合IE=IC+IB，IB<IC<IE,ICIE。2.當(dāng)IB有微小變化時，IC較大。說明三極管具有電流放大作用。

3.

共射交流電流放大系數(shù)共基交流電流放大系數(shù)第12頁，共35頁。IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.在表的第一列數(shù)據(jù)中，IE=0時，IC=0.001mA=ICBO，ICBO稱為集電結(jié)反向飽和電流。

在表的第二列數(shù)據(jù)中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO，稱為穿透電流。第13頁，共35頁。根據(jù)和

的定義，以及三極管中三個電流的關(guān)系，可得故與兩個參數(shù)之間滿足以下關(guān)系：直流參數(shù)與交流參數(shù)、的含義是不同的，但是，對于大多數(shù)三極管來說，與，與的數(shù)值卻差別不大，計算中，可不將它們嚴(yán)格區(qū)分。第14頁，共35頁。2.2.2.三極管的電流放大作用

從三極管中載流子的運(yùn)動情況可知，我們只要在制造上將基區(qū)做得很薄，摻雜濃度又低，那么從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的電子將絕大部分越過基區(qū)流向集電極，形成集電極電流IC，只有很小一部分流向基極形成基極電流IB，三極管在制成以后，IC和IB的比例基本保持一定。因此我們可以通過改變IB的大小控制IC，這就是所謂的三極管的電流放大作用。第15頁，共35頁。2.3晶體三極管的伏安特性曲線晶體管伏安特性曲線是描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線。晶體管有三個電極，通常用其中兩個分別作輸入、輸出端，第三個作公共端，這樣可以構(gòu)成輸入和輸出兩個回路。在晶體管的三種基本接法中，我們主要討論應(yīng)用最廣的共發(fā)射極伏安特性曲線。第16頁，共35頁。2.3.1輸入特性曲線族共發(fā)射極輸入特性曲線是指VCE為參變量，輸入電流IB與輸入電壓VBE之間的關(guān)系曲線，即第17頁，共35頁。1）VCE=0V，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極短路，類似于PN結(jié)伏安特性曲線。2）VCE增大，曲線將右移。（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)）VBE一定時，隨著VCE的增大，IB相應(yīng)減小，即特性曲線右移。3）當(dāng)VCE增大到一定值（如1V)后，iB基本不變。第18頁，共35頁。2.3.2輸出特性曲線族輸出特性通常是指在一定的基極電流IB控制下，三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓VCE同集電極電流Ic的關(guān)系。第19頁，共35頁。1.截止區(qū)晶體管工作在截止模式下，有：

VBE≤Von，VCE>VBE

所以：

IB=0，IC≤ICEO結(jié)論：發(fā)射結(jié)反向偏置時，晶體管是截止的。第20頁，共35頁。2.放大區(qū)晶體管工作在放大模式下，VBE>Von,VCE≥VBE

，此時特性曲線表現(xiàn)為近似水平的部分，而且變化均勻：

①IC的大小受IB的控制；ΔIc>>ΔIB；具強(qiáng)的電流放大作用。

②隨著VCE的增加，曲線有些上翹。

③理想情況下，當(dāng)IB按等差變化時，輸出特性曲線是一族與橫軸平行的等距離線。第21頁，共35頁。3.飽和區(qū) 條件：VBE>Von，VBC﹤VBE 特點(diǎn)：此時曲線簇靠近縱軸附近，各條曲線的上升部分十分密集，幾乎重疊在一起，可以看出：當(dāng)IB改變時，IC基本上不會隨之而改變。

關(guān)于晶體管的飽和程度：一般認(rèn)為，當(dāng)VCE=VBE時的狀態(tài)為臨界狀態(tài)（VCB=0）第22頁，共35頁。飽和模式下晶體管的模型可近似用兩個導(dǎo)通電壓表示，分別為和對于硅管，一般取共發(fā)射極連接時2.3.3晶體三極管的飽和模式當(dāng)三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均加正偏時，它工作在飽和模式。和將同時受到兩個結(jié)正偏電壓的控制，不再具有放大模式下的正向受控作用。第23頁，共35頁。2.3.4晶體三極管的截止模式三極管工作在截止模式時，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均反偏。若忽略兩個結(jié)的反向飽和電流，則可近似認(rèn)為晶體三極管的各級電流均為零。其簡化模型可用兩段開路線表示：第24頁，共35頁。2.6三極管的主要參數(shù)三極管的連接方式VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共發(fā)射極接法圖1.3.10NPN三極管的電流放大關(guān)系一、電流放大系數(shù)是表征管子放大作用的參數(shù)。有以下幾個：ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基極接法第25頁，共35頁。1.共射電流放大系數(shù)

2.共射直流電流放大系數(shù)忽略穿透電流ICEO時，3.共基電流放大系數(shù)

4.共基直流電流放大系數(shù)忽略反向飽和電流ICBO時，和

這兩個參數(shù)不是獨(dú)立的，而是互相聯(lián)系，關(guān)系為：第26頁，共35頁。二、反向飽和電流1.集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO2.集電極和發(fā)射極之間的反向飽和電流ICEO(a)ICBO測量電路(b)ICEO測量電路ICBOcebAICEOAceb小功率鍺管ICBO約為幾微安；硅管的ICBO小，有的為納安數(shù)量級。當(dāng)b開路時，c和e之間的電流。值愈大，則該管的ICEO也愈大。圖1.3.11反向飽和電流的測量電路第27頁，共35頁。三、極限參數(shù)1.集電極最大允許電流ICM當(dāng)IC過大時，三極管的值要減小。在IC=ICM時，值下降到額定值的三分之二。2.集電極最大允許耗散功率PCM過損耗區(qū)安全工作區(qū)將IC與UCE乘積等于規(guī)定的PCM值各點(diǎn)連接起來，可得一條雙曲線。ICUCE<PCM為安全工作區(qū)ICUCE>PCM為過損耗區(qū)ICUCEOPCM=ICUCE安全工作區(qū)安全工作區(qū)過損耗區(qū)過損耗區(qū)圖1.3.11三極管的安全工作區(qū)第28頁，共35頁。3.極間反向擊穿電壓外加在三極管各電極之間的最大允許反向電壓。

U(BR)CEO：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。

U(BR)CBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。

安全工作區(qū)同時要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。過電壓ICU(BR)CEOUCEO過損耗區(qū)安全工作區(qū)ICM過流區(qū)圖1.3.11三極管的安全工作區(qū)第29頁，共35頁。2.7PNP型三極管放大原理與NPN型基本相同，但為了保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，外加電源的極性與NPN正好相反。圖1.3.13三極管外加電源的極性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uoui第30頁，共35頁。2.7溫度對晶體三極管特性的影響由于三極管也是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，和二極管一樣，溫度對晶體管的特性有著不容忽視的影響。主要表現(xiàn)在以下三個方面：(2)溫度對VBE的影響：輸入特性曲線隨溫度升高向左移，這樣在IB不變時，VBE將減小。VBE隨溫度變化的規(guī)律與二極管正向?qū)妷阂粯?，即：溫度每升?℃，VBE減小2～2.5mV。(1)溫度對ICBO的影響：ICBO是集電結(jié)的反向飽和電流，它隨溫度變化的規(guī)律是：溫度每升高10℃，ICBO約增大一倍。第31頁，共35頁。(3)溫度對β的影響：晶體管的電流放大系數(shù)β隨溫度升高而增大，變化規(guī)律是：每升高1℃，β值增大0.5～1%。在輸出特性曲線上，曲線間的距離隨溫度升高而增大。總之：溫度對VBE、ICBO和β的影響反映在管子上的集電極電流Ic上，它們都是使Ic隨溫度升高而增大，這樣造成的后果將在后面的放大電路的穩(wěn)定性及反饋中詳細(xì)討論。第32頁，共35頁。（1）為了在放大模式信號時不產(chǎn)生明顯的失真，三極管應(yīng)該工作在輸入特性的線性部分，而且始終工作在輸出特性的放大區(qū)，任何時候都不能工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。（2）為了保證三極管工作在放大區(qū)，在組成放大電路時，外加的電源的極性應(yīng)使三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，集電結(jié)則處于反向偏置狀態(tài)。晶體管三極管的工作特點(diǎn)第33頁，共35頁。（3）即使三極管工作在放大區(qū)，由于其輸入