第二章半導(dǎo)體三極管

第2章半導(dǎo)體三極管2.1三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類2.1.1

三極管的結(jié)構(gòu)與符號2.1.2

三極管的分類2.1.3

三極管的外部結(jié)構(gòu)2.2

三極管的電流分配與放大作用2.2.1

載流子的運動及各電極電流的形成

2.2.2

電流放大作用

2.2.3電流分配關(guān)系的測試

第2章半導(dǎo)體三極管2.3三極管的特性曲線2.3.1

輸入特性曲線2.3.2

輸出特性曲線2.4

三極管的主要參數(shù)及溫度的影響

2.4.1

主要參數(shù)2.4.2

溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響2.5

特殊三極管簡介

2.5.1

光電三極管

2.5.2

光電耦合器本章重點半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)三極管的電流分配與放大作用三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部及外部條件三極管的基本特性本章難點在放大區(qū)三極管具有基極電流控制集電極電流的特性三極管的開關(guān)特性用萬用表判斷三極管的類型、管腳及三極管質(zhì)量的好壞第2章半導(dǎo)體三極管2.1

三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類

2.1.1

三極管的結(jié)構(gòu)與符號半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，因此，還被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。

BJT是由兩個PN結(jié)組成的。NPN型PNP型符號:

三極管的結(jié)構(gòu)特點:（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極2.1.2

三極管的分類按結(jié)構(gòu)類型分為NPN型管和PNP型管按材料分為硅管和鍺管按功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管按工作頻率分為高頻管和低頻管按其工作狀態(tài)分為放大管和開關(guān)管2.1.3

三極管的外部結(jié)構(gòu)常見三極管的外形結(jié)構(gòu)圖2/6/2023

半導(dǎo)體三極管的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：3DG110B2.2

三極管的電流分配與放大作用三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件，制作時：基區(qū)做得很薄，且摻雜濃度低發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積外部條件，即發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置

2/6/2023若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE

－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)

三極管在工作時要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?.2.1載流子的運動及各電極電流的形成1．BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程（1）因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN

。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈

IEN。（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。

另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。

（3）因為集電結(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

。

動畫演示2/6/20232．電流分配關(guān)系IE=IC+IB定義：(1)IC與IE之間的關(guān)系:所以:其值的大小約為0.9～0.99。

三個電極上的電流關(guān)系:聯(lián)立以下兩式：得：所以：得：令：2.2.2

電流放大作用

動畫演示

在分析估算放大電路參數(shù)時取通常情況下，β=20～200。

綜上：有一小IB就可以獲得大IC，實現(xiàn)了小基極電流控制大集電極電流，這就是三極管的電流放大作用。也證明了三極管是電流控制器件。當(dāng)輸入電壓變化時，會引起輸入電流(基極電流)的變化，在輸出回路將引起集電極電流較大變化，該變化電流在集電極負(fù)載電阻

RC

上產(chǎn)生較大的電壓輸出。這樣，三極管的電流放大作用就轉(zhuǎn)化為電路的電壓放大作用。2.2.3

電流分配關(guān)系的測試測試電路

三極管的三種接法：共射極、共集電極和共基極

三極管的三種電路

動畫演示共發(fā)射極三極管各電極電流分配關(guān)系的測試電路

三極管電流分配關(guān)系的測試電路調(diào)RP，可測得IB、IC、IE，數(shù)據(jù)如表測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析

IB/mA-0.00400.010.020.030.040.050.06IC/mA0.0040.011.091.983.074.065.056.06IE/mA00.011.102.003.104.105.106.12IB、IC、IE測試數(shù)據(jù)滿足基爾霍夫電流定律

IB、IC、IE的關(guān)系：IE=IB+ICIC、IB的關(guān)系：三極管的直流放大作用三極管的交流放大作用當(dāng)IE=0時，即發(fā)射極開路，IC=-IB當(dāng)IB=0時，即基極開路，IC=IE≠0

反向飽和電流ICBO

集電極—發(fā)射極的穿透電流ICEO

（1）uCE=0V時，相當(dāng)于兩個PN結(jié)并聯(lián)。2.3BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）2.3.1輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const（3）uCE≥1V再增加時，曲線右移很不明顯。

（2）當(dāng)uCE=1V時，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一uBE

電壓下，iB

減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V

2.3.2輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

（1）當(dāng)uCE=0

V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。

（3）當(dāng)uCE

＞1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。

動畫演示飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V。此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——

曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:2.4三極管的主要參數(shù)及溫度的影響（2）共基極電流放大系數(shù)：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：1.電流放大系數(shù)

動畫演示

（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO

基極開路時，集電極到發(fā)射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。

（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是一個PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。鍺管：ICBO為微安數(shù)量級，硅管：ICBO為納安數(shù)量級。++ICBOecbICEO2.極間反向電流

3.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM（2）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，

PC=ICUCE

PCM<PCMIc增加時，要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70％時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。對于前面的電路（固定偏置電路）而言，靜態(tài)工作點由UBE、和ICEO決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化。UBEICEO變T變IC變2.4.2

溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響溫度對UBE的影響iBuBE25oC50oCTUBEIBIC溫度對值及ICEO的影響T、ICEOICiCuCE總的效果是：原因：溫度升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度增大，少子增多，所以ICBO增加，導(dǎo)致ICEO增大，從而使輸出特性曲線上移放大電路的圖解分析法直流通路與交流通路靜態(tài)分析近似估算法圖解分析電路參數(shù)變化對Q點的影響動態(tài)分析截止失真飽和失真交流負(fù)載線最大不失真輸出輸出功率和功率三角形1.直流通路與交流通路靜態(tài)：只考慮直流信號，即vi=0，各點電位不變（直流工作狀態(tài)）。直流通路：電路中無變化量，電容相當(dāng)于開路，電感相當(dāng)于短路交流通路：電路中電容短路，電感開路，直流 電源對公共端短路

放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。動態(tài)：只考慮交流信號，即vi不為0，各點電位變化（交流工作狀態(tài)）。直流通路TRRVb1b2bCCCCC++vovi電容Cb1和Cb2斷開TRRVbCCC直流通路

即能通過直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻，Rc

、Rb

。交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio++vovi直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)于短路TRRbC+_+_vovi若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、C2足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。

交流通路：能通過交流的電路通道。從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻，Rc//RL和偏置電阻Rb

。2.靜態(tài)分析(1)靜態(tài)工作點的近似估算法已知硅管導(dǎo)通時VBE≈0.7V，鍺管VBE≈0.2V以及=40，根據(jù)直流通路則有：Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流電路RbRCvoviCb1Cb2VCC++Re0.5K330K4K15V=50例：電路