晶體三極管分析

2.1晶體三極管2.1.1晶體三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、類(lèi)型2.1.2三極管的電流放大作用2.1.3三極管特性曲線(xiàn)2.1.4三極管主要參數(shù)2.1.5特殊三極管2.1.6三極管的判別2.1晶體三極管BJT

BJT（雙極結(jié)型晶體管）是通過(guò)一定的工藝，將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，一般也稱(chēng)為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管，或簡(jiǎn)稱(chēng)晶體管。是由兩個(gè)PN結(jié)、3個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域組成的。由于兩個(gè)PN結(jié)之間相互影響，使三極管表現(xiàn)出不同于單個(gè)PN結(jié)的特性而具有電流放大作用，從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。2.1.1晶體三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、類(lèi)型又稱(chēng)半導(dǎo)體三極管、晶體三極管，或簡(jiǎn)稱(chēng)晶體管。(BipolarJunctionTransistor)三極管的外形如下圖所示。三極管有兩種類(lèi)型：NPN型和PNP型。

主要以NPN型為例進(jìn)行討論。圖1.3.1三極管的外形3半導(dǎo)體三極管圖片半導(dǎo)體三極管圖片圖1.3.2(b)三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)NPN型ecb符號(hào)集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP7集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號(hào)NNPPN圖1.3.2?三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(b)PNP型8

解釋三個(gè)電極發(fā)射極，基極，集電極發(fā)射極箭頭方向是指發(fā)射結(jié)正偏時(shí)的電流方向三個(gè)區(qū)

發(fā)射區(qū)(重?fù)诫s)，基區(qū)(很薄)，集電區(qū)（結(jié)面積大）兩個(gè)PN結(jié)發(fā)射結(jié)(eb結(jié)),集電結(jié)(cb結(jié))

晶體管的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型常用的三極管的結(jié)構(gòu)有硅平面管和鍺合金管兩種類(lèi)型。圖1.3.2a三極管的結(jié)構(gòu)(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe發(fā)射極，b基極，c集電極。發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)10基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP1.發(fā)射區(qū)摻雜濃度高。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，以保證晶體管具有電流放大作用。11總結(jié)：（1）PNP型和NPN型三極管表示符號(hào)的區(qū)別是發(fā)射極的箭頭方向不同，這個(gè)箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向偏置時(shí)的電流方向。使用中要注意電源的極性，確保發(fā)射結(jié)永遠(yuǎn)加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。（2）實(shí)際應(yīng)用中采用NPN型三極管較多，2.三極管的分類(lèi)按照頻率分：高頻管、低頻管按照功率分：小、中、大功率管按照材料分：硅管、鍺管等按照結(jié)構(gòu):PNP管、NPN管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1、三極管的三種連接方式2.1.2三極管的電流放大作用2、三極管的工作電壓以NPN型三極管為例討論cNNPebbec表面看三極管若實(shí)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(lái)保證。不具備放大作用15晶體管處于放大狀態(tài)的工作條件①內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)重?fù)诫s(故管子e、c極不能互換)基區(qū)很薄(幾個(gè)m)集電結(jié)面積大

②外部條件

發(fā)射結(jié)(eb結(jié))正偏E1集電結(jié)(cb結(jié))反偏E2且E2≥E1實(shí)驗(yàn)：ICmAVVUCEUBERBIBECEBA三極管共發(fā)射極電路電流放大測(cè)試結(jié)果：IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA≈0.0010.501.01.6.2.202.90IE/mA≈0.0010.51.021.632.242.95IC/IB---5050535558△IC/△IB---5050606070由實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可得出如下結(jié)論：（1）發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，此結(jié)果符合基爾霍夫定律。

（2）比大得多。從第二列以后的數(shù)據(jù)可看出，要比大幾十倍。

（3）很小的變化可以引起很大的變化。比較第二列以后，后一列與前一列數(shù)據(jù)的基極電流和集電極電流的變化量之比，即，則得出一個(gè)級(jí)為重要的結(jié)論；基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化。也就是說(shuō)基極電流對(duì)集電極電流具有小量控制大量的作用，這就是晶體管的電流放大作用（實(shí)質(zhì)是控制作用）。IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA≈0.0010.501.01.6.2.202.90IE/mA≈0.0010.51.021.632.242.95IC/IB---5050535558△IC/△IB---5050606070綜上所述,可歸納為以下兩點(diǎn)：（1）晶體管在發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的條件下具有電流放大作用。（2）晶體管的電流放大作用，其實(shí)質(zhì)是對(duì)的控制作用，習(xí)慣上稱(chēng)晶體管為“放大”元件，但嚴(yán)格地講它只是一種控制元件，因?yàn)樗⒉荒芊糯竽芰浚皇怯靡粋€(gè)小的能量來(lái)控制電源向負(fù)載提供更大的能量。電流分配關(guān)系：三個(gè)電極上的電流關(guān)系:IE=IC+IB發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)目等于基區(qū)復(fù)合的電子數(shù)目與集電區(qū)收集的電子數(shù)目之和。集電區(qū)電流IC占了發(fā)射區(qū)電流IE的絕大部分，基區(qū)電流IB只占IE的極小部分。IC>>IB三極管的電流放大特性：為三極管輸入回路提供一個(gè)很小的電流IB，便可在其輸出回路得到一個(gè)大電流IC。2023/2/6對(duì)于一只三極管，它的基區(qū)厚度和雜質(zhì)濃度已定，因此IC與IB之間保持一定的比例關(guān)系，兩者之比稱(chēng)為電流放大系數(shù)。集電區(qū)直流電流IC與基區(qū)直流電流IB的比值稱(chēng)為直流放大系數(shù)：集電區(qū)電流的變化量與基區(qū)電流的變化量的比值稱(chēng)為交流放大系數(shù)：IC與IB之間的關(guān)系：

三極管的電流分配關(guān)系第2章半導(dǎo)體三極管近似有

NPN型晶體管的電流關(guān)系3、半導(dǎo)體三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程3、半導(dǎo)體三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程

三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸Ｈ粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：由VBB保證集電結(jié)反偏：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)+UCE

－＋UBE－＋UCB－基極回路（輸入回路）集電極回路（輸出回路）2023/2/6

放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過(guò)程CUceNPNbUBBRB圖2―2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流RCC15VcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過(guò)程圖2―2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流內(nèi)部機(jī)理晶體管工作的內(nèi)部機(jī)理：-------“非平衡載流子”的傳輸①在發(fā)射結(jié)處以NPN為例。eb結(jié)正偏，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)﹥漂移運(yùn)動(dòng)。發(fā)射區(qū)和基區(qū)多子（電子和空穴）的相互注入。但發(fā)射區(qū)（e區(qū)）高摻雜，向P區(qū)的多子擴(kuò)散（電子）為主（IEn）,另有P區(qū)向N區(qū)的多子（空穴）擴(kuò)散，故相互注入是不對(duì)稱(chēng)的。擴(kuò)散(IEP)可忽略。以上構(gòu)成了發(fā)射結(jié)電流的主體。②在基區(qū)內(nèi)基區(qū)很薄。一部分(N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的）不平衡載流子（電子）與基區(qū)內(nèi)的空穴（多子）的復(fù)合運(yùn)動(dòng)（復(fù)合電流IBN

）。大多數(shù)不平衡載流子連續(xù)擴(kuò)散到cb結(jié)邊緣處。以上構(gòu)成了基極電流（IBN）的主體。③在集電結(jié)處集電結(jié)反偏。故漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。集電結(jié)（自建電場(chǎng)）對(duì)非平衡載流子（電子）的強(qiáng)烈吸引作用(收集作用）形成ICN。另外有基區(qū)和集電區(qū)本身的少子漂移（電子和空穴），形成反向飽和漏電流ICBO

。非平衡載流子傳輸三步曲(以NPN為例)

①發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入

(擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）為主②基區(qū)的復(fù)合

和繼續(xù)擴(kuò)散③集電結(jié)對(duì)非平衡載流子的收集作用（漂移為主）

三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程1)

發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散多子電子，形成發(fā)射極電流

IE。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IB?；鶇^(qū)空穴來(lái)源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)IB

3)

集電區(qū)收集擴(kuò)散過(guò)來(lái)的載流子形成集電極電流ICIC2)電子到達(dá)基區(qū)后(漂移電流因載流子濃度低而忽略)三極管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)偏置要求對(duì)NPN管要求

UC＞UB＞UE

UCUEUB偏置要求對(duì)PNP管要求

UC＜UB＜UE

UCUEUB【例】一個(gè)處于放大狀態(tài)的晶體管發(fā)射極電流為12.1mA，集電極電流為12.0mA，晶體管的是多少？解求基極電流

2.1.3晶體管共發(fā)射極特性曲線(xiàn)一、共發(fā)射極輸出特性曲線(xiàn)測(cè)量電路共發(fā)射極輸出特性曲線(xiàn)：輸出電流iC與輸出電壓uCE的關(guān)系曲線(xiàn)(以iB為參變量)（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。輸入特性曲線(xiàn)

：集電極與發(fā)射極之間的電壓uCE一定時(shí)，基極電流iB與基極、發(fā)射極之間的電壓uBE之間的關(guān)系。2.1.3三極管特性曲線(xiàn)（3）uCE≥1V再增加時(shí)，曲線(xiàn)右移很不明顯，uCE的變化對(duì)iB的影響可以忽略。（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)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(xiàn)將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V二極管的伏安特性曲線(xiàn)輸入特性有一段死區(qū)：硅0.5V，鍺0.1V輸出特性曲線(xiàn)：基極電流iB一定時(shí)，集電極電流iC與集電極、發(fā)射極之間的電壓uCE之間的關(guān)系?，F(xiàn)以iB=60uA一條加以說(shuō)明。

（1）當(dāng)uCE=0

V時(shí)，因集電極無(wú)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(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以u(píng)CE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線(xiàn)。

輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿(mǎn)足IC=IB稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū)（放大區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱(chēng)為飽和區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱(chēng)為截止區(qū)。輸出特性曲線(xiàn)可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V=uBE

，此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。iB變化時(shí)，iC基本不變，iC受uCE顯著控制的區(qū)域。截止區(qū)——為了保證三極管可靠截止，常在發(fā)射結(jié)外加反向電壓，即uBE<0，此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。iB=0，iC接近零的區(qū)域。放大區(qū)——該區(qū)域內(nèi)uCE>uBE此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。iC僅取決于iB，而與uCE無(wú)關(guān)。曲線(xiàn)基本平行等距。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

三極管輸出的三個(gè)區(qū)的劃分及特點(diǎn)NPN條件各結(jié)偏置特點(diǎn)截止區(qū)VB<VE,VB<VCE，C結(jié)均反偏I(xiàn)C0放大區(qū)VE<VB<VCE結(jié)正偏，C結(jié)反偏I(xiàn)CIB飽和區(qū)VB>VE,VB>VCE，C結(jié)均正偏VCE=VCES，IC基本不受IB的控制PNP條件各結(jié)偏置特點(diǎn)截止區(qū)VB>VE,VB>VCE，C結(jié)均反偏I(xiàn)C0放大區(qū)VC<VB<VEE結(jié)正偏，C結(jié)反偏I(xiàn)CIB飽和區(qū)VB<VE,VB<VCE，C結(jié)均正偏VCE=VCES，IC基本不受IB的控制例：

=50，VCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)VBB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的工作在哪個(gè)區(qū)？當(dāng)VBB

=-2V時(shí)：ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大電流：工作在截止區(qū)

例：

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)UBB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管工作在哪個(gè)區(qū)？IC<

ICmax(=2mA)

，

工作在放大區(qū)。ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEVBB

=2V時(shí)：VBB

=5V時(shí):例：

=50，VCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)VBB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管工作在哪個(gè)區(qū)？ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBE工作在飽和區(qū)，此時(shí)IC和IB

已不是倍的關(guān)系。三極管工作狀態(tài)的判斷[例1]：測(cè)量某NPN型BJT各電極對(duì)地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)域？（1）

VC

＝6V

VB

＝0.7V

VE

＝0V（2）VC

＝6V

VB

＝4V

VE

＝3.6V（3）VC

＝3.6V

VB

＝4V

VE

＝3.4V解：原則：正偏反偏反偏集電結(jié)正偏正偏反偏發(fā)射結(jié)飽和放大截止對(duì)NPN管而言，放大時(shí)VC

＞VB

＞VE

對(duì)PNP管而言，放大時(shí)VC

＜VB

＜VE

（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)48[例2]

某放大電路中BJT三個(gè)電極的電流如圖所示。

IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,試判斷管腳、管型。解：電流判斷法。電流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC

IAIBICC為發(fā)射極B為基極A為集電極。管型為NPN管。管腳、管型的判斷法也可采用萬(wàn)用表電阻法。參考實(shí)驗(yàn)。49例[3]：測(cè)得工作在放大電路中幾個(gè)晶體管三個(gè)電極的電位U1、U2、U3分別為：

（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V

（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V

（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V

（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判斷它們是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？并確定e、b、c。（1）U1b、U2e、U3cNPN硅（2）U1b、U2e、U3cNPN鍺（3）U1c、U2b、U3ePNP硅（4）U1c、U2b、U3ePNP鍺原則：先求UBE，若等于0.6-0.7V，為硅管；若等于0.2-0.3V，為鍺管。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

NPN管UBE＞0，UBC＜0，即UC

＞UB

＞UE

。

PNP管UBE＜0，UBC＜0，即UC

＜UB

＜UE

。解：50溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響一、溫度對(duì)ICBO的影響溫度每升高100C，ICBO增加約一倍。反之，當(dāng)溫度降低時(shí)ICBO減少。硅管的ICBO比鍺管的小得多。二、溫度對(duì)輸入特性的影響溫度升高時(shí)正向特性左移，反之右移60402000.40.8I/mAU/V溫度對(duì)輸入特性的影響200600三、溫度對(duì)輸出特性的影響溫度升高將導(dǎo)致IC

增大iCuCEOiB200600溫度對(duì)輸出特性的影響512.1.4半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)（1）電流放大倍數(shù)iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5共發(fā)射極電流放大倍數(shù)：選用時(shí)β值太小，電流放大作用差；β值太大，管子的工作穩(wěn)定性差。（2）極間反向電流集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO

基極開(kāi)路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的反向電流——穿透電流。ICEO對(duì)于放大是無(wú)用的，所以值越小性能越好。其大小與溫度有關(guān)，隨溫度的升高而增大。

集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，集電區(qū)中的少數(shù)載流子漂移到基區(qū)得到反向飽和電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。該值越小性能越好。其大小與工作溫度有關(guān)，工作溫度升高，該值會(huì)變大。

++ICBOecbICEO（3）極限參數(shù)

Ic增加時(shí)，要下降。當(dāng)值下降到線(xiàn)性放大區(qū)值的70％時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM。一般選用額定值大約為通常使用狀態(tài)最大電流2倍以上的管子。集電極最大允許電流ICM集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，PC=ICUCE

PCM<PCM（4）反向擊穿電壓

BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：

U（BR）EBO——集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。

U（BR）CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。

U（BR）CEO——基極開(kāi)路時(shí)，集電極