電子技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目化教程課件 項(xiàng)目一 半導(dǎo)體器件的認(rèn)識(shí) 1.2.3 晶體管

1.2相關(guān)知識(shí)1.2.3晶體管總目錄下頁(yè)

晶體管又稱為雙極型半導(dǎo)體晶體管，因由兩種載流子（空穴和自由電子）都參與導(dǎo)電而得名，用字母VT表示，它有兩大類型，即PNP型和NPN型。實(shí)際應(yīng)用時(shí)它的種類有很多，按半導(dǎo)體材料可分為：硅管和鍺管；按功率大小分為：大、中、小功率管；按工作頻率分為：高頻管和低頻管；按封裝形式分為：金屬封裝和塑料封裝等。1.2.3晶體管下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（1）晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

晶體管是在一塊半導(dǎo)體上通過(guò)特定的工藝摻入不同雜質(zhì)的方法制成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，并引出三個(gè)電極構(gòu)成的，如圖1-11所示。1.晶體管的工作原理下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)圖1-11晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號(hào)下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)晶體管常見(jiàn)實(shí)物

晶體管有三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)。各區(qū)引出的電極依次是發(fā)射極E，基極B，集電極C。

發(fā)射區(qū)和基區(qū)形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)；

集電區(qū)和基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（2）晶體管的電流放大作用

盡管晶體管從結(jié)構(gòu)上看相當(dāng)于兩個(gè)二極管背靠背的串連在一起的，但是把兩個(gè)二極管按上述關(guān)系簡(jiǎn)單連接時(shí)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有放大作用。晶體管之所以有放大作用是由它特殊的內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)和外部條件共同決定的。

晶體管內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)：

第一：基區(qū)很薄，通常只有1微米至幾十微米，而且摻雜濃度比較低。

第二：發(fā)射區(qū)是重?fù)诫s區(qū)，所以多數(shù)載流子的濃度很大。

第三：集電區(qū)的面積最大。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

應(yīng)滿足的外部條件：所加的直流電源必須保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)1）電路

圖1-12中，VBB為基極電源電壓，用于提供發(fā)射結(jié)正偏電壓，使發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，RB為限流電阻；VCC為集電極電源電壓，它通過(guò)RC、集電結(jié)、發(fā)射結(jié)形成回路。

圖1-12NPN晶體管中載流子的運(yùn)動(dòng)和各級(jí)電流

由于發(fā)射結(jié)獲正向偏置電壓，其壓降值很?。ü韫芗s為0.7V），所以VCC主要降落在電阻RC和集電結(jié)兩端，使集電結(jié)獲得反向偏置電壓，使集電結(jié)處于反偏狀態(tài)。這樣，VBB使發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，VCC使集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，滿足了放大作用的外部條件。圖中發(fā)射極E是輸入回路和輸出回路的公共端，這種連接方式的電路稱為共發(fā)射極電路。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2）載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

電源VBB經(jīng)過(guò)電阻RB使發(fā)射結(jié)正偏，這樣發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷越過(guò)發(fā)射結(jié)而進(jìn)入基區(qū)。電子進(jìn)入基區(qū)后，少數(shù)電子通過(guò)基極流出，形成基極電流，剩下大量的電子使基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的電子濃度很大，而靠近集電結(jié)的電子濃度很低，這樣在基區(qū)存在明顯的濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集電結(jié)外加反向電壓，這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)將阻止集電區(qū)的電子向基區(qū)擴(kuò)散，但能夠促使基區(qū)內(nèi)擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子將作漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)集電區(qū)，形成集電極電流。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)3）晶體管的電流分配關(guān)系

綜合載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，晶體管內(nèi)的電流分配如圖1-13所示，圖中箭頭方向表示電流方向。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)電流關(guān)系如下：從而可推出：

IE＝IC+IB各級(jí)電流滿足下列分配關(guān)系：NPN晶體管中載流子的運(yùn)動(dòng)和各級(jí)電流

由上述電流分配關(guān)系可知，在共發(fā)射極電路中，集電極電流IC正比于基極電流IB。如果能控制IB就能控制IC，而與集電極外部電路無(wú)關(guān)，所以晶體管是一個(gè)電流控制器件。以上分析的是NPN型晶體管的電流放大原理，對(duì)于PNP型晶體管，其工作原理相同，只是晶體管各級(jí)電壓極性相反，發(fā)射區(qū)發(fā)射的載流子是空穴而不是電子。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

晶體管有三個(gè)電極，而在連成電路時(shí)，必須有兩個(gè)電極接輸入回路，兩個(gè)電極接輸出回路，這樣必然就有一個(gè)公共端公用，根據(jù)公共端的不同，可以有三種基本連接方式。2.晶體管的三種連接方式下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)圖1-14晶體管的三種基本連接方式

晶體管的特性曲線全面反映了晶體管各級(jí)電壓與電流之間的關(guān)系，是分析晶體管各種電路的重要依據(jù)。3.晶體管的特性曲線下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

晶體管各電極電壓與電流之間的關(guān)系可用伏安特性曲線來(lái)表示，特性曲線可用晶體管特性圖示儀測(cè)得，下面對(duì)共發(fā)射極電路的特性曲線進(jìn)行討論，如圖1-15（a）。共發(fā)射極電路

（1）輸入特性曲線

如圖1-15（a），由輸入回路寫(xiě)出晶體管輸入特性的函數(shù)式：下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)NPN型硅晶體管的輸入特性曲線如圖1-15（b）所示，由圖可見(jiàn)曲線形狀與二極管的正向伏安特性相類似。

由圖可見(jiàn)，只有大于0.5V（稱為死區(qū)電壓）后，iB才隨uBE的增大迅速增大，正常工作時(shí)管壓降uBE約為0.6V~0.8V，通常取0.7V，稱之為導(dǎo)通電壓UBE(on)。對(duì)鍺管，死區(qū)電壓約為0.1V，正常工作時(shí)管壓降約為0.2V~0.3V。輸入特性曲線

（2）輸出特性曲線

如圖1-15（a）所示的輸出回路可寫(xiě)出晶體管輸出特性的函數(shù)式：下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

由圖1-15（c）可見(jiàn)，根據(jù)晶體管的工作狀態(tài)可將輸出特性分為放大區(qū)，截止區(qū)，飽和區(qū)。輸出特性曲線1）放大區(qū)

在iB＝0的特性曲線上方，各條輸出特性曲線近似平行于橫軸的曲線簇部分。不同iB的特性曲線的形狀基本上是相同的，而且uCE＞1V后，特性曲線幾乎與橫軸平行，iB等量增加時(shí)，曲線等間隔地平行上移。即iB＝常數(shù)的情況下，晶體管uCE增大時(shí)，幾乎不變，即具有恒流特性。在放大區(qū)，iC的變化隨iB變化。即

。所以把這一區(qū)域稱為放大區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)處于正向偏置且uBE>0.5v，集電結(jié)處于反向偏置且uCE≥1V。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2）截止區(qū)

在iB＝0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，這時(shí)iC=0。集電極到發(fā)射極只有微小的電流，稱其為穿透電流。晶體管集電極與發(fā)射極之間近似開(kāi)路，類似開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)，無(wú)放大作用，呈高阻狀態(tài)。此時(shí)uBE低于死區(qū)電壓，晶體管截止，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)3）飽和區(qū)uCE比較小，且小于uBE時(shí)，uCB＝uCE--uBE<0，iC隨uCE的增大迅速上升而與iB不成比例，即不具有放大作用，這一區(qū)域稱為飽和區(qū)。在飽和區(qū)晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置，晶體管C、E之間的壓降很小。把晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)C、E之間的壓降稱為飽和壓降，記作UCE(sat)。此時(shí)晶體管集電極與發(fā)射極之間近似短路，類似開(kāi)關(guān)接通狀態(tài)。常把uCE=uBE定為放大狀態(tài)與飽和狀態(tài)的分界點(diǎn)，在這曲線上，晶體管既在放大區(qū)又在飽和區(qū)，叫做臨界飽和狀態(tài)。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

綜上所述，晶體管工作在放大區(qū)，具有電流放大作用，常用于構(gòu)成各種放大電路；晶體管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)與接通，常用于開(kāi)關(guān)控制與數(shù)字電路。

工作在不同的區(qū)域各電極之間的電位關(guān)系不同。以NPN型晶體管為例，工作于放大區(qū)時(shí)VC>VB>VE，工作于截止區(qū)VC>VE>VB，工作于飽和區(qū)時(shí)VB>VC>VE。對(duì)于PNP晶體管來(lái)說(shuō)，它工作在各區(qū)時(shí)各極的電位關(guān)系與NPN管各極電位關(guān)系正好相反。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（3）溫度對(duì)特性曲線的影響

溫度對(duì)晶體管特性影響較大，輸入、輸出特性曲線簇都隨溫度的變化而變化。溫度升高，輸入特性曲線向左移，即溫度每升高1

C，晶體管的導(dǎo)通電壓約減少(2

2.5)mV，如圖1-16(a)所示。溫度每升高10

C，iCBO約增大1倍，因此溫度升高，輸出特性曲線向上移。如圖1-16(b)所示。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

圖1-16溫度對(duì)晶體管特性曲線的影響

在實(shí)際應(yīng)用晶體管時(shí)，必須合理選擇晶體管，這就必須根據(jù)晶體管的參數(shù)來(lái)選取合適的晶體管。掌握晶體管的參數(shù)有助于合理選取并安全使用晶體管。其主要參數(shù)有：電流放大系數(shù)、極間反向電流以及極限參數(shù)等。4.晶體管的主要參數(shù)下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（1）電流放大系數(shù)

電流放大系數(shù)的大小反映了晶體管放大能力的強(qiáng)弱。1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)

晶體管電流放大系可分為直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)兩種。

①直流電流放大系數(shù)，常用

表示，定義為晶體管的集電極電流IC與基極電流IB之比，即

。

②交流電流放大系數(shù)，常用β表示，定義為集電極電流的變化量

與基極電流的變化量

之比，即

。有時(shí)

用hfe表示。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

顯然，

和

的定義是不同的，

反映的是集電極的直流電流與基極的直流電流之比，而

是集電極的交流電流與基極的交流電流之比，但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)工作電流不十分大的情況下，

與

值幾乎相等，故在應(yīng)用中不再區(qū)分，均用

表示。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2）共基極電流放大系數(shù)

①直流電流放大系數(shù)，常用

表示，定義為晶體管的集電極電流IC與發(fā)射極電流IE之比，即

。

②交流電流放大系數(shù)，常用

表示，定義為晶體管的集電極電流的變化量

與發(fā)射極電流的變化量

之比，即

。

一般情況下

，且為常數(shù)，故可混用，其值小于1而接近1，一般在0.98以上，即共基接法時(shí)，晶體管無(wú)電流放大能力。根據(jù)以上關(guān)系可以得到

和

的關(guān)系為：

下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（2）極間反向飽和電流

極間反向飽和電流同電流放大系數(shù)一樣，都是表征晶體管優(yōu)劣的主要指標(biāo)。常用的極間反向飽和電流有ICBO和ICEO。ICBO為發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極之間的反向飽和電流。室溫下，小功率硅管的ICBO小于1，鍺管約為幾微安到幾十微安。

ICEO為基極開(kāi)路時(shí)，集電極直通到發(fā)射極的電流，由于它是從集電區(qū)通過(guò)基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電流，所以又叫穿透電流。

由前面討論可知：

無(wú)論ICBO還是ICEO，受溫度的影響都很大。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（3）極限參數(shù)

極限參數(shù)是指晶體管正常工作時(shí)不得超過(guò)的最大值，以此保證晶體管的正常工作，使用晶體管時(shí)，若超過(guò)這些極限值，將會(huì)使管子性能變差，甚至損壞。1）集電極最大允許電流ICM

當(dāng)集電極電流太大時(shí)

值明顯降低。

下降到正常值的2/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的的值。使用中若iC>ICM，晶體管不一定會(huì)損壞，但

值明顯下降。2）集電極最大允許功率損耗PCM

晶體管工作時(shí)uCE的大部分降在集電結(jié)上，因此，集電結(jié)功率損耗（簡(jiǎn)稱功耗）PC=uCEiC，近似為集電結(jié)功耗，它將使集電結(jié)溫度升高而使晶體管發(fā)熱。PCM就是由允許的最高集電結(jié)決定的最大集電極功耗，工作