第3讲半导体基础知识-三极管1课件.ppt

1、晶体三极管晶体三极管第二章第二章晶体三极管晶体三极管参考书籍：参考书籍：谢嘉奎谢嘉奎电子线路电子线路线性部分线性部分晶体三极管晶体三极管 晶体三极管又称双极型晶体管晶体三极管又称双极型晶体管(BJT)(BJT)，一般由两个背靠，一般由两个背靠背的背的PNPN结构成，根据这两个结构成，根据这两个PNPN结的排列方式不同，三极管分结的排列方式不同，三极管分为为NPNNPN型和型和PNPPNP型型两种。两种。NPN型型CP PN NN NE EB B发射区集电区基区基极发射极集电极集电结发射结PNP型型N NP PP PE EB B基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCNPNBETC

2、PNP晶体三极管晶体三极管 晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，它的主要特性与其工作模式有关。它的主要特性与其工作模式有关。晶体三极管有三种工作模式：晶体三极管有三种工作模式：放大模式放大模式 饱和模式饱和模式 截止模式截止模式晶体三极管晶体三极管2.2 2.2 放大模式下的工作原理放大模式下的工作原理 放大模式是指晶体管工作在放大模式是指晶体管工作在发射结正偏、发射结正偏、集电结反偏集电结反偏的模式。这时它呈现的主要特的模式。这时它呈现的主要特 性是性是正向受控正向受控作用，即三极管的集电极电作用，即三极管的集电极电 流和发射极电流只受正偏发射

3、结电压的控流和发射极电流只受正偏发射结电压的控 制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。这种作用是实现放大器的基础。这种作用是实现放大器的基础。晶体三极管晶体三极管2.2.1三极管的放大作用和载流子的运动三极管的放大作用和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用晶体三极管晶体三极管三极管内部结构要求：三极

4、管内部结构要求：1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基区做得很薄基区做得很薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米，而且几微米到几十微米，而且掺掺杂较少杂较少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使：外加电源的极性应使发射发射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。晶体三极管晶体三极管becRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程I EIB1.发射发射发射区的发射区的电子越过发射结扩散到电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散基区，基区的空穴扩散到发射区到发射区形成发射极形成发射

5、极电流电流 IE(基区多子数目较基区多子数目较少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略)。2.复合和扩散复合和扩散电子电子到达基区，少数与空穴复到达基区，少数与空穴复合形成基极电流合形成基极电流 Ibn，复合复合掉的空穴由掉的空穴由 VBB 补充补充。多数电子在基区继续扩多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。散，到达集电结的一侧。图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动晶体三极管晶体三极管becI EI BRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3.收集收集集电结反偏，集电结反偏，有利于收集基区扩散过来有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流的电子而形成集电极电

6、流 Icn。其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC。I C另外，集电区和基区另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成将进行漂移运动而形成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。ICBO图图 1.3.5三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动晶体三极管晶体三极管beceRcRb三极管的电流分三极管的电流分配关系配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp一般要求一般要求 ICn 在在 IE 中占的比例中占的比例尽量大。尽量大。而二者之比称而二者之比称共基直共基直流电流

7、放大系数流电流放大系数，即，即ECnII 一般可达一般可达 0.95 0.99晶体三极管晶体三极管三个极的电流之间满足节点电流定律，即三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IBCBOBCBOBCBOBCC)1(111)(IIIIIIII ECCCBOCBOECBOCnC 1 IIIIIIIII 可可将将其其忽忽略略，则则时时，当当)(代入代入(1)式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。1晶体三极管晶体三极管CBOBC)1(III 上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示，表示，ICEO 称穿透电流。称穿透电流。CEOBCCBOCEO )1(I

8、IIII 则则当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略 ICEO，则由上式可得，则由上式可得BCII 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 近似等于近似等于 IC 与与 IB 之比。之比。一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。晶体三极管晶体三极管三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系BCEIII BC II BE)1(II 一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.7

9、7 2.37 2.961.任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB ICVVBEBE 所以：所以：I IB B=0=0，I IC C I ICEOCEO 结论：结论：发射结反向偏置时，发射结反向偏置时，晶体管是截止的。晶体管是截止的。晶体三极管晶体三极管2.放大区放大区 晶体管工作在放大模式下，晶体管工作在放大模式下，V VBEBE Von,VCEVBE，此时特，此时特性曲线表现为近似水平的部分，性曲线表现为近似水平的部分，而且变化均匀：而且变化均匀：I IC C的大小受的大小受I IB B的控制；的控制；IIc cIIB B；具强的电流放大；具强的电流放大作用。作用。

10、随着随着V VCECE的增加，曲线的增加，曲线有些上翘。有些上翘。理想情况下，当理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性按等差变化时，输出特性曲线是一族与横轴平行的等距离线。曲线是一族与横轴平行的等距离线。晶体三极管晶体三极管3.饱和区饱和区 条件：条件：VBEVon，VBCVBE特点：此时曲线簇靠近纵轴特点：此时曲线簇靠近纵轴附近，各条曲线的上升部分附近，各条曲线的上升部分十分密集，几乎重叠在一起，十分密集，几乎重叠在一起，可以看出：可以看出：当当IB改变时，改变时，I IC C基本上不会随之而改变基本上不会随之而改变。关于晶体管的饱和程度：关于晶体管的饱和程度：一般认为一般认为，当，当 V

11、CE=VBE 时时的状态为临界状态（的状态为临界状态（VCB=0）晶体三极管晶体三极管 饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，分别为分别为 和和)(satBEV)(satBCV对于硅管，一般取对于硅管，一般取VVVonBEsatBE7.0)()(VVVonBCsatBC4.0)()(共发射极连接时共发射极连接时VVVVVVBCBEEBCBCE3.0EICI 当三极管的发射结和集电结当三极管的发射结和集电结均加正偏均加正偏时，它工作在饱和时，它工作在饱和模式。模式。和和 将同时受到两个结正偏电压的控制，不再具有将同时受到两个结正偏电压的控

12、制，不再具有放大模式下的正向受控作用。放大模式下的正向受控作用。晶体三极管晶体三极管三极管工作在截止模式时，发射结与集电结均反偏。三极管工作在截止模式时，发射结与集电结均反偏。若忽略两个结的反向饱和电流，则可近似认为晶体三若忽略两个结的反向饱和电流，则可近似认为晶体三极管的各级电流均为零。极管的各级电流均为零。其简化模型可用其简化模型可用两段开路线表示：两段开路线表示：晶体三极管晶体三极管2.6三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的连接方式三极管的连接方式VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共发射极接法共发射极接法图图 1.3.10NPN 三极管的电流放大关系三极管的电流放大关系

13、一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法共基极接法晶体三极管晶体三极管1.共射电流放大系数共射电流放大系数 BCII 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 忽略穿透电流忽略穿透电流 ICEO 时，时，BCII 3.共基电流放大系数共基电流放大系数 ECII 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时，时，ECII 和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：1 1或

14、或晶体三极管晶体三极管二、反向饱和电流二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电测量电路路(b)ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小功率锗管小功率锗管 ICBO 约为几微约为几微安；硅管的安；硅管的 ICBO 小，有的为纳小，有的为纳安数量级。安数量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流。之间的电流。CBOCEO)1(II 值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。图图 1.3.11反向饱

15、和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路晶体三极管晶体三极管三、三、极限参数极限参数1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 IC 过大时，三极管的过大时，三极管的 值要减小。在值要减小。在 IC=ICM 时，时，值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区 将将 IC 与与 UCE 乘积等于乘积等于规定的规定的 PCM 值各点连接起值各点连接起来，可得一条双曲线。来，可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区

16、区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区晶体三极管晶体三极管3.极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路：基极开路时，集电极和发射极之间时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。U(BR)CBO：发射极开：发射极开路时，集电极和基极之间路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。安全工作区安全工作区同时要受同时要受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUC

17、EO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区晶体三极管晶体三极管2.7PNP 型三极管型三极管放大原理与放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型型VCCVBBRCRb+uoui晶体三极管晶体三极管2.72.7温度对晶体三极管特性的影响温度对晶体三极管特性的影响

18、 由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。主要表现在以下度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。主要表现在以下三个方面：三个方面：(2)(2)温度对温度对V VBEBE的影响：的影响：输入特性曲线随温度升高向输入特性曲线随温度升高向左移左移，这，这样在样在I IB B不变时，不变时，V VBEBE将减小。将减小。V VBEBE随温度变化的规律与二极管随温度变化的规律与二极管正向导通电压一样，即：温度每升高正向导通电压一样，即：温度每升高11，V VBEBE减小减小2 22.5mV2.5mV。(1)(1)温度

19、对温度对I ICBOCBO的影响：的影响：I ICBOCBO是集电结的反向饱和电流，它随是集电结的反向饱和电流，它随温度变化的规律是：温度变化的规律是：温度每升高温度每升高1010，I ICBOCBO约增大一倍。约增大一倍。晶体三极管晶体三极管(3)(3)温度对温度对的影响：晶体管的电流放大系数的影响：晶体管的电流放大系数随温度升随温度升高而增大，变化规律是：高而增大，变化规律是：每升高每升高11，值增大值增大0.50.51%1%。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。总之：温度对总之：温度对V VBEBE、I ICBOCBO和和的影响

20、反映在管子上的集电极的影响反映在管子上的集电极电流电流I Ic c上，它们都是上，它们都是使使I Ic c随温度升高而增大随温度升高而增大，这样造成的，这样造成的后果将在后面的放大电路的稳定性及反馈中详细讨论。后果将在后面的放大电路的稳定性及反馈中详细讨论。晶体三极管晶体三极管（1 1）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。（2 2）为了保证三极管工

21、作在放大区，在组成放大电路时，）为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，外加的电源的极性应使三极管的发射结处于正向偏置状外加的电源的极性应使三极管的发射结处于正向偏置状态，集电结则处于反向偏置状态。态，集电结则处于反向偏置状态。晶体管三极管的工作特点晶体管三极管的工作特点晶体三极管晶体三极管（3 3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。波形仍有一定程度的非线性失真。（4 4）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如、r rbebe等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大电路的基本不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大电路的基本分析方法是分析方法是图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。