第二章晶体三极管

1、第二章第二章 晶体三极管晶体三极管第二章第二章 前言前言第一节第一节 放大模式下晶体三极管的工作原理放大模式下晶体三极管的工作原理第二节第二节 晶体三极管晶体三极管的其它工作模式的其它工作模式第三节第三节 埃伯尔斯埃伯尔斯-莫尔模型莫尔模型第四节第四节 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线第五节第五节 晶体三极管晶体三极管的小信号电路模型的小信号电路模型第六节第六节 晶体三极管电路分析法晶体三极管电路分析法第七节第七节 晶体三极管应用原理晶体三极管应用原理第二章第二章 晶体三极管晶体三极管前言前言 晶体三极管是一种具有正向受控作用的半导体器件，它的内部有两个背靠背排列的PN结(不能

2、用两个二极管对接而成)。按结构划分，三极管有NPN型与PNP型两种。 NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。2.1 教学要求1、掌握晶体三极管放大模式下的电流分配关系式2、熟悉三极管放大、饱和、截止三种模式的工作条件及性能特点3、熟悉三极管的数学模型、直流简化电路模型，共E电路曲线模型及小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合4、熟悉三极管放大电路的三种分析方法：估算法；图解法及小信号等效电路法。能熟练利用估算法判断三极管的工作模式5、本章2.3节、2.7、2.8根据教学需要，可作为扩展内容。2.2 基本

3、内容晶体三极管的内部结构特点:(1)发射区高掺加(2)基区很薄(3)集电结面积大2.2.1 放大模式下电流分配基本关系式2.2.2 三极管的通用模型-伏安特性曲线2.2.3 三极管的简化模型1、放大模式下三极管的模型(1)数学模型（指数模型）(2)直流简化电路模型(3)交流小信号电路模型2、饱和与截止模式下三极管的模型2.2.4 三极管电路分析方法三极管电路分析方法 先进行直流分析，后进行交流分析1、直流分析方法分析IBQ、ICQ、VCEQ可采用图解法或估算法2、交流分析方法分析Av、Ri、R0可采用图解法与小信号等效电路方法2.2.5 放大器的构成放大器的构成 电路都是以三端器件（三极管、场

4、效应管）为核心，再配以合适的管外电路而组成1、结构：、结构： 它的基本组成部分，是两个靠得很紧，而且是背对背的PN结。 结构示意图（a） EC BPNN结构示意图（b） EC BNPP第一节第一节 放大模式下晶体三极管的工作原理放大模式下晶体三极管的工作原理 根据杂质半导体的排列方式不同，晶体三极管有两种不同的类型，并且只有两种类型。 即 NPN型与 PNP型NPN型电路符号 EBCECBPNP型电路符号E C BPNN集电结 CB结发射结 EB结集电极基极发射极集电区基区发射区晶体三极管的主要特性与它的工作状态有关： （1）、放大状态：定义为发射结外加正偏电压，集电结外加反偏电压。这种作用是

5、实现放大器的基础。 （2）、饱和状态：定义为发射结外加正偏电压，集电结外加正偏电压。 （3）、截止状态：定义为发射结外加反偏电压，集电结外加反偏电压。这两种模式呈现受控开关特性，实现开关电路的基础。2、晶体三极管的主要特性：、晶体三极管的主要特性： 第一节第一节 放大模式下晶体三极管放大模式下晶体三极管 的工作原理的工作原理1、内部载流子传输过程：、内部载流子传输过程：晶体三极管的两个PN结是通过基区产生耦合作用，连接在一起的。E CBPNN以NPN型晶体三极管为例： 分析：晶体三极管处于放大模式下，载流子传输过程。 CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEI

6、CBO（1）、发射区向基区注入载流子的过程： 发射结正偏后，形成的正向扩散电流，是由发射区和基区得多子通过PN结而形成。 即 IEn + IEp 方向由P区指向N区 式中 IEn 为电子电流； IEp 为空穴电流。 CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEICBO为满足电中性条件： 必须通过外电路向发射区补充电子，因此，外电路的电流为 IE = IEn + IEp （IE 的方向为发射极流出） CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEICBO（2）、集电结收集电子的过程： 由发射区向基区注入电子为基区的非平衡少子，在浓度梯度的

7、影响下，边扩散、边复合，向集电结边界运动。并且，在集电结反偏电场的作用下，快速通过PN结，进入集电区形成电子电流。CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEICBO 与其有关的载流子流有： ICn1 由基区非平衡少子电子，在外电场作用下，形成的漂移电子电流。 ICp 由集电区中热平衡少子空穴，在外电场作用下，形成的漂移空穴电流。 ICn2 由基区中热平衡少子电子，在外电场作用下，形成的漂移电子电流。 总的载流子电流为： ICn1 + ICp + ICn2 CEBPNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEICBON ICn1 + ICp +

8、 ICn2 其中 令 ICp + ICn2 = ICBO ICBO 是集电结本身的反向饱和电流 为满足电中性条件，必须通过外电路向集电区补充空穴，因此，外电路的电流为IC = ICn1 + ICp + ICn2 = ICn1 + ICBO IC 的方向为集电极流入（3）、电子在基区扩散和复合的过程： IEp 由基区热平衡多子空穴，在外电场作用下，扩散到发射区形成的空穴电流。 IEn ICn1 由基区非平衡少子电子复合掉热平衡多子空穴的复合电流。ICp 、ICn2 由基区与集电区中的热平衡少子，在外电场用下，形成漂移电子电流及空穴电流。 CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2IC

9、n1ICIBIEICBO 总结两个PN结，共同形成流入基区的载流子电流为 IEp +( IEn ICn1) ( ICp + ICn2 ) 为满足电中性条件，必须通过外电路向基区补充空穴，因此，外电路的电流为： IB = IEp +( IEn ICn1) ( ICp + ICn2 ) = IEp +( IEn ICn1) ICBO IB 的方向为基极流入CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEICBO 综合前面的分析有： IE = IEn + IEp IC = ICn1 + ICp + ICn2 = ICn1 + ICBO IB = IEp +( IEn ICn

10、1) ICBO IC + IB = ICn1 + ICBO + IEp +( IEn ICn1) ICBO = IEn + IEp = IE 即 IE = IC + IB 由此，可以看出晶体三极管的三个电极的电流，满足上述的节点方程。 讨论： （1）、只有发射区中的多子，自由电子通过发射结 基区 集电结 集电区。 即 将IEn 转化为 ICn1 ，并且ICn1 的大小只受发射结的电压VBE 的控制。 当 VBE IEn ICn1 时， ICn1 的大小几乎不受集电结反偏电压的控制。（2）、其它载流子电流，只能分别产生两个结的电流，而不会转化另一个结的电流。它们对正向控制作用来说都是无用的。称为

11、晶体三极管的寄生 电流。（3）、对晶体三极管来说要减小寄生电流。以保证受控载流子的传输效率，即提高放大性能。 通过上面的分析可知，在制造晶体三极管时，必须满足下列条件： （1）、 发射结为不对称结。 （2）、 基区的宽度很窄。 （3）、 集电结的面积大于发射结的面积。 CEBPNNIEpIEnR2V2V1R1ICpICn2ICn1ICIBIEICBO2、电流的传输方程：、电流的传输方程： 电流的传输方程：是指晶体三极管在上述正向受控过程中，各极电流之间的关系式。 双口网络V1I2I1V2 共基极组态 共发射极组态 共集电极组态CBEICIBCBCIEIBEICIECB（1）、各极电流之间的关系

12、式： 根据内部载流子传输过程分析可知，ICn1 是由IEn 转化得到的： 设 、为转化系数（或称为转化能力）。定义为 ： ECnEpEnCnIIIII11IEn IEp 、故 IEn IE 已知 IC = ICn1 + ICBO (共基极连接时，电流传输方程)所以 CBOECIII 因为 ECnII1 因此， 的值恒小于1，但是分接近于1，一般在0.98以上。 通常 ICBO 很小，尤其是硅材料制作的硅管，一般可以忽略。方程可近似为： ECII称为共基极电流传输系数。 已知 BCEIII代入 CBOECIII 得： CBOBCCIIII)(CBOBCIII)1 (所以 CBOBCIII111令

13、 1）（111 则方程可写为： CBOBCIII）（1 令 CBOCEOII）（ 1 则 CEOBCIII（共发射极连接时，电流传输方程） 称为共发射极电流放大系数，其值大于1 ICEO 是基极开路时（IB = 0 ）的集电极电流，称为穿透电流。通常很小 所以上式可简化为 BCII已知： BCEIII代入 CEOBCIII 得： CEOBBEIIIICEOBEIII）（1共集电极连接时，电流传输方程：通常ICEO 很小，可忽略 ， 则 BEII）（ 1和ICEO 的物理含义： （2）、 将 ECnII1 代入 1CBOBCBOCCnBCCBOCCnECnECnECnIIIIIIIIIIIIII

14、II111111 故 BCII 表示晶体三极管的基极电流IB 对集电极电流IC 的控制能力。 实际上表示为，IB 中受发射结电压控制的电流成分（IB + ICBO）对集电极正向受控电流成分（ICn1 = IC ICBO）的控制能力。通常ICBO 很小，则可忽略。 由于 接近于1，因此 ，将远大于1。 例如 99.0 时 9999.0199.01 表明共发射极连接时，晶体三极管具有电流放大作用。但其值有较大的离散性。98.04998.0198.01995.0199985.01985.01（b）、ICEO 的物理含义 ICEO 是基极开路（即 IB = 0 ）时，由集电极直通到发射极的电流。 VB

15、EVCBVCEVCEVCBVBENNP 根据图可得： BECBCEVVV 集电结上外加反偏电压，发射结外加正偏电压。晶体三极管仍工作在放大模式，具有放大模式，即 放大作用。CBOCnEnEpBIIIII)(1 当 IB = 0 时 IEp +( IEn ICn1) = ICBO 所以 其值被放大 倍 ，再加上集电极本身的ICBO CBOCBOCBOCEOIIII）1 ( ICEO 远大于ICBO ，不过在常温下ICEO 也很小，可以忽略。 3、一般模型：、一般模型：（1）、指数模型电流传输方程 ECII 共B BCII 共E BEII）（ 1 共C 应该满足下列条件：晶体三极管在正向受控作用下

16、，并且在较大电流变化范围内 和 保持恒值 则不论采用哪种方式连接，其输出电流与输入电流之间的关系是线性的。 实际上，控制电流IE 或 IB 是受发射结电压 VBE 控制的。VBE 为发射结正向偏置电压，因此，IE 应该服从下面的指数关系。TBETBEVVEBSVVEBSEeIeII）（1式中 IEBS 为发射结的反向饱和电流。 则 相应的集电极电流IC 可近似的表示TBETBEVVEBSVVEBSECeIeIII）（1TBEVVSCeII式中 EBSSII（2）、简化电路模型： 晶体三极管实质上，是输出电流受输入发射结电压控制的非线性器件。 当共E连接时，如图所示EBCICIBVCEVBE电流关系： BCIITBETBEVVSVVSBeIeII电路可等效为： 晶体三极管共发射极连