三极管知识简介.pdf

一 三极管概述一 三极管概述 晶体三极管主要包括双极型晶体管 Bipolar Junction Transistor 英文缩写 BJT 和场效应晶体管 Field Effect Transistor 英文缩写 FET 两种类型 但是由于 BJT 较 FET 较早问世 人们提到晶体三极管时往往指 BJT 双极型晶体三极管一词 源于这种类型的晶体管工作时 两种极性的载流子均起重要作用 双极型晶体管是由两个背靠背 互有影响的 PN 结构成的 在工作过程中两 种载流子都参与导电 所以全名称为双极结型晶体管 Bipolar Junction Transistor 简写为 BJT 它有三个引出电极 人们习惯上又称它为晶体三极管或晶体管 晶体管的种类很多 按照其构成的半导体材料分有硅管和锗管等 按照功率 分有小 中 大功率管 按照应用的频率分有高频管和低频管等等 二 三极管结构二 三极管结构 晶体管的两个 PN 结 将半导体分成三个区域 这三个区域的排列顺序 可 以是 N P N 或 P N P 因此 晶体管有 NPN 和 PNP 两种类型 NPN 型平 面管的结构及结构示意图分别如图 2 35 a b 所示 NPN 型晶体管的符号 如图 2 35 c 所示 PNP 型平面管的结构及结构示意图分别如图 2 36 a b 所示 PNP 型晶体管的符号如图 2 36 c 所示 a 结构 b 结构示意图 c 电路符号 图 2 35 NPN 晶体管的结构及电路符号 a 结构 b 结构示意图 c 电路符号 图 2 36PNP 晶体管的结构及电路符号 三个区域分别称为发射区 基区和集电区 对应引出的电极分别称为发射极 E 基极 B 和集电极 C E B 之间的 PN 结称为发射结 C B 之间的 PN 结称为集 电结 出于晶体管放大性能的要求 制作时有意使发射区的掺杂浓度远远高于基 区和集电区 基区做的很薄 以微米计 集电结的面积大于发射结的面积 因此 在使用 时 E C 两个电极是不能交换的 电路符号中 E 极的箭头 表示正向电流的方向 三三 三极管工作原理 三极管工作原理 由于晶体管有两个 PN 结 所以它有四种不同的运用状态 发射结正偏 集电结反偏时 为放大工作状态 发射结正偏 集电结也正偏时 为饱和工作状态 发射结反偏 集电结也反偏时 为截止工作状态 发射结反偏 集电结正偏时 为反向工作状态 在放大电路中 主要应用其放大工作状态 而在脉冲与数字电路中则是主要 应用其饱和状态和截止状态 至于反向工作状态 从原理上讲与放大状态没有本 质不同 但由于晶体管的实际结构不对称 发射结比集电结小的多 起不到放大 作用 故这种工作状态基本不用 1 载流子的传输过程1 载流子的传输过程 在放大状态下 晶体三极管内部载流子的传输过程可归纳为发射结的注入 基区中的输运与复合和集电区的收集 对此 我们以 NPN 管为例 参照图 2 37 作如下讨论 1 发射结的注入 由于发射结正偏 使发射结变窄 扩散运动占优势 高掺杂发射区的大量电子注 入到基区 形成电子电流IEn 与此同时 基区中的空穴也向发射区注入 形成 空穴电流IEp IEn和IEp电流方向一致 由基区指向发射区 构成发射极电流IE 即 2 42 2 基区中的扩散与复合 注入到基区的电子 成为基区的非平衡少子 将继续向集电结方向扩散 在 扩散的过程中 除有少部分的电子会与基区中的多子空穴复合 形成基极复合电 流IBn外 大部分电子到达集电结边界 并在集电结电场作用下 漂移到集电区 形成集电极电子电流ICn 3 集电区的收集 由于集电结处于反偏状态 集电结势垒区中电场很强 其方向是由集电区指 向基区 因此 到达集电结边界的电子在此强电场的作用下 几乎全部收集到集 电区 形成集电极电子电流ICn 此外 在该强电场的作用下 集电区内的少子 空穴将漂移到基区 基区内的少子 电子也将漂移到集电区 它们形成集电结 的反向漂移电流ICBO ICBO的方向与ICn方向是一致的 所以 总的集电极电流IC 为 2 43 由图 2 37 可知 晶体管基极电流IB为 2 44 2 晶体管的电流传输关系 晶体管的电流传输关系 D 晶体管有三个电极 根据输入 输出及公共端子的不同 用晶体管接成放大电 路时 可有三种连接方式 又称三种组态 即共基极 CB 共发射极 CE 和共集电极 CC 连接方式 如图 2 38 所示 a 共基组态 b 共射组态 c 共集组态 图 2 38 晶体管的三种组态 无论何种组态 在放大运用时 都必须保证晶体管的发射结正偏 集电结反 偏 其内部载流子的传输过程是相同的 各极的电流并不随晶体管的连接组态而 变化 而且总是满足 iE iB iC 但是由于三种组态以不同的电极为输入 输出 端 因而它们具有不同的电流传输关系 在电路中具有不同的放大特性 1 共基组态的电流传输关系 共基组态是以发射极为输入端 集电极为输出端 基极为输入电路和输出 电路的公共端 因此 共基组态的电流传输关系就是指集电极电流 ic 与发 射极电流 iE 的关系 为了表示发射极电流对集电极电流的控制作用 引入参数 的定义为 2 45 称为共基极电流直流传输系数 它表示到达集电极的电子电流在总发射极 电流中所占的比例 由前面的讨论可知 数值恒小于 1 越近于 1 电流传 输效率越高 通常晶体管的 可达 0 95 0 99 利用式 2 43 式 2 45 可得 2 46 如果 IC ICBO 则上式可近似为 2 47 2 共射组态的电流传输关系 共射组态是以基极为输入端 集电极为输出端 发射极为输入电路和输出电 路的公共端 电路如图 2 38 b 所示 由基尔霍夫定律可知 2 48 将式 2 48 代入式 2 46 可以得出输出电流 IC 和输入电流 IB 间的 关系 即共射组态的电流传输方程 2 49 其中 称为共发射极直流电流放大系数 其数值一般为几十 几 百 超 管的 可达 1000 式 2 49 进而可写成 2 50 其中 2 51 称为晶体管共发射极穿透电流 它表示基极开路 IB 0 时发射极到集 电极的直通电流 室温下 锗晶体管的 一般大于微安量级 硅晶体管的 小于微安量级 如果忽略 则式 2 50 可写成 2 52 3 共集组态的电流传输关系 共集组态是以基极为输入端 发射极为输出端 集电极为输入电路和输出电 路的公共端 电路如图 2 38 c 所示 将式 2 50 代入式 2 48 可 以得出输出电流 IE和输入电流IB间的关系 2 53 从以上讨论可知 无论哪种组态 输入电流对输出电流都有控制作用 所以说晶 体管是电流控制器件 四 共射特性曲线四 共射特性曲线 三极管的特性曲线比较全面地反映各电极的电压与电流之间的关系 包括 输入特性曲线 反映输入电压与输入电流之间的关系 输出特性曲线 反映输出 电压与输出电流之间的关系 根据公共端的不同选择 三极管在电路中可以有 共射 共基 共集三种连接方式 如图所示 无论哪种连接方式 为了保证管子 具有放大作用 电路必须满足发射结正偏 集电结反偏的偏置条件 不同连接方 式的三极管电路 各有特点 其中以共射组态的电路应用最为广泛 所以下面讨 论最常用的共射输入特性曲线 共射输出特性曲线 共射输入特性曲线 共射输入特性曲线表示集 射极间电压固定时 基极电流与基 射极间电压之间 的关系 如图所示 1 当 Vce 0 时 三极管相当于两个并联的二极管 故输入特性曲线与二极管正向 特性曲线相似 如图中曲线 1 2 当 Vce 0 时 特性曲线将向右移 如图中曲线 2 3 4 Vce 从 0V 增至 1V 曲线明显右移 然而 当 Vce 超过 1V 再增大 Vce 曲线右移极少 几条曲线 几乎重叠一起 共射输出特性曲线 共射输出特性表示基极电流固定时 集电极电流与集 基极间电压之间的关系 1 截止区 图中对应 Ib BUCEO BUEBO 3 集电极最大允许耗散功率PCM 集电极耗散功率PC等于集电极电流iC与管压降uCE的乘积 耗散功率使管子 温度上升 当 PN 结温度超过某一限度 硅管约 150 OC 锗管约为 70OC 时 将导 致管子烧毁 因此实际使用时 应使iCuCE PCM 在大功率使用时 可在输出特性曲线上画出PCM iCuCE曲线 称为最大允许耗 散功率 通常将三个极限参数以下的区域称为管子工作安全区 如图 2 53 所示 要求晶体管的iC uCE和PC工作在管子安全区 六 温度对晶体管参数的影响六 温度对晶体管参数的影响 晶体管的参数在温度变化时也会随之改变 通常称为 温度漂移 受温度 影响较大的参数有三个 基极门限电压UBEO 集电极反向饱和电流ICBO和电流放 大系数 1 1 U UBEO的温度漂移 BEO的温度漂移 正如讨论 PN 结时已经指出 UBEO是随温度 T 升高按线性减小 这是因为晶体 管的禁带宽度随温度 T 升高按线性减小 相应的结接触电位也跟着减小 因而 UBEO减小 我们用温度系数 表示UBEO随温度 T 变化的程度 理论计算指 出 对锗管为 2 1mV 而对硅管为 2 3mV 由于这些数据是建立在平均 特性基础上的 所以对留有余地的设计 不论硅管还是锗管 可认为在室温下 2 I ICBO的温度漂移 CBO的温度漂移 正如讨论 PN 结时已经指出 不论硅管还是锗管 I ICBO CBO主要取决于少子浓度 而少子浓度与本征载流子浓度 ni 2成正比 并且随温度升高而快速增大 因此 I ICBO CBO随温度升高而快速增大 作为一般估算 可认为硅管和锗管的I ICBO CBO都是温度每上升 10 增加一倍 即 3 3 的温度漂移的温度漂移 电流放大系数 是随温度升高而增大 这是因为温度T升高后 加快了基 区注入载流子的扩散速度 即扩散系数D增大了 这样 在基区电子与空穴的复 合量减小 因此 增大 反映在输出曲线上 曲线族的间隔拉开了 的温度系数常用相对值表示 平均数据为 七 三极管放大电路七 三极管放大电路 1 放大电路参数 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态 共 发射极 共集电极 共基极 共 发射极 共集电极 共基极 放大电路 实际放大电路有两个要求 信号源和负载电阻有公共端 由信号源流入放大器的输入电流 Ii 和和由放大器流向负载的输出电流 Io 都是信号电流 一般不应该有静态直流电流成分 放大电路的主要技术指标 放大倍数 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro 通频带 1 放大倍数放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大 所以输出功率也会有所放大 对放大电路而言 有电压放大倍数 电流放大倍数和功率放大倍数 通常它们都是按正弦量定义的 电压放大倍数 io V VAv 电流放大倍数 io I IAi 功率放大倍数 iiooio IVIVPPAp 2 输入电阻输入电阻 Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数 Ri 大放大电路从信号源吸取 的电流小 反之则大 i i i I V R 3 输出电阻输出电阻 Ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力 Ro 大表明放大电路带负载的能力差 反之则 强 0 o o o SL VR I V R 注意 放大倍数 输入电阻 输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数 只有在 放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义 注意 放大倍数 输入电阻 输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数 只有在 放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义 4 通频带通频带 BW 放大电路的增益 A f 是频率的函数 在低频段和高频段放大倍数都要下降 当 A f 下 降到中频电压放大倍数 A0 的 1 2 时 即 0 0 HL 7 0 2 A A fAfA 相应的频率相应的频率 fL 称为下限频率 称为下限频率 fH 称为上限频率 称为上限频率 2 共射放大电路工作原理 1 共射放大电路的基本组成 2 静态和动态 静态 0 i v时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 动态 0 i v时 放大电路的工作状 态 也称交流工作状态 放大电路建立正确的静态 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要正确地区分静 态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 3 直流通路和交流通路 4 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程 o 2 cccbbbe 1 i v C vRiiiiv C v c 3 放大电路基本分析方法 IB IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点 用Q表示 在测试 基本放大电路时 往往测量三个电极对地的电位VB VE和VC即可确定三极管 的静态工作状态 静态工作状态的图解分析法 静态工作状态的图解分析法 1 在输出特性曲线上确定两个特殊点 VCC VCC Rc 即可画出直流负载线 2 由直流负载线 VCE VCC ICRC 3 得到 Q 点的参数 IB IC 和 VCE 4 放大电路的动态图解分析 1 交流负载线 交流负载线 1 从 B 点通过输出特性曲线上的 Q 点做 一条直线 其斜率为 1 R L 2 R L RL Rc 是交流负载电阻 3 交流负载线是有交流 输入信号时 Q 点的运动轨迹 4 交流负载线与直流 负载线相交 Q 点 2 交流工作状态的图解分析 交流工作状态的图解分析 通过图解分析 可得如下结论 1 vi vBE iB iC vCE vo 2 vo 与 vi 相位相反 3 可以测量出放大电路的电压放大倍数