4晶体三极管.ppt

2020 2 22 信息工程学院 1 第五节晶体三极管 2020 2 22 信息工程学院 2 1 5 1晶体三极管的结构及类型 一 关于结构 晶体三极管又称为双极型晶体管 简称晶体管 三极管等 一般由两个背靠背的PN结构成 根据这两个PN结的排列方式不同 三极管分为NPN型和PNP型两种 我们用图形来说明这两种类型的三极管的结构 2020 2 22 信息工程学院 3 2020 2 22 信息工程学院 4 不管是NPN型还是PNP型都分为 三个区 发射区 基区 集电区制做时在这三个区各引出一个电极 命名为 发射极E 基极B 集电极C 这三个区构成两个PN结 其中 发射区与基区形成发射结 用Je表示 集电区与基区形成集电结 用Jc表示 2020 2 22 信息工程学院 5 二 种类和符号 晶体管的制做工艺很多也很复杂 常见的有 掺杂 光刻 扩散等 而且常见的晶体管种类都是平面型管 晶体管的三个区由于掺杂工艺的不同 可形成两种类型的管子 第一种为NPN型 即由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为NPN管 第二种为PNP型 即由两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子称为PNP管 2020 2 22 信息工程学院 6 这两种管子在电路的符号为 要求牢记 2020 2 22 信息工程学院 7 三 晶体三极管的三种连接方式 晶体三极管为三端器件 接入电路中要成为双口网络 因此 就必有一个电极作为输入口和输出口的公共端 因此 三极管接入电路中就有以下三种连接方式 共发射极接法 Ib为输入电流 Ic为输出电流 而且 Ic F IB 共基极接法 Ic F IE 共集电极接法 IE F IB 2020 2 22 信息工程学院 8 NPN型管的三种接法 共发射极接法共基极接法共集电极接法 IB IC IE IC IB IE 2020 2 22 信息工程学院 9 四 晶体三极管的主要特性 与二极管不同 晶体三极管的主要特性与它的三种工作模式或工作状态有关 放大模式 此时晶体管的JE正偏 JC反偏 这一模式主要表现为正向受控作用 即 晶体三极管的集电极电流和发射极电流只受正偏发射结电压的控制 而几乎不受集电结反偏电压的控制 2020 2 22 信息工程学院 10 这种作用首先表现为电流放大 其次表现为电压放大 电压放大是由电流放大转换而来的 饱和模式 此时管子工作在JE和JC均正向偏置状态 截止模式 此时管子工作在JE和JC均反向偏置状态 后两种状态呈现受控开关特性 是实现开关电路的基础 2020 2 22 信息工程学院 11 1 5 2放大模式下三极管的工作原理 在放大模式下 三极管的主要作用是放大作用 这种放大作用不是一般的放大 它具有以下两方面的含义 是放大的对象是变化量 是指对能量的控制作用的放大 即能量的放大 2020 2 22 信息工程学院 12 为定性说明这一正向控制作用的实现 现以NPN管的简单共射放大电路为例 着重阐述工作在放大模式下的晶体管内部载流子的传输过程 2020 2 22 信息工程学院 13 工作在放大模式下的晶体管内部载流子的传输过程 2020 2 22 信息工程学院 14 2020 2 22 信息工程学院 15 一 三极管内部载流子的传输情况 在发射区 向基区发射电子的情况 发射结Je正向偏置 扩散运动为主流 阻挡层变窄 则发射区的多子 电子 源源不断地越过发射结到达基区 同时 基区的空穴 多子 也会扩散到发射区 成为发射区的非平衡少子 这两种多子产生的扩散电流分别记为 IEN和IEP 2020 2 22 信息工程学院 16 三极管的连接方式 EB RB EC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 一 共发射极接法二 共集电极接法三 共基极接法 1 3 3电流放大原理 2020 2 22 信息工程学院 17 EB RB EC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 载流子传输过程发射 复合 收集 2020 2 22 信息工程学院 18 IB IBE ICBO IBE 各极电流关系 2020 2 22 信息工程学院 19 此时 IEN和IEP方向相同 但由于基区低掺杂且薄 所以有 IEPUE Je中的扩散运动 漂移运动在忽略IEP的情况下 Je中的扩散运动形成了IE 2020 2 22 信息工程学院 20 结论 发射区的电子源源不断越过PN结到达基区形成IEN 基区的空穴电子源源不断越过PN结到达发射区形成IEP则 发射极电流IE IEN IEP IEN IEP IEN 2020 2 22 信息工程学院 21 电子在基区扩散和复合的情况 形成IBN IEN ICN IB IBN IEP ICBO 电子被集电结收集的情况 形成IC ICN ICBO 三极管的两个PN结中 由于Je正偏 Jc反偏 就形成了既有电子的流动 又有空穴的流动 就把这种类型的管子称为双极型三极管 2020 2 22 信息工程学院 22 由于两种载流子的运动 在晶体管的三个电极形成以下电流关系 在E极 IE IEN IEP 1 在C极 IC ICN ICBO 2 在B极 IB IBN IEP ICBO 3 其中ICBO是集电结Jc的反向饱和电流 由少数载流子的浓度决定 综合 1 2 3 可知 晶体三极管的三个电极的电流满足KCL定律 IE IC IB 2020 2 22 信息工程学院 23 在制造晶体管时必须满足下列条件 1 令IEN IEP即 使发射结为不对称结 且基区低掺杂 以减小IEP在IEN中的比例 2 令基区宽度很小 以保证基区中的非平衡少子 发射区注入的电子 在向集电结扩散过程中绝大部分被能到达集电结 仅有极少部分被复合掉 即减小IBN IEN ICN1 的比例 2020 2 22 信息工程学院 24 3 令集电结面积大于发射结 以保证扩散到集电结边界处的非平衡少子全部漂移到集电极 形成受控的集电极电流 这样一来 管子在做成以后 Ic和IB的比例基本保持一定 因此我们可以通过改变IB的大小控制Ic 这就是三极管的电流放大作用 2020 2 22 信息工程学院 25 二 电流传输方程 即 三极管的电流分配关系电流传输方程是指三极管在正向受控过程中各电极的电流之间的关系 传输方程的推导如下 2020 2 22 信息工程学院 26 对于一个高品质的晶体管 我们希望其正向受控作用要好 也就是要求 ICN IBN 即希望ICN在IE中占有很高IEN IEP 的比例 因此 我们通常用ICN和IE的比值来衡量管子的质量 所以定义 上式称为共基极直流电流放大系数 并与IE的值有关 0 98 0 99 2020 2 22 信息工程学院 27 再将代入IC ICN ICBO即得在上式中 用IE表示了IC 即把IE作为输入回路电流 而把IC作为输出回路电流 并以基极为公共端 所以 是共基极电流的电流传输关系式 2020 2 22 信息工程学院 28 但在共射极电路中 要把IB作为输入回路电流 IC作为输出回路电流 基极作为公共端 故为得到IC和IB的关系 将IE IC IB代入中得 2020 2 22 信息工程学院 29 此时定义 称为共射电流放大系数上式变为 同时 这两个公式中令 ICEO称为穿透电流 又叫ICEO pt 即基极开路 IB 0 时由集电极直通到发射极的电流 2020 2 22 信息工程学院 30 一般地 故 忽略ICEO的影响使得 注意 这两个式子是以后我们在分析运算中常用的近似关系 2020 2 22 信息工程学院 31 三 三极管的电流放大作用 从三极管中载流子的运动情况可知 我们只要在制造上将基区做得很薄 掺杂浓度又低 那么从发射区扩散过来的电子将绝大部分越过基区流向集电极 形成Ic 只有很小一部分流向基极形成IB 管子在做成以后 Ic和IB的比例基本保持一定 因此我们可以通过改变IB的大小控制Ic 这就是所谓的三极管的电流放大作用 2020 2 22 信息工程学院 32 四 三极管的电压放大作用 三极管的电流放大作用又可转化