BJT三极管课件.ppt

1 第四章双极结型三极管及放大电路基础 2 4 1BJT 半导体三极管有两大类型 一类是双极型半导体三极管 简称BJT 一类是场效应半导体三极管 简称FET 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件 它由两个PN结组合而成 是一种CCCS器件 半导体三极管一般指双极型半导体三极管 简称晶体管 三极管 3 晶体管的几种常见外型如下 4 1半导体三极管BJT 4 4 1半导体三极管BJT 一 三极管结构简介二 三极管的放大作用三 三极管的共射 共基特性曲线四 三极管的主要参数五 温度对晶体管特性及参数的影响六 三极管的应用七 三极管的选用原则八 三极管的型号 5 一 三极管结构简介 双极型半导体三极管由两个背靠背 互有影响的PN结构成 其结构示意图如下图所示 它有两种类型 NPN型和PNP型 6 中间部分称为基区 相连的电极称为基极 用B或b表示 Base 一侧称为发射区 相连的电极称为发射极 用E或e表示 Emitter 另一侧称为集电区 相连的电极称为集电极 用C或c表示 Collector E B间的PN结称为发射结 C B间的PN结称为集电结 一 三极管结构简介 7 一 三极管结构简介 双极型三极管的电路符号如图所示 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向 8 一 三极管结构简介 外表上看两个N区 或两个P区 是对称的 实际上结构特点为 发射区的掺杂浓度大 基区要制造得很薄 其厚度一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度低 而集电结面积大 9 二 三极管的放大作用 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 若在放大工作状态 发射结加正向电压 集电结加反向电压 即发射结正偏 集电结反偏 下面以NPN管为例介绍晶体管的放大作用 基本共射放大电路如右图 10 二 三极管的放大作用 1 载流子的传输过程 1 发射区向基区注入电子 发射结正偏 有利于多子的扩散 发射区的大量自由电子扩散到基区 形成电流IEN 其方向与电子流动的方向相反 同时 基区的空穴也扩散到发射区 形成电流IEP 但由于发射区的杂质浓度比基区高得多 一般高几百倍 因此空穴流与电子流相比可忽略不计 IE IEN IEP IEN 11 二 三极管的放大作用 2 电子在基区的扩散与复合 由发射区向基极注入的电子 即成为基区内的少子 称为非平衡载流子 并在基区靠近发射结的边界积累起来 在基区中形成一定的浓度梯度 因此自由电子向集电极方向扩散 扩散的过程中会与基区中的空穴复合 形成基极电流IBN 12 二 三极管的放大作用 也就是说 注入基区的电子有一部分未到达集电结 如果复合越多 则到达集电结的电子越少 对放大是不利的 所以为了减小复合 把基区做的很薄 掺杂浓度很低 因而大部分电子都能到达集电结 13 二 三极管的放大作用 3 集电极收集电子 集电结反偏 有利于少子的漂移 所以到达集电结的电子很快漂移过集电结为集电区所收集 形成集电极电流ICN 14 二 三极管的放大作用 另一方面 基区中的少子电子和集电区的少子空穴在结电场的作用下形成反向漂移电流 它取决于少子的浓度 称为反向饱和电流ICBO 其值很小 这个电流对放大没有贡献 而受温度影响很大 容易使管子工作不稳定 所以在制造过程中尽量减小ICBO 15 二 三极管的放大作用 综上所述 三个电极的电流分别为 16 二 三极管的放大作用 2 电流分配关系双极型三极管有三个电极 其中一个可以作为输入 另一个可以作为输出 这样必然有一个电极是公共电极 根据公共电极的不同 有三种接法 三种接法也称三种组态 见下图 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 17 二 三极管的放大作用 1 各极电流的基本关系 看动画4 1 18 二 三极管的放大作用 由基本关系可以 A 已知两个电流可确定第三个电流B 根据电流方向可确定是NPN管还是PNP管C 根据电流的数值关系可确定晶体管的电极 19 二 三极管的放大作用 2 集电极电流与发射极电流的关系对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明 定义 称为共基极直流电流放大系数 它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值 20 二 三极管的放大作用 3 基极电流IB和发射极电流IE之间的关系 21 二 三极管的放大作用 4 基极电流IB和集电极电流IC之间的关系称为共发射极接法直流电流放大系数 22 二 三极管的放大作用 23 二 三极管的放大作用 综上所述 晶体管三个电极电流的简单关系为 24 二 三极管的放大作用 若忽略反向电流的影响 近似关系为 25 二 三极管的放大作用 若晶体管输入电流发生变化 即iB IB IB 那么输出电流也变化 即iC IC IC 我们定义 叫做共发射极交流电流放大系数 26 二 三极管的放大作用 三 三极管的共射特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系 是三极管内部载流子运动的外部表现 工程上常用的是输入特性和输出特性 27 三 三极管的共射特性曲线 1 输入特性曲线iB f uBE UCE 常数共发射极接法的输入特性曲线见右图 其中UCE 0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线 当UCE 1V时 UCB UCE UBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 且基区复合减少 IC IB增大 特性曲线将向右稍微移动一些 但UCE再增加时 曲线右移很不明显 曲线的右移是三极管内部反馈所致 右移不明显说明内部反馈很小 28 三 三极管的共射特性曲线 2 输出特性曲线iC f uCE IB 常数共发射极接法的输出特性曲线如右图所示 它是以iB为参变量的一族特性曲线 现以其中任何一条加以说明 当uCE 0V时 因集电极无收集作用 iC 0 当uCE微微增大时 发射结虽处于正向电压之下 但集电结反偏电压很小 如uCE 1V uBE 0 7V uCB uCE uBE 0 7V 集电区收集电子的能力很弱 iC主要由uCE决定 看动画4 2 29 三 三极管的共射特性曲线 当uCE增加到使集电结反偏电压较大时 如uCE 1V uBE 0 7V 运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集 此后uCE再增加 电流也没有明显的增加 特性曲线进入与uCE轴基本平行的区域 这与输入特性曲线随uCE增大而右移的原因是一致的 这种现象称为基区宽度调制效应 30 三 三极管的共射特性曲线 饱和区 iC受uCE显著控制的区域 该区域内uCE的数值较小 一般uCE 0 7V 硅管 此时发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 放大区 iC平行于uCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 且电压大于0 7V左右 硅管 31 32 四 三极管的主要参数 半导体三极管的参数分为三大类 33 四 三极管的主要参数 1 直流参数 直流电流放大系数 共发射极直流电流放大系数在放大区基本不变 在共发射极输出特性曲线上 通过垂直于X轴的直线 uCE 常数 来求取IC IB 如图所示 在IC较小时和IC较大时 会有所减小 这一关系见下图 34 四 三极管的主要参数 共基极直流电流放大系数 35 四 三极管的主要参数 极间反向电流 集电极 基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极 O是Open的字头 代表第三个电极E开路 它相当于集电结的反向饱和电流 集电极 发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系ICEO 1 ICBO相当于基极开路时 集电极和发射极间的反向饱和电流 一般称穿透电流 即输出特性曲线IB 0那条曲线所对应的Y坐标的数值 如下图所示 36 四 三极管的主要参数 37 四 三极管的主要参数 ICE0不是单纯的PN结的反向电流 当c e间加上电压后 发射结分配有正向电压 集电结分配有反向电压 因此集电区的少子空穴就要漂移到基区 等于ICB0 同时 发射区的多子电子就要扩散到基区 由于基极开路 由集电区漂移到基区的空穴只能与发射区注入的电子复合 复合部分刚好是ICB0 根据三极管的电流分配规律 发射区每向基区提供一个复合用的载流子 就要向集电区供给 个载流子 因此 38 四 三极管的主要参数 2 交流参数 交流电流放大系数 共发射极交流电流放大系数 在放大区 值基本不变 可在共射接法输出特性曲线上 通过垂直于X轴的直线求取 IC IB 具体方法如右图所示 39 四 三极管的主要参数 共基极交流电流放大系数 特征频率fT三极管的 值不仅与工作电流有关 而且与工作频率有关 由于结电容的影响 当信号频率增加时 三极管的 将会下降 当 下降到1时所对应的频率称为特征频率 用fT表示 40 四 三极管的主要参数 3 极限参数 集电极最大允许电流ICM当集电极电流增加时 就要下降 当 值下降到线性放大区 值的70 30 时 所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM 至于 值下降多少 不同型号的三极管 不同的厂家的规定有所差别 可见 当IC ICM时 并不表示三极管会损坏 41 四 三极管的主要参数 集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM ICUCB ICUCE 因发射结正偏 呈低阻 所以功耗主要集中在集电结上 在计算时往往用UCE取代UCB 反向击穿电压反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力 其测试时的原理电路如下图所示 42 U BR CBO 发射极开路时的集电结击穿电压 下标BR代表击穿之意 是Breakdown的字头 C B代表集电极和基极 O代表第三个电极E开路 四 三极管的主要参数 43 四 三极管的主要参数 U BR EBO 集电极开路时发射结的击穿电压 44 四 三极管的主要参数 U BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 45 四 三极管的主要参数 对于U BR CER表示BE间接有电阻 U BR CES表示BE间是短路的 几个击穿电压在大小上有如下关系 U BR CBO U BR CES U BR CER U BR CEO U BR EBO 46 四 三极管的主要参数 最大集电极功率损耗PCM ICM和击穿电压U BR CEO 在输出特性曲线上还可以确定过损耗区 过电流区和击穿区 见下图 五 温度对晶体管特性及参数的影响 由于半导体材料的热敏性 晶体管的参数几乎都与温度有关 1 温度对ICBO的影响因为ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的 所以 当温度升高时 热运动加剧 使更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚 从而使少子浓度明显增大 因此 参与漂移运动的少子数目增多 从外部看就是ICBO增大 可以证明 温度每升高10 ICBO增加约一倍 反之 当温度降低时ICBO减小 由于硅管的ICBO比锗管小得多 所以从绝对数值上看 硅管比锗管受温度的影响要小得多 47 48 五 温度对晶体管特性及参数的影响 2 温度对输入特性的影响与二极管伏安特性相类似 当温度升高时 正向特性将左移 反之将右移 如图所示 当温度升高1 时 uBE大约降低2 2 5mV 即具有负的温度系数 换一角度说 若uBE不变 则当温度升高时iB将增大 反之iB减小 49 五 温度对晶体管特性及参数的影响 3 温度对输出特性的影响下图为一只晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图 实线所示为20 时的特性曲线 虚线所示为60 时的特性曲线 说明温度升高时 增大 从以上分析可知 温度升高时 由于ICBO 增大 且输入特性左移 所以导致集电极电流增大 50 六 三极管的应用 三极管的工作状态有三种 放大 导通和截止 三极管的应用主要是放大和开关电路 例 三极管工作状态的判定 NPN三极管T组成的共射电路如所示 设T的UBE 0 7V 饱和压降为UCES 试判定三极管处于何种工作状态 放大 饱和 截止 51 六 三极管的应用 解 通常判定三极管处于何种工作状态可用下述3种方法 1 三极管结偏置的判定法三极管发射结 集电结的偏置和管子工作状态的关系示于下表中 52 六 三极管的应用 2 三极管电流关系判定法通常对硅管而言 临界饱和时三极管集电极 发射极间的饱和压降UCES 0 7V 深度饱和时的UCES 0 1V 0 3V 三极管临界饱和时 53 六 三极管的应用 临界饱和时 基极应注入的电流IBS大小为 54 六 三极管的应用 当基极偏置电流入IB IBS时 T饱和 而当0 I IBS时 T处在放大状态 55 六 三极管的应用 3 三极管电位判定法共射电路三极管基极电位UB 集电极电位UC和三极管工作状态的关系 如下表所示 3种判定方法中 第3种常用于实验测定 而第2种则常用于解题过程中 56 七 三极管的选用原则 1 当直流电源电压对地为正值时 选用NPN型管子 当直流电源电压对地为负值时 选用PNP型管子 2 在同型号的管子中 应选用反向电流小的 温度稳定性好 管子的 值一般选几十到100 值太大的管子性能不稳定 3 如果要求反向电流小 工作温度高 则应选硅管 如果要求导通电压低时 则应选锗管 4 必须使管子工作在安全区 为此 在工作电压高时 选高反压管 在需要大电流时 选ICM大的管子 在需要输出大功率时 选PCM大的管子 并保证散热条件 57 七 三极管的选用原则 例 在一个单管放大电路中 电源电压为30V 已知三只管子的参数如下表所示 请选用一只管子 并简述理由 解 T1管虽然ICBO很小 即温度稳定性好 但 很小 放大能力差 所