第2章-放大器基本原理-第2节-三极管要点.ppt

第二章放大器基本原理,第二节晶体三极管,1、三极管的结构2、三极管的电流分配及放大原理3、三极管的特性曲线4、三极管的主要参数,三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。是半导体基本元器件之一，是电子电路的核心元件。,1947年12月23日，美国贝尔实验室里，3位科学家巴丁博士、布喇顿博士和肖克莱博士在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验中发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。,约翰巴丁(JohnBardeen)美国物理学家，电气工程师。一位两次获得诺贝尔物理学奖章的得主。1956年同WH布喇顿和W肖克莱因发明晶体管获得诺贝尔物理学奖。1972年，同LN库珀和JR施里弗因提出低温超导理论获得诺贝尔物理学奖。,肖克莱（WilliamBradfordShockley，1910年1989年）美国物理学家。1936年获麻省理工学院博士学位。“晶体管之父”。在20世纪50、60年代对晶体管商业化的推动，促进了“硅谷”成为电子产业创新的温床。,三极管分类按内部结构分：NPN型和PNP型管；按工作频率分：低频和高频管；按功率分：小功率和大功率管；按用途分：普通管和开关管；按半导体材料分：锗管和硅管等等。,中功率管,大功率管,1、三极管的结构,工艺：在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成P型(基区)，基区做的很薄（微米甚至纳米数量级）且杂质浓度很低；再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散，形成N型的发射区，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区。再引出三个电极。,*结构示意如下图所示,三极管的结构示意图,三极管的结构,三极管的符号,多子浓度很高,很薄，多子浓度低,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,*发射结正向偏置*集电结反向偏置,1.载流子运动规律：发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子。,2、三极管的电流分配及放大原理,将一个NPN型的三极管接成共射极接法的放大电路，如右图。,三极管共射极接法,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动（电流很小）,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,三极管的放大作用和载流子的运动,2.电流分配关系,(2)据上述分析有：,(3)三极管的电流放大倍数：,(1)根据基尔霍夫定律有：,电流分配示意图,电流分配：IEIBICIE扩散运动形成的电流IB复合运动形成的电流IC漂移运动形成的电流,交流电流放大系数,直流电流放大系数,结论：(1)(2)体现了电流放大作用，故称三极管为电流控制型元件。,(1)表述：当集-射极电压UCE为常数时，输入电路(基极电路)中基极电流IB与基射极电压UBE之间的关系曲线，称为输入特性曲线。,测量三极管特性的电路,3、三极管共发射极接法的特性曲线,3.1输入特性曲线,(2)表达式：,实验电路：,当集-射极电压UCE为常数时，输入电路(基极电路)中基极电流IB与基射极电压UBE之间的关系曲线，称为输入特性曲线。,晶体管的共射输入特性,为什么UCE增大,曲线会右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值以后，曲线右移就不明显了？,3.2输入特性分析,当UCE=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,当UCE0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。UCEUBE，三极管处于放大状态。特性右移。UCE增大到一定值时(1V)，特性曲线不再明显移动，基本重合。(因集电结已经收集了大部分的非平衡少子),3.3输出特性,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,1、截止区：发射结电压开启电压，且集电结反偏。IB=0，iCICEO，iC02、放大区：发射结正偏，集电结反偏。特点：各条输出特性曲线比较平坦，且等间隔。集电极电流和基极电流体现放大作用。3、饱和区：发射结正偏，集电结正偏。特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCEUBE时称为过饱和。,3.4输出特性分析（NPN管为例）,可以发射电子，但无法收集，因为集电结不处于反向偏置,小结：晶体管的三个工作区域,练习:电路中三极管（均为NPN硅管)各电极的对地电位如图所示，试判断各三极管分别工作于什么状态.,放大,饱和,截止,若两个PN结的P区直接对接，相当基区很厚，将没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度较低且很薄，是三极管能够实现电流放大的关键。,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC。,4、三极管的主要参数,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC则交流电流放大倍数为：,电流放大系数太小则放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般大功率管为10-30，小功率管为60-300为宜。,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流其大小与温度有关。,4.2反向饱和电流,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，在集电结上加反向电压，得到反向电流。实际上就是PN结的反向电流。它与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。,+,+,ICBO,e,c,b,ICEO,选择管子时，ICBO和ICEO越小越好,4.3极限参数,1）集电极最大允许电流ICM三极管工作时，集电极电流IC上升到一定程度会导致三极管值下降。IC超过ICM，明显下降。,2）集电极最大允许耗散功率PCMPCMiCuCE=常数,3）极间反向击穿电压管子某一电极开路时，其余两个电极之间所允许加的最高反向电压。当电压越过此值时，管子将发生电击穿，并可能导致热击穿损坏管子。,4.3极限参数,4)集电极最大耗散功率PCM：温度升到晶体管的最高允许温度时，在集电极上耗散的功率值被规定为集电极最大耗散功率。,PCM1W的管子加散热片,5、温度对晶体管特性的影响,晶体管的输入特性曲线,晶体管的输入特性曲线,输入特性曲线随温度升高而左移,输出特性曲线随温度升高而上移。在输出特性曲线图上,曲线间的距离随温度升高而增大。温度每升高