双极结型晶体管.ppt

Bipolarjunctiontransisitor(BJT)载流子：电子和空穴,第三章双极结型晶体管,2020/5/11,3.1双极型半导体三极管的结构,双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。图02.01两种极性的双极型三极管,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,3.2双极型晶体管的工作原理,希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合,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,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，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,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,基区空穴的扩散,双极型三极管在制造时，要求发射区的掺杂浓度大，基区掺杂浓度低并要制造得很薄，集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。从结构上看双极型三极管是对称的，但发射极和集电极不能互换。,由此可写出三极管三个电极的电流,发射极电流：IE=IENIEP且有IENIEP集电极电流：IC=ICN+ICBOICN=IEN-IBN且有IENIBN，ICNIBN基极电流：IB=IEP+IBNICBO所以，发射极电流又可以写成IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,2.5.2晶体管的工作原理,当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。,.发射区向基区注入电子,.电子在基区中边扩散边复合,.电子被集电区收集,根据电荷守衡有ICN+IBN=IEN,IEPIEN，发射极电流IEIEN。,形成基区复合电流IBN,为基极电流IB的主要部分,形成集电区收集电流ICN,为集电极电流IC的主要部分。,一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程,通过对管内载流子传输的讨论可以看出，在晶体管中，窄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起。从而把正偏下发射结的正向电流几呼全部地传输到反偏的集电结回路中去。这是晶体管能实现放大功能的关键所在。,.集电结少子漂移集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。,二.电流分配关系,由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：,可见，在放大状态下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,1.为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为,其含义是：基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去。值一般在20200之间。,确定了值之后，可得,这是今后电路分析中常用的关系式。,由于ICBO极小，在忽略其影响时，晶体管三个电极上的电流近似有：,根据上式，不难求得,2.为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为,显然，1，一般约为0.970.99。,由于和都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由、的定义可得,三.晶体管的放大作用,3.3晶体管伏安特性曲线及参数,晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中有共发射极、共集电极和共基极三种基本接法，如图所示。,共发射极,共集电极,共基极,其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。,晶体管共发射极特性曲线,晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图示电路逐点测出。,实测的共射输出特性曲线如图下所示:,一、共发射极输出特性曲线共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即,临界饱和线,uCE=uBE,共发射极输出特性曲线,在输出特性曲线上可分为三个工作区，分别对应于晶体管的三种工作种状态，即放大、截止和饱和状态。,临界饱和线,iC不受iB控制，表现为不同iB的曲线在饱和区汇集。,1.饱和区,管子饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。其值很小，深饱和时约为0.30.5V。,条件：e结正偏，c结正偏（uCE0），c结反偏（uCEuBE）。,uCE=uBE,为此，定义共发射极交流电流放大系数：,.uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为iB一定而uCE增大时，曲线仅略有上翘（iC略有增大）。,由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时，集电极电流具有恒流特性。,原因：基区宽度调制效应（Early效应）或简称基调效应,3.截止区,当iB=0时，iC=ICEO=(1+)ICBO。这时e结仍有正向受控作用，但对小功率管，ICEO很小，可以认为iB0时，管子截止。反映在特性上，即为iB0的曲线基本重合在水平轴上。,对大功率管，由于ICEO很大，此时，为确保管子截止，e结必须反偏。,条件：e结和c结均处于反偏。,特点：三个电极上的电流均为反向电流，相当极间开路。,二、共发射极输入特性曲线共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即,(2).在uCE1V的条件下，正向特性存在导通或死区电压UBE(on),UBE(on),输入特性曲线有如下特点：,(1).uCE增大时曲线基本重合。,UBE(on)0.6V，硅管，UBE(on)0.1V，锗管,(3).当uCE=0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移。,(4)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在00，uCEuBE，即e结、c结均正偏）特点：.iC不受iB控制，即.三个电极间的电压很小，相当短路，各极电流主要由外电路决定。.截止状态（iB0，uCEuBE，即e结、c结均反偏）特点：.iCiBiE0。.三个电极间相当开路，各极电位主要由外电路决定。（4）,ICIB或,ICIB,2020/5/11,科学出版社高等教育出版社中心,26,双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，分别为基极对发射极和基极对集电极的电压。则四种工作模式是：,（1）正向有源模式：0，0；（2）反向有源模式：0，0；（3）饱和模式：0，0；（4）截止模式：0，0。,晶体管的三种工作状态，在实际中各有应用：,需要指出，使e结反偏而c结正偏时，这种状态通常称为反向放大（或倒置）状态，在模拟电路中这种工作方式很少采用。,当管子饱和时，相当开关闭合；当管子截止时，相当开关打开。,在构成放大器时，晶体管应工作在放大状态；,用作电子开关时，则要求工作在饱和、截止状态。即c极端和e极端之间等效为一受b极控制的开关，如图所示。,晶体管的主要参数,一、电流放大系数1.共射极直流电流放大系数和交流电流放大系数2.共基极直流电流放大系数和交流电流放大系数,所以在以后的计算中，不再加以区分。,应当指出，值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大不小的中间值范围内，值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。,二、极间反向电流1.ICBOICBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。2.ICEOICEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。3.IEBOIEBO指集电极开路时，发射极-基极间的反向电流。,三、结电容结电容包括发射结电容Ce(或Cbe)和集电结电容Cc(或Cbc)。结电容影响晶体管的频率特性。,四、晶体管的极限参数1.击穿电压U(BR)CBO指e极开路时，c-b极间的反向击穿电压。U(BR)CEO指b极开路时，c-e极间的反向击穿电压。U(BR)CEOCTE+CTC的情形，增益带宽乘积为,（3-9-13）,注意增益带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的。,开关时间是指晶体管状态从关变为开或从开变为关所需的时间，图(a)显示一输入电流脉冲在t0时加在射基端点上，晶体管导通在tt2时，电流瞬间转换到零，晶体管关闭。集电极电流的暂态行为可由储存在基区申的超量少数载流子电荷QB(t)来决定，图(b)是QB(t)与时间的关系图。在导通的过程中，基区储存电荷将由零增加到QB(t2)；在关闭的过程中，基区储存电荷由QB(t2)减少到零。,开关暂态过程,双极型晶体管的频率响应与开关特性,当QB(t)Qs时，晶体管工作于放大模式下，其中Qs是VCB=0时基区中的电荷量如图(d)，在饱和区的边缘。IC对时间的变化显示在图(c)中。在导通的过程中，基区存储电荷量达到Qs，电荷量在t=t1时达到饱和区边缘。当QBQs时晶体管进入饱和模式，而发射极和集电极电流大致维持定值。图(d)显示在tt1时，空穴分布pn(x)与t=t1时平行，所以在x=0和x=W处的空穴浓度梯度即电流维持相同。在关闭的过程中，器件起初是在饱和模式下，集电极的电流大约维持不变，直到QB降至Qs，如图(d)。,双极型晶体管的频率响应与开关特性