电子线路(清华大学出版社,董尚斌主编)第_1_章[1].3三极管.ppt

第一章,半导体器件与模型,1.4半导体三极管,1.4.1三极管的结构、符号及分类,双极型晶体管,1.基本结构和符号,平面型(NPN)三极管制作工艺:,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)，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。,扩散法,在N型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与N型锗接触，冷却后形成两个P型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,合金型(PNP)三极管制作工艺：,和金法,2.三极管的分类,按照材料分：硅管、锗管等,按照频率分：高频管、低频管,按照功率分：小、中、大功率管,按照结构分：NPN型和PNP型,三极管结构示意图和符号,三极管结构示意图和符号,1.4.2三极管放大区的工作原理,三极管的工作状态,以NPN型管为例,双极型三极管的符号中，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。,三极管的主要应用电流放大,三极管具有电流放大作用的条件,双极型三极管的结构可看成由两个背靠背的PN结组成,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,三极管内部结构要求：,1.发射区高掺杂。,通常只有几微米到几十微米，而且掺杂浓度低。,3.集电结面积大。,2.基区做得很薄。,？,三极管具有电流放大作用的内因:,晶体管具有电流放大作用的外部条件：,1.电流的传输过程,VCC,内部载流子的传输过程,1）发射极正偏与注入载流子：,电子注入：,空穴注入：,发射区中多子电子通过发射结源源不断注入基区。,基区中多子空穴通过发射结注入发射区。,(基区多子数目较少，空穴电流可忽略),发射极电流IE：多子扩散电流,2）非平衡少子（电子）在基区中的扩散与复合：,基极电流IB：电子与空穴的复合电流,复合和扩散：,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,电源VEE的正端不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。复合的数目与拉走的电子数目相等，基本维持基区的空穴浓度。,集电极电流IC：多子漂移电流,集电区和基区的少子在外电场的作用下进行的漂移运动而形成。,反向饱和电流ICBO：,电流的传输过程:,发射结正偏电压控制IE和IB通过注入、扩散、收集转化为IC。且转化几乎不受集电结反偏电压的影响,电流的传输过程:,三极管的放大作用是通过载流子传输体现出来的。,三极管的电流分配关系,发射结正偏集电结反偏,电流分配关系,本质：,？,外部条件：,集电极电流,发射极电流,基极电流,外电路电流平衡方程,发射效率,基区的传输效率,2.直流电流传输方程,三极管（放大电路）的组态,三极管（放大电路）的三种组态,外部条件：发射结正偏，集电结反偏,1）共基极电路直流电流传输方程,输出电流与输出电流之间的关系？,共基组态直流电流传输系数,2）共发射极电路直流电流传输方程,共发电路直流电流传输系数：,三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用,表示IB0（相当于基极开路）时，集电极到发射极的直通电流。,3）共集电极电路直流电流传输方程,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,任何一列电流关系符合IE=IC+IB，IB0，vBC0,vBC0。,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。,iCiB,硅管:VCES0.4V,过饱和:,饱和管压降:,锗管:VCES0.2V,导致曲线随vCE增加而上倾。输出特性曲线向左延伸交于一点，相应的电压VA称为厄尔利电压。,基区宽度调制效应：,三极管工作状态的判断,测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？,例1.10,原则：,解：,对NPN管放大时VCVBVE对PNP管放大时VCVBVE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区VCEVBE,三极管的连接方式,1.4.4三极管的主要参数,1.电流传输系数,表征管子放大作用的参数。,和这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,2.反向饱和电流,小功率锗管ICBO约为几微安；,硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。,当b开路时，c和e之间的电流,集电极穿透电流。,3.极限参数,1）集电极最大允许电流ICM,当IC过大时，三极管的值要减小。,在IC=ICM时，值下降到额定值的三分之二。,2）集电极最大允许耗散功率PCM,将IC与VCE乘积等于规定的PCM值各点连接起来，可得一条双曲线。,安全工作区,过损耗区,3）极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。,基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受PCM、ICM和V(BR)CEO限制。,PNP型三极管,放大原理与NPN型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与NPN正好相反。,三极管外加电源的极性,计算中VBE、VCE为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-VBE)、(-VCE)。,某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,例1.11,C发射极B基极A集电极。管型NPN管。,解：,电流判断法。,电流的正方向和KCL。,IE=IB+IC,测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：,判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c。,例1.12,先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；,解：,原则：发射结正偏，集电结反偏。,NPN管UBE0，UBC0,若等于0.2-0.3V，为锗管。,PNP管自己分析。,温度对三极管参数的影响,在相同的IB情况下，集电极电流IC随温度上升而增大。温度每上升l，值约增大0.51。,（1）对的影响：,和二极管的正向特性一样，温度上升1，vbe将下降22.5mV。,3）对发射结电压vbe的影响：,温度上升，值将增大，iC也将增大，vCE将下降。,ICEO是由少数载流子漂移运动形成，会随温度上升急剧增加。温度上升10，ICEO将增加一倍。,2）对反向饱和电流ICEO的影响：,1.4.5三极管的EM方程和电路模型,埃伯尔斯莫尔（EM）方程反映结电压对三极管各极电流的控制作用。,1.EM方程的导出,发射结正偏等效模型,发射结用二极管模拟，其对集电极电流的影响用受控源表示。,共基极正向电流传输系数,集电结用二极管模拟，其对发射极电流的影响用受控源表示。,集电结正偏等效模型,共基极反向电流传输系数,共基组态的EM电路模型,由图可得,埃伯尔斯莫尔方程组反映了各极电流与外加电压的关系，可作为三极管的数学模型。,2.电路模型,三极管指数模型,（1）正向工作区,正向工作区共射电路的指数模型,受控电流源,（2）饱和区vBE0、vBC0,集射极间饱和压降,极间饱和压降,饱和状态下的简化模型,vBC增大，iR增大，iC、iE减小；基区载流子的复合作用加强，iB增大。放大状态下的电流传输方程已不成立。,饱和状态时，两结正向电阻都很小，管子呈低阻特性。,三极管已无放大状态时的受控作用,（3）截止区,（4）反向工作区vBE0,反向电流传输系数很小，不用。,电极之间可视为开路,截止状态下的简化模型,1.4.6三极管的小信号模型,加入vi，电路中的瞬时值为静态值与交流瞬时值的叠加。如,瞬时值:,vi较小时，其对应变化范围内的输入输出特性可视为直线，非线性器件三极管可等效为线性器件来进行分析。,VBEQ对应的静态电流:,瞬时值:,三极管的跨导：,输出电流瞬时值与输入电压瞬时值成线性关系。,小信号的条件：,三极管放大工作时，在静态点上叠加交流小信号，三极管对交流信号具有线性传输特性，三极管可用线性有源网络来进行等效。,线性有源网络与三极管的端电压、电流有函数关系，为三极管的小信号模型。,建立小信号模型的依据,(1)小信号（微变）（图解）基本满足叠加原理！,输入特性：工作点在Q附近移动范围小，切线代替曲线,(2)双口有源网络的参数模型,已知端口瞬时值之间的关系（即输入输出特性曲线）如下：,在工作点Q附近展开成泰勒级数,小信号时可忽略高阶项，,可得,并利用,为简化表达，引入四个g参数,共发射极三极管混合型模型,线性g参数模型,用三极管参数表示g参数，取,考虑基区体电阻,低频混合型电路模型,低频混合型简化模型,相对很小，可忽略。,高频混合型电路模型,关于混合型模型的说明,点是基区内的等效点，或者说是基区内的等效基极。,混合参数在很宽的频率范围内可以看作与频率无关的常数，因此混合型模型适用的频率范围很宽。,2.混合型参数与工作点电流的关系,在工作点Q处对指数模型求导可得到相应的g参数,发射结正偏时Q点的动态电阻,1）三极管的跨导gm,室温时，,2）发射结的结层电阻,其大小反映了输出特性曲线的倾斜程度，又称为基区宽度调制参数。,3）集射电阻,一般在几千欧以上,其值在100K10M之间，反映了输出电压对输入电流的影响，也称为基区宽度调制参数。,4）集电结的结层电阻,5）基区体电阻,基区体电阻和接触电阻，低频小功率管约为200300；,ICQ增大，体电阻将减小，VCEQ增大，体电阻将增大。,3.三极管的网络参数模型,放大器采用不同组态，其端口参量必然不同，得到的参数也会不同.,1）H参数的引出,已知端口瞬时值之间的关系（即输入输出特性曲线）如下：,在小信号（线性）条件下：,H参数的物理意义及图解方法,2）共发组态的H参数模型,电路模型,简化模型,3）两种参数