双极型晶体管

1、.18第三讲双极型晶体管1.3 双极型晶体管半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管 二是场效应半导体三极管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。场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。1.3.1晶体管的结构及类型 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，相连电极称为发射极，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）。 E-B间的PN结称

2、为发射结（Je）， C-B间的PN结称为集电结（Jc）。两种极性的双极型三极管 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。1.3.2 晶体管的电流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。现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系。双极型三极管的电流传输关系（动画2-1） 发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩

3、散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式： IE= IEN IEP 且有IEN>>IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN>&g

4、t; IBN ， ICN>>IBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBO IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB 以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。双极型半导体三极管的电流关系 (1) 三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电

5、极。三种接法也称三种组态，见图02.03。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。图02.03 三极管的三种组态 (2) 三极管的电流放大系数 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: = ICN/IE 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。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以的值小于1, 但接近1。由此可得： IC=ICN+ICBO=IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO IC =定义: =IC /I

6、B=(ICN+ ICBO )/IB 称为共发射极接法直流电流放大系数。于是 = = 因1, b >>11.3.3 晶体管的共射特性曲线 本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即 输入特性曲线 iB=f(vBE)½ 输出特性曲线 iC=f(vCE)½ 这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。 共发射极接法的供电电路和电-压电流关系如图02.04所示。共发射极接法的电压-电流关系（1）输入特性曲线简单

7、地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。vCE的影响，可以用三极管的内部的反馈作用解释，即vCE对iB的影响。共发射极接法的输入特性曲线见图。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时， vCB= vCE - vBE>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vCE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

8、致，右移不明显说明内部反馈很小。共发射极接法输入特性曲线输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性区。（2）输出特性曲线共发射极接法的输出特性曲线如图所示，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vCE=0 V时,因集电极无收集作用,iC=0。当vCE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vCE< 1 V；vBE=0.7 V； vCB= vCE- vBE0.7 V 。集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE 1 V， vBE 0.7 V，运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE

9、再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的) 。输出特性曲线可以分为三个区域 饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7 V(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vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)共发射极接法输出特性曲线（动画2-2）1.3.4 晶体管的主要参数 半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三

10、大类。 (1) 直流参数 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB | 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(vCE=const)来求取IC / IB ，如图所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。 在输出特性曲线上决定 值与IC的关系 2.共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE显然与之间有如下关系 = IC/IE=IB/(1+)IB=/(1+) 极间反向电流 1.集电极-基极间反向饱和电流ICBO ICBO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

11、路。它相当于集电结的反向饱和电流。2.集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值，如图所示。ICEO在输出特性曲线上的位置 (2) 交流参数 交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数b b=DIC/DIB½在放大区， b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DIC/DIB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到b。具体方法如图所示。在输出特性曲线上求取 2.共基极交流电流放大系数 =DIC/DIE&

12、#189;当ICBO和ICEO很小时，a、b，可以不加区分。 特征频率fT三极管的b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b将会下降。当b下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。 (3) 极限参数 集电极最大允许电流ICM 如图02.08所示，当集电极电流增加时，b 就要下降，当b值下降到线性放大区b值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于b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ICICM时，并不表示三极管会损坏。 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， P

13、CM= ICVCBICVCE，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VCE取代VCB。 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图所示。三极管击穿电压的测试电路 1. V(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。 2. V(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。 3. V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。 对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关

14、系： V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR)EBO 由最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压V(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，见图。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区附： 半导体三极管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下 3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、

15、K表示开关管。表02.01 双极型三极管的参数参数型号PCMmWICMmAVRCBOVVRCEOVVREBOVICBOAfTMHz3AX31D12512520126*83BX31C12512540246*83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.35SDD101D5A5A3002504<2mA3DK100B1003025150.13003DKG23250W30A4003258注：*为 fb1.4 场效应管场效应半导体三极管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道

16、器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应三极管的结构来划分，它有结型场效应三极管JFET(Junction type Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET）。1.4.1 结型场效应管 (1) 结型场效应三极管的结构 结型场效应三极管的结构与绝缘栅场效应三极管相似，工作机理也相同。结型场效应三极管的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个

17、PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。结型场效应三极管的结构(动画2-8) (2) 结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。 栅源电压对沟道的控制作用 当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。

18、当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。这一过程如图所示。动画图02.20 VGS对沟道的控制作用(动画2-9) 漏源电压对沟道的控制作用 在栅极加有一定的电压，且VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布，如图02.21(a)所示。当VDS增加到使VGD=VGSVDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，如图02.21(b)所示。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似，见图。图02.21 漏源电压对沟道

19、的控制作用(动画2-9) (3) 结型场效应三极管的特性曲线 结型场效应三极管的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与绝缘栅场效应三极管的特性曲线基本相同，只不过绝缘栅场效应管的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。N沟道结型场效应三极管的特性曲线如图所示。 (a) 漏极输出特性曲线(动画2-6) (b) 转移特性曲线(动画2-7)N沟道结型场效应三极管的特性曲线1.4.2 绝缘栅场效应三极管的工作原理绝缘栅场效应三极管(MOSFET)分为：增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图。电极D

20、(Drain)称为漏极，相当双极型三极管的集电极； G(Gate)称为栅极，相当于的基极； S(Source)称为源极，相当于发射极。 （1）N沟道增强型MOSFET 结构 根据图02.13，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号(动画2-3) 工作原理 1栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背

21、靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（ VGS(th) 称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载

22、流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。 (动画2-4)VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)½VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。 转移特性曲线转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下： gm=DID/DVGS½ (单位mS) 2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VD

23、S对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDGVGS= VGDVGS VGD=VGSVDS 当VDS为0或较小时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGD<VGS(th)时，沟道如图02.15(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 V

24、DS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。 （a） （b） （c）漏源电压VDS对沟道的影响(动画2-5)当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)½VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。 (a) 输出特性曲线 (b)转移特性曲线 图02.16 漏极输出特性曲线和转移特性曲线 （2）N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图 (a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是

25、，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图02.17(b)所示。(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线 （3）P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。3. 伏安特性曲线场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定的正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图02.18之中。各类场效应三极管的特性曲线1.4.3 场效应三极管的参数和型号 (1) 场效应三极管的参数 开启