第1章3三极管ppt课件

1、第第 一一 章章半半 导导 体体器器 件件 与与 模模 型型1.4 1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.1 1.4.1 三极管的结构、符号及分类三极管的结构、符号及分类双极型晶体管双极型晶体管1. 1. 基本结构和符号基本结构和符号平面型平面型(NPN)三极管制作工艺三极管制作工艺: 在在 N 型硅片型硅片(集电集电区区)氧化膜上刻一个氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行窗口，将硼杂质进行扩散形成扩散形成 P 型型(基区基区)，再在再在 P 型区上刻窗口，型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形将磷杂质进行扩散形成成N型的发型的发射区。射区。扩散法扩散法在在 N 型锗片型锗片(基区基区)两两边各置一个

2、铟球，加边各置一个铟球，加温铟被熔化并与温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形型锗接触，冷却后形成两个成两个 P 型区，集型区，集电区接触面大，发射电区接触面大，发射区掺杂浓度高。区掺杂浓度高。合金型合金型(PNP)三极管制作工艺：三极管制作工艺：和金法和金法2. 三极管的分类三极管的分类按照材料分：硅管、锗管等按照材料分：硅管、锗管等按照频率分：高频管、低频管按照频率分：高频管、低频管按照功率分：小、中、大功率管按照功率分：小、中、大功率管按照结构分：按照结构分：NPN型和型和PNP型型三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号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

3、放大区的工作原理三极管放大区的工作原理三极管的工作状态三极管的工作状态以以 NPN 型管为例型管为例 双极型三极管的符号中，发射极的箭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。头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个从外表上看两个N区区,(或两个或两个P区区)是对是对称的。称的。双极型三极管的结构可看成由两个背靠背双极型三极管的结构可看成由两个背靠背的的PN结组成结组成三极管若实现放大，必须从三极管内三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。部结构和外部所加电源的极性来保证。 通常只有几微米到几十微通常只有几微米到几十微米，而且掺杂浓度低。米，而且

4、掺杂浓度低。？晶体管具有电流放大作用的外部条件：晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置外加电源的应使外加电源的应使1. 电流的传输过程电流的传输过程VCC电源负极向发射区补充电子形电源负极向发射区补充电子形成发射极电流成发射极电流IEIEEBEB正极拉走正极拉走电子，补充电子，补充被复合的空被复合的空穴，形成穴，形成IBIB电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成ICICICVEERBNPN 发射区向基 区扩散电子电子电子电子IE电子电子空穴IB集电区收集电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子空穴空穴电子电子

5、电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子空穴电子电子空穴电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子RC电子在基区扩散与复合电子电子电子电子电子1发射极正偏与注入载流子：发射极正偏与注入载流子：电子注入：电子注入：空穴注入：空穴注入：发射区中多子电子发射区中多子电子通过发射结源源不通过发射结源源不断注入基区。断注入基区。基区中多子空穴通过发基区中多子空穴通过发射结注入发射区。射结注入发射区。(基区多子数目较少，基区多子数目较少，空穴电流可忽略空穴电流可忽略)2非平衡少子电子在基区中的扩散非平衡少子电子在基区中的扩散与复合与复合 ： 多数电子在基区继续扩散，到达集电多数电子在基区继续扩散

6、，到达集电结的一侧。结的一侧。 电源电源VEE的正的正端不断从基区拉端不断从基区拉走电子，好像不走电子，好像不断供给基区空穴。断供给基区空穴。复合的数目与拉复合的数目与拉走的电子数目相走的电子数目相等，基本维持基等，基本维持基区的空穴浓度。区的空穴浓度。集电区和基区的集电区和基区的少子在外电场的少子在外电场的作用下进行的漂作用下进行的漂移运动而形成。移运动而形成。电流的传输过程电流的传输过程:发射结正偏电发射结正偏电压控制压控制 IE 和和 IB 通过注入、通过注入、分散、搜集分散、搜集转化为转化为 IC。且转化几乎不且转化几乎不受集电结反偏受集电结反偏电压的影响电压的影响电流的传输过程电流的

7、传输过程: 三极管的放大作用是通过载流子传输体三极管的放大作用是通过载流子传输体现出来的。现出来的。三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏电流分配关系电流分配关系 本质：本质：？外部条件：外部条件：外电路电流平衡方程外电路电流平衡方程发射效率发射效率 基区的传输效率基区的传输效率 2. 直流电流传输方程直流电流传输方程1共基极电路直流电流传输方程共基极电路直流电流传输方程2共发射极电路直流电流传输方程共发射极电路直流电流传输方程表示表示 IB0相当于基极开路时，集电相当于基极开路时，集电极到发射极的直通电流。极到发射极的直通电流。 3共集电极电路直

8、流电流传输方程共集电极电路直流电流传输方程三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系BCEIII BC II BE )1 (II 一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE = IC + IBIE = IC + IB， IB IC IE, IB IC 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线（2 2输出特性曲线输出特性曲线划分三个区：截止区、放大区和饱和区。划分三个区：截止区、放大区和饱和区。i B 0 的区域。的区域。两个结都处于反向偏置。两个结都处于反向偏置。i B= 0 时，时，i C = ICEO。硅管约等于硅管约等于 1 A，锗管，锗

9、管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。截止区：截止区： 放大区：放大区：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏对对 NPN 管管 v BE 0，v BC 0, v BC 0 。 特点：特点：i C 基本基本上不随上不随 i B 而变而变化，在饱和区三化，在饱和区三极管失去放大作极管失去放大作用。用。i C i B硅管硅管: VCES 0.4 V过饱和过饱和:饱和管压降饱和管压降:锗管锗管: VCES 0. 2 V 导致曲线随导致曲线随 v CE v CE 增加而上倾。增加而上倾。输出特性曲线向左延伸交于一点，相应输出特性曲线向左延伸交于一点，相应的电压的电压 VAVA称为厄尔利电压。称

10、为厄尔利电压。基区宽度调制效应：基区宽度调制效应：三极管工作状态的判断三极管工作状态的判断测量某硅材料测量某硅材料NPN型型BJT各电极对地的电压各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？值如下，试判别管子工作在什么区域？例例1 .10准绳：准绳：解：解：对对NPN管管放大时放大时 VC VB VE 对对PNP管管放大时放大时 VC VB VE （1放大区放大区（2截止区截止区（3饱和区饱和区VCE VBE 三极管的连接方式三极管的连接方式1.4.4 1.4.4 三极管的主要参数三极管的主要参数1. 1. 电流传输系数电流传输系数表征管子放大作用的参数。表征管子放大作用的参数。 和和

11、这两个参数不是独立的，而是这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：互相联系，关系为： 1 1或或2. 2. 反向饱和电流反向饱和电流小功率锗管小功率锗管ICBO 约约为几微安；为几微安；硅管的硅管的 ICBO 小，小，有的为纳安数量级。有的为纳安数量级。当当 b 开路时，开路时， c 和和 e 之间之间的电流的电流,集电极穿透电流。集电极穿透电流。CBOCEO)1(II 3. 3. 极限参数极限参数 当当 IC 过大时，三极管的过大时，三极管的 值要减值要减小。小。在在 IC = ICM 时，时， 值下降到额定值下降到额定值的三分之二。值的三分之二。 将将 IC 与与 VCE 乘 积 等

12、于 规 定 的乘 积 等 于 规 定 的 PCM 值各点连接起值各点连接起来，可得一条双曲来，可得一条双曲线。线。外加在三极管各电极之间的最大允许外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。反向电压。基极开路时，集基极开路时，集电极和发射极之电极和发射极之间的反向击穿电间的反向击穿电压。压。发 射 极 开 路发 射 极 开 路时 ， 集 电 极时 ， 集 电 极和 基 极 之 间和 基 极 之 间的 反 向 击 穿的 反 向 击 穿电压。电压。安全工作区同时要受安全工作区同时要受 PCM、ICM 和和V(BR)CEO限制。限制。PNP 型三极管型三极管放大原理与放大原理与 NPN 型基本相同，但

13、为了保证型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性 计算中计算中VBE 、VCE 为负值；输入与为负值；输入与输出特性曲线横轴为输出特性曲线横轴为(- VBE) 、(- VCE)。 某放大电路中某放大电路中BJT三个电极的电三个电极的电流如图所示。流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。试判断管脚、管型。例例1 .11C 发射极发射极B 基极基极A 集电极。集电极。管型管型 NPN管。管。解：解：电流判断法。电流判断法。

14、电流的正方向和电流的正方向和KCL。例例1 .12先求先求UBE，若等于，若等于0.6-0.7V，为硅管；，为硅管；准绳：发射结正偏，集电结反偏。准绳：发射结正偏，集电结反偏。NPN管管UBE0， UBC0若等于若等于0.2-0.3V，为锗管。，为锗管。PNP管自己分析。管自己分析。温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响在相同的在相同的 IB 情况下，集电极电流情况下，集电极电流 IC 随随温度上升而增大。温度每上升温度上升而增大。温度每上升 l，值值约增大约增大 0.51。和二极管的正向特性一样，温度上升和二极管的正向特性一样，温度上升1，v be 将下降将下降 22.5mV。 温度上

15、升，温度上升，值将增大，值将增大，i C也将增大，也将增大，v CE将下降。将下降。ICEO 是由少数载流子漂移运动形成，是由少数载流子漂移运动形成，会随温度上升急剧增加。温度上升会随温度上升急剧增加。温度上升10，ICEO将增加一倍。将增加一倍。2对反向饱和电流对反向饱和电流 ICEO的影响：的影响：1.4.5 三极管的三极管的EM方程和电路模型方程和电路模型 埃伯尔斯莫尔埃伯尔斯莫尔EM方程反映结方程反映结电压对三极管各极电流的控制作用。电压对三极管各极电流的控制作用。1. EM 方程的导出方程的导出发射结正偏等效模型发射结正偏等效模型 发射结用二极管模拟，其对集电极发射结用二极管模拟，其

16、对集电极电流的影响用受控源表示。电流的影响用受控源表示。共基极正向电流传输系数共基极正向电流传输系数集电结用二极管模拟，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。其对发射极电流的影响用受控源表示。集电结正偏等效集电结正偏等效模型模型共基极反向电流传输系数共基极反向电流传输系数共基组态的共基组态的EMEM电路模型电路模型由图可得由图可得 埃伯尔斯莫尔方程组反映了各极电流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与外加电压的关系，可作为三极管的数学模型。模型。2. 2. 电路模型电路模型三极管指数模型三极管指数模型集射极间饱和压降集射极间饱和压降极间饱和压降极

17、间饱和压降v BC增大，增大，i R增大，增大，i C 、i E减小；减小；基区载流子的复合作用加强，基区载流子的复合作用加强， i B增大。增大。放大状态下的电流传输方程已不成立。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，饱和状态时，两结正向电阻都很小，管子呈低阻特性。管子呈低阻特性。反向电流传输系数很小，不用。反向电流传输系数很小，不用。1.4.6 三极管的小信号模型三极管的小信号模型加入加入vi ，电路中的，电路中的瞬时值为静态值与交瞬时值为静态值与交流瞬时值的叠加。如流瞬时值的叠加。如 vi 较小时，其对应变化范围内的输入输较小时，其对应变化范围内的输入输出特性

18、可视为直线，非线性器件三极管可等效出特性可视为直线，非线性器件三极管可等效为线性器件来进行分析。为线性器件来进行分析。VBEQ对应的静态电流对应的静态电流: 瞬时值瞬时值: : 输出电流瞬时值与输入电压瞬时值成输出电流瞬时值与输入电压瞬时值成线性关系。线性关系。 三极管放大工作时，在静态点上叠加三极管放大工作时，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传输特性，三极管可用线性有源网络来进行等效。行等效。线性有源网络与三极管的端电压、电流有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。函数关系，为三极管的小信号模型。(1) 小信号微变）小信号微变）（图解基本满足（图解基本满足叠加原理！叠加原理！输入特性：工作点在输入特性：工作点在Q附近移动范围小，切线附近移动范围小，切线代替曲线代替曲线(2) 双口有源网络的参数模型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已知端口瞬时值之间的关系即输入输出特性曲线如下：输出特性曲线如下：在工作点在工作点Q附近展开成泰勒级数附近展开成泰勒级数小信号时可忽略高阶项，小信号时可忽略高阶项，可得可得并利用并利用为简化表达，引入四个为简化表达，引入四个