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文档简介

1、 半导体三极管有两大类型, 一是双极型半导体三极管三极管 双极型半导体三极管是由两种载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,它由两流子参与导电的半导体器件,它由两个个 PN 结组合而成,是一种结组合而成,是一种CCCS器件。器件。 场效应型半导体三极管仅由一种场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电,是一种载流子参与导电,是一种VCCS器件。器件。1.2 半导体三极管半导体三极管二是场效应半导体三极管场效应管)1.2.1 三极管的构造及任务原理1.2.2 三极管的根本特性1.2.3 三极管的主要参数及电路模型1.2.1三极管的构造及任务原理 双极型半导体三极管的构造表示图如图

2、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践方向。 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的,实践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,其厚度普通在几个微米至几十个微米。1. 三极管的电流分配与控

3、制 双极型半导体三极管在任务时一定要加上适当的直流偏置电压。 假设在放大任务形状:发射结加正向电压,集电结加反向电压。 现以现以 NPN型三型三极管的放大形状为极管的放大形状为例,来阐明三极管例,来阐明三极管内部的电流关系,内部的电流关系, 见图见图02.02。(动画动画2-1)图 02.02 双极型三极管的电流传输关系 发射结加正偏时,从发射区将有大量的电子向基区分散,构成的电流为IEN。与PN结中的情况一样。 从基区向发射区也有空穴的分散运动,但其数量小,构成的电流为IEP。这是由于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,被复合的时机较少。又因基区很薄,

4、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,被集电极所搜集,构成集电极电流ICN。在基区被复合的电子构成的电流是 IBN。 另外因集电结反偏,使集电结区的少子构成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式: IE= IEN+ IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ,ICNIBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =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

5、可知,发射区掺杂浓度高,基区很薄,是保证三极管可以实现电流放大的关键。假设两个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结演化为三极管,这是量变引起量变的又一个实例。2. 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极。三种接法也称三种组态,见图02.03。 共集电极接法,集电极作为公共电极,用共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示表示; 共基极接法,基极作为公共电极,用共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示。表示。共发射极接法,发射极作为公共电极,用共发射极接法,发射极作为公

6、共电极,用CE表示;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阐明,定义: ECN/ II11CBOBCIII 称为共基极直流电流放大系数。它表示最称为共基极直流电流放大系数。它表示最后到达集电极的电子电流后到达集电极的电子电流ICN与总发射极电流与总发射极电流IE的比值。的比值。ICN与与IE相比,因相比,因ICN中没有中没有IEP和和IBN,所以,所以 的值小于的值小于1, 但接近但接近1。由此可。由此可得得:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBOBCBOBBC1)11(IIIII

7、BB1)1(II1因 1, 所以 1定义定义: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是称为共发射极接法直流电流放大系数。于是1.2.2 三极管的根本特性 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,uBE是输入电压,加在B、E两电极之间。 iC是输出电流,uCE是输出电压,从C、E 两电极取出。 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const本节引见共发射极接法三极管的特性曲线,即 共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图

8、02.04所示。图02.04 共发射极接法的电压-电流关系 简单地看,输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线,现讨论iB和uBE之间的函数关系。由于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uCE的影响,在讨论输入特性曲线时,应使uCE=const(常数)。1. 输入特性曲线 uCE的影响,可以用三极管的内部反的影响,可以用三极管的内部反响作用解释,即响作用解释,即uCE对对iB的影响的影响 。 共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中uCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当uCE1V时,uCB= uCE - uBE0,集电结已进入反偏形状,开场搜集

9、电子,且基区复合减少, IC / IB 增大,特性曲线将向右略微挪动一些。但uCE再增加时,曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反响所致,右移不明显阐明内部反响很小。输入特性曲线的分区:死区 非线性区 图02.05 共射接法输入特性曲线 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02.06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阐明,当uCE=0 V时,因集电极无搜集作用,iC=0。当uCE稍增大时,发射结虽处于正向电压之下,但集电结反偏电压很小,如 uCE 1 V uBE=0.7 V uCB= uCE- uBE= 0.7 V集电区搜集电子的才干很弱,iC

10、主要由uCE决议。 图02.06 共发射极接法输出特性曲线 当uCE添加到使集电结反偏电压较大时,如 uCE 1 V uBE 0.7 V运动到集电结的电子根本上都可以被集电区搜集,以后uCE再增加,电流也没有明显的添加,特性曲线进入与uCE轴根本平行的区域 (这与输入特性曲线随uCE增大而右移的 图02.06 共发射极接法输出特性曲线缘由是一致的) 。动画2-2 输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受uCE显著控制的区域,该区域内uCE的 数值较小,普通uCE0.7 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,

11、集电结反偏。放大区iC平行于uCE轴的区域,曲线根本平行等距。 此时,发射结正偏,集电结反偏,电压大于0.7 V左右(硅管) 。3.三极管的开关特性 (1)开关作用 截止形状 IB0,IC0,UCEVCCCCCCCESCCCSRVRUVICCCCSBSRVIIBSBIi ICICS,VCEUCES0 饱和形状(2)三极管的开关时间 延迟时间延迟时间td 从从+uB2的参与至集电极电流上的参与至集电极电流上升到升到0.1ICS所需的时间所需的时间 上升时间上升时间tr 集电极电集电极电流从流从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需的时间所需的时间 存储时间存储时间ts 从输入端从输入端电压降至

12、电压降至- uB1 到集电到集电极电流降至极电流降至0.1ICS所需所需的时间的时间 下降时间下降时间tf 集电极电集电极电流从流从0.9ICS下降到下降到0.1ICS所需的时间所需的时间 td, tr就是指基区电荷建立的时间就是指基区电荷建立的时间,常用开通时间常用开通时间ton= td+tr来表示三极管来表示三极管从截止到饱和所需的时间;而从截止到饱和所需的时间;而ts, tf是是指基区存储电荷散失所需的时间,常用指基区存储电荷散失所需的时间,常用封锁时间封锁时间toff= ts+tf表示三极管从饱和表示三极管从饱和到截止所需的时间。开通时间到截止所需的时间。开通时间ton与封与封锁时间锁

13、时间toff也总称为三极管的开关时间也总称为三极管的开关时间,它限制三极管的开关运用速度,不同的它限制三极管的开关运用速度,不同的管子开关时间各不一样,普通开关三极管子开关时间各不一样,普通开关三极管的开关时间在几十到几百纳秒管的开关时间在几十到几百纳秒1.2.3 三极管的主要参数及电路模型 半导体三极管的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 (1)直流参数 直流电流放大系数 a.共发射极直流电流放大系数 constuBCBCEOCCEIIIII/ )(1.主要参数 在放大区根本不变。在共发射极输出特性曲线上,经过垂直于X轴的直线(uCE=const)来求取IC / IB ,如图02

14、.07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。图02.08 值与IC的关系图 02.07 在输出特性曲线上决议 b.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 a.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开路。它相当于集电结的反向饱和电流。 b.集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和和ICBO有如下关系有如下关系 ICEO=1+ ICBO 相当基极开路时,集电极和

15、发射极间的反向相当基极开路时,集电极和发射极间的反向饱和电流,即输出特性曲线饱和电流,即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应那条曲线所对应的的Y坐标的数值。如图坐标的数值。如图02.09所示。所示。 图图02.09 ICEO在输出特性曲线上的在输出特性曲线上的位置位置(2)(2)交流参数交流参数交流电流放大系数交流电流放大系数 a. a.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = = IC/IC/ IBIBuCE=constuCE=const 在放大区 值根本不变,可在共射接法输出特性曲线上,经过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。或在图02.08上经过求某一点的斜率得到。详细方法如图0

16、2.10所示。 图图02.10 在输出特性曲线上求在输出特性曲线上求 b.共基极交流电流放大系数 =IC/IE UCB=const当ICBO和ICEO很小时,、,可以不加区分。 特征频率特征频率fT 三极管的三极管的值不仅与任务电流有关,而且与值不仅与任务电流有关,而且与任务频率有关。由于结电容的影响,当信号频率任务频率有关。由于结电容的影响,当信号频率添加时,三极管的添加时,三极管的将会下降。当将会下降。当下降到下降到1时所时所对应的频率称为特征频率,用对应的频率称为特征频率,用fT表示。表示。 (3)极限参数 集电极最大允许电流ICM 如图02.08所示,当集电极电流添加时, 就要下降,当

17、值下降到线性放大区值的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。 图02.08 值与IC的关系集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流经过集电结时所产生的功耗, PCM= ICUCBICUCE, 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UCE取代UCB。 反向击穿电压 反向击穿电压表示三极管电极间接受反向电压的才干,其测试时的原理电路如图02.11所示。图02.11 三极管击穿电压的测试电路 a.U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR

18、代表击穿之意,是Breakdown的字头,CB代表集电极和基极,O代表第三个电极E开路。 b.U(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。 c.U(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。 对于U(BR)CER表示BE间接有电阻,U(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR) EBO 由PCM、 ICM和U(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区,见图02.12。图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区三极管的物理构造如下图。三极管的物理构造如下图。双极型三极管 物理模型2.电路模型rbe- re归算到基极回路的电阻 -发射结电容,也用C这一符号Cbe-集电结电阻rbc -集电结电容,也用C这一符号 Cbc rbb -基区的体电阻,b是假想的基区内的一个点。 - 发射结电阻 re混合型微变等效电路物理模型简化:忽略rbc 、 rce3参数计算)mA(ImV26)1 (rrrrEbe bbbbe据e bbebbEe brrr)m

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