第15双极型半导体晶体管

HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.06

1.5双极型晶体管的工作原理

1.5.1双极型晶体管的结构

1.5.2双极型晶体管的电流分配关系

1.5.3晶体管的电流放大系数

1.5.4晶体管的特性曲线

1.5.5晶体管的参数

1.5.6晶体管的型号HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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双极型晶体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，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。

晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或半导体三极管。晶体管有两大类型:

一是双极型晶体管(BJT)，二是场效应晶体管(FET)。

场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.06图01.03.01晶体管的两种结构1.5.1双极型晶体管的结构NPN型PNP型这是基极b这是发射极e这是集电极c这是发射结Je这是集电结Jc

晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，代表发射极电流的实际方向。

双极型半导体晶体管有两种结构，NPN型和PNP型，见图。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.2双极型晶体管的电流分配关系

双极型晶体管在制造时，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。从结构上看双极型晶体管是对称的，但因工艺参数不同，发射极和集电极不能互换。

双极型晶体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型晶体管的放大状态为例，来说明晶体管内部的电流关系。1.5.2.1晶体管内部载流子的运动HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.06IENIEPICBOIEICIBIBNIE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO

注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流ICN图01.03.02晶体管中载流子的运动

如何保证注入的载流子尽可能的到达集电区？

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发射极电流：IE=IEN+IEP

且有IEN>>IEP

集电极电流：IC=ICN+ICBO

ICN=IEN-

IBN

且有IEN>>IBN

，ICN>>IBN

基极电流：IB=IEP+IBN－ICBO

1.5.2.2晶体管电极电流的关系所以，发射极电流又可以写成

IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB

IENIEPICBOIEICIBIBNIE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBOICNHIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.3晶体管的电流放大系数

1.5.3.1三种组态

双极型晶体管有三个电极，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，如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态。晶体管的三种组态见图。图01.03.03晶体管的三种组态共发射极接法，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。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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1.5.3.2晶体管的电流放大系数1.5.3.2.1共基极组态直流电流放大系数

电流放大系数，一般来说是指输出电流与输入电流的比。由于组态不同，晶体管的输入电极和输出电极不同，所以对共基组态，输出电流是集电极电流IC，输入电流是发射极电流IE。定义集电极电流的主要部分ICN与发射极电流IE之比为共基极直流电流放大系数：HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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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

IENIEPICBOIEICIBIBNICNHIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.3.2.2共发射极组态直流电流放大系数

对共射组态的电流放大系数，输出电流是集电极电流IC，输入电流是基极电流IB，二电流之比可定义：

称为共发射极接法直流电流放大系数。因≈1,所以

>>1。IENIEPICBOIEICIBIBNICNHIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.4晶体管的特性曲线

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本节介绍共发射极接法晶体管的特性曲线，即HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图所示。图01.03.04共发射极接法的电压-电流关系HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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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。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uCE变化的影响，在讨论输入特性曲线时，应使uCE=const(常数)。1.5.4.1输入特性曲线

uCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即uCE对iB的影响。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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共发射极接法的输入特性曲线见图。其中UCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE≥1V时，UCB=UCE

-UBE>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UCE再增加时，曲线右移很不明显。

①②③

曲线右移是晶体管内部反馈所致，因该反馈很小右移不明显。输入特性曲线的分区：①死区②非线性区③近似线性区图01.03.05共射接法输入特性曲线HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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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。图01.03.06共射接法输出特性曲线1.5.4.2输出特性曲线

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<1V、UBE=0.7VUCB=UCE-UBE=<0.7V集电区收集电子的能力很弱，IC主要由UCE决定。

现以其中任何一条加以说明，当UCE=0V时，因集电极无收集作用，IC=0。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.06运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后UCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与UCE轴基本平行的区域。

当UCE增加到使集电结反偏电压较大时，如

UCE≥1V、UBE≥0.7V图01.03.06共射接法输出特性曲线HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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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，一般UCE＜0.7V(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uCE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UCE大于0.7

V(硅管)。图01.03.07输出特性曲线的分区HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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若考虑晶体管安全工作的因素，输出特性曲线还可以增加过电流区、过损耗区和过电压区：图01.03.08输出特性曲线的安全工作区

过电流区是集电极电流达到ICM和超过ICM以上的部分，此时，晶体管的电流放大系数下降到规定值以下。

过损耗区由晶体管的集电极最大功率损耗值确定，是一条曲线，在曲线的上方功耗超标，晶体管将过热损坏。

过电压区由U(BR)CEO决定,超过该值，易造成晶体管击穿损坏。

曲线中间部分安全工作区。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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晶体管的参数分为三大类:

直流参数交流参数极限参数1.5.5.1.1

直流电流放大系数

1.5.5.1直流参数

对共射组态的直流电流放大系数，输出电流是集电极电流ICQ，输入电流是基极电流IBQ，二电流之比可定义：1.5.5晶体管的参数1.5.5.1.1.1

共发射极组态直流电流放大系数HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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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(uCE=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，在放大区的中间部分直流电流放大系数因输出特性曲线平行等距，基本是常数。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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显然与之间有如下关系:

称为共基极组态直流电流放大系数。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。根据定义可得出：1.5.5.1.1.2

共基极组态直流电流放大系数HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.06因≈1,所以

>>1。

同样可以推导出和的关系：HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.5.1.2.1集电结反向饱和电流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。

1.5.5.1.2.2穿透电流ICEO

ICEO和ICBO有如下关系:

ICEO=（1+）ICBO

ICEO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。1.5.5.1.2极间反向电流HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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在放大区值基本不变，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IC/IB。见图，在工作点附近求IC和IB，即可得到。

图01.03.10在输出特性曲线上求β1.5.5.2交流参数1.5.5.2.1交流电流放大系数1.5.5.2.1.1共发射极组态交流电流放大系数

QHIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.5.2.1.2共基极组态交流电流放大系数

1.5.5.2.2特征频率fT

晶体管的值不仅仅与工作电流有关，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，晶体管的值将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.5.3.1集电极最大允许电流ICM

如图所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。

1.5.5.3极限参数

图01.03.11值与IC的关系

至于值下降多少，不同型号的晶体管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示晶体管会损坏。HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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集电极电流通过集电结时所产生的功耗

PCM=ICUCB≈ICUCE，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。1.5.5.3.2集电极最大允许功率损耗PCM图01.03.08输出特性曲线的安全工作区HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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反向击穿电压表示晶体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。U(BR)CEOU(BR)CBO图01.03.12晶体管击穿电压的测试电路U(BR)CESU(BR)CER1.5.5.3.3反向击穿电压U(BR)EBOHIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

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1.U(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，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。2.U(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。

3.U(BR)CEO——基极开路集电极和发射极间的击穿电压。U(BR)CBOU(BR)CEO

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)CBO≈U(BR)CES＞U(BR)CER＞U(BR)CEO＞U(BR)EBOU(BR)EBOHIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.5.4.1温度对ICBO的影响ICBO是晶体管集电结反向饱和电流，由少数载流子形成。所以，在一定的温度和不发生反向击穿的条件下，ICBO是常数，不随反向电压的增加而增加。

但是温度升高以后，半导体的本征激发增大，漂移电流增大，ICBO随之增大。可以证明，温度每升高10℃，ICBO增加约一倍。反之，温度降低时，ICBO也随之降低。

由于硅晶体管的ICBO比锗晶体管的小很多，所以，硅晶体管的温度稳定性要优于锗晶体管。例如小功率硅管的

ICBO约为10nA~1A；锗管的

ICBO约为10A~1mA。1.5.5.4温度对晶体管参数的影响HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.5.4.2温度对输入特性曲线的影响

温度对双极型晶体管输入特性曲线的影响，与温度对PN结的影响类似。当温度升高时，正向特性将向纵坐标移动，大约温度每增加1℃，uBE的绝对值减小2~2.5mV。换言之，若UBE不变，温度的升高，iB将增加。20℃50℃UBE1UBE2IB图01.03.14温度对输入特性的影响HIT基础电子技术电子教案----双极型半导体晶体管

2006.061.5.5.4.3温度对输出特性曲线的影响

晶体管的输出特性曲线在温度升高后将向上方移动，升温后有如下后果：1.曲线上移后，穿透电流ICEO增加；2.曲线上移后，相同的基极电流变化量IB得到的IC