第三讲-三极管要点.ppt

1、三极管,半导体三极管是最重要的半导体器件，是电子电路中的核心器件，被广泛应用到了各种电子线路中，是电子线路的灵魂。,本节主要介绍双极性三极管的结构、特点及电流分配关系，输入输出特性。,1 双极型半导体三极管,三极管是组成各种电子电路的核心器件。通过一定的制造工艺，将两个PN结结合在一起，是三极管具有放大作用。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。,1.1 双极型三极管的基本结构类型和符号,双极型晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：,发射极e,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,集电极c,基极b,NP

2、N型,PNP型,发射区,基区,集电区,发射结,集电结,根据制造工艺和材料的不同，三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电，就是所谓的双极型。如果只有一种载流子参与导电，即为单极型。,大功率低频三极管,小功率高频三极管,中功率低频三极管,BJT（Bipolar Junction Transistor）,NPN型三极管图符号,e,c,b,PNP型三极管图符号,e,c,b,注意：图中箭头方向为发射极电流的方向,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管中的两个 PN 结,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。,不具备放大作用,1、放

3、大条件,1.2 双极型三极管的电流分配关系及放大作用,晶体管芯结构剖面图,e发射极,集电区N,基区P,发射区N,b基极,c集电极,晶体管实现电流 放大作用的内部结构条件,(1)发射区掺杂浓度很高，以便有 足够的载流子供“发射”。,(2)为减少载流子在基区的复合机 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。,(3)集电区体积较大，且为了顺利 收集边缘载流子，掺杂浓度界于 发射极和基极之间。,可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。,晶体管实现电流放大作用的外部条件,(1)发射结

4、必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散 电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形 成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。,(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的 多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。,（1）放大的偏置条件：发射结正偏，集电结反偏 （2）NPN管具有放大作用时的电位关系：UCUBUE； PNP管：UCUBUE,（1）内部条件：,发射区高掺杂,基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少,集电结面积大,（2）外部条件：,发射结必须加正向电压（正偏）,集电结必须加反向电压（反偏）,小 结,2、三极管中载流子运动过程

5、,1. 发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2. 复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 IBN，复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,三极管中载流子的运动,3. 收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 ICN。 其能量来自外接电源VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,三极管中载流子的运动,动画,晶体管的电流分配关系动画演示,三极管的电流分配关系,IEP,ICBO,IE,I

6、C,IB,IEN,IBN,ICN,IC = ICN + ICBO,IE = IEN+ IEP = ICN + IBN + IEp,一般要求 ICN 在 IE 中占的比例尽量大。一般可达 0.95 0.99。,三极管的电流分配及放大关系式为：,IE=IB+IC,IC=IB,为电流放大倍数，其范围约为：20200。,NPN,PNP,IE=(1+)IB,一组三极管电流关系典型数据,1. 任何一列电流关系符合 IE = IB + IC，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电 流放大作用,3. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.0

7、01 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流,4.在表的第二列数据中， I B = 0时，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流,(a)NPN型三极管; (b)PNP型三极管 图2.6三极管的电流分配关系,NPN和PNP两种三极管具有相同的电流特性：,交流放大性能, 用表示, 即：,直流放大性能, 即 ：,可知：,常用：,由上表可知：两个电流放大性能参数,由上表可知：两个电流概念 （1）反向饱和电流（ICBO）: 当IE时, 即发射极开路, IC=一IB。集电结加反偏电压，引起少子的定向运动，形成一个由集电区流向基区的电流。 （3）穿透电流（ICEO）：基极开路, IC

8、=IE, 此电流称为集电极发射极的穿透电流, 用ICEO表示。,结论,由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。,回顾与总结,1. 发射区向基区扩散电子的过程,由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过 来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。,2. 电子在基区的扩散和复合过程,集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘 的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。,3. 集电区收集电子的过程,只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集

9、电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间，且基区做得很薄的内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。,1.3 双极型三极管的特性曲线,所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。,(1) 输入特性曲线,以常用的共射极放大电路为例说明（ UCE为常数时，IB和UBE之间的关系）,UCE=0V,令UBB从0开始增加,令UCC为0,UCE=0时的输入特性曲线,UCE为0时,令UBB重新从0开始增加,增大UCC,让UCE=0.5V,UCE =1V,UCE=0.5V,UCE=0.5V的特

10、性曲线,继续增大UCC,让UCE=1V,令UBB重新从0开始增加,UCE=1V,UCE=1V的特性曲线,继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后 的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不 再变化。,实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。,UCE1V的特性曲线,(2) 输出特性曲线,先把IB调到某一固定值保持不变。,当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。,然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化

11、并记录下来。,根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。,IB,0,再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。,仍然调节UCC使UCE从0增 大，继续观察毫安表中IC 的变化并记录下来。,根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。,IB1,IB2,IB3,IB=0,如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。,输出曲线开始部分很陡，说明IC随UCE的增加而急剧增大。,当UCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明IC基本上不再随UCE而变化。,

12、当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC 。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。,当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。,从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数。,IC,由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。,输出特性曲线上一般可分为三个区：,饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比

13、例关系，IB的变化对IC的影响很小。,截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。,放 大 区,晶体管工作在放大状态时，发射结正 偏，集电结反偏。在放大区，集电极电 流与基极电流之间成倍的数量关系， 即晶体管在放大区时具有电流放大作用。,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区 发射结正偏，集电结反偏， IC=IB 。 对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；有发射结电压UBE0.7V；对PNP型锗三极管，有UBE0.2V,UCUBUE。,(2) 饱和区 发射结正偏，集电结正偏 ，即U

14、CEUBE ， IBIC，UCE的值很小；称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。 一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V； 三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。,(3) 截止区 UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ，三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开,三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,例1:三极管工作状态的判断,测量某硅材料NPN型BJT(双极型晶体管，三极管）各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ （1） VC

15、 6V VB 0.7V VE 0V （2） VC 6V VB 3.6V VE 4V （3） VC 3.6V VB 4V VE 3.4V,解：对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE,所以（1）放大区 UBE 0, UBC0 （2）截止区UBE 0, UBC0 （3）饱和区UBE 0, UBC0或者UCE UBE,此时UBE0, UBC0,此时UBE0, UBC0,此时UBE0, UBC0,例2: 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V，如图（a）所示, T2管各电极电位V1 = +0V

16、，V2= -0.3V，V3= -5V，如图（b）所示，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？,解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VCVB VE ，PNP型晶体管应满足VCVB VE，因此分析时,先找出三电极的最高或最低电位，确定为集电极,而电位差为导通电压的就是发射极和基极。根据发射极和基极的电位差值判断管子的材质。,（1） 在图（a）中，3与2的电压为0.7V，可确定为硅管，因为V1V3 V2,，所以1为集电极，3为发射极，2为基极，满足VCVB VE,的关系，管子为NPN型。,V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V,V1 = +0V，V2 =

17、-0.3V，V3= -5V,（2）在图（b）中，1与2的电压为0.3V，可确定为锗管，又因V3V2 V1,，所以3为集电极，1为发射极，2为基极，满足VCVB VE的关系，管子为PNP型。,例题3: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： （1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V （2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V （3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V （4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c,分析得（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b

18、、U2 e、U3 c NPN 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅 （4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,解:发射结正偏，集电结反偏。对于NPN管UBE0， UBC0，相反PNP管UBE0。 先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。,例4 现测得放大电路中两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。,课堂练习：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,三极管均处于放大状态,(1)找出相差0.2V或0.7V的两个极，为基极和发射极； 并确定

19、三极管为硅管还是锗管。,(2)根据第三极是最高还是最低确定为NPN型还是PNP型。,(3)正确画出三极管。,硅管ube=0.7V,锗管ueb=0.2V,晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电流放大能力，甚至造成放大能力丧失。,晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCEUBE，集电结也处于正偏，这时内电场被大大削弱，因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘的电子，这种情况下，集电极电流IC与基极电流IB不再是倍的关系，因此，晶体管的电流放大能力大大下降。,学习与讨论,为了使发射区扩散电子的绝大多数无法在基区和

20、空穴复合，由于基区掺杂深度很低且很薄，因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流，剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散，由于集成电结反偏，这些集结到集电结边缘的自由电子被集电极收集后形成集电极电流。,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,晶体管的主要参数,温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响 温度升高时， ICBO增大，温度每升高10C， ICBO增加一倍。,二、温度对输入特性的影响,温度每升高1C,

21、正向压降减小22.5mV。,温度对输出特性的影响,温度升高， iC明显增大。,2.1.5 三极管的判别及手册的查阅方法 要准确地了解一只三极管类型、 性能与参数, 可用专门的测量仪器进行测试, 但一般粗略判别三极管的类型和管脚, 可直接通过三极管的型号简单判断, 也可利用万用表测量方法判断. 1三极管型号的意义 三极管的型号一般由五大部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。,例 3AX81,表示为PNP型锗材料，低频小功率管三极管,三极管型号的意义,2.判别三极管的管型和管脚 (1）根据三极管外壳上的型号,初判其类型 (2）根据三极管的外形特点,初判其管脚,图2.10 典型三极

22、管的管脚排列图,判断基极B和管子类型,(3）用万用表判别三极管的管脚及管型。,n 选择万用表“R1K”挡。 n 用黑表笔接一管脚（假定其为B极），红表笔分别接另外两管脚，测得两个电阻值。,（3）如一个阻值均为无穷大，另一个为小数值，则黑表棒假定的B极错误，需重新假定直致找到为止。,（1）如二个阻值均为小数值，则管子为PNP管，则红表笔接触的为B极， 假定正确。,（2）如二个阻值均为小数值，则管子为NPN管，则黑表笔接触的为B极， 假定正确。,判别三种情况：,l 具有“或hFE”挡的万用表测量（如MF47） 图2.12测电流的放大系数将万用表置于“hFE”挡，如图所示将三极管插入测量插座（基极插入b孔，另两管脚随意插入），记下读数。再将另两管脚对调后插入，也记下读数。两次测量中，读数大的那一次管脚插入是正确的。测量时需注意NPN管和 PNP管应插入各自相应的插座。,图2.12测电流的放大系数, 识别集电极c和发射极e,常利用测量三极管的电流放大系数来判别。,l 没有“或hFE”挡的万用表测量（如MF30）将万用表置于“R1K”挡（以NPN管为例），红表笔接基极以外后管脚，左手拇指与中指将黑表笔与基极以外的另一管脚捏在一起，同时用左手食指触摸余下的管脚， 这时表针应向右摆动。将基极以外的两管脚对调后再