模电第2讲 1.3.ppt

1、1.3双极型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1三极管的外形,1.3.1三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b基极，c 集电极。,平面型(NPN)三极管制作工艺,在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(基区)，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散

2、形成N型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：在 N 型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,图 1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,1.3.2三极管的放大作用 和载流子的运动,以 NPN 型三极管为例讨论,图1.3.4三极管中的两个 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,三极管内部结

3、构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,三极管中载流子运动过程,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。,图 1.3.5三极管中载流子的运动,三极管中载流子运动过程,3. 收集集电结反偏，有利于收集基区扩

4、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。,图 1.3.5三极管中载流子的运动,三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大。而二者之比称直流电流放大系数，即,一般可达 0.95 0.99,三个极的电流之间满足节点电流定律，即,IE = IC + IB,代入(1)式，得,上式中的后一项常用 ICEO

5、表示，ICEO 称穿透电流。,当 ICEO IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得,共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。 一般 值约为几十 几百。,三极管的电流分配关系,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 = IC + IB，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. 共射电流放大系数,共基电流放大系数,4. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。,在表的第二列数据中， I B = 0，IC = 0.01 mA

6、= ICEO， 称为穿透电流。,根据 和 的定义，以及三极管中三个电流的关系，可得,故 与 两个参数之间满足以下关系：,直流参数 与交流参数 、 的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说， 与 ， 与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。,+ UCE -,1.3.3三极管的特性曲线,特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。,UCE,图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路,输入特性：,输出特性：,+ UCE -,+ UCE -,UBE,一、输入特性,(1) UCE = 0 时的输入特性曲线,当 UCE = 0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当

7、b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,图 1.3.7(上中图),图 1.3.8(下图),(2) UCE 0 时的输入特性曲线,当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,UCE UBE，三极管处于放大状态。,* 特性右移(因集电结开始吸引电子),UCE 1 时的输入特性具有实用意义。,* UCE 1 V，特性曲线重合。,图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路,图 1.3.8三极管的输入特性,二、输出特性,图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,放 大 区,放 大 区,1. 截止区IB 0 的区域

8、。,两个结都处于反向偏置。,IB= 0 时，IC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区,截止区,2. 放大区：,条件：发射结正偏 集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,二、输出特性,放 大 区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放 大 区,放 大 区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对 NPN 型管，UBE 0 UBC 0 。,特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。 I C IB。,当 UCE = UBE，即 U

9、CB = 0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(锗管),饱和区,饱和区,1.3.4三极管的主要参数,三极管的连接方式,图 1.3.10NPN 三极管的电流放大关系,一、电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个：,1. 共射电流放大系数 ,2. 共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,3. 共基电流放大系数 ,4. 共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，, 和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,二、反向饱和电流,1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,2.集电极

10、和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,(a)ICBO测量电路,(b)ICEO测量电路,小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。,当 b 开路时， c 和 e 之间的电流。,值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。,图 1.3.11反向饱和电流的测量电路,三、 极限参数,1. 集电极最大允许电流 ICM,当 IC 过大时，三极管的 值要减小。在 IC = ICM 时， 值下降到额定值的三分之二。,2. 集电极最大允许耗散功率 PCM,将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。,ICUCE PCM 为安全工作区,ICUCE PCM

11、为过损耗区,图 1.3.11三极管的安全工作区,3. 极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。,U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。,图 1.3.11三极管的安全工作区,1.3.5PNP 型三极管,放大原理与 NPN 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 NPN 正好相反。,图 1.3.13三极管外加电源的极性,PNP 三极管电流和电压实际方向。,PNP 三极管各极电流和电压的规定正方向。,PN

12、P 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。,电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE 、UCE 为负值；输入与输出特性曲线横轴为(- UBE) 、(- UCE)。,发射结反向偏置, 集电结反向偏置, 三极管工作在截止区, 可调换 EB 极性。,发射结反向偏置, 三极管工作在截止区, 可调换 EC 极性, 或将VT更换为PNP型。,两PN结均正偏三极管工作在饱和区。,例1.3.1 判断图示各电路中三极管的工作状态。,EB = IB Rb + UBE,IB,IC,IB = 46.5 A, IB = 2.3 mA,IC = IB = 2.3 mA,UCE = EC - IC Rc = 5.4 V,发射结正偏集电结反偏， 三极管工作在放大区。,