电子技术基础-21三极管及其应用

2.1三极管及其应用赤壁市机电信息技术学校杨展Email:[e-mail]一、三极管的结构和类型1.三极管的结构双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管。因两种极性电荷的载流子同时参与导电，故称双极型晶体管BJT(BipolarJunctionTransistor)。三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。一、三极管的结构和类型1.三极管的结构双极型晶体管分有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：发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区三极管符号一、三极管的结构和类型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。(a)平面型(NPN)ebNcNP二氧化硅发射区集电区基区在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型半导体（基区），再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型半导体（发射区），引出三个电极，最后用封装材料封装，即是平面型三极管。一、三极管的结构和类型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。(b)合金型(PNP)becPNP基区发射区集电区在N型锗片（基区）两边各置一个铟球，加温后铟被熔化并向N型锗内部扩散，冷却后形成两个P型区域，从三个区引出三个电极，最后封装，即为合金型三极管。一、三极管的结构和类型2.三极管的分类（1）按极性分：NPN型、PNP型（2）按材料分：硅管、锗管（3）按结构分：合金管、平面管（4）按用途分：放大管、开关管、功率管（5）按工作频率分：低频管、高频管（6）按功率分：小功率管、中功率管、大功率管二、三极管的电流放大作用1.实现电流放大作用的内部结构条件晶体管芯结构剖面图集电区N基区P发射区N①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，且掺杂浓度较发射极低。③集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度很低。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。NNPUBBRB＋－(1)发射结必须“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。UCCRC＋－(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。IEICIB整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即：IE=IB+IC二、三极管的电流放大作用2.实现电流放大作用的外部偏置条件VB＞VE发射结正偏二、三极管的电流放大作用2.实现电流放大作用的外部偏置条件NNPPPN集电结发射结发射结集电结VCVCVEVEVBVBVC＞VB集电结反偏VB＞VE发射结正偏VB＞VC集电结反偏NPN管，三个管脚上的电位大小关系为VC＞VB＞VEPNP管，三个管脚上的电位大小关系为VC＜VB＜VE3.三极管内部载流子的运动分析（4）小结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。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的杂质浓度大大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度又大大于集电区的杂质浓度，且基区很薄的内部条件，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。二、三极管的电流放大作用5.三极管电流分配关系从三极管内部载流子的传输过程，可以得出：EBCIII由于管子内部结构已经定型，IC与IB的比例关系是一个定值，且IC＞＞IB，定义为三极管的共发射极直流电流放大系数：CBII此外，定义为共基极直流电流放大系数：CEII根据有，，则改变IB即可改变IC。二、三极管的电流放大作用5.三极管电流放大作用的实质CBIICBII因此，基极电流IB的微小变化将引起集电极电流IC的较大变化。这种“以小控大”的作用称为三极管的电流放大作用。注意：三极管的电流放大作用并不是指将小电流放大成大电流，而是指基极电流的微小变化能导致集电极电流的较大变化，“放大”是相对于变化量而言。放大的内部条件：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。有三个区——发射区、基区、集电区；两个PN结——发射结（JE）、集电结（JC）；三个电极——发射极e(E)、基极b(B)和集电极c（C）；两种类型——PNP型管和NPN型管。晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。小结具有电流放大作用：基极电流IB的微小变化将引起集电极电流IC的较大变化。这种“以小控大”的作用称为三极管的电流放大作用。放大的外部条件：外加电压要使发射结正偏，集电结反偏。三、三极管的特性曲线1.三极管的三种组态(p45)三极管有三个电极，当组成放大电路时，以一个电极作为信号输入端，另一个电极作为信号输出端，第三个电极作为输入输出的公共端。因此可构成三种基本组态，即三种不同的连接方式，分别称为共发射极电路、共基极电路和共集电极电路。无论是哪种连接方式，要使三极管有放大作用，都必须保证发射结正偏、集电结反偏，则三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化。三、三极管的特性曲线1.三极管的三种组态模拟电子技术基础输入端输出端公共端共发射极电路基极集电极发射极共基极电路基极发射极集电极共集电极电路发射极集电极基极(a)共基极(b)共发射极(c)共集电极三、三极管的特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路3）三极管和二极管一样是非线性元件，常用伏安特性（电流-电压关系）描述4）三极管的电流-电压方程组是超越方程，求解非常复杂，只需掌握伏安特性的直观表示法——伏安特性曲线。2.为什么要研究三极管的伏安特性曲线三、三极管的特性曲线3.测量三极管特性的实验线路发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路ICVCCmAAVUCEUBERBIBVCCV++––––++三、三极管的特性曲线4.输入特性----输入回路的伏安特性UCE为常数时，IB和UBE之间的关系称为三级管的输入特性，描述二者之间关系的图形称为三极管的输入特性曲线。UBE/VIB/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB从0开始增加IBIE=IBUBE令UCC为0UCE=0时的输入特性曲线UCE为0时三、三极管的特性曲线4.输入特性----输入回路的伏安特性UCE=0.5VUBE/VIB/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新从0开始增加IBICUBE增大UCC让UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5V的特性曲线继续增大UCC让UCE=1V令UBB重新从0开始增加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的特性曲线三、三极管的特性曲线4.输入特性----输入回路的伏安特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE0.2~0.3V三、三极管的特性曲线5.输出特性----输出回路的伏安特性当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。描述二者之间关系的曲线即是输出特性曲线。先把IB调到某一固定值保持不变。然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIEIBUCE/VIC/mA0三、三极管的特性曲线5.输出特性----输出回路的伏安特性UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE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。UCE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。UCE/VIC/mA0IBIB1IB2IB3IB=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。三、三极管的特性曲线当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。UCE/VIC/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3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β：ΔIB=40A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA；ΔIC于是我们可得到三极管的电流放大倍数：β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5三、三极管的特性曲线UCE/VIC/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3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β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。此时UCE小于UBE,规定：UCE=UBE时，为临近饱和状态，用UCES（0.3或0.1）表示，此时集电极临近饱和电流是//CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI临近饱和基极电流管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V,由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。三、三极管的特性曲线6.输出特性曲线的分区IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120放大区放大区—曲线基本平行部分条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：VCE较大iC=iB（1）放大区三、三极管的特性曲线6.输出特性曲线的分区IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120饱和区（2）饱和区饱和区——iC受vCE显著控制的区域。特点：该区域内vCE的数