1.3双极结型三极管

第一章半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管小功率管中功率管大功率管为什么有孔？外形：分类按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管500mW中功率管0.51W大功率管1W双极型晶体管可简称为晶体管或半导体三极管，用BJT(BipolarJunctionTransistor)来表示。晶体管——通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。1.3双极型三极管(BJT)平面型(NPN)三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN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，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。1.3.1三极管的结构(a)NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP晶体管有三个极、三个区、两个PN结。collectorbaseemitter多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极bcbe符号NNPPN图1.3.3三极管结构示意图和符号(b)PNP型1.3.2三极管的放大作用和载流子的运动下面以NPN型管为例说明晶体管的工作原理依据两个PN结的偏置情况放大状态饱和状态截止状态倒置状态晶体管的工作状态图1.3.4三极管中的两个PN结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，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cNNPeb三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄（几微米）且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏（P区接正，N区接负）onBEUuBECECB0uuu，即集电结反偏（P区接负，N区接正）NPN管：1．发射结正向偏置、集电结反向偏置——放大状态原理图电路图EEVERCCVCRCIcNNPBEUCBUEIbeBI+–+–ERCREICIBEUCBUBICCVEEVT(1)电流关系a.发射区向基区扩散电子形成发射极电流IEN发射区向基区扩散电子称扩散到基区的发射区多子为非平衡少子EEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbeb.基区向发射区扩散空穴基区向发射区扩散空穴发射区向基区扩散电子形成空穴电流IEPEEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbe因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流可忽略不计。基区向发射区扩散空穴发射区向基区扩散电子EEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbeIE=IEN+IEPIEN非平衡少子向集电结扩散c.基区电子的扩散和复合非平衡少子在基区复合，形成基极电流IBNIBEEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbe少数与空穴复合，形成IBN多数向集电结方向扩散形成ICN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)非平衡少子到达集电区d.集电区收集从发射区扩散过来的电子形成集电极电流ICNICIBEEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbe集电结反偏，电子受到集电结上电场的吸引而迅速漂移过集电结，形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。ICIBEEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbe少子漂移形成反向饱和电流ICBOe.集电区、基区少子相互漂移集电区少子空穴向基区漂移基区少子电子向集电区漂移ICBOIC=ICN+ICBOIBNIB+ICBOIB=IBN–ICBO发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。基极是两个回路的公共端，称这种接法为共基极接法。输入回路输出回路EIERCRCIBEUCBUBICCVEEVT0CBOECIII定义称为共基极直流电流放大系数ICBOICIBEEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbeIE=IEN+IEPIENIC=ICN+ICBOENCNIIECNII各电极电流之间的关系ECBOECBOCNCIIIIIIIE=IC+IBCECBOECBOBNB)1(IIIIIIIICBOICIBEEVERCCVCRcNNPBEUCBUEIbeECNII晶体管共射极接法原理图电路图TCICEUCRCCVEIBBVBRBEUBI当UCEUBE时，发射结正偏，集电结反偏，晶体管仍工作于放大状态。IBBBVBRCCVCRcNNPBEUCBUEIbeICICBOCEU少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散•IEn：发射区通过发射结注入到基区的电子形成的电流•IEp：基区的空穴通过发射结形成的电流(比较小，常忽略)•IBn：发射区注入到基区的电子与基区空穴复合形成的电流•ICn：穿过基区到达集电结后漂移过集电结的电子（来自发射区）形成的电流•ICBO：集电结两侧少数载流子通过集电结形成的电流三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=IBNICBOIC=ICN+ICBOBNCNIICEOBCBOBC)1(IIIII穿透电流CBOBCBOCIIII集电结反向电流称为共射直流电流放大系数IE=IC+IBCEOBCIIICEOBE)1(IIIBCEIIIBCIIBE)1(IIIE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流IBIcIECEOBCBOBC)1(IIIII当IB=0时,IC=ICEO,称ICEO为穿透电流如果ICEO≈0则IC≈IB即BCII代表IB对IC的控制作用越大，控制作用越强11或的关系由995.0~95.0200~20一般情况BCEIIIBCIIBE)1(II如果△UBE0，那么△IB0，△IC0，△IE0当输入回路电压U'BE=UBE+△UBE那么I'B=IB+△IBI'C=IC+△ICI'E=IE+△IE如果△UBE0，那么△IB0，△IC0，△IE0IBBBVBRCCVCRcNNPBEUCBUEIbeICICBOCEU△UBE为共基极交流电流放大系数为共射极交流电流放大系数ECIIBCII定义与的关系11，一般可以认为uBE=ube+UBE(2)放大原理设输入信号ui=UimsinωtV那么iB=ib+IBiC=ic+ICuCE=uce+UCEuce=–icRC其中UCE=VCC–ICRC放大电路TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iEa.在RC两端有一个较大的交流分量可供输出。uce=–icRCuCE=uce+UCE由可知ui→ib→ic→icRcb.交流信号的传递过程为TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iE晶体管的放大作用本质：电流的控制作用。•基极电流iB是由发射结间电压uBE控制的。•在集电极回路中串连一个负载电阻，就可以在负载电阻两端得到相应的幅度较大的变化电压。即，iB对iC的控制，iE对iC的控制。CBBEiiiuu共发射极放大电路本质：电流的控制作用。•集电极电流iC是由发射结电流iE控制作用而产生相应的变化。•在集电极回路中串连一个负载电阻，仍可以在负载电阻两端得到相应的幅度较大的变化电压。即，iB对iC的控制，iE对iC的控制。CEBEiiiuu共基极放大电路晶体管的放大作用2．发射结正向偏置、集电结正向偏置——饱和状态(2)ICIB，IB失去了对IC的控制。(1)UCE≤UBE，集电结正向偏置。饱和状态的特点(3)集电极饱和电压降UCES较小，小功率硅管为0.30.5V。TCICEUCRCCVEIBBVBRBEUBI(5)UCE对IC的影响大，当UCE增大，IC将随之增加。(4)饱和时集电极电流CCESCCCS/)(RUVITCICEUCRCCVEIBBVBRBEUBI(2)IC=ICBO3．发射结反向偏置、集电结反向偏置——截止状态截止状态的特点(1)发射结反偏(3)IB=－ICBOTCICEUCRCCVEIBBVBRBEUBI4．发射结反向偏置、集电结正向偏置——倒置状态(1)集电区扩散到基区的多子较少倒置状态的特点(2)发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小(3)管子的电流放大系数很小TCICEUCRCCVEIBBVBRBEUBI输出回路输入回路+UCEIBUCEICVCCRbVBBcebRcVVAmA输入特性：输出特性：常数B)(CECIUfI常数CE)(BEBUUfI+UCE+UCEIBIBIBUBE0CEu与二极管特性相似1、输入特性：1.3.3三极管的特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bce共射接法CE)(BEBUufi为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。像PN结的伏安特性为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？取0.7V导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.3)V取0.2VECBuCE增加，集电结加宽，基区变窄，载流子复合机会减少，基极电流减小。二、输出特性图1.3.7NPN三极管的输出特性曲线IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321划分三个区：截止区、放大区和饱和区。截止区放大区饱和区放大区1.截止区常数B)(CECIUfI截止区截止区IB0ICICEO0条件：两个结反偏对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。iC只随iB的变化而变化，表现了iB对iC的控制作用，即集电极电流和基极电流体现放大作用，即2.放大区：二、输出特性IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321放大区BCΔΔII放大区放大区对NPN管UBE0，UBC0条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平，微上翘，等间隔BiCi为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区实际上曲线并不是完全水平，而是微微上翘，为什么？随着VCE的增加，集电结反偏电压增大，空间电荷区展宽，有效基区宽度变窄，从发射区注入基区的载流子更多可以到达集电结形成IC。因此IC会随着VCE增加而微微增大。BiCiβ是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?饱和区放大区截止区常量CEBCUiiBCII直流电流放大系数:交流电流放大系数：3.饱和区：条件：两个结均正偏IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321对NPN型管，UBE0，UBC0特点：a、IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。ICIB。b、UCE增大，IC增大。当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCEUBE时称为过饱和。饱和管压降UCES0.4V(硅管)，UCES0.2V(锗管)饱和区晶体管的三个工作区域晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC。状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO约增大1倍。B