第2章逻辑门电路

第2章半导体三极管2.1三极管的结构、符号及分类2.1.1三极管的结构与符号2.1.2三极管的分类2.1.3三极管的外部结构2.2三极管的电流分配与放大作用2.2.1载流子的运动及各电极电流的形成2.2.2电流放大作用2.2.3电流分配关系的测试第2章半导体三极管2.3三极管的特性曲线2.3.1输入特性曲线2.3.2输出特性曲线2.4三极管的主要参数及温度的影响2.4.1主要参数2.4.2温度对三极管的特性与参数的影响2.5特殊三极管简介2.5.1光电三极管2.5.2光电耦合器本章重点•半导体三极管的基本结构•三极管的电流分配与放大作用•三极管实现放大作用的内部及外部条件•三极管的基本特性本章难点•在放大区三极管具有基极电流控制集电极电流的特性•三极管的开关特性•用万用表判断三极管的类型、管脚及三极管质量的好坏第2章半导体三极管2.1三极管的结构、符号及分类分为NPN型管和PNP型管2.1.1三极管的结构与符号第2章半导体三极管三个区：发射区基区集电区两个PN结：发射结集电结三个电极：发射极(e)基极(b)集电极(c)图2-1三极管的结构示意图与电路符号2.1.2三极管的分类按结构类型分为NPN型管和PNP型管按材料分为硅管和锗管按功率大小分为大功率管、中功率管和小功率管按工作频率分为高频管和低频管按其工作状态分为放大管和开关管第2章半导体三极管2.1.3三极管的外部结构第2章半导体三极管图2-2常见三极管的外形结构图2.2三极管的电流分配与放大作用第2章半导体三极管三极管实现放大作用的内部条件，制作时：基区做得很薄，且掺杂浓度低发射区的掺杂浓度高集电结面积大于发射结面积外部条件，即发射结正向偏置，集电结反向偏置(a)为NPN型管的偏置电路；(b)为PNP管的偏置电路图2-3三极管具有放大作用的外部条件图2-4三极管内部载流子的运动情况2.2.1载流子的运动及各电极电流的形成第2章半导体三极管发射区向基区发射电子形成IE的过程发射结加正偏电压，多子的扩散运动大于少子的漂移运动，发射区的多子电子源源不断地越过发射结到达基区，基区的多子空穴源源不断地越过发射结到达发射区，由电子电流和空穴电流共同形成了发射极电流IE。电子在基区扩散与复合形成IBN的过程由发射区扩散到基区的电子浓度，靠近发射结的要高于靠近集电结的，又形成了浓度差，这样电子要向集电结继续扩散。在扩散过程中，绝大部分电子扩散到集电结边沿，很少部分电子与基区的多子空穴复合，复合掉的空穴由基区电源VBB补充，从而形成基极电流IBN。电子被集电区收集形成ICN的过程集电结反偏，使内电场增强，因此一方面阻止了集电区电子向基区扩散，另一方面将基区扩散到集电结边沿的电子收集到集电区，形成了集电极电流ICN。IEIBNICN第2章半导体三极管通过三极管内部载流子的运动可知三极管各极电流的关系IC=ICN+ICBOIB=IBN-ICBOIE=ICN+IBN=IC+IB对于PNP管，三个电极产生的电流方向正好和NPN管相反第2章半导体三极管2.2.2电流放大作用由于基区很薄，掺杂少，空穴浓度很低，从发射区发射到基区的电子(IE)大部分被集电极收集形成ICN，只有很小一部分在基区复合，形成IBN。第2章半导体三极管CNBNII共发射极直流电流放大系数由于IC=ICN+ICBO，IB=IBN-ICBO所以IC=IB+(1+)ICBO当ICBO可以忽略不计时，可得把集电极电流的变化量与基极电流的变化量的比值称为三极管共发射极交流电流放大系数，用表示。CIBICBIIc第2章半导体三极管通常情况下，β=20～200。在分析估算放大电路参数时取=综上：有一小IB就可以获得大IC，实现了小基极电流控制大集电极电流，这就是三极管的电流放大作用。也证明了三极管是电流控制器件。当输入电压变化时，会引起输入电流(基极电流)的变化，在输出回路将引起集电极电流较大变化，该变化电流在集电极负载电阻RC上产生较大的电压输出。这样，三极管的电流放大作用就转化为电路的电压放大作用。2.2.3电流分配关系的测试测试电路第2章半导体三极管三极管的三种接法：共射极、共集电极和共基极图2-5三极管的三种电路共发射极三极管各电极电流分配关系的测试电路第2章半导体三极管图2-6三极管电流分配关系的测试电路调RP，可测得IB、IC、IE，数据如表2-1所示。第2章半导体三极管测试数据数据分析IB/mA-0.00400.010.020.030.040.050.06IC/mA0.0040.011.091.983.074.065.056.06IE/mA00.011.102.003.104.105.106.12表2-1IB、IC、IE测试数据满足基尔霍夫电流定律IB、IC、IE的关系：IE=IB+ICIC、IB的关系：三极管的直流放大作用三极管的交流放大作用CB1.091000.01IICB1.981.090.89890.020.010.01II第2章半导体三极管当IE=0时，即发射极开路，IC=-IB当IB=0时，即基极开路，IC=IE≠0反向饱和电流ICBO集电极—发射极的穿透电流ICEO图2-7三极管特性曲线的测试电路三极管的特性曲线测试电路第2章半导体三极管2.3三极管的特性曲线第2章半导体三极管2.3.1输入特性曲线三极管的输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压uCE一定时，输入回路中的基极电流iB与基—射电压VBE之间的关系曲线。可用函数式表示为CEBBE()uifu常数图2-8三极管的特性曲线输入特性曲线第2章半导体三极管输入特性曲线分析当Ui=0时从输入端看进去，相当于两个PN结并联且正向偏置，此时的特性曲线类似于二极管的正向伏安特性曲线。当Ui≥1V时Ui≥1V的曲线比Ui=0时的曲线稍向右移，这是因为Ui≥1V时，集电结加反偏电压，使耗尽层加宽，基区变薄，基区复合电流减小，即iE减小，故特性曲线右移，由于Ui≥1V以后，不同Ui对应的输入特性曲线基本重合，因此常用Ui≥1V的一条曲线来表示三极管的输入特性曲线。综上：输入特性曲线与二极管正向特性曲线形状一样，也有一段死区。只有当Ui大于死区电压时，输入回路才有iE产生。常温下硅管的死区电压约为0.5V，锗管死区电压约为0.1V。另外，当发射结完全导通时，三极管也具有恒压特性。常温下，硅管的导通电压为0.6～0.7V，锗管的导通电压为0.2～0.3V。2.3.2输出特性曲线第2章半导体三极管图2-8三极管的输出特性曲线输出特性曲线是指当iB一定时，输出回路的iC与uCE之间的关系曲线。用函数表示为BCCE()iifu常数三个区：放大区饱和区截止区2.3.2输出特性曲线第2章半导体三极管图2-8三极管的输出特性曲线输出特性曲线是指当iB一定时，输出回路的iC与uCE之间的关系曲线。用函数表示为BCCE()iifu常数三个区：放大区饱和区截止区截止区iB=0以下的区域称为截止区iB=0，iC=ICEO时，发射结零偏或反偏，集电结反偏，即uBE≤0，uCE＞0。这时uCE=UCC，三极管的c-e之间相当于开路状态，相当于开关断开。第2章半导体三极管iB＞0以上曲线比较平坦的区域称为放大区三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。受控特性：指iC随着iB的变化而变化，即iC=βiB恒流特性：指当输入回路中有一个恒定的iB时，输出回路便对应一个不受uCE影响的恒定iC各曲线间的间隔大小可体现β的大小。放大区uCE≤uBE时的区域称为饱和区发射结和集电结均处于正向偏置，三极管失去了放大作用，这时，iC由外电路决定，而与iB无关。将此时所对应的uCE值称为饱和压降，用UCES表示。一般情况下，小功率管的UCES小于0.4V(硅管约为0.3V，锗管约为0.1V)，大功率管的UCES约为1～3V。在理想条件下，UCES0，三极管c-e之间相当于短路状态，相当于开关闭合。第2章半导体三极管三极管的工作区域可分为三种工作状态放大、饱和和截止状态三极管在电路中的作用既可以作放大元件使用，又可以作开关元件使用。饱和区2.4三极管的主要参数及温度的影响2.4.1主要参数第2章半导体三极管电流放大系数β(α)反向饱和电流ICBO穿透电流ICEO集电极最大允许电流ICM集电极—发射极间的击穿电压U(BR)CEO集电极最大耗散功率PCM共射电路β共基电路α发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的反向饱和电流基极开路，集电极—发射极间加上一定数值的正向电压时，渡过集电极和发射极之间的电流iC增大到使值下降到正常值的2/3时，所对应的集电极电流当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压三极管正常工作时最大允许消耗功率2.4.2温度对三极管的特性与参数的影响第2章半导体三极管原因：在iB相同的条件下，输入特性曲线随着温度升高而左移，使UBE减小。温度对UBE的影响图2-9温度对三极管特性的影响三极管的输入特性曲线温度升高，曲线左移温度对ICBO的影响第2章半导体三极管原因：温度升高，本征激发产生的载流子浓度增大，少子增多，所以ICBO增加，导致ICEO增大，从而使输出特性曲线上移图2-9温度对三极管特性的影响三极管输出特性曲线随温度升高将向上移动温度对β的影响第2章半导体三极管温度升高，输出特性曲线之间的间隔增大。这是因为温度升高，载流子运动加剧，载流子在基区的扩散时间缩短，从而在基区复合的数目减少，而被集电区收集的数目增多，使得β值增加。UBE的减小，ICBO和β的增加，集中体现为管子的集电极电流iC增大，从而影响三极管的工作状态。所以，一般电路中应采取限制因温度变化而影响三极管性能变化的措施2.5特殊三极管简介2.5.1光电三极管第2章半导体三极管图2-10光电三极管的等效电路与电路符号2.5.2光电耦合器第2章半导体三极管图2-11光电耦合器电路符号(a)LED+光敏电阻；(b)LED+光电二极管；(c)LED+光电三极管；(d)LED+光电池