第4章_半导体二极管和晶体管2

2020/2/28电路与模拟电子技术基础14.3晶体管晶体三极管又称为半导体三极管、双极型晶体管，简称晶体管。是电子电路主要的有源器件，可用来放大、振荡、调制等。几种常见晶体管的外形2020/2/28电路与模拟电子技术基础24.3.1晶体管的结构及其类型ecb发射极基极集电极发射结集电结基区发射区集电区NPNcbeNPN(a)NPN管的原理结构示意图(b)电路符号（base）（collector）（emitter）符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。晶体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。2020/2/28电路与模拟电子技术基础3晶体管的结构2020/2/28电路与模拟电子技术基础4PNPcbe(b)电路符号(a)PNP型三极管的原理结构符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。2020/2/28电路与模拟电子技术基础5P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区ec(b)N＋衬底N型外延PN＋cebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN图：平面管结构剖面图＊结构特点1、三区两结2、基区很薄3、e区重掺杂c区轻掺杂b区掺杂最轻4、集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。2020/2/28电路与模拟电子技术基础64.3.2晶体管的电流放大原理（以NPN管为例）1、放大状态下晶体管中载流子的运动BJT处于放大状态的条件：内部条件：发射区重掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个m)集电结面积大外部条件：发射结正偏集电结反偏2020/2/28电路与模拟电子技术基础7对晶体管发射区的作用是：向基区注入载流子；基区的作用是：传送和控制载流子；集电区的作用是：收集载流子。管内载流子的运动情况如下图所示。2020/2/28电路与模拟电子技术基础82.电子在基区中的扩散与复合3.集电区收集扩散过来的电子另外,基区集电区本身存在的少子，在集电结上存在漂移运动，由此形成电流ICBO三极管内有两种载流子参与导电，故称此种三极管为双极型三极管，记为BJT1.发射区向基区注入电子2020/2/28电路与模拟电子技术基础9外加偏置电压要求对NPN管UC＞UB＞UEUCUEUB对PNP管要求UC＜UB＜UEUCUEUB2020/2/28电路与模拟电子技术基础10IEP:基区向发射区扩散所形成的空穴电流(很小):集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流(很小)2、电流分配关系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：EENEPBNCNEPBBNEPCBOCCNCBOIIIIIIIIIIIII2020/2/28电路与模拟电子技术基础11晶体管是流控元件晶体管的主要功能：电流控制（基极电流控制集电极电流）电流放大（放大的比例关系一定）ceIENPNIBbIBNIENICNICBOICCBII2020/2/28电路与模拟电子技术基础121、直流电流放大系数共射极直流电流放大系数反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，CBII一般200~20CBOBCBOCBNCNIIIIII含义：基区每复合一个电子，就有个电子扩散到集电区去。若忽略ICBO,则2020/2/28电路与模拟电子技术基础132、共射交流放大系数BCii常认为：2020/2/28电路与模拟电子技术基础144.3.3晶体管的特性曲线•晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解晶体管的导电特性非常有用。晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中，有下图所示的三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。2020/2/28电路与模拟电子技术基础15icebiBC输出回路输入回路ecbiBiEceiEiCb(a)共发射极(b)共集电极(c)共基极晶体管的三种基本接法（组态）晶体管在电路中的连接方式2020/2/28电路与模拟电子技术基础16晶体管的特性曲线特性曲线是指各电极之间的电压与电流之间的关系曲线概念输入特性曲线输出特性曲线2020/2/28电路与模拟电子技术基础17下面以共射极电路为测试电路μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－2020/2/28电路与模拟电子技术基础181共射极输入特性曲线共射组态晶体管的输入特性：常数CEuBEBufi)(μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。2020/2/28电路与模拟电子技术基础19iB/μAuBE/V060900.50.70.930UCE＝0UCE≥1cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1(1)当vCE=0V时，晶体管相当于两个并联二极管，iB很大，曲线明显左移。(2)1uCE0时，uCE↑，曲线右移，特别工作在饱和区时，移动量更大。（3）当vCE1V以后，由于集电结的反偏电压可以在单位时间内将所有到达集电结边上的载流子拉到集电极，故iC不随vCE变化，所以同样的vBE下的iB不变，特性曲线几乎重叠。2020/2/28电路与模拟电子技术基础202共射极输出特性曲线共射组态晶体管的输出特性：它是指一定基极电流IB下，三极管的输出回路集电极电流IC与管压降UCE之间的关系曲线。常数BiCECufi典型的共射输出特性曲线如图所示。由图可见，输出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分别讨论如下。2020/2/28电路与模拟电子技术基础21共射输出特性曲线uCE/V5101501234截止区IB＝40¦ÌA30¦ÌA20¦ÌA10¦ÌA0¦ÌAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBE饱和区2020/2/28电路与模拟电子技术基础22一、放大区★发射结正向偏置，集电结反向偏置1、基极电流iB对集电极电流iC的控制作用很强常数CEuBCII在数值上近似等于β问题：特性图中β=？β=100uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A2020/2/28电路与模拟电子技术基础232、uCE变化时,iC影响很小（恒流特性）uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A即：iC仅决定于iB，与输出环路的外电路无关。放大区2020/2/28电路与模拟电子技术基础242、饱和区★发射结和集电结均正向偏置临界饱和：uCE=uBE，uCB=0(集电结零偏)uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A2020/2/28电路与模拟电子技术基础25IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1（1）iB一定时，iC比放大时要小三极管的电流放大能力下降，通常有iCβiB（2）uCE一定时iB增大，iC基本不变图2-6饱和区载流子运动情况uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A2020/2/28电路与模拟电子技术基础26饱和压降UCE(sat)：饱和时，集电极和发射极之间的电压•UCE(sat)=0.3V（小功率Si管）；•UCE(sat)=0.1V（小功率Ge管）。（3）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”。饱和区uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A2020/2/28电路与模拟电子技术基础273、截止区★发射结和集电结均反向偏置iB=-iCBO（此时iE=0）以下称为截止区。工程上认为：iB=0以下即为截止区。uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A2020/2/28电路与模拟电子技术基础28ciCeiENPNiBRCUCCUBBRBICBO15VbIEBO图2-7截止区载流子运动情况※若不计穿透电流ICEO，有iB、iC近似为0；♀三个电极的电流都很小，三极管类似于一个开关“断开”。截止区2020/2/28电路与模拟电子技术基础29如何判断三极管的电极、管型和材料发射结处于正向偏置，且对于硅管|VBE|=0.7V，锗管|VBE|=0.3V；集电结处于反向偏置，且|VCB|＞1V；NPN管集电极电位比发射极电位高，PNP管集电极电位比发射极电位低。当三极管在电路中处于放大状态时2020/2/28电路与模拟电子技术基础30例题一个BJT在电路中处于正常放大状态，测得A、B和C三个管脚对地的直流电位分别为6V，0.6V，1.3V。试判别三个管脚的极名、是硅管还是锗管？NPN型还是PNP型？1.3,0.6CBVVVV1.30.60.7CBVVVA－集电极6,ABCVVVV管子为NPN管C－基极，B－发射极2020/2/28电路与模拟电子技术基础314.3.4晶体管的主要参数晶体管的参数是用来表征晶体管性能优劣适应范围的，是选管的依据，共有以下三大类参数。电流放大系数极间反向电流极限参数2020/2/28电路与模拟电子技术基础32一、电流放大系数1、共射直流放大系数2、共射交流放大系数BCIIBCii常认为：2020/2/28电路与模拟电子技术基础33•二、•1集电极—基极反向饱和电流ICBO•ICBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极-基极反向饱和电流。•2集电极—发射极反向饱和电流ICEO•ICEO指基极开路时的集电极电流，称为集电极穿透电流。2020/2/28电路与模拟电子技术基础343、晶体管的极限参数1）集电极最大允许电流ICM三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流，一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。2）集电极最大允许耗散功率PCM※PCM表示集电极上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。PCM值与环境温度有关，温度愈高，则PCM值愈小。2020/2/28电路与模拟电子技术基础353）集电极—发射极间的反向击穿电压U(BR)CEOU(BR)CEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压。2020/2/28电路与模拟电子技术基础36作业：4.15现测得放大电路中两只管子两个电极的电流如图4.15所示。分别求另一电极的电流，标出其方向，并在圆圈中画出管子，且分别求出它们的电流放大系数β。β＝100，β＝502020/2/28电路与模拟电子技术基础37作业：4.16测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图4.16所示。在圆圈中画出管子，并说明它们是硅管还是锗管。2020/2/28电路与模拟电子技术基础38作业：4.17电路如图所示，晶体管导通时，β=50。试分析为0V、1V、3V三种情况下T的工作状态及输出电压的值。，1截至，2放大，3饱和