三极管的结构和工作原理

§2.2.1三极管的结构和工作原理分类按频率分有高频管、低频管按功率分有小、中、大功率管按材料分有硅管、锗管按结构分有NPN型和PNP型国产三极管的命名方式3DG6三极管表示器件材料和极性高频管设计序号A：PNP锗材料B：NPN锗材料D：NPN硅材料C：PNP硅材料三极管的不同封装形式金属封装塑料封装大功率管中功率管半导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。两种类型的三极管发射结(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三极管的结构结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图三极管的电流分配与放大作用正常放大时外加偏置电压的要求bc结反偏be结正偏问：若为PNP管，图中电源极性如何？发射结应加正向电压（正向偏置）集电结应加反向电压（反向偏置）三极管内载流子的传输过程动画2－1三极管内载流子的传输过程2.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IE=IB＋IC三极管三个电极间的分配关系IE=IBN＋ICNIB=IBN－ICBOIC=ICN＋ICBO较大的ΔiE如(1mA)ΔVO=ΔiCRL(较大)ΔiC(较大)如(0.98mA)较小ΔVI如(20mV)三极管的放大作用正向时PN结电流与电压成指数关系ΔVOiB=IB+△iBiC=iE=IC+ΔiCiE=IE+ΔiE+-+_ecbRLΔVIOVIVAV电压放大倍数三极管基区的电流传递作用三极管的放大作用,主要是依靠它的IE能通过基区传输,然后顺利到达集电极而实现的。故要保证此传输,一方面要满足内部条件,即发射区掺杂浓度要远大于基区掺杂浓度,基区要薄;另一方面要满足外部条件,即发射结正偏,集电结要反偏。输入电压的变化,是通过其改变输入电流,再通过输入电流的传输去控制输出电压的变化,所以是一种电流控制器件。两个要点§2.2.2三极管的特性三极管在电路中的连接方式共基极连接共集电极连接共发射极连接三极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vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEiB=f(vBE)vCE=const(2)当集电结进入反偏状态时，vCB=vCE-vBE随着vCE的增大而增大，集电结的反偏加强。由于基区的宽度调制效应，基区变窄，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）输入电流与输入电压间的关系曲线当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。iC=f(vCE)iB=const2.输出特性曲线BJT的特性曲线输出电流与输出电压间的关系曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE输出特性曲线的三个区域:饱和区：的区域，发射结正偏，集电结正偏。iC明显受vCE控制的区域，但不随iB的增加而增大。在饱和区，可近似认为vCE保持不变。对于小功率硅管，一般vCES＝0.2V。CEBEvvCEBEV=V放大区：此时，发射结正偏，集电结反偏。iC不随vCE变化，但随iB的增大而线性增大，且CBii截止区：iB=0的输出曲线以下的区域。此时，发射结和集电结均反偏。iC只有很小的反向电流。CBCEBEvvv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|=0.2V；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－发射极另一例题参见P302.2.2-1§2.2.3三极管的主要参数三极管的参数是用来表征管子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电流放大系数交流电流放大系数=IC/IBvCE=const=IC/IB|vCE=const直流电流放大系数共射电流放大系数+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE电流放大系数直流电流放大系数α=ΔiC/ΔiEα=IC/IE共基电流放大系数交流电流放大系数1)1(eebciiii1α与β间的关系(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。+bce-uAIe=0VCCICBO+bce-VCCICEOuA极限参数集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗PCM三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流PCM值与环境温度有关，温度愈高，则PCM值愈小。当超过此值时，管子性能将变坏或烧毁。反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压。V(BR)CBO：发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压。V(BR)CEO：基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压()()()EBRCBOBRCEOBRBOVVV安全工作区由ICM、V(BR)CEO、及PCM三个极限参数可画出三极管的安全工作区图。§2.2.4三极管的模型三极管的简化直流模型截止模型1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Feb-2003SheetofFile:D:\long\T_MD\t_md22401.schDrawnBy:C0.7VII(a)BβICCEO.2VEBBECB(b)B0.7V(c)1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Feb-2003SheetofFile:D:\long\T_MD\t_md22401.schDrawnBy:C0.7VII(a)BβICCEO.2VEBBECB(b)B0.7V(c)1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Feb-2003SheetofFile:D:\long\T_MD\t_md22401.schDrawnBy:C0.7VII(a)BβICCEO.2VEBBECB(b)B0.7V(c)饱和模型放大模型建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。三极管的小信号模型三极管的小信号模型H参数的引出将共射连接三极管看成一双端口网络),(),(CEBCCEBBEvifivifv输入输出端口的函数表达式ebc对输入输出端口的两函数表达式求微分),(),(CEBCCEBBEvifivifvBEdvBEBCEBVvdiiBECEBCEIvdvvCdiCBCEBVidiiCCEBCEIidvv用相关符号取代上式中的微分量后得beiebrecevhihvcfeboeceihihv微分量用交流量取代，偏微分量用H参数取代H参数物理含义CEBBEie)/(Vivh输出端交流短路时的输入电阻，即rbe。BCEBEre)/(Ivvh输入端交流开路时的反向电压传输系数，即rCEBC)/(Viihfe输出端交流短路时的电流放大系数，即。BCECoe)/(Ivih输入端交流开路时的输出电导，即1/rce。根据可得小信号模型BJT的H参数模型vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络H参数等效电路H参数等效电路中需注意的几点h参数小信号模型是用于交流分析的，不能用于直流分析。h参数是在某个静态工作点测得的，其数值与静态工作点有关。h参数中的电流源和电压源都是受控源，其方向不能随意假定。hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即rbe=hie=hfeur=hrerce=1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为ur很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路ib是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。H参数简化等效电路ibicvceibvbeuTvcerbercerH参数的确定一般用测试仪测出；rbe与Q点有关，可用图示仪测出。一般也用公式估算rberbe=rb+(1+)re其中对于低频小功率管rb≈200则)mA()mV(26)1(200EQbeIr)mA()mV()mA()mV(EQEQTeIIVr26而(T=300K)跨导gm衡量晶体管输出电流随输入电压变化的物理量概念：对于共射电路ebcCmQBEdigdvBEtESt1()vVQIeVCQtIVBECEStvVEiiIe厄利电压VA概念：反映iC～vCE曲线在线性区内水平程度（即斜率）的参数基区宽度调制效应vCB↑vCE↑时集电结空间电荷层厚度↑基区变窄基区复合减少iC↑，输出曲线向上倾斜CCEQdidvCQACEQIVVCQAIVce1rAceCQVrI123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Jun-2003SheetofFile:D:\long\T_MD\T_MD22302.schDrawnBy:CQI0CEQvVviAVBECE－CQ本节重点三极管的工作原理三极管的特性曲线三极管的参数三极管的小信号等效电路作业P261[P2.14]P260[P2.12](1)(2)(4)