模拟电子简明教程 第2讲 13

1.3双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。图1.3.1三极管的外形1.3.1三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。图1.3.2三极管的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe发射极，b基极，c集电极。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。合金型三极管制作工艺：在N型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与N型锗接触，冷却后形成两个P型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。图1.3.3三极管结构示意图和符号(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以NPN型三极管为例讨论图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。不具备放大作用三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。becRcRb三极管中载流子运动过程IEIB1.发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。图1.3.5三极管中载流子的运动becIEIBRcRb三极管中载流子运动过程3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。IC另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO图1.3.5三极管中载流子的运动beceRcRb三极管的电流分配关系IEpICBOICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBOIE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp一般要求ICn在IE中占的比例尽量大。而二者之比称直流电流放大系数，即ECnII一般可达0.95~0.99三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IBCBOBCBOBCBOBCC)1(111)(IIIIIIIIECCCBOCBOECBOCnC1IIIIIIIII可将其忽略，则时，当)(代入(1)式，得其中：共射直流电流放大系数。1CBOBC)1(III上式中的后一项常用ICEO表示，ICEO称穿透电流。CEOBCCBOCEO)1(IIIII则当ICEOIC时，忽略ICEO，则由上式可得BCII共射直流电流放大系数近似等于IC与IB之比。一般值约为几十~几百。三极管的电流分配关系BCEIIIBCIIBE)1(II一组三极管电流关系典型数据IB/mA0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.任何一列电流关系符合IE=IC+IB，IBICIE,ICIE。2.当IB有微小变化时，IC较大。说明三极管具有电流放大作用。3.共射电流放大系数BCΔΔIIECΔΔII共基电流放大系数IB/mA0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.在表的第一列数据中，IE=0时，IC=0.001mA=ICBO，ICBO称为反向饱和电流。CBOECIII在表的第二列数据中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO，称为穿透电流。CBOCEO)1(II根据和的定义，以及三极管中三个电流的关系，可得故与两个参数之间满足以下关系：1ΔΔΔΔ/ΔΔΔΔΔΔBCBBCCBCECIIIIIIIIII11或直流参数与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与，与的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。、输出回路输入回路+UCE1.3.3三极管的特性曲线特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。IBUCE图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路ICVCCRbVBBcebRcVVAmA输入特性：输出特性：常数B)(CECIUfI常数CE)(BEBUUfI+UCE+UCEIBIBIBUBE一、输入特性常数CE)(BEBUUfI(1)UCE=0时的输入特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceV/BEUO0CEUIB/A当UCE=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。图1.3.7(上中图)图1.3.8(下图)(2)UCE0时的输入特性曲线当UCE0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。UCEUBE，三极管处于放大状态。*特性右移(因集电结开始吸引电子)V2CEUV/BEUO0CEUIB/AUCE≥1时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCVVAmAUBE*UCE≥1V，特性曲线重合。图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路图1.3.8三极管的输入特性二、输出特性图1.3.9NPN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IB≤0的区域。两个结都处于反向偏置。IB=0时，IC=ICEO。硅管约等于1A，锗管约为几十~几百微安。常数B)(CECIUfI截止区截止区2.放大区：条件：发射结正偏集电结反偏特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。二、输出特性IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321放大区集电极电流和基极电流体现放大作用，即BCΔΔII放大区放大区对NPN管UBE0，UBC0图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线3.饱和区：条件：两个结均正偏IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321对NPN型管，UBE0UBC0。特点：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。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)饱和区饱和区饱和区1.3.4三极管的主要参数三极管的连接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共发射极接法图1.3.10NPN三极管的电流放大关系一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1.共射电流放大系数BCΔΔII2.共射直流电流放大系数忽略穿透电流ICEO时，BCII3.共基电流放大系数ECΔΔII4.共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流ICBO时，ECII和这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：11或二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO(a)ICBO测量电路(b)ICEO测量电路ICBOcebAICEOAceb小功率锗管ICBO约为几微安；硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。当b开路时，c和e之间的电流。CBOCEO)1(II值愈大，则该管的ICEO也愈大。图1.3.11反向饱和电流的测量电路三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM当IC过大时，三极管的值要减小。在IC=ICM时，值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率PCM过损耗区安全工作区将IC与UCE乘积等于规定的PCM值各点连接起来，可得一条双曲线。ICUCEPCM为安全工作区ICUCEPCM为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区图1.3.11三极管的安全工作区3.极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。安全工作区同时要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全工作区ICM过流区图1.3.11三极管的安全工作区1.3.5PNP型三极管放大原理与NPN型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与NPN正好相反。图1.3.13三极管外加电源的极性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uouiPNP三极管电流和电压实际方向。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三极管各极电流和电压的规定正方向。PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE、UCE为负值；输入与输出特性曲线横轴为(UBE)、(UCE)。发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换EB极性。发射结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换EC极性,或将VT更换为PNP型。两PN结均正偏三极管工作在饱和区。[例1.3.1]判断图示各电路中三极管的工作状态。0.7VVT0.3VRbRcECEBVTRbRcECVTEB=IBRb+UBEIBICIB=46.5μAβIB=2.3mAIC=βIB=2.3mAUCE=EC-ICRc=5.4V发射结正偏集电结反偏，三极管工作在放大区。RbRCECEBVT2k200k10V10Vβ=50EB=IBRb+UBEIBICIB=465μAβIB=23mA假设三极管饱和，UCES=0.3V则ICS=EC-UCESRc=4.85mAβIBICS假设成立，三极管工作在饱和区。或者IC=βIB=23mAUCE=EC-ICRc=-36V发射结正偏集电结正偏，三极管工作在饱和区。RbRCECEBVT2k20k10V10Vβ=50