(精品)3 第四版 第3讲 晶体三极管(修改).ppt

第三讲第三讲 晶体三极管晶体三极管一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数五、主要参数 一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号小功率管小功率管中中功率管功率管大功率管大功率管为什么有孔为什么有孔？1）三极管的结构）三极管的结构根根据据结结构构不不同同，三三极极管管有有两两种种类类型型：NPN 和和 PNP 型型。主主要要以以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图1.3.2三极管的结构三极管的结构(a)平面型平面型(NPN)(b)合金型合金型(PNP)NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发发射射极极，b基基 极极，c 集电极。集电极。平面型平面型(NPN)三极管制作工艺三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散e磷磷杂质扩散杂质扩散磷磷杂质扩散杂质扩散磷磷杂质扩散杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在在 N 型型硅硅片片(集集电电区区)氧氧化化膜膜上上刻刻一一个个窗窗口口，将将硼硼杂杂质质进进行行扩扩散散形形成成 P 型型(基基区区)，再再在在 P 型型区区上上刻刻窗窗口口，将将磷磷杂杂质质进进行行扩扩散散形形成成N型型的的发发射射区区。引引出三个电极即可。出三个电极即可。合合金金型型三三极极管管制制作作工工艺艺：在在 N 型型锗锗片片(基基区区)两两边边各各置置一一个个铟铟球球，加加温温铟铟被被熔熔化化并并与与 N 型型锗锗接接触触，冷冷却却后后形形成成两两个个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP2）三极管的符号）三极管的符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不不具具备备放大作用放大作用二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基基区区做做得得很很薄薄。通通常常只只有有几几微微米米到到几几十十微微米米，而而且且掺掺杂杂较较少少。三三极极管管放放大大的的外外部部条条件件：外外加加电电源源的的极极性性应应使使发发射射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程1.发发射射发发射射区区的的电电子子越越过过发发射射结结扩扩散散到到基基区区，基基区区的的空空穴穴扩扩散散到到发发射射区区形形成成发发射射极极电电流流 IE(基基区区多多子子数数目目较较少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略)。2.复复合合和和扩扩散散电电子子到到达达基基区区，少少数数与与空空穴穴复复合合形形成成基基极极电电流流 IBN，复复合合掉掉的的空空穴穴由由 VBB 补补充充，形成基级电流形成基级电流IB。多多数数电电子子在在基基区区继继续续扩扩散，到达集电结的一侧。散，到达集电结的一侧。图图 1.3.4三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3.收收集集集集电电结结反反偏偏，有有利利于于收收集集基基区区扩扩散散过过来来的的电电子子而而形形成成集集电电极极电电流流 ICN。另另外外，集集电电区区和和基基区区的的少少子子在在外外电电场场的的作作用用下下将将进进行行漂漂移移运运动动而而形形成成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。图图 1.3.4三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动 可见可见，在集电极在集电极VCC作用下作用下形成集电极电流形成集电极电流IC。由于三极管内有两种载流子由于三极管内有两种载流子(自自由电子和空穴由电子和空穴)参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管或极型三极管或BJTBJT(Bipolar Junction Transistor)。三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示。表示。共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示；表示；共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系IC=ICN+ICBO IE=ICN+IBN+IEN=IEN+IEP图图 1.3.4三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动IB=IBN+IEP-ICBO三个极的电流之间满足节三个极的电流之间满足节点电流定律，即点电流定律，即IE=IC+IB三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系IC=ICN+ICBO IE=ICN+IBN+IEN=IEN+IEP一一般般 ICN 在在 IE 中中占占的的比比例例大大。而而二二者者之之比比称称直直流流电电流流放放大大系数系数，即，即一般可达一般可达 0.95 0.99图图 1.3.4三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动IB=IBN+IEP-ICBO整理可得整理可得:三极管的电流放大系数：三极管的电流放大系数：一般一般 ICN 在在 之比称为共射直流电流放大之比称为共射直流电流放大系数系数 。即。即上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示，表示，ICEO 称穿透电流。称穿透电流。当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略 ICEO，则由上式可得，则由上式可得共共射射直直流流电电流流放放大大系系数数 近近似似等等于于 IC 与与 IB 之之比比。一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。将将IE=IC+IB代入代入(1)式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。三极管的电流放大系数：三极管的电流放大系数：一一般般 ICN 在在 IE 中中占占的的比比例例大大。而而二二者者之之比比称称为为共基极共基极直流电流放大系数直流电流放大系数，即，即一般可达一般可达 0.95 0.99三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961.任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB IC 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子时，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。收集到集电极。UCE UBE，集电结已进入反偏状态，开始收集，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的电子，基区复合减少，同样的UBE下下 IB减小，减小，特性曲线右移特性曲线右移。*UCE UBE，三极管三极管处于放大状态处于放大状态OIB/AUCE 1 时的时的输入特性具有实用意义。输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性1）晶体管的共射输入特性）晶体管的共射输入特性CE)(BEBUufi=为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲增大到一定值曲线右移就不明显了？线右移就不明显了？1.输入特性输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321划划分分三三个个区区：截截止止区区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1.截截止止区区IB 0 的的区域。区域。两两个个结结都都处处于于反反向向偏偏置。置。IB=0 时时，IC=ICEO。硅硅管管约约等等于于 1 A，锗锗管管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。截止区截止区截止区截止区2.放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特特点点：iC 受受 iB 的的控控制制,而而与与uCE无无关关，各各条条输输出出特特性性曲曲线线比比较较平平坦坦，近近似似为为水水平平线线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321放放大大区区集集电电极极电电流流和和基基极极电电流流体现放大作用，即体现放大作用，即放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特特点点：IC 基基本本上上不不随随 IB 而而变变化化，在在饱饱和和区区三三极极管管失失去放大作用。去放大作用。I C IB。当当 UCE=UBE，即即 UCB=0 时时，称称临临界界饱饱和和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管)，UCES 0.2 V(锗管锗管)饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区四、四、三极管的主要参数三极管的主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEO1.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数忽略穿透电流忽略穿透电流 ICEO 时，时，2.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时时，3.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO4.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电测量电路路(b)ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小小功功率率锗锗管管 ICBO 约约为为几几微微安安；硅硅管管的的 ICBO 小小，有有的的为为纳纳安数量级。安数量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流。之间的电流。值值愈大，则该管的愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。图图 1.3.11反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率）1.共射电流放大系数共射电流放大系数 2.共基电流放大系数共基电流放大系数 和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：3.特征频率特征频率 由于晶体管中的由于晶体管中的PN结结电容的存在，晶体管的交结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数是所加信号的函数。频率高到一定程流电流放大系数是所加信号的函数。频率高到一定程度，集电极电流与基极电流之比不但数值下降，而且度，集电极电流与基极电流之比不但数值下降，而且产生相移。使共射极电留放大系数的数值下降到产生相移。使共射极电留放大系数的数值下降到1的的信号频率称为信号频率称为特征频率特征频率1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 IC 过过大大时时，三三极极管管的的 值值要要减减小小。在在 IC=ICM 时时，值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区 将将 IC 与与 UCE 乘乘积积等等于于规规定定的的 PCM 值值各各点点连连接接起起来来，可得一条双曲线。可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区 极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO3.极间反向击穿电压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。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基基 极极 开开 路路 时时，集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的反反向击穿电压。向击穿电压。U(BR)CBO：发发射射极极开开路路时时，集集电电极极和和基基极极之之间间的的反向击穿电压。反向击穿电压。安安全全工工作作区区同同时时要要受受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区(1)温度对温度对ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高10，ICBO约增加一倍。约增加一倍。(2)温度对温度对 的影响的影响温度每升高温度每升高1，值约增大值约增大0.5%1%。(3)温度对反向击穿电压温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响的影响温度升高时，温度升高时，V(BR)CBO和和V(BR)CEO都会有所提高。都会有所提高。2.温度对晶体管特性曲线的影响温度对晶体管特性曲线的影响1.温度对晶体管参数的影响温度对晶体管参数的影响end五、温度对晶体管特性的影响五、温度对晶体管特性的影响2.温度对晶体管特性曲线的影响温度对晶体管特性曲线的影响1）温度对输入特性曲线的影响）温度对输入特性曲线的影响五、温度对晶体管特性的影响五、温度对晶体管特性的影响2）温度对输出特性曲线的影响温度对输出特性曲线的影响五、温度对晶体管特性的影响五、温度对晶体管特性的影响PNP 型三极管型三极管放放大大原原理理与与 NPN 型型基基本本相相同同，但但为为了了保保证证发发射射结结正正偏，集电结反偏，外加电源的极性与偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型型VCCVBBRCRb+uoui PNP 三三极极管管电电流流和和电电压实际方向。压实际方向。UCEUBE+IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP 三三极极管管各各极极电电流流和电压的规定正方向。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。三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电电压压(UBE、UCE)实实际际方方向向与与规规定定正正方方向向相相反反。计计算算中中UBE、UCE 为为负负值值；输输入入与与输输出出特特性性曲曲线线横横轴轴为为(UBE)、(UCE)。讨论一1.分别分析分别分析uI=0V、5V时时T是工作在截止状态还是导通状态；是工作在截止状态还是导通状态；2.已知已知T导通时的导通时的UBE0.7V，若，若uI=5V，则，则在什么范围内在什么范围内T处于放大状态处于放大状态?在什么范围内在什么范围内T处于饱和状态？处于饱和状态？通过通过uBE是否大于是否大于Uon判断管子判断管子是否导通。是否导通。临界饱和时的临界饱和时的讨论二由由图示特性求出图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。CECCMuiP=2.7iCCEBCUii =uCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO清华大学 华成英