三极管的结构和工作原理剖析.ppt

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1、分类分类按频率分有高频管、低频管按频率分有高频管、低频管按功率分有小、中、大功率管按功率分有小、中、大功率管按材料分有硅管、锗管按材料分有硅管、锗管按结构分有按结构分有NPNNPN型和型和PNPPNP型型国产三极管的命名方式国产三极管的命名方式3 D G 63 D G 6三三极极管管表表示示器器件件材材料料和和极极性性高高频频管管设设计计序序号号A：PNP锗材料锗材料B：NPN锗材料锗材料D：NPN硅材料硅材料C：PNP硅材料硅材料三极管的不同封装形式三极管的不同封装形式金属封装金属封装塑料封装塑料封装大功率管大功率管中功率管中功率管 半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种半导体三极管的

2、结构示意图如下图所示。它有两种类型类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极，用B或b表示（Base）发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号三极管的结构三极管的结构 结构特点：结构特点：发射区的掺杂浓度最高；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；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，且基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。掺杂浓度最低。管芯结构

3、剖面图管芯结构剖面图三极管的电流分配与放大作用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正常放大时外加偏置电压的要求bc结反偏结反偏be结结正正偏偏问：若为问：若为PNP管，图中电源极性如何？管，图中电源极性如何？发射结应加正向电压（正向偏置）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）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三极管内载流子的传输过程动画动画21三极管内载流子的传输过程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集电区收集扩散过来的电子另外另外,基区集电区本身存在的少子，基区集

4、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，记为为双极型三极管，记为BJT1.发射区向基区注入电子发射区向基区注入电子I IE E=I=IB BI IC C三极管三个电极间的分配关系三极管三个电极间的分配关系I IE E=I=IBNBNI ICNCNI IB B=I=IBNBNI ICBOCBOI IC C=I=ICNCNI ICBOCBO较大的较大的i iE E如如(1mA)VVO O=iC CR RL L(较大较大)i iC C(较

5、大较大)如如(0.98mA)较小较小VVI I如如(20mV)三极管的放大作用三极管的放大作用正向时正向时PN结电结电流与电压成指流与电压成指数关系数关系VO iB=IB+iBiC=iE=IC+iCiE=IE+iE+-+_ecbRLVI电压放大倍数电压放大倍数三极管基区的三极管基区的电流传递作用电流传递作用三极管的放大作用三极管的放大作用,主要是主要是依靠它的依靠它的I IE E能通过基区传输能通过基区传输,然后顺利到达集电极而实现然后顺利到达集电极而实现的。故要保证此传输的。故要保证此传输,一方一方面要满足内部条件面要满足内部条件,即即发射发射区掺杂浓度要远大于基区掺区掺杂浓度要远大于基区掺

6、杂浓度杂浓度,基区要薄基区要薄;另一方面另一方面要满足外部条件要满足外部条件,即即发射结发射结正偏正偏,集电结要反偏集电结要反偏。输输入入电电压压的的变变化化,是是通通过过其其改改变变输输入入电电流流,再再通通过过输输入入电电流流的的传传输输去去控控制制输输出出电电压压的的变变化化,所所以以是是一一种种电电流流控控制器件制器件。两个要点两个要点三极管在电路中的连接方式三极管在电路中的连接方式共基极连接共基极连接共共集电极连接集电极连接共共发射极连接发射极连接三极管的特性曲线三极管的特性曲线特性曲线是特性曲线是指各电极之指各电极之间的间的电压与电压与电流电流之间的之间的关系曲线关系曲线概概念念输

7、入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const(2)当集电结进入反偏状态时，当集电结进入反偏状态时，vCB=vCE-vBE随着随着 vCE的增大而增的增大而增大，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，同样的复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE 1V(1)当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输

8、入特性曲线输入特性曲线 BJT的的特性曲线特性曲线（以共射极放大电路为例）（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输入电流与输入电压间的关系曲线当当 vCE1V以后，由于集电结的反偏电压可以在单位时以后，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不随不随vCE变化，所以同样的变化，所以同样的vBE下的下的 iB不变，特性曲线几不变，特性曲线几乎重叠。乎重叠。iC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性曲线输出特性曲线 BJT的的特性曲线特性曲线输出电流与输出电压间的关系曲线输出电流与输出电

9、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输出特性曲线的三个区域:饱和区：饱和区：的区域，的区域，发射结正偏，集电结正发射结正偏，集电结正偏。偏。iC明显受明显受vCE控制控制的区域，但不随的区域，但不随iB的增的增加而增大。在饱和区，加而增大。在饱和区，可近似认为可近似认为 vCE保持不保持不变。对于小功率硅管，变。对于小功率硅管，一般一般vCES0.2V。放大区：放大区：此时，发射结正此时，发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。iC不随不随vCE变化，但随变化，但随iB的增大而的增大而线性增大，且线性增大，且截止区：截止区：iB=0的

10、输出曲线以的输出曲线以下的区域。此时，下的区域。此时，发射结发射结和集电结均反偏。和集电结均反偏。iC只有很只有很小的反向电流。小的反向电流。如何判断三极管的电极、管型和材料如何判断三极管的电极、管型和材料 发射结处于正向偏置，且对于硅管发射结处于正向偏置，且对于硅管|VBE|=0.7V，锗管锗管|VBE|=0.2V；集集电电结结处处于于反反向向偏偏置置，且且|VCB|1V；NPN管管集集电电极极电电位位比比发发射射极极电电位位高高，PNP管集电极电位比发射极电位低。管集电极电位比发射极电位低。当当三极管在电路中处于放大状态时三极管在电路中处于放大状态时例题例题一个一个BJTBJT在电路中处于

11、在电路中处于正常放大正常放大状态，测得状态，测得A A、B B和和C C三个管脚对地的直三个管脚对地的直流电位分别为流电位分别为6V6V，0.6V0.6V，1.3V1.3V。试判别三个管试判别三个管脚的极名、是硅管还是脚的极名、是硅管还是锗管？锗管？NPNNPN型还是型还是PNPPNP型型？集电极集电极管子为管子为NPN管管C基极，基极，B发射极发射极另一另一例题参见例题参见P30 2.2.2-1三极管的参数是三极管的参数是用来表征管子性用来表征管子性能优劣适应范围能优劣适应范围的，是选管的依的，是选管的依据，共有以下三据，共有以下三大类参数。大类参数。电流放大系数电流放大系数极间反向电流极间

12、反向电流极限参数极限参数电流放大系数电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 =D DIC/D DIB vCE=const=IC/IB|vCE=const直流电流放大系数直流电流放大系数 共共射射电电流流放放大大系系数数+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE电流放大系数电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数=i iC C/i iE E=I=IC C/I/IE E共共基基电电流流放放大大系系数数交流电流放大系数交流电流放大系数与与间的关系间的关系 (2)集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+）ICBO 极间反向电流极间反

13、向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流。路时，集电结的反向饱和电流。即输出特性曲即输出特性曲线线IB=0那条曲线所那条曲线所对应的对应的Y坐标的数值。坐标的数值。ICEO也称为集电极也称为集电极发射极间穿透电流。发射极间穿透电流。极极限限参参数数集电极最大允许电流集电极最大允许电流I ICM集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗P PCM 三极管正常工作时集电极所三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流允许的最大工作电流P PCM值值与与环环境境温温度度有有关关，温温度度愈愈高高，则则P PCM值值愈愈小

14、小。当当超超过过此此值值时时，管管子子性性能能将将变变坏坏或或烧烧毁。毁。反反向向击击穿穿电电压压V(BR)EBO：集电极开路时集电极开路时发射极发射极-基极基极间的反向击穿电压。间的反向击穿电压。V(BR)CBO：发射极开路时集电极发射极开路时集电极-基极基极间的反向击穿电压。间的反向击穿电压。V(BR)CEO：基极开路时集电极基极开路时集电极-发射发射极间的反向击穿电压极间的反向击穿电压安全工作区安全工作区由由I ICMCM、V V(BR)CEO(BR)CEO、及、及P PCMCM三个极限参数三个极限参数可画出三极管的安全工作区图。可画出三极管的安全工作区图。三极管的简化直流模型三极管的简

15、化直流模型截止模型截止模型饱和模型饱和模型放大模型放大模型建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路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。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，就是将非线性器件的分析非常困难。建立小信号模型，就是

16、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。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三极管的小信号模型三极管的小信号模型H参参数数的的引引出出将共将共射射连接三连接三极管看成一双极管看成一双端口网络端口网络输入输出端口的输入输出端口的函数表达式函数表达式ebc对对输入输出端口的两输入输出端口的两函数表达式求微分函数表达式求微分用用相关符号取代上式相关符号取代上式中的微分量后得中的微分量后得微分量用交流量微分量用交流量取代，偏微分量取代，偏微分量用用H参数取代参数取代H参参数数物物理理含含义义输出端交流短路时的输出端交流短路时的输入电阻输入电阻

17、，即，即 rbe。输入端交流开路时的输入端交流开路时的反向反向电压传输系数，电压传输系数，即即 输出端交流短路时的输出端交流短路时的电流放大系数电流放大系数，即，即。输入端交流开路时的输入端交流开路时的输出电导输出电导，即，即1/rce。根据根据可得小信号模型可得小信号模型BJT的的H参数模型参数模型vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络双口网络H参数等效电路参数等效电路H参数等效电路中需注意的几点参数等效电路中需注意的几点h h参数小信号模型是用于交流分析参数小信号模型是用于交流分析的，不能用于直流分析。的，不能用于直流分析。h

18、 h参数是在某个静态工作点测得的，其数值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。与静态工作点有关。h h参数中的电流源和电压源都是受控源，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。其方向不能随意假定。hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即即 rbe=hie =hfe ur=hre rce=1/hoe一般采用习惯符号一般采用习惯符号则则BJT的的H参数模型为参数模型为 ur很小，一般为很小，一般为10-3 10-4，rce很大，很大，约为约为100k。故一故一般可忽略它们的影响，得到般可忽略它们的影响，得到简化电路简化电路 ib 是受控源是受控源，且为

19、电流，且为电流控制电流源控制电流源(CCCS)。电流方向与电流方向与ib的方向是关联的方向是关联的。的。H参数简化等效电路参数简化等效电路 ibicvceibvbeuT vcerbercer H参数的确定参数的确定 一般用测试仪测出；一般用测试仪测出；rbe 与与Q点有关，可用图点有关，可用图示仪测出。示仪测出。一般也用公式估算一般也用公式估算 rbe rbe=rb+(1+)re其中对于低频小功率管其中对于低频小功率管 rb200 则则 而而 (T=300K)跨导跨导gm衡量晶体管输出电流随输入电压衡量晶体管输出电流随输入电压变化的物理量变化的物理量概念：概念：对于共射电路对于共射电路ebc厄利电压厄利电压VA概念：概念：反映反映iCvCE曲线在线性区内水平曲线在线性区内水平程度（即斜率）的参数程度（即斜率）的参数 基区宽度调制效应基区宽度调制效应vCB vCE时时 集电集电结空间电结空间电荷层厚度荷层厚度 基区变窄基区变窄 基区基区复合复合减少减少 iC，输出曲输出曲线向上倾斜线向上倾斜 本节重点本节重点u三极管的工作原理三极管的工作原理u三极管的特性曲线三极管的特性曲线u三极管的参数三极管的参数u三极管的小信号等效电路三极管的小信号等效电路作作 业业P261 P2.14P260 P2.12(1)(2)(4)