第二章半導(dǎo)體三極管

1、第第2章章 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 2.1 三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類 2.1.1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號三極管的結(jié)構(gòu)與符號 2.1.2 三極管的分類三極管的分類 2.1.3 三極管的外部結(jié)構(gòu)三極管的外部結(jié)構(gòu) 2.2 三極管的電流分配與放大作用三極管的電流分配與放大作用 2.2.1 載流子的運(yùn)動及各電極電流的形成載流子的運(yùn)動及各電極電流的形成 2.2.2 電流放大作用電流放大作用 2.2.3 電流分配關(guān)系的測試電流分配關(guān)系的測試 第第2章章 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 2.3 三極管的特性曲線三極管的特性曲線 2.3.1 輸入特性曲線輸入特性曲線 2.3.2 輸出特性曲線輸出

2、特性曲線 2.4 三極管的主要參數(shù)及溫度的影響三極管的主要參數(shù)及溫度的影響 2.4.1 主要參數(shù)主要參數(shù) 2.4.2 溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響 2.5 特殊三極管簡介特殊三極管簡介 2.5.1 光電三極管光電三極管 2.5.2 光電耦合器光電耦合器 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) 半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu) 三極管的電流分配與放大作用三極管的電流分配與放大作用 三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部及外部條件三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部及外部條件 三極管的基本特性三極管的基本特性本章難點(diǎn)本章難點(diǎn) 在放大區(qū)三極管具有基極電流控制集電極電流的特性在放大區(qū)三極管具有基極電流控制

3、集電極電流的特性 三極管的開關(guān)特性三極管的開關(guān)特性 用萬用表判斷三極管的類型、管腳及三極管質(zhì)量的好壞用萬用表判斷三極管的類型、管腳及三極管質(zhì)量的好壞第第2章章 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管2.1 三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類三極管的結(jié)構(gòu)、符號及分類 2.1.1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號三極管的結(jié)構(gòu)與符號半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為因此，還被稱為雙極型晶體管雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor,簡稱簡稱BJT）。）。 BJT是由兩個是由兩個P

4、N結(jié)組成的。結(jié)組成的。NPN型PNP型符號符號:-bce-ebc 三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。-NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極-PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極2.1.2 三極管的分類三極管的分類 按結(jié)構(gòu)類型分為按結(jié)構(gòu)類型分為NPNNPN型管和型管和PNPPNP型管型管按材料分為硅管和鍺管按材料分為硅管和鍺管 按功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管按功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管 按工作

5、頻率分為高頻管和低頻管按工作頻率分為高頻管和低頻管 按其工作狀態(tài)分為放大管和開關(guān)管按其工作狀態(tài)分為放大管和開關(guān)管2.1.3 三極管的外部結(jié)構(gòu)三極管的外部結(jié)構(gòu) 常見三極管的外形結(jié)構(gòu)圖常見三極管的外形結(jié)構(gòu)圖 5/19/2022 半導(dǎo)體三極管的型號半導(dǎo)體三極管的型號第二位：第二位：A鍺鍺PNP管、管、B鍺鍺NPN管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低頻小功率管、低頻小功率管、D低頻大功率管、低頻大功率管、 G高頻小功率管、高頻小功率管、A高頻大功率管、高頻大功率管、K開關(guān)管開關(guān)管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的種類用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的

6、序號用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管三極管國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：3DG110B2.2 三極管的電流分配與放大作用三極管的電流分配與放大作用 三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件，制作時：三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件，制作時：基區(qū)做得很薄，且摻雜濃度低基區(qū)做得很薄，且摻雜濃度低發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積外部條件，即發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置外部條件，即發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置 5/19/2022若在放大工作狀態(tài)：若在放

7、大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE UBEUCB集電結(jié)反偏：集電結(jié)反偏：由由VBB保證保證由由VCC、 VBB保證保證UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法c區(qū)區(qū)b區(qū)區(qū)e區(qū)區(qū) 三極管在工作時要加上三極管在工作時要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?.2.1 載流子的運(yùn)動及各電極電流的形成載流子的運(yùn)動及各電極電流的形成 1BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程內(nèi)部的載流子傳輸過程N(yùn)NPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（1 1）因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)）因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了形成了擴(kuò)散

8、電流擴(kuò)散電流IEN 。同時從基區(qū)向發(fā)。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成的電流為的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽但其數(shù)量小，可忽略。略。 所以發(fā)射極電流所以發(fā)射極電流I E I EN 。（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成形成IBN。所以。所以基極電流基極電流I B I BN 。大部分到達(dá)了集電。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。區(qū)的邊緣。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外，集電結(jié)區(qū)另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移的少子形

9、成漂移電流電流ICBO。 （3）因為集電結(jié)）因為集電結(jié)反偏，收集擴(kuò)散到反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，集電區(qū)邊緣的電子，形成電流形成電流ICN 。 動畫演示5/19/20222電流分配關(guān)系電流分配關(guān)系IE =IC+IBNNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI定義：定義：ECNII ECBOECIIII(1)(1)IC與與I E之間的關(guān)系之間的關(guān)系:所以所以:ECII其值的大小約為其值的大小約為0.90.90.990.99。 三個電極上的電流關(guān)系三個電極上的電流關(guān)系:NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIECNICICBOI聯(lián)立以下兩式聯(lián)立以下兩式：CBO

10、ECIII BCEIII得：得：CBOBCCBOECIIIIII）（ 所以所以：CBOBC111III BCEOBCIIII 得：得： 1令令：CBOCEO11II BI2.2.2 電流放大作用電流放大作用 動畫演示 在分析估算放大電路參數(shù)時取在分析估算放大電路參數(shù)時取通常情況下，通常情況下，=20200。 綜上：綜上：有一小有一小IB就可以獲得大就可以獲得大IC，實現(xiàn)了小基極電流，實現(xiàn)了小基極電流控制大集電極電流，這就是三極管的電流放大作用?？刂拼蠹姌O電流，這就是三極管的電流放大作用。也證明了三極管是電流控制器件。當(dāng)輸入電壓變化時，也證明了三極管是電流控制器件。當(dāng)輸入電壓變化時，會引起輸入

11、電流會引起輸入電流(基極電流基極電流)的變化，在輸出回路將引的變化，在輸出回路將引起集電極電流較大變化，該變化電流在集電極負(fù)載電起集電極電流較大變化，該變化電流在集電極負(fù)載電阻阻 RC 上產(chǎn)生較大的電壓輸出。這樣，三極管的電流上產(chǎn)生較大的電壓輸出。這樣，三極管的電流放大作用就轉(zhuǎn)化為電路的電壓放大作用。放大作用就轉(zhuǎn)化為電路的電壓放大作用。2.2.3 電流分配關(guān)系的測試電流分配關(guān)系的測試 測試電路測試電路 三極管的三種接法：共射極、共集電極和共基極 三極管的三種電路 動畫演示共發(fā)射極三極管各電極電流分配關(guān)系的測試電路 三極管電流分配關(guān)系的測試電路調(diào)RP，可測得IB、IC、IE，數(shù)據(jù)如表測試數(shù)據(jù)測試

12、數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 IB/mA-0.00400.010.020.030.040.050.06IC/mA0.0040.011.091.983.074.065.056.06IE/mA00.011.102.003.104.105.106.12IB、IC、I IE E測試數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù) 滿足基爾霍夫電流定律 lIB、IC、IE的關(guān)系：IE= IB+IClIC、IB的關(guān)系： 三極管的直流放大作用 三極管的交流放大作用CB1.091000.01IICB1.981.090.89890.020.010.01IIl當(dāng)IE=0時，即發(fā)射極開路，IC=-IB l當(dāng)IB=0時，即基極開路，IC=IE0 反向飽和電反

13、向飽和電流流ICBO 集電極集電極發(fā)發(fā)射極的穿透射極的穿透電流電流ICEO （1）uCE=0V時，相當(dāng)于兩個時，相當(dāng)于兩個PN結(jié)并聯(lián)。結(jié)并聯(lián)。2.3 BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）的特性曲線（共發(fā)射極接法）2.3.1 2.3.1 輸入特性曲線輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const+i-uBE+-uBTCE+Ci0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（3）uCE 1V再增加時，曲線右移很不明顯。再增加時，曲線右移很不明顯。（2）當(dāng)）當(dāng)uCE=1V時，時， 集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所

14、以基區(qū)復(fù)合減少，合減少， 在同一在同一uBE 電壓下，電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動一些。減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區(qū)電壓死區(qū)電壓硅硅 0.5V鍺鍺 0.1V導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降硅硅 0.7V鍺鍺 0.3V 2.3.2輸出特性曲線輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const （1）當(dāng)）當(dāng)uCE=0 V時，因集電極無收集作用，時，因集電極無收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 當(dāng)當(dāng)uCE 1V后，收后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這集電子的能力足夠強(qiáng)。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成被集電極收集，形成iC。所以所以uCE再增加，再

15、增加，iC基本基本保持不變。保持不變。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲線。其他值的曲線。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB現(xiàn)以現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。一條加以說明。 動畫演示飽和區(qū)飽和區(qū)iC受受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE0.7 V。 此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。的曲線的下方。 此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)放大區(qū) 曲線基本平行等曲線基

16、本平行等 距。距。 此時，發(fā)此時，發(fā) 射結(jié)正偏，集電射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。結(jié)反偏。 該區(qū)中有：該區(qū)中有：BCII iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:2.4 三極管的主要參數(shù)及溫度的影響三極管的主要參數(shù)及溫度的影響（2 2）共基極電流放大系數(shù)：）共基極電流放大系數(shù)： BCII BCii ECII ECii iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi一般取一般取2

17、0200之間之間2.31.538A60mA3 . 2BCII40A40)-(60mA)5 . 13 . 2(BCii（1 1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：1.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) 動畫演示 （2）集電極發(fā)射極間的穿）集電極發(fā)射極間的穿透電流透電流ICEO 基極開路時，集電極到發(fā)射基極開路時，集電極到發(fā)射極間的電流極間的電流穿透電流穿透電流 。其大小與溫度有關(guān)。其大小與溫度有關(guān)。 （1）集電極基極間反向飽和電流）集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。發(fā)射極開路時，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是它實際上就是一

18、個一個PNPN結(jié)的反向電流。結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。其大小與溫度有關(guān)。 鍺管：鍺管：I CBO為微安數(shù)量級，為微安數(shù)量級， 硅管：硅管：I CBO為納安數(shù)量級。為納安數(shù)量級。CBOCEO)1 (II+ICBOecbICEO2.極間反向電流極間反向電流 3.極限參數(shù)極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允）集電極最大允許功率損耗許功率損耗PCM 集電極電流通過集集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗，電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE BICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM PC

19、MIc增加時，增加時， 要下降。當(dāng)要下降。當(dāng) 值下降到線性放大區(qū)值下降到線性放大區(qū) 值的值的70時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。對于前面的電路（固定偏置電路）而言，對于前面的電路（固定偏置電路）而言，靜態(tài)工作點(diǎn)由靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE、 和和ICEO決定，這三個參決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化。數(shù)隨溫度而變化。UBE ICEO變變T變變IC變變2.4.2 溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響溫度對溫度對UBE的影響的影響iBuBE25 C50CTUBEIBIC溫度對溫度對 值及值及ICEO的影響的影響T 、 IC

20、EOICiCuCE總的效果是：總的效果是：原因：溫度升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度增大，少子增多，所以ICBO增加，導(dǎo)致ICEO增大，從而使輸出特性曲線上移放大電路的圖解分析法 直流通路與交流通路直流通路與交流通路 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 近似估算法 圖解分析 電路參數(shù)變化對Q點(diǎn)的影響 動態(tài)分析動態(tài)分析 截止失真 飽和失真 交流負(fù)載線 最大不失真輸出輸出功率和功率三角形1. 直流通路與交流通路靜態(tài)：只考慮直流信號，即vi=0，各點(diǎn)電位不變 （直流工作狀態(tài)）。直流通路：電路中無變化量，電容相當(dāng)于開路， 電感相當(dāng)于短路交流通路：電路中電容短路，電感開路，直流 電源對公共端短路 放大電路建立正確的靜態(tài)，是

21、保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。動態(tài)：只考慮交流信號，即vi不為0，各點(diǎn)電位變化 （交流工作狀態(tài)）。直流通路TRRVb1b2bCCCCC+vovi電容Cb1和Cb2斷開TRRVbCCC直流通路 即能通過直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻， Rc 、Rb 。交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio+vovi直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)于短路TRRbC+_+_vovi若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、 C2 足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。 交

22、流通路： 能通過交流的電路通道。從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻， Rc/RL和偏置電阻Rb 。2. 靜態(tài)分析(1) 靜態(tài)工作點(diǎn)的近似估算法靜態(tài)工作點(diǎn)的近似估算法 已知硅管導(dǎo)通時VBE0.7V， 鍺管VBE 0.2V以及 =40， 根據(jù)直流通路則有：VRIVVmAIIARVVICCQCCCEQBQCQbBECCBQ6 .5=6 .1=40=-Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流電路固定偏流電路RbRCvoviCb1Cb2VCC+Re0.5K330K4K15V =50例：電路及參數(shù)如圖，求Q點(diǎn)值直流通路RbRCVCC330K4K15V =50Re0.5KVRIVIRIVVcCCCEcCCC