第15雙極型半導(dǎo)體晶體管

HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.06

1.5雙極型晶體管的工作原理

1.5.1雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)

1.5.2雙極型晶體管的電流分配關(guān)系

1.5.3晶體管的電流放大系數(shù)

1.5.4晶體管的特性曲線

1.5.5晶體管的參數(shù)

1.5.6晶體管的型號(hào)HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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雙極型晶體管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，是一種電流控制電流源器件（CCCS）。

晶體管英文稱(chēng)為T(mén)ransister，在中文中稱(chēng)為晶體管或半導(dǎo)體三極管。晶體管有兩大類(lèi)型:

一是雙極型晶體管(BJT)，二是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。

場(chǎng)效應(yīng)型晶體管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種電壓控制電流源器件（VCCS）。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.06圖01.03.01晶體管的兩種結(jié)構(gòu)1.5.1雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型這是基極b這是發(fā)射極e這是集電極c這是發(fā)射結(jié)Je這是集電結(jié)Jc

晶體管符號(hào)中的短粗線代表基極，發(fā)射極的箭頭方向，代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。

雙極型半導(dǎo)體晶體管有兩種結(jié)構(gòu)，NPN型和PNP型，見(jiàn)圖。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.2雙極型晶體管的電流分配關(guān)系

雙極型晶體管在制造時(shí)，要求發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，基區(qū)摻雜濃度低并要制造得很薄，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積較大。從結(jié)構(gòu)上看雙極型晶體管是對(duì)稱(chēng)的，但因工藝參數(shù)不同，發(fā)射極和集電極不能互換。

雙極型晶體管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸Ｈ粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。現(xiàn)以NPN型晶體管的放大狀態(tài)為例，來(lái)說(shuō)明晶體管內(nèi)部的電流關(guān)系。1.5.2.1晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.06IENIEPICBOIEICIBIBNIE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO

注意圖中畫(huà)的是載流子的運(yùn)動(dòng)方向，空穴流與電流方向相同；電子流與電流方向相反。為此可確定三個(gè)電極的電流ICN圖01.03.02晶體管中載流子的運(yùn)動(dòng)

如何保證注入的載流子盡可能的到達(dá)集電區(qū)？

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發(fā)射極電流：IE=IEN+IEP

且有IEN>>IEP

集電極電流：IC=ICN+ICBO

ICN=IEN-

IBN

且有IEN>>IBN

，ICN>>IBN

基極電流：IB=IEP+IBN－ICBO

1.5.2.2晶體管電極電流的關(guān)系所以，發(fā)射極電流又可以寫(xiě)成

IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB

IENIEPICBOIEICIBIBNIE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBOICNHIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.3晶體管的電流放大系數(shù)

1.5.3.1三種組態(tài)

雙極型晶體管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入,兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱(chēng)三種組態(tài)，如共發(fā)射極接法，也稱(chēng)共發(fā)射極組態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)共射組態(tài)。晶體管的三種組態(tài)見(jiàn)圖。圖01.03.03晶體管的三種組態(tài)共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示；共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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1.5.3.2晶體管的電流放大系數(shù)1.5.3.2.1共基極組態(tài)直流電流放大系數(shù)

電流放大系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)是指輸出電流與輸入電流的比。由于組態(tài)不同，晶體管的輸入電極和輸出電極不同，所以對(duì)共基組態(tài)，輸出電流是集電極電流IC，輸入電流是發(fā)射極電流IE。定義集電極電流的主要部分ICN與發(fā)射極電流IE之比為共基極直流電流放大系數(shù)：HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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稱(chēng)為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒(méi)有IEP和IBN，所以的值小于1，但接近1。由此可得：

IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO

IENIEPICBOIEICIBIBNICNHIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.3.2.2共發(fā)射極組態(tài)直流電流放大系數(shù)

對(duì)共射組態(tài)的電流放大系數(shù)，輸出電流是集電極電流IC，輸入電流是基極電流IB，二電流之比可定義：

稱(chēng)為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。因≈1,所以

>>1。IENIEPICBOIEICIBIBNICNHIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.4晶體管的特性曲線

這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。

iB是輸入電流，uBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。

iC是輸出電流，uCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。

輸入特性曲線——iB=f(uBE)

uCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(uCE)

iB=const本節(jié)介紹共發(fā)射極接法晶體管的特性曲線，即HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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共發(fā)射極接法的供電電路和電壓-電流關(guān)系如圖所示。圖01.03.04共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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簡(jiǎn)單地看，輸入特性曲線類(lèi)似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和uBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。為了排除uCE變化的影響，在討論輸入特性曲線時(shí)，應(yīng)使uCE=const(常數(shù))。1.5.4.1輸入特性曲線

uCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部反饋?zhàn)饔媒忉專(zhuān)磚CE對(duì)iB的影響。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見(jiàn)圖。其中UCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當(dāng)UCE≥1V時(shí)，UCB=UCE

-UBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少，IC/IB

增大，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但UCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。

①②③

曲線右移是晶體管內(nèi)部反饋所致，因該反饋很小右移不明顯。輸入特性曲線的分區(qū)：①死區(qū)②非線性區(qū)③近似線性區(qū)圖01.03.05共射接法輸入特性曲線HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖所示，它是以IB為參變量的一族特性曲線。圖01.03.06共射接法輸出特性曲線1.5.4.2輸出特性曲線

當(dāng)UCE稍增大時(shí)，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓很小，如

UCE<1V、UBE=0.7VUCB=UCE-UBE=<0.7V集電區(qū)收集電子的能力很弱，IC主要由UCE決定。

現(xiàn)以其中任何一條加以說(shuō)明，當(dāng)UCE=0V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，IC=0。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.06運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后UCE再增加，電流也沒(méi)有明顯的增加，特性曲線進(jìn)入與UCE軸基本平行的區(qū)域。

當(dāng)UCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，如

UCE≥1V、UBE≥0.7V圖01.03.06共射接法輸出特性曲線HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE的數(shù)值較小，一般UCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——iC平行于uCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓UCE大于0.7

V(硅管)。圖01.03.07輸出特性曲線的分區(qū)HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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若考慮晶體管安全工作的因素，輸出特性曲線還可以增加過(guò)電流區(qū)、過(guò)損耗區(qū)和過(guò)電壓區(qū)：圖01.03.08輸出特性曲線的安全工作區(qū)

過(guò)電流區(qū)是集電極電流達(dá)到ICM和超過(guò)ICM以上的部分，此時(shí)，晶體管的電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值以下。

過(guò)損耗區(qū)由晶體管的集電極最大功率損耗值確定，是一條曲線，在曲線的上方功耗超標(biāo)，晶體管將過(guò)熱損壞。

過(guò)電壓區(qū)由U(BR)CEO決定,超過(guò)該值，易造成晶體管擊穿損壞。

曲線中間部分安全工作區(qū)。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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晶體管的參數(shù)分為三大類(lèi):

直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)1.5.5.1.1

直流電流放大系數(shù)

1.5.5.1直流參數(shù)

對(duì)共射組態(tài)的直流電流放大系數(shù)，輸出電流是集電極電流ICQ，輸入電流是基極電流IBQ，二電流之比可定義：1.5.5晶體管的參數(shù)1.5.5.1.1.1

共發(fā)射極組態(tài)直流電流放大系數(shù)HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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在放大區(qū)基本不變，在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過(guò)垂直于X軸的直線(uCE=const)來(lái)求取IC/IB

，如圖所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)，會(huì)有所減小，在放大區(qū)的中間部分直流電流放大系數(shù)因輸出特性曲線平行等距，基本是常數(shù)。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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顯然與之間有如下關(guān)系:

稱(chēng)為共基極組態(tài)直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒(méi)有IEP和IBN，所以的值小于1，但接近1。根據(jù)定義可得出：1.5.5.1.1.2

共基極組態(tài)直流電流放大系數(shù)HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.06因≈1,所以

>>1。

同樣可以推導(dǎo)出和的關(guān)系：HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.5.1.2.1集電結(jié)反向飽和電流ICBO

ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開(kāi)路，它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。

1.5.5.1.2.2穿透電流ICEO

ICEO和ICBO有如下關(guān)系:

ICEO=（1+）ICBO

ICEO相當(dāng)基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。如圖所示。1.5.5.1.2極間反向電流HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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在放大區(qū)值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過(guò)垂直于X軸的直線求取IC/IB。見(jiàn)圖，在工作點(diǎn)附近求IC和IB，即可得到。

圖01.03.10在輸出特性曲線上求β1.5.5.2交流參數(shù)1.5.5.2.1交流電流放大系數(shù)1.5.5.2.1.1共發(fā)射極組態(tài)交流電流放大系數(shù)

QHIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.5.2.1.2共基極組態(tài)交流電流放大系數(shù)

1.5.5.2.2特征頻率fT

晶體管的值不僅僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，晶體管的值將會(huì)下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為特征頻率，用fT表示。當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈、≈，可以不加區(qū)分。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.5.3.1集電極最大允許電流ICM

如圖所示，當(dāng)集電極電流增加時(shí)，就要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70～30％時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM。

1.5.5.3極限參數(shù)

圖01.03.11值與IC的關(guān)系

至于值下降多少，不同型號(hào)的晶體管，不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見(jiàn)，當(dāng)IC＞ICM時(shí)，并不表示晶體管會(huì)損壞。HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗

PCM=ICUCB≈ICUCE，因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用UCE

取代UCB。1.5.5.3.2集電極最大允許功率損耗PCM圖01.03.08輸出特性曲線的安全工作區(qū)HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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反向擊穿電壓表示晶體管電極間承受反向電壓的能力，其測(cè)試時(shí)的原理電路如圖所示。U(BR)CEOU(BR)CBO圖01.03.12晶體管擊穿電壓的測(cè)試電路U(BR)CESU(BR)CER1.5.5.3.3反向擊穿電壓U(BR)EBOHIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

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1.U(BR)CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)BR代表?yè)舸┲?，是Breakdown的字頭，CB代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開(kāi)路。2.U(BR)EBO——集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。

3.U(BR)CEO——基極開(kāi)路集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。U(BR)CBOU(BR)CEO

對(duì)于U(BR)CER表示BE間接有電阻，U(BR)CES表示BE間是短路的。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系

U(BR)CBO≈U(BR)CES＞U(BR)CER＞U(BR)CEO＞U(BR)EBOU(BR)EBOHIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.5.4.1溫度對(duì)ICBO的影響ICBO是晶體管集電結(jié)反向飽和電流，由少數(shù)載流子形成。所以，在一定的溫度和不發(fā)生反向擊穿的條件下，ICBO是常數(shù)，不隨反向電壓的增加而增加。

但是溫度升高以后，半導(dǎo)體的本征激發(fā)增大，漂移電流增大，ICBO隨之增大。可以證明，溫度每升高10℃，ICBO增加約一倍。反之，溫度降低時(shí)，ICBO也隨之降低。

由于硅晶體管的ICBO比鍺晶體管的小很多，所以，硅晶體管的溫度穩(wěn)定性要優(yōu)于鍺晶體管。例如小功率硅管的

ICBO約為10nA~1A；鍺管的

ICBO約為10A~1mA。1.5.5.4溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.5.4.2溫度對(duì)輸入特性曲線的影響

溫度對(duì)雙極型晶體管輸入特性曲線的影響，與溫度對(duì)PN結(jié)的影響類(lèi)似。當(dāng)溫度升高時(shí)，正向特性將向縱坐標(biāo)移動(dòng)，大約溫度每增加1℃，uBE的絕對(duì)值減小2~2.5mV。換言之，若UBE不變，溫度的升高，iB將增加。20℃50℃UBE1UBE2IB圖01.03.14溫度對(duì)輸入特性的影響HIT基礎(chǔ)電子技術(shù)電子教案----雙極型半導(dǎo)體晶體管

2006.061.5.5.4.3溫度對(duì)輸出特性曲線的影響

晶體管的輸出特性曲線在溫度升高后將向上方移動(dòng)，升溫后有如下后果：1.曲線上移后，穿透電流ICEO增加；2.曲線上移后，相同的基極電流變化量IB得到的IC