半導(dǎo)體三極管課件

第三節(jié)半導(dǎo)體三極管2023/7/231一、三極管的結(jié)構(gòu)與分類NPN型PNP型ECBECB1晶體管的電流放大原理2023/7/232

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖2023/7/2332三極管的外形結(jié)構(gòu)2023/7/2343三極管的電流分配與放大作用NNPUBBRBUCCRCBCE晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的外部條件發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏共射極放大電路EBRBBECECRCPNP：VC<VB<VE從電位的角度看：NPN：VC>VB>VE2023/7/235BCENPNUCCRCUBBRBIEICIB三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子的過程2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程3.集電區(qū)收集電子的過程ICIB2023/7/236BCNPNUCCRCUBBRBa.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子,形成發(fā)射極電流IEb.基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散空穴,形成空穴電流ICIBIE因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)濃度，空穴電流可忽略不記。2023/7/237BCNPNUCCRCUBBRBICIBIEc.基區(qū)電子的擴(kuò)散和復(fù)合,形成IB2023/7/238BCNPNUCCRCUBBRBICIBIEd.集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的電子,形成發(fā)射極電流ICe.集電區(qū)、基區(qū)少子相互漂移ICBO少子漂移形成反向飽和電流ICBO集電區(qū)少子空穴向基區(qū)漂移基區(qū)少子電子向集電區(qū)漂移少子漂移形成反向飽和電流ICBO集電區(qū)少子空穴向基區(qū)漂移基區(qū)少子電子向集電區(qū)漂移2023/7/239晶體管的電流分配關(guān)系動畫演示2023/7/2310結(jié)論

由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程

由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程

集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3.集電區(qū)收集電子的過程只要三極管符合基區(qū)很薄、低摻雜，發(fā)射區(qū)高摻雜，發(fā)射結(jié)面積遠(yuǎn)小于集電結(jié)面積的內(nèi)部條件，再加上發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力?？偨Y(jié)1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程3.集電區(qū)收集電子的過程1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程2023/7/2311IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:各電極電流關(guān)系及電流放大作用1）三電極電流關(guān)系：

IE=IB+IC

電流分配原則2）IC

IB

，

IC

IE

，

直流電流放大系數(shù)3）IC

IB，

交流電流放大系數(shù)2023/7/2312——電流分配方程式＋＋－－UccUBBRBRCBEC

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為三極管的電流放大作用。

三極管使用一個較小的電流去控制一個較大的電流，起電流放大的作用，因而將三極管稱為電流控制元件。穿透電流：基極開路，少數(shù)載流子漂移運(yùn)動產(chǎn)生的電流，用ICEO表示。2023/7/2313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。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；三極管的三種組態(tài)：

2023/7/23144三極管的特性曲線

所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)。共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路ECICEBmAAVUCEUBERBIBV++––––++發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端2023/7/2315(1)輸入特性曲線UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB從0開始增加IBIE=IBUBE令UCC為0UCE=0時的輸入特性曲線UCE為0時

電路輸出端集電極-發(fā)射極電壓UCE一定時，輸入回路中電流IB與基極-發(fā)射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。硅管：UBE=0.7V,鍺管：UBE=0.2V。2023/7/2316UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開始增加IBICUBE增大UCC讓UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲線繼續(xù)增大UCC讓UCE=1V令UBB重新從0開始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲線

繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。

實(shí)用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。UCE>1V的特性曲線2023/7/2317(2)輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。當(dāng)輸入回路電流IB一定時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE

根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是三極管的輸出特性曲線。IBUCE/VIC

/mA02023/7/2318UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再調(diào)節(jié)IB至另一稍小的固定值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCEUCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。2023/7/2319

當(dāng)IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，集電極電流IC基本不變，體現(xiàn)出恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3

當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是三極管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β：ΔIB=40AΔIC

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.52023/7/2320UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。IC不受IB控制，只受UCE（UCE<1）控制。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB小于0時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。放大區(qū)三極管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流IC與基極電流IB之間成β倍的數(shù)量關(guān)系，即三極管在放大區(qū)時具有電流放大作用。截止區(qū)飽和區(qū)2023/7/2321例1：UCE=6V時，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；在Q2點(diǎn)

IB=60A,IC=2.3mA。求β值？在以后的計算中，一般作近似處理：=IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，有由Q1和Q2點(diǎn)，得2023/7/2322三極管工作狀態(tài)判斷項(xiàng)目狀態(tài)條件NPN型各級電位關(guān)系PNP型各級電位關(guān)系飽和狀態(tài)放大狀態(tài)反截止?fàn)顟B(tài)正反正Vb＜VeVb＜VcVe＞Vb＞VcVb＞Ve發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)Vb＞VeVb＞VcVc＞Vb＞VeVb＜Ve2023/7/2323判別三極管工作狀態(tài)的步驟判一判比一比對一對步驟判斷三極管的結(jié)構(gòu)型號比較Vb與Ve、Vb與Vc之間的大小對照表格確定三極管的工作狀態(tài)2023/7/23245v2.3v3v例2：已知三極管三個級的電位如圖所示，判別下列三極管所處的工作狀態(tài)？0.3v0v-2va）6v1.3v2v-2v-1v1vb）c）d）截止放大放大飽和2023/7/2325（1）V1=3.5V，V2=2.8V，V3=12V。例3：測得工作在放大電路中幾個晶體管三個極電位值V1、V2、V3，判斷管子的類型、材料及三個極。NPN型硅管，1、2、3依次為B、E、C

（2）V1=3V，V2=2.7V，V3=12V。（3）V1=6V，V2=11.3V，V3=12V。（4）V1=6V，V2=11.7V，V3=12V。NPN型鍺管，1、2、3依次為B、E、CPNP型硅管，1、2、3依次為C、B、EPNP型鍺管，1、2、3依次為C、B、E2023/7/2326例4：測得電路中三極管各極對地的電位值如下表所示，判斷各管的工作狀態(tài)及類型。管號VB（V）VC（V）VE（V）T1-0.3-50T22.732.32T31-60T1：UBE=-0.3V，VE＞VB＞VC，放大狀態(tài)，PNP型T2：UCE=0.3V，VE＜VC＜VB，飽和狀態(tài)，NPN型T3：UCE=-6V，VC＜VE＜VB，截止?fàn)顟B(tài)，PNP型2023/7/2327已知：管子對地電位如圖所示。判斷管子的工作狀態(tài)和材料。+6V+0.1V-0.2V(a)例題5：+1V-2V+0.3V(b)2023/7/2328解：+6V+0.1V-0.2V(a)（1）判斷管型主要看箭頭。箭頭向外說明管子為：NPN型管。（3）計算UBE。UBE=UB－UE=0.1－（－0.2）=0.3V。（2）分析兩個PN結(jié)的偏置。UB=0.1V＞UE=－0.2V,發(fā)射結(jié)正偏。UB=0.1V＜UC=6V,集電結(jié)反偏。說明管子工作在放大狀態(tài)。說明管子為鍺管。2023/7/2329解：+1V-2V+0.3V(b)（1）判斷管型主要看箭頭。箭頭向內(nèi)說明管子為：PNP型管。（3）計算UEB。UEB=UE－UB=1－0.3=0.7V。（2）分析兩個PN結(jié)的偏置。UB=0.3V＜UE=+1V,發(fā)射結(jié)正偏。UB=0.3V＞UC=-2V,集電結(jié)反偏。說明管子工作在放大狀態(tài)。說明管子為硅管。2023/7/2330例6：測得放大電路中六只晶體管的直流電位如圖所示。在圓圈中畫出管子，并分別說明它們是硅管還是鍺管。BEC硅管BEC鍺管BEC硅管BEC硅管BEC鍺管BEC鍺管2023/7/23315三極管的主要參數(shù)及溫度影響值與IC有關(guān)。同一型號的三極管值有較大差別，其值在20~150之間。值太小，管子的電流放大作用太?。恢堤?，使管子受溫度變化的影響大，導(dǎo)致管子工作不穩(wěn)定。要根據(jù)實(shí)際情況來選擇值合適的管子。①

直流電流放大系數(shù)反映了三極管的電流放大能力。②交流電流放大系數(shù)集電極電流變化量與基極電流變化量的比值。

當(dāng)輸出曲線的間隔比較均勻時，認(rèn)為:(1)電流放大系數(shù)2023/7/2332(2)極間反向電流①集電極-基極反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開路時，集電極-基極之間的反向電流。NNPUBBRBUCCRCBCEICBOICBO隨溫度的升高而增大，且具有飽和性。它是表征集電結(jié)質(zhì)量好壞，衡量管子穩(wěn)定性能優(yōu)劣的參數(shù)。一個好管子，ICBO很小。集電結(jié)反偏，集電區(qū)的少子進(jìn)行漂移運(yùn)動形成反向漂移電流。2023/7/2333②集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEO：基極開路時，由集電區(qū)流入，穿過基區(qū)，由發(fā)射區(qū)流出的反向電流。又稱穿透電流。

NNPUBBRBUCCRCBCEICBO發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)CEOICBOICEO=(1+)ICBOICEO受溫度影響很大。ICEO越大，說明管子穩(wěn)定性越差。2023/7/2334(3)極限參數(shù)①集電極最大允許電流ICMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3②集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基極開路

指基極開路時，允許加在集-射極之間的最高反向電壓。使用中若超過此值,三極管的集電結(jié)就會出現(xiàn)雪崩擊穿。IC>ICM時，晶體管不一定燒損，但β值明顯下降。③集電極最大允許功耗PCM三極管上的功耗超過PCM，管子將損壞。安

全

區(qū)

：集電結(jié)允許損耗功率的最大值。過耗區(qū)2023/7/23351.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高10C，ICBO

約增大1倍。OT2>T1三極管的溫度特性溫度每升高1C，UBE

(22.5)mV。2023/7/2336(1)溫度對的影響

溫度升高，電流放大系數(shù)值增大，使輸出特性曲線之間的間隔變寬，從而使集電極電流IC增加。(2)溫度對ICBO的影響

溫度升高，ICBO按指數(shù)規(guī)律增大，使集電極電流IC增加。OT2>T12023/7/23372.溫度升高，輸出特性曲線向上移。