03第1章-常用半導(dǎo)體器件-三極管及應(yīng)用

2024/8/16模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院主講：趙建輝第一章常用半導(dǎo)體器件(2)

三極管原理與應(yīng)用2024/8/161.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型晶體管1.4場(chǎng)效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管1.6集成電路中的元件第1章常用半導(dǎo)體器件本節(jié)課內(nèi)容2024/8/161.3雙極型晶體管(三極管)重點(diǎn)：晶體管放大原理、特性曲線(xiàn)。難點(diǎn)：1.晶體管電流分配及控制

2.晶體管輸入輸出曲線(xiàn)3.晶體管主要參數(shù)及意義重點(diǎn)難點(diǎn)1.3.1晶體管結(jié)構(gòu)及類(lèi)型1.3.2晶體管電流放大作用1.3.3晶體管共射特性曲線(xiàn)1.3.4晶體管主要參數(shù)1.3.5溫度對(duì)晶體管特性幾參數(shù)的影響1.3.6光電晶體管2024/8/16結(jié)構(gòu)：有PNP型和NPN型；材料：硅管和鍺管；功率：大功率管和小功率管；頻率：高頻管和低頻管。常見(jiàn)三極管封裝2024/8/16結(jié)構(gòu)與類(lèi)型1.3.1晶體管結(jié)構(gòu)與類(lèi)型BECNNP基極集電極發(fā)射極BECPPN基極集電極發(fā)射極NPN型PNP型becbec結(jié)構(gòu)符號(hào)箭頭指向：P—>N2024/8/16BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：結(jié)面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(三極兩結(jié))目的:有利于電流的控制(放大)作用發(fā)射結(jié)集電結(jié)2024/8/16（注意：為何不是6種！）1.3.2電流分配（放大）作用三種接法：（三極雙端口網(wǎng)絡(luò)）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；BJT的三種組態(tài)IE=(1+β)IB？2024/8/16共射放大電路：（條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏）ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEuo

放大：輸入電壓微小變化，反映在輸出中。2024/8/16載流子運(yùn)動(dòng)（發(fā)射、復(fù)合、收集）發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IEN。發(fā)射結(jié)正偏，基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散很小,可忽略。進(jìn)入基區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBN

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。集電結(jié)反偏，極經(jīng)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)的電子作為非平衡少子，經(jīng)集電結(jié)漂移被C極收集，形成ICN。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。2024/8/16IB=IBN+IEP-ICBOIC=ICN+ICBO

ICN二、各極電流分配關(guān)系(P25)IE=IEP+IEN

IEN

外部關(guān)系：IE=IC+IBCB結(jié)平衡少子漂移形成ICBOCB結(jié)非平衡少子漂移被C極收集2024/8/16ICN與(IB)’之比稱(chēng)為共射電流放大倍數(shù)意義：(IB+ICBO)對(duì)ICN的控制能力（內(nèi)部）。

IB對(duì)IC的控制能力（外部）。三、共射電流放大系數(shù)表示直流放大倍數(shù)ICEO集電結(jié)反向飽和電流(可忽略)交流放大倍數(shù)整理:2024/8/16ICN與IE之比稱(chēng)為共基電流放大倍數(shù)三、共基電流放大系數(shù)表示直流放大倍數(shù)交流放大倍數(shù)意義：ICN對(duì)IE的控制/放大能力（內(nèi)部）。

IC對(duì)IE的控制/放大能力（外部）。2024/8/16三極管電流分配：注意：要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三、近似公式（外部特性）BECIBIEICNPNBECIBIEICPNP記?。。?024/8/16ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路1.3.3晶體管共射特性曲線(xiàn)各極間電壓電流關(guān)系（實(shí)驗(yàn)）2024/8/16一、輸入特性曲線(xiàn)IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V鍺管BE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。注意：輸入曲線(xiàn)是一簇曲線(xiàn)！2024/8/16二、輸出特性曲線(xiàn)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏

IC=

IBUCE變化截止區(qū):UBE<UON集電結(jié)反偏,IB=0IC=ICEO飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏UCE

UBE

IB>IC，UCE0.3VIC=ICEO2024/8/16輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（線(xiàn)性放大）即：UCE≥UBE

，

IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏（二PN結(jié)均導(dǎo)通）即：UCE

UBE

，

IC<IB，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：UBE<UON（或反偏），集電結(jié)反偏）。

IB=0，IC≤ICEO

0，UCE≥UBE

三種狀態(tài)的判斷：(根據(jù)UBE,UCE，IB,IC同時(shí)判斷)2024/8/16例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？當(dāng)USB

=-2V，（發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏）ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大（可能）飽和電流：Q位于截止區(qū)

2024/8/16例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？IC<

ICmax(=2mA)

，

Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V時(shí)：（發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏）2024/8/16USB

=5V時(shí):（發(fā)射結(jié)正偏，最終導(dǎo)致集電結(jié)反偏

正偏）例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)，此時(shí)IC和IB

已不是倍線(xiàn)性關(guān)系。UCE=0,集電結(jié)正偏！而非反偏！2024/8/161.3.4晶體管的主要參數(shù)由三極管結(jié)構(gòu)決定，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得（一定范圍），通常在半導(dǎo)體手冊(cè)（元件手冊(cè)）中查到。分為：直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)（應(yīng)用極限）。2024/8/161.共射電流放大倍數(shù)一、直流參數(shù)IB對(duì)IC控制/放大能力（幾十~幾百）2.共基電流放大倍數(shù)IE對(duì)IC控制/放大能力（小于1，接近1）3.極間反向電流ICBO集電結(jié)反向飽和電流(盡量小)ICEO集電結(jié)到發(fā)射結(jié)穿透電流2024/8/161.共射交流電流放大倍數(shù)二、交流參數(shù)IB變化對(duì)IC變化的控制/放大能力（疊加于直流上）2.共基電流放大倍數(shù)IE的變化對(duì)IC的變化的控制/放大能力（疊加于直流上）3.特征頻率使下降到1的信號(hào)頻率，與結(jié)電容有關(guān)2024/8/161.集電極最大允許功耗PCM

集電極電流IC

流過(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱功率為：PC=ICUCE

必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PC

PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)三、極限參數(shù)2024/8/162.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的

值的下降，當(dāng)

值下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流即為ICM。3.極間反向擊穿電壓(一極開(kāi)路，另2極最高電壓)UCBO：發(fā)射極開(kāi)路，C、B之間擊電壓(CB間最大電壓)UCEO：基極開(kāi)路，C、E之間擊穿電壓(CE間最大電壓)參考上圖2024/8/16三極管極間反向電流的測(cè)量4.極間反向電流平衡少子漂移形成，越小越好，溫度敏感CE極間穿透電流CB極間反向飽和電流2024/8/161.3.5溫度對(duì)特性及參數(shù)的影響溫度影響很大，過(guò)高溫度導(dǎo)致性能下降，甚至不能用。一、溫度對(duì)ICBOI/ICEO的影響ICBO由集電結(jié)反向平衡少子漂移形成，溫度↑

少子數(shù)目↑

ICBO

↑溫度每升高10oC，ICBO增加一倍（反向飽和電流）。硅管比鍺管ICBO小的多，溫度影響小。2024/8/16二、溫度對(duì)輸入特性的影響IBUBEUBE260OC20OCUBE1溫度升高↑輸入曲線(xiàn)左移（同二極管輸入特性）溫度每升高1oC，UBE減小2-2.5mV（負(fù)溫度系數(shù)）2024/8/16三、溫度對(duì)輸出特性的影響ICUCE20OC60OC溫度升高↑曲線(xiàn)上移（間隔不等），β、ICEO↑溫度每升高1oC，β增加0.5-1%，（ICBO增加1倍/10oC）2024/8/161.3.6其它三極管光電三極管（見(jiàn)課本P33）三極管應(yīng)用模擬電路：線(xiàn)性放大（線(xiàn)性放大區(qū)）數(shù)字電路：開(kāi)關(guān)邏輯（截止/飽和區(qū)）（精度、穩(wěn)定性等）（開(kāi)關(guān)頻率、功耗、可靠性）2024/8/161.既然BJT具有兩個(gè)PN結(jié)，可否用兩個(gè)二極管相聯(lián)以構(gòu)成一只BJT，試說(shuō)明其理由。2.能否將BJT的e、c兩個(gè)電極交換使用，為什么？3.BJT是電流控制器件，還是電壓控制器件？4.放大電路輸出端增加的能量是從哪里來(lái)的？？思考題5.三極管如何用于開(kāi)關(guān)電路（數(shù)字電路/模電區(qū)別）？2024/8/16小結(jié)

晶體三極管是電流控制元件，通過(guò)控制基極電流或射極電流可以控制集電極電流（電流可控性）。要使三極管正常工作并有放大作用，管子的發(fā)射結(jié)必須正向偏置