三極管工作原理及詳解.ppt

1、半導(dǎo)體三極管，又稱為雙極結(jié)型晶體管（BJT）,發(fā)射結(jié),集電結(jié),NPN型,PNP型,三極管的發(fā)射極的箭頭方向，代表三極管工作在放大，飽和狀態(tài)時(shí)，發(fā)射極電流（IE）的實(shí)際方向。,1.3.1 概述,半導(dǎo)體三極管的分類：,按材料分： 硅管、鍺管,按功率分： 小功率管 500 mW,按結(jié)構(gòu)分： NPN、 PNP,按使用頻率分： 低頻管、高頻管,大功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,按結(jié)構(gòu)和材料共有4種組合,1.3.2 半導(dǎo)體三極管的工作原理,半導(dǎo)體半導(dǎo)體三極管有共有四種工作狀態(tài)：,三極管的電流放大條件 內(nèi)部：發(fā)射區(qū)高摻雜，基區(qū)很薄，集電結(jié)面積大 外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏,1. 工作于放大狀態(tài)的

2、半導(dǎo)體三極管,發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,外電場方向,e,b,c,三極管的 電流放大條件 內(nèi)部：發(fā)射區(qū)高摻雜，基區(qū)很薄，集電結(jié)面積大 外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏,N,N,P,1、發(fā)射區(qū)的電子大量地?cái)U(kuò)散注入到基區(qū)，基區(qū)空穴的擴(kuò)散可忽略。,e,b,c,IE,發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,外電場方向,N,N,P,1、發(fā)射區(qū)的電子大量地?cái)U(kuò)散注入到基區(qū)，基區(qū)空穴的擴(kuò)散可忽略。 2、電子擴(kuò)散的同時(shí)，在基區(qū)將與空穴相遇產(chǎn)生復(fù)合。由于基區(qū)空穴濃度低，且基區(qū)做得很薄，因此，復(fù)合的電子是極少數(shù)。 3、絕大多數(shù)到基區(qū)的電子均能擴(kuò)散到集電結(jié)處，并在集電結(jié)電場作用下到達(dá)集電區(qū)。 4、因集電結(jié)反偏，集電區(qū)和基區(qū)中少子在結(jié)電場作用

3、下漂移，形成很小的且與集電結(jié)的反偏壓無關(guān)的反向飽和電流。,e,b,c,IE,IB,IC,發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,外電場方向,N,N,P,ICBO,1、大量電子N2通過很薄的基極被集電極吸收，少量電子N1在基極與空穴復(fù)合。N2和N1的比例由三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。在不考慮ICBO時(shí)： IC/IB=N2/N1= 2、以上公式是右方電路滿足發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)得到的，一旦外界條件改變到不再滿足這兩個(gè)條件，則以上公式不再成立。,電流分配關(guān)系,電壓分配關(guān)系,UBE正向?qū)? 硅管大約0.7V 鍺管大約0.2V,UCE=UCC-IC*RcUCC-IB*Rc,三極管的放大原理歸結(jié)為： 內(nèi)部機(jī)制：發(fā)射區(qū)高摻雜

4、，基區(qū)很薄，集電結(jié)面積大 外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 載流子傳輸： 發(fā)射區(qū)向基區(qū)提供載流子 基區(qū)傳送和控制載流子 集電區(qū)收集載流子,很小的IB控制 IC IC = IB,基極電流和集電極電流除直流分量外還有交流分量，且iC = iB。放大電路是在ui的作用下，改變iB，并通過iB控制直流電源供給集電極電流iC，使其產(chǎn)生相應(yīng)的交流分量，并在足夠大的RC上形成較大的電壓降，就有了可供輸出的經(jīng)放大的交流電壓uo。,由放大狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)的臨界情況是發(fā)射結(jié)電壓為零，此時(shí)基區(qū)的反向電流分別流入發(fā)射極和集電極。,2. 工作于截止?fàn)顟B(tài)的半導(dǎo)體三極管,放大狀態(tài)時(shí)有： IC=IB+ICEOIB,UCE=U

5、CC-IC*Rc,減小Rb，IB增大； IC增大，UCE減小 集電結(jié)反偏電壓減小。,3. 工作于飽和狀態(tài)的半導(dǎo)體三極管,飽和后，UCE0, IC=(UCC-UCES)/Rc ICUCC/Rc 飽和條件： IBIC/ IB(UCC-UCES)/RcUCC/( Rc）,三極管飽和時(shí)的管壓降UCE被稱作為三極管的飽和壓降UCES,4. 工作于倒置狀態(tài)的半導(dǎo)體三極管,放大,倒置,由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，集電區(qū)摻雜的濃度低，正偏的集電區(qū)不能提供大量的電子發(fā)射，發(fā)射結(jié)也不能有效收集電子，所以倒置狀態(tài)電流放大倍數(shù)很小，不采用。,NPN型,PNP型,判斷放大狀態(tài)時(shí)的引腳,UCUBUE,UCUBUE,UBE正向?qū)?

6、壓降： 硅管大約0.7V 鍺管大約0.2V,三極管狀態(tài)判斷小結(jié),1.以電壓判斷三極管工作狀態(tài),PNP型,判斷截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的引腳,UCUEUB,三極管狀態(tài)判斷小結(jié),對一般的NPN管電路： UC=+UCC，UE=0V，UB0V UCE=+UCC 對一般的PNP管電路： UC= -UCC，UE=0V，UB0V UCE= -UCC,NPN型,PNP型,判斷飽和狀態(tài)時(shí)的引腳,UCUBUE,UCUBUE,三極管狀態(tài)判斷小結(jié),UBE正向?qū)? 硅管約0.7V, 鍺管大約0.2V 飽和時(shí)三極管的管壓被稱作為UCES，UCES范圍： 硅管約0.7V0V, 鍺管約0.2V0V,避免倒置狀態(tài),三極管狀態(tài)判斷小結(jié),例1

7、. 放大電路如圖所示，在圓圈中畫出管子，并分別說明它們是硅管還是鍺管,NPN: UCUBUE PNP: UEUBUC,Si: UBE=0.7V Ge: UBE=0.2V,1、無正向?qū)妷旱奶幵诮刂範(fàn)顟B(tài),由引腳電壓判斷三極管管腳和工作狀態(tài),例1-5 NPN: (3)2V, 5V, 1V,1V,2V,5V,例1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,2、根據(jù)三個(gè)電位的集中程度判斷是否飽和 例1-5 NPN: (1) 1V,0.3

8、V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,由引腳電壓判斷三極管管腳和工作狀態(tài),1、無正向?qū)妷旱奶幵诮刂範(fàn)顟B(tài),2、根據(jù)三個(gè)電位的集中程度判斷是否飽和 3、如果飽和則先判斷基極，再判斷集電極和發(fā)射極,由引腳電壓判斷三極管管腳和工作狀態(tài),1、無正向?qū)妷旱奶幵诮刂範(fàn)顟B(tài),例1-5 NPN:(2) 0.3V,0.3V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V,-0.2V,0V,-0.05V,1V,0.3V,0.35V,NPN: 0.35V,0.3V,1V,PNP

9、: -0.2V,0V,-0.05V,由引腳電壓判斷三極管管腳和工作狀態(tài),例1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,1、無正向?qū)妷旱奶幵诮刂範(fàn)顟B(tài) 2、根據(jù)三個(gè)電位的集中程度判斷是否飽和 3、如果飽和則先判斷基極，再判斷集電極和發(fā)射極 4、不飽和則看有沒有兩個(gè)電壓差為正向?qū)妷?由引腳電壓判斷三極管管腳和工作狀態(tài),例1-5 NPN: (1) 1V,0.3V, 3V B E C PNP: (2) -3V,-0.2V,0V C

10、 B E (3)1V, 1.2V, -2V B E C,1、無正向?qū)妷旱奶幵诮刂範(fàn)顟B(tài) 2、根據(jù)三個(gè)電位的集中程度判斷是否飽和 3、如果飽和則先判斷基極，再判斷集電極和發(fā)射極 4、不飽和則看有沒有兩個(gè)電壓差為正向?qū)妷?5、有正向?qū)妷阂话惆捶糯鬆顟B(tài)去判斷,討論：P40 題1-18，1-20,圖1-33，1-36,三極管狀態(tài)電流判斷條件說明,放大、飽和,放大狀態(tài)時(shí)：IC=(UCC-UCE) / RC=IB IC隨著IB的增大而增大 飽和狀態(tài)時(shí)：IC=（UCC-UCES) / RC IC受外電路限制不再隨IB變化。 三極管飽和壓降UCES硅0.7V,鍺0.2V 所以臨界飽和基極電流： IB

11、S=(UCC-UCES)/(RC)UCC/(RC),圖1-35,截止,放大狀態(tài)時(shí) UBE、IB為正，IC=IB 截止?fàn)顟B(tài)時(shí) UBE、IB=0(為負(fù))，IC=0 實(shí)際UBE小于導(dǎo)通電壓即脫離放大狀態(tài)，即IB=0，UBE=0為截止?fàn)顟B(tài)。,三極管飽和時(shí)的管壓降UCE被稱作為三極管的飽和壓降UCES,此時(shí)，UCES對硅管為0.7，對鍺管為0.2,1、當(dāng)IB、IC均已知時(shí)： （1）當(dāng)IB=IC/時(shí)，三極管處于放大狀態(tài) （2）當(dāng)IBIC/時(shí)，三極管處于 飽和狀態(tài) （3）當(dāng)IB=IC=0時(shí)，三極管處于放大狀態(tài) 2、當(dāng)只有IB已知時(shí)： （1）當(dāng)0IBS時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài) 3、當(dāng)只有IC已知時(shí)： （1）當(dāng)U

12、CE=UCC-ICRCUCES時(shí)，三極管處于放大狀態(tài) （2）當(dāng)0UCEUCES時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài),硅0.7V鍺0.2V,三極管狀態(tài)電流判斷條件說明,Ucc,Rc,c,b,e,Ubb,Re,UCE,射極無電阻時(shí)： UCE=UCC-ICRC,射極有電阻時(shí)： UCE=UCC-ICRC-IERE UCC-IC(RC+RE) 則此時(shí)的IBS=(UCC-UCES)/(RC+RE)UCC/(RC+RE),三極管狀態(tài)電流判斷條件說明,思考：射極加上電阻后的IBS變化嗎？如變化如何變化？,例2. NPN型接法如下。UBE=0.7V，分析電路中三極管處于何種工作狀態(tài),（a）Rb=100k, Rc=2k,=40

13、, Ucc=5V,因?yàn)镮BIBS，所以三極管處在放大狀態(tài),例2. NPN型接法如下。UBE=0.7V，分析電路中三極管處于何種工作狀態(tài),（b）Rb=20k, Rc=2k,=100, Ucc=5V,因?yàn)镮BIBS，所以三極管處在飽和狀態(tài),例2. NPN型接法如下。UBE=0.7V，分析電路中三極管處于何種工作狀態(tài),（c）Rb=30k, Rc=2.5k, =35, Ucc=5V,Ui=0V或3V,Ui=3V，IBIBS，故三極管處在飽和狀態(tài),Ui=0V，發(fā)射結(jié)無正偏，故三極管截止,Ui=3V,1.3.3 半導(dǎo)體三極管的基本組態(tài)和特性曲線,共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。,共基極接法，

14、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),三極管共射輸入特性曲線研究共射電路輸入端IB和UBE的關(guān)系。 一般來說， IB和UBE的關(guān)系就是一個(gè)PN結(jié)的特性曲線關(guān)系。 UCE=0V時(shí)，三極管飽和，IB較大。 UCE1V時(shí)，三極管放大狀態(tài)，IB比飽和狀態(tài)稍少，以后隨著UCE增大，IB增大不明顯。,uCE =0V,uCE 1V,1. 共發(fā)射極輸入特性曲線,截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IB=0 , uBEuBE。,2. 共發(fā)射極輸出特性曲線,放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。uBE0且uCEuBE。IC=IB，0IB IBS,飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏

15、，集電結(jié)正偏。 uBE 0 ，uCEuBE。ICIB。 IB IBS,1.3.4 半導(dǎo)體三極管的主要電參數(shù),1. 直流參數(shù) 共射直流放大系數(shù) 共基直流放大系數(shù) 極間反向電流 ICBO：發(fā)射極開路，集電結(jié)的反向飽和電流 ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間穿透電流 2. 交流參數(shù) 共射交流放大系數(shù) 共基交流放大系數(shù),3. 極限參數(shù) 極間反向擊穿電壓U(BR) EBO ， U(BR) CBO ，U(BR)CEO 最大集電極耗散功率PCM=iCuce 最大集電極電流ICM，即使 值明顯減小的iC,例1-6 某三極管的極限參數(shù)PCM=150mW，ICM=100mA，UBRCEO=30V。問：（1）若工

16、作電壓UCE=10V，求工作電流IC的最大值？（2）若工作電壓UCE=1V，求IC的最大值？（3）若工作電流IC=1mA，求工作電壓UCE最大值？ 解：三極管的三個(gè)極限參數(shù)在使用中均不能超過。 （1）因?yàn)镻CM=ICUCE=150mW，當(dāng)UCE=10V時(shí)，IC=15mA即為此時(shí)所允許的最大值。 （2）當(dāng)UCE=10V時(shí)，僅從功率的角度考慮，工作電流可達(dá)IC=150mA 。但考慮極限參數(shù)，故IC=100mA即為此時(shí)所允許的最大值。 （3）當(dāng)IC=1mA時(shí)，僅從功率的角度考慮，可有UCE=150V 。但考慮到UBRCEO參數(shù)，故UCE=30V即為此時(shí)所允許的最大值。,1.3 半導(dǎo)體三極管 結(jié)構(gòu) 放

17、大、飽和、截止的三種工作狀態(tài) 電流放大原理 三種組態(tài) 共射組態(tài)的輸入和輸出特性曲線 工作狀態(tài)的判定,思考 習(xí)題18、20,第1章 半導(dǎo)體器件 1.1 半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識 1.2 半導(dǎo)體二極管 1.3 半導(dǎo)體三極管 1.4 場效應(yīng)管,場效應(yīng)晶體三極管簡稱場效應(yīng)管（FET）： 場效應(yīng)管分為：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）。 是一種通過改變半導(dǎo)體內(nèi)的電場實(shí)現(xiàn)電流控制作用的半導(dǎo)體器件。 它除了具有與雙極型晶體管相同的體積小、重量輕、壽命長等特點(diǎn)外，還具有輸入阻抗高（1071015）、噪聲低、溫度穩(wěn)定好、抗輻射能力強(qiáng)、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于制造大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。,

18、1.4 場效應(yīng)管,場效應(yīng)管和雙極型晶體管的重要區(qū)別是： 雙極型晶體管是通過基極或發(fā)射極電流實(shí)現(xiàn)對集電極電流的控制，參與導(dǎo)電的有兩種載流子即多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所以叫做“電流控制型”器件或“雙極型”器件。 而場效應(yīng)管是靠電場效應(yīng)控制漏極電流的，所以輸入端只需電壓，且參與導(dǎo)電的只有一種載流子即多數(shù)載流子，因此場效應(yīng)管也叫“電壓控制型”器件或“單極型”器件。,1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu),三個(gè)電極 源極和漏極形成溝道 柵極控制溝道導(dǎo)通 符號中的箭頭方向表示什么？,圖1-41 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管,圖1-42 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管,N,2. 工作原理,漏極和源極接通UDS=0 UGS使PN結(jié)反偏

19、 UGS=0 隨著UGS絕對值逐漸增加： 溝道由寬逐漸變窄，最后夾斷。,Ugs對導(dǎo)電溝道的影響,P,P,N,2. 工作原理,UGS使PN結(jié)反偏 漏、源極加固定電壓UDS UGS=0 隨著UGS絕對值逐漸增加： 溝道由寬逐漸變窄，最后夾斷。,Ugs對導(dǎo)電溝道的影響,UDS=10V,IDSS,ID,UGS(off),轉(zhuǎn)移特性曲線,P,P,2. 工作原理,特點(diǎn)（電路與三極管對比）： UGS使JFET柵極與溝道間的PN結(jié)反偏，因此iG0，輸入電阻很高。 FET用輸入電壓（利用電場效應(yīng)）控制漏極電流，是電壓控制電流器件。 溝道中僅一種類型的多子參與導(dǎo)電，受溫度影響小。所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。,UDS=10V,IDSS,UGS(off),轉(zhuǎn)移特性曲線,3. 特性曲線,2. 轉(zhuǎn)移特性,1. 輸出特性,飽和漏極電流,夾斷電壓VP,恒流放大區(qū),可變電阻區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),與三極管對比： 1、各特性曲線反映的內(nèi)容 2、公式反映的實(shí)質(zhì) 3、輸出特性曲線的幾個(gè)區(qū)間,絕緣柵場效應(yīng)管的柵極處