模擬1-4-1 三極管

1、1第五節(jié)第五節(jié) 晶體三極管晶體三極管21-5-1 1-5-1 晶體三極管的結構及類型晶體三極管的結構及類型一、關于結構：一、關于結構： 晶體三極管又稱為晶體三極管又稱為雙極型晶體管雙極型晶體管，簡稱，簡稱晶體晶體管管，三極管三極管等，一般由兩個背靠背的等，一般由兩個背靠背的PNPN結構成，結構成，根據(jù)這兩個根據(jù)這兩個PNPN結的排列方式不同，三極管分為結的排列方式不同，三極管分為NPNNPN型和型和PNPPNP型型兩種。兩種。 我們用圖形來說明這兩種類型的三極管的結我們用圖形來說明這兩種類型的三極管的結構：構：第五節(jié)第五節(jié) 晶體三極管晶體三極管34 晶體三極管又稱雙極型晶體管晶體三極管又稱雙極

2、型晶體管(BJT)(BJT)，一般由兩個背靠，一般由兩個背靠背的背的PNPN結構成，根據(jù)這兩個結構成，根據(jù)這兩個PNPN結的排列方式不同，三極管分結的排列方式不同，三極管分為為NPNNPN型和型和PNPPNP型型兩種。兩種。NPN型型CP PN NN NE EB B發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電極集電結發(fā)射結PNP型型N NP PP PE EB B基區(qū)發(fā)射結集電結集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電極C發(fā)射極基極BETCNPNBETCPNP5E 不管是不管是NPNNPN型還是型還是PNPPNP型都分為：型都分為： 三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)E 制做時在這三個區(qū)各引出一個電極，命制做時

3、在這三個區(qū)各引出一個電極，命名為：名為：發(fā)射極發(fā)射極E E、基極、基極B B、集電極、集電極C C。 E 這三個區(qū)構成兩個這三個區(qū)構成兩個PNPN結，其中：結，其中：E 發(fā)射區(qū)與基區(qū)形成發(fā)射區(qū)與基區(qū)形成發(fā)射結發(fā)射結，用，用JeJe表示；表示；E 集電區(qū)與基區(qū)形成集電區(qū)與基區(qū)形成集電結集電結，用，用JcJc表示。表示。 6 二、種類和符號：二、種類和符號：E 晶體管的制做工藝很多也很復雜，常見的有：摻雜、晶體管的制做工藝很多也很復雜，常見的有：摻雜、光刻、擴散等，而且常見的晶體管種類都是平面型管。光刻、擴散等，而且常見的晶體管種類都是平面型管。E 晶體管的三個區(qū)由于摻雜工藝的不同，可形成兩種類晶

4、體管的三個區(qū)由于摻雜工藝的不同，可形成兩種類型的管子。型的管子。E 第一種為第一種為NPNNPN型：即由兩塊型：即由兩塊N N型半導體中間夾著一塊型半導體中間夾著一塊P P型半導體的管子稱為型半導體的管子稱為NPNNPN管。管。E 第二種為第二種為PNPPNP型：即由兩塊型：即由兩塊P P型半導體中間夾著一塊型半導體中間夾著一塊N N型半導體的管子稱為型半導體的管子稱為PNPPNP管。管。 7這兩種管子在電路的符號為：（要求牢記）這兩種管子在電路的符號為：（要求牢記）NPNNPNEPNPPNPECBCB8三、晶體三極管的三種連接方式：三、晶體三極管的三種連接方式：E 晶體三極管為三端器件，接入

5、電路中要成為雙晶體三極管為三端器件，接入電路中要成為雙口網(wǎng)絡，因此，就必有一個電極作為輸入口和輸出口網(wǎng)絡，因此，就必有一個電極作為輸入口和輸出口的公共端，因此，三極管接入電路中就有以下三口的公共端，因此，三極管接入電路中就有以下三種連接方式：種連接方式：E 共發(fā)射極接法：共發(fā)射極接法： I Ib b為輸入電流，為輸入電流，I Ic c為輸出電流，為輸出電流， 而且：而且： I Ic c = F( I= F( IB B ) )E共基共基 極接法極接法 : : I Ic c = F( I = F( IE E ) )E共集電極接法共集電極接法 : : I IE E = F( I= F( IB B )

6、 )9NPNNPN型管的三種接法：型管的三種接法： 共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法 共基極接法共基極接法 共集電極接法共集電極接法CCCBBBECCECCEBBECEIBICIEICIBIE10 四、晶體三極管的主要特性：四、晶體三極管的主要特性：E 與二極管不同，與二極管不同， 晶體三極管的主要特性與晶體三極管的主要特性與它的三種工作模式或工作狀態(tài)有關：它的三種工作模式或工作狀態(tài)有關： 放大模式放大模式： 此時此時, ,晶體管的晶體管的 J JE E 正偏，正偏，J JC C 反偏反偏 。這一模。這一模式主要表現(xiàn)為式主要表現(xiàn)為正向受控作用正向受控作用，即：晶體三極管，即：晶體三極管的集電極電流和發(fā)

7、射極電流只受正偏發(fā)射結電的集電極電流和發(fā)射極電流只受正偏發(fā)射結電壓的控制，而幾乎不受集電結反偏電壓的控制。壓的控制，而幾乎不受集電結反偏電壓的控制。11E 這種作用首先表現(xiàn)為電流放大。其次表現(xiàn)為電壓這種作用首先表現(xiàn)為電流放大。其次表現(xiàn)為電壓放大，（電壓放大是由電流放大轉換而來的）。放大，（電壓放大是由電流放大轉換而來的）。飽和模式飽和模式： 此時管子工作在此時管子工作在 J JE E 和和 J JC C 均正向偏置狀態(tài)。均正向偏置狀態(tài)。截止模式截止模式： 此時管子工作在此時管子工作在 J JE E 和和 J JC C 均反向偏置狀態(tài)。均反向偏置狀態(tài)。 后兩種狀態(tài)呈現(xiàn)受控開關特性，是實現(xiàn)開關電路

8、后兩種狀態(tài)呈現(xiàn)受控開關特性，是實現(xiàn)開關電路的基礎。的基礎。121-5-2 1-5-2 放大模式下三極管的工作原理放大模式下三極管的工作原理E 在放大模式下，三極管的主要作用是放大作用，這種在放大模式下，三極管的主要作用是放大作用，這種放大作用不是一般的放大，它具有以下兩方面的含義：放大作用不是一般的放大，它具有以下兩方面的含義： 是放大的對象是變化量是放大的對象是變化量 是指對能量的控制作用的放大，即能量的放大。是指對能量的控制作用的放大，即能量的放大。 13E 為定性說明這一正向控制作用的實現(xiàn)，現(xiàn)為定性說明這一正向控制作用的實現(xiàn)，現(xiàn)以以NPNNPN管的簡單共射放大電路管的簡單共射放大電路為例

9、，著重闡述為例，著重闡述工作在放大模式下的晶體管內(nèi)部載流子的傳輸工作在放大模式下的晶體管內(nèi)部載流子的傳輸過程。過程。14工作在放大模式下的晶體管內(nèi)部載流子的傳輸過程。工作在放大模式下的晶體管內(nèi)部載流子的傳輸過程。1516一、三極管內(nèi)部載流子的傳輸情況一、三極管內(nèi)部載流子的傳輸情況 在發(fā)射區(qū)：向基區(qū)發(fā)射電子的情況：在發(fā)射區(qū)：向基區(qū)發(fā)射電子的情況： 發(fā)射結發(fā)射結Je Je正向偏置，擴散運動為主流，阻擋層正向偏置，擴散運動為主流，阻擋層變窄，則發(fā)射區(qū)的多子（電子）源源不斷地越變窄，則發(fā)射區(qū)的多子（電子）源源不斷地越過發(fā)射結到達基區(qū)，同時，基區(qū)的空穴（多子）過發(fā)射結到達基區(qū)，同時，基區(qū)的空穴（多子）也

10、會擴散到發(fā)射區(qū)，成為發(fā)射區(qū)的也會擴散到發(fā)射區(qū)，成為發(fā)射區(qū)的非平衡少子非平衡少子，這兩種多子產(chǎn)生的擴散電流分別記為：這兩種多子產(chǎn)生的擴散電流分別記為： I IENEN和和 I IEPEP 17 三極管的連接方式三極管的連接方式BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)向發(fā)射區(qū)的擴散可的擴散可忽略。忽略。IBE進入進入P區(qū)的電子區(qū)的電子少部分與基區(qū)的少部分與基區(qū)的空穴復合，形成空穴復合，形成電流電流IBE ，多數(shù)，多數(shù)擴散到集電結。擴散到集電結。發(fā)射結正發(fā)射結正偏，發(fā)射偏，發(fā)射區(qū)電子不區(qū)電子不斷向基區(qū)斷向基區(qū)擴散，形擴散，形成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IE。1、共發(fā)射極接法、共發(fā)射極接法 2

11、、共集電極接法、共集電極接法 3、共基極接法、共基極接法1.3.3 電流放大原理電流放大原理18BECNNPEBRBECIE集電結反偏，集電結反偏，有少子形成的有少子形成的反向電流反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE從基區(qū)擴從基區(qū)擴散來的電散來的電子作為集子作為集電結的少電結的少子，漂移子，漂移進入集電進入集電結而被收結而被收集，形成集，形成ICE。載流子傳輸過程載流子傳輸過程 發(fā)射、復合、收集發(fā)射、復合、收集19IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE各極電流關系各極電流關系20E 此時，

12、此時，I IEN EN 和和 I IEPEP方向相同，方向相同， E 但由于基區(qū)低摻雜且薄，所以有：但由于基區(qū)低摻雜且薄，所以有： E I IEP EP I V VE E，E JeJe中的擴散運動中的擴散運動 漂移運動漂移運動E 在忽略在忽略I IEPEP的情況下，的情況下，JeJe中的擴散運動形成中的擴散運動形成了了I IE E。21結論：結論：發(fā)射區(qū)的電子源源不斷越過發(fā)射區(qū)的電子源源不斷越過PNPN結到達基區(qū)結到達基區(qū)形成形成 I IENEN基區(qū)的空穴電子源源不斷越過基區(qū)的空穴電子源源不斷越過PNPN結到達發(fā)結到達發(fā)射區(qū)形成射區(qū)形成 I IEPEP則：發(fā)射極電流則：發(fā)射極電流 I IE E

13、 = I= IEN EN + I+ IEP EP IIEN EN ( I( IEPEP IIIEPEP 即：使發(fā)射結為不對稱結，且基區(qū)低摻雜，以減小即：使發(fā)射結為不對稱結，且基區(qū)低摻雜，以減小 I IEP EP 在在 I IENEN中的比例。中的比例。（2 2）令基區(qū)寬度很小，以保證基區(qū)中的非平衡少子（發(fā)）令基區(qū)寬度很小，以保證基區(qū)中的非平衡少子（發(fā)射區(qū)注入的電子）在向集電結擴散過程中絕大部分被能射區(qū)注入的電子）在向集電結擴散過程中絕大部分被能到達集電結，僅有極少部分被復合掉，即減小到達集電結，僅有極少部分被復合掉，即減小I IBNBN的比例。的比例。25（3 3）令集電結面積大于發(fā)射結，以保

14、證擴散到集電）令集電結面積大于發(fā)射結，以保證擴散到集電結邊界處的非平衡少子全部漂移到集電極，形成受控結邊界處的非平衡少子全部漂移到集電極，形成受控的集電極電流。的集電極電流。 這樣一來，管子在做成以后，這樣一來，管子在做成以后，I Ic c 和和 I IB B的比例基本保的比例基本保持一定。因此我們可以通過改變持一定。因此我們可以通過改變I IB B的大小控制的大小控制 I Ic c。這。這就是三極管的就是三極管的電流放大作用。電流放大作用。26二、電流傳輸方程二、電流傳輸方程E 即：三極管的電流分配關系即：三極管的電流分配關系E 電流傳輸方程是指三極管在正向受控過程中各電電流傳輸方程是指三極

15、管在正向受控過程中各電極的電流之間的關系。極的電流之間的關系。E 傳輸方程的推導如下：傳輸方程的推導如下：BCEOBCIIII BCEOBEIIII)1()1( 27E 對于一個高品質的晶體管，我們希望其正向受控作用對于一個高品質的晶體管，我們希望其正向受控作用要好。也就是要求：要好。也就是要求： E I ICNCN I IBNBN； 即希望即希望I ICNCN在在I IE E中占有很高中占有很高E I IEN EN I IEP EP ；的比例。的比例。E 因此：我們通常用因此：我們通常用I ICNCN和和I IE E的比值來衡量管子的質量。的比值來衡量管子的質量。E所以定義：所以定義：E上式

16、稱為共基極直流電流放大系數(shù)，并與上式稱為共基極直流電流放大系數(shù)，并與I IE E的值有關，的值有關， = 0.98 = 0.98 0.990.99ECNII/ 128E 再將再將 代入代入 I IC C=I=ICNCN+I+ICBO CBO E 即得即得: : 在上式中，用在上式中，用I IE E表示了表示了I IC C，即把，即把I IE E作為輸入作為輸入回路電流，而把回路電流，而把I IC C作為輸出回路電流，并以基極作為輸出回路電流，并以基極為公共端，所以，是共基極電流的電流傳輸關為公共端，所以，是共基極電流的電流傳輸關系式。系式。E EC CN NI II I C CB BO OE

17、EC CI II II I29E 但在共射極電路中，要把但在共射極電路中，要把 I IB B 作為輸入回路電作為輸入回路電流，流，I IC C 作為輸出回路電流，基極作為公共端。故作為輸出回路電流，基極作為公共端。故為得到為得到 I IC C 和和 I IB B的關系：的關系：E 將將 I IE E= I= IC C + I+ IB B 代入代入 中中E 得：得：CBOCBOE EC CI II I I I C CB BO OB BC CI I 1 11 1I I 1 1 I I 30E 此時定義：此時定義： E 稱為共射電流放大系數(shù)稱為共射電流放大系數(shù) E上式變?yōu)椋荷鲜阶優(yōu)椋?E 同時：同時

18、： E 這兩個公式中令這兩個公式中令： E I ICEOCEO稱為穿透電流，又叫稱為穿透電流，又叫I ICEO(pt)CEO(pt)，即基極開路（即基極開路（I IB B=0=0）時）時由集電極直通到發(fā)射極的電流。由集電極直通到發(fā)射極的電流。 11CBOBCIII)1 (CBOBBCEIIIII)1 ()1 (CBOCEOII)1 (31E一般地：一般地：E 故：忽略故：忽略 I ICEO CEO 的影響的影響E使得：使得：E 注意：注意：E 這兩個式子是以后我們在分析運算中常用的近似這兩個式子是以后我們在分析運算中常用的近似關系。關系。1BCBOIIBCEOBCIIIIBCEOBEIIII)1 ()1 (32三、三極管的電流放大作用三、三極管的電流放大作用E 從三極管中載流子的運動情況可知，我們從三極管中載流子的運動情況可知，我們只要在制造上將基區(qū)做得很薄，摻雜濃度又只要在制造上將基區(qū)做得很薄，摻雜濃度又低，那么從發(fā)射區(qū)擴散過來的電