模擬電子簡(jiǎn)明教程 第講

1.3雙極型三極管(BJT)又稱半導(dǎo)體三極管、晶體管，或簡(jiǎn)稱為三極管。(BipolarJunctionTransistor)三極管的外形如下圖所示。三極管有兩種類型：NPN和PNP型。主要以NPN型為例進(jìn)行討論。圖1.3.1三極管的外形1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)常用的三極管的結(jié)構(gòu)有硅平面管和鍺合金管兩種類型。圖1.3.2三極管的結(jié)構(gòu)(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe發(fā)射極，b基極，c集電極。平面型(NPN)三極管制作工藝NcSiO2b硼雜質(zhì)擴(kuò)散e磷雜質(zhì)擴(kuò)散磷雜質(zhì)擴(kuò)散磷雜質(zhì)擴(kuò)散硼雜質(zhì)擴(kuò)散硼雜質(zhì)擴(kuò)散PN在N型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻一個(gè)窗口，將硼雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成P型(基區(qū))，再在P型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成N型的發(fā)射區(qū)。引出三個(gè)電極即可。合金型三極管制作工藝：在N型鍺片(基區(qū))兩邊各置一個(gè)銦球，加溫銦被熔化并與N型鍺接觸，冷卻后形成兩個(gè)P型區(qū)，集電區(qū)接觸面大，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高。圖1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(a)NPN型ecb符號(hào)集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號(hào)NNPPN圖1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(b)PNP型1.3.2三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng)以NPN型三極管為例討論圖1.3.4三極管中的兩個(gè)PN結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來(lái)保證。不具備放大作用三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP1.發(fā)射區(qū)高摻雜。2.基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。

三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3.集電結(jié)面積大。becRcRb三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過(guò)程IEIB1.發(fā)射發(fā)射區(qū)的電子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)—形成發(fā)射極電流

IE

(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。2.復(fù)合和擴(kuò)散電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流Ibn，復(fù)合掉的空穴由VBB補(bǔ)充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。圖1.3.5三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)becIEIBRcRb三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過(guò)程3.收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子而形成集電極電流

Icn。其能量來(lái)自外接電源VCC。IC

另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場(chǎng)的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖1.3.5三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)beceRcRb三極管的電流分配關(guān)系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO

IE=ICn+IBn+IEp

=IEn+IEp一般要求ICn在IE中占的比例盡量大。而二者之比稱直流電流放大系數(shù)，即一般可達(dá)0.95~0.99三個(gè)極的的電流之之間滿足足節(jié)點(diǎn)電電流定律律，即IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流電流放大系數(shù)。上式中的的后一項(xiàng)項(xiàng)常用ICEO表示，ICEO稱穿透電電流。當(dāng)ICEO<<IC時(shí)，忽略略ICEO，則由上上式可得得共射直流電流放大系數(shù)近似等于IC與IB之比。一般值約為幾十~幾百。三極管的的電流分分配關(guān)系系一組三極極管電流流關(guān)系典典型數(shù)據(jù)據(jù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.961.任何一列列電流關(guān)關(guān)系符合合IE=IC+IB，IB<IC<IE,ICIE。2.當(dāng)IB有微微小小變變化化時(shí)時(shí)，，IC較大大。。說(shuō)說(shuō)明明三極極管管具具有有電電流流放放大大作作用用。。

3.

共射電流放大系數(shù)共基電流放大系數(shù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.964.在表表的的第第一一列列數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)中中，，IE=0時(shí)時(shí)，，IC=0.001mA=ICBO，ICBO稱為為反向向飽飽和和電電流流。在表表的的第第二二列列數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)中中，，IB=0，，IC=0.01mA=ICEO，稱稱為為穿透透電電流流。根據(jù)據(jù)和的定定義義，，以以及及三三極極管管中中三三個(gè)個(gè)電電流流的的關(guān)關(guān)系系，，可可得得故與兩個(gè)參數(shù)之間間滿足以下關(guān)關(guān)系：直流參數(shù)與交流參數(shù)、的含義是不同的，但是，對(duì)于大多數(shù)三極管來(lái)說(shuō)，與，與的數(shù)值卻差別不大，計(jì)算中，可不將它們嚴(yán)格區(qū)分。輸出回路輸入回路+UCE-1.3.3三極管的特性性曲線特性曲線是選選用三極管的的主要依據(jù)，，可從半導(dǎo)體體器件手冊(cè)查查得。IBUCE圖1.3.6三極管管共射特性曲曲線測(cè)試電路路ICVCCRbVBBcebRcV+V+A++mA輸入特性：輸出特性：+UCE-+UCE-IBIBIBUBE一、輸入特性性(1)UCE=0時(shí)的的輸入特性曲曲線RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A當(dāng)UCE=0時(shí)，，基極和發(fā)射射極之間相當(dāng)當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)聯(lián)。所以，當(dāng)當(dāng)b、e之之間加正向向電壓時(shí)，應(yīng)應(yīng)為兩個(gè)二極極管并聯(lián)后的的正向伏安特特性。圖1.3.7(上中圖)圖1.3.8(下圖)(2)UCE>0時(shí)的的輸入特性曲曲線當(dāng)UCE>0時(shí)，，這個(gè)電壓有有利于將發(fā)射射區(qū)擴(kuò)散到基基區(qū)的電子收收集到集電極極。UCE>UBE，三極管處于于放大狀態(tài)。。*特性右移(因集電結(jié)開開始吸引電子子)OIB/AUCE≥1時(shí)的的輸入特性具具有實(shí)用意義義。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAUBE*UCE≥1V，特性性曲線重合。。圖1.3.6三極管管共射特性曲曲線測(cè)試電路路圖1.3.8三極管管的輸入特性性二、輸出特性性圖1.3.9NPN三極管的的輸出特性曲曲線IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321劃分三個(gè)區(qū)：：截止區(qū)、放放大區(qū)和飽和和區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)1.截止區(qū)區(qū)IB≤0的區(qū)域。。兩個(gè)結(jié)都處于于反向偏置。。IB=0時(shí)，IC=ICEO。硅管約等于1A，鍺管約約為幾十~幾百微安安。截止區(qū)截止區(qū)2.放大區(qū)區(qū)：條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：各條輸出特性性曲線比較平平坦，近似為為水平線，且且等間隔。二、輸出特性性IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321放大區(qū)集電極電流和和基極電流體體現(xiàn)放大作用用，即放大區(qū)放大區(qū)對(duì)NPN管管UBE>0，UBC<0圖1.3.9NPN三極管的的輸出特性曲曲線3.飽和區(qū)區(qū)：條件：兩個(gè)結(jié)均正正偏I(xiàn)C

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321對(duì)NPN型型管，UBE>0UBC>0。特點(diǎn)：IC基本上不隨IB而變化，在飽飽和區(qū)三極管管失去放大作作用。ICIB。當(dāng)UCE=UBE，即UCB=0時(shí)，，稱臨界飽和，UCE<UBE時(shí)稱為過(guò)飽和。飽和管壓降UCES<0.4V(硅管)，UCES<0.2V(鍺管)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)1.3.4三極管的主要要參數(shù)三極管的連接接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基極接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共發(fā)射極接法圖1.3.10NPN三極管管的電流放大大關(guān)系一、電流放大大系數(shù)是表征管子放放大作用的參參數(shù)。有以下下幾個(gè)：1.共射電電流放大系數(shù)數(shù)2.共射直流電流放大系數(shù)忽略穿透電流流ICEO時(shí)，3.共基電電流放大系數(shù)數(shù)4.共基直流電流放大系數(shù)忽略反向飽和和電流ICBO時(shí)，和這兩個(gè)參數(shù)不不是獨(dú)立的，，而是互相聯(lián)聯(lián)系，關(guān)系為為：二、反向飽和和電流1.集電極極和基極之間間的反向飽和和電流ICBO2.集電極和和發(fā)射極之間間的反向飽和和電流ICEO(a)ICBO測(cè)量電路(b)ICEO測(cè)量電路ICBOcebAICEOAceb小功率鍺管ICBO約為幾微安；；硅管的ICBO小，有的為納納安數(shù)量級(jí)。。當(dāng)b開路路時(shí)，c和和e之之間的電流。。值愈大，則該管的ICEO也愈大。圖1.3.11反向向飽和電流的的測(cè)量電路三、極限參參數(shù)1.集電極極最大允許電電流ICM當(dāng)IC過(guò)大時(shí)，三極極管的值要減小。在在IC=ICM時(shí)，值下降到額定定值的三分之之二。2.集電極極最大允許耗耗散功率PCM過(guò)損耗區(qū)安全工作區(qū)將IC與UCE乘積等于規(guī)定定的PCM值各點(diǎn)連接起起來(lái)，可得一一條雙曲線。。ICUCE<PCM為安全工作區(qū)區(qū)ICUCE>PCM為過(guò)損耗區(qū)ICUCEOPCM=ICUCE安全工作區(qū)安全工作區(qū)過(guò)損耗區(qū)過(guò)損耗區(qū)圖1.3.11三極極管的安全工工作區(qū)3.極間反反向擊穿電壓壓外加在三極管管各電極之間間的最大允許許反向電壓。。U(BR)CEO：基極開路時(shí)時(shí)，集電極和和發(fā)射極之間間的反向擊穿穿電壓。U(BR)CBO：發(fā)發(fā)射射極極開開路路時(shí)時(shí)，，集集電電極極和和基基極極之之間間的的反反向向擊擊穿穿電電壓壓。。安全全工工作作區(qū)區(qū)同時(shí)時(shí)要要受受PCM、ICM和U(BR)CEO限制制。。過(guò)電壓ICU(BR)CEOUCEO過(guò)損耗區(qū)安全工作區(qū)ICM過(guò)流區(qū)圖1.3.11三三極極管管的的安安全全工工作作區(qū)區(qū)1.3.5PNP型型三三極極管管放大大原原理理與與NPN型型基基本本相相同同，，但但為為了了保保證證發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)正正偏偏，，集集電電結(jié)結(jié)反反偏偏，，外外加加電電源源的的極極性性與與NPN正正好好相相反反。。圖1.3.13三三極極管管外外加加電電源源的的極極性性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uouiPNP三三極極管管電電流流和和電電壓壓實(shí)實(shí)際際方方向向。。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三三極極管管各各極極電電流流和和電電壓壓的的規(guī)規(guī)定定正正方方向向。。PNP三三極極管管中中各各極極電電流流實(shí)實(shí)際際方方向向與與規(guī)規(guī)定定正正方方向向一一致致。。電壓壓(UBE、UCE)實(shí)際際方方向向與與規(guī)規(guī)定定正正方方向向相相反反。。計(jì)計(jì)算算中中UBE、UCE為負(fù)負(fù)值值；；輸輸入入與與輸輸出出特特性性曲曲線線橫橫軸軸為為(-UBE)、(-UCE)。發(fā)射射結(jié)結(jié)反反向向偏偏置置,集電電結(jié)結(jié)反反向向偏偏置置,三極極管管工工作作在在截截止止區(qū)區(qū),可調(diào)調(diào)換換EB極性性。。發(fā)射射結(jié)結(jié)反反向向偏偏置置,三極極管管工工作作在在截截止止區(qū)區(qū),可調(diào)調(diào)換換EC極性性,或?qū)T更換換為為PNP型。。兩PN結(jié)結(jié)均均正正偏偏三三極極管管工