《電工電子技術(shù)》課件-三極管

《電工電子技術(shù)》2三極管1復(fù)習(xí)：1、普通二極管特性2、特殊二極管（穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管）1三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理分類(lèi)按頻率分有高頻管、低頻管按功率分有小、中、大功率管按材料分有硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分有NPN型和PNP型三極管的不同封裝形式金屬封裝塑料封裝大功率管中功率管

半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種類(lèi)型:NPN型和PNP型。兩種類(lèi)型的三極管發(fā)射結(jié)(Je)

集電結(jié)(Jc)

基極，用B或b表示（Base）

發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。

發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)三極管符號(hào)三極管的結(jié)構(gòu)NPN型三極管圖符號(hào)ecbPNP型三極管圖符號(hào)ecb注意：圖中箭頭方向?yàn)榘l(fā)射極電流的方向以NPN型三極管為例討論三極管中的兩個(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1、放大條件2、三極管的電流分配關(guān)系及放大作用

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(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖（1）內(nèi)部條件：①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③集電結(jié)面積大（2）外部條件：①發(fā)射結(jié)必須加正向電壓（正偏）②集電結(jié)必須加反向電壓（反偏）條件becRcRb2、三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過(guò)程IEIB

1.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)。三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)becIEIBRcRb

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三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖e發(fā)射極集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射區(qū)Nb基極c集電極晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，基區(qū)做得很薄，一般為幾個(gè)微米，且摻雜濃度極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間。可見(jiàn)，雙極型三極管并非是兩個(gè)PN結(jié)的簡(jiǎn)單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個(gè)二極管來(lái)代替，使用時(shí)也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的外部條件(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。（1）放大的偏置條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏（2）NPN管具有放大作用時(shí)的電位關(guān)系：UC＞UB＞UE；PNP管：UC＜UB＜UE

晶體管的電流分配關(guān)系動(dòng)畫(huà)演示

為電流放大倍數(shù)。三極管的電流分配及放大關(guān)系式為：

IE=IB+IC

IC=βIBBCEBCEIBICIEIBICIENPNPNPIE=(1+β)IB一組三極管電流關(guān)系典型數(shù)據(jù)1.

任何一列電流關(guān)系符合IE=IB+IC，IB<IC<IE,IC

IE。2.

當(dāng)IB有微小變化時(shí)，

IC

較大。說(shuō)明三極管具有電流放大作用3.

在表的第一列數(shù)據(jù)中，IE=0

時(shí)，IC=0.001mA=ICBO，ICBO稱(chēng)為反向飽和電流4.在表的第二列數(shù)據(jù)中，

IB=0時(shí)，IC=0.01mA=ICEO，稱(chēng)為穿透電流IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.101.012.023.044.065.06IE/mA00.101.022.043.074.105.11

(a)NPN型三極管;(b)PNP型三極管

三極管的電流分配關(guān)系NPN和PNP兩種三極管具有相同的電流特性：交流放大性能,用β表示,即：直流放大性能,即：可知：常用：由上表可知：兩個(gè)電流放大性能參數(shù)由上表可知：兩個(gè)電流概念

（1）反向飽和電流（ICBO）:當(dāng)IE＝０時(shí),即發(fā)射極開(kāi)路,IC=一IB。集電結(jié)加反偏電壓，引起少子的定向運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)由集電區(qū)流向基區(qū)的電流。（3）穿透電流（ICEO）：基極開(kāi)路,IC=IE≠０,此電流稱(chēng)為集電極－發(fā)射極的穿透電流,用ICEO表示。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。3、回顧與總結(jié)1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過(guò)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(guò)來(lái)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(guò)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(guò)程只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(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。知識(shí)點(diǎn)：（1）內(nèi)部條件：①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③集電結(jié)面積大（2）外部條件：①發(fā)射結(jié)必須加正向電壓（正偏）②集電結(jié)必須加反向電壓（反偏）三極管的電流分配及放大關(guān)系式為：

IE=IB+IC

IC=βIBBCEIBICIENPNBCEIBICIEPNP條件結(jié)論

《電工電子技術(shù)》2三極管2復(fù)習(xí)：（1）內(nèi)部條件：①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③集電結(jié)面積大（2）外部條件：①發(fā)射結(jié)必須加正向電壓（正偏）②集電結(jié)必須加反向電壓（反偏）三極管的電流分配及放大關(guān)系式為：

IE=IB+IC

IC=βIBBCEIBICIENPNBCEIBICIEPNP條件結(jié)論三極管的特性曲線所謂伏安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(dòng)的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來(lái)看，外部特性更為重要。(1)輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說(shuō)明（UCE為常數(shù)時(shí)，IB和UBE之間的關(guān)系）UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB從0開(kāi)始增加IBIE=IBUBE令UCC為0UCE=0時(shí)的輸入特性曲線UCE為0時(shí)UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開(kāi)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(kāi)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(gè)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(guò)1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時(shí)的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲線(2)輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。當(dāng)IB不變時(shí)，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(chēng)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(lái)。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmA

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

/mA0UBBUCCRC++RBICIBUBEmA

AIE再調(diào)節(jié)IB1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(lái)。UCE根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不斷重復(fù)上述過(guò)程，我們即可得到不同基極電流IB對(duì)應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開(kāi)始部分很陡，說(shuō)明IC隨UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(shí)(一般大于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。當(dāng)IB一定時(shí)，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(guò)1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC

。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會(huì)再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3當(dāng)IB增大時(shí)，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對(duì)應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β。ΔIB=40AΔIC

由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。

UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個(gè)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(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對(duì)IC的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時(shí)，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大區(qū)晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成β倍的數(shù)量關(guān)系，即晶體管在放大區(qū)時(shí)具有電流放大作用。輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，IC=IB

。對(duì)NPN型的三極管，有電位關(guān)系：UC>UB>UE；有發(fā)射結(jié)電壓UBE≈0.7V；對(duì)PNP型鍺三極管，有UBE≈0.2V,UC<UB<UE。(2)飽和區(qū)

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，即UCEUBE

，

IB>IC，UCE的值很小；稱(chēng)此時(shí)的電壓UCE為三極管的飽和壓降，用UCES表示。一般硅三極管的UCES約為0.3V，鍺三極管的UCES約為0.1V；三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管類(lèi)似于一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。(3)截止區(qū)UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0，三極管的集電極和發(fā)射極之間電阻很大，三極管相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)

三極管作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)，通常工作在截止和飽和導(dǎo)通狀態(tài)；作為放大元件使用時(shí)，一般要工作在放大狀態(tài)。

晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個(gè)極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時(shí)內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是β倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，其電流放大系數(shù)是否也等于β？為什么晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度??？而且還要做得很薄？學(xué)習(xí)與討論

為了使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)無(wú)法在基區(qū)和空穴復(fù)合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分?jǐn)U散電子與基區(qū)空穴相復(fù)合形成基極電流，剩余大部分?jǐn)U散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流。

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)

交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號(hào)頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO晶體管的主要參數(shù)總結(jié)：1、三極管的輸入、輸出曲線2、輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)3、三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用4、晶體管的主要參數(shù)

《電工電子技術(shù)》2三極管3復(fù)習(xí)：1、三極管的輸入、輸出曲線2、輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)3、三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用4、三極管的主要參數(shù)例3AX81表示為PNP型鍺材料，低頻小功率管三極管1、型號(hào)的意義第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分3A：PNP型鍺材料B：NPN型鍺材料C：PNP型硅材料D：NPN型硅材料E：化合物材料X：低頻小功率管G：高頻小功率管D：低頻大功率管A：高頻大功率管K：開(kāi)關(guān)管T：閘流管J：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管O：MOS場(chǎng)效應(yīng)管U：光電管序號(hào)規(guī)格（可缺）2、判別三極管的管型和管腳

（1）根據(jù)三極管外殼上的型號(hào),初判其類(lèi)型（2）根據(jù)三極管的外形特點(diǎn),初判其管腳

典型三極管的管腳排列圖

①判斷基極B和管子類(lèi)型（3）用萬(wàn)用表判別三極管的管腳及管型。

n

選擇指針式萬(wàn)用表“R×100或R×1K”擋，調(diào)零。n

用黑表筆接一管腳（假定其為B極），紅表筆分別接另外兩管腳，測(cè)得兩個(gè)電阻值。（3）如一個(gè)阻值為無(wú)窮大，另一個(gè)為小數(shù)值，則黑表棒假定的B極錯(cuò)誤，需重新假定直致找到為止。（1）如二個(gè)阻值均為無(wú)窮大，則管子為PNP管，則黑表筆接觸的為B極，假定正確。（2）如二個(gè)阻值均為小數(shù)值，則管子為NPN管，則黑表筆接觸的為B極，假定正確。判別三種情況：具有“β或hFE”擋的萬(wàn)用表測(cè)量（如MF47）下圖測(cè)電流的放大系數(shù)將萬(wàn)用表置于“hFE”擋，如圖所示將三極管插入測(cè)量插座（基極插入b孔，另兩管腳隨意插入），記下β讀數(shù)。再將另兩管腳對(duì)調(diào)后插入，也記下β讀數(shù)。兩次測(cè)量中，β讀數(shù)大的那一次管腳插入是正確的。測(cè)量時(shí)需注意NPN管和PNP管應(yīng)插入各自相應(yīng)的插座。

測(cè)電流的放大系數(shù)②識(shí)別集電極c和發(fā)射極e常利用測(cè)量三極管的電流放大系數(shù)β來(lái)判別。

沒(méi)有“β或hFE”擋的萬(wàn)用表測(cè)量（如MF30）將萬(wàn)用表置于“R×1K”擋（以NPN管為例），紅表筆接基極以外另一管腳，左手拇指與中指將黑表筆與基極以外的另一管腳捏在一起，同時(shí)用左手食指觸摸余下的管腳，這時(shí)表針應(yīng)向右擺動(dòng)。將基極以外的兩管腳對(duì)調(diào)后再測(cè)一次。兩次測(cè)量中，表針擺動(dòng)幅度較大的那一次，黑表筆所接為集電極，紅表筆所接為發(fā)射極。表針擺動(dòng)幅度越大，說(shuō)明被測(cè)三極管的β值越大。（如圖所示）

MF30測(cè)量電流放大系數(shù)4）判斷管子的材料根據(jù)硅管的發(fā)射結(jié)正向壓降大于鍺管的正向壓降的特點(diǎn),來(lái)判斷其材料。一般常溫下,鍺管正向壓降為0.2～0.3V,硅管的正向壓降為0.6～0.7V。根據(jù)圖2.14電路進(jìn)行測(cè)量,由電壓表的讀數(shù)大小確定是硅管還是鍺管。判斷硅管和鍺管的電路[例1]:三極管工作狀態(tài)的判斷測(cè)量某硅材料NPN型BJT(雙極型晶體管，三極管）各電極對(duì)地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)域？（1）

VC＝6VVB＝0.7VVE＝0V（2）VC＝6VVB＝3.6VVE＝4V（3）VC＝3.6VVB＝4VVE＝3.4V正偏反偏反偏集電結(jié)正偏正偏反偏發(fā)射結(jié)飽和放大截止解：對(duì)NPN管而言，放大時(shí)VC

＞VB

＞VE

對(duì)PNP管而言，放大時(shí)VC

＜VB

＜VE

所以（1）放大區(qū)UBE＞0,UBC＜0（2）截止區(qū)UBE＜0,UBC＜0（3）飽和區(qū)UBE＞0,UBC＞0或者

UCE＜UBE

此時(shí)UBE>0,UBC<0此時(shí)UBE<0,UBC<0此時(shí)UBE>0,UBC>0例2:用直流電壓表測(cè)得放大電路中晶體管T1各電極的對(duì)地電位分別為V1=+10V，V2=0V，V3=+0.7V，如圖（a）所示,T2管各電極電位V1=+0V，V2=-0.3V，V3=-5V，如圖（b）所示，試判斷T1和T2各是何類(lèi)型、何材料的管子，x、y、z各是何電極？

2

3

21T131T1

(a)(b)解：工作在放大區(qū)的NPN型晶體管應(yīng)滿(mǎn)足VC>VB>VE

，PNP型晶體管應(yīng)滿(mǎn)足VC<VB<VE，因此分析時(shí),先找出三電極的最高或最低電位，確定為集電極,而電位差為導(dǎo)通電壓的就是發(fā)射極和基極。根據(jù)發(fā)射極和基極的電位差值判斷管子的材質(zhì)。（1）在圖（a）中，3與2的電壓為0.7V，可確定為硅管