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BJT三极管

日期:2019-11-18 14:40 来源: 三极管

  第四章 双极结型三极管及放大电路基础 第四章 双极结型三极管 及放大电路基础 61 1 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 §4.1 BJT 半导体三极管有两大类型: 一类是双极型半导体三极管(简称BJT); 一类是双极型半导体三极管(简称BJT); 一类是场效应半导体三极管(简称FET)。 一类是场效应半导体三极管(简称FET)。 双极型半导体三极管是由两种载流子参 与导电的半导体器件,它由两个 PN 结组合 而成,是一种CCCS器件。 而成,是一种CCCS器件。 半导体三极管一般指双极型半导体三极管, 简称 晶体管、三极管。 晶体管、三极管。 2 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 §4.1 半导体三极管BJT 半导体三极管BJT 晶体管的几种常见外型如下: 3 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 §4.1 半导体三极管BJT 半导体三极管BJT 一、三极管结构简介 二、三极管的放大作用 三、三极管的共射/ 三、三极管的共射/共基特性曲线 四、三极管的主要参数 五、温度对晶体管特性及参数的影响 六、三极管的应用 七、三极管的选用原则 八、三极管的型号 4 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 一、三极管结构简介 双极型半导体三极管由两个背靠背、 互有影响的PN结构成。 互有影响的PN结构成。 其结构示意图如下图所示。它有两种 类型:NPN型和PNP型。 类型:NPN型和PNP型。 5 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 一、三极管结构简介 中间部分称为基区,相连的电极称为基极,用B 中间部分称为基区,相连的电极称为基极,用B 或b表示(Base);一侧称为发射区,相连的电极称 表示(Base);一侧称为发射区,相连的电极称 发射极,用E 表示(Emitter);另一侧称为集 为发射极,用E或e表示(Emitter);另一侧称为集 电区,相连的电极称为集电极,用C 电区,相连的电极称为集电极,用C或c表示 (Collector)。 Collector)。 E-B 间的 PN结称为 发射结, C-B 间的 PN结称为 集 间的PN 结称为发射结 , 间的PN 结称为集 电结。 电结。 6 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 一、三极管结构简介 双极型三极管的电路符号如图所示,发射极的 双极型三极管的电路符号如图所示,发射极的 箭头代表发射极电流的实际方向。 7 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 一、三极管结构简介 外表上看两个N 或两个P 外表上看两个N区(或两个P区)是对称的, 实际上结构特点为:发射区的掺杂浓度大;基 区要制造得很薄,其厚度一般在几个微米至几 十个微米,且掺杂浓度低;而集电结面积大。 8 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 双极型半导体三极管在 工作时一定要加上适当的 直流偏置电压。若在放大 工作状态:发射结加正向 电压,集电结加反向电压。 即发射结正偏,集电结反 偏。 下面以NPN管为例介 下面以NPN管为例介 绍晶体管的放大作用。基 本共射放大电路如右图。 9 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 1、载流子的传输过程 (1)、发射区向基区注入电子。 发射结正偏,有利于多子的扩散。 发射区的大量自由电子扩散到基 区,形成电流I 区,形成电流IEN,其方向与电 子流动的方向相反。同时,基区 的空穴也扩散到发射区,形成电 流IEP,但由于发射区的杂质浓 度比基区高得多(一般高几百 倍),因此空穴流与电子流相比 可忽略不计。 IE= IEN+ IEP≈ IEN 10 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 (2)、电子在基区的扩散 与复合。 由发射区向基极注入的电 子,即成为基区内的少子,称为 非平衡载流子,并在基区靠近发 射结的边界积累起来,在基区中 形成一定的浓度梯度,因此自由 电子向集电极方向扩散,扩散的 过程中会与基区中的空穴复合, 形成基极电流I 形成基极电流IBN。 11 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 也就是说,注入 基区的电子有一部分 未到达集电结,如果 复合越多,则到达集 电结的电子越少,对 放大是不利的。所以 为了减小复合, 为了减小复合,把基 区做的很薄, 区做的很薄,掺杂浓 度很低, 度很低,因而大部分 电子都能到达集电结。 12 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 3)、集电极收集电子。 集电结反偏,有利于 少子的漂移,所以到达集电结 的电子很快漂移过集电结为集 电区所收集,形成集电极电流 ICN。 13 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 另一方面,基区中 的少子电子和集电区的少 子空穴在结电场的作用下 形成反向漂移电流,它取 决于少子的浓度,称为反 向饱和电流I 向饱和电流ICBO,其值很 小,这个电流对放大没有 贡献,而受温度影响很大, 容易使管子工作不稳定, 所以在制造过程中尽量减 小ICBO。 14 61 二、三极管的放大作用 综上所述,三 个电极的电流分别为: 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 IE = IEN + IEP 且有I I EN EP IEN = I + IBN CN 且有I I EN BN I IBN CN I = I +I 0 C CN CB IB = IEP + IBN I 0 CB 15 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 2、电流分配关系 双极型三极管有三个电极,其中一个可以作为输入, 双极型三极管有三个电极,其中一个可以作为输入, 另一个 可以作为输出,这样必然有一个电极是公共电极。 可以作为输出,这样必然有一个电极是公共电极。根据公共电极 的不同,有三种接法。三种接法也称三种组态,见下图。 的不同,有三种接法。三种接法也称三种组态,见下图。 共发射极接法,发射极作为公共电极, CE表示; 共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示; 共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示。 共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示。 共集电极接法,集电极作为公共电极, CC表示; 共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示; 16 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 (1)、各极电流的基本关系 由于 I E = I EN + I EP,I EN = I CN + I BN I C = I CN + I CB 0,I B = I EP + I BN I CB 0 所以 I E = I EN + I EP = I EP + I CN + I BN = I CN + I CB 0)(I EP + I BN I CB 0) ( + = IC + I B 这就是各极电流的基本关系。 看动画4-1 17 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 由基本关系可以: A. 已知两个电流可确定第三个电流 B. 根据电流方向可确定是NPN管还 根据电流方向可确定是NPN管还 是PNP管 PNP管 C. 根据电流的数值关系可确定晶体管 的电极 18 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 (2)、集电极电流与发射极电流的关系 对于集电极电流I 和发射极电流I 对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系 数来说明,定义: I α = CN IE 称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电 子电流I 与总发射极电流I 子电流ICN与总发射极电流IE的比值。 I I 0 I C CB C α= ≈ IE IE 19 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 (3)、基极电流IB和发射极电流IE之间的关系 )、基极电流I 和发射极电流I I = αIE + I 0 C CB IB = IE I C = I ( I + I 0) α E CB E = ( α )E I 0 1 I CB 20 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 (4)、基极电流IB和集电极电流IC之间的关系 )、基极电流I 和集电极电流I I C = I CN + I CB 0 = α I E + I CB 0 = α ( I C + I B ) + I CB 0 = α I C + α I B + I CB 0 α I B I CB 0 ∴ IC = + 1α 1α IC 定义 β = IB 称为共发射极接法直流电流放大系数。 称为共发射极接法直流电流放大系数。 21 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 α I B I CB 0 + = β I B + (1 + β ) I CB 0 IC = 1α 1α 上式中的(1 + β ) I CB 0是基极开路(即I B = 0)时,集电极 与发射极之间的电流,习惯上称为穿透电流,用I CE 0 表示。 即: I CE 0 = (1 + β ) I CB 0 一般α = 0.95 ~ 0.995,这时 β = 19 ~ 199. 可见 β 1, 因此I E ≈ I C = β I B。 22 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 综上所述,晶体管三个电极电流的简单关系为: IE = I + IB C I = αIE + I 0 C CB I = βIB + I 0 C CE 23 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 若忽略反向电流的影响,近似关系为: IE = I + IB C I ≈ αIE C I ≈ βIB C IE ≈ ( + β ) B 1 I 24 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 若晶体管输入电流发生变化,即i 若晶体管输入电流发生变化,即iB=IB+ IB ,那么输出电流也变化,即iC=IC+ IC ,我 ,那么输出电流也变化,即i 们定义: I C β= I B 叫做共发射极交流电流放大系数。 25 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 二、三极管的放大作用 I C = β I B + I CE 0 iC = β iB + I CE 0 = β ( I B + I B ) + I CE 0 = β I B + β I B + I CE 0 = I C + β I B ∴ β ≈ β,同理可得:α ≈ α 26 61 三、三极管的共射特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管各电极电 压与电流之间的关系。是三极管内部载流子运 动的外部表现。 工程上常用的是输入特性和输出特性。 三、三极管的共射特性曲线、输入特性曲线 iB=f(uBE)UCE=常数 共发射极接法的输入特性曲线见 右图。其中UCE=0V的那一条相 当于发射结的正向特性曲线V时, UCB= UCE - UBE0, 集电结已进入反偏状态,开始收 集电子,且基区复合减少, IC / IB增大,特性曲线将向右稍微移 动一些。但UCE再增加时,曲线 右移很不明显。曲线的右移是三 极管内部反馈所致,右移不明显 说明内部反馈很小。 三、三极管的共射特性曲线、输出特性曲线 iC=f(uCE)IB=常数 共发射极接法的输出特性 曲线如右图所示,它是以iB为参 变量的一族特性曲线。现以其 中任何一条加以说明,当uCE=0 V , 时,因集电极无收集作用,iC=0。 当 u CE 微微增大时,发射结虽处 于正向电压之下,但集电结反偏 电压很小,如uCE 1 V;uBE=0.7 V; uCB= uCE- uBE≤0.7 V 。集 电区收集电子的能力很弱,iC主 要由 u CE 决定 。 看动画4-2 三、三极管的共射特性曲线 当uCE增加到使集电结 反偏电压较大时,如uCE ≥1 V, uBE ≥0.7 V,运动到集 电结的电子基本上都可以 被集电区收集,此后uCE再 增加,电流也没有明显的 增加,特性曲线进入与uCE 轴基本平行的区域 (这与输 入特性曲线随uCE增大而右 移的原因是一致的) 。 这种现象称为 基区宽度调 制效应。 三、三极管的共射特性曲线 饱和区——iC受uCE显著控制的 区域,该区域内uCE的数值较小, 一般uCE<0.7 V(硅管)。此时发 射结正偏,集电结正偏或反偏 电压很小。 截止区——iC 接近零的区域, 相当 iB=0的曲线的下方。此时, 发射结反偏,集电结反偏。 放大区——iC 平行于 uCE 轴的区 域,曲线基本平行等距。此时, 发射结正偏;集电结反偏,且 电压大于0.7 V左右(硅管) 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 半导体三极管的参数分为三大类。 1、直流参数 2、交流参数 3、极限参数 32 61 四、三极管的主要参数 1、 直流参数 ⑴ 直流电流放大系数 ①.共发射极直流电流放大系数 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 β= I C I CE 0 I C ≈ IB IB U CE =常数 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上,通过垂直于X轴的直线 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上,通过垂直于X 常数)来求取I ,如图所示。在I 较小时和I (uCE=常数)来求取IC / IB ,如图所示。在IC较小时和IC较大时,会有所减小, 这一关系见下图。 33 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ②.共基极直流电流放大系数 I C I CB 0 I C α= ≈ IE IE 显然α与β 之间有如下关系: IC β IB β = α≈ = I E (1 + β ) I B 1 + β 34 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ⑵ 极间反向电流 ①.集电极-基极间反向饱和电流ICBO 集电极-基极间反向饱和电流I ICBO的下标CB代表集电极和基极,O是Open的字头, 代表第 的下标CB代表集电极和基极, Open的字头, 三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。 三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。 ②.集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO 集电极-发射极间的反向饱和电流I ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=(1+ )ICBO β 相当于基极开路时, 集电极和发射极间的反向饱和电流, 相当于基极开路时 , 集电极和发射极间的反向饱和电流 , 一 般称穿透电流, 即输出特性曲线I 般称穿透电流, 即输出特性曲线那条曲线所对应的Y坐标的 那条曲线所对应的Y 数值。如下图所示。 数值。如下图所示。 35 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 36 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ICE0不是单纯的PN结的反向电 不是单纯的PN结的反向电 流。当c 流。当c、e间加上电压后,发射结 分配有正向电压,集电结分配有反 向电压,因此集电区的少子空穴就 要漂移到基区,等于I 要漂移到基区,等于ICB0;同时, 发射区的多子电子就要扩散到基区, 由于基极开路,由集电区漂移到基 区的空穴只能与发射区注入的电子 复合,复合部分刚好是I 复合,复合部分刚好是ICB0,根据 三极管的电流分配规律,发射区每 向基区提供一个复合用的载流子, 就要向集电区供给β个载流子,因 此: I 0 = ( + β )CB 0 1 I CE 37 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 2、 交流参数 ⑴ 交流电流放大系数 ① . 共发射极交流电流放大系数 β I C β= I B U CE =常数 在放大区, 值基本不变, 在放大区 , β 值基本不变 , 可在共射接法输出特性曲线上, 可在共射接法输出特性曲线上, 通过垂直于X轴的直线求取 IC/IB 。 具体方法如右图所示 。 具体方法如右图所示。 38 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ②.共基极交流电流放大系数α 共基极交流电流放大系数α IC α= I E U CB =常数 当ICBO和ICEO很小时,α ≈ α, ≈ β,可以不加区分 β ⑵ 特征频率fT 特征频率f 三极管的β值不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关。 值不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关。 将会下降。 由于结电容的影响,当信号频率增加时, 由于结电容的影响,当信号频率增加时,三极管的β将会下降。 下降到1时所对应的频率称为特征频率, 表示。 当β下降到1时所对应的频率称为特征频率,用fT表示。 39 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 3、 极限参数 ⑴ 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许电流I 当集电极电流增加时, 就要下降, 当集电极电流增加时,β 就要下降,当β值 下降到线 % 时 , 所对应的 值的70 ~ 30% 集电极电流称为集电极最大允许电流I 集电极电流称为集电极最大允许电流 ICM 。 至于 β 值下降多少,不同型号的三极管, 值下降多少,不同型号的三极管,不同的厂家的 规定有所差别。可见, 规定有所差别。可见,当IC>ICM时,并不表示三 极管会损坏。 极管会损坏。 40 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ⑵ 集电极最大允许功率损耗PCM 集电极最大允许功率损耗P 集电极电流通过集电结时所产生的功耗, PCM= ICUCB≈ICUCE,因发射结正偏,呈低阻, 所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往 往用U 取代U 往用UCE取代UCB。 ⑶ 反向击穿电压 反向击穿电压表示三极管电极间承受反向 电压的能力,其测试时的原理电路如下图所 示。 41 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ①. U(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。 ——发射极开路时的集电结击穿电压。 下标BR代表击穿之意,是Breakdown的字头,C 下标BR代表击穿之意,是Breakdown的字头,C、B代表集 电 极和基极,O代表第三个电极E 极和基极,O代表第三个电极E开路。 42 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ②. U(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。 ——集电极开路时发射结的击穿电压。 43 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 ③.U(BR)CEO—— 基极开路时集电极和发射极间的击穿 ——基极开路时集电极和发射极间的击穿 电压。 电压。 44 61 四、三极管的主要参数 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 对于U 对于U(BR)CER表示BE间接有电阻,U(BR)CES表示BE间是 表示BE间接有电阻,U 表示BE间是 短路的。 几个击穿电压在大小上有如下关系: U(BR)CBO≈U(BR)CES>U(BR)CER>U(BR)CEO>U(BR)EBO 45 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 四、三极管的主要参数 最大集电极功率损耗P 最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压 U(BR)CEO, 在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过电流区和击 穿区,见下图。 46 61 五、温度对晶体管特性及参数的影响 由于半导体材料的热敏性,晶体管的参数几乎都与温 度有关。 1、温度对ICBO的影响 、温度对I 因为I 因为ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的, 所以,当温度升高时,热运动加剧,使更多的价电子有足够的能 量挣脱共价键的束缚,从而使少子浓度明显增大。因此,参与漂 移运动的少子数目增多,从外部看就是I 移运动的少子数目增多,从外部看就是ICBO增大。 可以证明,温度每升高10℃ 可以证明,温度每升高10℃,ICBO增加约一倍。反之,当温度 降低时I 降低时ICBO减小。 由于硅管的I 由于硅管的ICBO比锗管小得多,所以从绝对数值上看,硅管比 锗管受温度的影响要小得多。 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 五、温度对晶体管特性及参数的影响 2、温度对输入特性的影响 与二极管伏安特性相类似,当温度升高时,正向特性将左移, 反之将右移,如图所示。当温度升高1 时,u 大约降低2 反之将右移,如图所示。当温度升高1℃时,uBE大约降低2~ 2.5mV,即具有负的温度系数,换一角度说,若u 2.5mV,即具有负的温度系数,换一角度说,若uBE不变,则当 温度升高时 iB将增大,反之iB减小。 将增大,反之i 48 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 五、温度对晶体管特性及参数的影响 3、温度对输出特性的影响 下 图为一只晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图,实线℃时的特性曲线℃时的特性曲线℃时的特性曲线。说明 温度升高时β增大。 从以上分析可知,温度升高时,由于I 从以上分析可知,温度升高时,由于ICBO、β增大,且输入特 性左移,所以导致集电极电流增大。 49 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 六、三极管的应用 三极管的工作状态有三种: 放大、导通和截止。三极管的 放大、导通和截止。三极管的 应用主要是放大和开关电路。 应用主要是放大和开关电路。 例: 三极管工作状态的判定。 NPN三极管T NPN三极管T组成的共射电路如 所示。设T 所示。设T的UBE=0.7V,饱和压 =0.7V,饱和压 降为U 降为UCES。试判定三极管处于何 种工作状态(放大、饱和、截 止)。 50 61 六、三极管的应用 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 解:通常判定三极管处于何种工作状态可用下述3 解:通常判定三极管处于何种工作状态可用下述3种方法。 1.三极管结偏置的判定法 三极管发射结、集电结的偏置和管子工作状态的关系示于下 表中: 51 61 六、三极管的应用 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 2.三极管电流关系判定法 通常对硅管而言,临界饱和时三极管集电极、 发射极间的饱和压降U =0.7V,深度饱和时的 发射极间的饱和压降UCES=0.7V,深度饱和时的 UCES≈0.1V~0.3V。 0.1V 0.3V。 三极管临界饱和时: VCC = I CS RC + U CES ∴ I CS VCC U CES = RC 52 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 六、三极管的应用 临界饱和时,基极应注入的电流I 临界饱和时,基极应注入的电流IBS大小为: I BS VCC U CES = βRC 53 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 六、三极管的应用 当基极偏置电流入I 当基极偏置电流入IB*>IBS时,T饱和,而当0IIBS 时,T饱和,而当0I 时,T 时,T处在放大状态。 54 61 六、三极管的应用 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 3.三极管电位判定法 共射电路三极管基极电位U 、集电极电位U 共射电路三极管基极电位UB、集电极电位UC和三极 管工作状态的关系,如下表所示。 3种判定方法中,第3种常用于实验测定,而第2种则常 种判定方法中,第3种常用于实验测定,而第2 用于解题过程中。 55 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 七、三极管的选用原则 1、当直流电源电压对地为正值时,选用NPN型管子, 当直流电源电压对地为负值时,选用PNP型管子, 2、在同型号的管子中,应选用反向电流小的,温度稳 定性好; 管子的β值一般选几十到100, β值太大的管子性能 不稳定。 3、如果要求反向电流小,工作温度高,则应选硅管; 如果要求导通电压低时,则应选锗管。 4、必须使管子工作在安全区。为此: 在工作电压高时,选高反压管; 在需要大电流时,选ICM大的管子; 在需要输出大功率时,选PCM大的管 子,并保证散热条件。 56 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 七、三极管的选用原则 例:在一个单管放大电路中,电源电压为 30 V,已知三 只管子的参数如下表所示,请选用一只管子,并简述理由。 解:T1管虽然ICBO很小,即温度稳定性好,但β很小,放大能力差,所以 不宜选用。 T3管虽然ICBO较小且β较大,但因工作电源电压为30V,而T3的UCEO仅为 20 V,所以不能选用。 T2管的ICBO较小, β较大,且UCEO大于电源电压,所以选T2。 57 61 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 国家标准对半导体三极管的命名如下 3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位:A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、 D表示硅NPN管 第三位:X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高 频小功率管、A表示高频大功率管、K表示开关管。 58 八、三极管的型号 61

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