双极型半导体三极管双极型半导体三极管 半导体三极管有两大类型， 一是双极型半导体三极管 二是场效应半导体三极管2.1 双极型半导体三极管2.2 场效应半导体三极管 双极型半导体三极管是由两种载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，它由两流子参与导电的半导体器件，它由两个个 PN 结组合而成，是一种结组合而成，是一种CCCS器件。器件。 场效应型半导体三极管仅由一种场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。器件。问题1：除了从三极管的电流分配关系可以 证明 IE=IC+IB 。还可以通过什么方 法加以说明？问题2：为什么当温度升高时，三极管将失 去放大作用？从物理概念上加以说 明。2.1.2 双极型半导体三极管的电流分配与控制改进的电子教案改进的电子教案 2.1 双极型半导体三极管的工作原理 半导体三极管在英文中称为晶体管(Transister)，半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管(BJT)， 二是场效应半导体三极管(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，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。2.1.1 2.1.1 双极型半导体三极管的结构双极型半导体三极管的结构NPN型PNP型这是基极b这是发射极e这是集电极c这是发射结Je这是集电结Jc 三极管的符号短粗线代表基极,发射极的箭头方向,代表发射极电流的实际方向。 2.1.2 2.1.2 双极型半导体三极管的电流分配关系双极型半导体三极管的电流分配关系 双极型三极管在制造时，要求发射区的掺杂浓度大，基区掺杂浓度低并要制造得很薄，集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。从结构上看双极型三极管是对称的，但发射极和集电极不能互换。 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。现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部载流子的运动关系，见下图。IENICNIEPICEOIEICIBIBN注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流IE=IEN + IEP且IEN IEPIC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO 由此可写出三极管三个电极的电流IENICNIEPICEOIEICIBIBNIE=IEN + IEP且IEN IEPIC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO 发射极电流：IE= IEN IEP 且有IENIEP 集电极电流：IC=ICN+ ICBO ICN=IEN- IBN 且有IEN IBN ， ICNIBN 基极电流： IB=IEP+ IBNICBO 所以，发射极电流又可以写成 IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB 从以上分析可知，对于NPN型三极管，集电极电流和基极电流是流入三极管，发射极电流是流出三极管，流进的电流等于流出的电流。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。 若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。动画2-1 2.1.3 2.1.3 双极型半导体三极管的电流关系双极型半导体三极管的电流关系2.1.3.1 三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态，见下图。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。 2.1.3.2 三极管的电流放大系数1.共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 电流放大系数，一般来说是指输出电流与输入电流的比。由于组态不同，三极管的输入电极和输出电极不同，所以对共基组态，输出电流是集电极电流IC，输入电流是发射极电流IE，二电流之比的关系可定义为： 称为共基极直流电流放大系数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ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1， 但接近1。由此可得： IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO 2.共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 对共射组态的电流放大系数，输出电流是集电极电流IC，输入电流是基极电流IB，二电流之比可定义： 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。于是因 1, 所以 1 。2.1.3双极型半导体三极管的电流关系 (1)三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图02.03。 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示; 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；图 02.03 三极管的三种组态(2)三极管的电流放大系数 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: 称为称为共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数。它表示最。它表示最后达到集电极的电子电流后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流与总发射极电流IE的比值。的比值。ICN与与IE相比，因相比，因ICN中没有中没有IEP和和IBN，所以所以 的值小于的值小于1, 但接近但接近1。由此可得。由此可得:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 所以 1定义定义: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB称为称为共发射极接法直流电流放大系数共发射极接法直流电流放大系数。于是于是2.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线 这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E 两电极取出。 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即 共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图02.04所示。图02.04 共发射极接法的电压-电流关系 简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。(1) 输入特性曲线 vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响 。 共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，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vCE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。输入特性曲线的分区：死区 非线性区 线性区 图02.05 共射接法输入特性曲线 (2)输出特性曲线 共发射极接法的输出特性曲线如图02.06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vCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。 图02.06 共发射极接法输出特性曲线 当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 vCE 1 V vBE 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vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的 图02.06 共发射极接法输出特性曲线原因是一致的) 。（动画2-2） 输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 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vCE轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管) 。2.1.5 半导体三极管的参数 半导体三极管的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 (1)直流参数 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const 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(vCE=const)来求取IC / IB ，如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时， 会有所减小，这一关系见图02.08。图02.08 值与IC的关系图 02.07 在输出特性曲线上决定 2.共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE 显然 与 之间有如下关系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ 极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标的下标CB代表集电极和基极，代表集电极和基极，O是是Open的字头，代表第三个电极的字头，代表第三个电极E开开路。它相当于路。它相当于集电结的反向饱和电流。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集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和和ICBO有如下关系有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应那条曲线所对应的的Y坐标的数值。如图坐标的数值。如图02.09所示。所示。 图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置(2)(2)交流参数交流参数交流电流放大系数交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB vCE=const 在放大区 值基本不变，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。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图02.10所示。 图图02.10 在输出特性曲线上求在输出特性曲线上求 2.共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。 特征频率特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。 (3)极限参数 集电极最大允许电流ICM 如图02.08所示，当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。 图02.08 值与IC的关系集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 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VCE取代VCB。 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图02.11所示。 图02.11 三极管击穿电压的测试电路 1.V(BR)CBO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，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。 2.V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。 3.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。 对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO 由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图02.12。 图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 2.1.6 半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管 表02.01 双极型三极管的参数 参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* 83BX31C 125 125 40 246* 83 3CG101CCG101C 100 30 450.1 1003 3DG123CDG123C 500 50 40 300.353 3DD101DDD101D 5A 5A 300 25042mA3 3DK100BDK100B 100 30 25 150.1 3003DKG23 250W 30A 400 325 8注：*为 f 结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！42