电子技术基础-2.1三极管及其应用

1、 2.1 三极管及其应用三极管及其应用赤壁市机电信息技术学校赤壁市机电信息技术学校杨杨展展Email: 一、三极管的结构和类型一、三极管的结构和类型1.三极管的结构三极管的结构 双双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管。 因因两种极性电荷的载流子同时参与导电，故称两种极性电荷的载流子同时参与导电，故称双极型晶体管双极型晶体管BJT BJT (Bipolar Junction Transistor) (Bipolar Junction Transistor)

2、 。 三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PNPN结的应用发生了质的飞跃。结的应用发生了质的飞跃。 一、三极管的结构和类型一、三极管的结构和类型1.三极管的结构三极管的结构 双极型晶体管分有双极型晶体管分有NPNNPN型和型和PNPPNP型，虽然它们外型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个区、两个PNPN结和三个向外引出的电极：结和三个向外引出的电极：发射结(Je) 集电结(Jc) 基极，用B或b表示（Base） 发射极，用E或e表示（Emitte

3、r）；集电极，用C或c表示（Collector）。 发射区集电区基区三极管符号 一、三极管的结构和类型一、三极管的结构和类型1.三极管的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。(a)平面型(NPN)ebNcNP二氧化硅发射区集电区基区 在在N型硅片（集电区）型硅片（集电区）氧化膜上刻一个窗口，将硼氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成杂质进行扩散形成P型半导型半导体（基区），再在体（基区），再在P型区上型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散刻窗口，将磷杂质进行扩散形成形成N型半导体（发射区），型半导体（发射区），引出三个电极，最后用封装引出三个电极，最后用封装材料封装，即是平

4、面型三极材料封装，即是平面型三极管。管。 一、三极管的结构和类型一、三极管的结构和类型1.三极管的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。(b)合金型(PNP)becPNP基区发射区集电区 在在N N型锗片（基区）两型锗片（基区）两边各置一个铟球，加温后铟边各置一个铟球，加温后铟被熔化并向被熔化并向N N型锗内部扩散，型锗内部扩散，冷却后形成两个冷却后形成两个P P型区域，型区域，从三个区引出三个电极，最从三个区引出三个电极，最后封装，即为合金型三极管。后封装，即为合金型三极管。 一、三极管的结构和类型一、三极管的结构和类型2.三极管的分类三极管的分类（1 1）按极性分

5、：）按极性分：NPNNPN型、型、PNPPNP型型（2 2）按材料分：）按材料分：硅管硅管、锗管锗管（3 3）按结构分：合金管、平面管）按结构分：合金管、平面管（4 4）按用途分：放大管、）按用途分：放大管、开关开关管、功率管管、功率管（5 5）按工作频率分：低频管、高频管）按工作频率分：低频管、高频管（6 6）按功率分：小功率管、中功率管、大功率管）按功率分：小功率管、中功率管、大功率管 二、二、三极管的电流放大三极管的电流放大作用作用1.实现电流放大作用的内部结构条件实现电流放大作用的内部结构条件发射区发射区掺杂浓度很高，以便有掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供足够的载流子供“发射发射”。

6、为为减少载流子在基区的减少载流子在基区的复合复合机机会，基区做得很薄，一般为几个会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度较发射极低。微米，且掺杂浓度较发射极低。集电区集电区体积较大，且为了顺利体积较大，且为了顺利收集收集边缘载流子，掺杂浓度很低。边缘载流子，掺杂浓度很低。 可见，双极型三极管并非是两个可见，双极型三极管并非是两个PN PN 结的简单组合，而结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。 UBBRB(1)(1

7、)发射结必须发射结必须“正向偏置正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散，以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流电流即发射极电流i ie e，扩散电子的少数与基区空穴复合，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成形成基基极电流极电流i ib b，多数继续向集电结边缘扩散。，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC(2)(2)集电结必须集电结必须“反向偏置反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流i ic c。IEICIB 整个过程中，整个过程中，发射区向基区发发射区向基区发射的电

8、子数等于射的电子数等于基区复合掉的电基区复合掉的电子与集电区收集子与集电区收集的电子数之和，的电子数之和，即：即： I IE E= =I IB B+ +I I二、二、三极管的电流放大三极管的电流放大作用作用2.实现电流放大作用实现电流放大作用的外部偏置条件的外部偏置条件 V VB BV VE E发射结正偏发射结正偏二、二、三极管的电流放大三极管的电流放大作用作用2.实现电流放大作用实现电流放大作用的外部偏置条件的外部偏置条件NNPPPN集电结集电结发射结发射结发射结发射结集电结集电结VCVCVEVEVBVB V VC CV VB B集电结反偏集电结反偏 V VB BV VE E发射结正偏发射结

9、正偏 V VB BV VC C集电结反偏集电结反偏NPNNPN管管，三个管脚上的电位大小关系为，三个管脚上的电位大小关系为V VC CV VB BV VE EPNPPNP管管，三个管脚上的电位大小关系为，三个管脚上的电位大小关系为V VC CV VB BV VE E 3.3.三极管内部载流子的运动分析三极管内部载流子的运动分析 （4）小结）小结 由于由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流I IE E。 由于由于基区很薄，且多数载流子浓度又

10、很低，所以从发射极扩散基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过来过来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流I IB B，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。 集电结集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边边缘的缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流I IC C。只要符合三极管发射区的杂质浓度大大于基区的掺杂浓只要符合三极管发射区的杂质浓度大大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度

11、又大大于集电区的杂质浓度，且基度，基区的掺杂浓度又大大于集电区的杂质浓度，且基区很薄的区很薄的内部条件内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的结反偏的外部条件外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。，三极管就具有了放大电流的能力。 二、二、三极管的电流放大三极管的电流放大作用作用5.三极管电流分配关系三极管电流分配关系从三极管内部载流子的传输过程，可以得出：从三极管内部载流子的传输过程，可以得出：EBCIII 由于管子内部结构已经定型，由于管子内部结构已经定型，ICIC与与IBIB的比例关系是一个定的比例关系是一个定值，且值，且ICICIBIB，定义，定

12、义 为三极管的共发射极直流电流放大系为三极管的共发射极直流电流放大系数：数： CBII 此外，定义此外，定义 为共基极直流电流放大系数：为共基极直流电流放大系数： CEII 根据根据 有，有， ，则改变，则改变I IB B即可改变即可改变I IC C 。二、二、三极管的电流放大三极管的电流放大作用作用5.三极管电流放大作用的实质三极管电流放大作用的实质CBII CBII 因此，因此，基极电流基极电流I IB B的微小变化将引起集电极电流的微小变化将引起集电极电流I IC C的较大的较大变化。变化。这种这种“以小控大以小控大”的作用称为三极管的电流的作用称为三极管的电流放大作用。放大作用。注意：

13、注意： 三极管的电流放大作用并不是指将小电流放大成大电流，三极管的电流放大作用并不是指将小电流放大成大电流，而是指基极电流的微小变化能导致集电极电流的较大变化，而是指基极电流的微小变化能导致集电极电流的较大变化，“放大放大”是相对于变化量而言。是相对于变化量而言。 放大的内部条件：放大的内部条件：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少； 集电区集电区比发射区体积大且掺杂少。比发射区体积大且掺杂少。有三个区有三个区发射区、基区、集电区；发射区、基区、集电区；两个两个PNPN结结发射结发射结（J JE E）、集电结、集电结（J JC C）；三个电极三个电极发射

14、极发射极e(E)e(E)、基极、基极b(B)b(B)和集电极和集电极c c（C C）；）；两种类型两种类型PNPPNP型型管和管和NPNNPN型管。型管。 晶体三极管晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。 具有电流放大作用：具有电流放大作用：基极电流基极电流I IB B的微小变化将引起集电极电流的微小变化将引起集电极电流I IC C的的 较大较大变化。这种变化。这种“以小控大以小控大”的作用的作用称为三极称为三极管管的电流放大作用。的电流放大作用。放大的外部条件：放大的外部条件：外加电压要使发射结正偏，集电结反偏。外加电压要使

15、发射结正偏，集电结反偏。 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线1.三极管的三种组态三极管的三种组态 (p45) 三极管有三个电极，当组成放大电路时，以一个电三极管有三个电极，当组成放大电路时，以一个电极作为信号输入端，另一个电极作为信号输出端，第三极作为信号输入端，另一个电极作为信号输出端，第三个电极作为输入输出的公共端。因此可构成三种基本组个电极作为输入输出的公共端。因此可构成三种基本组态，即三种不同的连接方式，分别称为共发射极电路、态，即三种不同的连接方式，分别称为共发射极电路、共基极电路和共集电极电路。共基极电路和共集电极电路。 无论无论是哪种连接方式，要使三极管有是哪种连接方式，要使

16、三极管有放大作用放大作用，都必须保证都必须保证发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏，则，则三极管内部三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化连接方式的变化而变化。 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线1.三极管的三种组态三极管的三种组态模拟电子技术基础输入端输入端输出端输出端公共端公共端共发射极电路共发射极电路基极基极集电极集电极发射极发射极共基极电路共基极电路基极基极发射极发射极集电极集电极共集电极电路共集电极电路发射极发射极集电极集电极基极基极(a)共基极 (b)共发射极 (c)共集电极 三三、三极

17、管三极管的的特性曲线特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。放大电路的依据。 为什么为什么要研究特性曲线：要研究特性曲线：1 1）直观地分析管子的工作状态）直观地分析管子的工作状态2 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路电路3 3）三极管）三极管和二极管一样是非线性元件，常用和二极管一样是非线性元件，常用伏安特性伏安特性 （电流电流- -电压关系）电压关系）描述描述4 4）

18、三极管）三极管的电流的电流- -电压方程组是超越方程，求解非常电压方程组是超越方程，求解非常复复杂，杂，只需掌握伏安特性的直观表示法只需掌握伏安特性的直观表示法伏安特性曲线伏安特性曲线。2.为什么要研究三极管的伏安特性曲线为什么要研究三极管的伏安特性曲线 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线3.测量三极管特性的实验线路测量三极管特性的实验线路共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路ICVCCmA AVUCEUBERBIBVCCV+ 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线4.输入特性输入特性-输入回路的伏安特性输入回路的伏安特性UCE为常数时，为常数时，IB和和UBE之间的之间

19、的关系称为关系称为三级管的输入特性三级管的输入特性，描述，描述二者之间关系的图形称为二者之间关系的图形称为三极管的输入特性曲线三极管的输入特性曲线。UCE=0VUBE /VIB / A0UCE =0VUBBUCCRC+RB令令UBB从从0开始增加开始增加IBIE=IBUBE令令UCC为为0UCE=0时的输时的输入特性曲线入特性曲线UCE为为0时时 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线4.输入特性输入特性-输入回路的伏安特性输入回路的伏安特性UCE =0.5VUCE=0VUBE /VIB / A0UBBUCCRC+RB令令UBB重重新从新从0开开始增加始增加IBICUBE增大增大UCC让让UC

20、E=0.5VUCE =1VUCE=0.5VUCE=0.5V的的特性曲线特性曲线继续增继续增大大UCC让让UCE=1V令令UBB重重新从新从0开开始增加始增加UCE=1VUCE=1V的的特性曲线特性曲线 继续增大继续增大U UCCCC使使U UCECE=1V=1V以上的多个值，结果发现：以上的多个值，结果发现：之后的之后的所有输所有输入特性几乎都与入特性几乎都与U UCECE=1V=1V的特性相同，曲线基本的特性相同，曲线基本不再不再变化。变化。 实用中三极管的实用中三极管的U UCECE值一般都超过值一般都超过1V1V，所以其输入特性通常采用，所以其输入特性通常采用U UCECE=1V=1V时

21、的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似极管的正向特性非常相似。UCE1V的的特性曲线特性曲线 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线4.输入特性输入特性-输入回路的伏安特性输入回路的伏安特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线5.输出特性输出特性-输出回路输出回路的伏安特性的伏安特性 当当I IB B不变时，输出回路中的电流不变时，输出回路中的电流I IC C与管子输出端电压与管子输出端电压U UCECE之间之间的关系曲线称为的关系曲线称

22、为输出特性输出特性。描述二者之间关系的曲线即是。描述二者之间关系的曲线即是输出特输出特性曲线性曲线。先把先把IB调到调到某一固定值某一固定值保持不变。保持不变。然后调节然后调节UCC使使UCE从从0增增大，观察毫安表中大，观察毫安表中IC的变的变化并记录下来。化并记录下来。UCEUBBUCCRCRBICIBUBEmA AIEIBUCE / VIC /mA0 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线5.输出特性输出特性-输出回路输出回路的伏安特性的伏安特性UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再调节再调节IB1至至另一稍小的另一稍小的固定值上保固定值上保持不变。持不变。仍然调节仍然调节UC

23、C使使UCE从从0增增大，继续观察毫安表中大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。的变化并记录下来。UCE 根据电压、电流的记录值可绘出根据电压、电流的记录值可绘出另一条另一条I IC C随随U UCECE变化的伏安特性曲线，变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。此曲线较前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0 如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流I IB B对应对应相应相应I IC C、U UCECE数值的一组输出特性曲线。数值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很输出曲线开始部分很陡，说明陡，说明

24、IC随随UCE的增的增加而急剧增大。加而急剧增大。当当UCE增至一定数值时增至一定数值时(一般小于一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明，输出特性曲线变得平坦，表明IC基基本上不再随本上不再随UCE而变化。而变化。 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线 当当I IB B一定时，从发射区扩散到基一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当区的电子数大致一定。当U UCECE超过超过1V1V以后，以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流集电极电流I IC C 。之后即使。之后即使U UCECE继续增大，继续增大，集电极电流集电极电流I IC

25、C也不会再有明显的增加，具也不会再有明显的增加，具有有恒流特性恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3 当当I IB B增大时，相应增大时，相应I IC C也增大，输出特性曲线上移，也增大，输出特性曲线上移， 且且I IC C增大的增大的幅度比对应幅度比对应I IB B大得多。这一点正是晶体管的大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用电流放大作用。从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数：IB=40 A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；取任意再两条特性曲线上的平坦段

26、，读出其基极电流之差；再读出这两条曲线对应的集电极电流之差再读出这两条曲线对应的集电极电流之差I IC C=1.3mA=1.3mA；IC于是我们可得到三极管的于是我们可得到三极管的电流放大电流放大倍数倍数： 三三、三极管三极管的的特性曲线特性曲线UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3饱和区饱和区。当。当发射结和发射结和集电结均为正向偏置集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和时，三极管处于饱和状态。此时集电极电状态。此时集电极电流流IC与基极电流与基极电流IB之之间不再成比例关系，间不再成比例关系，IB的变化对的变化对IC的影响的影

27、响很小。很小。截止区截止区。当基极电。当基极电流流IB等于等于0时，晶体时，晶体管处于截止状态。管处于截止状态。实际上当发射结电实际上当发射结电压处在正向死区范压处在正向死区范围时，晶体管就已围时，晶体管就已经截止，为让其可经截止，为让其可靠截止，常使靠截止，常使UBE小于和等于零。小于和等于零。 晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。此时UCE小于UBE,规定： UCE=UBE时，为临近饱和状态，用UCES（0.3或0.1）表示，此时集电极临近饱和电流是 /CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI临近饱和基