PNPNPN三极管

1、结构与操作原理三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn两种组合。三个接出来的端点依序称为射极(emitter, E )、基极(base, B ) 和集极(collector, C ),名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中 也显示出npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为 n型半导体，和二极管的符号一致。在没接外加偏压时，两个 pn接面都会形 成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分 类，这里我们先讨论最常用的所

2、谓”正向活性区”(forward active),在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而 BC极间的pn接面则在反向偏 压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图 2(a)为一 pnp三极管在 此偏压区的示意图。EB接面的耗散区由于在正向偏压会变窄，载体看到的 位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而 BC 接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。图 2(b) 画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情况下，电洞和电子的电位能 的分布图。三极管和两个反向相接的 pn二极管有什么差别呢？其间最大的 不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏

3、压在正向活性区之 pnp三极管为例，射极的电洞注入基极的 n型中性区，马上被多数载体电 子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的 电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在 集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集 电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流 旧rec,与由基极注入射极的电子流InB? E (这部分是三极管作用不需要的部分)。InB? E在射极与与电洞复合，即 InB? E=lErec。pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图 3(a

4、)中看出。耗尽区|位能无外加偏压a. b电洞位能分布电子位能分布偏压在正向活动区图2 (a) pnp三极管偏压在正向活性区；(b)没外加偏压，和偏压在正向活性 区两种情况下，电洞和电子的电位能的分布图比较。恒白图3 (a) pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类；(b)电洞电位能分布注入的情况；(c)电子的电位能分布及注入的情况。一般三极管设计时，射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注 入基极的射极主要载体电洞(也就是基极的少数载体)IpE? B电流会比由基极注入射极 的载体电子电流InB? E大很多，三极管的效益比较高。图 3(b)和(c)个别画出电洞和电子的电位能分布及载体注入的情况

5、。同时如果 基极中性区的宽度 WB愈窄，电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复 合的机率愈低，到达集电极的有效电洞流IpE? C愈大，基极必须提供的复合电子流也降低，三极管的效益也就愈高。集电极的掺杂通常最低，如此可增大CB极的崩溃电压，并减小BC间反向偏压的pn接面的反向饱和电 流，这里我们忽略这个反向饱和电流。由图4(a),我们可以把各种电流的关系写下来：射极电流 Ie=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ I Brec + InB? E (1a) 基极电流 IB= InB? E + IBrec= IErec + IBrec (1b) 集电极电流

6、 Ic =IpE? C= I E- IErec - IBrec= Ie - Ib (1c) 式1c也可以写成Ie= Ic + Ib射极注入基极的电洞流大小是由 EB接面间的正向偏压大小来控制，和 二极管的情况类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的说，三极管是利用 Veb(或Vbe)的变化来控制IC, 而且提供之旧远比IC小。npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样 的，只是偏压方向，电流方向均相反，电子和电洞的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、入射到集电极的电洞，而 npn三极管则 是利用Vbe控制由射极经基极、入射到集电极的电子，图 4

7、是二者的比较。 经过上面讨论可以看出，三极管的效益可以由在正向活性区时，射极电流中 有多少比例可以到达集电极看出，这个比例习惯性定义作希腊字母a图4 pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。而且a 一定小于1。效益高的三极管，a可以比0.99大，也就是只有小于 1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合，超过99%的射极电流到达集电极了解正向活性区的工作原理后，三极管在其他偏压方式的工作 情况就很容易理解了。表1列出三极管四种工作方式的名称及对应之 BE和 BC之pn接面偏压方式。反向活性区(reverse active)是将原来之集电极用 作射极，原来的射极当作集电极，但由于原来

8、集电极之掺杂浓度较基极低， 正向偏压时由原基极注入到原集电极之载体远较原集电极注入基极的多，效 益很差，也就是说和正向活性区相比，提供相同的基极电流，能够开关控制 的集电极电流较少，a较小。在饱和区(saturation),两个接面都是正向偏 压，射极和集电极同时将载体注入基极，基极因此堆积很多少数载体，基极 复合电流大增，而且射极和集电极的电流抵销，被控制的电流量减小。在截 止区(cut off) , BE和BC接面均不导通，各极间只有很小的反向饱和电流，三极间可视作开路，也就是开关在关的状态名称正向活性区反向活性区饱和区截止区(forward active)(reverse active)

9、(saturation)(cut off )BE接面正向偏压反向偏压正向偏压反向偏压BC接面反向偏压正向偏压正向偏压反向偏压用途线性信号放大器数字电路开关电路很少使用数字电路 开关电路数字电路 开关电路工作模式射极结面极集结面饱和正向偏压正向偏压线性正向偏压反向偏压反向反向偏压正向偏压截止反向偏压反向偏压表中同时列出了四种工作方式的主要用途。三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切 换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1 （或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在射极与基 极问微小的电信号（可以是电

10、压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流 相对上很大的变化，故可用作信号放大器。下面在介绍完三极管的电流电压 特性后，会再仔细讨论三极管的用途。三极管截止与饱合状态截止状态三极管作为开关使用时，仍是处于下列两种状态下工作。1.截止（cut off）状态:如图5所示，当三极管之基极不加偏压或加上反向偏压使BE极截止时（BE极之特性和二极管相同，须加上大于 0.7V之正向偏压时 才态导通），基极电流 旧=0,因为IC= B旧，所以IC=IE=0,此时CE极之间相当于断路，负载无电流。Ba)基极(B)不加偏压使 基极电流旧等于零(b)基极(B)加上反向偏 压使基极电流旧等于零C 1!Ic#I- =

11、0(c)此时集极(C)与射极(E)之间形同段路，负载无电流通过图5三极管截止状态饱合状态饱合(saturation)状态:如图6所示，当三极管之基极加入驶大的电流时，因为 IC = IE=B MB,射极和集极的电流亦非常大，此时，集极与射极之间的电压降 非常低(VCE为0.4V以下)，其意义相当于集极与射极之间完全导通，此一状 态称为三极管饱合。载负C I0T0图6 (a)基极加上足够的顺向偏压使旧足够大(b)此时C-E极之间视同 导通状态页脚晶体管的电路符号和各三个电极的名称如下图7 PNP型三极管图8 NPN型三极管三极管的特性曲线1、输入特性图2 （b）是三极管的输入特性曲线，它表示Ib

12、随Ube的变化关系，具特点 是：1）当Uce在0-2伏范围内，曲线位置和形状与 Uce有关，但当Uce 高于2伏后，曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线（1和11）表示 即可。2）当Ube<UbeR时，Ib = O称（0UbeR）的区段为“死区”当 Ube > UbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直线的区段。3）三极管输入电阻，定义为：rbe=（ AUbe/ AIb）Q点，其估算公式为：rbe=rb+（ 0+1）（26 毫伏/Ie 毫伏）rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。2、输出特性输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数）

13、从图9（C）所示的输 出特性可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。截止区当Ube <0时，则Ib = 0,发射区没有电子注入基区，但由于分子的 热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时 Iceo约为几微安，错管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流 Icbo的关系是：Icbo=（1+ B）Icbo常温时硅管的Icbo小于1微安，错管的Icbo约为10微安，对于错管，温 度每升高12C, Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8C, Icbo数值增大一倍，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于错管的Icbo 值本身比硅管大，所以错管仍然受温度

14、影响较严重的管，放大区，当晶体三 极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放 大区是三极管工作在放大状态的区域。饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失 去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状 态。三极管的主要参数1、直流参数(1)集电极一基极反向饱和电流Icbo ,发射极开路(Ie=0)时，基极和集 电极之间加上规定的反向电压 Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有 关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好 的三极管，Icbo很小，小功率错管的Icbo约为110微安，大功率错管 的Icb

15、o可达数毫安培，而硅管的Icbo则非常小，是毫微安级。(2)集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流)基极开路(Ib=0)时，集 电极和发射极之间加上规定反向电压 Vce时的集电极电流。Iceo大约是 Icbo的B倍即Iceo=(1+ B)Icbo o Icbo 和Iceo受温度影响极大，它们是衡 量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率错管的Iceo比硅管大。(3)发射极-基极反向电流Iebo集电极开路时，在发射极与基极之间加 上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。(4)直流电流放大系数B 1 (或hEF)这是指共发射接法，没有交流信号输 入时，集电极

16、输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：B1=Ic/Ib2、交流参数(1)交流电流放大系数B (或hfe)这是指共发射极接法，集电极输出电流 的变化量 Ic与基极输入电流的变化量 Ib之比，即：片 AIc/ AIb一般电晶体的B大约在10-200之间，如果B太小，电流放大作用差，如果B 太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。(2)共基极交流放大系数a (或hfb)这是指共基接法时，集电极输出电流 的变化是 Ic与发射极电流的变化量 Ie之比，即：a=AIc/ AIe因为Ic<Ie,故a<1。高频三极管的a > 0.90就可以使用a与B之间的关系：a= 0/ (1+

17、 0 )片 a/ (1- a ) =1/ (1- a )(3)截止频率fB、f a当B下降到低频时0.707倍的频率，就什发射极的截 止频率f B ;当a下降到低频时的0.707倍的频率，就什基极的截止频率f ao fB、fa是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为： f0 = (1-a)fa(4)特征频率 仃因为频率f上升时，B就下降，当B下降到1时，对应的fT 是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。3、极限参数(1)集电极最大允许电流ICM当集电极电流Ic增加到某一数值，引起B值 下降到额定值的2/3或1/2 ,这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM 时，虽然不致使管子损

18、坏，但B值显著下降，影响放大品质。(2)集电极-基极击穿电压BVCBO当发射极开路时，集电结的反向击穿 电压称为BVEBO。(3)发射极-基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时，发射结的反向 击穿电压称为BVEBO。(4)集电极-发射极击穿电压BVCEO当基极开路时，加在集电极和发 射极之间的最大允许电压，使用时如果 Vce >BVceo ,管子就会被击穿。(5)集电极最大允许耗散功率 PCM集电流过Ic,温度要升高，管子因受 热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即 Pc=Uce XIc.使用 时庆使Pc<

19、;PCM。PCM与散热条件有关，增加散热片可提高 PCM。晶体三极管用途 晶体三极管的用途主要是交流信号放大，直流信号放大和电路开关 晶体三极管偏置使用晶体管作放大用途时，必须在它的各电极上加上适当极性的电压，称为“偏置电压”简称“偏压”， 又“偏置偏流”。电路组成上叫偏置电路。 新艺图库晶体管各电极加上适当的偏置电压之后，各电极上便有电流流动。通过发射极的电流称为“射极电流”，用IE表示；通过基极的电流称为“基极电 流”，用旧表示；通过集电极的电流称为“集极电流”，用 IC表示。1E基亚箪流- 1C集程重流 一 IE射鹿重流图10晶体管三个电极的电流有一定关系，公式如下IE =旧 +IC晶体三极管的三种放大电路三极管放大电路当晶体管被用作放大器使用时，其中两个电极用作信号(待放大信号)的输入端子；两个电极作为信号(放大后的信号)的输出