模拟1-4-1 三极管

1、1第五节第五节 晶体三极管晶体三极管21-5-1 1-5-1 晶体三极管的结构及类型晶体三极管的结构及类型一、关于结构：一、关于结构： 晶体三极管又称为晶体三极管又称为双极型晶体管双极型晶体管，简称，简称晶体晶体管管，三极管三极管等，一般由两个背靠背的等，一般由两个背靠背的PNPN结构成，结构成，根据这两个根据这两个PNPN结的排列方式不同，三极管分为结的排列方式不同，三极管分为NPNNPN型和型和PNPPNP型型两种。两种。 我们用图形来说明这两种类型的三极管的结我们用图形来说明这两种类型的三极管的结构：构：第五节第五节 晶体三极管晶体三极管34 晶体三极管又称双极型晶体管晶体三极管又称双极

2、型晶体管(BJT)(BJT)，一般由两个背靠，一般由两个背靠背的背的PNPN结构成，根据这两个结构成，根据这两个PNPN结的排列方式不同，三极管分结的排列方式不同，三极管分为为NPNNPN型和型和PNPPNP型型两种。两种。NPN型型CP PN NN NE EB B发射区集电区基区基极发射极集电极集电结发射结PNP型型N NP PP PE EB B基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCNPNBETCPNP5E 不管是不管是NPNNPN型还是型还是PNPPNP型都分为：型都分为： 三个区：发射区、基区、集电区三个区：发射区、基区、集电区E 制做时在这三个区各引出一个电极，命制做时

3、在这三个区各引出一个电极，命名为：名为：发射极发射极E E、基极、基极B B、集电极、集电极C C。 E 这三个区构成两个这三个区构成两个PNPN结，其中：结，其中：E 发射区与基区形成发射区与基区形成发射结发射结，用，用JeJe表示；表示；E 集电区与基区形成集电区与基区形成集电结集电结，用，用JcJc表示。表示。 6 二、种类和符号：二、种类和符号：E 晶体管的制做工艺很多也很复杂，常见的有：掺杂、晶体管的制做工艺很多也很复杂，常见的有：掺杂、光刻、扩散等，而且常见的晶体管种类都是平面型管。光刻、扩散等，而且常见的晶体管种类都是平面型管。E 晶体管的三个区由于掺杂工艺的不同，可形成两种类晶

4、体管的三个区由于掺杂工艺的不同，可形成两种类型的管子。型的管子。E 第一种为第一种为NPNNPN型：即由两块型：即由两块N N型半导体中间夹着一块型半导体中间夹着一块P P型半导体的管子称为型半导体的管子称为NPNNPN管。管。E 第二种为第二种为PNPPNP型：即由两块型：即由两块P P型半导体中间夹着一块型半导体中间夹着一块N N型半导体的管子称为型半导体的管子称为PNPPNP管。管。 7这两种管子在电路的符号为：（要求牢记）这两种管子在电路的符号为：（要求牢记）NPNNPNEPNPPNPECBCB8三、晶体三极管的三种连接方式：三、晶体三极管的三种连接方式：E 晶体三极管为三端器件，接入

5、电路中要成为双晶体三极管为三端器件，接入电路中要成为双口网络，因此，就必有一个电极作为输入口和输出口网络，因此，就必有一个电极作为输入口和输出口的公共端，因此，三极管接入电路中就有以下三口的公共端，因此，三极管接入电路中就有以下三种连接方式：种连接方式：E 共发射极接法：共发射极接法： I Ib b为输入电流，为输入电流，I Ic c为输出电流，为输出电流， 而且：而且： I Ic c = F( I= F( IB B ) )E共基共基 极接法极接法 : : I Ic c = F( I = F( IE E ) )E共集电极接法共集电极接法 : : I IE E = F( I= F( IB B )

6、 )9NPNNPN型管的三种接法：型管的三种接法： 共发射极接法共发射极接法 共基极接法共基极接法 共集电极接法共集电极接法CCCBBBECCECCEBBECEIBICIEICIBIE10 四、晶体三极管的主要特性：四、晶体三极管的主要特性：E 与二极管不同，与二极管不同， 晶体三极管的主要特性与晶体三极管的主要特性与它的三种工作模式或工作状态有关：它的三种工作模式或工作状态有关： 放大模式放大模式： 此时此时, ,晶体管的晶体管的 J JE E 正偏，正偏，J JC C 反偏反偏 。这一模。这一模式主要表现为式主要表现为正向受控作用正向受控作用，即：晶体三极管，即：晶体三极管的集电极电流和发

7、射极电流只受正偏发射结电的集电极电流和发射极电流只受正偏发射结电压的控制，而几乎不受集电结反偏电压的控制。压的控制，而几乎不受集电结反偏电压的控制。11E 这种作用首先表现为电流放大。其次表现为电压这种作用首先表现为电流放大。其次表现为电压放大，（电压放大是由电流放大转换而来的）。放大，（电压放大是由电流放大转换而来的）。饱和模式饱和模式： 此时管子工作在此时管子工作在 J JE E 和和 J JC C 均正向偏置状态。均正向偏置状态。截止模式截止模式： 此时管子工作在此时管子工作在 J JE E 和和 J JC C 均反向偏置状态。均反向偏置状态。 后两种状态呈现受控开关特性，是实现开关电路

8、后两种状态呈现受控开关特性，是实现开关电路的基础。的基础。121-5-2 1-5-2 放大模式下三极管的工作原理放大模式下三极管的工作原理E 在放大模式下，三极管的主要作用是放大作用，这种在放大模式下，三极管的主要作用是放大作用，这种放大作用不是一般的放大，它具有以下两方面的含义：放大作用不是一般的放大，它具有以下两方面的含义： 是放大的对象是变化量是放大的对象是变化量 是指对能量的控制作用的放大，即能量的放大。是指对能量的控制作用的放大，即能量的放大。 13E 为定性说明这一正向控制作用的实现，现为定性说明这一正向控制作用的实现，现以以NPNNPN管的简单共射放大电路管的简单共射放大电路为例

9、，着重阐述为例，着重阐述工作在放大模式下的晶体管内部载流子的传输工作在放大模式下的晶体管内部载流子的传输过程。过程。14工作在放大模式下的晶体管内部载流子的传输过程。工作在放大模式下的晶体管内部载流子的传输过程。1516一、三极管内部载流子的传输情况一、三极管内部载流子的传输情况 在发射区：向基区发射电子的情况：在发射区：向基区发射电子的情况： 发射结发射结Je Je正向偏置，扩散运动为主流，阻挡层正向偏置，扩散运动为主流，阻挡层变窄，则发射区的多子（电子）源源不断地越变窄，则发射区的多子（电子）源源不断地越过发射结到达基区，同时，基区的空穴（多子）过发射结到达基区，同时，基区的空穴（多子）也

10、会扩散到发射区，成为发射区的也会扩散到发射区，成为发射区的非平衡少子非平衡少子，这两种多子产生的扩散电流分别记为：这两种多子产生的扩散电流分别记为： I IENEN和和 I IEPEP 17 三极管的连接方式三极管的连接方式BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。1、共发射极接法、共发射极接法 2

11、、共集电极接法、共集电极接法 3、共基极接法、共基极接法1.3.3 电流放大原理电流放大原理18BECNNPEBRBECIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为集子作为集电结的少电结的少子，漂移子，漂移进入集电进入集电结而被收结而被收集，形成集，形成ICE。载流子传输过程载流子传输过程 发射、复合、收集发射、复合、收集19IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE各极电流关系各极电流关系20E 此时，

12、此时，I IEN EN 和和 I IEPEP方向相同，方向相同， E 但由于基区低掺杂且薄，所以有：但由于基区低掺杂且薄，所以有： E I IEP EP I V VE E，E JeJe中的扩散运动中的扩散运动 漂移运动漂移运动E 在忽略在忽略I IEPEP的情况下，的情况下，JeJe中的扩散运动形成中的扩散运动形成了了I IE E。21结论：结论：发射区的电子源源不断越过发射区的电子源源不断越过PNPN结到达基区结到达基区形成形成 I IENEN基区的空穴电子源源不断越过基区的空穴电子源源不断越过PNPN结到达发结到达发射区形成射区形成 I IEPEP则：发射极电流则：发射极电流 I IE E

13、 = I= IEN EN + I+ IEP EP IIEN EN ( I( IEPEP IIIEPEP 即：使发射结为不对称结，且基区低掺杂，以减小即：使发射结为不对称结，且基区低掺杂，以减小 I IEP EP 在在 I IENEN中的比例。中的比例。（2 2）令基区宽度很小，以保证基区中的非平衡少子（发）令基区宽度很小，以保证基区中的非平衡少子（发射区注入的电子）在向集电结扩散过程中绝大部分被能射区注入的电子）在向集电结扩散过程中绝大部分被能到达集电结，仅有极少部分被复合掉，即减小到达集电结，仅有极少部分被复合掉，即减小I IBNBN的比例。的比例。25（3 3）令集电结面积大于发射结，以保

14、证扩散到集电）令集电结面积大于发射结，以保证扩散到集电结边界处的非平衡少子全部漂移到集电极，形成受控结边界处的非平衡少子全部漂移到集电极，形成受控的集电极电流。的集电极电流。 这样一来，管子在做成以后，这样一来，管子在做成以后，I Ic c 和和 I IB B的比例基本保的比例基本保持一定。因此我们可以通过改变持一定。因此我们可以通过改变I IB B的大小控制的大小控制 I Ic c。这。这就是三极管的就是三极管的电流放大作用。电流放大作用。26二、电流传输方程二、电流传输方程E 即：三极管的电流分配关系即：三极管的电流分配关系E 电流传输方程是指三极管在正向受控过程中各电电流传输方程是指三极

15、管在正向受控过程中各电极的电流之间的关系。极的电流之间的关系。E 传输方程的推导如下：传输方程的推导如下：BCEOBCIIII BCEOBEIIII)1()1( 27E 对于一个高品质的晶体管，我们希望其正向受控作用对于一个高品质的晶体管，我们希望其正向受控作用要好。也就是要求：要好。也就是要求： E I ICNCN I IBNBN； 即希望即希望I ICNCN在在I IE E中占有很高中占有很高E I IEN EN I IEP EP ；的比例。的比例。E 因此：我们通常用因此：我们通常用I ICNCN和和I IE E的比值来衡量管子的质量。的比值来衡量管子的质量。E所以定义：所以定义：E上式

16、称为共基极直流电流放大系数，并与上式称为共基极直流电流放大系数，并与I IE E的值有关，的值有关， = 0.98 = 0.98 0.990.99ECNII/ 128E 再将再将 代入代入 I IC C=I=ICNCN+I+ICBO CBO E 即得即得: : 在上式中，用在上式中，用I IE E表示了表示了I IC C，即把，即把I IE E作为输入作为输入回路电流，而把回路电流，而把I IC C作为输出回路电流，并以基极作为输出回路电流，并以基极为公共端，所以，是共基极电流的电流传输关为公共端，所以，是共基极电流的电流传输关系式。系式。E EC CN NI II I C CB BO OE

17、EC CI II II I29E 但在共射极电路中，要把但在共射极电路中，要把 I IB B 作为输入回路电作为输入回路电流，流，I IC C 作为输出回路电流，基极作为公共端。故作为输出回路电流，基极作为公共端。故为得到为得到 I IC C 和和 I IB B的关系：的关系：E 将将 I IE E= I= IC C + I+ IB B 代入代入 中中E 得：得：CBOCBOE EC CI II I I I C CB BO OB BC CI I 1 11 1I I 1 1 I I 30E 此时定义：此时定义： E 称为共射电流放大系数称为共射电流放大系数 E上式变为：上式变为： E 同时：同时

18、： E 这两个公式中令这两个公式中令： E I ICEOCEO称为穿透电流，又叫称为穿透电流，又叫I ICEO(pt)CEO(pt)，即基极开路（即基极开路（I IB B=0=0）时）时由集电极直通到发射极的电流。由集电极直通到发射极的电流。 11CBOBCIII)1 (CBOBBCEIIIII)1 ()1 (CBOCEOII)1 (31E一般地：一般地：E 故：忽略故：忽略 I ICEO CEO 的影响的影响E使得：使得：E 注意：注意：E 这两个式子是以后我们在分析运算中常用的近似这两个式子是以后我们在分析运算中常用的近似关系。关系。1BCBOIIBCEOBCIIIIBCEOBEIIII)1 ()1 (32三、三极管的电流放大作用三、三极管的电流放大作用E 从三极管中载流子的运动情况可知，我们从三极管中载流子的运动情况可知，我们只要在制造上将基区做得很薄，掺杂浓度又只要在制造上将基区做得很薄，掺杂浓度又低，那么从发射区扩散过来的电