三极管的特及其应用毕业光敏电阻

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三极管的特及其应用毕业光敏电阻三极管的特及其应用毕业光敏电阻江 汉 大 学JiangHan UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目：三极管的特性及其应用学生姓名：钱堃学生学号：201007102104专业班级：2010级光信息科学和技术学院名称：物理和信息工程学院指导老师：兰红霞江 汉 大 学毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在老师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出主要贡献的

2、个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名：钱堃日期：2014 年 4 月 25 日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。本论文属于1、保密 ，在 年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相对应方框内打“”）学 生签名：钱堃日期：2014 年 4 月 25 日指导教师签名：兰红霞日期：2014 年 4 月 25

3、 日三极管的特性及其应用摘 要晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及的时候、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置即变成了现实。主要词：三极管；半导体；固态革命 Characteristics and application of triodeAbstract Transistor improve and brought "solid of revolution". And then promo

4、te the semiconductor electronics industry worldwide.As the main part, it is timely and generally applied in the first communication tools. And a great economic benefit has been produced. The transistor revolutioni has changed thoroughly the electronics circuit. Integrated circuit and large scale int

5、egrated circuit emerge as the times require. Manufacture of high precision device such as high-speed electronic computers becomes a reality. Keywords: Triode, semiconductor, solid of revolution目 录JiangHan UNIVERSITYI绪 论1第一章.三极管的种类和结构2第一章.三极管的种类和结构Error! Bookmark not defined. 1.1三极管种类2 1.2三极管的内部结构2第三

6、章.晶体管的制造工艺2 2.1扩散型晶体管3 2.2合金型晶体管3 2.3平面型晶体管3第三章. 三极管内部载流子的运动4 3.1 工作区域4 3.2内部载流子的运动规律5第四章.三极管的模型6 4.1三极管的大信号模型6 4.1.1大信号模型6 4.1.2 分析方法7 4.2三极管的小信号模型7 4.2.1共射级电路8 4.2.2共基极电路8 4.2.3共集电极电路8 4.3三极管的频率响应电路模型（共射级电路为例）9 4.3.1密勒电容9 4.3.2三极管低频电路分析10 4.3.3三极管低频电路分析10第五章.三极管的应用11 5.1一般三极管的应用11 5.1.1差分放大电路11 5.

7、1.2功率放大器12 5.1.3稳压电路13 5.2特别三极管15 5.2.1光敏三极管15 5.2.2贴片三极管16 5.3三极管的特别用途16 5.3.1扩流16 5.3.2代换16 5.3.3模拟16结语17参考文献18致 谢19VV 绪 论（一）课题研究背景及意义晶体管是现代电子电路的核心元件，晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及的时候、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置即变成了现实。 我们生活中所接

8、触的一些电子产品，例如：电视，手机，电脑里面都含有一些三极管，我们可以通过对三极管的研究，来弄清楚这些生活中接触到得电子产品在电路组成上的一些特性，我们也可以通过对三极管的研究来了解如何避免错误使用导致这些电子产品的损坏以及继承前人的经验，结合现在的科学技术来研究更加具有经济效益的三极管。（二）研究现状我国是当今世界最大的发展中国家，我国的三极管制作工艺已经走在世界的领先水平。并且我国有制造三极管的种类的数量在世界上也是首屈一指的。只有把握的时候代的契机，才能实现科学技术的进步，三极管作为电子电路中的基本元器件，同的时候也涉及到很多有关半导体物理里面的知识。所以对于研究三极管的一些特性，以及三

9、极管自身的一些应用，也是很有必要的。（三）研究思路 通过查阅收集相关的资料以及试验相结合，了解目前三极管的一些特性及其应用的一些情况和三极管在现代社会中的发展现状，对三极管的特性及其应用再进行一些分析。（四）研究方法1.文献资料法：通过查阅和收集关于三极管应用及发展相关的文献材料。2.进行一些理论性的试验：在物理试验室里面对测试三极管的一些特性3.数理统计法：对获得的材料进行整理。 第一章.三极管的种类和结构 三极管的结构是由两个结区和三个引脚所组成：发射区和基区之间构成的PN结被称之为发射结,而集电区和基区构成的PN结被称之为集电结,三条引线分别被称之为发射极e、基极b和集电极。1.1三极管

10、的种类1.按材质分类: Si管、Ge管2.按结构分类: NPN 、 PNP。3.按功能分类: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等. 4. 按功率分类：小功率管、中功率管、大功率管5.按工作频率分类：低频管、高频管、超频管6.按结构工艺分类：合金管、平面管7.按安装方式分类:插件三极管、贴片三极管 图1.1.1晶体三极管 由于在我们现实生活中，NPN三极管所使用的频率大大的超过了PNP三极管，所以，在本文中，我们所探讨的三极管类型主要是按照NPN来研究的。后文所出现的三极管，如果没有特别说明，均认为是NPN型。1.2三极管的内部结构1.三极管的结构特点(1) 基区十分的薄，且掺杂浓度低；(2)

11、发射区掺杂浓度要比基区以及集电区高得多；(3) 集电结的结面积比发射结大。2三极管的内部结构示意图 图1.2.1三极管的内部机构以及符号（左边为NPN型，右边卫PNP型） 第二章.晶体管的制造工艺2.1扩散型晶体管 在高温的P型杂质气体中，而加热N型Ge或者Si的单晶片，从而使得单晶片的一面变成P型，应用此种方法制成的PN结。因为PN结正向电压的压降比较小，所以应用于大电流整流。最近一段的时候间内，使用大电流整流器的主流已由Si合金型转移到Si扩散型。2.2合金型晶体管 在N型Ge或Si的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而构成的。正向电压的压降小，适于大电流整流。因为其PN结反向

12、的时候静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。2.3平面型晶体管在半导体单晶片（主要地是N型Si单晶片）上，扩散P型杂质，利用Si片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型Si单晶片上仅选择性地扩散一部分而构成的PN结。因为此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，所以得名。并且，PN结合的表面，因为被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法构成的，所以又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。 第三章. 三极管内部载流子的运动3.1工作区域 三个工作区域分别为

13、：截止区，放大区，饱和区1 截止区：三极管工作在截止状态，当发射结电压Ube小于0.60.7V的导通电压，发射结没有导通集电结处于反向偏置，没有放大作用。2 放大区：三极管的发射极加正向电压（Ge管约为0.3V，Si管约为0.7V），集电极加反向电压导通后，Ib控制Ic，Ic和Ib近似于线性关系，在基极加上一个小信号电流，引起集电极大的信号电流输出。3 饱和区：当三极管的集电结电流IC增大到一定程度的时候，再增大Ib，Ic也不会增大，超出了放大区，进入了饱和区。饱和的时候，Ic最大，集电极和发射之间的内阻最小，电压Uce只有0.1V0.3V，Uce<Ube（Si管0.3V，Ge管0.1V

14、），发射结和集电结均处于正向电压。三极管没有放大作用，集电极和发射极相当于短路，常和截止配合于开关电路。饱和的时候开关通路；截止的时候，开关断路参见三极管工作原理。图3.1.1三极管工作区域的伏安特性曲线 PS：而如何区分这三个区域，我们不仅可以从上面的伏安特性曲线中得出，还可以从2个结区上面来看，有如下规则：1. 当发射结正向偏置、集电结反向偏置，该三极管即工作在放大状态； 2当其发射结和集电结都是正向偏置的时候，该三极管即工作在饱和状态； 3当其发射结和集电结都是反向偏置的时候，该三极管即工作在截止状态。3.2内部载流子的运动规律1.电流分配关系 图3.2.1三极管内部电流分配关系示意图

15、2.  载流子在基区中扩散和复合的过程  由发射区注入基区的电子载流子，其浓度从发射结边缘到集电结边缘是逐渐递减的，即构成了一定的浓度梯度，因为而，电子便不断地向集电结方向扩散。由于基区宽度制作得很小，且掺杂浓度也很低，从而大大地减小了复合的机会，使注入基区的95以上的电子载流子都能到达集电结。所以基区中是以扩散电流为主的，且扩散和复合的比例决定了三极管的电流放大能力。3. 集电区收集载流子的过程 集电结外加较大的反向电压，使结内电场很强，基区中扩散到集电结边缘的电子，受强电场的作用，迅速漂移越过集电结而进入集电区，构成集电极电流Inc。另一方面，集电结两边的少数

16、载流子，也要经过集电结漂移，在c，b之间构成所谓反向饱和电流ICBO，不过，ICBO一般很小，而集电极电流： INC +ICBO INC GS0105 同的时候基极电流： IB = IPB +IE -ICBOIPB - ICBO GS0106 反向饱和电流ICBO和发射区无关，对放大作用无贡献，但是它是温度的函数，是管子工作不稳定的主要因为素。制造的时候，总是尽量设法减小它。 第四章.三极管模型4.1三极管的大信号模型4.1.1大信号模型（以共射级为例） 图4.1.1共射级大信号模型（放大区）图4.1.2截止区模型图4.1.3饱和区模型4.1.2分析方法

17、存在两种分析方法，一种是图解法，一种是等效计算法。因为图解法在任何情况下都可以使用，不具有这个模型的独特性，所以此处，我们暂的时候不谈图解法。我们主要谈一下等效计算法。大信号模型等效计算法：由上图可以表示出大信号等效模型，BE结等效成正偏的二极管，集电结等效成受控电流源，基极和集电极的电流分别由下面的式子表示：我们在近似分析中，也可以把BE结的电压看做常量来进行分析。PS：如果分析的是PNP管。则大模型等效电路中，电流表达式和NPN管相同，只是所加的电压极性和电流的方向不同罢了。4.2三极管的小信号模型 由于三极管的小信号分析方法除了等效电路图不同以外，其他的都大致相同，所以分析方法仅详细描述

18、共射级电路。后面的共基极和共集电极电路均只做出相对应的小信号模型。小信号模型需知：电路中电容均可视为导线（即短路）。4.2.1共射极电路 图4.2.1共发射极电路（左边为实际电路，右边为等效电路） 计算方法以及分析的步骤： 1画出实际电路的小信号等效电路图 2先求出静态工作电压和电流Ibq，Icq，Ieq，Vbq，Vcq，Veq。所利用的方法是将电容等效为开路，而认为三极管的Vbe为一个常数（一般Si管0.7v） 3. 再计算出Rbe。Rbe=26mv/Ieq。 4. 再计算出电压放大倍率以及输入输出电阻。其中放大倍率A=-Rl/Rbe。4.2.2共基极电路图4.2.2共基极放大电路（左为实际

19、电路，右为等效电路）4.2.3共集电极电路 图4.2.3共集电极放大电路（左为实际电路，右为等效电路）4.2.4小结：用一张图表总结下以上三个组态的特性。 图4.2.4放大电路三种组态的主要性能4.3三极管的低频和高频的时候的小信号等效电路模型（共射级电路为例） 4.3.1密勒电容 定义：跨接在放大器（放大工作的器件或者电路）的输出端和输入端之间的电容。密勒电容对于器件或者电路的频率特性的影响即称为密勒效应。密勒电容对BJT的影响：在共射组态中，集电结电容势垒电容正好是密勒电容，所以共射组态的工作频率较低。而在共基极组态中，集电结和发射结的势垒电容都不是密勒电容，所以共基组态的频率特性较好，工

20、作频率高、频带宽。因为此，把共射和共基组态结合起来，即可既提高了增益(共射的作用)，又改善了频率特性（共基的作用）。对于由共集电极和共射组态构成的达林顿管，情况和共射组态相同，所以频率特性较差。而对于共射-共集电极复合管，因为去掉了密勒电容，所以频率特性较好。4.3.2三极管低频电路分析 图4.3.1低频小信号等效电路图 相对应的频率计算公式以及放大率：而对于低频截止频率来说，应当要取f中更高的一个才行。4.3.3三极管高频电路分析 图4.3.2高频小信号等效电路相对应的频率计算公式以及放大率：其中高频截止频率 第五章.三极管的应用5.1普通三极管的应用5.1.1差分放大电路差分放大电路是利用

21、电路参数的对称性和负反馈作用，起到稳定静态工作点，从而使得放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于各种直接耦合电路和测量电路的输入级。但是总体来说差分放大电路结构复杂、分析繁琐，尤其是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，十分难以理解，因为而一直是模拟电子技术中的难点。(一）差分放大电路：按输入输出方式分：1. 有双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出2. 按共模负反馈的形式分：有典型电路射极带恒流源的电路图5.1.1差分放大电路(二）差分放大器的作用：差分放大电路是典型的直流放大电路基本形式，是运算放大器的前级电路，主要的特点是具有抑制零点漂移作用，是放

22、大直流信号和缓慢变化信号的电路。 (三）差分放大器的缺点：差分放大器没有检波和鉴相功能。这两项功能需要由另外的电路实现。5.1.2功率放大器 (一）功率放大器的定义：功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能去带动整个音响系统的任务，这的时候即需要在主机和播放设备之间加装功率放大器去补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供优良的音质输出。 (二）功率放大器的分类：1按适用范围可分为家用功放、专业功放；按用途可分为高保真(HI-FI)功放、AV功放；2按结构拼接形式可分为前置放大器、纯后级功放、合并式功放；

23、3.按其所用的元器件分可为电子管功放（胆机）、晶体管功放（石机）、胆石混合功放，其中晶体管功放又分为双极型晶体管功放、场效应管(FET)功放和集成电路lC组成的功放；4.按放大的信号形式分为模拟功放和数字(D类)功放；5.按输出级的工作状态可分为甲(A)类功放、乙(B)类功放、甲乙(AB)类功放、C类功放、D类功放（数字功放）等。6.功放还可按后级电路结构，分为OTL电路、OCL电路、BTL电路功放、直流伺服电路。 (三）功率放大器的原理：利用三极管的电流控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是

24、三极管的交流放大倍数，应用这一点，如若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，即得到了电流是原先的倍的大信号，这种现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，即完成了相对应的功率放大。图5.1.2功率放大器基本单元 求解思路：首先三极管作为功率放大器的一个基本单元，起着主要的作用，而此的时候两个三极管并非是工作在小信号情况下，顾无法利用小信号等效电路进行分析。所以此的时候如果要分析的话，必须采用图解法进行分析，这样可以简洁的计算出相对应的功率放大倍率。两个三极管基极所连的两个二极管和一个电阻是使这两个三极管的基极间有一个稳定的电势差，使

25、通电之后两个三极管处于微导通的状态。然后再由Vdd的电压值可以求出V0的值是多少。5.1.3稳压电路（以常见的串联稳压电路为例子）（一）稳压原理图 图5.1.3串联式稳压电路 （二）稳压原理：当电网电压波动（或负载电阻的变化）使输出电压UO上升的时候，取样电压UN增大，由于稳压管的电压UZ不变，运放的输入电压UNP(=UN-UP=UN-UZ)增大，使A的输出减小（即调整管的基极电位降低），而使调整管T的c-e压降低增大，从而调节输出电压UO（=UI-Uce）减小。使输出电压得到稳定。 （三）调整管的选择（即三极管的选择）： 在串联型稳压电路中，调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证

26、。调整管一般为大功率管，因为而选用原则和功率放大电路中的功放管相同，主要考虑其极限参数ICM、U（BR）CEO和PCM。1.ICM的选取 调整管中流过的最大集电极电流：ICmax=ILmax+I R1 其中ILmax为负载电流最大额定值，IR1为取样、比较放大和基准环节所消耗的电流，通常R1上的电流可忽略，所以ICM>ILmax 2.击穿电压的选取 当电网电压波动±10%的时候，稳压电路输入电压UI到最大值UImax，同的时候输出电压又最低的时候，调整管承受的管压降最大，所以要求调整管击穿电压： U（BR）CEO

27、60;>UImax -UOmin 3.功率PCM的选取 调整管可能承受的最大集电极功耗： PCmax=UCEmax ICmax=（UImax -UOmin）ICmax 其中UImax是考虑到电网电压波动±10%的时候，稳压电路输入电压的最大值，UOmin是输出电压的最小额定值。所以要求： PCM >(UImax -UOmin)´Ilmax5.2特别三极管 5.2.1光敏三极管 一）光敏三极管和普通三极管的差异：光敏三极管和普通三极管相比起来，也有电流放大作用，区别

28、只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同的时候也受光辐射的控制。 二）光敏三极管的优越性：当具有光敏特性的PN结受光辐射的时候，构成光电流，由此产生的光生电流会由基极进入发射极，从而在集电极回路中可以得到一个放大了相当于倍的信号电流。由不同材料制成的光敏三极管是具有不同的光谱特性，和光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。 三）光敏三极管的作用： 1.测量光的亮度：例如安装一个控制电路，当太阳升起的时候，由于亮度达到一定程度的时候，所有日光灯管当无法正常启动，这即要利用到光敏三极管。 2.光电隔离：光敏三极管也起到传输信号的作用，光电隔离器以光为媒介传输电信号。他对于

29、输入和输出信号具有优良的隔离性。而且其还能够完成电-光-电的转换。 3.非接触测量转速：转矩传感器在旋转轴上需要安装着60条齿缝的测速轮，在传感器的外壳上安装一只由发光二极管以及光敏三极管所组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线所遮挡住的时候，光敏三极管即可以输出一个高电平，当光线经过齿缝而射到光敏管的窗口的时候，光敏管即给输出一个低电平，旋转轴每转一圈可得到60个脉冲，由此，每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟的转速值。5.2.2贴片三极管作用：贴片三极管的基本作用是放大，它也可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，并且这种转化是遵循能量守恒的。而且贴片三极管在非放大区工作的时候还可以当做开关来使用。5.3三极管的特别用途 5.3.1扩流把一只小功率可控Si和一只大功率三极管组合，即可得到一只大功率可控Si，其最大输出电流由大功率三极管的特性决定。 图5.3.1扩流方法5.3.2代换 两只三极管串联可直接替代调光台灯中的双向触发二极管；三极管可替代8V左右的稳压管。三极管可替代30V左右的稳压管。以上应用的时候，三极管的基极均不使用。5.3.3模