第二章 半导体三极管

1、第第2章章 半导体三极管半导体三极管 2.1 三极管的结构、符号及分类三极管的结构、符号及分类 2.1.1 三极管的结构与符号三极管的结构与符号 2.1.2 三极管的分类三极管的分类 2.1.3 三极管的外部结构三极管的外部结构 2.2 三极管的电流分配与放大作用三极管的电流分配与放大作用 2.2.1 载流子的运动及各电极电流的形成载流子的运动及各电极电流的形成 2.2.2 电流放大作用电流放大作用 2.2.3 电流分配关系的测试电流分配关系的测试 第第2章章 半导体三极管半导体三极管 2.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 2.3.1 输入特性曲线输入特性曲线 2.3.2 输出特性曲线输出

2、特性曲线 2.4 三极管的主要参数及温度的影响三极管的主要参数及温度的影响 2.4.1 主要参数主要参数 2.4.2 温度对三极管的特性与参数的影响温度对三极管的特性与参数的影响 2.5 特殊三极管简介特殊三极管简介 2.5.1 光电三极管光电三极管 2.5.2 光电耦合器光电耦合器 本章重点本章重点 半导体三极管的基本结构半导体三极管的基本结构 三极管的电流分配与放大作用三极管的电流分配与放大作用 三极管实现放大作用的内部及外部条件三极管实现放大作用的内部及外部条件 三极管的基本特性三极管的基本特性本章难点本章难点 在放大区三极管具有基极电流控制集电极电流的特性在放大区三极管具有基极电流控制

3、集电极电流的特性 三极管的开关特性三极管的开关特性 用万用表判断三极管的类型、管脚及三极管质量的好坏用万用表判断三极管的类型、管脚及三极管质量的好坏第第2章章 半导体三极管半导体三极管2.1 三极管的结构、符号及分类三极管的结构、符号及分类 2.1.1 三极管的结构与符号三极管的结构与符号半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为因此，还被称为双极型晶体管双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT）。）。 BJT是由两个是由两个P

4、N结组成的。结组成的。NPN型PNP型符号符号:-bce-ebc 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极2.1.2 三极管的分类三极管的分类 按结构类型分为按结构类型分为NPNNPN型管和型管和PNPPNP型管型管按材料分为硅管和锗管按材料分为硅管和锗管 按功率大小分为大功率管、中功率管和小功率管按功率大小分为大功率管、中功率管和小功率管 按工作

5、频率分为高频管和低频管按工作频率分为高频管和低频管 按其工作状态分为放大管和开关管按其工作状态分为放大管和开关管2.1.3 三极管的外部结构三极管的外部结构 常见三极管的外形结构图常见三极管的外形结构图 5/16/2022 半导体三极管的型号半导体三极管的型号第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、 G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管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

6、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国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B2.2 三极管的电流分配与放大作用三极管的电流分配与放大作用 三极管实现放大作用的内部条件，制作时：三极管实现放大作用的内部条件，制作时：基区做得很薄，且掺杂浓度低基区做得很薄，且掺杂浓度低发射区的掺杂浓度高发射区的掺杂浓度高集电结面积大于发射结面积集电结面积大于发射结面积外部条件，即发射结正向偏置，集电结反向偏置外部条件，即发射结正向偏置，集电结反向偏置 5/16/2022若在放大工作状态：若在放

7、大工作状态：发射结正偏：发射结正偏：+UCE UBEUCB集电结反偏：集电结反偏：由由VBB保证保证由由VCC、 VBB保证保证UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区 三极管在工作时要加上三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。适当的直流偏置电压。2.2.1 载流子的运动及各电极电流的形成载流子的运动及各电极电流的形成 1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（1 1）因为发射结正偏，所以发）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子射区向基区注入电子 ，形成了形成了扩散

8、电流扩散电流IEN 。同时从基区向发。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为的电流为IEP。但其数量小，可忽但其数量小，可忽略。略。 所以发射极电流所以发射极电流I E I EN 。（2）发射区的电子注入基）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，少部分遇到的空穴复合掉，形成形成IBN。所以。所以基极电流基极电流I B I BN 。大部分到达了集电。大部分到达了集电区的边缘。区的边缘。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外，集电结区另外，集电结区的少子形成漂移的少子形

9、成漂移电流电流ICBO。 （3）因为集电结）因为集电结反偏，收集扩散到反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，集电区边缘的电子，形成电流形成电流ICN 。 动画演示5/16/20222电流分配关系电流分配关系IE =IC+IBNNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI定义：定义：ECNII ECBOECIIII(1)(1)IC与与I E之间的关系之间的关系:所以所以:ECII其值的大小约为其值的大小约为0.90.90.990.99。 三个电极上的电流关系三个电极上的电流关系:NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIECNICICBOI联立以下两式联立以下两式：CBO

10、ECIII BCEIII得：得：CBOBCCBOECIIIIII）（ 所以所以：CBOBC111III BCEOBCIIII 得：得： 1令令：CBOCEO11II BI2.2.2 电流放大作用电流放大作用 动画演示 在分析估算放大电路参数时取在分析估算放大电路参数时取通常情况下，通常情况下，=20200。 综上：综上：有一小有一小IB就可以获得大就可以获得大IC，实现了小基极电流，实现了小基极电流控制大集电极电流，这就是三极管的电流放大作用。控制大集电极电流，这就是三极管的电流放大作用。也证明了三极管是电流控制器件。当输入电压变化时，也证明了三极管是电流控制器件。当输入电压变化时，会引起输入

11、电流会引起输入电流(基极电流基极电流)的变化，在输出回路将引的变化，在输出回路将引起集电极电流较大变化，该变化电流在集电极负载电起集电极电流较大变化，该变化电流在集电极负载电阻阻 RC 上产生较大的电压输出。这样，三极管的电流上产生较大的电压输出。这样，三极管的电流放大作用就转化为电路的电压放大作用。放大作用就转化为电路的电压放大作用。2.2.3 电流分配关系的测试电流分配关系的测试 测试电路测试电路 三极管的三种接法：共射极、共集电极和共基极 三极管的三种电路 动画演示共发射极三极管各电极电流分配关系的测试电路 三极管电流分配关系的测试电路调RP，可测得IB、IC、IE，数据如表测试数据测试

12、数据 数据分析数据分析 IB/mA-0.00400.010.020.030.040.050.06IC/mA0.0040.011.091.983.074.065.056.06IE/mA00.011.102.003.104.105.106.12IB、IC、I IE E测试数据测试数据 满足基尔霍夫电流定律 lIB、IC、IE的关系：IE= IB+IClIC、IB的关系： 三极管的直流放大作用 三极管的交流放大作用CB1.091000.01IICB1.981.090.89890.020.010.01IIl当IE=0时，即发射极开路，IC=-IB l当IB=0时，即基极开路，IC=IE0 反向饱和电反

13、向饱和电流流ICBO 集电极集电极发发射极的穿透射极的穿透电流电流ICEO （1）uCE=0V时，相当于两个时，相当于两个PN结并联。结并联。2.3 BJT的特性曲线（共发射极接法）的特性曲线（共发射极接法）2.3.1 2.3.1 输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const+i-uBE+-uBTCE+Ci0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。再增加时，曲线右移很不明显。（2）当）当uCE=1V时，时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所

14、以基区复合减少，合减少， 在同一在同一uBE 电压下，电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3V 2.3.2输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const （1）当）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，时，因集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当当uCE 1V后，收后，收集电子的能力足够强。这集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成被集电极收集，形成iC。所以所以uCE再增加，再

15、增加，iC基本基本保持不变。保持不变。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲线。其他值的曲线。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说明。 动画演示饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等曲线基

16、本平行等 距。距。 此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有：BCII iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域:2.4 三极管的主要参数及温度的影响三极管的主要参数及温度的影响（2 2）共基极电流放大系数：）共基极电流放大系数： BCII BCii ECII ECii iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi一般取一般取2

17、0200之间之间2.31.538A60mA3 . 2BCII40A40)-(60mA)5 . 13 . 2(BCii（1 1）共发射极电流放大系数：）共发射极电流放大系数：1.电流放大系数电流放大系数 动画演示 （2）集电极发射极间的穿）集电极发射极间的穿透电流透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射基极开路时，集电极到发射极间的电流极间的电流穿透电流穿透电流 。其大小与温度有关。其大小与温度有关。 （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 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是它实际上就是一

18、个一个PNPN结的反向电流。结的反向电流。其大小与温度有关。其大小与温度有关。 锗管：锗管：I CBO为微安数量级，为微安数量级， 硅管：硅管：I CBO为纳安数量级。为纳安数量级。CBOCEO)1 (II+ICBOecbICEO2.极间反向电流极间反向电流 3.极限参数极限参数（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允）集电极最大允许功率损耗许功率损耗PCM 集电极电流通过集集电极电流通过集电结时所产生的功耗，电结时所产生的功耗， PC= ICUCE BICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM PC

19、MIc增加时，增加时， 要下降。当要下降。当 值下降到线性放大区值下降到线性放大区 值的值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。对于前面的电路（固定偏置电路）而言，对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由静态工作点由UBE、 和和ICEO决定，这三个参决定，这三个参数随温度而变化。数随温度而变化。UBE ICEO变变T变变IC变变2.4.2 温度对三极管的特性与参数的影响温度对三极管的特性与参数的影响温度对温度对UBE的影响的影响iBuBE25 C50CTUBEIBIC温度对温度对 值及值及ICEO的影响的影响T 、 IC

20、EOICiCuCE总的效果是：总的效果是：原因：温度升高，本征激发产生的载流子浓度增大，少子增多，所以ICBO增加，导致ICEO增大，从而使输出特性曲线上移放大电路的图解分析法 直流通路与交流通路直流通路与交流通路 静态分析静态分析 近似估算法 图解分析 电路参数变化对Q点的影响 动态分析动态分析 截止失真 饱和失真 交流负载线 最大不失真输出输出功率和功率三角形1. 直流通路与交流通路静态：只考虑直流信号，即vi=0，各点电位不变 （直流工作状态）。直流通路：电路中无变化量，电容相当于开路， 电感相当于短路交流通路：电路中电容短路，电感开路，直流 电源对公共端短路 放大电路建立正确的静态，是

21、保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。动态：只考虑交流信号，即vi不为0，各点电位变化 （交流工作状态）。直流通路TRRVb1b2bCCCCC+vovi电容Cb1和Cb2断开TRRVbCCC直流通路 即能通过直流的通道。从C、B、E向外看，有直流负载电阻， Rc 、Rb 。交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio+vovi直流电源和耦合电容对交流相当于短路TRRbC+_+_vovi若直流电源内阻为零，交流电流流过直流电源时，没有压降。设C1、 C2 足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零。在交流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。 交

22、流通路： 能通过交流的电路通道。从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻， Rc/RL和偏置电阻Rb 。2. 静态分析(1) 静态工作点的近似估算法静态工作点的近似估算法 已知硅管导通时VBE0.7V， 锗管VBE 0.2V以及 =40， 根据直流通路则有：VRIVVmAIIARVVICCQCCCEQBQCQbBECCBQ6 .5=6 .1=40=-Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流电路固定偏流电路RbRCvoviCb1Cb2VCC+Re0.5K330K4K15V =50例：电路及参数如图，求Q点值直流通路RbRCVCC330K4K15V =50Re0.5KVRIVIRIVVcCCCEcCCC