模拟电子技术基础：第3讲 晶体管

1、主要内容晶体三极管(BJT)的历史、结构和种类BJT的电流放大作用内部载流子的运行电流之间的分配关系共基/射极电流放大系数BJT共射特性曲线输入特性曲线输出特性曲线BJT的主要参数第一章常用半导体器件1.3 晶体三极管辉煌历史1999年，洛杉矶时报评选出了“本世纪经济领域50名最有影响力人物”，并列第一的是美国发明家维廉肖克利（William Shockley，1910-1989）、罗伯特诺伊斯（Robert N.Noyce，1927-1990）和杰克基尔比（Jack S.Kilby）， transconductance(跨导)的前缀与varistor(可变电阻)的后缀构成一个新词transi

2、stor(晶体管)，1957年获得诺贝尔物理学奖。晶体三极管1947集成电路1958集成电路1958贝尔实验室肖克利巴丁朱棣文肖克利实验室（1955）硅谷仙童（1957）Intel（1968）两次获得诺贝尔物理学奖 半导体三极管有两大类型， 一是双极型半导体三极管(BJT) 二是场效应半导体三极管(FET) 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。晶体三极管第一章常用半导体器件1.3 晶体三极管双极型：参与导电的有空穴和电子两种载流子。分类：按材料：硅管、锗管按功率：

3、大功率、中功率、小功率按工作频率：高频管、低频管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）一、晶体管的结构和类型两种结构类型：NPN、PNP1. 由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结。2. 发射区掺杂浓度高、基区薄且掺杂浓度低、集电结面积大BECBEC （1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注入基区后，少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘

4、。二、晶体管的电流放大作用1.内部载流子的运动IBN（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成集电极收集电流ICN 。另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。2.电流之间的分配关系IB = IBN +IEP- ICBOIC = ICN +ICBOIE = ?IE = IEN + IEP= ICN +IBN+ IEP IBN三极管各区的作用:发射区向基区提供载流子基区传送和控制载流子集电区收集载流子发射结加正向电压集电结加反向电压三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压， 才能起放大作用。外部工作条件：发射结加正向电压即发射结正偏；集电结加反向电压即集电结反偏。 双极型三极管有三

5、个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；三种组态发射结正偏，集电结反偏IE=IB+ IC(1) 因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。(2) 电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流I

6、B，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。也就是说，注人基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。(3)集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流Ic。与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区，形成很小的反向饱和电流Icbo。 共基极接法BJT的放大运行晶体管的电流分配关系动画演示 对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义: 称为共基极直

7、流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1，一般为0.980.999 。由此可得:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= IC+ IB+ICBO3.晶体管的共基电流放大系数4.晶体管的共射电流放大系数 为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为 含义是：基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去。 其中，穿透电流 很小，近似认为： 发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。 基极电流传输系数：集电极电

8、流放大系数： 和 与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般 = 0.90.99 ， 1。 是所加信号频率的函数，信号频率高到一定程度时， 不但数值下降，且产生相移，使 数值下降到1的信号频率称为特征频率fT。5. 电流分配关系小结uBE = ube + UBE(2) 放大原理设输入信号ui=Uimsint V那么iB = ib + IBiC = ic + ICuCE = uce + UCEuce = icRC其中UCE = VCC ICRC放大电路TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iEa. 在RC两端有一个较大的交流分量可供输出。uce = icRCuCE = uce +

9、UCE由可知ui ibicicRcb. 交流信号的传递过程为TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iE2发射结正向偏置、集电结正向偏置饱和状态 (2) IC bIB，IB失去了对IC的 控制。(1) UCEUBE，集电结正向偏。饱和状态的特点(3) 集电极饱和电压降UCES较小，小功率硅管为 0.30.5V 。(5) UCE对IC的影响大，当UCE增大，IC将随之增加。(4) 饱和时集电极电流(2) IC=ICBO3发射结反向偏置、集电结反向偏置截止状态截止状态的特点(1) 发射结反偏(3) IB=ICBO4发射结反向偏置、集电结正向偏置倒置状态(1) 集电区扩散到基区的多

10、子较少倒置状态的特点(2) 发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小(3) 管子的电流放大系数很小三、晶体管的共射特性曲线1.输入特性曲线 iB=f (uBE) uCE=CONST CB EB是输入电极，C是输出电极，E是公共电极。iB是输入电流，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E两电极取出。 1. Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，集电结没有吸引电子的能力，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。2. 当Uce 1V时， Ucb= Uce - Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， 特性曲线将向右

11、稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。3. Uce 介于0-1V之间时，JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着Uce 的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。现以iB=60uA一条加以说明。 （1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。 2.输出特性曲线 iC=f (uCE) IB=CONST饱和区:iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的数值

12、较小，一般 uCE 0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏截止区：iB=0的曲线的下方的区域iB=0, iC=iCEO NPN：uBE0.5V,管子就处于截止状态通常该区：发射结反偏，集电结反偏。输出特性曲线可以分为三个区域:放大区iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。(1) 发射结正偏，集电结反偏，电压uBE大于0.7V左右(硅管) 。(2) iC= iB,即IC主要受IB的控制。(3) a. UCEUBEb. ICIBc. UCE增大， IC 增大输出特性曲线中三个区的特点(1) 饱和区a. UCEUBEb. IC=IBc. IC与UCE无关(2) 放大区(3) 截止区a. IB0

13、b. IC0三极管处于放大状态时，三个极上的 电流关系： 电位关系：晶体管工作情况总结NPN管与PNP管的区别iB、uBE、iC、 iE 、uCE的极性二者相反。NPN管电路PNP管电路硅管与锗管的主要区别(3) 锗管的ICBO比硅管大(1) 死区电压约为硅管0.5 V锗管0.1 V(2) 导通压降|uBE|约为锗管0.3V硅管0.7 V四、晶体管的主要参数直流参数共基直流电流放大系数共基交流电流放大系数共射交流电流放大系数共射直流电流放大系数极间反向电流2. 交流参数特征频率fTiCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI=100uACBI=60uAi2

14、. 交流参数 (1) 共基极交流电流放大系数 值与iC的关系曲线(2) 共射极交流电流放大系数 iCO3. 极限参数四、晶体管的主要参数 ICM 集电极最大允许电流 当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的2/3时所对应的最大集电极电流当ICICM时，三极管并不一定会损坏。 PCM 集电极最大允许功耗晶体管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流。集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM= iC uCE ，3. 极限参数(4) 集电极最大允许电流ICM(1) 集电极开路时发射极基极间反向击穿 电压U(BR)EBO (2) 发射极开路时集电极基极间反向击穿

15、 电压U(BR)CBO (3) 基极开路时集电极发射极间反向击穿 电压U(BR)CEO 反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。V (BR) CBO V (BR) CES V (BR) CER V (BR) CEO四、晶体管的主要参数3. 极限参数-(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU 温度对晶体管的uBE、ICBO和有不容忽视的影响。 uBE 、 ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即温度每升高1， uBE减小2-2.5mV； 温度每升高10， ICBO增大一倍。 温度对的影响表现为，随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1，值增大0.5%-1%。 五、温度对晶体管特性和