晶体管定义和结构

1、晶体管定义和结构模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。有源元件：能够控制能量的元件。模拟电路电路的基本形式及它们之间的联系抽样数据电路模拟电路数字电路抽样电路编码器滤波器解码器模拟信号输入模拟信号输出抽样信号数字信号双极型晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。双极型模拟集成电路中常用的基本单元电路的组成、工作原理、性能指标和分析计算方法：三种基本组态放大电路电流源电路差放电路功率放大电路多级放大电路内容提要双极型晶体三极管，简称晶体管，常称三极管，具有三个电极。称为双极型的原因：参与导电的有空穴和电子两

2、种载流子。由于由两个PN结构成，所以称为双极型晶体管。特点：具有对信号进行放大的作用从结构来看，可以分为NPN与PNP两种类型，其工作原理类似。分类：按材料，按频率，按功率。第一节 双极型晶体管概 述e b c第一节 双极型晶体管三极管示意图2.1.1 工作原理集电区基区发射区NPN集电极C基极B发射极E薄高掺杂浓度与基区的接触面积较大集电结发射结NPN型三极管的结构NPN管的电路符号 工作原理一.结构特点PNP集电区基区发射区集电极C基极B发射极E集电结发射结PNP型三极管的结构PNP管的电路符号一.结构特点 工作原理集电区基区发射区NPN集电极C基极B发射极E薄高掺杂浓度与基区的接触面积较

3、大集电结发射结从组成结构上来看，三极管由两个背靠背的PN结构成那么，能否反过来用两个PN结或者二极管构成三极管？ 工作原理一.结构特点 内部：发射区杂质浓度高；基区很薄且杂质浓度很低；集电区面积大。 外部：发射结加正向电压；集电结加反向电压。二.放大状态工作条件 工作原理发射区基区集电区 工作原理二.内部载流子的运动NNP1）发射区向基区注入电流 IEN。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN ，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。2）基区部分电子空穴复合，形成复合电流 IBN。3）大量基区的非平衡少子电子被集电区收集，形成电流 ICN。

4、电流分配 以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 二.内部载流子的运动 工作原理载流子三.电流分配 工作原理晶体管的正向控制作用是通过载流子的运动过程而实现的：发射结正偏电压控制 (和 )， (其中 )通过注入、扩散、收集而转化为 ，正是这种正向控制作用使晶体管具有了放大作用。 工作原理四.三种基本连接方法共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。 工作原理共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示。四.三种基本连接方法 工作原理共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。四.三种

5、基本连接方法公共端 工作原理五.电流传输关系1、共基电流放大系数共基极直流电流放大系数共基极直流电流传输方程 工作原理五.电流传输关系1、共基电流放大系数共基极直流电流传输方程通常 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，而与外加电压无关，一般取值为0.95-0.99公共端：穿透电流：共发射极直流电流放大系数，一般为几十几百。忽略 后， 工作原理五.电流传输关系2、共射电流放大系数公共端共集电极电流传输方程。无论哪种连接方式，输入电流对输出电流皆有控制作用，这是能够实现信号放大的机理。五.电流传输关系3、共集电流放大系数 工作原理三极管的电流放大作用 工作原理三极管各极电流关系示例静态特性曲线：指各

6、极电压与电流之间的关系曲线。是晶体管内部载流子运动的外部表现，故也称外部特性。对于不同的组态(共集、共基、共射)来说，均可以有：用于描述输入电压与电流关系的输入特性曲线(族)。用于描述输出电压与电流关系的输出特性曲线(族)。特性曲线具有一定的离散性。第一节 双极型晶体管2.1.1 晶体管的静态特性曲线当维持 恒定(作为参变量)时，基极电流 (输入电流)随 (输入电压)的变化曲线称为共发射极输入特性曲线当 取不同的值时，可以画出一族输入特性曲线。晶体管的静态特性曲线一.共射输入特性曲线实验线路输出特性集电结进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减小。特性曲线右移输入电路相当于两个并联的PN结晶体管

7、的静态特性曲线一.共射输入特性曲线理想情况vCE 1V输入特性iB(A)vBE(V)204060800.40.8工作压降： 硅管vBE0.60.7V,锗管vBE0.20.3V。vCE=0VvCE =0.5V 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。晶体管的静态特性曲线一.共射输入特性曲线产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE增大，复合减小，iB减小。晶体管的静态特性曲线产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE增大，复合减小，iB减小。一.共射输入特性曲线以输入电压 或电流 为参变量，集电极电流 (输出电流)随 (输出电压)的变化曲线为共发射极输出特性曲线以输入电压为参变量时：以输入电流为参变量时：

8、晶体管的静态特性曲线二.共射输出特性曲线晶体管的静态特性曲线输出特性iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）。当vCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，iC=iB。试验电路特点二.共射输出特性曲线iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A此区域中vCEvBE,集电结正偏，iBiC， vCE较小,称为饱和区。例3特点晶体管的静态特性曲线二.共射输出特性曲线vCE=vBE晶体管的静态特性曲线iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020A40A60A80A100

9、A此区域中 : iB0,iCICEO,vBEiC，vCE (3) 截止区： vBE 死区电压， iB0 ， iCICEO 0 输出特性即： , 且 IC = IB晶体管的静态特性曲线二.共射输出特性曲线晶体管的静态特性曲线二.共射输出特性曲线考虑到基区宽度调制效应和集电结反向击穿效应，输出特性如下：晶体管的静态特性曲线二.共射输出特性曲线输出特性斜率的倒数为晶体管的输出电阻：关于 和 的关系关于晶体管的反向应用二.共射输出特性曲线晶体管的静态特性曲线与二极管的伏安特性曲线类似，如果保持输入电流不变，当温度升高时，晶体管的输入特性曲线左移。第一节 双极型晶体管2.1.3 温度对晶体管特性的影响(

10、v)iB(A)1008060402000.4 0.7 vBE0o10o不同温度下的输入特性曲线100o与二极管伏安特性曲线类似，温度升高时，反向饱和电流和反向穿透电流亦升高。温度升高时， 值增大.第一节 双极型晶体管2.1.3 温度对晶体管特性的影响30A20A10A 25度； 45度iB相同不同温度下的输出特性曲线（mA）iCVCE 0A1、共发射极直流电流放大倍数第一节 双极型晶体管2.1.4 晶体管的主要参数一.电流放大系数交流（短路）电流放大系数晶体管的主要参数1、共发射极一.电流放大系数手册中常用hfe表示。例：VCE=6V时：iB = 40 A, iC =1.5 mA； iB =

11、60 A, iC =2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理： =2、共基极直流电流放大倍数交流电流放大系数晶体管的主要参数一.电流放大系数1、集电极基极反向电流：ICBO发射极开路时的集电结反向漂移电流，一般很小。晶体管的主要参数二.极间反向电流2、集电极发射极电流ICEO硅管比锗管的反向电流小，故温度稳定性比锗管好。基极开路时的集电极电流。 ICEO=（1+ ）ICBO 即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。 ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。ICEO晶体管的主要参数二.极间反向电流3、发射极基极反向电流IEBO集电极开路时的发射结反向饱和电流。晶体管的主要参数二.极

12、间反向电流1、集电极最大允许电流 ICM三极管工作时不允许超过的最大集电极电流，如果超过，不但会使其性能变坏，而且可能损坏管子。晶体管的主要参数三.极限参数一般取下降至最高值的2/3时所对应的集电极电流为ICM。2、反向击穿电压V(BR）CBO 发射极开路时的集电极基极间的反向击穿电压。一般比较高，从几十伏到几千伏不等。晶体管的主要参数三.极限参数V （BR） CEO 基极开路时的集电极发射极间的击穿电压。比V(BR）CBO低。晶体管的主要参数三.极限参数2、反向击穿电压V （BR）EBO 集电极开路时的发射极基极间的反向击穿电压。该电压一般比较低，约510V左右。晶体管的主要参数三.极限参数

13、2、反向击穿电压基射间接反偏压基射间短接基射间接电阻基射间开路射极开路各击穿电压的关系3、最大集电极允许功耗 PCMPCM = iCvCE；与散热条件有关。硅管的最高结温小于150C，一般工作在低于80度以内。晶体管的主要参数三.极限参数晶体管的安全工作范围由以上三者共同决定。iCvCEiCvCE=PCMICMV(BR)CEO安全工作区三极管的安全工作范围过压区过功率区过流区晶体管的主要参数三.极限参数晶体管的主要参数四.高频参数使 和 下降为 和 时的频率 和 称为晶体管的共基截止频率和共射截止频率。 交流工作时，由于存在结电容，所以频率愈高，电流放大倍数愈小，当 =1时的输入信号频率即fT

14、 。2、特征频率fT晶体管的主要参数四.高频参数请自行阅读课本晶体管的主要参数五.硅管与锗管的比较单个元件的参数精度不高，且受温度影响较大，但参数对称性及温度对称性较好。批量间差异较大。集成电路工艺制造出的电阻阻值受限，应尽量避免使用高阻值电阻。常使用有源器件代替电阻，特别是大电阻。不适于制造几十皮法以上的电容，电路中应尽量避免采用或少用电容。无电感元件。寄生参量影响严重。第一节 双极型晶体管2.1.5 集成电路中元器件的特点例题1、由电极电位判断三极管的工作状态。 在电路中，测得下述6组三极管三个极的电位： 1）NPN管：(1) 1V 0.3V 3V (2) 0.3V 0.7V 1V (3)

15、 2V 5V 1V解： (1) b1V;e 0.3V ;c 3V (硅管，放大） (2) e0.3V c0.7V b1V (硅管，饱和) (3) e2V c5V b1V (硅管,截止） (锗管,截止）（ NPN管 ，c极电位高于e极，否则反向应用,很小) (2) -3V -0.2V 0V (3) 1V 1.2V -2V解： (1) b -0.2V e 0V c -0.1V（锗管 饱和） (2) c -3V b -0.2V e0V （锗管 放大）(3) b 1V e 1.2V c -2V （锗管 放大）（ PNP管 ，c极电位低于e极，否则反向应用,很小)2、晶体管三个电极的电流方向如图2。已知：I1=-1.2mA, I2=-0.03mA，I3=1.23mA。确定晶体管类型、标出各电极并近似确定及。解：b、c极的电流方向总是一致的， 是e极，管子是PNP型， c, b图2+5V例3:图中管子的=100，RB=50K, Rc=1K,管子工作在什么状态？此时VCE=? RB多大时，管子工作在放大状态？解：be结加正偏，管子导通，故其工作在放大或饱和。管子工作在饱和状态;VCE管子工作在饱和状态VCE不能为负，管子工作在饱和状态要使管子工作在放大状态，需减小IB即增大RB。