电子技术基础项目化教程课件 项目一 半导体器件的认识 1.2.3 晶体管

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晶体管又称为双极型半导体晶体管，因由两种载流子（空穴和自由电子）都参与导电而得名，用字母VT表示，它有两大类型，即PNP型和NPN型。实际应用时它的种类有很多，按半导体材料可分为：硅管和锗管；按功率大小分为：大、中、小功率管；按工作频率分为：高频管和低频管；按封装形式分为：金属封装和塑料封装等。1.2.3晶体管下页上页首页

（1）晶体管的结构与符号

晶体管是在一块半导体上通过特定的工艺掺入不同杂质的方法制成两个背靠背的PN结，并引出三个电极构成的，如图1-11所示。1.晶体管的工作原理下页上页首页图1-11晶体管的结构示意图、符号下页上页首页晶体管常见实物

晶体管有三个区：发射区，基区，集电区。各区引出的电极依次是发射极E，基极B，集电极C。

发射区和基区形成的PN结称为发射结；

集电区和基区形成的PN结称为集电结。下页上页首页

（2）晶体管的电流放大作用

尽管晶体管从结构上看相当于两个二极管背靠背的串连在一起的，但是把两个二极管按上述关系简单连接时，将会发现并没有放大作用。晶体管之所以有放大作用是由它特殊的内部特殊结构和外部条件共同决定的。

晶体管内部特殊结构：

第一：基区很薄，通常只有1微米至几十微米，而且掺杂浓度比较低。

第二：发射区是重掺杂区，所以多数载流子的浓度很大。

第三：集电区的面积最大。下页上页首页

应满足的外部条件：所加的直流电源必须保证发射结正偏，集电结反偏。下页上页首页1）电路

图1-12中，VBB为基极电源电压，用于提供发射结正偏电压，使发射结处于正偏状态，RB为限流电阻；VCC为集电极电源电压，它通过RC、集电结、发射结形成回路。

图1-12NPN晶体管中载流子的运动和各级电流

由于发射结获正向偏置电压，其压降值很小（硅管约为0.7V），所以VCC主要降落在电阻RC和集电结两端，使集电结获得反向偏置电压，使集电结处于反偏状态。这样，VBB使发射结处于正偏状态，VCC使集电结处于反偏状态，满足了放大作用的外部条件。图中发射极E是输入回路和输出回路的公共端，这种连接方式的电路称为共发射极电路。下页上页首页2）载流子的运动规律

电源VBB经过电阻RB使发射结正偏，这样发射区的多数载流子（自由电子）不断越过发射结而进入基区。电子进入基区后，少数电子通过基极流出，形成基极电流，剩下大量的电子使基区靠近发射结的电子浓度很大，而靠近集电结的电子浓度很低，这样在基区存在明显的浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，由于集电结外加反向电压，这个反向电压产生的电场将阻止集电区的电子向基区扩散，但能够促使基区内扩散到集电结附近的电子将作漂移运动到达集电区，形成集电极电流。下页上页首页3）晶体管的电流分配关系

综合载流子的运动规律，晶体管内的电流分配如图1-13所示，图中箭头方向表示电流方向。下页上页首页电流关系如下：从而可推出：

IE＝IC+IB各级电流满足下列分配关系：NPN晶体管中载流子的运动和各级电流

由上述电流分配关系可知，在共发射极电路中，集电极电流IC正比于基极电流IB。如果能控制IB就能控制IC，而与集电极外部电路无关，所以晶体管是一个电流控制器件。以上分析的是NPN型晶体管的电流放大原理，对于PNP型晶体管，其工作原理相同，只是晶体管各级电压极性相反，发射区发射的载流子是空穴而不是电子。下页上页首页

晶体管有三个电极，而在连成电路时，必须有两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样必然就有一个公共端公用，根据公共端的不同，可以有三种基本连接方式。2.晶体管的三种连接方式下页上页首页图1-14晶体管的三种基本连接方式

晶体管的特性曲线全面反映了晶体管各级电压与电流之间的关系，是分析晶体管各种电路的重要依据。3.晶体管的特性曲线下页上页首页

晶体管各电极电压与电流之间的关系可用伏安特性曲线来表示，特性曲线可用晶体管特性图示仪测得，下面对共发射极电路的特性曲线进行讨论，如图1-15（a）。共发射极电路

（1）输入特性曲线

如图1-15（a），由输入回路写出晶体管输入特性的函数式：下页上页首页NPN型硅晶体管的输入特性曲线如图1-15（b）所示，由图可见曲线形状与二极管的正向伏安特性相类似。

由图可见，只有大于0.5V（称为死区电压）后，iB才随uBE的增大迅速增大，正常工作时管压降uBE约为0.6V~0.8V，通常取0.7V，称之为导通电压UBE(on)。对锗管，死区电压约为0.1V，正常工作时管压降约为0.2V~0.3V。输入特性曲线

（2）输出特性曲线

如图1-15（a）所示的输出回路可写出晶体管输出特性的函数式：下页上页首页

由图1-15（c）可见，根据晶体管的工作状态可将输出特性分为放大区，截止区，饱和区。输出特性曲线1）放大区

在iB＝0的特性曲线上方，各条输出特性曲线近似平行于横轴的曲线簇部分。不同iB的特性曲线的形状基本上是相同的，而且uCE＞1V后，特性曲线几乎与横轴平行，iB等量增加时，曲线等间隔地平行上移。即iB＝常数的情况下，晶体管uCE增大时，几乎不变，即具有恒流特性。在放大区，iC的变化随iB变化。即

。所以把这一区域称为放大区。此时发射结处于正向偏置且uBE>0.5v，集电结处于反向偏置且uCE≥1V。下页上页首页2）截止区

在iB＝0曲线以下的区域称为截止区，这时iC=0。集电极到发射极只有微小的电流，称其为穿透电流。晶体管集电极与发射极之间近似开路，类似开关断开状态，无放大作用，呈高阻状态。此时uBE低于死区电压，晶体管截止，发射结和集电结都处于反向偏置。下页上页首页3）饱和区uCE比较小，且小于uBE时，uCB＝uCE--uBE<0，iC随uCE的增大迅速上升而与iB不成比例，即不具有放大作用，这一区域称为饱和区。在饱和区晶体管的发射结和集电结都处于正向偏置，晶体管C、E之间的压降很小。把晶体管工作在饱和区时C、E之间的压降称为饱和压降，记作UCE(sat)。此时晶体管集电极与发射极之间近似短路，类似开关接通状态。常把uCE=uBE定为放大状态与饱和状态的分界点，在这曲线上，晶体管既在放大区又在饱和区，叫做临界饱和状态。下页上页首页

综上所述，晶体管工作在放大区，具有电流放大作用，常用于构成各种放大电路；晶体管工作在截止区和饱和区，相当于开关的断开与接通，常用于开关控制与数字电路。

工作在不同的区域各电极之间的电位关系不同。以NPN型晶体管为例，工作于放大区时VC>VB>VE，工作于截止区VC>VE>VB，工作于饱和区时VB>VC>VE。对于PNP晶体管来说，它工作在各区时各极的电位关系与NPN管各极电位关系正好相反。下页上页首页

（3）温度对特性曲线的影响

温度对晶体管特性影响较大，输入、输出特性曲线簇都随温度的变化而变化。温度升高，输入特性曲线向左移，即温度每升高1

C，晶体管的导通电压约减少(2

2.5)mV，如图1-16(a)所示。温度每升高10

C，iCBO约增大1倍，因此温度升高，输出特性曲线向上移。如图1-16(b)所示。下页上页首页

图1-16温度对晶体管特性曲线的影响

在实际应用晶体管时，必须合理选择晶体管，这就必须根据晶体管的参数来选取合适的晶体管。掌握晶体管的参数有助于合理选取并安全使用晶体管。其主要参数有：电流放大系数、极间反向电流以及极限参数等。4.晶体管的主要参数下页上页首页

（1）电流放大系数

电流放大系数的大小反映了晶体管放大能力的强弱。1）共发射极电流放大系数

晶体管电流放大系可分为直流电流放大系数和交流电流放大系数两种。

①直流电流放大系数，常用

表示，定义为晶体管的集电极电流IC与基极电流IB之比，即

。

②交流电流放大系数，常用β表示，定义为集电极电流的变化量

与基极电流的变化量

之比，即

。有时

用hfe表示。下页上页首页

显然，

和

的定义是不同的，

反映的是集电极的直流电流与基极的直流电流之比，而

是集电极的交流电流与基极的交流电流之比，但在实际应用中，当工作电流不十分大的情况下，

与

值几乎相等，故在应用中不再区分，均用

表示。下页上页首页2）共基极电流放大系数

①直流电流放大系数，常用

表示，定义为晶体管的集电极电流IC与发射极电流IE之比，即

。

②交流电流放大系数，常用

表示，定义为晶体管的集电极电流的变化量

与发射极电流的变化量

之比，即

。

一般情况下

，且为常数，故可混用，其值小于1而接近1，一般在0.98以上，即共基接法时，晶体管无电流放大能力。根据以上关系可以得到

和

的关系为：

下页上页首页

（2）极间反向饱和电流

极间反向饱和电流同电流放大系数一样，都是表征晶体管优劣的主要指标。常用的极间反向饱和电流有ICBO和ICEO。ICBO为发射极开路时集电极和基极之间的反向饱和电流。室温下，小功率硅管的ICBO小于1，锗管约为几微安到几十微安。

ICEO为基极开路时，集电极直通到发射极的电流，由于它是从集电区通过基区流向发射区的电流，所以又叫穿透电流。

由前面讨论可知：

无论ICBO还是ICEO，受温度的影响都很大。下页上页首页

（3）极限参数

极限参数是指晶体管正常工作时不得超过的最大值，以此保证晶体管的正常工作，使用晶体管时，若超过这些极限值，将会使管子性能变差，甚至损坏。1）集电极最大允许电流ICM

当集电极电流太大时

值明显降低。

下降到正常值的2/3时所对应的的值。使用中若iC>ICM，晶体管不一定会损坏，但

值明显下降。2）集电极最大允许功率损耗PCM

晶体管工作时uCE的大部分降在集电结上，因此，集电结功率损耗（简称功耗）PC=uCEiC，近似为集电结功耗，它将使集电结温度升高而使晶体管发热。PCM就是由允许的最高集电结决定的最大集电极功耗，工作