三极管的结构及工作原理

1、第二章：三极管及其基本放大电路,半导体三极管是最重要的半导体器件，是电子电路中的核心器件，被广泛应用到了各种电子线路中，是电子线路的灵魂。,本章主要介绍双极性三极管的特点、基本放大电路、多级放大电路。,2.1 双极型半导体三极管,三极管是组成各种电子电路的核心器件。通过一定的制造工艺，将两个PN结结合在一起，是三极管具有放大作用。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。,2.1.1 双极型三极管的基本结构类型和符号,双极型晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：,发射极e,发射结,集电结,基区,发射区,集电

2、区,集电极c,基极b,NPN型,PNP型,根据制造工艺和材料的不同，三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电，就是所谓的双极型。如果只有一种载流子参与导电，即为单极型。,NPN型三极管图符号,大功率低频三极管,小功率高频三极管,中功率低频三极管,e,c,b,PNP型三极管图符号,e,c,b,注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。,2.1.2 双极型三极管的电流分配关系及放大作用,晶体管芯结构剖面图,e发射极,集电区N,基区P,发射区N,b基极,c集电极,晶体管实现电流 放大作用的内部结构条件,(1)发射区掺杂浓度很高，以便有 足够的载流子供“发射”

3、。,(2)为减少载流子在基区的复合机 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。,(3)集电区体积较大，且为了顺利 收集边缘载流子，掺杂浓度界于 发射极和基极之间。,可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。,晶体管实现电流放大作用的外部条件,(1)发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散 电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形 成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。,(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的 多数扩散电子，收集

4、到集电区的电子形成集电极电流ic。,IE,IC,IB,整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即： IE=IB+IC,结论,由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。,回顾与总结,1. 发射区向基区扩散电子的过程,由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过 来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。,2. 电子在基区的扩散和复合过程,集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘 的电子拉入集电区，从而形成较大

5、的集电极电流IC。,3. 集电区收集电子的过程,只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间，且基区做得很薄的内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。,三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的 比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小 的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40 A增加到50A时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：,显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的值称为 三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三 极管，值的差异较大，大多数三极管的

6、值通常在几十 至几百的范围。,由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。,2.1.3 双极型三极管的特性曲线,所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。,(1) 输入特性曲线,以常用的共射极放大电路为例说明（ UCE为常数时，IB和UBE之间的关系）,UCE=0V,令UBB从0开始增加,令UCC为0,UCE=0时的输入特性曲线,UCE为0时,令UBB重新从0开始增加,增大UCC,让UCE=0.5V,UCE =1V,UCE=0.5V,UCE=0.5V的特性曲线,继续增大

7、UCC,让UCE=1V,令UBB重新从0开始增加,UCE=1V,UCE=1V的特性曲线,继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后 的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不 再变化。,实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。,UCE1V的特性曲线,(2) 输出特性曲线,先把IB调到某一固定值保持不变。,当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。,然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。,根

8、据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。,IB,0,再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。,仍然调节UCC使UCE从0增 大，继续观察毫安表中IC 的变化并记录下来。,根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。,IB1,IB2,IB3,IB=0,如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。,输出曲线开始部分很陡，说明IC随UCE的增加而急剧增大。,当UCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明IC基本上不再随UCE而变化。,当IB一定时，从

9、发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC 。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。,当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。,从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数。,取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；,再读出这两条曲线对应的集电极电流之差IC=1.3mA；,IC,于是我们可得到三极管的电流放大倍数： =IC/IB=1.30.04=32.5,输出特性曲线上一般可分为三个区：,饱和区。当发射结和集电结

10、均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系，IB的变化对IC的影响很小。,截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。,放 大 区,晶体管工作在放大状态时，发射结正 偏，集电结反偏。在放大区，集电极电 流与基极电流之间成倍的数量关系， 即晶体管在放大区时具有电流放大作用。,此时UCE小于UBE,规定： UCE=UBE时，为临近饱和状态，用UCES（0.3或0.1）表示，此时集电极临近饱和电流是,管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.

11、1V,由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。,例1: 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V，如图（a）所示, T2管各电极电位V1 = +0V，V2= -0.3V，V3= -5V，如图（b）所示，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？,解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VCVB VE ，PNP型晶体管应满足VCVB VE，因此分析时,先找出三电极的最高或最低电位，确定为集电极,而电位差为导通电压的就是发射极和基极。根据发射极和基极的电位差值判断管子的材质。,（1）

12、 在图（a）中，3与2的电压为0.7V，可确定为硅管，因为V1V3 V2,，所以1为集电极，2为发射极，3为基极，满足VCVB VE,的关系，管子为NPN型。 （2）在图（b）中，1与2的电压为0.3V，可确定为锗管，又因V3V2 V1,，所以3为集电极，1为发射极，2为基极，满足VCVB VE的关系，管子为PNP型。,V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V,V1 = +0V，V2 = -0.3V，V3= -5V,例2图所示的电路中，晶体管均为硅管,=30，试分析各晶体管的工作状态。 解: （1）因为基极偏置电源+6V大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏，管子导通,基极电流：,

13、（2）因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所以管子工作在截止区。,(3)因为基极偏置电源+2V大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏,管子导通基极电流:：,2.1.4 三极管的主要参数,1.电流放大倍数,2.极限参数,集电极最大允许电流ICM,反向击穿电压U(BR)CEO,UCC,U(BR ) CEO,基极开路,指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。,使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现击穿。,值的大小反映了晶体管的电流放大能力。,ICICM时，晶体管不一定烧损，但值明显下降。,集电极最大允许功耗PCM,晶体管上的功耗超过PCM，管子将损坏。,安 全

14、 区,3.极间电流,集电极-发射极反向饱和电流ICEO（穿透电流） 指基极开路时，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。该值越小越好。 . 集电极反向饱和电流ICBO,是少数载流子运动的结果，其值越小越好。,4.温度对晶体管参数的影响,见书的27页,晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电流放大能力，甚至造成放大能力丧失。,晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCEUBE，集电结也处于正偏，这时内电场被大大削弱，因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘的电子，这种情况下，集电极电流IC与基极电流IB

15、不再是倍的关系，因此，晶体管的电流放大能力大大下降。,学习与讨论,为了使发射区扩散电子的绝大多数无法在基区和空穴复合，由于基区掺杂深度很低且很薄，因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流，剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散，由于集成电结反偏，这些集结到集电结边缘的自由电子被集电极收集后形成集电极电流。,用万用表测试二极管好坏及极性的方法,用万用表欧姆档检查二极管是否存在单向导电性？并判别其极性。,正向导通电阻很小。指针偏转大。,反向阻断时电 阻很大，指针基本不动。,选择万用表R1k 的欧姆档，其中黑表棒作为电源正极， 红表棒作为电源负极，根据二极管正向导通、反向阻断的 单向导电

16、性将表棒对调一次即可测出其极性及好坏。,如何判断二级管的正负极呢？,用万用表测试三极管好坏及极性的方法,用指针式万用表检测三极管的基极和管型：,指针不动，说明管子反偏截止，因此为NPN型。,先将万用表置于Rlk欧姆档，将红表棒接假定的基极B，黑表棒分别与另两个极相接触，观测到指针不动(或近满偏)时，则假定的基极是正确的;且晶体管类型为NPN型（或PNP型）。,如果把红黑两表棒对调后，指针仍不动(或仍偏转)，则说明管子已经老化(或已被击穿)损坏。,想一想，这种检测方法依据的是什么？,指针偏转，说明管子正向导通，因此为PNP型。,PN结的 单向导电性,若被测管为NPN三极管，让黑表棒接假定的集电极

17、C ，红表棒接假定的发射极E 。两手分别捏住B、C两极充当基极电阻RB(两手不能相接触)。注意观察电表指针偏转的大小；之后，再将两检测极反过来假定，仍然注意观察电表指针偏转的大小。,c,b,e,人体电阻,c,b,e,人体电阻,假定极正确,假定极错误,用万用表R1k欧姆档判别发射极E和集电极C,偏转较大的假定极是正确的！偏转小的反映其放大能力下降，即集电极和发射极接反了。 如果两次检测时电阻相差不大，则说明管子的性能较差。,1.三极管起电流放大作用，其内部、外部条件分别要满足哪些？,你会做吗？,检验学习结果,2.使用三极管时，只要集电极电流超过ICM值；耗散功率超过PCM值；集射极电压超过U（B

18、R）CEO值，三极管就必然损坏。上述说法哪个是对的？,3.用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数据，说明每个管子是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？它们各工作在什么区域？ UBE0.7V，UCE0.3V； UBE0.7V，UCE4V； UBE0V，UCE4V； UBE0.2V，UCE0.3V； UBE0V，UCE4V。,NPN硅管，饱和区,NPN硅管，放大区,NPN硅管，截止区,PNP锗管，饱和区,PNP锗管，截止区,2.2放大电路基本组成,1.5 单极型三极管,双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的 电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称之 为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流 子参与导电，因此称为单极型三极管；单极型三极管是利用 输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。,上图所示为单极型三极管产品实物图。单极型管可分为结型和绝缘栅型两大类，其中绝缘栅型场效应管应用最为广泛，其 中又分增强型和耗尽型两类，且各有N沟道和P沟道之分。,1、MOS管的基本结构,N+,N+,以P型硅为衬底,二氧化硅(SiO2)绝缘保护层,两端扩散出两个