2_1双极型半导体三极管.PPT

2.1.1双极型半导体三极管的结构2.1.2双极型半导体三极管电流的分配与控制2.1.3双极型半导体三极管的电流关系2.1.4双极型半导体三极管的特性曲线2.1.5半导体三极管的参数2.1.6半导体三极管的型号,2.1双极型半导体三极管,,半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管二是场效应半导体三极管,2.1双极型半导体三极管,2.2场效应半导体三极管,02半导体三极管,,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。,2.1.1双极型半导体三极管的结构,双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。它有两种类型NPN型和PNP型。图02.01两种极性的双极型三极管,,e-b间的PN结称为发射结Je,c-b间的PN结称为集电结Jc,中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,或两个P区是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,,,,,,2.1.2双极型半导体三极管的电流分配与控制,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态发射结加正向电压，集电结加反向电压。,现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见图02.02。,动画2-1,发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是IBN。,,,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式,IEIENIEP且有IENIEPIENICNIBN且有IENIBN，ICNIBN,,,ICICNICBO,IBIEPIBN－ICBO,IEIEPIENIEPICNIBNICNICBOIBNIEP－ICBOIEICIB,以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知，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。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,,,问题1除了从三极管的电流分配关系可以证明IEICIB。还可以通过什么方法加以说明,问题2为什么当温度升高时，三极管将失去放大作用从物理概念上加以说明。,2.1.2双极型半导体三极管的电流分配与控制,改进的电子教案,2.1双极型半导体三极管的工作原理,半导体三极管在英文中称为晶体管Transister，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，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。,场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。,2.1.1双极型半导体三极管的结构,NPN型,PNP型,这是基极b,这是发射极e,这是集电极c,这是发射结Je,这是集电结Jc,三极管的符号短粗线代表基极,发射极的箭头方向,代表发射极电流的实际方向。,2.1.2双极型半导体三极管的电流分配关系,双极型三极管在制造时，要求发射区的掺杂浓度大，基区掺杂浓度低并要制造得很薄，集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。从结构上看双极型三极管是对称的，但发射极和集电极不能互换。,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部载流子的运动关系，见下图。,,,IEN,ICN,IEP,ICEO,,IE,,IC,,IB,IBN,注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流,IEIENIEP且IENIEP,ICICNICBOICNIEN-IBN,IBIEPIBN-ICBO,由此可写出三极管三个电极的电流,发射极电流IEIEN＋IEP且有IENIEP集电极电流ICICNICBOICNIEN-IBN且有IENIBN，ICNIBN基极电流IBIEPIBN－ICBO所以，发射极电流又可以写成IEIEPIENIEPICNIBNICNICBOIBNIEP－ICBOICIB,从以上分析可知，对于NPN型三极管，集电极电流和基极电流是流入三极管，发射极电流是流出三极管，流进的电流等于流出的电流。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。,若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,动画2-1,2.1.3双极型半导体三极管的电流关系,2.1.3.1三种组态,双极型三极管有三个电极，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，如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态，见下图。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；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。,2.1.3.2三极管的电流放大系数,1.共基极直流电流放大系数,电流放大系数，一般来说是指输出电流与输入电流的比。由于组态不同，三极管的输入电极和输出电极不同，所以对共基组态，输出电流是集电极电流IC，输入电流是发射极电流IE，二电流之比的关系可定义为,称为共基极直流电流放大系数。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。由此可得,ICICNICBOIEICBOICIBICBO,2.共发射极直流电流放大系数,对共射组态的电流放大系数，输出电流是集电极电流IC，输入电流是基极电流IB，二电流之比可定义,称为共发射极接法直流电流放大系数。于是,因≈1,所以1。,2.1.3双极型半导体三极管的电流关系,1三种组态双极型三极管有三个电极，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，见图02.03。,,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；,图02.03三极管的三种组态,2三极管的电流放大系数,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。由此可得,ICICNICBOIEICBOICIBICBO,,,因≈1,所以1,定义IC/IBICNICBO/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是,2.1.4双极型半导体三极管的特性曲线,这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。,,,输入特性曲线iBfvBEvCEconst输出特性曲线iCfvCEiBconst,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图02.04所示。,,图02.04共发射极接法的电压-电流关系,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCEconst常数。,,1输入特性曲线,vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响。,共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中vCE0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE≥1V时，vCBvCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区①死区②非线性区③线性区图02.05共射接法输入特性曲线,,2输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图02.06所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当vCE0V时，因集电极无收集作用，iC0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如vCE1VvBE0.7VvCBvCE-vBE0.7V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。图02.06共发射极接法输出特性曲线,,当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE≥1VvBE≥0.7V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域这与输入特性曲线随vCE增大而右移的图02.06共发射极接法输出特性曲线原因是一致的。（动画2-2）,,输出特性曲线可以分为三个区域,,,,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE＜0.7V硅管。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7V左右硅管。,2.1.5半导体三极管的参数,半导体三极管的参数分为三大类直流参数交流参数极限参数,,,,,1直流参数①直流电流放大系数1.共发射极直流电流放大系数（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCEconst,在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线vCEconst来求取IC/IB，如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。,,图02.08值与IC的关系,图02.07在输出特性曲线上决定,,,,,2.共基极直流电流放大系数（IC－ICBO）/IE≈IC/IE显然与之间有如下关系IC/IEIB/1IB/1,②极间反向电流1.集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,,,,,2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系ICEO（1）ICBO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB0那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图02.09所示。,图02.09ICEO在输出特性曲线上的位置,,,,,2交流参数①交流电流放大系数1.共发射极交流电流放大系数IC/IBvCEconst,在放大区值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线求取IC/IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图02.10所示。,图02.10在输出特性曲线上求β,2.共基极交流电流放大系数ααIC/IEVCBconst当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。,,,,,②特征频率fT三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,3极限参数①集电极最大允许电流ICM,如图02.08所示，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70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。图02.08值与IC的关系,,,,,②集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCMICVCB≈ICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。,,,,,③反向击穿电压,反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图02.11所示。图02.11三极管击穿电压的测试电路,,,,,1.VBRCBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,,,,,2.VBREBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.VBRCEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。对于VBRCER表示BE间接有电阻，VBRCES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系VBRCBO≈VBRCES＞VBRCER＞VBRCEO＞VBREBO,由PCM、ICM和VBRCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图02.12。图02.12输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,,,,2.1.6半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下3DG110B,,,,,,,,,,,第二位A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,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,三极管,表02.01双极型三极管的参数,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,注*为f,