2.1 双极型半导体三极管

半导体三极管常见外形
2.1.1 三极管的结构
NPN 型 PNP 型 C B
E
+
C B
E
“三区，两结，三极” 三区，两结，三极” 三区
结构特点 发射区高掺杂 基区薄且掺杂浓度很低 集电结面积大
2.1.2 三极管的工作原理
一、三极管的四种工作状态及其偏置条件
三极管由两个PN结构成。 三极管由两个 结构成。 结构成 根据PN结偏置方式的不同，三极管有四种工作状态： 根据 结偏置方式的不同，三极管有四种工作状态： 结偏置方式的不同 当发射结正偏、集电结反偏时，工作于放大状态； 当发射结正偏、集电结反偏时，工作于放大状态； 放大状态 当发射结和集电结均正偏时，工作于饱和状态； 当发射结和集电结均正偏时，工作于饱和状态； 饱和状态 当发射结和集电结均反偏时，工作于截止状态。 当发射结和集电结均反偏时，工作于截止状态。 截止状态 当发射结反偏、集电结正偏时，工作于倒置状态。 当发射结反偏、集电结正偏时，工作于倒置状态。 倒置状态 实际常用的工作状态为前三种。 实际常用的工作状态为前三种。
三极管主要作用： 三极管主要作用：放大 条件：发射结正偏， 集电结反偏。 条件：发射结正偏， 集电结反偏。 放大作用的实质： 放大作用的实质： 用iB 微小的变化控制 iC 较大的变化； 三极管是CCCS( 三极管是CCCS(电流控制电流源）器件。 器件。
*小结
三极管常用工作状态：放大、饱和、截止。 三极管常用工作状态：放大、饱和、截止。 工作于哪种状态由发射结和集电结的偏置 工作于哪种状态由发射结和集电结的偏置 方式决定。只有在放大状态才有放大作用， 方式决定。只有在放大状态才有放大作用， 饱和时 、 之间近似为开关合上，截止时 之间近似为开关合上 饱和时C、E之间近似为开关合上，截止时 C、E之间近似为开关断开。 、 之间近似为开关断开 之间近似为开关断开。
讨论：怎样区分是放大导通还是饱和导通？ 讨论：怎样区分是放大导通还是饱和导通？ 放大导通还是饱和导通
工程上，通常将 工程上，通常将UCE =0.3V作为 作为NPN型硅 作为 型 管放大和饱和的分界 线， 即认为： 即认为：当UCE ≤0.3V时NPN型硅管 时 型 工作于饱和状态， 工作于饱和状态，当 UCE >0.3V时则工作 时则工作 于放大状态。 于放大状态。
二、饱和状态
1. 偏置条件：发射结和集电结均正偏 偏置条件：发射结和集电结均 2. 工作原理 集电结正偏不利 于集电区收集电子， 于集电区收集电子， 发射区扩散到基区的 电子中将有较多的在 基区复合形成IB，IC不 基区复合形成 像放大状态时那样按 比例得到， 比例得到，将失去电 流放大能力。 流放大能力。
2.1.3 三极管的伏安特性
一、输入特性
iC iB RB + VBB
−
iB = f (uBE) u
CE=常数
+ B uCE + E − uBE IE −
C
RC + VCC
−
NPN硅管的 硅管的 典型输入特性曲线
当uCE ≥1V时， 输入特性曲线基本重合。 时 输入特性曲线基本重合。 导通电压 UBE(on) ( ) 硅管： (0.6 ∼ 0.8) V 硅管： 锗管： 锗管： (0.2 ∼ 0.3) V 取 0.7 V 取 0.2 V
二、放大状态
Hale Waihona Puke 续表示这种电流分配关系。 称为共发射极 通常用 β 表示这种电流分配关系。β 称为共发射极 直流电流放大系数， 直流电流放大系数，反映三极管的电流放大能力。
ICN IC − ICBO β= = IBN IB + ICBO
I C = β I B + (1 + β ) I CBO = β I B + I CEO 穿透电流
IE = IC + IB
IE = IC + IB
I C = β I B + I CEO
IE = (1+ β ) IB + ICEO
IC ≈ β IB IE ≈ (1 + β ) IB
二、放大状态
续
3. 电流放大的原理 有增量∆V 变为（ 若VBB有增量 BB ，则UBE变为（UBE＋∆UBE）； I E变化 根据分配比例， 分别变为（ 为（I E＋∆IE）；根据分配比例， IB、IC分别变为（IB＋∆IB） 和（IC＋∆IC）。 定义： 定义：
二、输出特性
iC = f (uCE ) i
iB RB + VBB
−
B=常数
iC + B uCE + E − uBE IE − C RC + VCC
−
典型输出特性曲线
由IB = 0 曲线 可读得 IC = NPN管的 管的 ICEO 的值
截止区特点：靠近横轴， 的区域， 截止区特点：靠近横轴，IB ≤ 0的区域， IC ≈ 0 的区域
二、输出特性
iC = f (uCE ) i
iB RB + VBB
−
B=常数
iC + B uCE + E − uBE IE − C RC + VCC
−
放大区特点： 放大区特点： ∆I β= C 特性曲线几乎与横轴平行且间隔均匀 间隔均匀。 特性曲线几乎与横轴平行且间隔均匀。 ∆I B 因此具有恒流输出和电流线性放大特点 具有恒流输出和电流线性放大特点。 因此具有恒流输出和电流线性放大特点。 或IC = β IB
讨论： 管共射极电路及其伏安特性有何异同？ 讨论：NPN和PNP管共射极电路及其伏安特性有何异同？ 和 管共射极电路及其伏安特性有何异同 电源极性相反 电流方向相反 但都要满足： 但都要满足： 发射结正偏， 发射结正偏， 集电结反偏。 集电结反偏。
NPN硅管 硅管
PNP锗管 锗管
NPN和PNP管共射极电路及其伏安特性有何异同？ 和 管共射极电路及其伏安特性有何异同？ 管共射极电路及其伏安特性有何异同
* 讨论：为何放大区的输出曲线略向上倾斜？ 讨论：为何放大区的输出曲线略向上倾斜？ 输出曲线略向上倾斜
iC iB RB + VBB
−
+ B uCE + E − uBE IE −
C
RC + VCC
−
由于u 基本不变， 因此当u 增大时， 由于 CE＝uCB＋uBE而uBE基本不变， 因此当 CE增大时，uCB 随之增加 使集电结变宽，基区宽度减小， 增加， 随之增加，使集电结变宽，基区宽度减小，基区内载流子的复合 机会减小，若要维持相同的i 机会减小，若要维持相同的 B ，就要求发射区发射更多的多子到 基区宽度调制效应。 基区，因此i 会增大，这种现象称为基区宽度调制效应 基区，因此 C会增大，这种现象称为基区宽度调制效应。
三极管主要作用： 三极管主要作用：放大 实现放大的条件：内部条件：发射区高掺杂， 实现放大的条件：内部条件：发射区高掺杂，基区很薄且 低掺杂，集电结面积较大。 低掺杂，集电结面积较大。 外部条件：发射结正偏， 集电结反偏。 外部条件：发射结正偏， 集电结反偏。 放大原理：发射区向基区发射多子， 放大原理：发射区向基区发射多子，其中的极少部分在基区 复合形成电流I 复合形成电流 B，而绝大部分被集电区收集形成 电流I 电流分配关系为I 很大， 电流 C，电流分配关系为 C ≈βIB 。β很大，因此 很大 有微小的变化Δ 当IB有微小的变化ΔIB 时， IC相应地就有较大的 变化Δ 从而实现了电流放大作用。 变化ΔIC =βΔIB ，从而实现了电流放大作用。
IC =βIB VBE< 0, VBC≥0.7V IC≠βIB VBE ＞0.7V,VBC≥0
0
IC =IB=0 VBE< 0.7V, VBC<0
IC =βIB VBE ≥0.7V, VBC<0
VBE
截止状态
放大状态
二、放大状态
1. 偏置条件： 发射结正偏、集电结反偏 偏置条件： 发射结正偏 集电结反偏 正偏、 2. 载流子运动规律与电流分配关系
NPN硅管 硅管
PNP锗管 锗管
伏安特性应用举例
已知某放大器中三极管各电极电位分别为U 已知某放大器中三极管各电极电位分别为 1=3.5V， ， U2=2.8V，U3=12V，试确定 、E、C极， ， ，试确定B、 、 极 并判断是NPN型还是 型还是PNP型管，是硅管还是锗管。 型管， 并判断是 型还是 型管 是硅管还是锗管。 解： 由于 U2<U1<U3 故 UB=U1=3.5V
C N P
IBE
进入基区的电子 少部分与基区内 EC 的空穴复合， 的空穴复合，形 成电流IBE ，多 数扩散到集电结 发射结正偏， 发射结正偏，发 射区电子不断向 基区扩散， 基区扩散，形成 发射极电流IE
B
基区空穴向 发射区的扩 散可忽略
N IE E
二、放大状态
1. 偏置条件： 发射结正偏、集电结反偏 偏置条件： 发射结正偏 集电结反偏 正偏、 2. 载流子运动规律与电流分配关系 发射区向基区发射多子， 发射区向基区发射多子， 其中极少 极少部分在基区复合形 其中极少部分在基区复合形 电流I 成电流 BN ，而绝大部分被集 电区收集形成电流 ICN 。 IB = IBN – ICBO ≈ IBN I C = ICN + ICBO ≈ ICN I C 和 IB由IE按一定 比例分配得到。 比例分配得到。
2.1
双极型半导体三极管
三极管概述 2.1.1 三极管的结构 2.1.2 三极管的工作原理 2.1.3 三极管的伏安特性 2.1.4 三极管的主要参数 三极管的主要参数
三极管概述
半 导 体 三 极 管 两种载流子（空穴和自由电子）参与导电。 两种载流子（空穴和自由电子）参与导电。 通常简称为三极管、 通常简称为三极管、晶体管 BJT（ Bipolar Junction Transistor）。 （ ）。 极型三极管 种载流子（ 子）导电。 种载流子（ 子）导电。 电 通常称为 管 简称FET（ Field Effect Transistor ）。 简称 （ 双极型三极管