[工学]第三讲 双极型晶体管

EC
1、发射区向基区注入大量电子 发射结 因浓度差，发射区的大量电子经发射 结扩散注入基区，形成电子流 IEn 正偏 （扩散） 基区空穴扩散注入发射区 IEP
c
ICBO ICn N RC
2、电子在基区的复合和继续扩散 b 从发射区扩散到基区的电子成为基区 IB1 的非平衡少子，极少数电子与基区的 Rb 空穴复合，形成复合电流 I B1 IEP 绝大部分电子继续扩散到达集电结附近。 EB
b
c
ICBO ICn N RC IB1
P
EC
IEP IEn
e IE
N
ICn / I En
— 共基直流电流放大倍数 小于1且接近1，一般： 0.95
IC ICn I E ; 或 :I E IC /
（四）放大偏置时BJT各极电流的关系： 1、各极电流的构成：
IE =IEn+IEP IEn； IC =ICn+ICBOICn ； IB =IB1+IEP-ICBO 2、各极电流之间的关系： I E (1 ) I B ; IE = IC + IB ； ① IE 与 IC的关系： IC I E ; ② IC 与 IB的关系： IC I B ; 说明：BJT具有电流放大作用； 1 1 I I I I B I E IIC 受 （ 1 ） I I B C B C IB控制，BJT为电流控制器件 。 C C 1
定义： ——共射直流电流放大倍数 因此放大偏置的 IE、IC和 IB近似成比例关系。 1 BJT中 一般： 为几十到几百
在温度不变和一定的电 流范围内，和 基本上为常数，

（五）BJT的结偏置电压与各极电流的关系
1、发射结正偏电压uBE对各极电流的作用——正向控制作用。 发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流：
2、集电结反偏电压uCB对各极电流的影响——基区宽调效应。
uCB
集电结宽度
发射结 发 射 区 基区
集电结 集 电 区
基区有效宽度 空穴复合机会
iB iC i E iB ;
i E 不变 iC

这种由集电结反偏电压变化引起基 区宽度变化，从而影响各极电流的 现象称为基区宽度调制效应，简称 基区宽调效应或厄利（Early）效应。
E
B
uCB
uBE / UT
C
iE I S e
uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控 制作用大，但它的存在使BJT的电流受控关系复杂化，使之成 为所谓的“双向受控元件”，由此带来分析的复杂化，并有可 导致放大器因“内反馈”而性能变坏。
（六）BJT的截止和饱和工作状态
1、截止状态：发射结和集电结都反偏 晶体管的电流只有反向饱和电流成分。 忽略反向饱和电流，则截止状态下的晶体 管各极电流等于0，其等效模型为： 2、饱和状态：发射结和集电结都正偏 正偏PN结的导通电压较小，在大信 号状态下可以忽略，其等效模型为： 3、BJT的结偏置情况与工作状态的关系 （1）放大状态： 发射结正偏；集电结反偏 （2）截止状态： 发射结和集电结都反偏 （3）饱和状态： 发射结和集电结都正偏 发射结反偏；集电结正偏 （4）倒置状态： 判断BJT的 工作状态
发射结
基极
注意区分两者的符号
NPN管比PNP管应用更广泛，特别在一般的半导体集成 电路中，NPN管性能优于PNP管，故重点放大作用的内部原因。 （1）发射区高掺杂； （2）基区很薄，一般在几微米至几十微米；且掺杂浓度很低； （3）集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大. 要使BJT具有放大作 用，还必须给BJT加 合适的偏置。
P IEn
EC
3、集电区收集发射区扩散过来的电子 在外电场作用下，由发射区扩散在集电 集电结 结附近的非平衡少子漂移到集电区 ICn 反偏 （漂移） 基区的电子漂移到集电区 平衡少子 的漂移 ICBO 集电区的空穴漂移到基区
e
N
（四）放大偏置时BJT各极电流的关系： 1、各极电流的构成：
IC
（二）输出特性曲线： iC=f (uCE)iB=常数 （发射结和集电结都反偏） 1、截止区： iB=0； iC= ICEO
三个电极电流近似为0，没有放大作用。
b+ uBE
iB
(发射结正偏，集电结反偏) 2、放大区： ①特性曲线平坦，近似为直线。 临界饱和线 iC ②特性曲线间隔均匀， i 随i
C B
iE I S e
uBE / UT
;
uBE iE 两者是指数关系。 b e iE Rb uBE iC i E ; iB 1 i E EB uBE iC、iB
iB
uCB
c
iC
RC
EC
BJT各个电极的电流iE 、iC 、iB与发射结正偏电 压uBE都是指数关系。
（d） 发射结正偏，集电结正偏， 饱和状态。
练习：测得晶体管无信号输入时，各个电极对“地”电压如 下：判断管子工作状态（放大、截止、饱和、倒置、损坏）
-1.4 -2.8 -3.5 硅管 1.2
1.3 1.5 1.8
3.7 2 1.5
12 -0.7
锗管
锗管
硅管
（e） 发射结正偏，集电结反偏， 放大状态。 （f） 发射结正偏，集电结正偏， 饱和状态。 （g） 发射结正偏，集电结反偏， 放大状态。
截止区
uCE BUCEO
iB=0
（uCE< uBE, 发射结和集电结都正偏） 3、饱和区： ①临界饱和：集电结零偏，uCE=uBE或uCB=0 临界饱和时，仍有iC ＝iB。 ②进入饱和区后，iC随uCE的减小而明显下降。 uCE减小使集电结正偏加大，集电区的扩散电流将抵消部分 由发射区载流子转化而来的电 临界饱和线 流，使集电极电流急剧下降。 击穿区 iC ③各曲线几乎重合，iC不再 iB=IB5 随iB 成比例地变化: iC < iB。 饱 iB=IB4 iB=IB3 和 ④饱和压降UCES： 放大区 区 iB=IB2 典型值：UCES=0.3V。 UCES随iC的增大而略有增大。 iB=IB1 4、击穿区： uCE增大到一定值后， iC急 剧增大，集电结反向击穿。 截止区
一、BJT的结构和工作原理 问题：
1、为什么BJT具有放大作用？ 2、BJT三个电极的电流关系是怎样的？ 3、 如何判断电路中BJT的工作状态？
（一）BJT的结构和符号
• BJT是由两个PN结构成的三端器件，有两种 基本类型: NPN型和PNP型。
发射区 发射极 集电区
+
基区
+
集电极 集电结 箭头方向表示电 流的实际方向
（h） 发射结正偏，UBE0.7V，
损坏。
练习：测得某放大电路中BJT的两个电极的电流如下，请 标出各管脚对应的电极，剩余电极的电流方向和大小。
IE = I C + IB
IC I E
IC I B I E (1 ) I B
— 共基直流电流放大倍数 — 共射直流电流放大倍数
——在直流和低频场合下，BJT输入端口和输出端口 的伏安特性，是BJT内部载流子运动的外部表现。 b
c
+ -
iB
uBE
iC + uCE iE -e
iB
UCE=0V 1 10
uBE
对于一定的uBE ，当uCE增大到一定值后，集电结的电场已足够 强，可以将发射区注入到基区的绝大部分非平衡少子收集到集 电区，因此即使再增大uCE ， iC也不可能明显增大了。
§1.5 双极型晶体三极管BJT
三 极 管 双极型三极管：Bipolar Junction Transistor 有两种极性的载流子参与导电.
单极型三极管 (场效应管)： Field Effect Transistor 一、 BJT 的结构和工作原理
只有一种极性的载流子参与导电. BJT的类型： 二、BJT的静态特性曲线 按工作频率分：高频管、低频管 按功率分：小、中、大功率管 三、BJT的主要参数 按材料分：硅管、锗管 按结构分：NPN型、PNP型 四、BJT的交流小信号模型
0.1mA
B
4.1mA 5mA
4mA
C
E C
5.1mA 0.1mA
B
E
• （七）BJT的三种基本组态：
• • 共射极组态，用CE表示； • • 共基极组态，用CB表示； • • 共集电极组态，用CC表示。
二、 BJT的静态特性曲线
（一）输入特性曲线：iB=f (uBE)uCE=常数 曲线特点： 1、 iB与uBE近似为指数关系，与二极 管正向特性相似。 2、 uCE增大，曲线右移（厄利效应）。 uBE不变，uCE uCB iC, iB 3、当uCE1V后，特性曲线基本重合。 处于放大状态的BJT， uCE1V， 输入特性曲线就用uCE1V的曲线表示。
NPN管 : UC U B U E PNP管 : UC U B U E
0.1V E -11.5V 0.78V
B
C
1、基极电位UB居中（可先识别基极）；
2、发射结正偏压降: |UBE| = 0.7（0.6）V （硅管） |UBE| = 0.3（0.2）V （锗管） 可识别发射极（所剩者即为集电极）；并判断管子的材料； 3、NPN管各极的电位关系：UC>UB>UE； 可识别管子的类型 PNP管各极的电位关系：UC<UB<UE； （NPN/PNP）。
7.5V B 3.2V 3.9V
C
E
1、基极电位UB居中（可识别基极）；
2、发射结压降: |UBE| = 0.7（0.6）V （硅管） |UBE| = 0.3（0.2）V （锗管） 可识别发射极——集电极；判断管子的材料； 3、NPN管各极的电位关系：UC>UB>UE； 可识别管子的类型 PNP管各极的电位关系：UC<UB<UE； （NPN/PNP）。
c b e
c
b
e
练习：测得晶体管无信号输入时，各个电极对“地”电压如 下：判断管子工作状态（放大、截止、饱和、倒置、损坏）
0 -3 -2.7 硅管 -0.3
-3
0 0
0.7
-3.5 硅管 1.3
1.1
1 锗管
锗管
（a） 发射结反偏，集电结反偏， 截止状态。 （b） 发射结正偏，集电结反偏， 放大状态。 （c） 发射结反偏，集电结正偏， 倒置状态。
3.2V 3.9V 7.5V
U BE 0.7V
U E U B UC U C U B U E
NPN型硅管。
（三）放大偏置时BJT内部载流子的传输过程
给NPN型BJT加适当的偏置：发射结正偏，集电结反偏。
c IB
b Rb c e
IC
RC EC
b Rb EB e
RC
EB
IE
e
N P e
-
iC + UCE ie
c
-
e
NPN管 : UC U B U E PNP管 : UC U B U E
前提是BJT处于放大状态。
识别管脚和判 断管型的依据
3、放大偏置时BJT三个电极的电流方向
例题：测得放大电路中的某只晶体管三个 管脚的电位如图所示：试判断各个管脚对 应的电极，晶体管的结构类型及材料。
发射区 + 基区
集电区 • 管芯结构剖面图
（二）BJT的放大偏置 —是BJT具有电流放大作用的外部条件。
c N b + UBE ib
b
P N
-
iC + UCE ie
c
c
P b + UBE ib
-
b
e 1、什么叫放大偏置？ （此时BJT处于放大状态） 放大偏置——“发射结正偏、集电结反偏”。 2、放大偏置时BJT三个电极的电位关系：
IE =IEn+IEP IEn； IC =ICn+ICBOICn ； IB =IB1+IEP-ICBO 2、各极电流之间的关系： IE = IC+ IB ； IBb ① IE 与 IC的关系： IC I E ; R
对于给定的晶体管，集电极收集的电 子流是发射极发射的电子流的一部分， EB 两者的比值在一定的电流范围内是一 个常数，用 表示。
-
iC + uCE iE -e
击穿区 iB=IB5 iB=IB4 iB=IB3 iB=IB2 iB=IB1
c
饱 iC iB （BJT的放大作用） 和 ③由于厄利效应，特性曲线随 区 uCE的增大略向上倾斜。
近似的成正比例变化。
放大区
uCEuCB iB, iC。 iB ，倾斜的程度会增大。
11.5V 0.1V 0.78V
UC U B U E U BE 0.68V
该管为PNP型硅管。
例题：测得放大电路中的某只晶体管三个 管脚的电位如图所示：试判断各个管脚对 应的电极，晶体管的结构类型及材料。
NPN管 : UC U B U E PNP管 : UC U B U E