第4章__双极型晶体管工作原理

可见，在放大状态下，晶体 管三个电极上的电流不是孤立的， R
B
c I CBO b IB
IC
ICN
N
RC
IBN
P N+
15V
它们能够反映非平衡少子在基区 扩散与复合的比例关系。这一比 U BB 例关系主要由基区宽度、掺杂浓 度等因素决定，管子做好后就基 本确定了。
UCC
IEN e IE
1.为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN 之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为
30 A 20 A 10 A
放 大 区
5 10
IC
2 1 0
量ΔIC。 为此，定义共发
射极交流电流放大系数：
}
IB
15
IB
＝－ I
0 A
CBO
I C I B uCE 常数 反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。
u CE /V
②
②. uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为iB
I CN I C I CBO I BN I B I CBO
I B I BN ICBO IC ICN ICBO
其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集 IC c 电区去。 值一般在20~200之间。
确定了 值之后，可得
ICBO
ICN
N P IEN N+
I CN
N RC
I BN
P
15V
I EP e IE
I
N+
EN
UCC
二.Leabharlann Baidu电流分配关系
由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载
流子传输形成的电流之间有如下关系：
I E I EN I BN I CN I B I BN I CBO I BN I C I CN I CBO I CN
3. 截止区
条件：e结和c结均处于反偏。 特点：三个电极上的电流均为反向电流，相当极间开路。 iC /m A 当iB=0时，iC= ICEO =(1+ ) 4
ICBO 。这时e结仍有正向受控
作用，但对小功率管，ICEO很 小，可以认为iB≤0时，管子截
3
30 A
放
2
20 A 10 A 0 A 10 15
三. 晶体管的放大作用
c
IC + △IC
I CN
△ ICN
△ IBN
RC
△Ｕ＝ＲＣ△IC
_
ui
b +
IB+ △ IB
I
BN
15V
RB IE
△IEN
U CC
I
UBB
e
IE + △IE
4.4.2
晶体管伏安特性曲线及参数
晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、 输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两
I CN I C I CBO I C I EN IE IE
显然， <1，一般约为0.97~0.99。 根据上式，不难求得
RB
c
IC
ICN
N b
IB IBN IEN P
RC
15V
N+
U CC
I C I E I CBO I E I B (1 ) I E I CBO (1 ) I E I E IC I B
大
1
止。反映在特性上，即为iB≤0
的曲线基本重合在水平轴上。
区
5
i B＝－I
CBO
0
u C E /V
截止区
对大功率管，由于ICEO很大，此时，为确保管子截止， e结必须反偏。
二、共发射极输入特性曲线
共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的 关系曲线，即
iB f (uBE ) uCE 常数
b
发射区
e
N＋
b
e
基极
NPN管
SiO2 绝缘层
b
P
c b
发射结 N 型外延 集电区 衬底 N ＋ 衬底
集电结 基区
e PNP管
c
晶体管类型
双极型晶体管
｛
锗管
｛NPN管 (3Bxx) ｛NPN管 (3Dxx)
PNP管 (3Cxx)
PNP管 (3Axx)
硅管
例如：3DG6 即为硅NPN型高频小功率管。
ICN
b IB I EP e IE IEN
N
RC
ECB
IBN
P
15V
N+
UCC
• 根据电荷守衡有 ICN+IBN=IEN
④. 集电结少子漂移 集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。 通过对管内载流子传输
c I CBO b IB IC
的讨论可以看出，在晶体管 中，窄的基区将发射结和集 电结紧密地联系在一起。从 而把正偏下发射结的正向电 流几呼全部地传输到反偏的 R B 集电结回路中去。这是晶体 管能实现放大功能的关键所 U BB 在。
90
i B /A
UCE = 1
60 30
输入特性曲线有如下特点： (1). uCE增大时曲线基本重合。 (2). 在uCE≥1V的条件下，正向 特性存在导通或死区电压UBE(on) UBE(on) ≈ 0.6V，硅管， UBE(on) ≈0.1V，锗管
0
UBE(on)
0.5
0.7
0.9
u BE/V
由于ICBO极小，在忽略其影响时，晶体管三个电极
上的电流近似有：
c IC N b RC
IC IB IC I B I E (1 ) I B
RB
IB
P N+ e IE
15V
UCC
UBB
这是今后电路分析中常用的关系式。
2. 为了反映扩散到集电区的电流 ICN 与射极注入电流 IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为
UCE ≥1
90
60 30 0 0.5 0.7 0.9 UCE > 0
止，iB为反向电流。若反向电 压超过某一值时，e结也会发
u BE/V
综上所述，晶体管是一种非线性导电器件，有三个工 作区，对应三种不同的工作状态：
⑴.放大状态（iB>0，uCE≥uBE，即e结正偏，c 结反偏）
特点：①.iC受iB控制，即IC= IB或△IC= β△ IB
iC f (uCE ) iB 常数
＋
iC / m A
uCE = uBE
4
临界饱和线
40
iC
RB
mA
＋
mA
－
RC
A
iB
＋
U CC
饱 和 区
3 2 1 0
放
大 区
5
IB= 30 A
20 A 10 A
U BB
u BE
V
－
V
－
uCE
0 A
10 15
I B ＝－I CBO
截 止 区 体管的三种工作种状态，即放大、截止和饱和状态。
RC
IC I B (1 ) I CBO I B I CEO I E I C I B (1 ) I B I CEO I B I E IC
式中
RB
b
IB
IBN
15V
UCC
UBB
e
IE
I CEO (1 ) I CBO 称为穿透电流
u C E/ V
在输出特性曲线上可分为三个工作区，分别对应于晶
1. 放大区
条件：e 结正偏（IB > 0），c 结反偏（uCE≥uBE）。 特点： iC/ m A ①.基极电流iB对集电极 电流iC有很强的控制作用， 即iB有很小的变化量ΔIB 时，iC就会有很大的变化
uCE = uBE
4 3
I B ＝ 40 A
②. IB一定时，iC具有恒流特性。 ⑵.饱和状态（ iB>0，uCE < uBE，即e结、c结均正偏） 特点：①. iC不受iB控制，即IC β IB 或 △IC β△ IB ②.三个电极间的电压很小，相当短路，各极电 流主要由外电 路决定。 ⑶.截止状态（ iB<0，uCE≥uBE，即e结、c 结均反偏） 特点：①. iC≈iB≈iE≈0 。
4.4 双极性晶体管
双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有
三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以 后我们统称为晶体管。常见的晶体管其外形如图示。
大功率达林顿晶体管
晶体管的结构及电路符号
发射结
集电结
c
e
发射极
P 基区 发射区 发射区
+ + N P N
P N
集电区
N P N
c
集电极
e
O
c b
O
c
b
O
e
需要指出，使e结反偏而c 结正偏时，这种状态通常称 为反向放大（或倒臵）状态，在模拟电路中这种工作方式 很少采用。
晶体管的主要参数
一、 1.共射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数β
2.共基极直流电流放大系数
和交流电流放大系数
I C I B
uCE 常数
I C I E
②. 三个电极间相当开路，各极电位主要由外电 路决定。
晶体管的三种工作状态，在实际中各有应用：
在构成放大器时，晶体管应工作在放大状态；
用作电子开关时，则要求工作在饱和、截止状态。 即c极端和e极端之间等效为一受b极控制的 开关，如图所示。 当管子饱和时，相当开关闭合； 当管子截止时，相当开关打开。
4 3 2 1 0
iC/ m A u CE＝u BE
临界饱和线
I B＝
40
A
放 大 区
2 4
30 A 20 A 10 A 0 A
饱 和 区 ①. iB一定时， iC的数值比放大时小； ②. uCE一定而 iB增大时，iC基本不变。
u CE/ V
管子饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。 其值很小，深饱和时约为0.3~0.5V。
(3). 当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管， 所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移。 (4)当uCE在0~1V之间时， 随着uCE的增加，曲线右移。
i B /A
UCE ＝0
特别在0< uCE ≤UCE(sat)的范围 内，即工作在饱和区时，移动
(5)当uBE<0时，晶体管截
3AX18即为锗PNP型低频小功率管。
• 为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构：
①.发射区相对基区要重掺杂；
②.基区要很窄（2微米以下）；
发射区
e
N＋ N 型外延 衬底 N ＋ 衬底
b
P
SiO2 绝缘层 集电结
发射结 ③.集电结面积要大于发射结面积。
集电区
基区
c
4.4.1
晶体管的工作原理
一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程 当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，
个回路。实际中有共发射极、共集电极和共基极三种基 本接法，如图所示。 iC iE iE iC c e e c iB b iB
b
输入 回路 输出 回路
e
c
b
共发射极 共基极 共集电极 其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨 论共发射极伏安特性曲线。
晶体管共发射极特性曲线
晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这
uB 常数
注意： 、β和 α 、 都是放大区参数。其数值可以从 输出特性曲线上求出。
β
数值
α
数值
应当指出，β值与测量条件有关。一般来说，在iC很
大或很小时，β值较小。只有在iC不大不小的中间值范围 内，β值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手 册时应注意β值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这
两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出 来，也可以用图示电路逐点测出。
一、
＋
iC
mA
－
RC
共射输出特性曲线是以
iB为参变量时，iC与uCE间的 关系曲线，即
RB
mA
iB
＋ ＋
U CC uCE
U BB
u BE
V
－
V
－
iC f (uCE ) iB 常数
实测的共射输出特性曲线如图下所示:
共发射极输出特性曲线
一定而uCE增大时，曲线仅略有上翘（iC略有增大）。 • 原因： 基区宽度调制效应（Early效应） 或简称基调效应 • 由于基调效应很微弱，uCE
iC
IBQ
UCE
uCE
在很大范围内变化时IC基本不
变。因此，当IB一定时， 集电极电流具有恒流特性。
E
Wb
C
基 区
C结
Wb
2.
条件： e结正偏，c结正偏（uCE<uBE即临界饱和线的左侧）。 特点： iC不受iB控制，表现为不同iB 的曲线在饱和区汇集。 由于c结正偏，不利于集电 区收集电子，同时造成基区复合 电流增大。因此：
U BB
e
IE
由于 和 都是反映晶体管基区扩散与复合的比 例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有 内在联系。由 、 的定义可得
ICN ICN I EN I BN I EN ICN I EN I EN 1
ICN ICN I BN I EN I BN I CN I BN I BN 1
β
β 0
IC
二、极间反向电流 1. ICBO ICBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向电 2. ICEO ICEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向电
3. IEBO IEBO指集电极开路时，发射极-基极间的反向电流。
管内载流子的运动情况可用下图说明。
①.发射区向基区注入电子 IEP << IEN ， 发射极电流IE≈IEN。 ②.电子在基区中边扩散边复合 形成基区复合电流 IBN , RB 为基极电流IB的主要部分 ③. 电子被集电区收集 形成集电区收集电流ICN , UBB 为集电极电流IC的主要部分。
c
IC