第二章：三极管

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主编 吴利斌
(2) 输出特性曲线 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。
先把I 先把 B调到 某一固定值 保持不变。 保持不变。
IC
mA
根据记录可给出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。
RC + UCC IC /mA IB
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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？
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V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V V1 = +0V，V2 = -0.3V，V3= -5V
的电压为0.7V，可确定为硅管， （1） 在图（a）中，3与2的电压为 ） 在图（ ） 与 的电压为 ，可确定为硅管， 因为V 为集电极， 为发射极 为发射极， 为基极 为基极， 因为 1>V3> V2,，所以 为集电极，2为发射极，3为基极，满 ，所以1为集电极 的关系， 足VC>VB> VE,的关系，管子为 的关系 管子为NPN型。 型 的电压为0.3V，可确定为锗管，又 （2）在图（b）中，1与2的电压为 ）在图（ ） 与 的电压为 ，可确定为锗管， 为集电极， 为发射极 为发射极， 为基极 为基极， 因V3<V2< V1,，所以 为集电极，1为发射极，2为基极，满足 ，所以3为集电极 VC<VB< VE的关系，管子为 的关系，管子为PNP型。 型
∆IC
当IB一定时，从发射区扩散到基区 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。
UCE / V
0
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β。 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； 于是我们可得到三极管的电流放大倍数： β=∆IC/∆IB=1.3÷0.04=32.5
B
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1. 发射区向基区扩散电子的过程
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。
2. 电子在基区的扩散和复合过程
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。
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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 µA增加到50µA时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：
∆I C (4 − 3.2) × 10 −3 β= = = 80 −6 ∆I B (50 − 40) × 10
3. 集电区收集电子的过程
结论 只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集
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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，从而形成较大的集电极电流IC。
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 内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反 内部条件 偏的外部条件 外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。 外部条件
0
UCE / V
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。
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。
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IC /mA
4 3 2.3 2 1.5 1
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IB=100 µA 80 µA 60 µA 40 µA ∆IB=40 µA 20 µA IB=0
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输出特性曲线上一般可分为三个区：
IC /mA 饱和区。 饱和区。当发射结和 集电结均为正向偏置 IB=100 µA 4 时，三极管处于饱和 状态。 状态。此时集电极电 管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V, 80 µA 3 与基极电流I 流IC与基极电流 B之 由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个 间不再成比例关系， 闭合的开关。 间不再成比例关系， 放 60 µA 2.3 IB的变化对 C的影响 的变化对I 2 大 40 µA 很小。 很小。 截止区。 截止区。当基极电 IB=0 等于0时 流IB等于 时，晶体 UCE / V 0 管处于截止状态。 管处于截止状态。 实际上当发射结电 晶体管工作在放大状态时，发射结正 此时UCE小于UBE,规定： 压处在正向死区范 VCC − VCES I CS = ≈ VCC / RC 围时， 围时，晶体管就已 偏，集电结反偏。在放大区，集电极电 UCE=UBE时，为临近饱和状态， RC 经截止， 经截止，为让其可 流与基极电流之间成β倍的数量关系， 用UCES（0.3或0.1）表示，此时 靠截止，常使U 靠截止，常使 BE 小于和等于零。 小于和等于零。 临近饱和基极电流 I BS = I CS / β 即晶体管在放大区时具有电流放大作用。 集电极临近饱和电流是
显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的β值称为 β 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，β值的差异较大，大多数三极管的β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。
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2
1
T
1
3 (a)
1
T
1
2 3
(b)
型晶体管应满足V 工作在放大区的NPN型晶体管应满足 C>VB> VE ，PNP型晶体管应满足 型晶体管应满足 型晶体管应满足 解： 工作在放大区的 VC<VB< 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 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 先找出三电极的最高或最低电位 的就是发射极和基极。根据发射极和基极的电位差值判断 电位差值判断管子的 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。 材质。
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第二章： 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、 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。 多级放大电路。
令UBB从0 开始增加 UCE为 0时 时 UCE=0时的输 时的输 入特性曲线
IB RB UBE
UCE =0V
RC + 令UCC
为0
+
UBB
IE=IB
UCC
0 UBE /V
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令U BB重 新从0开 新从 开 始增加
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让UCE=0.5V 让UCE=1V
IB /µA µ
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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， 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 结结合在一起， 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 结的 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。 应用发生了质的飞跃。
UCE=0.5V的 的 UCE=1V的 的 特性曲线 特性曲线 UCE>1V的 的 特性曲线
IC UCE =0.5V UCE =1V UBE
RC + UCC
继续增 增大U 增大 CC 大UCC
IB RB
+
UBB
0
UBE /V
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。 唐东自动化教研室
1.5 1
区
20 µA
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IC
mA RC +
I CS
VCC − VCES = ≈ VCC / RC RC
µA
IB UBE IE
临近饱和基极电流 I BS = I CS / β
+
RB UBB
UCC
iC < I CS管子处于放大状态， iC < I CS管子处于饱和状态
P
N
P
发射极e
N
P
N
集电极c
ห้องสมุดไป่ตู้
发射结
基极b
集电结
PNP型 PNP型 唐东自动化教研室
NPN型 NPN型
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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。
发 射 极
e
集 电 极
c
晶体管实现电流 内部结构条件 放大作用的内部结构条件
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晶体管实现电流放大作用的外部条件 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，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。 i 整个过程中， IE 发射区向基区发 I ＋ C N P N 射的电子数等于 － 基区复合掉的电 RC 子与集电区收集 RB 的电子数之和， ＋ － UCC 即： IE=IB+IC UBB I
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） 为常数时， 之间的关系） IB /µA µ
大功率低频三极管 c b e
中功率低频三极管 c b e
小功率高频三极管
NPN型三极管图符号 型三极管图符号
PNP型三极管图符号 型三极管图符号
注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。
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2.1.2 双极型三极管的电流分配关系及放大作用
基 极
b
(1)发射区掺杂浓度很高，以便有 足够的载流子供“发射”。 发射区N 发射区N (2)为减少载流子在基区的复合机 基区P 基区P 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。 集电区N 集电区N (3)集电区体积较大，且为了顺利 晶体管芯结构剖面图 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。 唐东自动化教研室
增至一定数值时(一般小于 一般小于1V) 当UCE增至一定数值时 一般小于 输出特性曲线变得平坦，表明I ，输出特性曲线变得平坦，表明 C基 本上不再随U 而变化。 本上不再随 CE而变化。
µA
IB UBE IE
IC /mA
IB IB1 IB2 IB3 IB=0
+
RB UBB
仍然调节UCC使UCE从0增 仍然调节 增 继续观察毫安表中I 大，继续观察毫安表中 C 的变化并记录下来。 的变化并记录下来。 输出曲线开始部分很 说明I 陡，说明 C随UCE的增 加而急剧增大。 加而急剧增大。
µA
IB UBE IE
UCE
+
RB UBB
然后调节U 然后调节 CC使UCE从0增 增 观察毫安表中I 大，观察毫安表中 C的变 化并记录下来。 化并记录下来。
0
UCE / V
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再调节I 再调节 B1至 另一稍小的 固定值上保 持不变。 持不变。
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IC
mA RC UCE + UCC
2.1 双极型半导体三极管
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 型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但 双极型晶体管分有 型和 型 虽然它们外形各异，品种繁多， 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 结和三个向外引出的电极： 它们的共同特征相同：都有三个分区、两个 结和三个向外引出的电极： 发射区 基区 集电区