第三讲 三极管

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。
22/60
IC /mA
4 3 2.3 2 1.5 1
IB=100 A
80 A
60 A 40 A ΔIB=40 A 20 A IB=0
ΔIC
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。
IB
UCE =0V UBE
RC + 令UCC
为0
+
RB UBB
IE=IB
UCC
0 UBE /V
19/60
让 U =0.5V 让 U =1V CE CE 令UBB 重 新从0开 始增加
IB /A
UCE=0.5V的 UCE=1V的 特性曲线 特性曲线 UCE>1V的 特性曲线
IC U =0.5V U =1V CE CE UBE
饱和区。当发射结和 集电结均为正向偏置 时，三极管处于饱和 状态。此时集电极电 流IC与基极电流IB之 间不再成比例关系， IB的变化对IC的影响 很小。 截止区。当基极电 流IB等于0时，晶体 管处于截止状态。 实际上当发射结电 压处在正向死区范 围时，晶体管就已 经截止，为让其可 靠截止，常使UBE 小于和等于零。 IC /mA
（2）NPN管具有放大作用时的电位关系：UC＞UB＞UE；
PNP管：UC＜UB＜UE
7/60
小
（1）内部条件： ①发射区高掺杂
结
②基区做得很薄。通常只有几微米 到几十微米，而且掺杂较少 ③集电结面积大 （2）外部条件： ①发射结必须加正向电压（正偏）
②集电结必须加反向电压（反偏）
8/60
2、三极管中载流子运动过程
20/60
(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IB调到 某一固定值 保持不变。
IC
mA UCE
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
A
IB UBE IE
e 三极管中的两个 PN 结
基 极
b
发 射 极
e
集 电 极
c
晶体管实现电流 放大作用的内部结构条件
(1)发射区掺杂浓度很高，以便有 足够的载流子供“发射”。 (2)为减少载流子在基区的复合机 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。
发射区N 基区P
集电区N 晶体管芯结构剖面图
(3)集电区体积较大，且为了顺利 收集边缘载流子，掺杂浓度界于 发射极和基极之间。
的饱和压降，用UCES表示。
一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的
UCES约为0.1V； 三极管的集电极和发射极近似短接，
三极管类似于一个开关导通。
26/60
(3) 截止区
UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ，三极管 的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一 个开关断开 三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和 导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大 状态。
10/60
晶体管的电流分配关系动画演示
11/60
三极管的电流分配关系
IE = IEN+ IEP = ICN + IBN + IEp IC = ICN + ICBO
ICBO
IC
c ICN
Rc IB
b
一般要求 I CN 在 I E 中占的比例 尽量大。一般可达 0.95 ~ 0.99。
Rb
IBN
IEP e
3. 集电区收集电子的过程
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。
结论 只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集
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，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反 偏的外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。
Leabharlann Baidu
BJT（Bipolar Junction Transistor）
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。
大功率低频三极管 中功率低频三极管
小功率高频三极管
3/60
c
IEN
e
12/60
C
IB
B
IC IB
B
C
IC
IE
E NPN
IE
E PNP
三极管的电流分配及放大关系式为：
IE=IB+IC
IC=βIB
IE=(1+β)IB
为电流放大倍数，其范围约为：20~200。
13/60
一组三极管电流关系典型数据
IB/mA -0.001 IC/m A 0.001 0 0.10 0.10 0.01 1.01 1.02 0.02 2.02 2.04 0.03 3.04 3.07 0.04 4.06 4.10 0.05 5.06 5.11
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。
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。
23/60
输出特性曲线上一般可分为三个区：
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PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但 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： 发射区 基区 集电区 发射区 基区 集电区
P
发射结
N
P
集电结
发射极e
N
P
N
集电极c
发射结
基极b
集电结
PNP型
NPN型
2/60
I I
C B
交流放大性能, 用β表示, 即：

IC
IB
可知：

常用：

16/60
由上表可知：两个电流概念
（1）反向饱和电流（ICBO）: 当IE＝０时, 即发射
极开路, IC=一IB。集电结加反偏电压，引起少子
的定向运动，形成一个由集电区流向基区的电
流。
（3）穿透电流（ICEO）：基极开路, IC=IE≠０, 此
电流称为集电极－发射极的穿透电流, 用ICEO表
示。
17/60
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。
NPN和PNP两种三极管具有相同的电流特性：
c c IC ＋ ＋ UBE － e UCE － IE b
(大)
IB － UBE ＋ e －
(最小)
IB b
IC
UCE ＋ IE
(最大) (a) (b )
(a)NPN型三极管;
(b)PNP型三极管
15/60
图2.6三极管的电流分配关系
由上表可知：两个电流放大性能参数 直流放大性能, 即 ：
c b e
b
NPN型三极管图符号
e
PNP型三极管图符号
注意：图中箭头方向为发射极电流的方向
4/60
1.2 双极型三极管的电流分配关系及放大作用
1、放大条件
以 NPN 型三极管为例讨论
c
c
三极管若实 现放大，必须从 三极管内部结构 和外部所加电源 的极性来保证。
N b
表面看
P
N
b
不具备 放大作用
e
5/60
+
RB UBB
IB
然后调节UCC使UCE从0增 大，观察毫安表中IC的变 化并记录下来。
0
UCE / V
21/60
再调节IB1至 另一稍小的 固定值上保 持不变。
IC
mA
RC UCE + UCC
当UCE增至一定数值时(一般小于1V) ，输出特性曲线变得平坦，表明IC基 本上不再随UCE而变化。
A
RC +
IB
+
RB UBB
UCC
继续增 增大 CC 大UU CC
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。
4
IB=100 A 80 A
3
2.3 2 1.5 1
放 大
区
60 A 40 A 20 A IB=0 UCE / V
0
晶体管工作在放大状态时，发射结正 偏，集电结反偏。在放大区，集电极电 流与基极电流之间成β倍的数量关系， 即晶体管在放大区时具有电流放大作用。
24/60
输出特性三个区域的特点: (1) 放大区
9/60
IE
三极管中载流子的运动
3. 收集
c
ICBO
集电结反偏，有
IC
Rb
利于收集基区扩散过来的电子 而形成集电极电流 ICN。 其能量来自外接电源VCC 。 另外，集电区和基区 的少子在外电场的作用下 将进行漂移运动而形成反 向饱和电流，用ICBO表示。
IB
b Rc
e
IE
三极管中载流子的运动
动画
27/60
[例1]:三极管工作状态的判断
测量某硅材料NPN型BJT(双极型晶体管，三极管）各电极对 地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？
（1） VC ＝6V
（2） VC ＝6V （3） VC ＝3.6V
VB ＝0.7V
三极管
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。
本节主要介绍双极性三极管的结构、特点及电流分 配关系，输入输出特性。
1/60
1 双极型半导体三极管
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 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PN结的 应用发生了质的飞跃。
发射结正偏，集电结反偏， IC=IB 。
对NPN型的三极管，有电位关系：UC>UB>UE；
有发射结电压UBE≈0.7V；对PNP型锗三极管，有 UBE≈0.2V,UC<UB<UE。
25/60
(2) 饱和区 发射结正偏，集电结正偏 ，即UCEUBE ， IB>IC，UCE的值很小；称此时的电压UCE为三极管
IE/mA 0
1. 任何一列电流关系符合 IE = IB + IC，IB< IC< IE, IC IE。
2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电
流放大作用 3. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO， ICBO 称为反向饱和电流 4.在表的第二列数据中， I B = 0时，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流 14/60
c
Rc
IB
b Rb e
1. 发射 发射区的 电子越过发射结扩散到 基区，基区的空穴扩散 到发射区—形成发射极 电流 IE (基区多子数目较 少，空穴电流可忽略)。 2. 复合和扩散 电子 到达基区，少数与空穴复 合形成基极电流 I BN ，复 合掉的空穴由 VBB 补充。 多数电子在基区继续扩 散，到达集电结的一侧。
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。
6/60
晶体管实现电流放大作用的外部条件
(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。 （1）放大的偏置条件：发射结正偏，集电结反偏
18/60
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） IB /A
令UBB从0 开始增加 UCE为 0时 UCE=0时的输 入特性曲线
IB UBE IE
IC /mA
IB IB1 IB2 IB3 IB=0
+
RB UBB
仍然调节UCC使UCE从0增 大，继续观察毫安表中IC 的变化并记录下来。 输出曲线开始部分很 陡，说明IC随UCE的增 加而急剧增大。
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。