三极管的结构及工作原理

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电子技术基础 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IB调到 某一固定值 保持不变。
IC mA
A IB
UCE
RB UBE
+
UBB
IE
伏根安据特记性录曲可线给，出此曲IC随线U就CE是变晶化体的 管的输出特性曲线。
+10V 1K IC
+2V 5K IB
Hale Waihona Puke Baidu+10V
1K IC
(a)
(b)
(c)
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+10V
+10
6 0.7 5.3
V
IB 5 5 11K.06mA
1K
临IC 界 +饱6IVB和电53K0流I1：B.0IC6SIC3110.8Im1B-V2ACVES
5K
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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、 多级放大电路。
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再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA； 于是我们可得到三极管的电流放大倍数：
β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5
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电子技术基础 主编 吴利斌 输出特性曲线上一般可分为三个区：
饱和区。当发射结和
IC /mA
集电结均为正向偏置
时，三极管处于饱和
4
IB=100 A
RC
IC
+
/mA
IB
UCC
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
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再调节IB1 至另一稍小 的固定值上 保持不变。
A IB
RB UBE
+
UBB
IC mA UCE
IE
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。
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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。
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。
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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：
IC (4 3.2) 103 80
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。
管由子于深深度度3饱饱和和时时，VC硅E管约的等V于C0E，约8晶0为体A0管.3V在，电锗路管中约犹为如0一.1V个,
闭合的开2.3关。 放
60 A
2 1.5
大 区
40 A
截止区。当基极电
1
20 A
流IB等于0时，晶体 管处于截止状态。
2.1.4 三极管的主要参数
1.电流放大倍数 IC
2.极限参数
I B
①集电极最大允许电流ICM ②反向击穿电压U(BR)CEO
指基极开路时集电极与发射极 间的反向击穿电压。
基极开路
b
使用中若超过 此值,晶体管的 集电结就会出 现击穿。
c
UCC
e U(BR ) CEO
Β值的大小反映了晶体管 的电流放大能力。
IC +2V
10 0.3 9.7mIBA
5K
1K IC
因为IC ICS ,所以饱和
(a)
(b)
(c)
（2）因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压，管
子的发射结反偏，管子截止，所以管子工作在截止区。
(3)因为基极偏置电源++21V0V大于管子的导通电压+，10故V管
+10
子的发射结正偏,管子导通基极电流:：
IB
UCE =0V
RC
+
令UCC 为0
IB /A
RB UBE
+
UBB
IE=IB
UCC
0
UCE=0时的输 入特性曲线
UBE /V
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令UBB重 新从0开 始增加
IB RB UBE
+
UBB
让让UUCCEE==10V.5V
IB /A
IC
RC
UUCCEE==01.5VV +
2
1
T
1
3
1
T
2
1
3
(a)
(b)
解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VC>VB> VE ，PNP型晶体管应满足 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
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。
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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UC）E为
0时
令UBB从0 开始增加
2
1
T
1
3
1
T
2
1
3
(a)
(b)
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例2图所示的电路中，晶体管均为硅管,β=30，试分析各晶体管的
工作状态。 解: （1）因为基极偏置电源+6V大于管子的导通电压，
故管子的发射结正偏，管子导通,基极电流：
+6V 5K IB
+10V 1K IC
-2V 5K IB
I B (50 40) 106 显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的β值称为 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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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。
0
IB=0 UCE / V
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；
IC>ICM时，晶体管不一定烧 损，但β值明显下降。
③集电极最大允许功耗PCM
IC /mA
4
I CM
3
2.3 2
安 全
PCM
1.5 1
区
0
晶体管上的功 耗超过PCM，管 子将损坏。
IB=0 UCE / V
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电子技术基础 主编 吴利斌 3.极间电流
• 集电极-发射极反向饱和电流ICEO（穿透电 流）
对应如相此应不I断C、重U复CE上数述值过的程一，组我输们出即特可性得曲到线不。同基极电流IB
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IC /mA
4
IB=100 A
3
80 A
2.3
60 A
2
1.5 1
ΔIC
40 A
ΔIB=40 A 20 A
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
指基极开路时，集电极与发射极之间加一定 反向电压时的集电极电流。该值越小越好。
. 集电极反向饱和电流ICBO,是少数载流子运 动的结果，其值越小越好。
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4.温度对晶体管参数的影响
• 见书的27页
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晶体管的发射极和集 电极是不能互换使用的
UCC
继续增
增大大UUCCCC 0
U特U特C性EC性=E曲=0曲.15线VV线的的 UCE>1V的 特性曲线
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。
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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
bec
基发集 极射电
极极
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”。
发射区N
(2)为减少载流子在基区的复合机
基区P
集电区N
晶体管芯结构剖面图
会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。
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IC mA
A IB
RB UBE
+
UBB
IE
I CS
VCC VCES RC
VCC / RC
RC 临近饱和基极电流I BS ICS /
+
UCC
iC iC
I I
CS CS
管子处于放大状态， 管子处于饱和状态
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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？
0
IB=0 UCE / V
此U用集C时U电E实压围经靠小=CU极EU际处时截截于SCB临（E上在，止止和E小时近0当正晶，，等于.，3饱发向体为常于或U为和射死管让使零B0E临电.,1结区就其。U规近）流B电范已可定E饱表是：和示状，偏流即态此，时，与晶晶集基体体电极管管临I结电在工CS近反流放作饱偏之大在VC间区放。和C R成时大在基CV具状放β极 CE有态大倍S电电时区的流V流，，数CIC放集B发量S/大电射关RC作极结系ICS用电正，/。
学习与讨论
晶体管的发射极 和集电极能否互 换使用？为什么?
。因为发射区和集电区 的掺杂质浓度差别较大 ，如果把两个极互换使 用，则严重影响晶体管
(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。
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。
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输出曲线开始部分很 陡，说明IC随UCE的增 加而急剧增大。
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。
RC IC + /mA
UCC
IB IB1 IB2
IB3
0
IB=0 UCE / V
根据电压、电流的记录值可绘 出曲另线一，条此I曲C随线U较CE前变面化的的稍伏低安些特。性
V
IB
2
0.7 5
1K0.3 5
0.26mA
1K
+临 I6CV界5饱KIB和IB电30流 IC ： 0.2IC6ISB-2V71.085mK1VACES
IC +2V 5K 10 0IB.3 9.7mA
1K IC
此时有： IC
(a)ICS
,
所以管子工作在放大区
(b)
(c)
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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。
大功率低频三极管 中功率低频三极管 c
b
NPN型三极管图符号
b
小功率高频三极管 c
PNP型三极管图符号
注意：e 图中箭头方向为发射极电流的e方向。
V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V
V1 = +0V，V2 = -0.3V，V3= -5V
（1） 在图（a）中，3与2的电压为0.7V，可确定为硅管， 因为V1>V3> V2,，所以1为集电极，2为发射极，3为基极，满 足VC>VB> VE,的关系，管子为NPN型。
（2）在图（b）中，1与2的电压为0.3V，可确定为锗管，又 因V3<V2< V1,，所以3为集电极，1为发射极，2为基极，满足 VC<VB< VE的关系，管子为PNP型。