双极型半导体三极管的电流分配与控制

2.1.1
NPN型 双极型半导体三极管的结构
c
NPN型 P N c
PNP型
c
PNP型 P
be
N
b e
e 这是发射极e e b 这是集电极c 这是发射结Je 这是集电结Jc NPN型 这是基极b PNP型
三极管的 符号短粗线代 P N 表基极,发射极 c 的箭头方向,代 表发射极电流 b 的实际方向。
IB
e
IE
IB b CB
c IC CC
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
2.1.3.2 三极管的电流放大系数 1.共基极直流电流放大系数 共基极直流电流放大系数
电流放大系数，一般来说是指输出电流与输入电流的比。由于组态不 同，三极管的输入电极和输出电极不同，所以对共基组态，输出电流是集 电极电流IC，输入电流是发射极电流IE，二电流之比的关系可定义为：
2.共发射极直流电流放大系数 共发射极直流电流放大系数
对共射组态的电流放大系数，输出电流是集电极电流IC，输入 电流是基极电流IB，二电流之比可定义：
I C I CN + I CBO β= = IB IB
称为共发射极接法直流电流放大系数。于是 β 称为共发射极接法直流电流放大系数
IC α I B I CBO 1 β = =( + ) IB 1−α 1−α IB αIB 1 ≈( ) 1−α IB
2.1.2 双极型半导体三极管的 电流分配与控制 • 改进的电子教案
2.1 双极型半导体三极管的工作原理
半导体三极管在英文中称为晶体管(Transister)，半导体三极管有 两大类型，一是双极型半导体三极管(BJT)， 二是场效应半导体三极管(FET)。 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件， 它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种电压 控制电流源器件（VCCS）。
=
因 α ≈1, 所以 β >>1 。
α 1−α
从以上分析可知，对于NPN型三极管，集电极电流和基极电流 是流入三极管，发射极电流是流出三极管，流进的电流等于流出 的电流。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低 且很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。 若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基 区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个 实例。
2.1.2
双极型半导体三极管的电流分配关系
双极型三极管在制造时，要求发射区的掺杂浓度大，基区掺杂 浓度低并要制造得很薄，集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。 从结构上看双极型三极管是对称的，但发射极和集电极不能互换。 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向 。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。 相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的 现以 电流 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部载流子的 运动关系，见下图。 IE=IEN + IEP 且IEN >> IEP
c
b
电子
IB= IEP + IBN - ICBO
由此可写出三极管三个电极的电流 发射极电流：IE= IEN＋ IEP 且有IEN>>IEP 集电极电流：IC=ICN+ ICBO ICN=IEN- IBN 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN 基极电流： IB=IEP+ IBN－ICBO 所以，发射极电流又可以写成 IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB
e b
c
动画2-1
2.1.3
双极型半导体三极管的电流关系
2.1.3.1 三种组态
双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可 以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三 种组态，如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态， 见下图。
c IB b e CE
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Ic e
IE
c
IC b
发射结加正偏时，从发射区将有大量 的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与 PN结中的情况相同。。 从基区向发射区也有空穴的扩散运动， 但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为 发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度 低，被复合的机会较少。又因基区很薄， 在集电结反偏电压的作用下，电子在基区 停留的时间很短，很快就运动到了集电结 的边上，进入集电结的结电场区域，被集 电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区 被复合的电子形成的电流是 IBN。
以上关系在图02.02的动画中都给予 了演示。由以上分析可知，发射区掺杂 浓度高，基区很薄，是保证三极管能够 实现电流放大的关键。若两个PN结对接 ，相当基区很厚，所以没有电流放大作 用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三 极管，这是量变引起质变的又一个实例 。
问题1：除了从三极管的电流分配关系可以 证明 IE=IC+IB 。还可以通过什么方 法加以说明？ 问题2：为什么当温度升高时，三极管将失 去放大作用？从物理概念上加以说 明。
N
P
N
IE
e
IEP IEN
IBN
IC ICN ICEO IB
空穴
IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN
c
b
电子
IB= IEP + IBN - ICBO
IE=IEN + IEP 且IEN >> IEP
N
P
N
IE
e
IEP IEN
IBN
IC ICN ICEO IB
空穴
IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN
2.1.2 双极型半导体三极管的 电流分配与控制
双极型半导体三极管在工作时一定要加上 适当的直流偏置电压。 若在放大工作状态：发射结加正向电压， 集电结加反向电压。 现以 NPN型三 极管的放大状态为 例，来说明三极管 内部的电流关系， 见图02.02。动画2-1
图 02.02 双极型三极管的电 流传输关系
另外因集电结反偏， 使集电结区的少子形成 漂移电流ICBO。于是可 得如下电流关系式: IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN ，ICN>>IBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBN－ICBO IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO) IE =IC+IB
I CN α = IE
α 称为共基极直流电流放大系数 称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流
ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 α 的值小于1， 但接近1。由此可得：
IC=ICN+ICBO= α IE+ICBO= α (IC+IB)+ICBO α I B I CBO α I B + ≈ IC = 1−α 1−α 1−α