第3讲 半导体基础知识-三极管讲解

晶体三极管
2.3.1 输入特性曲线族
共发射极输入特性曲线 是指VCE为参变量，输入电 流IB与输入电压VBE之间的 关系曲线，即
I B f1 (VBE ) VCE 常数
晶体三极管
VBE一定时，随着VCE的 增大，IB相应减小，即 特性曲线右移。 1）VCE = 0V，相当于集电 极和发射极短路，类似于 PN结伏安特性曲线。 2）VCE增大，曲线将右移。 （基区宽度调制效应） 3）当VCE增大到一定值（如1V)后，iB基 本不变。
N b
表面看
P
N
b
不具备 放大作用
e
三极管中的两个 PN 结
e
图1.3.4
晶体三极管
三极管内部结构要求： 1. 发射区高掺杂。 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。 三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
IC IB
共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。 一般 值约为几十 ~ 几百。
晶体三极管
三极管的电流分配关系
I E IC I B IC IB I E (1 ) I B
0.04 2.33 2.37
IC IE
一组三极管电流关系典型数据 IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77
晶体三极管
三极管的电流分 配关系 IC = ICn + ICBO IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp 一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大。 而二者之比称共基直 流电流放大系数，即
I Cn IE
ICBO
IC
c
ICn
Rc
IB
b
Rb
IBn
IEp e IEn
e
或


1
晶体三极管
二、反向饱和电流
1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO
小功率锗管 ICBO 约为几微 安；硅管的 ICBO 小，有的为纳 安数量级。
A
ICBO b
c ( a) I CBO
测量电 e 路
2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO
当 b 开路时， c 和 e 之间的电流。
4. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为集电结反向饱和电流。
I C I E I CB O
在表的第二列数据中， I B = 0，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。 ICEO (1 ) ICBO
IB/mA 0.001 IC/mA 0.001 IE/mA 0 0 0.01 0.01 0.01 0.56 0.57 0.02 1.14 1.16 0.03 1.74 1.77 0.04 2.33 2.37 0.05 2.91 2.96
1 共射直流电流 放大系数。


晶体三极管
I C I B (1 ) I CBO
上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称穿透电流。
I CEO (1 ) I CBO 则 I C I B I CEO
当 ICEO<< IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得
U(BR)CEO ：基极开路 时，集电极和发射极之间 的反向击穿电压。
U(BR)CBO ：发射极开 路时，集电极和基极之间 的反向击穿电压。 安全工作区同时要受 PCM 、 ICM 和 U(BR)CEO 限制。
IC ICM
过流区
安 全
过 损
工作 区 O 图 1.3.11
耗
区
过 电 压
U(BR)CEO UCE 三极管的安全工作区
共发射极连接时
VCE VCB VEB VBE VBC 0.3V
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2.3.4 晶体三极管的截止模式
三极管工作在截止模式时，发射结与集电结均反偏。 若忽略两个结的反向饱和电流，则可近似认为晶体三
极管的各级电流均为零。
其简化模型可用 两段开路线表示：
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2.6 三极管的主要参数
晶体三极管
2.3.2 输出特性曲线族
输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下，三极管 的集电极与发射极之间的电压VCE同集电极电流Ic的关系。
I C f 2 (VCE ) I B 常数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
晶体三极管
1. 截止区 晶体管工作在截止模式 下，有： VBE≤Von，VCE>VBE 所以：
IB = 0，IC ≤ ICEO
晶体三极管
第二章
晶体三极管
参考书籍：
谢嘉奎《电子线路》线性部分
晶体三极管又称双极型晶体管(BJT)，一般由两个背靠 背的PN结构成，根据这两个PN结的排列方式不同，三极管分 为NPN型和PNP型两种。
C 集电极
B C T E
晶体三极管
C
集电极
N 集电区 B P 基区 基极
集电结
P 集电区 B N 基区 基极
结论：
发射结反向偏置时，
晶体管是截止的。
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2. 放大区
晶体管工作在放大模式下，
VBE>Von, VCE≥VBE ，此时特 性曲线表现为近似水平的部分， 而且变化均匀： ① 作用。 ② 随着VCE的增加，曲线 IC的大小受IB的控制； ΔIc>>ΔIB；具强的电流放大
有些上翘。
③ 理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性 曲线是一族与横轴平行的等距离线。
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3. 饱和区
条件：VBE>Von，VBC﹤VBE
特点：此时曲线簇靠近纵轴
附近，各条曲线的上升部分 十分密集，几乎重叠在一起， 可以看出：当IB改变时， IC 基本上不会随之而改变。 关于晶体管的饱和程度： 一般认为 ，当 VCE=VBE 时 的状态为临界状态（VCB=0）
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2.3.3 晶体三极管的饱和模式
晶体三极管
2.7 PNP 型三极管
放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结 正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。
Rb P N N
+
RC
+ ui ~
VBB

uo

VCC
+ ui ~
VBB

Rb
+
RC
uo

VCC (b) PNP 型
(a) NPN 型 图 1.3.13
三极管外加电源的极性
当三极管的发射结和集电结均加正偏时，它工作在饱和 模式。I C 和 I E 将同时受到两个结正偏电压的控制，不再具有 放大模式下的正向受控作用。
饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，
分别为 VBE( sat ) 和 VBC( sat ) 对于硅管，一般取
VBE( sat ) VBE(on) 0.7V VBC( sat ) VBC(on ) 0.4V
晶体三极管
三极管中载流子运动过程
c Rc
IB
b
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 Rb 到达基区，少数与空穴复 合形成基极电流 Ibn，复合 e IE 掉的空穴由 VBB 补充。 多数电子在基区继续扩 图 1.3.5 三极管中载流子的运动 散，到达集电结的一侧。
晶体三极管
三极管中载流子运动过程
c
ICBO
IC
Rb
IB
b Rc e
3. 收集 集电结反偏， 有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。
IE
图 1.3.5
三极管中载流子的运动
一般可达 0.95 ~ 0.99
晶体三极管
I C I Cn I CBO I E I CBO 当 I CBO I C 时， 可将其忽略，则 IC IE
三个极的电流之间满足节点电流定律，即
(1)
IE = IC + IB
代入(1)式，得 I C ( I C I B ) I CBO 1 IB I CBO 1 1 I B (1 ) I CBO 其中：
集电结反偏的模式。这时它呈现的主要特 性是正向受控作用，即三极管的集电极电 流和发射极电流只受正偏发射结电压的控 制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。 这种作用是实现放大器的基础。
晶体三极管
2.2.1 三极管的放大作用和载流子的运动
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。
晶体三极管
根据 和 的定义，以及三极管中三个电流的关 系，可得 Δ IC Δ IC Δ IC /Δ IB Δ IE Δ IB Δ IC Δ IB Δ IC 1 Δ IB 故 与 两个参数之间满足以下关系：


1
或


1
直流参数 、 与交流参数 、 的含义是不同的， 但是，对于大多数三极管来说， 与 ， 与 的数值 却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。
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2.2.2. 三极管的电流放大作用
从三极管中载流子的运动情况可知，我们只要
在制造上将基区做得很薄，掺杂浓度又低，那么从
发射区扩散过来的电子将绝大部分越过基区流向集
电极，形成集电极电流IC，只有很小一部分流向基
极形成基极电流IB，三极管在制成以后，IC和IB的
比例基本保持一定。因此我们可以通过改变IB的大
晶体三极管
2.7温度对晶体三极管特性的影响
由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温 度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。主要表现在以下
三个方面：
集电结
NPN
发射结
C B T E
发射结
N 发射区
E 发射极
P 发射区
E 发射极
NPN型
PNP
PNP型
晶体三极管
晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，
它的主要特性与其工作模式有关。
晶体三极管有三种工作模式： • 放大模式
• 饱和模式
• 截止模式
晶体三极管
2.2 放大模式下的工作原理
放大模式是指晶体管工作在发射结正偏、
0.05 2.91 2.96
1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，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。 ΔI 3. 共射交流电流放大系数
C
共基交流电流放大系数

ΔI B ΔI C
ΔI E
晶体三极管
小控制IC，这就是所谓的三极管的电流放大作用。
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2.3 晶体三极管的伏安特性曲线
晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电 压关系的曲线。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 输出两个回路。在晶体管的三种基本接法中，我们主要讨 论应用最广的共发射极伏安特性曲线。
I CEO (1 ) I CB O
b
c
A
值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。
图 1.3.11 反向饱和电流的测量电路
e ICEO
(b)ICEO 测量电 路
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三、 极限参数
1. 集电极最大允许电流 ICM 当 IC 过大时，三极管的 值要减小。在 IC = ICM 时， 值下降到额定值的三分之二。 2. 集电极最大允许耗散功率 PCM
Δ IC Δ IB
3. 共基电流放大系数
Δ IC Δ IE
2. 共射直流电流放大系数 忽略穿透电流 ICEO 时，
4. 共基直流电流放大系数 忽略反向饱和电流 ICBO 时，
IC IB
IC IE
和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：


1
三极管的连接方式
IC C1 IB + Rb VBB +C2 Rc VCC C1 + IE IC C2 + Rc VCC
(b)共基极接法
T
Re
VEE
(a)共发射极接法
图 1.3.10
NPN 三极管的电流放大关系
一、电流放大系数
是表征管子放大作用的参数。有以下几个：
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1. 共射电流放大系数
将 IC 与 UCE 乘积等于 规定的 PCM 值各点连接起 来，可得一条双曲线。
ICUCE < PCM 为安全工作区 ICUCE > PCM 为过损耗区
图 1.3.11 三极管的安全工作区
IC
PCM = ICUCE
过
安 损 全 耗 工作 区
O
区
UCE
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3. 极间反向击穿电压 外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。