03 双极型晶体管(BJT)

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。
8
一、晶体管内部载流子的运动
c IB
1. 发射结加正向电压，扩散运动 形成发射极电流
Rc
b
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IEP可忽略)。
IC ( ) IE
IB＝IBN＋IEP
IC (1－)= IB+ICBO
令 1

IC IB
有
I C I B (1 ) I CBO
---共射电流放大系数
I E I C I B (1 ) I B I C I B I CEO I B I I E C
C
VA不是实际的电压，但它描述 了对于固定的IB，vCE变化对iC的 影响。
iB=0
VA
vCE (V)
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3.3
BJT的主要参数
三极管的参数分为三大类：直流参数、交流参数、极限参数
一、直流参数
1.共射直流放大系数
I C I CEO I C IB IB
是电流的直流量之比，也用hFE标记。
安全工作区
过损耗区
V(BR)CEO
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过压区 iB=0
vCE (V)
温度对晶体管特性及参数的影响
温度对输入特性的影响：温度升 高时正向特性左移，反之右移。
I / mA
60
600
温度对输出特性的影响 温度升高将导致IC增大。
200
iC
600 200
40
20 0 0.4 0.8 U / V
温度对输入特性的影响
晶体管内部载流子的运动
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IC=ICN+ICBO
二、晶体管的电流分配关系 IE = IEn+ IEp = ICn + IBn + IEp
IB=IEP+ IBN
IC = ICn + ICBO
I E =I C + I B
晶体管内部载流子的运动与外部电流
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三、共射电流放大系数、共基电流放大系数
IE=IB+IC ICN＝IE
c IB
ICBO
I
C
成集电极电流Ic
Rb
集电结反偏，结电场的方向阻止集电
b
区的多子（电子）向基区运动，但却将基 区扩散进来的电子收集到集电极，形成电 流ICN。其能量来自外接电源 VCC 。
同时，结电场把基区的本征少子（电
Rc
e IE
子）抽取到集电区，把集电区的本征少子 （空穴）抽取到基区，形成很小的少子漂 移电流,即反向饱和电流，用ICBO表示。
5. 与的关系
13


1
或

1
3.2 晶体管共射电路的伏安特性
一. 输入特性曲线
iB=f(vBE)
VCE = Const
指当集射间电压不变时，输入回路中加在基极和发射 极间的电压vBE和基极电流iB间的关系曲线。
c+ -
i
B
iC
vBE
UBB
b +
vCE
UCC
e-
共射极放大电路
2.最大集电极耗散功率PCM
三极管工作时，损耗功率为PC=iCvCE， PCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。 超过此值会使管子性能变坏或烧毁。PCM值与环境温度有关。温度越高，则PCM越小。
3. 反向击穿电压
由于三极管处于放大状态时，有一个PN结是反偏的。因此就有外加在各电极间 的最大允许反向电压的限制。否则反向电流上升，导致管子击穿而损坏。
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随着iB的不同，可以 画出一族特性曲线。
饱和区：在特性曲线的起 始部分，不同iB值的各条 曲线几乎重叠。iC基本上 不随iB而变。这称为饱和 现象。iC明显受vCE控制， 该区域内，一般vCE＜ 0.7V(硅管)。此时，发射 结正偏，集电结正偏或反 偏电压很小。
放大区：iC平行于vCE轴 的区域，曲线基本平行 等距。此时，发射结正 偏，集电结反偏。
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二、输出特性曲线
iC=f(vCE)
IB = Const
指当基极电流不变时，输出回路中取自集电极和发射极间的电压 vCE与集电极电流iC间的关系曲线。
1）vCE很小时，当vCE略有增加，iC增加很快。 故曲线起始部分较陡。这是由于vCE很小（小 于1V）时，集电结反向电压较小，对到达基 区的电子吸引力不够。此时，iC受vCE影响很 大，vCE稍有增加，则从基区到集电区电子增 加很快，此时iC增加很大。 2）当vCE超过某数值后，曲线变得比较平坦，近似于—水平直线。这表示当iB一定 时，iC的值基本上不随vCE变化。这是由于vCE大，集电结的电场足够强，能使发射区 扩散到基区的绝大部分电子到达集电区，此时vCE再增大，iC增加就不多了。
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截止区：iC接近零的区 域，相当iB=0的曲线的 下方。此时，vBE小于 死区电压，集电结反偏。
Early 电压
一般，放大区的曲线相对水平轴有一点倾斜，这是由于基区调制效 应引起的。所谓基区调制效应，是指当VBE为常量时，基区宽度随着VCE 的增加而减小，发射区发射到基区的电子与基区空穴复合几率变小， 导致IC增加。为了形象化地表示这一结果，我们可以认为集电极特性 曲线族的每一条曲线都是由电压横轴负半轴上的一点发出射线延长得 到的。这一点称为Early电压，用VA表示。 i (mA)
VCBO——发射极开路时的集电结所允许加的最高反向电压。 VCEO——基极开路时集电极和发射极间所允许加的最高反向电压。 VEBO—--集电极开路时发射结所允许加的最高反向电压。
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由PCM、ICM、V（BR）CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、 过电流区和击穿区、安全工作区。如图所示。
iC (mA) ICM 过流区 (iC vCE=PCM) 允许功率损耗线：
4
3.1.1
晶体管的结构、示意图和符号
集电极 c 集电区
c
源自文库
N
基极 b
集电结 基区
P
b e
发射结
N
发射区
符号 图中箭头表示发射 结在正向偏置电压接 法下的电流方向。
发射极 e
NPN 型三极管结构示意图
5
集电极 c 集电区 c
P N
基极 b
集电结 基区 发射结 发射区 发射极 e b e
N
N P
符号 图中箭头表示发射 结在正向偏置电压接 法下的电流方向。
PNP 型三极管结构示意图
6
3.1.2 晶体管放大状态下内部载流子的运动
以 NPN 型三极管为例讨论
c
N b P
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。
表面看 b
不具备 放大作用
N
e
e
7
二氧化硅
e
b
三极管内部结构要求：
1. 发射区高掺杂。
N 发射区 P 基区 N 集电区 c
VCE = 0V VCE 1V
vBE /V
若VCE继续增加，输入特性应继续右移。 但当VCE1后，在一定的VBE之下，集电结 的反向偏压已足以将注入基区的电子基 本上都收集到集电极，此时即使VCE再增 加，IB也不会减少很多。因此，VCE>1V 后，不同的VCE值的输入特性几乎重叠。 通常用VCE>1V来代表VCE更高的情况。
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(1) 当VCE=0V时，从输入回路看，由于发射结正偏，输入特性与半导 体二极管的正向特性曲线类似。 (2)当VCE0时，这个电压的极性有利于把发射区扩散到基极的电子收 集到集电极。如果VCE>VBE，则发射结正偏，集电结反偏。集电极开始 收集电子，基区复合减少，在同样的vBE下,IB减小，特性曲线右移。
VE ＝3.6V
VE ＝3.4V
集电结
反偏
反偏
正偏
解：
对NPN管而言，放大时VC ＞ VB ＞ VE 对PNP管而言，放大时VC ＜ VB ＜VE
（1）放大区 （2）截止区
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（3）饱和区
[例2]
某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。
IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,试判断管脚、管型。
2
他们在导体电路中正在进行用 半导体晶体把声音信号放大的实验。 3位科学家惊奇地发现，在他们发 明的器件中通过的一部分微量电流， 竟然可以控制另一部分流过的大得 多的电流，因而产生了放大效应。 这个器件，就是在科技史上具有划 时代意义的成果——晶体管。 1956年，这3位科学家共同荣获 了1956年诺贝尔物理学奖。
IE
二、交流参数
1.共射交流放大系数
三极管工作时，基极电流产生一个△ib，相应地集电极电流有 i C △ic，则 ，是电流的变化量之比，也用hfe标记。 i
B
与共射直流放大系数的含义不同。后者反映静态（直流工作状 态）时IC与IB之比。而前者反映的是动态（交流工作状态）时电流 的增量之比，表征的是共射极电路的电流放大能力。
晶体管之父 William Shockley
3
3.1 BJT的结构及内部载流子的传输
晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。两 个PN结互相影响，使晶体管表现出不同于单个PN结的特性而具有信 号放大功能，因而成为各种电子电路的核心元件。 在晶体管中，参与导电的有空穴和电子两种载流子，又因为它 是由两个PN结构成，所以被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor)。 由于BJT有三个电极, 因而又称为三极管。它有很多种类。按频 率分有高频管、低频管；按功率分有大、中、小功率管；按材料分 有Si和Ge管。 根据结构的不同，三极管一般有两种类型：NPN 型和 PNP 型。
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i E I S e vBE / VT v BE / VT i I I e C E S I I i B C S e vBE / VT
4、共基交流电流放大系数
I Cn IE
ΔiC ΔiE
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。
IE＝IEN＋IEP IEN
Rb
2. 扩散到基区的自由电子与空 穴的复合运动形成基极电流
e
IE
电子到达基区，少数与空穴复合形成 基极电流 Ibn ，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。
晶体管内部载流子的运动
IB＝IBN＋IEP
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3.集电结加反向电压，漂移运动形
iB
O
温度对输出特性的影响
VCE
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三极管工作状态的判断
[例1]：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别 管子工作在什么区域？
原则：
（1） VC ＝6V VB ＝0.7V VE ＝0V 截止 发射结 反偏 放大 正偏 饱和 正偏
（2） VC ＝6V
（3） VC ＝3.6V
VB ＝4V
VB ＝4V
解：电流的正方向和KCL。IE=IB+ IC
C为发射极
B为基极 A为集电极。 管型为NPN管。
A
IB
IA
B
IC
C
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[例3]工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：
（1）U1=3.5V、U2=2.8V、 U3=12V （2）U1=3V、 U2=2.8V、 U3=12V （3）U1=6V、 U2=11.3V、 U3=12V （4）U1=6V、 U2=11.8V、 U3=12V
2. 共基极交流电流放大系数α
i C i E ，体现的是共基接法下的电流放大作用。
与之间的关系是： 1
20
或

1
三、 极限参数 极限参数指使用三极管时不得超过的限度。
1.最大集电极电流ICM
ICM指三极管的参数变化不超过规定值时允许的最大集电极电流。当集电极电流大 于ICM时，值明显变小，三极管性能下降。
2.共基直流电流放大系数 IC 当忽略反向饱和电流ICBO时，
3.集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在集电结加上一定反向电压时的反向电流。它的 大小标志着集电结的质量，即单向导电性的优劣。ICBO越小越好。 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO 基极开路时，从集电极直通到发射极间的电流。ICEO越小，放大 19 管的质量越好。 ICE O (1 )ICBO
第3章 双极型晶体管（BJT）
中山大学 郭东亮
1
1947年的晶体管（transistor）
1947年12月16日，美国新泽 西州的贝尔实验室里，3位科学 家——威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿 （Walter Brattain）成功地制造 出第一个晶体管，改变了人类的 历史。 1950年，William Shockley 开发出双极性接面晶体管 （bipolar junction transistor, BJT），也就是现在俗称的晶体管。