三极管的结构及工作原理

UCE
+ UCC
+
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
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再调节IB1至 另一稍小的 固定值上保 持不变。
主编 吴利斌
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。
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） IB /A
令UBB从0 开始增加 UCE为 0时 UCE=0时的输 入特性曲线
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。 取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差； 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
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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1.5 1
区
20 A
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IC
mA RC +
I CS
VCC VCES VCC / RC RC
A
IB UBE IE
临近饱和基极电流 BS I CS / I
iC I CS 管子处于放大状态， iC I CS 管子处于饱和状态
+
RB UBB
A
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。
2
1
T
1
3 (a)
1
T
1
2
3
(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： +10V 1K IC +6V 5K IB -2V 5K IB +10V 1K IC +2V 5K IB 1K IC +10V
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。
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IC /mA
4 3 2.3 2 1.5 1
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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。
B
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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。
2
1
T
1
3 (a)
1
T
1
2
3
(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 双极型半导体三极管
2.1.1 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
P
N
P
发射极e
N
P
N
集电极c
发射结
基极b
集电结
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NPN型
UCC
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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？
(a) (b) （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+2V大于管子的导通电压，故管 +10V +10V 子的发射结正偏,管子导通基极电流:： (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 c b e
中功率低频三极管 c b
小功率高频三极管
NPN型三极管图符号
PNP型三极管图符号
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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
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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。 整个过程中， IE 发射区向基区发 ＋ IC N P N 射的电子数等于 － 基区复合掉的电 RC 子与集电区收集 RB 的电子数之和， ＋ － UCC 即： IE=IB+IC UBB I
注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。
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e
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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
基 极
b
(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 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。 集电区N (3)集电区体积较大，且为了顺利 晶体管芯结构剖面图 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。
IB RB UBE
UCE =0V
RC + 令UCC
为0
+
UBB
IE=IB
UCC
0 UBE /V
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令UBB 重 新从0开 始增加
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让UCE=0.5V 让UCE=1V
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 UCE =0.5V UCE =1V UBE
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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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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。
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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输出特性曲线上一般可分为三个区：
IC /mA 饱和区。当发射结和 集电结均为正向偏置 IB=100 A 4 时，三极管处于饱和 状态。此时集电极电 管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V, 80 A 3 流IC与基极电流IB之 由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个 间不再成比例关系， 闭合的开关。 放 60 A 2.3 IB的变化对IC的影响 2 大 40 A 很小。 截止区。当基极电 IB=0 流IB等于0时，晶体 UCE / V 0 管处于截止状态。 实际上当发射结电 晶体管工作在放大状态时，发射结正 此时UCE小于UBE,规定： 压处在正向死区范 VCC VCES I CS VCC / RC 围时，晶体管就已 偏，集电结反偏。在放大区，集电极电 UCE=UBE时，为临近饱和状态， RC 经截止，为让其可 流与基极电流之间成β倍的数量关系， 用UCES（0.3或0.1）表示，此时 靠截止，常使UBE 小于和等于零。 即晶体管在放大区时具有电流放大作用。 临近饱和基极电流 BS I CS / I 集电极临近饱和电流是
(a)
(b)
(c)
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电子技术基础 主编 +10V
吴利斌
+10V
6 0. 7 5 . 3 IB 1K mA 1.06 1K 5 5 I C I B 30 1.06 31.8mA IC +2V 5K +6V 5K IB IC 10 -2V 5K VCES 临界饱和电流： CS I 10 0.3 9.7 mA IB IB 1 因为I C I CS , 所以饱和
RC +
IB RB
UCC
继续增 增大UCC 大UCC
+
UBB
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。 唐东自动化教研室
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(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
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 IC /mA
A
IB UBE IE
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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：
I C (4 3.2) 103 80 6 I B (50 40) 10
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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。