三极管的结构及工作原理

电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室第二章：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。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室NNP2.1双极型半导体三极管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。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：发射极e发射结集电结基区发射区集电区集电极c基极bNPN型PNP型PPN电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室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。NPN型三极管图符号大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管ecbPNP型三极管图符号ecb注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室2.1.2双极型三极管的电流分配关系及放大作用晶体管芯结构剖面图e发射极集电区N基区P发射区Nb基极c集电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”。(2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。(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。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室晶体管实现电流放大作用的外部条件NNPUBBRB＋－(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。UCCRC＋－(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。IEICIB整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即：IE=IB+IC电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室结论由于发射结处正偏，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。1.发射区向基区扩散电子的过程由于基区很薄，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.电子在基区的扩散和复合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。3.集电区收集电子的过程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。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室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40μA增加到50μA时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：8010)4050(10)2.34(63BCII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。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室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）UBE/VIB/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB从0开始增加IBIE=IBUBE令UCC为0UCE=0时的输入特性曲线UCE为0时电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室UCE=0.5VUBE/VIB/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新从0开始增加IBICUBE增大UCC让UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5V的特性曲线继续增大UCC让UCE=1V令UBB重新从0开始增加UCE=1V的特性曲线继续增大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。UCE1V的特性曲线电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室(2)输出特性曲线先把IB调到某一固定值保持不变。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。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。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE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。IBUCE/VIC/mA0电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。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。UCE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。UCE/VIC/mA0IBIB1IB2IB3IB=0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。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。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室当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。UCE/VIC/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3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。ΔIB=40A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；ΔIC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电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室UCE/VIC/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。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。截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大区晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。此时UCE小于UBE,规定：UCE=UBE时，为临近饱和状态，用UCES（0.3或0.1）表示，此时集电极临近饱和电流是//CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI临近饱和基极电流管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V,由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE//CSBSCCCCCESCCCSIIRVRVVI临近饱和基极电流管子处于饱和状态管子处于放大状态，CSCCSCIiIi电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室例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？2321T131T1(a)(b)解：工作在放大区的NPN型晶体管应满足VCVBVE，PNP型晶体管应满足VCVBVE，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。电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室（1）在图（a）中，3与2的电压为0.7V，可确定为硅管，因为V1V3V2,，所以1为集电极，2为发射极，3为基极，满足VCVBVE,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V3V2V1,，所以3为集电极，1为发射极，2为基极，满足VCVBVE的关系，管子为PNP型。2321T131T1(a)(b)V1=+10V，V2=0V，V3=+0.7VV1=+0V，V2=-0.3V，V3=-5V电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室例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：+10V1KIC+6V5KIB+10V1KIC-2V5KIB+10V1KIC+2V5KIB(a)(b)(c)电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室所以饱和因为临界饱和电流：,IImA7.93.010110mA8.3106.130mA06.153.557.06CSCCESCSBCBVIIIImA7.93.010110mA8.726.030mA26.053.057.02CESCSBCBVIIII临界饱和电流：（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，故管子的发射结正偏,管子导通基极电流:：所以管子工作在放大区此时有：,IICSC+10V1KIC+6V5KIB+10V1KIC-2V5KIB+10V1KIC+2V5KIB(a)(b)(c)+10V1KIC+6V5KIB+10V1KIC-2V5KIB+10V1KIC+2V5KIB(a)(b)(c)电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室2.1.4三极管的主要参数1.电流放大倍数BCII2.极限参数①集电极最大允许电流ICMCMIUCE/VIC/mA0IB=043211.52.3②反向击穿电压U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基极开路指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现击穿。Β值的大小反映了晶体管的电流放大能力。ICICM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PCMCMP晶体管上的功耗超过PCM，管子将损坏。安全区电子技术基础主编吴利斌唐东自动化教研室3.极间电流•集电极-发射极反向饱和电流ICEO（穿透电流）指基极开路时，集电极