三极管工作原理

第2章半导体三极管(SemiconductorDiode)2.1双极型三极管教学要求：1.掌握晶体三极管的工作原理；2.理解晶体三极管的输入、输出特性曲线；3.了解晶体三极管的主要参数。一、晶体三极管(SemiconductorTransistor)利用特殊工艺将两个PN结结合在一起就构成了双极型三极管。1.结构和符号：结构特点：e区掺杂浓度最高，b区薄，掺杂浓度最底；c区面积最大。分类：构成材料：硅管、锗管结构：PNP、NPN使用频率：低频管、高频管功率：小功率管、中功率管、大功率管2.电流放大原理（1）放大条件内部条件：e区掺杂浓度最高，b区薄，掺杂浓度最底；c区面积最大。外部条件：发射结（e结）加正向偏置电压，集电结（c结）加反向偏置电压。电位条件：NNPPNN型型：：Vc＞Vb＞Ve；PPNNPP型型：：Vc＜Vb＜Ve电压数值：UBE：硅0.5-0.8V,锗0.1-0.3VUCB：几伏——十几伏UCE：UCE＝UCB＋UBE几伏——+几伏（2）三极管内部（NPN型为例）1)发射区不断向基区注入多子（电子），形成发射极电流IE。2)向发射区扩散的基区多子（空穴）因数量小被忽略。这样，到达基区的电子多数向BC结方向扩散形成ICN。少数与空穴复合，形成IBN。基区空穴来源主要来自基极电源提供(IB)和集电区少子漂移(ICBO)。即IBN»IB+ICBO，IB=IBN–ICBO3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC，IC=ICN+ICBO。（4）三极管各极电流之间的分配关系IB=IBN-ICBO，IC=ICN+ICBO当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：二、晶体三极管的特性曲线1.输入特性曲线：由输入回路可写出三极管的输入特性的函数式为iB=f(uBE)，uCE=常数。实测的某NPN型硅三极管的输入特性曲线如下图(b)所示，由图可见曲线形状与二极管的伏安特性相类似，不过，它与uCE有关，uCE=1V的输入特性曲线比uCE=0V的曲线向右移动了一段距离，即uCE增大曲线向右移，但当uCE＞1V后，曲线右移距离很小，可以近似认为与uCE=1V时的曲线重合，所以下图(b)中只画出两条曲线，在实际使用中，uCE总是大于1V的。由图可见，只有uBE大于05V(该电压称为死区电压)后，iB才随uBE的增大迅速增大，正常工作时管压降uBE约为0.6～0.8V，通常取0.7V，称之为导通电压uBE(on)。对锗管，死区电压约为0.1V，正常工作时管压降uBE的值约为0.2～0.3V，导通电压uBE(on)≈0.2V。2.输出特性曲线输出回路的输出特性方程为：iC=f(uCE)，iB=常数；晶体三极管的输出特性曲线分为截止、饱和和放大三个区，每区各有其特点：（1）截止区：IB≤0，IC=ICEO≈0，此时两个PN结均反向偏置。（2）放大区：IC=βIB+ICEO，此时发射结正向偏置，集电结反向偏置，特性曲线比较平坦且等间距。Ic受IB控制，IB一定时，Ic不随UCE而变化。（3）饱和区：uCEuBE，uCB=uCE-uBE0，此时两个PN结均正向偏置，IC¹bIB，IC不受IB控制，失去放大作用。曲线上升部分uCE很小，uCE=uBE时，达到临界饱和，深度饱和时，硅管UCE(SAT)=0.3V，锗管UCE(SAT)=0.1V。3.温度对特性曲线的影响（1）温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1°C，UBE¯(2~2.5)mV。温度每升高10°C，ICBO约增大1倍。（2）温度升高，输出特性曲线向上移。温度每升高1°C，b-(0.5~1)%。输出特性曲线间距增大。三、晶体三极管的主要参数1.电流放大系数（1）共发射极电流放大系数:β（β）为直流（交流）电流放大系数β=IC/IB（β=ΔiC/ΔiB）。（2）共基极电流放大系数:α=β/（1+β），a1一般在0.98以上。2.极间反向饱和电流：CB极间反向饱和电流ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。ICBO、ICEO均随温度的升高而增大。3.极限参数：ICM：集电极最大允许电流，超过时b值明显降低；PCM：集电极最大允许功率损耗；U(BR)CEO：基极开路时C、E极间反向击穿电压；U(BR)CBO：发射极开路时C、B极间反向击穿电压。U(BR)EBO：集电极极开路时E、B极间反向击穿电压；U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO2.3三极管电路的基本分析方法教学要求1.掌握三极管电路的直流电路画法及分析方法；2.掌握三极管电路的交流电路画法及分析方法；3.熟悉三极管小信号等效电路的分析方法。一、概述三极管为非线型器件，对含有这些器件的电路进行分析时，可采用适当的近似方法，按线性电路来处理。利用叠加定理可对电路中的交、直流成分分别进行分析。直流分析（静态分析）：只研究在直流电源作用下，电路中各直流量的大小称为直流分析(或称为静态分析)，由此而确定的各极直流电压和电流称为直流工作点(或称静态工作点)参量。交流分析（动态分析）：当外电路接入交流信号后，为了确定叠加在静态工作点上的各交流量而进行的分析，称为交流分析(或称为动态分析)。方法：图解法：在输入、输出特性图上画交、直流负载线，求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。微变等效电路法根据发射结导通压降估算“Q”。再用等效电路法分析计算小信号交流通路的电路动态参数。电量参数的表示：BB，B表示主要符号，大写表示该电量是与时间无关的量(直流、平均值、有效值)，小写表示该电量是随时间而变化的量(瞬时值)。B为下标符号，大写表示直流量或总电量(总最大值，总瞬时值)；小写表示交流分量。二、直流分析1.图解分析法：在三极管的特性曲线上用作图的方法求得电路中各直流电流、电压量大小的方法，称为图解分析法。晶体三极管电路如下图(a)所示，三极管的输入、输出特性曲线分别示于下图(b)、(c)中。2.工程近似分析法三、交流分析1.动态图解分析：三极管电路动态工作时的电流、电压、可利用三极管特性曲线，通过作图来求得。现通过例题来说明动态图解分析过程。例.三极管电路如下图(a)所示，交流电压ui通过电容C加到三极管的基极，设C对交流〖ＪＰ２〗信号的容抗为零；三极管采用硅管，其输入、输出特性曲线如下图b)所示。已知ui=10sinωt(mV)，试用图解法求该电路各交流电压和电流值。解：(1)输入回路图解先令ui=0，由图(a)可得IBQ=（VBB-UBE(on)）/RB＝（6V-0.7V）/176//=0.03m/=30//由此可在图(b)的输入特性曲线上确定基极回路的静态工作点Q。若输入交流信号ui，它在基极回路与直流电压UBEQ相叠加，使得三极管B、E极之间的电压uBE在原有直流电压UBEQ的基础上，按ui的变化规律而变化，即uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsinωt，其波形如图(b)中①所示。根据uBE的变化(2)输出回路的图解根据VCC及RC值可在上图(b)所示输出特性曲线中作出直流负载线NM，它与iB=ＴＢIBQ=30μA的输出特性曲线相交于Q点，Q点便是集电极回路的直流工作点。由图可知，其对应的ICQ=3mA、UCEQ=3V。随着基极电流的变化，负载线MN与输出特性曲线簇的交点也随之变化。按基极电流iB在不同时间的数值，找出相应的输出特性曲线及其与负载线MN的交点，便可画出集电极电流iC和C、E极间电压uCE的波形，如上图(b)中③、④所示，由图可知，输出电流iC和输出电压uCE都在原来静态直流的基础上叠加了一交流量。由于输出特性曲线间距近似相等，故ic与ib成正比，因此，有iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsinωt，uCE=UCEQ+uce=UCEQ+Ucemsin(ωt-180°)，式中，uce=-icRC，Ucem=IcmRC。由上图(b)可读出iC的瞬时值在2～4mA之间变动，ic的幅度Icm=1mA；而uCE的瞬时值在2～4V之间变动，uce的幅度Ucem=1V。可见，Ucem＞Uim，电路实现了交流电压放大作用。此外，可看出uce波形与ui波形的相位相差180°(即反相关系)。2.小信号等效电路分析法（微变等效）输入信号过小时，用图解法进行交流分析误差较大，通常采用微变等效电路来分析。（1）晶体三极管电路小信号等效电路分析方法晶体三极管H（Hybrid）参数小信号电路模型等效依据：交流信号很小时，三极管的动态参数呈线性变化，此时，三极管各极交流电压、电流的关系近似为线性关系。rbe（hie）——三极管输出端交流短路时的输入电阻。其值与三极管的静态工作点Q有关。rbb´——三极管基区体电阻。对于低频小功率管rbb´约为200/。输入端口：从输入端看进去，相当于电阻rbe。输出端口：从输出端看进去，相当于一个受ib控制的电流源。ic=βib，β相当于H参数模型中的Hfe。晶体三极管电路的交流分析分析步骤：A.分析直流电路，求出“Q”点上各直流电压和电流，计算rbe；B.画出电路的交流通路，并在交流通路上把三极管画成H参数模型。C.利用叠加定理分析计算“Q”点上各极的交流量。（2）场效应管电路小信号等效电路分析法2.4三极管的测试与应用教学要求1.悉晶体三极管的外形及引脚识别方法；2.用万用表检测半导体三极管性能的方法；3.握三极管应用电路的测试方法。一、三极管使用的基本知识(一)外型及引脚排列（二）晶体三极管的检测方法1.用万用表检测晶体三极管的方法基极判别：将万用表置于R×1K挡，用红黑表笔搭接三极管的任意两管脚，如测得阻值大于几百千欧，将红黑表极为集电极；如果万用表指针偏转较小，则与红表笔相连的极为集电极。2.使用指针式万用表应注意的事项：R´1k挡进行测量；红表笔是(表内)负极，黑表笔是(表内)正极。测量时手不要接触引脚。3.数字万用表的使用接用电阻挡的挡，分别测量判断两个结的好坏；插入三极管挡(hFE)，测量b值或判断管型及管脚。注意事项：（1）红表笔是(表内电源)正极；黑表笔是(表内电源)负极。（2）NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔。（3）需要准确测量b（三）晶体三极管的选用1.根据电路工作频率选择高、低频管。2.根据电路实际工作要求选择管耗PCM、最大集电极电流ICM、反向击穿电压U(BR)CEO及电源电压VCC。要保证：PCMPCm，ICMＩCm，U(BR)CEOVCC3.三极管b值的选择，在40~100之间为好，9013、9014等低噪声、高b的管子不受此限制。4.选用管子的穿透电流ICEO越小越好，硅管比锗管的小。