第4章--双极型晶体管工作原理

4.4双极性晶体管大功率达林顿晶体管双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。常见的晶体管其外形如图示。P发射区NN发发发发发发发发基极be发发发发发发c发发发发发发cebNPN发cbPNP发cebcebP+NP晶体管的结构及电路符号PN+NN＋衬底N型外延PN＋cebSiO2发射区集电区N＋衬底N型外延PN＋c绝缘层集电结基区发射区发射结集电区｛发发发发发发发发发发｛PNP发NPN发PNP发NPN发｛(3Axx)(3Bxx)(3Cxx)(3Dxx)•为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构：①.发射区相对基区要重掺杂；②.基区要很窄（2微米以下）；③.集电结面积要大于发射结面积。例如：3DG6即为硅NPN型高频小功率管。3AX18即为锗PNP型低频小功率管。晶体管类型N＋衬底N型外延PN＋ebSiO2N＋衬衬N衬衬衬PN＋c衬衬衬衬衬衬发发发发发衬衬衬发发发4.4.1晶体管的工作原理当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15Vb+①.发射区向基区注入电子②.电子在基区中边扩散边复合③.电子被集电区收集IENIEP•根据电荷守衡有ICN+IBN=IENIBNIBNICNIEPIEN，发射极电流IE≈IEN。形成基区复合电流IBN,为基极电流IB的主要部分形成集电区收集电流ICN,为集电极电流IC的主要部分。ECB一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程通过对管内载流子传输的讨论可以看出，在晶体管中，窄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起。从而把正偏下发射结的正向电流几呼全部地传输到反偏的集电结回路中去。这是晶体管能实现放大功能的关键所在。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIEPIENICN+④.集电结少子漂移集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。ICBO二.电流分配关系由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：EENBNCNBBNCBOBNCCNCBOCNIIIIIIIIIIII可见，在放大状态下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICN+ICBOCBOBCBOCBNCNIIIIII(1)(1)CBCBOBCEOECBBCEOBECIIIIIIIIIIIII1.为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为BBNCBOCCNCBOIIIIII其含义是：基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去。值一般在20~200之间。确定了值之后，可得式中CBOCEOII)1(称为穿透电流cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICN+ICBO这是今后电路分析中常用的关系式。由于ICBO极小，在忽略其影响时，晶体管三个电极上的电流近似有：(1)CBCBEBIIIIIIcICeIENPNIBRCUCCUBBRB15Vb+CNCCBOCENEEIIIIIIIBCEECBOEBECBOECIIIIIIIIIII)1()1(根据上式，不难求得2.为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为显然，1，一般约为0.97~0.99。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICN+1CNCNENBNENCNENENIIIIIIII由于和都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由、的定义可得1CNCNBNENBNCNBNBNIIIIIIIIeUCCUBBRB15VIBNIEIICNcRCCC15VbIBICIE+_ui++△IC+△IE△Ｕ＝ＲＣ△IC三.晶体管的放大作用IEN△ICN△IBN△△IB4.4.2晶体管伏安特性曲线及参数晶体管有三个电极，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。实际中有共发射极、共集电极和共基极三种基本接法，如图所示。cebiBiC发发发发发发发发eciBiEbceiEiCb共发射极共集电极共基极其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。晶体管共发射极特性曲线晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图示电路逐点测出。常数BiCECufi)(mAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－mA实测的共射输出特性曲线如图下所示:一、共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即临界饱和线mAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－mAuCE/V5101501234iC/mA放大区40A10A0A20AIB=30AB＝－ICBOI截止区饱和区uCE=uBE共发射极输出特性曲线常数BiCECufi)(在输出特性曲线上可分为三个工作区，分别对应于晶体管的三种工作种状态，即放大、截止和饱和状态。特点：①.基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔIB时，iC就会有很大的变化量ΔIC。CECuBII常数反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。1.放大区条件：e结正偏（IB0），c结反偏（uCE≥uBE）。uCE/V5101501234IB＝40A30A20A10A0AB＝－ICBOiC/mAI放大区uCE=uBE为此，定义共发射极交流电流放大系数：IC}IB②②.uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为iB一定而uCE增大时，曲线仅略有上翘（iC略有增大）。IBQuCEiC•由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时，集电极电流具有恒流特性。•原因：基区宽度调制效应（Early效应）或简称基调效应WbECWbC结发发UCE临界饱和线iC不受iB控制，表现为不同iB的曲线在饱和区汇集。uCE/V2401234IB＝40A30A20A10A0A放大区iC/mA2.管子饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。其值很小，深饱和时约为0.3~0.5V。uCE＝uBE饱和区条件：e结正偏，c结正偏（uCEuBE即临界饱和线的左侧）。特点：①.iB一定时，iC的数值比放大时小；由于c结正偏，不利于集电区收集电子，同时造成基区复合电流增大。因此：②.uCE一定而iB增大时，iC基本不变。uCE/V510150123430A20A10A0Ai＝－ICBO放大区iC/mAuCE/V5101501234截止区30A20A10A0AiB＝－I放大区iC/mA3.截止区当iB=0时，iC=ICEO=(1+)ICBO。这时e结仍有正向受控作用，但对小功率管，ICEO很小，可以认为iB≤0时，管子截止。反映在特性上，即为iB≤0的曲线基本重合在水平轴上。对大功率管，由于ICEO很大，此时，为确保管子截止，e结必须反偏。条件：e结和c结均处于反偏。特点：三个电极上的电流均为反向电流，相当极间开路。二、共发射极输入特性曲线共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即常数CEuBEBufi)(iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE=1(2).在uCE≥1V的条件下，正向特性存在导通或死区电压UBE(on)UBE(on)输入特性曲线有如下特点：(1).uCE增大时曲线基本重合。UBE(on)≈0.6V，硅管，UBE(on)≈0.1V，锗管(3).当uCE=0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移。iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE≥1(4)当uCE在0~1V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0uCE≤UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动UCE＝0(5)当uBE0时，晶体管截止，iB为反向电流。若反向电压超过某一值时，e结也会发UCE0综上所述，晶体管是一种非线性导电器件，有三个工作区，对应三种不同的工作状态：⑴.放大状态（iB0，uCE≥uBE，即e结正偏，c结反偏）特点：①.iC受iB控制，即IC=IB或△IC=β△IB②.IB一定时，iC具有恒流特性。⑵.饱和状态（iB0，uCEuBE，即e结、c结均正偏）特点：①.iC不受iB控制，即②.三个电极间的电压很小，相当短路，各极电流主要由外电路决定。⑶.截止状态（iB0，uCE≥uBE，即e结、c结均反偏）特点：①.iC≈iB≈iE≈0。②.三个电极间相当开路，各极电位主要由外电路决定。ICIB或β△ICβ△IB晶体管的三种工作状态，在实际中各有应用：OOOceb需要指出，使e结反偏而c结正偏时，这种状态通常称为反向放大（或倒置）状态，在模拟电路中这种工作方式很少采用。当管子饱和时，相当开关闭合；当管子截止时，相当开关打开。cebcb在构成放大器时，晶体管应工作在放大状态；用作电子开关时，则要求工作在饱和、截止状态。即c极端和e极端之间等效为一受b极控制的开关，如图所示。晶体管的主要参数一、1.共射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β2.共基极直流电流放大系数和交流电流放大系数CECuBII常数BCuEII常数β数数α数数注意：、β和都是放大区参数。其数值可以从输出特性曲线上求出。α、应当指出，β值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，β值较小。只有在iC不大不小的中间值范围内，β值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意β值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这βICβ0二、极间反向电流1.ICBOICBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向电2.ICEOICEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向电3.IEBOIEBO指集电极开路时，发射极-基极间的反向电流。ICBOICEOIEBO三、结电容结电容包括发射结电容Ce(或Cb′e)和集电结电容Cc(或Cb′c)。结电容影响晶体管的频率特性。四、晶体管的极限参数1.击穿电压U(BR)CBO指e极开路时，c-bU(BR)CEO指b极开路时，c-e极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBO指c极开路时，e-b极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBOβ023ICMβICβ02.集电极最大允许电流ICMβ与iC的大小有关，随着iC的增大，β值会减小。ICM一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当iCICM时，虽然管子不致于损坏，但β值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时，iC不应超过ICM。3.集电极最大允许耗散功率PCMPCM与管芯的大小、材料、散热条件及环境温度等因素有关。PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如下图所示。晶体管工作在放大状态时，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此有一个功耗限额。+-UCEICPC=IC·UCEuCEiC0工作区安全ICMPCMU(BR)CEO击穿电压U(BR)CEOPCM=IC·UCE为了确保管子有效安全工作，使用时不应超出这一工作区。最大电流ICM五.温度对晶体管的uBE、ICBO和β有不容忽