半导体基础知识-三极管

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1、晶 体 三 极 管第 二 章晶 体 三 极 管参 考 书 籍 ： 谢 嘉 奎 电 子 线 路 线 性 部 分 晶 体 三 极 管 晶 体 三 极 管 又 称 双 极 型 晶 体 管 (BJT)， 一 般 由 两 个 背 靠背 的 PN结 构 成 ， 根 据 这 两 个 PN结 的 排 列 方 式 不 同 ， 三 极 管 分为 NPN型 和 PNP型 两 种 。 NPN型CP NNEB 发 射 区集 电 区基 区基 极 发 射 极集 电 极 集 电 结发 射 结 PNP型N PPEB 基 区 发 射 结集 电 结集 电 区发 射 区集 电 极C 发 射 极基 极B ETCNPNB ETCPNP

2、晶 体 三 极 管 晶 体 三 极 管 和 晶 体 二 极 管 一 样 都 是 非 线 性 器 件 ，它 的 主 要 特 性 与 其 工 作 模 式 有 关 。晶 体 三 极 管 有 三 种 工 作 模 式 ： 放 大 模 式 饱 和 模 式 截 止 模 式 晶 体 三 极 管2.2 放 大 模 式 下 的 工 作 原 理 放 大 模 式 是 指 晶 体 管 工 作 在 发 射 结 正 偏 、 集 电 结 反 偏 的 模 式 。 这 时 它 呈 现 的 主 要 特 性 是 正 向 受 控 作 用 ， 即 三 极 管 的 集 电 极 电 流 和 发 射 极 电 流 只 受 正 偏 发 射 结 电

3、 压 的 控 制 ， 而 几 乎 不 受 反 偏 集 电 结 电 压 的 控 制 。 这 种 作 用 是 实 现 放 大 器 的 基 础 。 晶 体 三 极 管2.2.1 三 极 管 的 放 大 作 用 和 载 流 子 的 运 动以 NPN 型 三 极 管 为 例 讨 论 图1.3.4三极管中的两个 PN 结cNNP eb b ec表 面 看 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 。 不 具 备放 大 作 用 晶 体 三 极 管三 极 管 内 部 结 构 要 求 ： 1. 发 射 区 高 掺 杂 。2. 基 区

4、做 得 很 薄 。 通 常 只 有几 微 米 到 几 十 微 米 ， 而 且 掺杂 较 少 。 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 。3. 集 电 结 面 积 大 。 晶 体 三 极 管b ec RcR b三 极 管 中 载 流 子 运 动 过 程I EIB 1. 发 射 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

5、 可 忽 略 )。 2. 复 合 和 扩 散 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 。图 1.3.5三极管中载流子的运动 晶 体 三 极 管b ec I EI BRc Rb 三 极 管 中 载 流 子 运 动 过 程 3. 收 集 集 电 结 反 偏 ，有 利 于 收 集 基 区 扩 散 过 来的 电 子 而 形 成 集 电 极 电 流 Icn。 其 能 量 来 自 外 接 电 源 VCC 。I C 另 外 ， 集 电 区

6、和 基 区的 少 子 在 外 电 场 的 作 用 下将 进 行 漂 移 运 动 而 形 成 反向 饱 和 电 流 ， 用 I CBO表 示 。ICBO图 1.3.5三极管中载流子的运动 晶 体 三 极 管b ece RcRb 三 极 管 的 电 流 分配 关 系 I EpICBO IE ICIB I EnIBn ICnIC = ICn + ICBO IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp 一 般 要 求 ICn 在 IE 中 占 的 比 例 尽 量 大 。而 二 者 之 比 称 共 基 直流 电 流 放 大 系 数 ， 即ECnII一 般 可 达 0.95 0.99 晶

7、 体 三 极 管三 个 极 的 电 流 之 间 满 足 节 点 电 流 定 律 ， 即IE = IC + IB CBOB CBOB CBOBCC )1( 1 11 )( II II IIII ECCCBO CBOECBOCnC 1 IIII IIIII 可 将 其 忽 略 ， 则时 ，当 )(代 入 (1)式 ， 得 其 中 ： 共 射 直 流 电 流放 大 系 数 。 1 晶 体 三 极 管CBOBC )1( III 上 式 中 的 后 一 项 常 用 ICEO 表 示 ， ICEO 称 穿 透 电 流 。CEOBC CBOCEO )1( III II 则当 ICEO IC 时 ， 忽 略

8、ICEO， 则 由 上 式 可 得 BCII 共 射 直 流 电 流 放 大 系 数 近 似 等 于 IC 与 IB 之 比 。 一 般 值 约 为 几 十 几 百 。 晶 体 三 极 管三 极 管 的 电 流 分 配 关 系 BCE III BC II BE )1( II 一 组 三 极 管 电 流 关 系 典 型 数 据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961. 任 何 一 列 电 流 关 系 符

9、 合 IE = IC + IB， IB ICVBE 所 以 ： IB = 0， IC ICEO 结 论 ： 发 射 结 反 向 偏 置 时 ，晶 体 管 是 截 止 的 。 晶 体 三 极 管2. 放 大 区 晶 体 管 工 作 在 放 大 模 式 下 ，VBEVon, VCEVBE ， 此 时 特性 曲 线 表 现 为 近 似 水 平 的 部 分 ，而 且 变 化 均 匀 ： IC的 大 小 受 IB的 控 制 ； Ic IB； 具 强 的 电 流 放 大作 用 。 随 着 V CE的 增 加 ， 曲 线有 些 上 翘 。 理 想 情 况 下 ， 当 IB按 等 差 变 化 时 ， 输 出

10、特 性曲 线 是 一 族 与 横 轴 平 行 的 等 距 离 线 。 晶 体 三 极 管3. 饱 和 区 条 件 ： VBEVon， VBC VBE特 点 ： 此 时 曲 线 簇 靠 近 纵 轴附 近 ， 各 条 曲 线 的 上 升 部 分十 分 密 集 ， 几 乎 重 叠 在 一 起 ，可 以 看 出 ： 当 IB改 变 时 ， IC基 本 上 不 会 随 之 而 改 变 。 关 于 晶 体 管 的 饱 和 程 度 ： 一 般 认 为 ， 当 V CE=VBE 时的 状 态 为 临 界 状 态 （ VCB=0） 晶 体 三 极 管 饱 和 模 式 下 晶 体 管 的 模 型 可 近 似 用

11、两 个 导 通 电 压 表 示 ，分 别 为 和 )(satBEV )(satBCV对 于 硅 管 ， 一 般 取 VVV onBEsatBE 7.0)()( VVV onBCsatBC 4.0)()( 共 发 射 极 连 接 时 VVVVVV BCBEEBCBCE 3.0 EICI 当 三 极 管 的 发 射 结 和 集 电 结 均 加 正 偏 时 ， 它 工 作 在 饱 和模 式 。 和 将 同 时 受 到 两 个 结 正 偏 电 压 的 控 制 ， 不 再 具 有放 大 模 式 下 的 正 向 受 控 作 用 。 晶 体 三 极 管三 极 管 工 作 在 截 止 模 式 时 ， 发 射

12、结 与 集 电 结 均 反 偏 。 若 忽 略 两 个 结 的 反 向 饱 和 电 流 ， 则 可 近 似 认 为 晶 体 三极 管 的 各 级 电 流 均 为 零 。 其 简 化 模 型 可 用两 段 开 路 线 表 示 ： 晶 体 三 极 管2.6 三 极 管 的 主 要 参 数三 极 管 的 连 接 方 式VCCRb+VBBC1 T ICIB C2Rc+(a)共 发 射 极 接 法图 1.3.10NPN 三极管的电流放大关系一 、 电 流 放 大 系 数是 表 征 管 子 放 大 作 用 的 参 数 。 有 以 下 几 个 ：ICIE +C2+C1VEERe VCCRc(b)共 基 极

13、接 法 晶 体 三 极 管1. 共 射 电 流 放 大 系 数 BCII2. 共 射 直 流 电 流 放 大 系 数 忽 略 穿 透 电 流 ICEO 时 ， BCII 3. 共 基 电 流 放 大 系 数 ECII4. 共 基 直 流 电 流 放 大 系 数 忽 略 反 向 饱 和 电 流 ICBO 时 ， ECII 和 这 两 个 参 数 不 是 独 立 的 ， 而 是 互 相 联 系 ， 关 系 为 ： 1 1 或 晶 体 三 极 管二 、 反 向 饱 和 电 流1. 集 电 极 和 基 极 之 间 的 反 向 饱 和 电 流 ICBO2.集 电 极 和 发 射 极 之 间 的 反 向

14、饱 和 电 流 ICEO (a)ICBO测 量 电路(b)I CEO测 量 电路ICBO ceb AICEO Aceb 小 功 率 锗 管 ICBO 约 为 几 微安 ； 硅 管 的 ICBO 小 ， 有 的 为 纳安 数 量 级 。 当 b 开 路 时 ， c 和 e 之 间 的 电 流 。 CBOCEO )1( II 值 愈 大 ， 则 该 管 的 ICEO 也 愈 大 。图 1.3.11反向饱和电流的测量电路 晶 体 三 极 管三 、 极 限 参 数1. 集 电 极 最 大 允 许 电 流 ICM 当 IC 过 大 时 ， 三 极 管 的 值 要 减 小 。 在 IC = ICM 时 ，

15、 值 下 降 到 额 定 值 的 三 分 之 二 。2. 集 电 极 最 大 允 许 耗 散 功 率 PCM 过 损 耗 区安全 工 作 区 将 IC 与 UCE 乘 积 等 于规 定 的 PCM 值 各 点 连 接 起来 ， 可 得 一 条 双 曲 线 。ICUCE PCM 为 过 损 耗 区 IC UCEO PCM = ICUCE安全工 作 区安全工 作 区过 损 耗 区过 损 耗 区图 1.3.11三极管的安全工作区 晶 体 三 极 管3. 极 间 反 向 击 穿 电 压外 加 在 三 极 管 各 电 极 之 间 的 最 大 允 许 反 向 电 压 。 U(BR)CEO： 基 极 开 路

16、时 ， 集 电 极 和 发 射 极 之 间的 反 向 击 穿 电 压 。 U(BR)CBO： 发 射 极 开路 时 ， 集 电 极 和 基 极 之 间的 反 向 击 穿 电 压 。 安 全 工 作 区 同 时 要 受 P CM、 ICM 和 U(BR)CEO限 制 。 过电压IC U(BR)CEO UCEO 过 损 耗 区安全 工 作 区ICM 过 流 区图 1.3.11三极管的安全工作区 晶 体 三 极 管2.7 PNP 型 三 极 管 放 大 原 理 与 NPN 型 基 本 相 同 ， 但 为 了 保 证 发 射 结正 偏 ， 集 电 结 反 偏 ， 外 加 电 源 的 极 性 与 NPN

17、 正 好 相 反 。图 1.3.13三极管外加电源的极性(a) NPN 型 V CCVBB RCRb N NP + uoui (b) PNP 型 VCCVBB RCRb + uoui 晶 体 三 极 管2.7温 度 对 晶 体 三 极 管 特 性 的 影 响 由 于 三 极 管 也 是 由 半 导 体 材 料 构 成 ， 和 二 极 管 一 样 ， 温度 对 晶 体 管 的 特 性 有 着 不 容 忽 视 的 影 响 。 主 要 表 现 在 以 下三 个 方 面 ：(2)温 度 对 V BE的 影 响 ： 输 入 特 性 曲 线 随 温 度 升 高 向 左 移 ， 这样 在 IB不 变 时 ，

18、 VBE将 减 小 。 VBE随 温 度 变 化 的 规 律 与 二 极 管正 向 导 通 电 压 一 样 ， 即 ： 温 度 每 升 高 1 ， VBE减 小 2 2.5mV。(1)温 度 对 ICBO的 影 响 ： ICBO是 集 电 结 的 反 向 饱 和 电 流 ， 它 随温 度 变 化 的 规 律 是 ： 温 度 每 升 高 10 ， ICBO约 增 大 一 倍 。 晶 体 三 极 管(3)温 度 对 的 影 响 ： 晶 体 管 的 电 流 放 大 系 数 随 温 度 升高 而 增 大 ， 变 化 规 律 是 ： 每 升 高 1 ， 值 增 大 0.5 1%。 在 输 出 特 性 曲

19、 线 上 ， 曲 线 间 的 距 离 随 温 度 升 高 而 增 大 。总 之 ： 温 度 对 VBE、 ICBO和 的 影 响 反 映 在 管 子 上 的 集 电 极电 流 I c上 ， 它 们 都 是 使 Ic随 温 度 升 高 而 增 大 ， 这 样 造 成 的后 果 将 在 后 面 的 放 大 电 路 的 稳 定 性 及 反 馈 中 详 细 讨 论 。 晶 体 三 极 管（ 1） 为 了 在 放 大 模 式 信 号 时 不 产 生 明 显 的 失 真 ， 三 极 管应 该 工 作 在 输 入 特 性 的 线 性 部 分 ， 而 且 始 终 工 作 在 输 出 特性 的 放 大 区 ，

20、任 何 时 候 都 不 能 工 作 在 截 止 区 和 饱 和 区 。（ 2） 为 了 保 证 三 极 管 工 作 在 放 大 区 ， 在 组 成 放 大 电 路 时 ，外 加 的 电 源 的 极 性 应 使 三 极 管 的 发 射 结 处 于 正 向 偏 置 状态 ， 集 电 结 则 处 于 反 向 偏 置 状 态 。晶 体 管 三 极 管 的 工 作 特 点 晶 体 三 极 管（ 3） 即 使 三 极 管 工 作 在 放 大 区 ， 由 于 其 输 入 ， 输 出 特 性并 不 完 全 理 想 （ 表 现 为 曲 线 而 非 直 线 ） ， 因 此 放 大 后 的波 形 仍 有 一 定 程 度 的 非 线 性 失 真 。（ 4） 由 于 三 极 管 是 一 个 非 线 性 元 件 ， 其 各 项 参 数 （ 如 、r be等 ） 都 不 是 常 数 ， 因 此 在 分 析 三 极 管 组 成 的 放 大 电 路 时 ，不 能 简 单 地 采 用 线 性 电 路 的 分 析 方 法 。 而 放 大 电 路 的 基 本分 析 方 法 是 图 解 法 和 微 变 等 效 电 路 （ 小 信 号 电 路 分 析 ） 法 。