半导体二极管和晶体管

第 一 章 半 导 体 二 极 管 和 晶 体 管 1.6 双 极 型 晶 体 管 （ BJT）晶 体 管 又 称 半 导 体 三 极 管晶 体 管 是 最 重 要 的 一 种 半 导 体 器 件 之 一 ， 它 的 放大 作 用 和 开 关 作 用 ， 促 使 了 电 子 技 术 的 飞 跃 。 半 导 体 三 极 管 有 两 大 类 型 ： 一 是 双 极 型 半 导 体 三 极 管 二 是 场 效 应 半 导 体 三 极 管 * 双 极 型 半 导 体 三 极 管 是 由 两 种 载流 子 参 与 导 电 的 半 导 体 器 件 ， 它 由 两个 PN 结 组 合 而 成 ， 是 一 种 CCCS器 件 。 场 效 应 型 半 导 体 三 极 管 仅 由 一 种载 流 子 参 与 导 电 ， 是 一 种 VCCS器 件 。 双 极 型 晶 体 管 的 结 构1. NPN型 晶 体 管 结 构 示 意 图 和 符 号(2) 根 据 使 用 的 半 导 体 材 料 分 为 :硅 管 和 锗 管 (1) 根 据 结 构 分 为 : NPN型 和 PNP型晶 体 管 的 主 要 类 型 NN P发 射 区 集 电 区基 区发 射 极 E(e) 集 电 极 C(c)发 射 结 JE 集 电 结 JC基 极 B(b)NPN型 晶 体 管结 构 示 意 图 NPN型 晶 体 管 符 号 B (b) E(e)TC(c)NN P发 射 区 集 电 区基 区发 射 极 E(e) 集 电 极 C(c)发 射 结 JE 集 电 结 JC基 极 B(b) 2.PNP型 晶 体 管 结 构 示 意 图 和 符 号 符 号B (b) E(e)TC(c)E(e) 发 射 区 集 电 区基 区 PP N C(c)B(b)JE JC结 构 示 意 图 集 电 区EB C发 射 区基 区(1) 发 射 区 面 积 小 ， 掺 杂 浓 度 高 。3.晶 体 管 的 内 部 结 构 特 点 （ 具 有 放 大 作 用 的 内 部 条 件 ）平 面 型 晶体 管 的 结构 示 意 图 (2) 集 电 区 面 积 大 ， 掺 杂 浓 度 低 。(3) 基 区 掺 杂 浓 度 很 低 ， 且 很 薄 。集 电 区EB C发 射 区基 区 晶 体 管 的 工 作 原 理 （ 以 NPN型 管 为 例 ）依 据 两 个 PN结 的 偏 置 情 况 放 大 状 态饱 和 状 态截 止 状 态倒 置 状 态晶 体 管 的 工 作 状 态 1 发 射 结 正 向 偏 置 、 集 电 结 反 向 偏 置 放 大 状 态 原 理 图 电 路 图 EEVER CCV CR CIcNN PBEU CBUEI be BI+ + ER CREI CIBEU CBUBI CCVEEV T (1) 电 流 关 系a. 发 射 区 向 基 区 扩 散 电 子形 成 发 射 极 电 流 I E发 射 区 向 基 区 扩 散 电 子 称 扩 散 到 基 区 的 发 射区 多 子 为 非 平 衡 少 子EEVER CCV CR c NN PBEU CBUEI be + + b. 基 区 向 发 射 区 扩 散 空 穴 基 区 向 发 射 区 扩 散 空 穴发 射 区 向 基 区 扩 散 电 子形 成 空 穴 电 流 EEVER CCV CR cNN PBEU CBUEI be + + EEVER CCV CR c NN PBEU CBUEI be + +因 为 发 射 区 的 掺 杂 浓 度 远 大 于 基 区 浓 度 ， 空 穴 电 流可 忽 略 不 记 。 基 区 向 发 射 区 扩 散 空 穴发 射 区 向 基 区 扩 散 电 子 EEVER CCV CR c NN PBEU CBUEI be + +c. 基 区 电 子 的 扩 散 和 复 合非 平 衡 少 子 在基 区 复 合 ， 形成 基 极 电 流 IB IB非 平 衡 少 子 向集 电 结 扩 散 EEVER CCV CR c NN PBEU CBUEI be + + IB IC非 平 衡 少 子到 达 集 电 区d. 集 电 区 收 集 从 发 射 区 扩 散 过 来 的 电 子形 成 集 电 极 电 流 I C EEVER CCV CR c NN PBEU CBUEI be + + IB ICICBO少 子 漂 移 形 成 反向 饱 和 电 流 ICBOe. 集 电 区 、 基 区 少 子 相 互 漂 移集 电 区 少 子 空穴 向 基 区 漂 移基 区 少 子 电 子向 集 电 区 漂 移 晶 体 管 的 电 流 分 配 关 系 动 画 演 示 发 射 结 回 路 为 输 入 回 路 ， 集 电 结 回 路 为 输 出 回 路 。基 极 是 两 个 回 路 的 公 共 端 ， 称 这 种 接 法 为 共 基 极 接 法 。 输 入 回 路 输 出 回 路EIER CRCIBEU CBUBI CCVEEV T ECII定 义 称 为 共 基 极 直 流 电 流 放 大 系 数 ， 反 映 了 发 射区 注 入 基 区 的 电 子 被 集 电 区 收 集 的 能 力 ICBO ICIBEEVER CCV CR cNN PBEU CBU EI be ICBO ICIBEEVER CCV CR cNN PBEU CBU EI be各 电 极 电 流 之 间 的 关 系 CBOEC III IE=IC+IB CBOEB )1( III IBBBVBR CCV CR cNN PBEU CBU EI be ICICBO CEU T CI CEU CRCCVEIBBVBR BEUBI 晶 体 管 共 射 极 接 法原 理 图 电 路 图 BCII定 义为 共 射 极 直 流 电 流放 大 系 数当 UCEUBE时 ， 发 射 结 正 偏 ， 集 电 结 反 偏 ， 晶 体 管仍 工 作 于 放 大 状 态 。IBBBVBR CCV CR cNN PBEU CBU EI be ICICBO CEU 各 电 极 电 流 之 间 的 关 系CEOBC III CEOBBCE )1( IIIII ICEO称 为 穿 透 电 流IBBBVBR CCV CR cNN PBEU CBU EI be ICICBO CEU 1 1或 的 关 系由 995.095.0 20020一 般 情 况 如 果 UBE 0， 那 么 IB 0， IC 0 ， IE 0 当 输 入 回 路 电 压U BE =UBE+ UBE那 么 I B =IB+ IBI C =IC+ ICI E =IE+ IE 如 果 UBE 0， 那 么 IB 0， IC 0 ， IE IC， UCE0.3V (3) 截 止 状 态 ： 发 射 结 反 偏 ， 集 电 结 反 偏 。 U BEUBEb. IC=IBc. IC与 UCE无 关 饱 和 区 放 大 区 iB= 20A04060801002 4 6 801234iC/ mA uCE/ V 截 止 区 NPN管 与 PNP管 的 区 别i B、 uBE、 iC、 iE 、 uCE的 极 性 二 者 相 反 。PNP管 电 路BiBEu CiCEu EiNPN管 电 路BiBEu Ci CEu Ei 硅 管 与 锗 管 的 主 要 区 别(3) 锗 管 的 I CBO比 硅 管 大(1) 死 区 电 压 约 为 硅 管 0.5 V锗 管 0.1 V(2) 导 通 压 降 |uBE|约 为 锗 管 0.3V硅 管 0.7 V 晶 体 管 的 主 要 参 数1. 直 流 参 数(3) 集 电 极 基 极 间 反 向 饱 和 电 流 ICBO (1) 共 基 极 直 流 电 流 放 大 系 数 (2) 共 射 极 直 流 电 流 放 大 系 数 (4) 集 电 极 发 射 极 间 穿 透 电 流 I CEO 2. 交 流 参 数 (1) 共 基 极 交 流 电 流 放 大 系 数 (2) 共 射 极 交 流 电 流 放 大 系 数 1.值 受 温 度 影 响 ， 随 温 度 升 高 而 增 大 。2.近 似 计 算 时 ， 通 常 认 、 ，即 对 交 、 直 流 电 流 放 大 系 数 不 加 区 分 。 注 ： 3. 极 限 参 数(4) 集 电 极 最 大 允 许 电 流 I CM(1) 集 电 极 开 路 时 发 射 极 基 极 间 反 向 击 穿 电 压 U(BR)EBO (2) 发 射 极 开 路 时 集 电 极 基 极 间 反 向 击 穿 电 压 U(BR)CBO (3) 基 极 开 路 时 集 电 极 发 射 极 间 反 向 击 穿 电 压 U(BR)CEO (5) 集 电 极 最 大 允 许 功 耗 PCM 集 电 极 电 流 iC流 过 三 极 管 ， 所发 出 的 焦 耳 热 为 ：PC =iCuCE 必 定 导 致 结 温 上 升 ，所 以 P C有 限 制 。PCPCM iC uCE等 功 耗 线PCM = iCuCEICM U(BR)CEO安 全 工 作 区 温 度 对 管 子 参 数 的 影 响 1 对 的 影 响 C/)%15.0( T 10)CBO()CBO( 00 2 TTTT II 2 对 ICBO的 影 响3 温 度 升 高 ， 管 子 的 死 区 电 压 降 低 。 思 考 题1. 如 何 用 万 用 表 判 别 晶 体 管 的 类 型 和 电 极 ？2. 晶 体 管 能 够 放 大 的 内 部 和 外 部 条 件 各 是 什 么 ？3. 晶 体 管 工 作 在 饱 和 区 时 ， 其 电 流 放 大 系 数 是 否 与其 工 作 在 放 大 区 时 相 同 ？ 例 题 讲 解n 例 1 如 图 所 示 各 晶 体 管 处 于 放 大 工 作 状 态 ， 已知 各 电 极 直 流 电 位 。 试 确 定 晶 体 管 的 类 型（ NPN /PNP、 硅 /锗 ） ， 并 说 明 x、 y、 z 代 表的 电 极 。 x y z Vy=12V Vx=6.7V Vz=6V (a) (b) x y z Vy=-6V Vx=-12V Vz=-6.3V 提 示 ： （ 1） 晶 体 管 工 作 于 放 大 状 态 的 条 件 ： NPN管 ：VC VBVE， PNP管 ： VEVBVC； （ 2） 导 通 电 压 ： 硅 管|VBE|= 0.60.7V， 硅 管 |VBE|= 0.20.3V， ， 。为 基 极，为 发 射 极，为 集 电 极 锗 管 ，为按 照 同 样 方 法 ， 可 判 断 硅 管 。， 故 该 管 为于 是 且 该 管 为 硅 管为 集 电 极，为 发 射 极 而又 为 基 极解 ： bzeycx PNPb NPNVVV cyez VVVVVVV bx VVVa ebc yxzx zxy)( , 7.03.5,7.0)( x y z Vy=12V Vx=6.7V Vz=6V (a) (b) x y z Vy=-6V Vx=-12V Vz=-6.3V n 例 2 已 知 NPN型 硅 管 T1 T4 各 电 极 的 直 流 电 位 如表 所 示 ， 试 确 定 各 晶 体 管 的 工 作 状 态 。晶 体 管 T1 T2 T3 T4VB/V 0.7 1 -1 0VE/V 0 0.3 -1.7 0VC/V 5 0.7 0 15工 作 状 态提 示 ： NPN管 （ 1） 放 大 状 态 ： VBE Von, VCE VBE; （ 2） 饱 和 状 态 ： V BE Von, VCE VBE; （ 3） 截 止 状态 ： VBE Von 放 大 饱 和 放 大 截 止 n 例 3 如 图 所 示 电 路 中 ， 晶 体 管 为 硅 管 ， VCES=0.3V 。 求 ： 当 VI=0V、 VI=1V 和 VI=2V时 VO=? + - VBE IB Rc 3k +VCC (+12V) Rb =80 10k VI VO IC 解 ： (1) VI=0V时 ， VBE Von， 晶 体 管 截 止 ， IC=IB=0， VO= VCC=12V。 (3) VI=2V时 ： VVVV VV Vkm AVRIVV m AAII AkRVVI CESCEO BC CCCCO BC b BEIB 3.0 2.1934.1012 4.1013080 13010 7.02 态 ， 晶 体 管 工 作 于 饱 和 状显 然 ， Vkm AVRIVV m AAII AkRVVI CCCCO BC b BEIB 8.434.212 4.23080 3010 7.01 (2) VI=1V时 ： 小 结1.晶 体 管 的 结 构 及 类 型 （ 理 解 ）2.晶 体 管 的 工 作 原 理 （ 理 解 ）3.晶 体 管 的 三 种 组 态 （ 掌 握 ）4.晶 体 管 的 共 射 特 性 曲 线 （ 掌 握 ）5.晶 体 管 的 参 数 （ 掌 握 ）