第15双极型半导体晶体管.ppt
HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5 双极型晶体管的工作原理 1.5.1 双极型晶体管的结构 1.5.2 双极型晶体管的电流分配关系 1.5.3 晶体管的电流放大系数 1.5.4 晶体管的特性曲线 1.5.5 晶体管的参数 1.5.6 晶体管的型号,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,双极型晶体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，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。,晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或半导体三极管。晶体管有两大类型:一是双极型晶体管(BJT)，二是场效应晶体管(FET)。,场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,图01.03.01 晶体管的两种结构,1.5.1 双极型晶体管的结构,NPN型,PNP型,这是基极b,这是发射极e,这是集电极c,这是发射结Je,这是集电结Jc,晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，代表发射极电流的实际方向。,双极型半导体晶体管有两种结构，NPN型和PNP型，见图01.03.01。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.2 双极型晶体管的电流分配关系,双极型晶体管在制造时，要求发射区的掺杂浓度大，基区掺杂浓度低并要制造得很薄，集电区掺杂浓度低，且集电结面积较大。从结构上看双极型晶体管是对称的，但因工艺参数不同，发射极和集电极不能互换。,双极型晶体管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型晶体管的放大状态为例，来说明晶体管内部的电流关系。,1.5.2.1 晶体管内部载流子的运动,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,IEN,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IBN,IE=IEN+IEP且IEN IEP,IC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN,IB=IEP+IBN-ICBO,注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流,ICN,图01.03.02 晶体管中载流子的运动,如何保证注入的载流子尽可能的到达集电区？,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,发射极电流：IE=IEN+IEP 且有IENIEP 集电极电流：IC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN 且有IEN IBN，ICNIBN 基极电流：IB=IEP+IBNICBO,1.5.2.2 晶体管电极电流的关系,所以，发射极电流又可以写成 IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)=IC+IB,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.3 晶体管的电流放大系数,1.5.3.1 三种组态,双极型晶体管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态。晶体管的三种组态见图01.03.03。,图01.03.03 晶体管的三种组态,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.3.2 晶体管的电流放大系数,1.5.3.2.1 共基极组态直流电流放大系数,电流放大系数，一般来说是指输出电流与输入电流的比。由于组态不同，晶体管的输入电极和输出电极不同，所以对共基组态，输出电流是集电极电流IC，输入电流是发射极电流IE。定义集电极电流的主要部分ICN与发射极电流IE之比为共基极直流电流放大系数：,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1，但接近1。由此可得：,IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.3.2.2 共发射极组态直流电流放大系数,对共射组态的电流放大系数，输出电流是集电极电流IC，输入电流是基极电流IB，二电流之比可定义：,称为共发射极接法直流电流放大系数。,因 1,所以 1。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.4 晶体管的特性曲线,这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=const,本节介绍共发射极接法晶体管的特性曲线，即,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图01.03.04所示。,图01.03.04 共发射极接法的电压-电流关系,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和uBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除uCE变化的影响，在讨论输入特性曲线时，应使uCE=const(常数)。,1.5.4.1 输入特性曲线,uCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即uCE对iB的影响。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,共发射极接法的输入特性曲线见图01.03.05。其中UCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE1V时，UCB=UCE-UBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但UCE再增加时，曲线右移很不明显。,曲线右移是晶体管内部反馈所致，因该反馈很小右移不明显。输入特性曲线的分区：死区 非线性区近似线性区,图01.03.05 共射接法输入特性曲线,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,共发射极接法的输出特性曲线如图01.03.06所示，它是以IB为参变量的一族特性曲线。,图01.03.06 共射接法输出特性曲线,1.5.4.2 输出特性曲线,当UCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如 UCE 1 V、UBE=0.7 VUCB=UCE-UBE=0.7 V集电区收集电子的能力很弱，IC主要由UCE决定。,现以其中任何一条加以说明，当UCE=0 V时，因集电极无收集作用，IC=0。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后UCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与UCE轴基本平行的区域。,当UCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 UCE 1 V、UBE 0.7 V,图01.03.06 共射接法输出特性曲线,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的 数值较小，一般UCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压UCE大于0.7 V(硅管)。,图01.03.07 输出特性曲线的分区,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,若考虑晶体管安全工作的因素，输出特性曲线还可以增加过电流区、过损耗区和过电压区：,图01.03.08 输出特性曲线的安全工作区,过电流区是集电极电流达到ICM和超过ICM以上的部分，此时，晶体管的电流放大系数 下降到规定值以下。,过损耗区由晶体管的集电极最大功率损耗值确定，是一条曲线，在曲线的上方功耗超标，晶体管将过热损坏。,过电压区由U(BR)CEO决定,超过该值，易造成晶体管击穿损坏。,曲线中间部分安全工作区。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,晶体管的参数分为三大类:直流参数 交流参数 极限参数,1.5.5.1.1 直流电流放大系数,1.5.5.1 直流参数,对共射组态的直流电流放大系数，输出电流是集电极电流ICQ，输入电流是基极电流IBQ，二电流之比可定义：,1.5.5 晶体管的参数,1.5.5.1.1.1 共发射极组态直流电流放大系数,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,在放大区基本不变，在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(uCE=const)来求取IC/IB，如图01.03.09所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，在放大区的中间部分直流电流放大系数因输出特性曲线平行等距，基本是常数。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,显然 与 之间有如下关系:,称为共基极组态直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1，但接近1。根据定义可得出：,1.5.5.1.1.2 共基极组态直流电流放大系数,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,因 1,所以 1。,同样可以推导出 和 的关系：,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.5.1.2.1 集电结反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路，它相当于集电结的反向饱和电流。,1.5.5.1.2.2 穿透电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系:ICEO=（1+）ICBO ICEO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图所示。,1.5.5.1.2 极间反向电流,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。见图01.03.10，在工作点附近求IC和IB，即可得到。,图01.03.10 在输出特性曲线上求,1.5.5.2 交流参数,1.5.5.2.1 交流电流放大系数1.5.5.2.1.1 共发射极组态交流电流放大系数,Q,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.5.2.1.2 共基极组态交流电流放大系数,1.5.5.2.2 特征频率fT 晶体管的 值不仅仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的 值将会下降。当 下降到 1 时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.5.3.1 集电极最大允许电流ICM,如图01.03.11所示，当集电极电流增加时，就要下降，当 值下降到线性放大区 值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,1.5.5.3 极限参数,图01.03.11 值与IC的关系,至于 值下降多少，不同型号的晶体管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示晶体管会损坏。,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM=ICUCBICUCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主 要集中在集电结上。在计算时往往用UCE 取代UCB。,1.5.5.3.2 集电极最大允许功率损耗PCM,图01.03.08 输出特性曲线的安全工作区,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,反向击穿电压表示晶体管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图01.03.12所示。,U(BR)CEO,U(BR)CBO,图01.03.12 晶体管击穿电压的测试电路,U(BR)CES,U(BR)CER,1.5.5.3.3 反向击穿电压,U(BR)EBO,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,2.U(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.U(BR)CEO基极开路集电极和发射极间的击穿电压。,U(BR)CBO,U(BR)CEO,对于U(BR)CER表示BE间接有电阻，U(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR)EBO,U(BR)EBO,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.5.4.1 温度对ICBO的影响,ICBO是晶体管集电结反向饱和电流，由少数载流子形成。所以，在一定的温度和不发生反向击穿的条件下，ICBO是常数，不随反向电压的增加而增加。,但是温度升高以后，半导体的本征激发增大，漂移电流增大，ICBO随之增大。可以证明，温度每升高10，ICBO增加约一倍。反之，温度降低时，ICBO也随之降低。,由于硅晶体管的ICBO比锗晶体管的小很多，所以，硅晶体管的温度稳定性要优于锗晶体管。例如小功率硅管的 ICBO约为10nA1A；锗管的 ICBO约为10 A1mA。,1.5.5.4 温度对晶体管参数的影响,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.5.4.2 温度对输入特性曲线的影响,温度对双极型晶体管输入特性曲线的影响，与温度对PN结的影响类似。当温度升高时，正向特性将向纵坐标移动，大约温度每增加1，uBE的绝对值减小22.5mV。换言之，若UBE不变，温度的升高，iB将增加。,20,50,UBE1,UBE2,IB,图01.03.14 温度对输入特性的影响,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,1.5.5.4.3 温度对输出特性曲线的影响,晶体管的输出特性曲线在温度升高后将向上方移动，升温后有如下后果：,1.曲线上移后，穿透电流 ICEO增加；,2.曲线上移后，相同的基极电流变化量IB得到的IC，温度高的大于温度低的,IC IC,3.晶体管的电流放大系数增加,4.综观温度对晶体管的影响，最终都归结到使IC变化。,图01.03.15 温度对输出特性的影响,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,1.5.6 晶体管的型号,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,双极型晶体管的参数,注：*为 f,U(BR)CBO,U(BR)CBO,U(BR)CBO,HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,图01.03.13(a)小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装),HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,图01.03.13(b)小、中功率晶体管图片(塑封),HIT基础电子技术电子教案-双极型半导体晶体管,图01.03.13(c)大功率晶体管图片,
