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第8章 半导体器件基础2

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第8章
重点:

半导体器件基础

1. 半导体二极管特性 2. 半导体三极管主要参数及特性 3. 稳压管的稳压特性

难点:
1. 二极管的单向导电性 2. 三极管的放大工作原理

8.4

半导体三极管

半导体三极管简称晶体管或三极管。它由空穴和

自由电子两种载流子参与导电,半导体三极管又称为
双极型晶体三极管(简称BJT)或三极管、晶体管等。 它是组成电子电路的最基本的器件,在开关、放大、 调制和振荡电路中应用广泛。

8.4.1 半导体三极管的结构和类型
三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂

质的方法制成2个紧挨着的PN结和3个区:发射区、
基区和集电区,并分别引出三个电极,如图8-11所 示。

? 三极管有三个区:
发射区——发射载流子的区域; 基 区——载流子传输的区域; 集电区——收集载流子的区域。

各区引出的电极依次为发射极 (e极)、基极(b极)和集电极 (c极)。发射区和基区在交界处 形成发射结;基区和集电区在交界 处形成集电结。 根据半导体各区的类型不同, 三极管可分为NPN型和PNP型两大 类,如图8-11(a)、(b)所示。

c c P b N P e e (b) e b b c

图8-11 三极管的结构与符号 (a)NPN型; (b)PNP型

目前NPN型管多数为硅管,PNP型管多数为 锗管。因硅NPN型三极管应用最为广泛,故本书 以硅NPN型三极管为例来分析三极管及其放大电 路的工作原理。

8.4.2 三极管的3种连接方式
三极管有三个电极,而在连成电路时必须由两 个电极接输入回路,两个电极接输出回路,这样势

必有一个电极作为输入和输出回路的公共端。根据
公共端的不同,有三种基本连接方式。?
(1)共基极接法(简称共基接法)。共基接法是

以发射极为输入端的一端,集电极为输出端的一端,
基极为公共端,如图 8-13(a)所示。 (2)共发射极接法(简称共射接法)。共射接法 是以基极为输入端的一端,集电极为输出端的一端, 发射极为公共端,如图 8-13(b)所示。

(3)共集电极接法(简称共集接法)。共集接法是

以基极为输入端的一端,发射极为输出端的一端,集电
极为公共端,如图8-13(c)所示。 图中“⊥”表示公共端,又*拥囟恕?

图8-13 三极管的3种连接方式 (a)共基极接法(b)共发射极接法 (c)共集电极接法

8.4.3 三极管的电流分配与放大原理
为了了解清楚三极管的放大原理和其中的电流分配, 可采用图8-14所示的实验电路进行测量。

图8-14 三极管电流放大实验电路?

图中,UCC为集电极电源电压,UBB为基极电源电压, 两类管子外部电路所接电源极性正好相反,Rb为基极电 阻,Rc为集电极电阻。

通过测量结果可得出如下结论: (1)IB+IC=IE,符合KCL;

(2)IE 和IC 比IB 大得多,且IB 有微小变化时,相 应的集电极电流IC将有较大的变化;
通常将IC 与IB 的变化量的比值定义为三极管的共 射电流放大系数,用β表示,即

?I C ?? ?I B

1.三极管实现放大的条件
(1)外部条件:发射结加正向 电压,集电结加反向电压,即发射 结正偏,集电结反偏。
如图8-14所示,若以发射极电压 为参考电压,则三极管发射结正偏, 集电结反偏这个外部条件也可用电 压关系来表示: 对于NPN型:UC>UB>UE;

对于PNP型:UE>UB>UC。
(2)内部条件:

为使三极管具有电流放大作用,在制造过程中必须 满足实现放大的内部结构条件,即:
(1)发射区需要进行高参杂,即掺杂浓度远大于基 区的掺杂浓度,以便于有足够的载流子供“发射”。 (2)基区很薄,掺杂浓度很低,以减少载流子在 基区的复合机会,这是三极管具有放大作用的关键所在。 (3)集电区比发射区体积大且掺杂少,以利于收 集载流子。 由此可见,三极管并非两个PN结的简单组合,不 能用两个二极管来代替;在放大电路中也不可将发射极 和集电极对调使用。

2. 电流放大原理
三极管在满足发射结正偏,集电结反偏的条件下,三
极管实现电流的放大作用的过程包括三个过程:
(1)发射区向基区发射电子过程

如图8-15中,发射结

正偏,则发射区的电子大
量扩散进入基区,形成电 流IEN,同时,基区的空穴

也向发射区扩散,形成电
流IEP ,发射极电流IE 为两 者之和,由于IEP非常小, 所以IE≈ IEN 。

(2)电子在基区的扩散的过程
由于电子的注入,使 基区靠*发射结处的电子 浓度很高。集电结反向偏 置,使得靠*集电结处的 电子浓度很低,因此在基 区形成浓度差,从而电子 靠扩散作用向集电区运动, 少数与基区中的空穴复合, 形成基极电流IBN。

(3)集电区收集电子的过程
由于集电结反向偏置, 在内电场的作用下,通过扩 散运动到达集电结的电子将 漂移运动到达集电区。由于 集电结面积大,故扩散过来 的电子基本全部被集电区收 集,形成电流ICN;

此外,集电区的空穴 和基区中的电子在内电场的 作用下做漂移运动,形成电 流ICBO。

8.4.4 三极管的特性曲线
三极管的特性曲线是指各极电压与电流之间

的关系曲线,它是三极管内部载流子运动的外部
表现。从使用角度来看,外部特性显得更为重要。 因为三极管的共射接法应用最广,故以NPN管共 射接法为例来分析三极管的特性曲线。
由于三极管有三个电极,它的伏安特性曲线比二

极管更复杂一些,工程上常用到的是它的输入特性和
输出特性。

1)输入特性曲线
当UCE 不变时,输入回路中的电流IB 与电压UBE 之 间的关系曲线被称为输入特性,即

I B ? f (U BE ) U CE ?常数
输入特性曲线如图8-16所示。
IB / mA UCE=0 V UCE≥ 1 V

0

0.2

0.4

0.6

UBE / V

当UCE=0时,三极管的输入回路相当于两个PN结并联,
如图8-16所示。三极管的输入特性是两个正向二极管的伏安 特性。 当UCE≥UBE 时,b、e两极 之间加上正向电压。集电结反

偏,发射区注入基区的电子绝
大部分漂移到集电极,只有一 小部分与基区的空穴复合形成

IB / mA UCE=0 V UCE≥ 1 V

基极电流IB。与UCE=0时相比,
在相同UBE条件下,IB要小得多, 输入特性曲线向右移动;若
0 0.2 0.4 0.6 UBE / V

UCE 继续增大,曲线继续右移。

c IB R b Rp UBB c V e Rb

b

UBB e

(a)
UCE=0时,三极管测试电路和等效电路

(b)

(a)测试电路;(b)等效电路

IB / mA UCE=0 V UCE≥ 1 V

0

0.2

0.4

0.6

UBE / V

当UCE>1V时,在一定的UBE条件之下,集电结的反

向偏压足以将注入到基区的电子全部拉到集电极,此时
UCE 再继续增大,IB 也变化不大,因此UCE>1V以后,不 同UCE值的各条输入特性曲线几乎重叠在一起。 所以常用UCE>1V的某条输入特性曲线来代表UCE 更 高的情况。在实际应用中,三极管的UCE 一般大于1V, 因而UCE>1V时的曲线更具有实际意义。

由三极管的输入特性曲线可看出:三极管 的输入特性曲线是非线性的,输入电压小于某一

开启值时,三极管不导通,基极电流为零,这个
开启电压又叫阈值电压。 对于硅管,其阈值电压约为0.5V,锗管约 为0.1~0.2V。当管子正常工作时,发射结导通 电压UBE变化不大,对于硅管约为0.6~0.7V,对

于锗管约为0.2~0.3V。

2)输出特性曲线
当IB不变时,输出回路中的电流IC与电压UCE
之间的关系曲线称为输出特性曲线,即

I C ? f (U CE ) I B ?常数
固定一个IB值,可得到一条输出特性曲线,改变
IB值,可得到一族输出特性曲线。 以硅NPN型三极管为例,其输出特性曲线族如图 8-17所示。在输出特性曲线上可划分三个区:放大区、 截止区、饱和区。

IC / mA 4 3 2 1 0

饱和区 100 80 放 60 大 40 区 IB=20 ?A 0 4 6 截止区 8 UCE / V

2

图8-17 NPN管共发射极输出特性曲线

(1)放大区 当 UCE>1V 以 后 , 三 极 管 的 集 电 极 电 流

IC=βIB+ICEO,IC与IB成正比而与UCE关系不大。所
以输出特性曲线几乎与横轴*行,当IB一定时,IC 的值基本不随UCE变化,具有恒流特性。 IB等量增加时,输出特性曲线等间隔*叫猩 移。这个区域的工作特点是发射结正向偏置,集

电结反向偏置,IC≈βIB。由于工作在这一区域的三
极管具有放大作用,因而把该区域称为放大区, 此时三极管发射结正偏,集电结反偏。

(2)截止区

当IB≤0时,IC=ICEO ,由于穿透电流ICEO 很小,
输出特性曲线是一条几乎与横轴重合的直线,此时, 集电结与发射结均处于反偏。 (3)饱和区。 当UCE<UBE时,IC与IB不成比例,它随UCE的增 加而迅速上升,这一区域称为饱和区,UCE=UBE称 为临界饱和,此时发射结和集电结均处于正偏。

综上所述,对于NPN型三极管,工作于放大
区时,UC>UB>UE ;工作于截止区时,UC>UE>UB; 工作于饱和区时,UB>UC>UE。

8.4.5 三极管的主要参数
三极管的参数是表征管子性能和安全运用范围的物 理量,是正确使用和合理选择三极管的依据。三极管的 参数较多,这里只介绍主要的几个。

1)极间反向电流
①集电极—基极间的反向饱和电流ICBO ICBO 是指发射极开路时,集电极—基极间的反向电 流,也称集电结反向饱和电流。温度升高时,ICBO急剧 增大,温度每升高10℃,ICBO 增大一倍。选管时应选 ICBO小且ICBO受温度影响小的三极管。

②集电极—发射极间的穿透电流ICEO
?ICEO 是指基极开路时,集电极—发射极间的反向电流, 也称集电结穿透电流。它反映了三极管的稳定性,其值 越小,受温度影响也越小,三极管的工作就越稳定。

2)电流放大系数β
电流放大系数反映了三极管放大能力的强弱。
①共发射极交流电流放大系数β β指集电极电流变化量与基极电流变化量之比,其大 小体现了共射接法时,三极管的放大能力。即

?I C ?? ?I B

U CE ?常数

② 共发射极直流电流放大系数 ? ? 为三极管集电极电流与基极电流之比,即

I C ? I CBO I C ?? ? IB IB

3)极限参数
三极管的极限参数是指在使用时不得超过的极限值,
以此保证三极管的安全工作。 ①集电极最大允许电流ICM? 集电极电流IC 过大时,β将明显下降,ICM 为β下降到 规定允许值(一般为额定值的1/2~2/3)时的集电极电流。

使用中若IC>ICM,三极管不一定会损坏,但β明显下降。

②集电极最大允许功率损耗PCM
三极管工作时,UCE的大部分降在集电结上,因此集电 极功率损耗PC=UCEIC ,*似为集电结功耗,它将使集电结 温度升高而使三极管发热致使管子损坏。工作时的PC必须

小于PCM。

③反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO
U(BR)CEO为基极开路时,为使集电结不致击穿,施加在 集电极—发射极之间允许的最高反向电压。 U(BR)CBO为发射极开路时,为使集电结不致击穿,施加

在集电极—基极之间允许的最高反向电压。
U(BR)EBO为集电极开路时,为使发射结不致击穿,施加 在发射极—基极之间允许的最高反向电压。

它们之间的关系为U(BR)CEO>U(BR)CBO>U(BR)EBO。通常
U(BR)CEO为几十伏,U(BR)EBO为数伏到几十伏。 根据三个极限参数ICM ,PCM ,U(BR)CEO 可以确定三极 管的安全工作区。三极管工作时必须保证工作在安全区内, 并留有一定的余量。
IC / mA ICM

PCM

IB=0 0 U(BR)CEO UCE / V




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