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1、第二章 晶体三极管 两个背靠背排列且靠的很近的PN结组成三极管（当然不能等同于两个二极管， 在具体构造上有其特殊性，简讲一下），有NPN和PNP两种，其结构和电路符号为： C C B B E E,N,P,N,P,P,N,NPN,PNP,双极型三极管（对应下一章单极型三极管即场效应管）和晶体二极管一样都是非线性器件，但在主要特性上有区别：二极管具有单向导电性，而三极管具有正向受控作用，即若发射结正偏、集电结反偏，则其发射结电流和集电结电流基本上只受正偏发射结电压的控制，而几乎不受反偏集电结电压的控制 用此特点可组成各种放大电路和功能电路，除放大模式外，晶体三极管还具有 饱和模式和截止模式，这两种
2、模式用于开关电路。 本章主要内容简介（略）。,N,P,N,P,P,N,2.1 晶体三极管工作原理 一、内部载流子传输过程：（以NPN三极管为例） 发射结：正偏，通过发射结的电流主要是扩散电流，有IEN（发射区 电子扩散 注入基区）和IEP（基区空穴扩散注入发射区）即 IE= IEN + IEP 由于发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度 （几十倍到上百倍），所以IEN IEP IEN是IE 的主要组成 部分，其大小主要受发射结正偏电压控制。,N+,P,N,R1,R2,IEN,IEP,ICN1,ICN2,ICP,ICBO,IB,IC,IE,发射结 集电结,ICP 集电区中的热平衡少子空穴漂移至基区形成
3、的漂移电流，非 常小，且基本与反偏电压大小无关。 IC = ICN1十ICN2十ICP = ICN1十ICBO ICBO = ICN2十ICP IC 中的主要成分ICN1受发射结正偏电压控制，即IC的大小基本 只受发射结正偏电压控制，而集电结本身的热平衡少子形成 的漂移电流ICBO又称反向饱和电流基本不受发射结正偏电压 控制，也基本与反偏电压大小无关，是集电结寄生电流。,N+,P,N,R1,R2,IEN,IEP,ICN1,ICN2,ICP,ICBO,IB,IC,IE,基极电流： IEP 基区空穴扩散注入发射区 IEN ICN1 复合电流，是IEN转化为ICN1 过程中，在基区形成的 复合电流。
4、 ICBO 集电结本身的热平衡少子形成的漂移电流ICBO又称反向饱 和 电流基本不受发射结正偏电压控制。 IB = （IEN ICN1）十IEP ICBO = IE IC,N+,P,N,R1,R2,IEN,IEP,ICN1,ICN2,ICP,ICBO,IB,IC,IE,通过上述讨论可见，三极管内部载流子的运行过程主要包括：发射区多子自由电子通过发射结注入、基区扩散和复合、集电区收集三个环节，在这个过程中将发射结电流IEN转化为集电结电流ICN1 ，这个载流子流大小仅受正偏电压控制而几乎不受反偏电压控制。其他载流子流只能分别产生很小的两个结的电流，不会转化为另一个结的电流。它们对于正向受控作用来
5、 说是无用的，是三极管的寄生电流。为了减小寄生电流，保证正向受控载流子流的传输，在制造三极管时必须满足以下条件： 1. 发射结为不对称结：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度（几 十倍到上百倍）， 使 IEN IEP IEN是IE 的主要组成部分，减 少无用成分IEP 2. 基区宽度很薄，一般m数量级，保证发射区扩散过来的自由 电子在向集电结扩散过程中仅有小部分被复合掉，绝大部分能 到达集电结。否则，若基区宽度大，发射区扩散过来的自由电 子在向集电结扩散过程中大部分被复合掉，不能到达集电结， 如同两个彼此独立的二极管失去了三极管的正向受控作用。,集电结面积大于发射结，保证扩散集电结边界处的非平衡少
6、子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。 最后：发射结正偏电压控制IE和IB，IE中的IEN通过注入、扩散、收 集而转化为IC，这种转化过程几乎不受集电结反偏电压大小的影响。但反偏电压必须存在，否则这个过程是无法完成的。 那么，为什么要制作具有这样特点的三极管呢？或者具有这样特点的三极管有什么作用呢？其实通过上述三极管特点的描述，不难发现实际上是制作了一个受控电流源，集电结电流大小不受集电结两端电压的控制，而只受发射结电压的控制，这正是受控电流源的性质，这样在发射结外加小的电压 变化量，在集电结上就可得到电流变化量，且该电流变化量不受集电结电压 影响也就是不受集电结负载影响，若将该电流变化量
7、加在较大的负载上，即 可得到较大的电压变化量，从而实现了电压放大。而二极管正偏时，外加正向电压变化虽可产生电流变化，但该电流变化如直接加到负载上，该电流变化必然受到负载影响，不能产生大的电压变化。,二、电流传输方程 三极管是三端器件 ，具体使用时是作为四端网络接入电路，有 输入输出两对端子，必然有一个极作为输入输出端口的公共端 点，那一极作为公共端点称为共什么极，如下三种连接方式：,共基极,共发射极,共集电极,1. 共基极： 定义 =ICN1 / IE = （IEN / IE ）（ICN1 / IEN）=12 这样 IC= ICN1 +ICBO= IE + ICBO -（P44.1） 上式是共
8、基极连接时输出电流IC受输入电流IE控制的传输方程。 称为共基极电流传输系数，表示IE转化为ICN1的能力，其值恒 小于1，但十分接近于1。而ICBO很小，对硅管其值为 （10-9-10-16)A，可忽 略。上式可简化为 IC IE,共基极,共发射极,共集电极,发射区发射效率,基区传输效率,IC,1,IB,十,1,1,ICBO,2. 共发射极： 由于 IE = IB十 IC 将其代入（ P44. 1）式得,令 = /（1- ） 和 ICEO=ICBO /（1- ） 则得 IC= IB+（1+ ） ICBO = IB+ ICEO -（P45.1） 上式反映了共发射极连接时，输出电流IC受输入电流
9、IB控制的传输方程， 称为共发射极电流放大倍数，其值大于1， ICEO是 基极开路（ IB =0） 时的集电极电流，称为穿透电流。通常ICEO很小 ，式（P45.1）可简化 为 IC IB,3. 共集电极： 将 IC = IE IB 代入式（P45.1）得 IE =（1+ ）IB +ICEO （1+ ） IB 上式反映了共集电极连接时，输出电流IE受输入 电流IB控制的传输方程。 4. 和ICEO的物理意义： 根据式（P45.1）可得： 远大于1（ =0.99, =99）, 说明在共发射极连接时，三极管具 有电流放大作用，但该参数离散性较大。再看ICEO 它是 基极开路（ IB =0）时的集电
10、极电流，当基极开路时，发 射结仍然正偏，集电结仍然反偏，通过集电结电流ICBO必然通过发射结， （IB 中的正向受控部分IEP+IEN ICN1 = ICBO ），其值被放大了倍，这样通过集电结电流为ICEO = （1+ ） ICBO ，其值远大于ICBO,IC ICBO,IB + ICBO,ICN1,IEP+IEN ICN1,ICN1,IEN ICN1,正向传输电流,基区复合电流,IC,IB,表示集电极电流受基极电流控制得能力,=,三、晶体三极管模型： 有数学模型、简化电路模型、通用模型、小信号（交流）模型、 伏安特性曲线模型，本节先讲前两种。 1. 数学模型（指数模型）：三极管工作在放大模
11、式下，三个极的 电流大小受正偏电压VBE的控制，而各电流之间的关系是线性的 （由上述电流传输方程可见），通过三极管发射结的伏安关系 可得： IE=IEBSEXP（VBE/VT）-1 IEBSEXP（VBE/VT） （P46-1） 上式中IEBS为发射结的反向饱和电流，其详细推导见教材第三版。 由传输方程得IC IE = IEBSEXP（VBE/VT） -（P46-2） = ISEXP（VBE/VT） IB IE / （1+ ） IC / 2. 简化电路模型：三极管发射结相当于一个正偏二极管，集电结 相当于一个受控电流源（受发射结正偏电压）控制，而发射结 正偏电压决定IE和IB得大小，故受控电流
12、源也可看成是受IE或IB 控制的电流控制电流源。其简 化电路模型如下：,IS,EXP（VBE/VT）,（A） （B） 右边的（B）图是将二极管用其简化电路模型代替，并忽略正向 导通电阻另外需要强调的是，ICBO，IS，VBE（on）均是温度敏感 参数。 每升高10C， / 增大（0.5-1)% 每升高10C， VBE（on）减小（2-2.5）mV 每升高100C , ICBO增大一倍 具体计算结果参见教材P54例题。,IB,IB,IC,IC, IB, IB,VBE（on）,2.2 晶体三极管其他工作模式 三极管另外两种工作模式是饱和模式和截止模式。 一、饱和模式：三极管的发射结和集电结均加正向
13、电压，其内部载 流子运行过程简介如下： 正向传输过程：假设发射结正偏、集电结零偏，发射结产生的 正偏电流IF经基区复合、传输、集电结漂移转化成集电极电 流FIF 。,N+,P,N,R1,R2,IF,IB,IC,IE,FIF,反向传输过程：假设发射结零偏、集电结正偏，集电结产生的 正偏电流IR经基区复合、传输、发射结漂移转化成发射极电 流RIR 。 因此，合成的发射极电流 IE= IF RIR （方 向为流出发射极） 合成的集电极电流 IC = FIF IR （方向为流入集电极）,N+,P,N,R1,R2,IF,IB,IC,IE,FIF,IR,RIR,可见，在饱和模式下， IE和IC将同时受两个
14、结正偏电压的控制，已不在具 有放大模式下的正向受控作用，且随着VBC的增加， IE和IC将迅速减小。 而由于基区复合电流的增加和空穴电流的增加，基极电流IB将大于放大模式下的数值。 饱和模式下，三极管相当于两个正向偏置的二极管，可近似用两个导通电压来表示，称为饱和导通电压VBE（sat）和VBC（sat） ，其数值稍大于放大模式下的导通电压，近似分析时，可不加以区别，统一用导通电压表示。如动画图所示。 由于集电结是低掺杂的（内建电位差与掺杂浓度成正比），故其导通电压低于发射结导通电压，一般取： VBE（sat） VBE（on） =0.7V VBC（sat）VBC（on） =0.4V 这样，共发射极连接时VCE（sat） = 0.7V0.4V = 0.3V,VBE（sat）,VCE（sat）,-,-,+,+,二、截止模式： 在这种
