三极管的结构及工作原理

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1、 5.21 三极管的结构与符号随着电子技术在汽车上的应用和发展，在汽 车上采用的电子装置也越来越多，而这些装置 又广泛采用半导体三极管组成放大电路和开关 电路。这些电子电路的核心元件就是三极管本章主要介绍三极管的特点、基本放大电路 、多级放大电路。三极管是组成各种电子电路的核心器件。通过 一定的制造工艺，将两个PN结结合在一起，是三 极管具有放大作用。三极管的产生使PN结的应用 发生了质的飞跃。联系生活想一想o学习目标：认识三极管的外形以及符号o学习重点：掌握三极管符号的写法o学习难点：三极管按结构的分类5.21 半导体三极管5.21 三极管的基本结构类型和符号晶体管分有NPN型和PNP型，虽

2、然它们外形各异，品种繁 多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三 个向外引出的电极：注注 意意 ： 图 中 箭 头 方 向 为 发 射 极 电 流 的 方 向 。常见的三极管三极管的类型o按照材料不同分为：锗管和硅管o按内部基本结构的不同分为：NPN型和PNP 型，目前我国生产的硅管多为NPN型，锗管 多为PNP型。o按工作效率可分为：高频管和低频管o按用途不同分为：普通放大管和开关管o按功率不同分为：小功率管和大功率管。o1三极管按结构分为_ 和 两种类型 ，均具有两个PN结，即_和_ 。o2.三极管按照制造材料不同分为_和 _。o3.请画出两种三极管的符号。课后思考：o 汽车

3、上哪里用到了三极管？5.22 5.22 三极管使用常识三极管使用常识o由于三极管管脚排列有很多形式，在使用前应查阅晶体管器件手册或相关资料核对管脚排列。如果有些管子管脚排列不清楚，可以用万用表来判断三极管的管脚排列，切不可主观臆断，更不可凭经验，要避免装错返工。三极管型号命名三极管的种类很多，其型号 的命名方法各 个国家也不尽 相同，一般由五部分组成。 部分 三极管的 命名见下表。NPN型三极管图符号大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管e ec c b bPNP型三极管图符号e ec c b b注意：注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。5.23 三极管的电流分配关系及放大作 用晶

4、体管芯结构剖面图晶体管芯结构剖面图e e发发 射射 极极集电区集电区N N基区基区P P发射区发射区N Nb b基基 极极c c集集 电电 极极晶体管实现电流 放大作用的内部结构条件内部结构条件 (1)发射区掺杂浓度很高，以便有 足够的载流子供“发射”。 (2)为减少载流子在基区的复合机 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度极低。 (3)集电区体积较大，且为了顺利 收集边缘载流子，掺杂浓度界于 发射极和基极之间。可见，三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一 定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替 ，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。晶体管实现电流放大作用的外

5、部条件外部条件N NN NP PUBBRB(1)发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散 电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形 成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边的 多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。IEICIB整个过程中， 发射区向基区发 射的电子数等于 基区复合掉的电 子与集电区收集 的电子数之和， 即： I IE E= =I IB B+ +I IC C结论结论由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散 到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。1.

6、 1. 发射区向基区扩散电子的过程发射区向基区扩散电子的过程由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过 来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB，剩 下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。2. 2. 电子在基区的扩散和复合过程电子在基区的扩散和复合过程集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘 的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。3. 3. 集电区收集电子的过程集电区收集电子的过程只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集 电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间，且基区做得很 薄的内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反 偏的外部条

7、件，三极管就具有了放大电流的能力。三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的 比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小 的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40 A增加到50A时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的值称为 三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三 极管，值的差异较大，大多数三极管的值通常在几十 至几百的范围。由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流 IC，故双极型三极管属于电流控制器件。5.24双极型三极管的特性曲线所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线， 是三

8、极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看 ，外部特性更为重要。 (1) 输入特性曲线 以常用的共射极放大电路为例说明 （ UCE为常数时，IB和UBE之间的关系）UCE=0VUBE /VIB /A0UCE =0VUBBUCCRC+ +RB令UBB从0 开始增加IBIE=IBUBE令UCC 为0UCE=0时的输 入特性曲线UCE为 0时UCE =0.5VUCE=0VUBE /VIB /A0UBBUCCRC+ +RB令UBB重 新从0开 始增加IBICUBE增大UCC让UCE=0.5VUCE =1VUCE=0.5VUCE=0.5V的 特性曲线继续增 大UCC让UCE=1V令UBB重 新从0

9、开 始增加UCE=1VUCE=1V的 特性曲线继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后 的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不 再变化。实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通 常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极 管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。UCE1V的 特性曲线(2) 输出特性曲线先把IB调到 某一固定值 保持不变。当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE 之间的关系曲线称为输出特性。然后调节UCC使UCE从0增 大，观察毫安表中IC的变 化并记录下来。UCEUBBUCCRC+ + +RBICI

10、BUBEmAAIE根据记录可给出IC随UCE变化的 伏安特性曲线，此曲线就是晶体 管的输出特性曲线。IBUCE / VIC /mA0UBBUCCRC+ + +RBICIBUBEmAAIE再调节IB1至 另一稍小的 固定值上保 持不变。仍然调节UCC使UCE从0增 大，继续观察毫安表中IC 的变化并记录下来。UCE根据电压、电流的记录值可绘 出另一条IC随UCE变化的伏安特性 曲线，此曲线较前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IB IB1IB2IB3IB=0如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB 对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很 陡，说明IC随UC

11、E的增 加而急剧增大。当UCE增至一定数值时(一般小于1V) ，输出特性曲线变得平坦，表明IC基 本上不再随UCE而变化。当IB一定时，从发射区扩散到基区 的电子数大致一定。当UCE超过1V以 后，这些电子的绝大部分被拉入集 电区而形成集电极电流IC 。之后即 使UCE继续增大，集电极电流IC也不 会再有明显的增加，具有恒流特性 。 UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的 幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。 从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数

12、。IB=40 A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差； 再读出这两条曲线对应的集电极电流之差IC=1.3mA；IC于是我们可得到三极管的电流放大倍数： = = I IC C/ / I IB B=1.3=1.3 0.04=32.50.04=32.5UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区。当发射结和 集电结均为正向偏置 时，三极管处于饱和 状态。此时集电极电 流IC与基极电流IB之 间不再成比例关系， IB的变化对IC的影响 很小。截止区。当基极电 流IB等于0时，晶体 管处于截止

13、状态。 实际上当发射结电 压处在正向死区范 围时，晶体管就已 经截止，为让其可 靠截止，常使UBE 小于和等于零。放放大大区区晶体管工作在放大状态时，发射结正 偏，集电结反偏。在放大区，集电极电 流与基极电流之间成倍的数量关系， 即晶体管在放大区时具有电流放大作用 。此时UCE小于UBE,规定： UCE=UBE时，为临近饱和状态， 用UCES（0.3或0.1）表示，此时集电极临近饱和电流是管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V,由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一 个闭合的开关。UBBUCCRC+ + +RBICIBUBEmAAIE例1: 用直流电压表测得放大

14、电路中晶体管T1各电极的对地 电位分别为V1 = +10V，V2= 0V，V3= +0.7V，如图（a）所 示, T2管各电极电位V1 = +0V，V2= -0.3V，V3= -5V，如图（ b）所示，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y 、z各是何电极？2321T131T1(a) (b)解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VCVB VE ，PNP型晶体管应满足 VCV3 V2,，所以1为集电极，2为发射极，3为基极，满 足VCVB VE,的关系，管子为NPN型。 （2）在图（b）中，1与2的电压为0.3V，可确定为锗管，又 因V3ICM时，晶体管不一定烧 损，但值明显下降。集

15、电极最大允许功耗PCM晶体管上的功 耗超过PCM，管 子将损坏。 安安全全区区3.极间电流oo集电极集电极- -发射极反向饱和电流发射极反向饱和电流I ICEOCEO（穿透电流（穿透电流 ） 指基极开路时，集电极与发射极集电极与发射极之间加一定反向之间加一定反向 电压时的集电极电压时的集电极电流。该值越小越好。 . 集电极反向饱和电流ICBO,是少数载流子运动 的结果，其值越小越好。4.温度对晶体管参数的影响晶体管的发射极和集 电极是不能互换使用的 。因为发射区和集电区 的掺杂质浓度差别较大 ，如果把两个极互换使 用，则严重影响晶体管 的电流放大能力，甚至 造成放大能力丧失。晶体管的发射极 和

16、集电极能否互 换使用？为什么?晶体管在输出特性曲线的 饱和区工作时，UCEUBE， 集电结也处于正偏，这时内 电场被大大削弱，因此极不 利于集电区收集从发射区到 达集电结边缘的电子，这种 情况下，集电极电流IC与基 极电流IB不再是倍的关系， 因此，晶体管的电流放大能 力大大下降。晶体管在输出特性曲线的 饱和区工作时，其电流放 大系数是否也等于？ 为什么晶体管基区掺杂 质浓度小？而且还要做 得很薄？学习与讨论学习与讨论为了使发射区扩散电子的绝大多数无 法在基区和空穴复合，由于基区掺杂深 度很低且很薄，因此只能有极小一部分 扩散电子与基区空穴相复合形成基极电 流，剩余大部分扩散电子继续向集电结 扩散，由于集成电结反偏，这些集结到 集电结边缘的自由电子被集电极收集