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1、4.4 双极性晶体管,双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。常见的晶体管其外形如图示。,晶体管的结构及电路符号,为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构： .发射区相对基区要重掺杂； .基区要很窄（2微米以下）； .集电结面积要大于发射结面积。,例如：3DG6 即为硅NPN型高频小功率管。 3AX18即为锗PNP型低频小功率管。,晶体管类型,4.4.1晶体管的工作原理,当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。,.发射区向基区注入电子,.电子在基区中边扩散边复合,. 电子被集
2、电区收集,根据电荷守衡有 ICN+IBN=IEN,IEP IEN ， 发射极电流IEIEN。,形成基区复合电流IBN ,为基极电流IB的主要部分,形成集电区收集电流ICN , 为集电极电流IC的主要部分。,一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程,通过对管内载流子传输的讨论可以看出，在晶体管中，窄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起。从而把正偏下发射结的正向电流几呼全部地传输到反偏的集电结回路中去。这是晶体管能实现放大功能的关键所在。,. 集电结少子漂移集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。,二. 电流分配关系,由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有
3、如下关系：,可见，在放大状态下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,1.为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为,其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。 值一般在20200之间。,确定了 值之后，可得,这是今后电路分析中常用的关系式。,由于ICBO极小，在忽略其影响时，晶体管
4、三个电极上的电流近似有：,根据上式，不难求得,2.为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为,显然， 0），c 结反偏（uCEuBE）。,uCE = uBE,为此，定义共发射极交流电流放大系数：, . uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为iB一定而uCE增大时，曲线仅略有上翘（iC略有增大）。,由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时， 集电极电流具有恒流特性。,原因： 基区宽度调制效应（Early效应） 或简称基调效应,临界饱和线,iC不受iB控制，表现为不同iB的曲线在饱和区汇集。,2. 饱和
5、区, 管子饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。其值很小，深饱和时约为0.30.5V。,条件： e结正偏，c结正偏（uCEuBE即临界饱和线的左侧）。,特点：,. iB一定时， iC的数值比放大时小；,由于c结正偏，不利于集电 区收集电子，同时造成基区复合电流增大。因此：,. uCE一定而 iB增大时，iC基本不变。,3. 截止区,当iB=0时，iC= ICEO =(1+ ) ICBO 。这时e结仍有正向受控作用，但对小功率管，ICEO很小，可以认为iB0时，管子截止。反映在特性上，即为iB0的曲线基本重合在水平轴上。,对大功率管，由于ICEO很大，此时，为确保管子截止，e
6、结必须反偏。,条件：e结和c结均处于反偏。,特点：三个电极上的电流均为反向电流，相当极间开路。,二、共发射极输入特性曲线 共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即,(2). 在uCE1V的条件下，正向特性存在导通或死区电压UBE(on),UBE(on),输入特性曲线有如下特点：,(1). uCE增大时曲线基本重合。,UBE(on) 0.6V，硅管， UBE(on) 0.1V，锗管,(3). 当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移。,(4)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0 uCE
7、 UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些。,(5)当uBE0，uCEuBE，即e结正偏，c 结反偏） 特点：.iC受iB控制，即IC= IB或IC= IB . IB一定时，iC具有恒流特性。 .饱和状态（ iB0，uCE uBE，即e结、c结均正偏） 特点：. iC不受iB控制，即 .三个电极间的电压很小，相当短路，各极电 流主要由外电 路决定。 .截止状态（ iB0，uCEuBE，即e结、c 结均反偏） 特点：. iCiBiE0 。 . 三个电极间相当开路，各极电位主要由外电 路决定。,IC IB 或,IC IB,晶体管的三种工作状态，在实际中各有应用：,需要指出，使e结
8、反偏而c 结正偏时，这种状态通常称为反向放大（或倒置）状态，在模拟电路中这种工作方式很少采用。,当管子饱和时，相当开关闭合；当管子截止时，相当开关打开。,在构成放大器时，晶体管应工作在放大状态；,用作电子开关时，则要求工作在饱和、截止状态。 即c极端和e极端之间等效为一受b极控制的 开关，如图所示。,晶体管的主要参数,一、电流放大系数 1.共射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 2.共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 ,所以在以后的计算中，不再加以区分。,应当指出，值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大不小的中间值范围内，值才比较大，且基本不随iC而
9、变化。因此，在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。,二、极间反向电流 1. ICBO ICBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向电 流，称为集电极反向饱和电流。 2. ICEO ICEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向电 流，称为集电极穿透电流。 3. IEBO IEBO指集电极开路时，发射极-基极间的反向电流。,三、结电容 结电容包括发射结电容Ce(或Cbe)和集电结电容Cc(或Cbc)。结电容影响晶体管的频率特性。,四、晶体管的极限参数 1. 击穿电压 U(BR)CBO指e极开路时，c-b极间的反向击穿电压。 U(BR)CEO指b极开路时，c-e极间的反向击穿电
10、压。 U(BR)CEOICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时， iC不应超过ICM 。,3. 集电极最大允许耗散功率PCM,PCM与管芯的大小、材料、散热条件及环境温度等因素有关。PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如下图所示。,晶体管工作在放大状态时，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此有一个功耗限额。,PC =ICUCE,击穿电压U(BR)CEO,PCM =ICUCE,为了确保管子有效安全工作，使用时不应超出这一工作区。,最大电流ICM,五. 温度
11、对晶体管参数的影响 温度对晶体管的uBE、ICBO和有不容忽视的影响。其中，uBE 、ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即 温度每升高1， uBE减小（2 2.5）mV； 温度每升高10， ICBO增大一倍。,温度对uBE、ICBO和的影响，其结果反映在输出特性曲线上，表现为温度升高曲线上移且间隔增大。,温度对的影响表现为，随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1，值增大0.5%1%(即/T(0.51)%/)。,晶体管工作状态及放大状态下管型、电极的判别,一. 工作状态判别：,放大状态,饱和状态,截止状态,放大状态,举例 判别图示中晶体管的工作状态,二. 晶体管工作在放大状态下管型、电极的判别 1.根据放大管的电极电流判别 规律：电流从e极流出，从b、c极流入，则为NPN管； 电流从e极流入，从b、c极流出，则为PNP管；,举例 判别图示中晶体管的管型、电极并确定值。,e,e,e,b,b,b,c,c,c,PNP型,NPN型,NPN型,=4.9/0.1=49,=1.98/0.02=99,=3/0.05=60,2.根据放大管的电极电位判别 规律：e 结电压为0.7V时为硅管，0.3V时为锗管； c 极电位最高、e 极电位最低，则为NPN管； c 极电位最低、e 极电位最高，则为PNP管；,
