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1、 3.1 半导体三极管,半导体三极管又称晶体三极管（简称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。各有PNP型和NPN型两种结构。,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b 基极， c 集电极。,集电区,基区,发射区,集电区,发射区,基区,一、结构和符号,平面型(NPN)三极管制作工艺,在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(
2、基区)，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：在 N 型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,三极管的结构示意图和符号,三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。常见的三极管外形如图所示。,常见的三极管外形,部分三极管的外型,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,二、电流分
3、配原则及放大作用,1、放大条件,（1）内部条件：,发射区高掺杂；,基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少；,集电结面积大。,（2）外部条件：,发射结必须加正向电压（正偏）；,集电结必须加反向电压（反偏）。,2、三极管中载流子运动过程,1. 发射 发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2. 复合和扩散 电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 IBN，复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,三极管中载流子的运动,3. 收集 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形
4、成集电极电流 ICN。 其能量来自外接电源VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,三极管中载流子的运动,三极管的电流分配关系,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IEN,IBN,ICN,IC = ICN + ICBO,IE = IEN+ IEP = ICN + IBN + IEp,一般要求 ICN 在 IE 中占的比例尽量大。一般可达 0.95 0.99。,三极管的电流分配及放大关系式为：,IE=IB+IC,IC=IB,为电流放大倍数，其范围约为：20200。,NPN,PNP,IE=(1+)IB,一组三极管电流关系典型数据,1.
5、任何一列电流关系符合 IE = IB + IC，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电 流放大作用。,3. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。,4.在表的第二列数据中， I B = 0时，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。,三、特性曲线及主要参数,1、特性曲线,三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。
6、,（1）输入特性曲线IB=f (UBE),它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如下图所示。,(b) 当uCE1V时， uCB= uCE - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。,(a) 当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,工作压降： 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压:硅管0.5-0.7V，锗管0.1-0.3V。,（2）输出特性曲线IC=f (UCE),它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电
7、结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如下图所示。,动画,输出特性,IC(mA ),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB , 且 IC = IB 。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBE 死区电压,，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区 发射结正偏，集电结反偏， IC=IB 。 对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。,(2) 饱和区 发射结正偏，集电结正偏
8、，即UCEUBE ， IBIC，UCE的值很小；称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V； 三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。,(3) 截止区 UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ，三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。,三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,2.三极管的主要参数,三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手
9、册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。,（1）共发射极电流放大系数 它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。,（2）极间反向电流,集电极基极间的反向饱和电流ICBO,集电极发射极间的穿透电流ICEO,（3）极限参数,集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压,3.温度对三极管特性的影响,同二极管一样，三极管也是一种对温度十分敏感的器件，随温度的变化，三极管的性能参数也会改变。 下面两图为三极管的特性曲线受温度的影响情况。,温度对三极管输入特性的影响,温度升高1oC，UBE 减小约22.5m
10、V，具有负的温度系数。若UBE 不变，则当温度升高时，iB将增大，正向特性将左移；反之亦然。,温度对三极管输出特性的影响,温度升高，IC增大， 增大。温度每升高1oC ， 要增加 0.5% 1.0%,温度上升时，输出特性曲线上移,温度对ICBO 的影响,(a) ICBO是集电结外加反向电压平衡少子的漂移运动形成的； (b) 温度升高10oC，ICBO增加约一倍; (c) 硅管的ICBO 比锗管小得多，所以受温度的影响也小得多。,思考：如何判断三极管的极性？,1.目测判别三极管极性,B,E,C,当黑（红）表笔接触某一极，红（黑）表笔分别接触另两个极时，万用表指示为低阻，则该极为基极，该管为NPN
11、（PNP）。,2.实验判别三极管极性,（1）判定基极和管型,判别三极管c、e电极的原理图,基极确定后，比较B与另外两个极间的正向电阻，较大者为发射极E，较小者为集电极C。,（2）判定集电极c和发射极e,四、特殊三极管,1.光电三极管 光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在集电极可以输出很大的光电流。,光电三极管有塑封、金属封装（顶部为玻璃镜窗口）、陶瓷、树脂等多种封装结构，引脚分为两脚型和三脚型。一般
12、两个管脚的光电三极管，管脚分别为集电极和发射极，而光窗口则为基极。下图所示为光电三极管的等效电路、符号和外形。,光电三极管的符号、等效电路和外形,2.光耦合器,光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光电转换器件。图所示为光耦合器的一般符号。,光耦合器的一般符号,3.达林顿管（复合管） 达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子，电流放大系数及输入阻抗都比较大。 达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管，主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。,四种常见的复合管结构,3.2 共射放大电路,一、 放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大
13、的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图。,Au,1、放大体现了信号对能量的控制作用，放大的信 号是变化量。,2、放大电路的负载所获得的随信号变化的能量要 比信号本身所给出的能量大得多，这个多出的 能量由直流电源提供。,3、基本放大电路的组成原则,（1）直流通路（静态） 发射结正偏，集电结反偏，以使BJT工作在放大区。,（2）交流通路（动态） 信号电路应畅通，保证有ui输入，uo输出。,（3）BJT的正向运用 只能将B和E作为输入端，否则无放大功能。,二、三极管在放大电路中的三种连接方式,三极管的三种连接方式,三、共射放大电路,耦合电容：
14、电解电容，有极性， 大小为10F50F,作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,1、静态分析,直流通路：是指UCC单独作用（ui=0）时，电路中只有直流量流过的通路。,画直流通路有两个要点： 电容视为开路 电感视为短路,估算电路的静态工作点Q时必须依据直流通路。,共射电路的直流通路,用图解法分析放大器的静态工作点,UCE=UCCICRC,直流负载线,与IB所决定的那一条输出特性曲线的交点就是Q点,IB,UCEQ,ICQ,2、动态分析,交流通路：是指ui单独作用（UCC=0）时，电路中交流分量流过的通路。,画交流通路时有两个要点： 耦合电容视为短路。 直流电压源UCC（内
15、阻很小，忽略不计）视为短路,相当于接地。,计算动态参数Au、Ri、Ro时必须依据交流通路。,共射电路的交流通路,当输入为微变信号时，对于交流微变信号，三极管可用微变等效电路来代替。这样就把三极管的非线性问题转化为线性问题。,rce很大，一般忽略。,ib,三极管的微变等效电路,e,b,c,b,e,c,rbe,ib,交流通道,微变等效电路,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,3.用图解法分析放大器的交流信号,交流量ic和uce有如下关系：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,交流负载线：,IB,过Q点作一条直线,斜率为:,交流负载线,直流负载线,UCEQ,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合
16、适的静态工作点,4非线性失真与Q点的关系,uo,（2）Q点过低信号进入截止区截止失真,顶部失真,思考：如何改善？,uo,（3）Q点过高信号进入饱和区饱和失真,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,底部失真,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,思考：如何改善？,四、工作点稳定的共射放大电路,Q点的影响因素有很多，如电源波动、偏置电阻的变化、管子的更换、元件的老化等等，不过最主要的影响则是环境温度的变化。三极管是一个对温度非常敏感的器件，随温度的变化，三极管参数会受到影响，具体表现在以下几个方面。,1.温度升高，三极管的反向电流增大 2.温度升高，三极管的电流放大系数增大 3.温度升高，相同基极电流IB下，UBE减小，三极管的输入特性具有负的温度特性。温度每升高1，UBE大约减小2.2mV。,分压偏置式的
