清华模电课件第四课时

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1、1.3 双极型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1 三极管的外形,威廉肖克利(William Shockley)：晶体管之父、1956年度诺贝尔物理学奖获得者(摘要版),肖克利，1910年生于伦敦。3岁随父母举家迁往加州。从事矿业的双亲从小灌输科学，加上中学教师斯拉特的熏陶，他考入了加州理工学院，后进入麻省理工(MIT)，修成博士后留校任教。,肖克利，这位20世纪最具才华的人物，也是最让人难以捉

2、摸的人物。对管理技巧一窍不通，甚至跟人打交道的能力都没有，却偏偏十分自以为是。一位硅谷经理人员说他是“一位天才，又是一位十足的废物“。,在贝尔实验室期间与人共同发明晶体管，被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明“。,他率先引导“硅谷“走向电子产业新时代。,他不相信任何人。“如果我们在实验室搞出什么名堂，他需要打电话给贝尔实验室的老朋友，问这是不是真的，这对提高士气没有任何积极影响“。肖克利跟人说话，总象对待小孩子一样，态度日趋傲慢。他的门徒们提议研究集成电路，但肖克利拒绝了他们的建议。到1957年，8人中有7人产生跳槽的想法。,肖克利大发雷霆，把他们称作叛徒，时称“叛逆八人帮“，成了硅谷最著

3、名的典故之一。他们创办了具有传奇色彩的仙童公司。 肖克利的梦想破灭了。但他的“叛逆八人帮“成了硅谷最重要的火种。几年后，他们发明了集成电路，改变了整个世界。,肖克利以自己惨痛的失败成全了硅谷的繁荣。但也有人说，肖克利对硅谷来说是一种报应。因为在肖克利之后，原先由HP创立的标准从此走向消亡，肖克利留下的东西弥漫在硅谷上空：贪婪、天才、忠诚瓦解、野心、悲剧和突然的毁灭，正是这些构成了未来硅谷周期性的特征。,8个人如此决断地离去，是肖克利一生中最大的打击，他永远不会原谅他们。但是三年后，在一次商业宴会上，他偶遇诺宜斯，肖克利还是率先打招呼：“你好，罗伯特“，然后便走开了。从那以后，他们有近20年时间

4、没再说过话。,这位老科学家发财梦彻底破灭，被迫弃商就教，于1963年到斯坦福大学做教授。70年代，肖克利公开宣称：并不是所有的人在遗传上都是在同等水平的，也不是在同等的基础上进化的。这些极具争议的活动，经过宣传媒体的广泛报道，不幸地掩去了肖克利的科学成就和他对硅谷所做的贡献。,1.3.1 三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2 三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b基极，c 集电极。,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(基区)，再在 P 型区上刻窗口

5、，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。,图 1.3.3 三极管结构示意图和符号 (a)NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,1.3.2 三极管的放大作用 和载流子的运动(重点、难点),以 NPN 型三极管为例讨论,图1.3.4 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

6、性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,电极电位之间的关系是： NPN型 UCUBUE PNP型 UCUBUE,2. 满足放大条件的三种电路,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

7、。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,图 1.3.5 三极管中载流子的运动,三极管中载流子运动过程,3. 收集 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 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。,图 1.3.5 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 = ICn + IBn,一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大。而二者之比称直流电流放大系数，即,一般可达 0.95 0.

8、99,三个极的电流之间满足节点电流定律，即,IE = IC + IB,代入(1)式，得,IC = ICn + ICBO,IE = ICn + IBn,上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称穿透电流。,当 ICEO IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得,共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。 一般 值约为几十 几百。,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，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. 共射电流放大系数,共基电流放大系数,

9、放大作用的实质 由上述实验结果可知，当IB有一微小变化时，能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。 电流放大作用的实质是通过改变基极电流IB的大小，达到控制IC的目的，而并不是真正把微小电流放大了，因此称三极管为电流控制型器件。,4. 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。,在表的第二列数据中， I B = 0，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。,（2）标出e、b、c极，并判断出该管是NPN型还 是PNP型管。 （3）估算其值。,例 测得工作在放大状态的三极管两个电极的电流如图2.4所示

10、。,（1）求另一个电极的电流，并在图中标出实际方向。,（1）求另一个电极的电流，并在图中标出实际方向。,4.1mA,由于管脚的发射极电流为流出，故该管为NPN型管。,（2）标出e、b、c极，并判断出该管是NPN型还是PNP型管。,4.1mA,e,c,b,（3）由于IB = 0.1mA，IC = 4mA，故：,载流子传输过程演示,NPN 型三极管应满足: UBE 0 UBC UB UE,PNP 型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即 UC UB UE,强调：三极管实现放大的外部条件： 发射结加正向电压，集电结加反向电压。,三极管及其放大电路,例 若测得放大电路中工作在放大状态的三个三极管的

11、三个电极对地电位U1、U2、U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管？是NPN型还是PNP型？并确定c、b、e极。 (1) U1 = 2.5V U2 = 6V U3 = 1.8V (2) U1 = -6V U2 = -3V U3 = -2.7V (3) U1 = -1.7V U2 = -2V U3 = 0V,硅管,b,e,c,NPN,锗管,c,e,b,PNP,锗管,b,c,e,NPN,+ UCE -,1.3.3 三极管的特性曲线,特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。,UCE,图 1.3.6 三极管共射特性曲线测试电路,输入特性：,输出特性：,+ UCE -,+ UCE

12、-,UBE,一、输入特性,(1) UCE = 0 时的输入特性曲线,当 UCE = 0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当 b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,图 1.3.7(上中图),图 1.3.8(下图),(2) UCE 0 时的输入特性曲线,当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,UCE UBE，三极管处于放大状态。,* 特性右移(因集电结开始吸引电子),UCE 1 时的输入特性具有实用意义。,* UCE 1 V，特性曲线重合。,图 1.3.6 三极管共射特性曲线测试电路,图 1.3.8 三极管的输入特性,

13、二.输出特性曲线 是指iB为某一常数时，三极管的输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线。,O,IB 减小,IB增加,UCE,IC,IB = 20A,IB =60A,IB =40A,此区域中 : IB=0,IC0,UBE 死区电压，称为截止区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,1、截止区 发射结和集电结均为反偏， 各电极电流很小，相当于一个断开的开关。,截止区,ICEO,饱和区 输出特性曲线中，UCEUBE的区域，即曲线的上升段组成的区

14、域称为饱和区。饱和区的特点是：发射结和集电结均为正偏。 工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关，没有电流放大作用。,饱 和 区,放大区：,放大区,截止区,条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： 水平、等间隔,ICEO,此时IC受控于IB；同时IC与UCE基本无关，可近似看成恒流。此区内三极管具有电流放大作用。,（a） （b） （c） （d）,（a）发射结、集电结均反偏，管子截止。,（b）发射结反偏、集电结正偏，管子截止。,（c）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（d）发射结、集电结均正偏，管子饱和。,二、输出特性,图 1.3.9 NPN 三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和

15、区。,放 大 区,放 大 区,1. 截止区 IB 0 的区域。,两个结都处于反向偏置。,IB= 0 时，IC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区,截止区,2. 放大区：,条件：发射结正偏 集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,二、输出特性,放 大 区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放 大 区,放 大 区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,图 1.3.9 NPN 三极管的输出特性曲线,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对 NPN 型管，UBE 0 UBC 0 。,特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管

16、失去放大作用。 I C IB。,当 UCE = UBE，即 UCB = 0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(锗管),饱和区,饱和区,1.3.4 三极管的主要参数,三极管的连接方式,图 1.3.10 NPN 三极管的电流放大关系,一、电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个：,1. 共射电流放大系数 ,2. 共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,3. 共基电流放大系数 ,4. 共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，, 和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,二、反向饱和电流,1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,(a)ICBO测量电路,(