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1、半导体三极管,又称为双极结型晶体管(BJT),发射结,集电结,NPN型,PNP型,三极管的发射极的箭头方向,代表三极管工作在放大,饱和状态时,发射极电流(IE)的实际方向。,1.3.1 概述,半导体三极管的分类:,按材料分: 硅管、锗管,按功率分: 小功率管 500 mW,按结构分: NPN、 PNP,按使用频率分: 低频管、高频管,大功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,按结构和材料共有4种组合,1.3.2 半导体三极管的工作原理,半导体半导体三极管有共有四种工作状态:,三极管的电流放大条件 内部:发射区高掺杂,基区很薄,集电结面积大 外部:发射结正偏,集电结反偏,1. 工作于放大状态的
2、半导体三极管,发射结正偏,集电结反偏,外电场方向,e,b,c,三极管的 电流放大条件 内部:发射区高掺杂,基区很薄,集电结面积大 外部:发射结正偏,集电结反偏,N,N,P,1、发射区的电子大量地扩散注入到基区,基区空穴的扩散可忽略。,e,b,c,IE,发射结正偏,集电结反偏,外电场方向,N,N,P,1、发射区的电子大量地扩散注入到基区,基区空穴的扩散可忽略。 2、电子扩散的同时,在基区将与空穴相遇产生复合。由于基区空穴浓度低,且基区做得很薄,因此,复合的电子是极少数。 3、绝大多数到基区的电子均能扩散到集电结处,并在集电结电场作用下到达集电区。 4、因集电结反偏,集电区和基区中少子在结电场作用
3、下漂移,形成很小的且与集电结的反偏压无关的反向饱和电流。,e,b,c,IE,IB,IC,发射结正偏,集电结反偏,外电场方向,N,N,P,ICBO,1、大量电子N2通过很薄的基极被集电极吸收,少量电子N1在基极与空穴复合。N2和N1的比例由三极管内部结构决定。在不考虑ICBO时: IC/IB=N2/N1= 2、以上公式是右方电路满足发射结正偏、集电结反偏时得到的,一旦外界条件改变到不再满足这两个条件,则以上公式不再成立。,电流分配关系,电压分配关系,UBE正向导通: 硅管大约0.7V 锗管大约0.2V,UCE=UCC-IC*RcUCC-IB*Rc,三极管的放大原理归结为: 内部机制:发射区高掺杂
4、,基区很薄,集电结面积大 外部条件:发射结正偏,集电结反偏 载流子传输: 发射区向基区提供载流子 基区传送和控制载流子 集电区收集载流子,很小的IB控制 IC IC = IB,基极电流和集电极电流除直流分量外还有交流分量,且iC = iB。放大电路是在ui的作用下,改变iB,并通过iB控制直流电源供给集电极电流iC,使其产生相应的交流分量,并在足够大的RC上形成较大的电压降,就有了可供输出的经放大的交流电压uo。,由放大状态进入截止状态的临界情况是发射结电压为零,此时基区的反向电流分别流入发射极和集电极。,2. 工作于截止状态的半导体三极管,放大状态时有: IC=IB+ICEOIB,UCE=U
5、CC-IC*Rc,减小Rb,IB增大; IC增大,UCE减小 集电结反偏电压减小。,3. 工作于饱和状态的半导体三极管,饱和后,UCE0, IC=(UCC-UCES)/Rc ICUCC/Rc 饱和条件: IBIC/ IB(UCC-UCES)/RcUCC/( Rc),三极管饱和时的管压降UCE被称作为三极管的饱和压降UCES,4. 工作于倒置状态的半导体三极管,放大,倒置,由于内部结构原因,集电区掺杂的浓度低,正偏的集电区不能提供大量的电子发射,发射结也不能有效收集电子,所以倒置状态电流放大倍数很小,不采用。,NPN型,PNP型,判断放大状态时的引脚,UCUBUE,UCUBUE,UBE正向导通,
6、压降: 硅管大约0.7V 锗管大约0.2V,三极管状态判断小结,1.以电压判断三极管工作状态,PNP型,判断截止状态时的引脚,UCUEUB,三极管状态判断小结,对一般的NPN管电路: UC=+UCC,UE=0V,UB0V UCE=+UCC 对一般的PNP管电路: UC= -UCC,UE=0V,UB0V UCE= -UCC,NPN型,PNP型,判断饱和状态时的引脚,UCUBUE,UCUBUE,三极管状态判断小结,UBE正向导通: 硅管约0.7V, 锗管大约0.2V 饱和时三极管的管压被称作为UCES,UCES范围: 硅管约0.7V0V, 锗管约0.2V0V,避免倒置状态,三极管状态判断小结,例1
7、. 放大电路如图所示,在圆圈中画出管子,并分别说明它们是硅管还是锗管,NPN: UCUBUE PNP: UEUBUC,Si: UBE=0.7V Ge: UBE=0.2V,1、无正向导通电压的处在截止状态,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,例1-5 NPN: (3)2V, 5V, 1V,1V,2V,5V,例1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和 例1-5 NPN: (1) 1V,0.3
8、V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,1、无正向导通电压的处在截止状态,2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和 3、如果饱和则先判断基极,再判断集电极和发射极,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,1、无正向导通电压的处在截止状态,例1-5 NPN:(2) 0.3V,0.3V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V,-0.2V,0V,-0.05V,1V,0.3V,0.35V,NPN: 0.35V,0.3V,1V,PNP
9、: -0.2V,0V,-0.05V,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,例1-5 NPN: (1) 1V,0.3V,3V (2) 0.3V,0.3V,1V (3)2V,5V,1V PNP: (1) -0.2V,0V,0V (2) -3V,-0.2V,0V (3)1V,1.2V,-2V,1、无正向导通电压的处在截止状态 2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和 3、如果饱和则先判断基极,再判断集电极和发射极 4、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压,由引脚电压判断三极管管脚和工作状态,例1-5 NPN: (1) 1V,0.3V, 3V B E C PNP: (2) -3V,-0.2V,0V C
10、 B E (3)1V, 1.2V, -2V B E C,1、无正向导通电压的处在截止状态 2、根据三个电位的集中程度判断是否饱和 3、如果饱和则先判断基极,再判断集电极和发射极 4、不饱和则看有没有两个电压差为正向导通电压 5、有正向导通电压一般按放大状态去判断,讨论:P40 题1-18,1-20,图1-33,1-36,三极管状态电流判断条件说明,放大、饱和,放大状态时:IC=(UCC-UCE) / RC=IB IC随着IB的增大而增大 饱和状态时:IC=(UCC-UCES) / RC IC受外电路限制不再随IB变化。 三极管饱和压降UCES硅0.7V,锗0.2V 所以临界饱和基极电流: IB
11、S=(UCC-UCES)/(RC)UCC/(RC),图1-35,截止,放大状态时 UBE、IB为正,IC=IB 截止状态时 UBE、IB=0(为负),IC=0 实际UBE小于导通电压即脱离放大状态,即IB=0,UBE=0为截止状态。,三极管饱和时的管压降UCE被称作为三极管的饱和压降UCES,此时,UCES对硅管为0.7,对锗管为0.2,1、当IB、IC均已知时: (1)当IB=IC/时,三极管处于放大状态 (2)当IBIC/时,三极管处于 饱和状态 (3)当IB=IC=0时,三极管处于放大状态 2、当只有IB已知时: (1)当0IBS时,三极管处于饱和状态 3、当只有IC已知时: (1)当U
12、CE=UCC-ICRCUCES时,三极管处于放大状态 (2)当0UCEUCES时,三极管处于饱和状态,硅0.7V锗0.2V,三极管状态电流判断条件说明,Ucc,Rc,c,b,e,Ubb,Re,UCE,射极无电阻时: UCE=UCC-ICRC,射极有电阻时: UCE=UCC-ICRC-IERE UCC-IC(RC+RE) 则此时的IBS=(UCC-UCES)/(RC+RE)UCC/(RC+RE),三极管状态电流判断条件说明,思考:射极加上电阻后的IBS变化吗?如变化如何变化?,例2. NPN型接法如下。UBE=0.7V,分析电路中三极管处于何种工作状态,(a)Rb=100k, Rc=2k,=40
13、, Ucc=5V,因为IBIBS,所以三极管处在放大状态,例2. NPN型接法如下。UBE=0.7V,分析电路中三极管处于何种工作状态,(b)Rb=20k, Rc=2k,=100, Ucc=5V,因为IBIBS,所以三极管处在饱和状态,例2. NPN型接法如下。UBE=0.7V,分析电路中三极管处于何种工作状态,(c)Rb=30k, Rc=2.5k, =35, Ucc=5V,Ui=0V或3V,Ui=3V,IBIBS,故三极管处在饱和状态,Ui=0V,发射结无正偏,故三极管截止,Ui=3V,1.3.3 半导体三极管的基本组态和特性曲线,共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示。,共基极接法,
14、基极作为公共电极,用CB表示;,共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示;,BJT的三种组态,三极管共射输入特性曲线研究共射电路输入端IB和UBE的关系。 一般来说, IB和UBE的关系就是一个PN结的特性曲线关系。 UCE=0V时,三极管饱和,IB较大。 UCE1V时,三极管放大状态,IB比饱和状态稍少,以后随着UCE增大,IB增大不明显。,uCE =0V,uCE 1V,1. 共发射极输入特性曲线,截止区:发射结反偏,集电结反偏。IB=0 , uBEuBE。,2. 共发射极输出特性曲线,放大区:发射结正偏,集电结反偏。uBE0且uCEuBE。IC=IB,0IB IBS,饱和区:发射结正偏
15、,集电结正偏。 uBE 0 ,uCEuBE。ICIB。 IB IBS,1.3.4 半导体三极管的主要电参数,1. 直流参数 共射直流放大系数 共基直流放大系数 极间反向电流 ICBO:发射极开路,集电结的反向饱和电流 ICEO:基极开路,集电极与发射极间穿透电流 2. 交流参数 共射交流放大系数 共基交流放大系数,3. 极限参数 极间反向击穿电压U(BR) EBO , U(BR) CBO ,U(BR)CEO 最大集电极耗散功率PCM=iCuce 最大集电极电流ICM,即使 值明显减小的iC,例1-6 某三极管的极限参数PCM=150mW,ICM=100mA,UBRCEO=30V。问:(1)若工作电压UCE=10V,求工作电流IC的最大值?(2)若工作电压UCE=1V,求IC的最大值?(3)若工作电流IC=1mA,求工作电压UCE最大值? 解:三极管的三个极限参数在使用中均不能超过。 (1)因为PCM=ICUCE=150mW,当UCE=10V时,IC=15mA即为此时所允许的最大值。 (2)当UCE=10V时,仅从功率的角度考虑,工作电流可达IC=150mA 。但考虑极限参数,故IC=100mA即为此时所允许的最大值。 (