整理3半导体三极管.docx

整理3半导体三极管.docx

《整理3半导体三极管.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《整理3半导体三极管.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

整理3半导体三极管

一、复习引入

三极管是电子电路中基本的电子器件之一，在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。

在数字电路中主要作用是作为电子开关。

二、新授

（一）三极管的结构和分类

根据不同的掺杂方式，在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，三个区引出三个电极，就构成三极管。

采用平面工艺制成的NPN型硅材料三极管的结构示意图如图1（a）所示。

位于中间的P区称为基区，它很薄且掺杂浓度很低，位于上层的N区是发射区，掺杂浓度最高；位于下层的N区是集电区，因而集电结面积很大。

显然，集电区和发射区虽然属于同一类型的掺杂半导体，但不能调换使用。

如图1（b）所示是NPN型管的结构示意图，基区与集电区相连接的PN结称集电结，基区与发射区相连接的PN结称发射结。

由三个区引出的三个电极分别称集电极c、基极b和发射极e。

（a）NPN型硅材料三极管结构示间意图

（b）NPN型管的结构示意图（c）NPN型和PNP型管的符号

图1　　三极管的结构示意图

按三个区的组成形式，三极管可分为NPN型和PNP型，如图1（c）所示。

从符号上区分，NPN型发射极箭头向外，PNP型发射极箭头向里。

发射极的箭头方向除了用来区分类型之上，更重要的是表示三极管工作时，发射极的箭头方向就是电流的流动方向。

三极管按所用的半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功率管；按频率可分为低频管和高频管等。

常见三极管的类型如图2所示。

3DG6NPN型高频小功率硅管3AD6PNP型低频大功率锗管

3AX31PNP型高频小功率锗管3DX204NPN型低频小功率硅管

图2常见三极管的类型

（二）三极管的电流放大作用及其放大的基本条件

三极管具有电流放大作用。

下面从实验来分析它的放大原理。

1．三极管各电极上的电流分配

用NPN型三极管构成的电流分配实验电路如图3所示。

电路中，用三只电流表分别测量三极管的集电极电流IC、基极电流IB和发射极电流IE，它们的方向如图中箭头所示。

基极电源UBB通过基极电阻Rb和电位器Rp给发射结提供正偏压UBE；集电极电源UCC，通过电极电表Rc给集电极与发射极之间提供电压UCE。

调节电位器RP，可以改变基极上的偏置电压UBE和相应的基极电流IB。

而IB的变化又将引起IC和IE的变化。

每产生一个IB值，就有一组IC和IE值与之对应，该实验所得数据见表1-1。

图3三极管电流分配实验电路

表1-1三极管三个电极上的电流分配

IB/mA

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

IC/mA

0.01

0.56

1.14

1.74

2.33

2.91

IE/mA

0.01

0.57

1.16

1.77

2.37

2.96

表1-1所列的每一列数据，都具有如下关系

IE=IB+IC（1-2）

式（1-2）表明，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。

与正向偏置二极管相似，三极管发射极电流IE与发射结电压uBE成指数关系

ie=

（1-3）

式中，UT为温度电压当量，室温时UT≈26mV。

（1）三极管的电流放大作用

从表1-1可以看到，当基极电流IB从0.02mA变化到0.03mA,即变化0.01mA时,集电极电流IC随之从1.14mA变化到了1.74mA即变化0.6mA,这两个变化量相比（1.74-1.14）/（0.03-0.02）=60,说明此时三极管集电极电流IC的变化量为基极电流IB变化量的60倍.

可见,基极电流IB的微小变化,将使集电极电流IC发生大的变化,即基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大变化,这就是三极管的电流放大作用。

值得注意的是，在三极管放大作用中，被放大的集电极电流IC是电源UCC提供的，并不是三极管自身生成的能量，它实际体现了用小信号控制大信号的一种能量控制作用。

三极管是一种电流控制器件。

（2）三极管放大的基本条件

要使三极管具有放大作用，必须要有合适的偏置条件，即：

发射结正向偏置，集电结反向偏置。

对于NPN型三极管，必须保证集电极电压高于基极电压，基极电压又高于发射极电压，即UC＞UB＞UE；而对于PNP型三极管，则与之相反，即UC＜UB＜UE。

（三）三极管的伏安特性

三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。

它是三极管内部的外部表现，是分析由三极管组成的放大电路和选择管子参数的重要依据。

常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。

三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。

用NPN型管组成测试电路如图4所示。

该电路信号由基极输入，集电极输出，发射极为输入输出回路的公共端，故称为共发射极电路，简称共射电路。

所测得特性曲线称为共射特性曲线。

图4三极管共射特性曲线测试电路

1．输入特性曲线

三极管的共射输入特性曲线表示当管子的输出电压uCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即

iB=

（1-4）

测试时，先固定uCE为某一数值，调节电路中的RP１，可得到与之对应的iＢ和uBE值，在以uBE为横轴、iＢ为纵轴的直角坐标系中按所取数据描点，得到一条iＢ与uBE的关系曲线；再改变uCE为另一固定值，又得到一条iB与uBE的关系曲线。

如图5所示。

图5共射输入特性

（1）uCE=0时，集电极与发射电极相连，三极管相当于两个二极管并联，加在发射结上的电压即为加在并联二极管上的电压，所以三极管的输入特性曲线与二极管伏安特性曲线的正向特性相似，uBE与iB也为非线性关系，同样存在着死区；这个死区电压（或阈值电压Uth）的大小与三极管材料有关，硅管约为0.5V,锗管约为0.1V。

（2）当uCE=1V时，三极管的输入特性曲线向右移动了一段距离，这时由于uCE=1V时，集电结加了反偏电压，管子处于放大状态，ic增大，对应于相同的uBE，基极电流iB比原来uCE=0时减小，特性曲线也相应向右移动。

uCE＞1以后的输入特性曲线与uCE=1V时的特性曲线非常接近，近乎重合，由于管子实际放大时，uCE总是大于1V以上，通常就用uCE=1V这条曲线来代表输入特性曲线。

uCE＞1V时，加在发射结上的正偏压uBE基本上为定值，只能为零点几伏。

其中硅管为0.7V左右,锗管为0.3V左右。

这一数据是检查放大电路中三极管静态是否处于放大状态的依据之一。

例１－1用直流电压表测量某放大电路中某个三极管各极对地的电位分别是：

U1=2V，U2=6V，U3=2.7V，试判断三极管各对应电极与三极管管型。

解：

根据三极管能正常实现电流放大的电压关系是：

NPN型管UC＞UB＞UE，且硅管放大时UBE约为0.7V，锗管UBE约为0.3V，而PNP型管UC＜UB＜UE，且硅管放大时UBE约为-0.7V，锗管UBE约为-0.3V，所以先找电位差绝对值为0.7V或0.3V的两个电极，若UB＞UE则为NPN型，UB＜UE则为PNP型三极管，本例中，U3比U1高0.7V，所以此管为NPN型硅管，③脚是基极，①脚是发射极，②脚是集电极。

2．输出特性曲线

三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流ic与输出电压uCE之间的关系曲线，即

（1-5）

在测试电路中，先使基极电流iB为某一值，再调节RP2，可得与这对应的uCE和ic值，将这些数据在以uCE为横轴，ic为纵轴的直角坐标系中描点，得到一条uCE与ic的关系曲线；再改变iB为另一固定值，又得到另一条曲线。

若用一组不同数值的iB或得到如图6所示的输出特性曲线。

图6共射输出特性曲线

由图中可以看出，曲线起始部分较陡，且不同iB曲线的上升部分几乎重合；随着uCE的增大，ic跟着增大；当uCE大于1V左右以后，曲线比较平坦，只略有上翘。

为说明三极管具有恒流特性，即uCE变化时，ic基本上不变。

输出特性不是直线，是非线性的，所以，三极管是一个非线性器件。

3.三极管输出特性曲线可以分为四个区。

（1）放大区

放大区是指iB﹥0和uCE﹥1V的区域，就是曲线的平坦部分。

要使三极管静态时工作在放大区（处于放大状态），发射结必须正偏，集电结反偏。

此时，三极管是电流受控源，iB控制ic：

当iB有一个微小变化，ic将发生较大变化，体现了三极管的电流放大作用，图中曲线间的间隔大小反映出三极管电流放大能力的大小。

注意：

只有工作在放大状态的三极管才有放大作用。

放大时硅管UBE≈0.7V，锗管UBE≈0.3V，︱UCE︳﹥1V。

（2）饱和区

饱和区是指iB﹥0，uCE≤0.3V的区域。

工作在饱和区的三极管，发射结和集电结均为正偏。

此时，ic随着uCE变化而变化，却几乎不受iB的控制，三极管失去放大作用。

当uCE=uBE时集电结零偏，三极管处于临界饱和状态。

处于饱和状态的uCE称为饱和压降，用UCE（sat）表示；小功率硅管UCE（sat）约为0.3V，小功率锗管UCE（sat）约为0.1V。

（3）截止区

截止区就是iB=0曲线以下的区域。

工作在截止区的三极管，发射结零偏或反偏，集电结反偏，由于uBE在死区电压之内（uBE﹤Uth）,处于截止状态。

此时三极管各极电流均很小（接近或等于零），e、b、c极之间近似看作开路，

（4）击穿区

当三极管uCE增大到某一值时，ic将急剧增加，特性曲线迅速上翘，这时三极管发生击穿。

工作时应避免管子击穿。

此外，由于电源电压极性和电流方向不同，PNP管的特性曲线与NPN管的将是相反、“倒置”的。

（四）三极管的主要参数

三极管的参数是选择和使用三极管的重要依据。

三极管的参数可分为性能参数和极限参数两大类。

值得注意的是，由于制造工艺的离散性，即使同一型号规格的管子，参数也不完全相同。

1．电流放大系数β和

。

是三极管共射连接时的直流放大系数，

。

β是三极管共射连接时的交流放大系数，它是集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB的比值，即β=ΔIC/ΔIB。

β和

在数值上相差很小，一般情况下可以互相代替使用。

电流放大系数是衡量三极管电流放大能力的参数，但是β值过大热稳定性差。

2．穿透电流ICEO

ICEO是当三极管基极开路即IB=0时，集电极与发射极之间的电流，它受温度的影响很大，小管子的温度稳定性好。

3．集电极最大允许电流ICM

三极管的集电极电流IC增大时，其β值将减小，当由于IC的增加使β值下降到正常值的2/3时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM

4．集电极最大允许耗散功率PCM

PCM是三极管集电结上允许的最大功率损耗，如果集电极耗散功率PC>PCM将烧坏三极管。

对于功率较大的管子，应加装散热器。

集电极耗散功率。

PC=UCEIC（1-6）

5．反向击穿电压U（BR）CEO。

U（BR）CEO是三极管基极开路时，集射极之间的最大允许电压。

当集射极之间的电压大于此值，三极管将被击穿损坏。

三极管的主要应用分为两个方面；一是工作在放大状态，作为放大器；二是在脉冲数字电路中，三极管工作在饱和与截止状态，作为晶体管开关。

实用中常通过测量UCE值的大小来判断三极管的工作状态。

例1：

晶体管作开关的电路如图所示，输入信号为幅值ui=3V的方波，若RB=100KΩ，RC=5.1KΩ时，验证晶体管是否工作在开关状态？

解：

当ui=0时。

UB=UE=0。

IB=0，IC=βIB+ICEO≈0。

则ＵＣ＝ＶＣＣ＝１２Ｖ说明晶体管处截止状态。

　当ui=3V时，取UBE=0.7V，则基极电流IC=

集电极电流

　　IC=βIB=100×23μＡ＝2.3mA

集射极电压

　　　UCE＝VCC-ICRC=12V-2.3×5.1V=0.27V

UCE

二、建设项目环境影响评价可见，ui为幅值达3V的方波时，晶体管工作在开关状态。

例2：

例1.1中，将RC改成3KΩ，其余数据不变，ui=3V时，IB、IC与例1.１相同，即

IB=23μA,Ic=2.3mA

（1）非煤矿矿山的建设项目（注：

对煤矿建设项目有单独特别规定）；UCE=VCC-ICRC=12V-2.3×3V=5.1V

由VCC>UCE>UCES，可知晶体管工作在放大状态，晶体管作放大元件。

1.环境总经济价值的构成作业布置：

1、有两只晶体管，一只的

=200，ICEO=200

A，另一只的

=100，ICEO=10

A，其他参数大致相同。

你认为应选哪只管子？

为什么？

2.环境影响评价工程师职业资格制度2、测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。

在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。

（一）安全评价的内涵

价值=支付意愿=市场价格×消费量+消费者剩余习题2的图

3、电路如图所示，晶体管导通时UBE=0.7V，

=50。

试分析UBB为0V、1V、1.5V三种情况下VT的工作状态及输出电压uo的值。

4、电路如图所示，试问

大于多少时晶体管饱和？

2）间接使用价值。

间接使用价值（IUV）包括从环境所提供的用来支持目前的生产和消费活动的各种功能中间接获得的效益。

按照国家规定实行审批制的建设项目，建设单位应当在报送可行性研究报告前报批环境影响评价文件。

按照国家规定实行核准制的建设项目，建设单位应当在提交项目申请报告前报批环境影响评价文件。

按照国家规定实行备案制的建设项目，建设单位应当在办理备案手续后和开工前报批环境影响评价文件。

习题3的图习题4的图

2）预防或者减轻不良环境影响的对策和措施。

主要包括预防或者减轻不良环境影响的政策、管理或者技术等措施。

5、分别判断下图所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。

『正确答案』A

习题5的图