级电气第一章CH3（晶体管）课件.ppt

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、双极型晶体管等，以后我们统称为晶体管它的外型如下图所示1.3 晶体管,晶体管的原理结构如图1-3-1(a)所示由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型P型N型结构，所以称为NPN管1.3.1 晶体管的结构与类型,晶体管的结构特点和类型,结构特点：有2个PN结（发射结、集电结），3个区（发射区、基区、集电区），分别从这3个区可以引出3个电极（发射极、基极、集电极）晶体管的基区很薄，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积晶体管的类型：晶体管从组织形式分只有NPN型和 PNP型两种；晶体管根据基片的 材料不同分为硅管和 锗管；根据频率特性分为高频管和 低频管；根据功率大小分为大功率管、中功率管、小功率管等 下面主要以NPN型晶体管为例进行讨论当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的状态下，管内载流子的运动情况可用图1.3.3说明我们按传输顺序分以下几个过程进行描述1.3.2 晶体管电流分配和放大作用,一、发射区向基区发射电子 由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成发射极电流IEN。

与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP << IEN ，可忽略不计因此，发射极电流IEIEN，其方向与电子注入方向相反放大状态下晶体管中载流子的传输过程,二、电子在基区中边扩散边复合 进入基区的电子在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)因此，在基区中形成了电子的浓度差在该浓度差作用下，进入基区的电子将继续向c结扩散在扩散过程中，电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分放大状态下晶体管中载流子的传输过程,三、集电区收集电子 由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN该电流是构成集电极电流IC的主要部分另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC 、IB的另一部分电流。

放大状态下晶体管中载流子的传输过程,晶体管各极电流分配,晶体管电流放大作用,由以上分析并通过电路试验可知，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如下关系：,(13 1a),(1 31b),(131c),式(131)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映载流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反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便IB虽小，但对IC有控制作用， IC有随IB有改变而改变称为晶体管电流放大系数，它反映IB对IC的控制能力晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解晶体管的导电特性非常有用晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路实际中，有下图所示的三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线1.3.3晶体管伏安特性曲线,一、输入特性曲线 测量电路见右上图。

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 典型的共发射极输入特性曲线如图1.3.5所示 (1)在uCE1V的条件下，当uBE

由图1.3.6可以看出，在放大区有以下两个特点：,(1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量IB时， iC就会有很大的变化量IC为此，用共发射极交流电流放大系数来表示这种控制能力定定义为：,反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔2) 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，曲线略有上翘(iC略有增大)；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 ,2、饱和区 通常把uCE=uBE(即c结零偏)的情况称为临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线晶体管饱和时的uCE值称为饱和压降uCES， uCES值很小，c、e两极之间接近短路发射结与集电结均处于正偏 3、截止区 在基极电流iB0特性曲线以下的区域称为截止区这时，发射结与集电结均处于反向偏置集电极到发射极只有很微小的电流，称为穿透电流晶体管工作在放大区，具有电流放大作用，常用来构成各种放大电路；工作在截止区和饱和区，相当于开关的 断开和接通，常用于数字电路和 开关控制电路中晶体管的作用,1.3.4 晶体管的主要参数,一、电流放大系数 1. 直流电流放大系数 和交流电流放大系数,,共发射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数分别由式(1.3.1)、(1.3.2)定义，其数值可以从输出特性曲线上求出。

1.3.1),(1.3.2),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（特性曲线等距、平行部分），值才比较大，且基本不随iC而变化常用的小功率晶体管，的取值范围为20150，大功率管的值的一般较小（1030）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晶体管的主要参数（续）,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，称为集基极间反向饱和电流 ICBO越小越好 ICBO受温度影响大，在温度较高的 环境里，一般选用硅材料晶体管3、 IEBO IEBO指集电极开路时，发射极基极间的反向电流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 ICEO受温度影响更大，因为在一般情况下 ICEO（1+）ICBO 一般希望ICEO越小越好4、晶体管的极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 与iC的大小有关，随着iC的增大，值会减小 ICM一般指下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流当iC ICM时，虽然管子在短期内不致于损坏，但值已经明显减小。

因此，晶体管线性运用时， iC不应超过ICM （2）反向击穿电压 U(BR)CBO指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压 U(BR)EBO指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压普通晶体管该电压值比较小，只有几伏,,晶体管的主要参数（续）,U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压当 UCEOU(BR)CEO 时晶体管的iC、iE剧增，使晶体管击穿损坏为了安全工作，使用中取,晶体管的主要参数（续）,（3） 集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流因此，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，因此需要规定一个功耗限额PCMPCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关根据给定的PCM值，则可以由 PCM =ICUCE在输出特性上作出一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如图1-39所示由PCM、ICM、U（BR）CEO包围的区域为晶体管安全工作区 ,,,,,,u,C,E,,,,,,工作区,i,C,0,,,,,,,,,安全,,,,,,,,I,C,M,,,,,,,U,(BR)CEO,P,C,M,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,图1-3-9 晶体管的安全工作区,2、,例题：,在图1.3.2所示电路中，若选用3DG6D型号的晶体管，问：1、UCC最大不得超过多大？ 2、根据ICICM的要求，RC电阻最小不得小于多少,解：查晶体管手册， 3DG6D参数是 ICM=20mA，U（BR）CEO=30V， PCM=100mW,1、,1.3.5 复合晶体管,,复合晶体管就是把两个晶体管的引脚适当地连接起来使之等效为一个晶体管，简称为复合管。

如右图所示复合管的电流放大系数近似等于两个管子电流放大系数的乘积即,但是，复合管也具有穿透电流大的缺点1.4 场效应晶体管,场效应晶体管是一种利用电场效应来控制其电流大小的晶体管它因为具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电少等有点而得到广泛的应用外形图如下图所示场效应管,场效应晶体三极管是由一种载流子导电的，所以又称其为单极性三极管它是用输入电压控制输出电流的半导体器件，故可称其为电压型控制器件按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类结型场效应管结构如下图所示绝缘柵型场效应管,N沟道场效应晶体管结构和符号,转移特性和漏极特性曲线,(a)转移特性 (b)漏极特性,2.转移特性曲线 VGS对ID的控制特性,在VDS为常数的条件下，漏极电流ID与柵、源电压VGS之间的关系曲线称为场效应管的转移特性曲线即,ID=f(VGS)VDS=常数,1、场效应晶体管是电压控制器件，栅源电压控制漏极电流；而双极型晶体管是电流控制器件，但都可获得较大的电压放大倍数 2、场效应晶体管温度稳定性好，而双极型晶体管受温度影响大 3、场效应晶体管制造工艺简单，便于集成化，适合制造大规模集成电路。

4、场效应晶体管存放时，各个电极要短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏焊接时电烙铁因有良好的接地线，防止静电感应电压对管子的损坏一般应在拔下电烙铁电源插头时快速焊接场效应晶体管与双极型晶体管的比较：,1N型半导体和P型半导体是本征半导体分别加入五价元素和三价元素的杂质半导体N型半导体中，电子是多子而空穴是少子；P型半导体中，空穴是多子而电子是少子多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化 2P型和N型半导体结合，在交界面处形成PN结PN结是构成半导体器件的基本单元，它具有单向导电特性、击穿特性和电容特性 3晶体二极管由PN结构成大信号运用时表现为开关特性，即正偏时导通，反偏时截止理想情况下，相当于开关闭合与断开二极管的主要应用电路有整流、限幅和钳位等 4 双极型三极管有两种类型：NPN和P。