(三)【模电】(第一章 常用半导体器件)晶体三极管

[模电专栏]

文章目录

  • A 晶体三极管(BJT)
    • A.a 晶体管的结构和符号
    • A.b 晶体管的放大原理
    • A.c 晶体管的共射输入特性和输出特性
      • A.c.a 输入特性
      • A.c.b 输出特性
    • A.d 温度对晶体管特性的影响
    • A.e 主要参数

A 晶体三极管(BJT)

A.a 晶体管的结构和符号

(三)【模电】(第一章 常用半导体器件)晶体三极管_第1张图片

  • 中大功率管为什么有孔?
    增大表面积,利于散热;还便于安装散热装置。

  • 晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
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箭头:发射结正偏时实际流过发射结的电流方向
ps:正偏即两极间加的电压与PN结的导通方向一致,如NPN管,B、E结,B极电位高于E极电位,就叫正偏,相反则叫反偏!

A.b 晶体管的放大原理

表面上看两个PN结背靠背,不具备放大电流能力。

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三极管若实现放大,必须从三极管外部结构所加电源的特性和内部结构来保证。

  • 三极管放大的内部结构要求:
    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。
    3 集电结面积大。

  • 三极管放大的外部条件:

发射结正偏 集电结反偏
NPN U B > U E U_B>U_E UB>UE U B < U C U_BUB<UC
PNP U B < U E U_BUB<UE U B > U C U_B>U_C UB>UC

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上图左边为输入端口,右边为输出端口。发射极作为输入输出的公共端,所以称为共射放大电路。

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V B B V_{BB} VBB:为了使得发射结正偏,能够导通
V C C V_{CC} VCC:要比 V B B V_{BB} VBB大,是为了使得 u C B > 0 u_{CB}\gt 0 uCB>0,使得集电结反偏。

内部图:
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外电场:白色大箭头。
扩散运动形成发射极电流 I E I_E IE
复合运动形成基极电流 I B I_B IB
漂移运动(即使基区自由电子数比空穴多,少子依然是自由电子)形成集电极电流 I C I_C IC
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定义1:共射极直流电流放大系数 β ‾ \overline{\beta} β

β ‾ = I C N I B ′ = I C − I C B O I B + I C B O → I C = β ‾ I B + ( 1 + β ‾ ) I C B O = β ‾ I B + I C E O \overline{\beta}=\frac{I_{CN}}{I'_B}=\frac{I_{C}-I_{CBO}}{I_B+I_{CBO}} \rightarrow I_C=\overline{\beta}I_B+(1+\overline{\beta})I_{CBO}=\overline{\beta}I_B+I_{CEO} β=IBICN=IB+ICBOICICBOIC=βIB+(1+β)ICBO=βIB+ICEO

其中: I C E O = ( 1 + β ‾ ) I C B O I_{CEO}=(1+\overline{\beta})I_{CBO} ICEO=(1+β)ICBO

I C E O I_{CEO} ICEO称为穿透电流,是基极开路时流过集电极和发射极的电流。 I C B O I_{CBO} ICBO称为集电结的反向饱和电流,是发射极开路时流过集电极和基极的电流.硅管的这两个电流均很小,在计算中可忽略不计。
一般情况下, I B > > I C B O , β ‾ > > 1 I_B>>I_{CBO},\overline{\beta}>>1 IB>>ICBO,β>>1, 故有:


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β ‾ ≈ I C I B ( β ‾ > 1 ) \overline{\beta}\approx\frac{I_C}{I_B}\qquad(\overline{\beta}>1) βIBIC(β>1)

定义共射极交流电流放大系数: β = Δ i C Δ i B \beta=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B} β=ΔiBΔiC
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发射结回路为输入回路,集电结回路为输出回路。基极是两个回路的公共端,称这种接法为共基极放大电路
定义2: I C N 与 I E I_{CN}与I_{E} ICNIE之比称为共基直流电流放大系数,即: α ‾ = I C N I E \overline{\alpha}=\frac{I_{CN}}{I_E} α=IEICN
I C = I C N + I C B O = α ‾ I E + I C B O I_C=I_CN+I_{CBO}=\overline{\alpha}I_E+I_{CBO} IC=ICN+ICBO=αIE+ICBO
I C B O < < I C I_{CBO}<ICBO<<IC时,可将其忽略,则:
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共基交流放大倍数:
α ‾ = Δ i C Δ i E \overline{\alpha}=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_E} α=ΔiEΔiC

共基电路没有电流放大作用。


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小结:
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A.c 晶体管的共射输入特性和输出特性

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A.c.a 输入特性

C、E之间的电压不变时,B、E之间所加的电压与 i B i_B iB之间的关系: i B = f ( u B E ) ∣ U C E = 常 数 i_B = f(u_{BE})|_{U_{CE}=常数} iB=f(uBE)UCE=

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  • 为什么像PN结的伏安特性?
    U C E U_{CE} UCE等于0,即短路CE,相当于两个PN结并联。所以像PN结的伏安特性。

  • 为什么 U C E U_{CE} UCE增大曲线右移
    U C E U_{CE} UCE增大,集电极C抢了基极B的电子,抑制 i B i_B iB,所以要增大 u B E u_{BE} uBE,来增大 i B i_B iB

  • 为什么 U C E U_{CE} UCE增大到一定值曲线右移就不明显了?
    U C E U_{CE} UCE增大,即C收集电子的能力增强,增大到一定程度就饱和了。因此,对于小功率晶体管, U C E U_{CE} UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代 U C E U_{CE} UCE大于1V的所有输入特性曲线。

A.c.b 输出特性

i B i_B iB不变时,C、E之间所加的电压与I_C之间的关系:
i C = f ( u C E ) ∣ i b = 常 数 i_C=f(u_{CE})|_{i_b=常数} iC=f(uCE)ib=
对应于一个 I B I_B IB就有一条 i C i_C iC u C E u_{CE} uCE变化的曲线。
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  • 为什么 u C E u_{CE} uCE较小时 i C i_C iC u C E u_{CE} uCE变化很大,而进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线?
    u C E u_{CE} uCE从零逐渐增大,集电结电场也随着增强,C收集基区电子(非平衡少子)的能力增强,表现就是 i C i_C iC增大,当C收集能力达到饱和时, i C i_C iC增大就不明显了。
  • β \beta β是常数吗?什么是理想晶体管?什么情况下 β = β ‾ \beta=\overline{\beta} β=β?
    不是常量。理想:没有穿透电流, β \beta β处处相等。理想情况下。

晶体管的三个工作区域:
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饱和:但 U C E = U B E U_{CE}=U_{BE} UCE=UBE,称为临界饱和, U C E < U B E U_{CE}UCE<UBE,称为过饱和。
晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 i C i_C iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 i B i_B iB,即可将输出回路等效为电流 i B i_B iB控制的电流源 i C i_C iC

发射结 集电结 特点
截止 反偏 反偏
放大 正偏 反偏 各条输出特性曲线比较平坦,近似为水平线且等间隔。集电极和基电极电流体现放大作用,即 Δ i C = β Δ i B \Delta i_C=\beta\Delta i_B ΔiC=βΔiB
饱和 正偏 正偏 i C i_C iC不仅与 i B i_B iB有关,而且随 u C E u_{CE} uCE增大而增大。在饱和区三极管失去放大作用 i C ≠ β i B i_C \not=\beta i_B iC=βiB

A.d 温度对晶体管特性的影响

温度升高,集电极电流增大。
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A.e 主要参数

  • 直流参数: β ‾ 、 α ‾ = I C I E 、 I C B O 、 I C E O \overline{\beta}、\overline{\alpha}=\frac{I_C}{I_E}、I_{CBO}、I_{CEO} βα=IEICICBOICEO
  • 交流参数: β 、 α 、 f T \beta、\alpha、f_T βαfT(特征频率:使得 β = 1 \beta=1 β=1的信号频率,使得晶体管丧失放大功能的频率)
  • 极限参数: I C M ( 最 大 集 电 极 电 流 ) 、 P C M ( 最 大 集 电 极 耗 散 功 率 , P C M = i C u C E ) 、 U ( B R ) C E O ( c − e 间 击 穿 电 压 ) I_{CM}(最大集电极电流)、P_{CM}(最大集电极耗散功率,P_{CM}=i_C u_{CE})、U_{(BR)CEO}(c-e间击穿电压) ICMPCMPCM=iCuCEU(BR)CEOce穿
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图片来源:清华大学公开课 《模拟电子技术基础》 华成英

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