《模拟电子技术基础》课程笔记(五)——双极型三极管

目录

双极性三极管

三极管的结构

 三极管的放大作用

三极管中载流子的运动过程

三极管的电流分配关系

三极管的特性曲线：

三极管的主要参数

PNP型三极管

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双极性三极管

        双极性三极管又称三极管、晶体管、或简称为三极管。

        三极管有两种类型：NPN型和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。

三极管的结构

        常用的三极管结构有硅平面和锗合金管两种类型。

 三极管的结构示意图和符号

NPN型

 PNP型

 三极管的放大作用

三极管的内部结构要求：

        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：外加电源的极性应使得发射结处于正向偏置的状态，而集电结处于反向偏置状态。

三极管中载流子的运动过程

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I(E)基区多子数目较多，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I（bn），复合掉的空穴由V（BB）补充。

        多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。

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I（cn）.

        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I（CBO）表示。

三极管的电流分配关系

        I（C）= I（Cn）+ I（CBO）

        I（E）= I（Cn）+ I（Bn）+ I（Ep）

                  =I（En）+ I（Ep）

一般要求I（Cn）在I（E）中占的比例尽量大。而两者之比称为直流放大系数，即

一般数值可达0.95~0.99.

 三个电极的电流之间满足节点电流定律，即

                        I（E）= I(C) +I (B)

代入（1）式，得

                    

 上式中的后一项常用I（CEO）表示，I（CEO）称为穿透电流。

 当I（CEO）<

                                

共射直流放大系数近似等于I（C）与I（B）之比。一般值约为几十~几百。

综上所述：

 一组三极管的典型数据为：

        1.任何一列电流关系符合I(E)=I(C)+I(B), I(B)

        2.当I(B)由微小变化时，ΔI(C)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                                          

        4.在表的第一列数据中，I(E)=0时，I(C)=0.001mA=I(CBO),I(CBO)称为反向饱和电流。

                                                

           在表的第二列数据中，I(B)=0,I(C)=0.01mA=I(CEO),称为穿透电流。

                                                        

 根据α和β的定义，以及三极管中三个电流的关系，可得

所以α和β两个参数之间满足以下关系：

         直流参数和与交流参数α和β的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，β与，α与的数值却差别不大，计算中，可以不将它们严格区分。

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。

输入特性：                                                       

输出特性：

一、输入特性

（1）U(CE)=0时的输入特性曲线

        当U(CE)=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。

 （2）U(CE)>0时的输入特性曲线

        ①当U(CE)>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。

        ②U(CE)>U(BE),三极管处于放大状态，特性右移（因集电极开始吸引电子）

        ③U(CE)>1V时，特性曲线重合。

U(CE)>1时的输入特性曲线具有实用意义。

二、输出特性曲线

划分三个区：截止区、放大区和饱和区。

1.截止区 

        I(B)<=0的区域。

        I(B)=0时，I(C)=I(CEO).硅管约等于1μA，锗管约为几十到几百微安。

        两个结都处于反向偏置。

2.放大区

        条件：集电结正偏，集电结反偏。

对NPN管，U(BE)>0,U(BC)<0

        特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。

        集电极电流和基极电流体现放大作用，即

3.饱和区

        条件：两个结均正偏

        对NPN管，U(BE)>0,U(BC)<0。

        特点：I(C)基本上不随I(B)而变化，在饱和区三极管失去放大作用。I(C)≠βI(B).

                当U(CE)=U(BE),即U(CB)=0时，称为临界饱和，U(CE)

饱和管压降：U(CES)<0.4V(硅管），U(CES)<0.2V(锗管）

三极管的主要参数

三极管的连接方式

 

 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.共射电流放大倍数β

2.共射直流电流放大系数，忽略穿透电流I(CEO)时，

3.共基电流放大系数α

4.共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流I(CBO)时，

 β和阿尔法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I(CBO)

        小功率锗管I(CBO)约为几微安：硅管的I(CBO)小，有的为纳安数量级。

2. 集电极和发射极直接按的反向饱和电流I(CEO)

        当b开路时，c和e之间的电流。

                ​​​​  

的值越大，则该管的I(CEO)也越大。

 三、极限参数

1.集电极最大允许电流I(CM)

        当I(C)过大时，三极管的β值要减少。在I(C)=I(CM)时，β值下降到额定值的三分之二。

2.集电极最大允许耗散功率P(CM)

        将I(C)与U(CE)乘积等于规定的P(CM)值各点连接起来，可得到一条双曲线。

I(C)*U(CE)

I(C)*U(CE)>P(CM)为过损耗区

3.极间反向击电压

        外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。

        U(BR)CEO:基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。

        U(BR)CBO:发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。

        安全工作区同时要受P(CM)、I(CM)和U(BR)CEO限制。

PNP型三极管

        放大原理与NPN型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与NPN正好相反。

 PNP三极管电流和电压实际方向   

                             

 PNP三极管各级电流和电压的规定正方向。

                                

 PNP三极管中各级电流实际方向与规定正方向一致。

        电压(U(BE)、U(CE))实际方向与规定正方向相反。计算中U(BE)、U(CE)为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-U(BE)、-U(CE))。