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1. 基本结构和类型
半导体三极管的结构示意图如图1所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。包含三层半导体:基区(相连电极称为基极,用B或b表示); 发射区(相连电极称为发射极,用E或e表示);集电区(相连电极称为集电极,用C或c表示)。 E-B间的PN结称为发射结, C-B间的PN结称为集电结。
图1 两类三极管示意图及图形符号
2. 电流分配与放大
半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态:发射结加正向电压,集电结加反向电压。现以 NPN型三极管的放大状态为例,来说明三极管内部的电流关系, 见图2
图2三极管的电流传输关系
发射结加正偏时,从发射区将有大量的电子向基区扩散,形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动,但其数量小,形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低,被复合的机会较少。又因基区很薄,在集电结反偏电压的作用下,电子在基区停留的时间很短,很快就运动到了集电结的边上,进入集电结的结电场区域,被集电极所收集,形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。 另外,因集电结反偏,使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:
IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP
IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN , ICN>>IBN
IC=ICN+ ICBO
IB=IEP+ IBN-ICBO
IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP-ICBO)=IC+IB
3. 晶体管的特性曲线及主要参数
以共射NPN型晶体管放大电路为例。
输入特性曲线—— IB=f(UBE)|UCE常数
输出特性曲线—— IC=f(UCE)|IB=常数
(1)输入特性曲线
共发射极接法的输入特性曲线见图3。输入特性曲线的分区:死区、非线性区、线性区。
图3共发射极接法输入特性曲
(2)输出特性曲线
输出特性曲线分为三个区域:
饱和区--IC受UCE显著控制的区域,该区域内UCE的数值较小,一般UCE<0.7 V(硅管)。此时发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小。
截止区--IC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。此时,发射结反偏,集电结反偏。
放大区--IC平行于UCE轴的区域,曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏,电压大于0.7 V左右(硅管)。
图4共发射极接法输出特性曲线
(3)主要参数
半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。
① 共发射极电流放大系数
和β
共发射极直流电流放大系数
共发射极交流电流放大系数 β
② 极间反向饱和电流ICBO和ICEO
ICEO和ICBO有如下关系
③ 极限参数
● 集电极最大允许电流ICM
当集电极电流超过一定值时,β就要下降,当β值下降到线性放大区β值的2/3时,所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。当IC>ICM时,并不表示三极管会损坏。
● 集电极最大允许功率损耗PCM
集电极电流通过集电结时所产生的功耗, PCM= ICUCB≈ICUCE,因发射结正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用UCE取代UCB。
● 反向击穿电压U(BR)CEO
反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。
④ 温度对晶体管参数的影响
温度T↑→β↑、ICBO↑,|UBE|↓→IC ↑
半导体三极管有两大类型,一是双极型半导体三极管, 二是场效应半导体三极管
双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件,它由两个 PN 结组合而成,是一种CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电,是一种VCCS器件。
二、双极型半导体三极管
1 双极型半导体三极管的结构
双极型半导体三极管的结构示意图如图4所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。中间部分称为基区,相连电极称为基极,用B或b表示(Base);
一侧称为发射区,相连电极称为发射极,用E或e表示(Emitter);
另一侧称为集电区和集电极,用C或c表示(Collector)。
E-B间的PN结称为发射结(Je),
C-B间的PN结称为集电结(Jc)。
图4两种极性的双极型三极管
双极型三极管的符号在图的下方给出,发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的,实际上发射区的掺杂浓度大,集电区掺杂浓度低,且集电结面积大。基区要制造得很薄,其厚度一般在几个微米至几十个微米。
2 双极型半导体三极管的电流分配与控制
双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态:发射结加正向电压,集电结加反向电压。现以 NPN型三极管的放大状态为例,来说明三极管内部的电流关系, 见图5.
图5 双极型三极管的电流传输关系
发射结加正偏时,从发射区将有大量的电子向基区扩散,形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动,但其数量小,形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。
进入基区的电子流因基区的空穴浓度低,被复合的机会较少。又因基区很薄,在集电结反偏电压的作用下,电子在基区停留的时间很短,很快就运动到了集电结的边上,进入集电结的结电场区域,被集电极所收集,形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。
另外,因集电结反偏,使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:
IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP
IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN , ICN>>IBN
IC=ICN+ ICBO
IB=IEP+ IBN-ICBO
IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP-ICBO)=IC+IB
以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知,发射区掺杂浓度高,基区很薄,是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接,相当基区很厚,所以没有电流放大作用,基区从厚变薄,两个PN结演变为三极管,这是量变引起质变的又一个实例。
3 双极型半导体三极管的电流关系
(1) 三种组态
双极型三极管有三个电极,其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出,这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态,见图6。
共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示;
共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示;
共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示。
图6三极管的三种组态
(2) 三极管的电流放大系数
对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明,定义:
称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比,因ICN中没有IEP和IBN,所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:
称为共发射极接法直流电流放大系数。于是
4 双极型半导体三极管的特性曲线
本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线,即
这里,B表示输入电极,C表示输出电极,E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。
iB是输入电流,vBE是输入电压,加在B、E两电极之间。
iC是输出电流,vCE是输出电压,从C、E两电极取出。
共发射极接法的供电电路和电-压电流关系如图7所示。
图7 共发射极接法的电压-电流关系
(1)输入特性曲线
简单地看,输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线,现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响,它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响,在讨论输入特性曲线时,应使vCE=const(常数)。vCE的影响,可以用三极管的内部的反馈作用解释,即vCE对iB的影响。
共发射极接法的输入特性曲线见图8。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE≥1V时, vCB= vCE - vBE>0,集电结已进入反偏状态,开始收集电子,且基区复合减少, IC / IB增大,特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时,曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致,右移不明显说明内部反馈很小。
图8共发射极接法输入特性曲线
输入特性曲线的分区:死区、非线性区、线性区。
(2)输出特性曲线
共发射极接法的输出特性曲线如图9所示,它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明,当vCE=0 V时,因集电极无收集作用,iC=0。当vCE微微增大时,发射结虽处于正向电压之下,但集电结反偏电压很小,如vCE< 1 V;vBE=0.7 V; vCB= vCE- vBE≤0.7 V 。集电区收集电子的能力很弱,iC主要由vCE决定。当vCE增加到使集电结反偏电压较大时,如vCE ≥1 V, vBE ≥0.7 V,运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集,此后vCE再增加,电流也没有明显的增加,特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的) 。
输出特性曲线可以分为三个区域
饱和区——iC受vCE显著控制的区域,该区域内vCE的数值较小,一般vCE<0.7 V(硅管)。此时发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小。
截止区——iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。此时,发射结反偏,集电结反偏。
放大区——iC平行于vCE轴的区域,曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏,电压大于0.7 V左右(硅管)
图9 共发射极接法输出特性曲线(动画2-2)
5 半导体三极管的参数
半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。
(1) 直流参数
① 直流电流放大系数
1.共发射极直流电流放大系数
在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上,通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC / IB ,如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时,会有所减小,这一关系见图02.08。
2.共基极直流电流放大系数
显然 与 之间有如下关系
② 极间反向电流
1.集电极-基极间反向饱和电流ICBO
ICBO的下标CB代表集电极和基极,O是Open的字头,代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。
2.集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO
ICEO和ICBO有如下关系
ICEO=(1+
)ICBO
相当基极开路时,集电极和发射极间的反向饱和电流,即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值,如图02.09所示。
图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置
(2) 交流参数
① 交流电流放大系数
1.共发射极交流电流放大系数?
在放大区, B值基本不变,可在共射接法输出特性曲线上,通过垂直于X轴的直线求取△IC/△IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到?。具体方法如图02.10所示。
2.共基极交流电流放大系数α
当ICBO和ICEO很小时,可以不加区分。
② 特征频率fT
三极管的?值不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关。由于结电容的影响,当信号频率增加时,三极管的?将会下降。当?下降到1时所对应的频率称为特征频率,用fT表示。
(3) 极限参数
① 集电极最大允许电流ICM
如图02.08所示,当集电极电流增加时,? 就要下降,当?值下降到线性放大区?值的70~30%时,所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于?值下降多少,不同型号的三极管,不同的厂家的规定有所差别。可见,当IC>ICM时,并不表示三极管会损坏。
② 集电极最大允许功率损耗PCM
集电极电流通过集电结时所产生的功耗, PCM= ICVCB≈ICVCE,因发射结正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。
③ 反向击穿电压
反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力,其测试时的原理电路如图02.11所示。
图02.11 三极管击穿电压的测试电路
1. V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意,是Breakdown的字头,C、B代表集电极和基极,O代表第三个电极E开路。
2. V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。
3. V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。
对于V(BR)CER表示BE间接有电阻,V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系:
V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO>V(BR)EBO
由最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压V(BR)CEO,在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过电流区和击穿区,见图02.12。
图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区
2.1.6 半导体三极管的型号
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