半導(dǎo)體三極管基礎(chǔ)知識(shí)

1. 基本結(jié)構(gòu)和類型

半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它有兩種類型：NPN型和PNP型。包含三層半導(dǎo)體：基區(qū)(相連電極稱為基極，用B或b表示); 發(fā)射區(qū)(相連電極稱為發(fā)射極，用E或e表示);集電區(qū)(相連電極稱為集電極，用C或c表示)。 E-B間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)， C-B間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。

圖1 兩類三極管示意圖及圖形符號(hào)

2. 電流分配與放大

半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓?，F(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來(lái)說(shuō)明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系， 見(jiàn)圖2

圖2三極管的電流傳輸關(guān)系

發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成的電流為IEN。與PN結(jié)中的情況相同。從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。 進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成的電流是 IBN。 另外，因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)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. 晶體管的特性曲線及主要參數(shù)

以共射NPN型晶體管放大電路為例。

輸入特性曲線—— IB=f(UBE)|UCE常數(shù)

輸出特性曲線—— IC=f(UCE)|IB=常數(shù)

(1)輸入特性曲線

共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見(jiàn)圖3。輸入特性曲線的分區(qū)：死區(qū)、非線性區(qū)、線性區(qū)。

圖3共發(fā)射極接法輸入特性曲

(2)輸出特性曲線

輸出特性曲線分為三個(gè)區(qū)域：

飽和區(qū)--IC受UCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)UCE的數(shù)值較小，一般UCE<0.7 V(硅管)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。

截止區(qū)--IC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

放大區(qū)--IC平行于UCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7 V左右(硅管)。

圖4共發(fā)射極接法輸出特性曲線

(3)主要參數(shù)

半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三大類。

① 共發(fā)射極電流放大系數(shù)

和β

共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) β

② 極間反向飽和電流ICBO和ICEO

ICEO和ICBO有如下關(guān)系

③ 極限參數(shù)

● 集電極最大允許電流ICM

當(dāng)集電極電流超過(guò)一定值時(shí)，β就要下降，當(dāng)β值下降到線性放大區(qū)β值的2/3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。當(dāng)IC>ICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。

● 集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICUCB≈ICUCE，因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用UCE取代UCB。

● 反向擊穿電壓U(BR)CEO

反向擊穿電壓U(BR)CEO,U(BR)CEO——基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。

④ 溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響

溫度T↑→β↑、ICBO↑，|UBE|↓→IC ↑

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管， 二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管

雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè) PN 結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。 場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。

二、雙極型半導(dǎo)體三極管

1 雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)

雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。它有兩種類型：NPN型和PNP型。中間部分稱為基區(qū)，相連電極稱為基極，用B或b表示(Base);

一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，相連電極稱為發(fā)射極，用E或e表示(Emitter);

另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示(Collector)。

E-B間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)，

C-B間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)。

圖4兩種極性的雙極型三極管

雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。從外表上看兩個(gè)N區(qū)(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大。基區(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。

2 雙極型半導(dǎo)體三極管的電流分配與控制

雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓?，F(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來(lái)說(shuō)明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系， 見(jiàn)圖5.

圖5 雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系

發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成的電流為IEN。與PN結(jié)中的情況相同。從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。

進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成的電流是 IBN。

另外，因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)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

以上關(guān)系在圖02.02的動(dòng)畫中都給予了演示。由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒(méi)有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個(gè)實(shí)例。

3 雙極型半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系

(1) 三種組態(tài)

雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入, 兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見(jiàn)圖6。

共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示;

共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;

共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。

圖6三極管的三種組態(tài)

(2) 三極管的電流放大系數(shù)

對(duì)于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來(lái)說(shuō)明，定義:

稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒(méi)有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得：

稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是

4 雙極型半導(dǎo)體三極管的特性曲線

本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即

這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。

iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。

iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。

共發(fā)射極接法的供電電路和電-壓電流關(guān)系如圖7所示。

圖7 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系

(1)輸入特性曲線

簡(jiǎn)單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和vBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。 為了排除vCE的影響，在討論輸入特性曲線時(shí)，應(yīng)使vCE=const(常數(shù))。vCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部的反饋?zhàn)饔媒忉?，即vCE對(duì)iB的影響。

共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見(jiàn)圖8。其中vCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當(dāng)vCE≥1V時(shí)， vCB= vCE - vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB增大，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但vCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說(shuō)明內(nèi)部反饋很小。

圖8共發(fā)射極接法輸入特性曲線

輸入特性曲線的分區(qū)：死區(qū)、非線性區(qū)、線性區(qū)。

(2)輸出特性曲線

共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖9所示，它是以iB為參變量的一族特性曲線?，F(xiàn)以其中任何一條加以說(shuō)明,當(dāng)vCE=0 V時(shí),因集電極無(wú)收集作用,iC=0。當(dāng)vCE微微增大時(shí)，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下,但集電結(jié)反偏電壓很小,如vCE< 1 V;vBE=0.7 V; vCB= vCE- vBE≤0.7 V 。集電區(qū)收集電子的能力很弱，iC主要由vCE決定。當(dāng)vCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，如vCE ≥1 V， vBE ≥0.7 V，運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后vCE再增加，電流也沒(méi)有明顯的增加，特性曲線進(jìn)入與vCE軸基本平行的區(qū)域 (這與輸入特性曲線隨vCE增大而右移的原因是一致的) 。

輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域

飽和區(qū)——iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCE<0.7 V(硅管)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。

截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

放大區(qū)——iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7 V左右(硅管)

圖9 共發(fā)射極接法輸出特性曲線(動(dòng)畫2-2)

5 半導(dǎo)體三極管的參數(shù)

半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三大類。

(1) 直流參數(shù)

① 直流電流放大系數(shù)

1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過(guò)垂直于X軸的直線(vCE=const)來(lái)求取IC / IB ，如圖02.07所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)，會(huì)有所減小，這一關(guān)系見(jiàn)圖02.08。

2.共基極直流電流放大系數(shù)

顯然 與 之間有如下關(guān)系

② 極間反向電流

1.集電極-基極間反向飽和電流ICBO

ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開(kāi)路。它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。

2.集電極-發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO和ICBO有如下關(guān)系

ICEO=(1+

)ICBO

相當(dāng)基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值，如圖02.09所示。

圖02.09 ICEO在輸出特性曲線上的位置

(2) 交流參數(shù)

① 交流電流放大系數(shù)

1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)?

在放大區(qū)， B值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過(guò)垂直于X軸的直線求取△IC/△IB?；蛟趫D02.08上通過(guò)求某一點(diǎn)的斜率得到?。具體方法如圖02.10所示。

2.共基極交流電流放大系數(shù)α

當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，可以不加區(qū)分。

② 特征頻率fT

三極管的?值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，三極管的?將會(huì)下降。當(dāng)?下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。

(3) 極限參數(shù)

① 集電極最大允許電流ICM

如圖02.08所示，當(dāng)集電極電流增加時(shí)，? 就要下降，當(dāng)?值下降到線性放大區(qū)?值的70～30%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于?值下降多少，不同型號(hào)的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見(jiàn)，當(dāng)IC>ICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。

② 集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCB≈ICVCE，因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。

③ 反向擊穿電壓

反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測(cè)試時(shí)的原理電路如圖02.11所示。

圖02.11 三極管擊穿電壓的測(cè)試電路

1. V(BR)CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)BR代表?yè)舸┲?，?strong>Breakdown的字頭，C、B代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開(kāi)路。

2. V(BR)EBO——集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。

3. V(BR)CEO——基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。

對(duì)于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系：

V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO>V(BR)EBO

由最大集電極功率損耗PCM、ICM和擊穿電壓V(BR)CEO，在輸出特性曲線上還可以確定過(guò)損耗區(qū)、過(guò)電流區(qū)和擊穿區(qū)，見(jiàn)圖02.12。

圖02.12 輸出特性曲線上的過(guò)損耗區(qū)和擊穿區(qū)

2.1.6 半導(dǎo)體三極管的型號(hào)