电路基础与集成电子技术-46双极型半导体晶体管.ppt
4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.6 双极型半导体晶体管 4.6.1 双极型晶体管的结构 4.6.2 双极型晶体管的电流分配关系 4.6.3 晶体管的三种组态 4.6.4 晶体管的共射特性曲线 4.6.5 晶体管的参数 4.6.6 晶体管的型号 4.6.7 半导体二极管和晶体管的封装 4.6.8 双极型和场效应型晶体管的比较,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,双极型晶体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，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。,晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或半导体晶体管。晶体管有两大类型:一是双极型晶体管(BJT)，二是场效应晶体管(FET)。,场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.6.1 晶体管的两种结构,4.6.1 双极型晶体管的结构,NPN型,PNP型,这是基极b,这是发射极e,这是集电极c,这是发射结Je,这是集电结Jc,晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，代表发射极电流的实际方向。,双极型晶体管有两种结构，NPN型和PNP型，见图。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.6.2 双极型晶体管的电流分配关系,双极型晶体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型晶体管的放大状态为例，来说明晶体管内部的电流关系。,4.6.2.1 晶体管内部载流子的运动,在工艺上要保证发射区掺杂浓度远大于基区，基区制作的十分薄，载流子渡越基区的时间可以忽略。这样在分析问题时可重点着眼主要载流子的运动。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,IEN,IE,IC,IB,IBN,注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反，为此可确定三个电极的电流。,ICN,图4.6.2 晶体管中载流子的运动,如何保证注入的载流子尽可能到达集电区？,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,发射极电流：IE=IC+IB,4.6.2.2 晶体管的电流放大系数,从三个电极看，流进去的电流等于流出来的电流。,定义晶体管的电流放大系数：,称为共射组态电流放大系数,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.6.3 晶体管的三种组态,双极型晶体管有三个电极，其中两个可以作为输入电极,两个可以作为输出电极，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。,图4.6.3 晶体管的三种组态,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。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.6.3 晶体管的三种组态,共源极接法，源极作为公共电极，用CS表示；共漏极接法，漏极作为公共电极，用CD表示；共栅接法，栅极作为公共电极，用CG表示。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.6.4 晶体管的特性曲线,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，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=const,本节介绍共发射极接法晶体管的特性曲线，即,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,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uBE之间的函数关系。因为有集电极电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除uCE变化的影响，在讨论输入特性曲线时，应使uCE=const(常数)。,4.6.4.1 输入特性曲线,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,共发射极接法的输入特性曲线见图。其中UCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE1V时，特性曲线将向右稍微移动一些。但UCE再增加时，曲线右移很不明显。,输入特性曲线的分区：死区 非线性区近似线性区,图4.6.4 共射接法输入特性曲线,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,当温度上升时晶体管的发射结压降也象二极管的正向压降一样要减小，变化规律为温度每升高1，UBE减小（1.92.5）mV，这将使输入特性曲线向左移动。,20,50,UBE1,UBE2,IB,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,共发射极接法的输出特性曲线是以IB为参变量的一族特性曲线。,图4.6.5 共射接法输出特性曲线,4.6.4.2 输出特性曲线,当UCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，集电区收集电子的能力很弱，IC主要由UCE决定。,现以其中任何一条加以说明，当UCE=0 V时，因集电极无收集作用，IC=0。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后UCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与UCE轴基本平行的区域。,当UCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 UCE 1 V、UBE 0.7 V,图4.6.5 共射接法输出特性曲线,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,输出特性曲线可以分为三个区域:,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UCE0.7 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UCE大于0.7 V(硅管)。,图4.6.5 输出特性曲线的分区,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,晶体管的参数分为三大类:直流参数 交流参数 极限参数,1.集电结反向饱和电流ICBO,4.6.5.1 直流参数,4.6.5 晶体管的参数,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。它是发射极开路时集电结的反向饱和电流。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,2.晶体管集射极穿透电流ICEO,ICEO为基极开路时，从集电极到发射极的电流，因其贯穿整个晶体管，故称为穿透电流，即输出特性曲线中IB=0那条曲线所对应的IC数值。ICEO与ICBO有如下关系,ICBO、ICEO由少子的运动产生，故随温度上升而增加。一般温度每增加10，ICBO、ICEO增加1倍。这将造成输出特性曲线上移。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.6.5.2 交流参数,1.共发射极交流电流放大系数,可在共射输出特性曲线上，通过垂直于横轴的直线求取iC/iB，具体方法如图所示。,图4.6.6 在输出特性曲线上求取,Q,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,2.特征频率fT,3.共射截止频率f,晶体管的 值与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的 将会下降。下降到1时所对应的频率称为晶体管的特征频率，用fT表示。,随着频率的增加，将会下降。下降到 0/(0为低频时的数值)所对应的频率称为晶体管的共射截止频率f。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,1.集电极最大允许电流ICM,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7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。可见，当ICICM时，并不表示晶体管会损坏。但电流放大能力明显减弱。,4.6.5.3 极限参数,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM=ICUCBICUCE，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。,2.集电极最大允许功率损耗PCM,图4.6.8 输出特性曲线的安全工作区,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,反向击穿电压表示晶体管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图4.6.7所示。,U(BR)CEO,U(BR)CBO,图4.6.7 晶体管击穿电压的测试电路,U(BR)CES,U(BR)CER,3.反向击穿电压,U(BR)EBO,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,1.U(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，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,2.U(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.U(BR)CEO基极开路集电极和发射极间的击穿电压。,U(BR)CBO,U(BR)CEO,对于U(BR)CER表示BE间接有电阻，U(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 U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR)EBO,U(BR)EBO,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,双极型晶体管的参数,注：*为 f,U(BR)CBO,U(BR)CEO,U(BR)EBO,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,4.6.6 晶体管的型号,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.6.10(a)小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装),4.6.7 半导体二极管和晶体管的封装,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.6.13(b)小、中功率晶体管图片(塑封),4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.6.13(c)大功率晶体管图片,双极型晶体管管 场效应晶体管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm),4.6.8 双极型和场效应晶体管的比较,表4.3 双极型和场效应晶体管特性的比较,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,双极型晶体管 场效应晶体管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,续表4.3 双极型和场效应晶体管特性的比较,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,第4章 小 结,本章在介绍半导体基本知识的基础上，重点阐述了半导体二极管、场效应晶体管(FET)和双极型晶体管(BJT)的结构、工作原理、主要特性曲线和参数等。绝对零度时，本征半导体中没有载流子。温度高于绝对零度时，将发生本征激发，产生两种载流子，即自由电子和空穴，它们总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的浓度随温度的升高而增加，在固定温度下不变。2.杂质半导体有N型和P型两种，N型半导体中的多子为自由电子，P型半导体中的多子为空穴。多数载流子由掺杂产生，其浓度由掺杂浓度决定；少数载流子由本征激发产生，其浓度与温度有关，这一点导致BJT的很多参数与温度有关，产生热不稳定性。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,将P型和N型半导体紧密结合在一起，在它们的交界面处，发生两种形式载流子的运动，即多子的扩散运动和少子的漂移运动，它们达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区，即PN结。PN结的最主要特性就是单向导电性。4.二极管的伏安特性曲线分为正向和反向两个区域，当正向电压小于开启电压时，流过二极管的电流近似为0；随后，UD稍有增加，电流ID迅速增加。在特性的反向区，反向电流等于反向饱和电流，但当反向电压达到击穿电压值时，二极管发生反向击穿。击穿后，电流在很大范围内变化时，反向击穿电压几乎不变，利用这一特性可以制成硅稳压管。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,二极管是非线性元件，在分析含二极管的电路时，常用某种模型代替，主要有开关模型、固定正向电压降模型、折线化模型和小信号模型。不同的应用场合应使用不同的模型。二极管的主要参数有最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR 和正向压降UF 等。7.场效应管为电压控制电流源器件(VCCS)。即用栅源电压来控制沟道宽度，改变漏极电流。场效应管为单极型器件，仅一种载流子(多子)导电，热稳定性好。场效应管有结型和绝缘栅型两种结构，每种又分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅型场效应管（MOSFET）又分为增强型和耗尽型两种形式。,4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,场效应管的漏极特性曲线可分为可变电阻区、截止区和恒流区，在放大电路中，应使其工作在恒流区。场效应管的参数也分为直流参数(UGS(th)或 UGS(off)、IDSS)交流参数(gm)和极限参数(IDM、PDM)三类。跨导gm反映了场效应管的电压控制作用。为保证晶体管工作在放大状态，应使其发射结正偏，集电结反偏。晶体管的参数主要分为直流参数、交流参数和极限参数三类。10.双极型半导体晶体管（BJT）有两种载流子参与导电，属电流控制电流源器件（CCCS），BJT有NPN和PNP两种结构类型。其工艺特点为：基区极薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度低。晶体管的输出特性曲线可以分为饱和、截止、放大三个区域。,
