电路基础与集成电子技术-46双极型半导体晶体管.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、，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

10、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

11、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PC

12、M,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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、 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。,