02半导体器件三极管教程.pptx

第第14章章 半导体器件半导体器件14.3 14.3 二极管二极管二极管二极管14.4 14.4 稳压二极管稳压二极管稳压二极管稳压二极管14.5 14.5 双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管14.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性14.6 14.6 光电器件光电器件光电器件光电器件14.5 双极型晶体管（三极管）双极型晶体管（三极管）14.5.1 基本结构基本结构(b)合金型合金型(a)平面型平面型 常见晶体管的外形图常见晶体管的外形图常见晶体管的外形图常见晶体管的外形图 晶体管的结构示意图和符号晶体管的结构示意图和符号晶体管的结构示意图和符号晶体管的结构示意图和符号(a)NPN(a)NPN型晶体管；型晶体管；型晶体管；型晶体管；(b)PNP(b)PNP型晶体管型晶体管型晶体管型晶体管基区：最薄，基区：最薄，基区：最薄，基区：最薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低掺杂浓度最低掺杂浓度最低发射区：掺发射区：掺发射区：掺发射区：掺杂浓度最高杂浓度最高杂浓度最高杂浓度最高发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B BE EC CN NN NP P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极结构特点：结构特点：结构特点：结构特点：集电区：集电区：集电区：集电区：面积最大面积最大面积最大面积最大14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理1.1.晶体管放大的外部条件晶体管放大的外部条件晶体管放大的外部条件晶体管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 PNPPNP发射结正偏发射结正偏发射结正偏发射结正偏 V VB B V VE E集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏 V VC C V VE E集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏 V VC C V VB B 晶体管电流放大的实验电路晶体管电流放大的实验电路 设设设设 U UCCCC=6V6V，改改改改变变变变可可可可变变变变电电电电阻阻阻阻 R RB B,则则则则基基基基极极极极电电电电流流流流 I IB B、集集集集电电电电极极极极电电电电流流流流 I IC C 和和和和发发发发射射射射极极极极电电电电流流流流 I IE E 都都都都发发发发生生生生变变变变化化化化，测测测测量量量量结结结结果果果果如下表所示。如下表所示。如下表所示。如下表所示。2.2.各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据结论结论结论结论:(1)(1)I IE E=I IB B+I IC C，符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律(2)(2)I IC C I IB B ，I IC C I IE E (3)(3)I IC C I IB B 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。变化的特性称为晶体管的电流放大作用。变化的特性称为晶体管的电流放大作用。变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质实质实质实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流用一个微小电流的变化去控制一个较大电流用一个微小电流的变化去控制一个较大电流用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是的变化，是的变化，是的变化，是CCCSCCCS器件器件器件器件。(a)NPN(a)NPN 型晶体管；型晶体管；型晶体管；型晶体管；电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性(4)(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。集电结必须反向偏置。集电结必须反向偏置。集电结必须反向偏置。(b)PNP(b)PNP 型晶体管型晶体管型晶体管型晶体管3 3.晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律IEIBEICEICBO 发射结正偏发射结正偏发射结正偏发射结正偏,发射区发射区发射区发射区电子不断向基区扩散，电子不断向基区扩散，电子不断向基区扩散，电子不断向基区扩散，形成发射极电流形成发射极电流形成发射极电流形成发射极电流I IE E。进入进入进入进入P P 区的电子少区的电子少区的电子少区的电子少部分与基区的空穴复部分与基区的空穴复部分与基区的空穴复部分与基区的空穴复合，形成电流合，形成电流合，形成电流合，形成电流I IBEBE,多多多多数扩散到集电结。数扩散到集电结。数扩散到集电结。数扩散到集电结。扩散到集电结边缘的扩散到集电结边缘的扩散到集电结边缘的扩散到集电结边缘的电子在电场作用下以电子在电场作用下以电子在电场作用下以电子在电场作用下以漂移进越过集电结，漂移进越过集电结，漂移进越过集电结，漂移进越过集电结，被集电区收集，形成被集电区收集，形成被集电区收集，形成被集电区收集，形成I ICECE。集电结反偏，有少集电结反偏，有少集电结反偏，有少集电结反偏，有少子形成的反向电流子形成的反向电流子形成的反向电流子形成的反向电流I ICBOCBO。基区空穴向基区空穴向基区空穴向基区空穴向发射区的扩散发射区的扩散发射区的扩散发射区的扩散可忽略。可忽略。可忽略。可忽略。3.3.晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBO ICEIB=IBE ICBO IBE I ICECE与与与与I IBE BE 之比称为共发射之比称为共发射之比称为共发射之比称为共发射极电流放大倍数极电流放大倍数极电流放大倍数极电流放大倍数集集集集 射极穿透电流射极穿透电流射极穿透电流射极穿透电流,温度温度温度温度I ICEOCEO (常用公式常用公式常用公式常用公式)若若若若I IB B=0,=0,则则则则 I IC C I ICEOCEO14.5.3 特性曲线特性曲线 晶体管特性曲线即晶体管各电极电压与电流的关晶体管特性曲线即晶体管各电极电压与电流的关系曲线，是晶体管内部载流子运动的外部表现，反映系曲线，是晶体管内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能了晶体管的性能,是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。研究特性曲线的目的：研究特性曲线的目的：研究特性曲线的目的：研究特性曲线的目的：(1)(1)直观地分析管子的工作状态。直观地分析管子的工作状态。直观地分析管子的工作状态。直观地分析管子的工作状态。(2)2)合理地选择偏置电路的参数合理地选择偏置电路的参数合理地选择偏置电路的参数合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的设计性能良好的设计性能良好的设计性能良好的电路。电路。电路。电路。重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线。重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线。发射极是输入回路、输出回路的公共端。发射极是输入回路、输出回路的公共端。发射极是输入回路、输出回路的公共端。发射极是输入回路、输出回路的公共端。共发射极电路共发射极电路共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路 测量晶体管特性的实验线路测量晶体管特性的实验线路测量晶体管特性的实验线路测量晶体管特性的实验线路1.1.输入特性输入特性输入特性输入特性特点特点特点特点:非线性非线性非线性非线性正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：NPNNPN型硅管型硅管型硅管型硅管 U UBE BE (0.6 0.7)V(0.6 0.7)VPNPPNP型锗管型锗管型锗管型锗管 U UBE BE (0.2 0.2 0.3)V0.3)V3DG100晶体管的晶体管的输入特性曲线输入特性曲线死区电压：死区电压：死区电压：死区电压：硅管硅管硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管锗管锗管0.1V0.1V2.2.输出特性输出特性输出特性输出特性 共发射极电路共发射极电路3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 在不同的在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管下，可得出不同的曲线，所以晶体管的的输出特性曲线输出特性曲线是一组曲线是一组曲线。2.2.输出特性输出特性输出特性输出特性 晶晶体体管管有有三三种种工工作作状状态态，因因而而输输出出特特性性曲曲线线分为三个工作区。分为三个工作区。3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线(1)(1)放大区放大区放大区放大区 发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。晶体管工作于放大状态。晶体管工作于放大状态。晶体管工作于放大状态。I IC C=I IB B ,具有恒流特性。具有恒流特性。具有恒流特性。具有恒流特性。对对 NPN 型管：型管：UBE 约为约为 0.7V，UCE UBE。2.31.5QQ2 2QQ1 1大大大大放放放放区区区区(2)(2)截止区截止区截止区截止区IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。的曲线以下的区域称为截止区。IB=0 时时,IC=ICEO(很小很小)发射结和集电结均发射结和集电结均发射结和集电结均发射结和集电结均处于反向偏置处于反向偏置处于反向偏置处于反向偏置。若忽略若忽略ICEO：IC 0,UCE UCC对于硅管对于硅管,ICEO 1 A。对于锗管对于锗管,ICEO 约为约为几十几十至几百微安。至几百微安。截止区截止区截止区截止区(3)(3)饱和区饱和区饱和区饱和区 在饱和区，在饱和区在饱和区，在饱和区，I IB B I IC C，深度饱和时，深度饱和时，深度饱和时，深度饱和时，硅管硅管硅管硅管U UCES CES 0.3V 0.3V，锗管锗管锗管锗管U UCES CES 0.1V 0.1V。IC UCC/RC。发射结和发射结和发射结和发射结和集电结均集电结均集电结均集电结均处于正向偏置，处于正向偏置，处于正向偏置，处于正向偏置，晶体管工作于晶体管工作于饱和状态。饱和状态。跳转跳转 在模拟放大电路中，在模拟放大电路中，在模拟放大电路中，在模拟放大电路中，晶体管工作在放大状晶体管工作在放大状晶体管工作在放大状晶体管工作在放大状态。在数字电路中，态。在数字电路中，态。在数字电路中，态。在数字电路中，晶体管工作在截止或晶体管工作在截止或晶体管工作在截止或晶体管工作在截止或饱和状态。饱和状态。饱和状态。饱和状态。饱饱饱饱和和和和区区区区 当当晶晶体体管管饱饱和和时时，UCE 0，发发射射极极与与集集电电极极之之间间如如同同一一个个开开关关的的接接通通，其其间间电电阻阻很很小小；当当晶晶体体管管截截止止时时，IC 0，发发射射极极与与集集电电极极之之间间如如同同一一个个开开关关的的断断开开，其其间间电电阻阻很很大大，可可见见，晶晶体体管管除除了了有有放放大大作作用用外，还有开关作用。外，还有开关作用。晶体管三种工作状态时的电压和电流如下图所示。晶体管三种工作状态时的电压和电流如下图所示。晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值 例例:在下图电路中在下图电路中,UCC=6V，RC=3k，RB=10k,=25，当输入电压，当输入电压 UI分别为分别为 3V、1V和和 1V时，试问晶时，试问晶体管处于何种工作状态？体管处于何种工作状态？解解:晶体管饱和时的集电极电流近似为晶体管饱和时的集电极电流近似为 晶体管刚饱和时的基极电流为晶体管刚饱和时的基极电流为(1)当当UI=3V时时晶体管处于饱和状态。晶体管处于饱和状态。解解:晶体管饱和时的集电极电流近似为晶体管饱和时的集电极电流近似为 晶体管刚饱和时的基极电流为晶体管刚饱和时的基极电流为(2)当当UI=1V时，时，晶体管处于放大状态。晶体管处于放大状态。(3)当当UI=1V时，时，晶体管可靠截止。晶体管可靠截止。例例:在下图电路中在下图电路中,UCC=6V，RC=3k，RB=10k,=25，当输入电压，当输入电压 UI分别为分别为 3V、1V和和 1V时，试问晶时，试问晶体管处于何种工作状态？体管处于何种工作状态？14.5.4 主要参数主要参数1.电流放大系数电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，当晶体管接成发射极电路时，注意：注意：和和 的含义不同，但在特性曲线近于平行的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且等距并且ICEO 较小的情况下，两者数值接近。较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的常用晶体管的 值在值在20 200之间。之间。由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，在特性曲线的近于水平部分，IC随随IB成正比变化成正比变化,值才可认为是基本恒定的。值才可认为是基本恒定的。表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。晶体表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。晶体管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。例：例：在在UCE=6 V时，在时，在 Q1 点点IB=40 A,IC=1.5mA；在在 Q2 点点IB=60 A,IC=2.3mA，试求试求 和和。在以后的计算中，一般作近似处理在以后的计算中，一般作近似处理 =。解：解：在在 Q1 点，有点，有由由 Q1 和和Q2点，得点，得2.2.集集集集-基极反向截止电流基极反向截止电流基极反向截止电流基极反向截止电流 I ICBOCBO I ICBOCBO是由少数载流子是由少数载流子是由少数载流子是由少数载流子的漂移运动所形成的电的漂移运动所形成的电的漂移运动所形成的电的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。流，受温度的影响大。流，受温度的影响大。流，受温度的影响大。温度温度温度温度I ICBOCBO ICBO3.3.集集集集-射极反向截止电流射极反向截止电流射极反向截止电流射极反向截止电流(穿透电流穿透电流穿透电流穿透电流)I ICEOCEO I ICEOCEO受温度影响大。受温度影响大。受温度影响大。受温度影响大。温度温度温度温度 I ICEOCEO ，所以所以所以所以I IC C也相应增加。也相应增加。也相应增加。也相应增加。晶体管的晶体管的晶体管的晶体管的温度特性较差。温度特性较差。温度特性较差。温度特性较差。4.4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流集电极最大允许电流集电极最大允许电流 I ICMCM5.5.集集集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO 集电极电流集电极电流集电极电流集电极电流I IC C上升会导致晶体管的上升会导致晶体管的上升会导致晶体管的上升会导致晶体管的 值的下降值的下降值的下降值的下降,当当当当 值下降到正常值的三分之二时值下降到正常值的三分之二时值下降到正常值的三分之二时值下降到正常值的三分之二时,集电极电流即集电极电流即集电极电流即集电极电流即为为为为 I ICMCM。当集当集当集当集 射极电压射极电压射极电压射极电压U UCE CE 超过一定的数值时，晶体管超过一定的数值时，晶体管超过一定的数值时，晶体管超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是就会被击穿。手册上给出的数值是就会被击穿。手册上给出的数值是就会被击穿。手册上给出的数值是2525 C C,基极开路基极开路基极开路基极开路时的击穿电压为时的击穿电压为时的击穿电压为时的击穿电压为U U(BR)(BR)CEOCEO。6.6.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率P PCMCM P PCMCM取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大,温升过高会烧坏晶体管。温升过高会烧坏晶体管。温升过高会烧坏晶体管。温升过高会烧坏晶体管。P PC C P PCM CM=I IC C U UCECE 硅硅硅硅管允许结温约为管允许结温约为管允许结温约为管允许结温约为150150 C C，锗锗锗锗管约为管约为管约为管约为7070 9090 C C。ICMU(BR)CEOICUCEOI ICCU UCE CE=P=PCMCM安全工作区安全工作区安全工作区安全工作区由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区。由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区。由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区。由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区。晶体管参数与温度的关系晶体管参数与温度的关系晶体管参数与温度的关系晶体管参数与温度的关系1.1.温度每增加温度每增加温度每增加温度每增加1010 C C，I ICBOCBO增大一倍。硅管优于锗管。增大一倍。硅管优于锗管。增大一倍。硅管优于锗管。增大一倍。硅管优于锗管。2 2.温度每升高温度每升高温度每升高温度每升高1 1 C C，U UBEBE将减小将减小将减小将减小 (22.5)mV(22.5)mV，即晶，即晶，即晶，即晶体体体体 管具有负温度系数。管具有负温度系数。管具有负温度系数。管具有负温度系数。3.3.温度每升高温度每升高温度每升高温度每升高 1 1 C C，增加增加增加增加 0.5%1.0%0.5%1.0%。14.6.3 14.6.3 光电晶体管光电晶体管光电晶体管光电晶体管 光电晶体管用入射光照度光电晶体管用入射光照度光电晶体管用入射光照度光电晶体管用入射光照度E E的强弱来控制集电的强弱来控制集电的强弱来控制集电的强弱来控制集电极电流。极电流。极电流。极电流。当无光照时当无光照时当无光照时当无光照时,集电极电流集电极电流集电极电流集电极电流 I ICEOCEO很小很小很小很小,称为称为称为称为暗电流。当有光照时暗电流。当有光照时暗电流。当有光照时暗电流。当有光照时,集电极电流称为光电流，一集电极电流称为光电流，一集电极电流称为光电流，一集电极电流称为光电流，一般约为零点几毫安到几毫安。般约为零点几毫安到几毫安。般约为零点几毫安到几毫安。般约为零点几毫安到几毫安。常用的光电晶体管有常用的光电晶体管有常用的光电晶体管有常用的光电晶体管有3AU3AU、3DU3DU等系列。等系列。等系列。等系列。(b)(b)输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线(a)(a)符号符号符号符号C CE E 光电晶体管在光电晶体管在光电晶体管在光电晶体管在一般的检测电能一般的检测电能一般的检测电能一般的检测电能和光电转换中作和光电转换中作和光电转换中作和光电转换中作为转换元件。为转换元件。为转换元件。为转换元件。14.6 光电器件光电器件作业1教材电工学（第七版）下册第32页 14.3.7；第33页14.3.9第28页14.5.10、14.5.11；第34页14.5.9