半導(dǎo)體三極管基礎(chǔ)知識
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
2. 電流分配與放大
半導(dǎo)體三極管在工作時一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸H粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(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,來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系, 見圖2
圖2三極管的電流傳輸關(guān)系
發(fā)射結(jié)加正偏時,從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴散,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)也有空穴的擴散運動,但其數(shù)量小,形成的電流為IEP。這是因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃度。 進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低,被復(fù)合的機會較少。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)停留的時間很短,很快就運動到了集電結(jié)的邊上,進入集電結(jié)的結(jié)電場區(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,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,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)集電極電流超過一定值時,β就要下降,當(dāng)β值下降到線性放大區(qū)β值的2/3時,所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。當(dāng)IC>ICM時,并不表示三極管會損壞。
● 集電極最大允許功率損耗PCM
集電極電流通過集電結(jié)時所產(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。在計算時往往用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——基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。
④ 溫度對晶體管參數(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 PN 結(jié)組合而成,是一種CCCS器件。 場效應(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在圖的下方給出,發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。從外表上看兩個N區(qū)(或兩個P區(qū))是對稱的,實際上發(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?;鶇^(qū)要制造得很薄,其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。
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)體三極管在工作時一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸H粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(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,來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系, 見圖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,從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴散,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)也有空穴的擴散運動,但其數(shù)量小,形成的電流為IEP。這是因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃度。
進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低,被復(fù)合的機會較少。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)停留的時間很短,很快就運動到了集電結(jié)的邊上,進入集電結(jié)的結(jié)電場區(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PN結(jié)對接,相當(dāng)基區(qū)很厚,所以沒有電流放大作用,基區(qū)從厚變薄,兩個PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管,這是量變引起質(zhì)變的又一個實例。
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電極,其中兩個可以作為輸入, 兩個可以作為輸出,這樣必然有一個電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài),見圖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)來說明,定義:
稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達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。因為有集電結(jié)電壓的影響,它與一個單獨的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,應(yīng)使vCE=const(常數(shù))。vCE的影響,可以用三極管的內(nèi)部的反饋作用解釋,即vCE對iB的影響。
共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖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, vCB= vCE - vBE>0,集電結(jié)已進入反偏狀態(tài),開始收集電子,且基區(qū)復(fù)合減少, IC / IB增大,特性曲線將向右稍微移動一些。但vCE再增加時,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明,當(dāng)vCE=0 V時,因集電極無收集作用,iC=0。當(dāng)vCE微微增大時,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,如vCE ≥1 V, vBE ≥0.7 V,運動到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集,此后vCE再增加,電流也沒有明顯的增加,特性曲線進入與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,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,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,通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來求取IC / IB ,如圖02.07所示。在IC較小時和IC較大時,會有所減小,這一關(guān)系見圖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CB代表集電極和基極,O是Open的字頭,代表第三個電極E開路。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)基極開路時,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那條曲線所對應(yīng)的Y坐標的數(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,通過垂直于X軸的直線求取△IC/△IB?;蛟趫D02.08上通過求某一點的斜率得到?。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,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)信號頻率增加時,三極管的?將會下降。當(dāng)?下降到1時所對應(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,? 就要下降,當(dāng)?值下降到線性放大區(qū)?值的70~30%時,所對應(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,不同型號的三極管,不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見,當(dāng)IC>ICM時,并不表示三極管會損壞。
② 集電極最大允許功率損耗PCM
集電極電流通過集電結(jié)時所產(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。在計算時往往用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,其測試時的原理電路如圖02.11所示。
圖02.11 三極管擊穿電壓的測試電路
1. V(BR)CBO——發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電壓。下標BR代表擊穿之意,是Breakdown的字頭,C、B代表集電極和基極,O代表第三個電極E開路。
2. V(BR)EBO——集電極開路時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。
3. V(BR)CEO——基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。
對于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損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū),見圖02.12。
圖02.12 輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)
2.1.6 半導(dǎo)體三極管的型號