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1、第 一 章,半 导 体器 件 与 模 型,1.4 半导体三极管,1.4.1 三极管的结构、符号及分类,双极型晶体管,1.基本结构和符号,平面型(NPN)三极管制作工艺:,在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(基区)，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。,扩散法,在 N 型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,合金型(PNP)三极管制作工艺：,和金法,2.三极管的分类,按照材料分：硅管、锗管等,按照频率分：高频管、低频管,按照功率分：小、中、大功率管,按
2、照结构分：NPN型和PNP型,三极管结构示意图和符号,三极管结构示意图和符号,1.4.2 三极管放大区的工作原理,三极管的工作状态,以 NPN 型管为例,双极型三极管的符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的。,三极管的主要应用电流放大,三极管具有电流放大作用的条件,双极型三极管的结构可看成由两个背靠背的PN结组成,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,三极管内部结构要求：,1.发射区高掺杂。,通常只有几微米到几十微米，而且掺杂浓度低。,3.集电结面积大。,2.基区做得很薄。,？,三极管具有电流放大作用的内因:,晶体
3、管具有电流放大作用的外部条件：,1.电流的传输过程,VCC,内部载流子的传输过程,1）发射极正偏与注入载流子：,电子注入：,空穴注入：,发射区中多子电子通过发射结源源不断注入基区。,基区中多子空穴通过发射结注入发射区。,(基区多子数目较少，空穴电流可忽略),发射极电流 IE：多子扩散电流,2）非平衡少子（电子）在基区中的扩散与复合：,基极电流IB：电子与空穴的复合电流,复合和扩散：,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,电源VEE的正端不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。复合的数目与拉走的电子数目相等，基本维持基区的空穴浓度。,集电极电流 IC：多子漂移电流,集电区和基区的少子在外
4、电场的作用下进行的漂移运动而形成。,反向饱和电流 ICBO：,电流的传输过程:,发射结正偏电压控制 IE 和 IB 通过注入、扩散、收集转化为 IC。且转化几乎不受集电结反偏电压的影响,电流的传输过程:,三极管的放大作用是通过载流子传输体现出来的。,三极管的电流分配关系,发射结正偏 集电结反偏,电流分配关系,本质：,？,外部条件：,集电极电流,发射极电流,基极电流,外电路电流平衡方程,发射效率,基区的传输效率,2.直流电流传输方程,三极管（放大电路）的组态,三极管（放大电路）的三种组态,外部条件：发射结正偏，集电结反偏,1）共基极电路直流电流传输方程,输出电流与输出电流之间的关系？,共基组态直
5、流电流传输系数,2）共发射极电路直流电流传输方程,共发电路直流电流传输系数：,三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用,表示 IB0（相当于基极开路）时，集电极到发射极的直通电流。,3）共集电极电路直流电流传输方程,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB IC IE,IC IE,当 IB 有微小变化时，IC 较大。说明三极管具有电流放大作用。,在表的第一列数据中，IE=0 时，IC=0.001 m A=ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。,在表的第二列数据中，I B=0时，IC=0.01 m A=ICEO，称为穿透电流。,共射电流放大系
6、数,共基电流放大系数,三极管的交流电流传输系数,与 两个参数之间满足以下关系：,三极管的放大作用，主要是依靠发射极电流通过基区传输，到达集电极而实现的。,放大作用原理,关键：,（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,实现传输过程的两个条件：,1.4.3 三极管的伏安特性曲线,1.共基电路特性曲线,(1)输入特性曲线,特性曲线左移,原因？,基区宽度调制效应：输出端电压的增加使曲线左移,输出端电压,浓度曲线斜率变大 线线,（2）输出特性曲线,特性曲线上翘？,基区宽度调制效应：特性曲线上翘,特性曲线测试电路,输入特性：,输出特性
7、：,2.共发射极电路特性曲线,（1）输入特性,1)v CE=0 时的输入特性曲线,当 v CE=0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。,当 b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,2)v CE 0 时的输入特性曲线,基区宽度效应:特性右移,（2）输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,i B 0 的区域。,两个结都处于反向偏置。,i B=0 时，i C=ICEO。,硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区：,放大区：,发射结正偏、集电结反偏,对 NPN 管 v BE 0，v BC 0,集电极电流和基极电流体现放大作用,饱和区：,两个结
8、均正偏,对 NPN 型管，v BE 0,v BC 0。,特点：i C 基本上不随 i B 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。,i C i B,硅管:VCES 0.4 V,过饱和:,饱和管压降:,锗管:VCES 0.2 V,导致曲线随 v CE 增加而上倾。输出特性曲线向左延伸交于一点，相应的电压 VA称为厄尔利电压。,基区宽度调制效应：,三极管工作状态的判断,测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？,例1.10,原则：,解：,对NPN管放大时 VC VB VE 对PNP管放大时 VC VB VE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区VCE VBE,三极管的
9、连接方式,1.4.4 三极管的主要参数,1.电流传输系数,表征管子放大作用的参数。,和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,2.反向饱和电流,小功率锗管ICBO 约为几微安；,硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。,当 b 开路时，c 和 e 之间的电流,集电极穿透电流。,3.极限参数,1）集电极最大允许电流 ICM,当 IC 过大时，三极管的 值要减小。,在 IC=ICM 时，值下降到额定值的三分之二。,2）集电极最大允许耗散功率 PCM,将 IC 与 VCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。,安全工作区,过损耗区,3）极间反向击穿电压,外加在三极管各电极
10、之间的最大允许反向电压。,基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受 PCM、ICM 和V(BR)CEO限制。,PNP 型三极管,放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。,三极管外加电源的极性,计算中VBE、VCE 为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-VBE)、(-VCE)。,某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,例1.11,C 发射极B 基极A 集电极。管型 NPN管。,解：,电流判
11、断法。,电流的正方向和KCL。,IE=IB+IC,测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：,判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c。,例1.12,先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；,解：,原则：发射结正偏，集电结反偏。,NPN管UBE0，UBC0,若等于0.2-0.3V，为锗管。,PNP管自己分析。,温度对三极管参数的影响,在相同的 IB 情况下，集电极电流 IC 随温度上升而增大。温度每上升 l，值约增大 0.51。,（1）对的影响：,和二极管的正向特性一样，温度上升1，v be 将下降 22.5mV。,3）对发射结电压v be的
12、影响：,温度上升，值将增大，i C也将增大，v CE将下降。,ICEO 是由少数载流子漂移运动形成，会随温度上升急剧增加。温度上升10，ICEO将增加一倍。,2）对反向饱和电流 ICEO的影响：,1.4.5 三极管的EM方程和电路模型,埃伯尔斯莫尔（EM）方程反映结电压对三极管各极电流的控制作用。,1.EM 方程的导出,发射结正偏等效模型,发射结用二极管模拟，其对集电极电流的影响用受控源表示。,共基极正向电流传输系数,集电结用二极管模拟，其对发射极电流的影响用受控源表示。,集电结正偏等效模型,共基极反向电流传输系数,共基组态的EM电路模型,由图可得,埃伯尔斯莫尔方程组反映了各极电流与外加电压的
13、关系，可作为三极管的数学模型。,2.电路模型,三极管指数模型,（1）正向工作区,正向工作区共射电路的指数模型,受控电流源,（2）饱和区 v BE0、v BC0,集射极间饱和压降,极间饱和压降,饱和状态下的简化模型,v BC增大，i R增大，i C、i E减小；基区载流子的复合作用加强，i B增大。放大状态下的电流传输方程已不成立。,饱和状态时，两结正向电阻都很小，管子呈低阻特性。,三极管已无放大状态时的受控作用,（3）截止区,（4）反向工作区 v BE0,反向电流传输系数很小，不用。,电极之间可视为开路,截止状态下的简化模型,1.4.6 三极管的小信号模型,加入vi，电路中的瞬时值为静态值与交
14、流瞬时值的叠加。如,瞬时值:,vi 较小时，其对应变化范围内的输入输出特性可视为直线，非线性器件三极管可等效为线性器件来进行分析。,VBEQ对应的静态电流:,瞬时值:,三极管的跨导：,输出电流瞬时值与输入电压瞬时值成线性关系。,小信号的条件：,三极管放大工作时，在静态点上叠加交流小信号，三极管对交流信号具有线性传输特性，三极管可用线性有源网络来进行等效。,线性有源网络与三极管的端电压、电流有函数关系，为三极管的小信号模型。,建立小信号模型的依据,(1)小信号（微变）（图解）基本满足叠加原理！,输入特性：工作点在Q附近移动范围小，切线代替曲线,(2)双口有源网络的参数模型,已知端口瞬时值之间的关
15、系（即输入输出特性曲线）如下：,在工作点Q附近展开成泰勒级数,小信号时可忽略高阶项，,可得,并利用,为简化表达，引入四个g参数,共发射极三极管混合型模型,线性g参数模型,用三极管参数表示g参数，取,考虑基区体电阻,低频混合型电路模型,低频混合型简化模型,相对很小，可忽略。,高频混合型电路模型,关于混合型模型的说明,点是基区内的等效点，或者说是基区内的等效基极。,混合参数在很宽的频率范围内可以看作与频率无关的常数，因此混合型模型适用的频率范围很宽。,2.混合型参数与工作点电流的关系,在工作点Q处对指数模型求导可得到相应的g参数,发射结正偏时Q点的动态电阻,1）三极管的跨导gm,室温时，,2）发射
16、结的结层电阻,其大小反映了输出特性曲线的倾斜程度，又称为基区宽度调制参数。,3）集射电阻,一般在几千欧以上,其值在100K10M之间，反映了输出电压对输入电流的影响，也称为基区宽度调制参数。,4）集电结的结层电阻,5）基区体电阻,基区体电阻和接触电阻，低频小功率管约为200300；,ICQ增大，体电阻将减小，VCEQ增大，体电阻将增大。,3.三极管的网络参数模型,放大器采用不同组态，其端口参量必然不同，得到的参数也会不同.,1）H参数的引出,已知端口瞬时值之间的关系（即输入输出特性曲线）如下：,在小信号（线性）条件下：,H参数的物理意义及图解方法,2）共发组态的H参数模型,电路模型,简化模型,3）两种参数模型的比较,基本概念,1.三极管的工作状态,2.三极管具有电流放大作用的条件,3.三极管的电流分配关系三极管（放大电路）的三种组态、发射效率、传输效率、外电路电流平衡方程、直流电流传输方程、直流电流传输系数（、）,4.三极管的伏安特性曲线基区宽度调制效应,5.三极管的主要参数反向饱和电流,6.三极管的电路模型 EM方程、小信号模型、小信号的条件、混合型模型、混合型参数与工作点电流的关系、网络参数模型（H参数）,
