文档介绍：晶体三极管
王雷鸣
一. 三极管的含义
三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管、晶体三极管,是一种控制电流的半导体器件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种。
三极管是由两个PN结组成的,基极和发射极之间的PN结为发射结;基极和集电极之间的PN结为集电结。
二. 三极管的工作原理
发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流IE;扩散到基区的自由电子与空穴对的复合运动形成基极电流IB;集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流IC。
从外部来看满足:IE=IC+IB;
在基极补充一个很小的IB,就可以在集电极上得到一个较大的IC,这就是所谓电流放大作用。集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为:β= △Ic/△Ib;称为共射交流电流放大系数。一般近似满足 IC=βIB;IE=(1+β)IB
交流共基极电流放大倍数α满足α=△Ic/△Ie。
对于两个描述电流关系的放大倍数有以下关系:α=β/(1+β)。
放大原理:
1、发射区向基区发射电子
电源Ub经过电阻Rb加在发射结上,发射结正偏,发射区的多数载流子(自由电子)不断地越过发射结进入基区,形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散,但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度,可以不考虑这个电流,因此可以认为发射结主要是电子流。
2、基区中电子的扩散与复合
电子进入基区后,先在靠近发射结的附近密集,渐渐形成电子浓度差,在浓度差的作用下,促使电子流在基区中向集电结扩散,被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子(因为基区很薄)与基区的空穴复合,扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。
3、集电区收集电子
由于集电结外加反向电压很大,这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散,。另外集电区的少数载流子(空穴)也会产生漂移运动,流向基区形成反向饱和电流,用Icbo来表示,其数值很小,但对温度却异常敏感。
三. 三极管工作特性分析
它是指一定集电极与发射极电压UCE下,三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。
UCE=0V时,相当于集电极与发射极短路。
随着UCE增大曲线向右移动,当UCE大于等于1V时曲线如图。
对于确定的UBE,当UCE增大到一定值后,集电结电场足够强,再增大UCE,IC也不会明显增大,IB已基本不变。
它是指一定基极电流IB下,三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。
一般把三极管的输出特性分为3个工作区域。
①截止区
三极管工作在截止状态时,具有以下几个特点:
(a)发射结和集电结均反向偏置;(b)若不计穿透电流ICEO,有IB、IC近似为0;
(c)三极管的集电极和发射极之间电阻很大,三极管相当于一个开关断开。
②放大区
图中,输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时,具有以下特点:
(a)三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置;
(b)基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化,有电流关系式: IC=βIB;
(c)对NPN型的三极管,有电位关系:UC>UB>UE;
(d)对NPN型硅三极管,有发射结电压UBE ≈ ;对NPN型锗三极管,有UBE ≈ 。
③饱和区
三极管工作在饱和状态时具有如下特点:
(a)三极管的发射结和集电结均正向偏置;
(b)三极管的电流放大能力下降,通常有IC<βIB;
(c)UCE的值很小,称此时的电压UCE为三极管的饱和压降,用UCES 表示。,;
(d)三极管的集电极和发射极近似短接,三极管类似于一个开关导通。
三极管作为开关使用时,通常工作在截止和饱和导通状态;作为放大元件使用时,一般要工作在放大状态。
三极管也是一种对温度十分敏感的器件,随温度的变化,三极管的性能参数也会改变。
温度升高时,正向特性向左移动,每升高1°C,UBE大约下降2~。