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半导体二极管内部只有一个PN结,假设在半导体二极管P型半导体的旁边,再加上一块N型半导体如图5-1〔a〕所示。由图5-1〔a〕可见,这种构造的器件内部有两个PN结,且N型半导体和P型半导体穿插排列形成三个区,分别称为放射区,基区和集电区。从三个区引出的引脚分别称为放射极,基极和集电极,用符号e、b、c来表示。处在放射区和基区交界处的PN结称为放射结;处在基区和集电区交界处的PN结称为集电结。具有这种构造特性的器件称为三极管。
三极管通常也称双极型晶体管〔BJT〕,简称晶体管或三极管。三极管在电路中常用字母T来表示。因三极管内部的两个PN结相互影响,使三极管呈现出单个PN结所没有的电流放大的功能,开拓了PN结应用的领域,促进了电子技术的进展。
因图5-1〔a〕所示三极管的三个区分别由NPN型半导体材料组成,所以,这种构造的三极管称为NPN型三极管,图5-1〔b〕是NPN型三极管的符号,符号中箭头的指向表示放射结处在正向偏置时电流的流向。
依据同样的原理,也可以组成PNP型三极管,图5-2〔a〕、〔b〕分别为PNP型三极管的内部构造和符号。
由图5-1和图5-2可见,两种类型三极管符号的差异仅在放射结箭头的方向上,理解箭头的指向是代表放射结处在正向偏置时电流的流向,有利于记忆NPN和PNP型三极管的符号,同时还可依据箭头的方始终判别三极管的类型。
例如,当大家看到“”符号时,由于该符号的箭头是由基极指向放射极的,说明当放射结处在正向偏置时,电流是由基极流向放射极。依据前面所争论的内容,当PN结处在正向偏置时,电流是由P型半导体流向N型半导体,由此可得,该三极管的基区是P型半导体,其它的两个区都是N型半导体,所以该三极管为NPN型三极管。
晶体管除了PNP和NPN两种类别的区格外,还有很多种类。依据三极管工作
频率的不同,可将三极管分为低频管和高频管;依据三极管消耗功率的不同,可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。常见三极管的外形如图5-3所示。
图5-3〔a〕和图5-3〔b〕都是小功率管,图5-3〔c〕为中功率管,图5-3〔d〕为大功率管。
三极管的电流放大作用
1、三极管内部PN结的构造
对模拟信号进展处理最根本的形式是放大。在生产实践和科学试验中,从传感器获得的模拟信号通常都很微弱,只有经过放大后才能进一步处理,或者使之具有足够的能量来驱动执行机构,完成特定的工作。放大电路的核心器件是三极管,三极管的电流放大作用与三极管内部PN的特别构造有关。
从图5-1和5-2可见,三极管如同两个反向串联的PN结,假设孤立地对待这两个反向串联的PN结,或将两个一般二极管串联起来组成三极管,是不行能具有电流的放大作用。具有电流放大作用的三极管,PN结内部构造的特别性是:
为了便于放射结放射电子,放射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度,且放射结的面积较小。
放射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体,但放射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度,且集电结的面积要比放射结的面积大,便于收集电子。
联系放射结和集电结两个PN结的基区格外薄,且掺杂溶度也很低。上述的构造特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电流的
放大作用,除了三极管的内因外,还要有外部条件。三极管的放射极为正向偏置,集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。
放大器是一个有输入和输出端口的四端网络,要将三极管的三个引脚接成四端网络的电路,必需将三极管的一个脚当公共脚。取放射极当公共脚的放大器称为共放射极放大器,根本共放射极放大器的电路如图5-4所示。
图5-4中的基极和放射极为输入端,集电极和放射极为输出端,放射极是该电路输入和输出的公共端,所以,该电路称为共放射极电路。
图5-4中的u是要放大的输入信号,u是放大以后的输出信号,V
i o BB
是基极电
源,该电源的作用是使三极管的放射结处在正向偏置的状态,V是集电极电源,
CC
该电源的作用是使三极管的集电结处在反向偏置的状态,R是集电极电阻。
C
2、共放射极电路三极管内部载流子的运动状况
共放射极电路三极管内部载流子运动状况的示意图如图5-5所示。图5-5中载流子的运动规律可分为以下的几个过程。
放射区向基区放射电子的过程
放射结处在正向偏置,使放射区的多数载流子〔自由电子〕不断的通过放射结集中到基区,即向基区放射电子。与此同时,基区的空穴也会集中到放射区,
由于两者掺杂溶度上的悬殊,形成放射极电流I的载流子主要是电子,电流的
E
方向与电子流的方向相反。放射区所放射的电子由电源E的负极来补充。
C
电子在基区中的集中与复合的过程
集中到基区的电子,将有一小局部与基区的空穴复合,同时基极电源E不断
B
的向基区供给空穴,形成基极电流I。由于基区掺杂的溶度很低,且很薄,在基
B
区与空穴复合的电子很少,所以,基极电流I也很小。集中到基区的电子除了
B
被基区复合掉的一小部格外,大量的电子将在惯性的作用下连续向集电结集中。
集电结收集电子的过程
反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区集中电子的同时,空间电荷区将向基区延长,因集电结的面积很大,延进步基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄,使放射极集中来的电子更简洁在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区,可将放射区集中进空间电荷区的电子快速推向集电极,相当于被集电
极收集。集电极收集到的电子由集电极电源E吸取,形成集电极电流I。
c C
3、三极管的电流安排关系和电流放大系数
依据上面的分析和节点电流定律可得,三极管三个电极的电流I、I、I之
间的关系为:
I=I+I
〔5-1〕
E B C
E B C
三极管的特别构造使I
C
大大于I,令
B
〔5-2〕
称为三极管的直流电流放大倍数。它是描述三极管基极电流对集电极电流把握力气大小的物理量, 大的管子,基极电流对集电极电流把握的力气就大。
是由晶体管的构造来打算的,一个管子做成以后,该管子的
三极管的共射特性曲线
就确定了。
三极管的特性曲线是描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线,它们是三极管内部载流子运动规律在管子外部的表现。三极管的特性曲线反映了管子的技术性能,是分析放大电路技术指标的重要依据。三极管特性曲线可在晶体管图示仪上直观地显示出来,也可从手册上查到某一型号三极管的典型曲线。
三极管共放射极放大电路的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线,下面以NPN型三极管为例,来争论三极管共射电路的特性曲线。
1、输入特性曲线
输入特性曲线是描述三极管在管压降U
CE
保持不变的前提下,基极电流i和
B
放射结压降u之间的函数关系,即
BE
〔5-3〕
三极管的输入特性曲线如图5-6所示。由图5-6可见NPN型三极管共射极输入持性曲线的特点是:
〔1〕在输入特性曲线上也有一个开启电压,在开启电压内,u虽己大于零,
BE
但i几乎仍为零,只有当u的值大于开启电压后,i的值与二极管一样随u的
B BE B BE
增加按指数规律增大。,放射结导通电压V约为
on
~;,~。
〔2〕三条曲线分别为U
=0V,U==1V的状况。当U
=0V时,相当
CE CE CE CE
于集电极和放射极短路,即集电结和放射结并联,输入特性曲线和PN结的正向
特性曲线相类似。当U=1V,集电结已处在反向偏置,管子工作在放大区,集电
CE
极收集基区集中过来的电子,使在一样u值的状况下,流向基极的电流i
BE B
减小,
输入特性随着U的增大而右移。当U>1V以后,输入特性几乎与U
=1V时的特
CE CE CE
性曲线重合,这是由于Vcc>lV后,集电极已将放射区放射过来的电子几乎全部
收集走,对基区电子与空穴的复合影响不大,i的转变也不明显。
B
因晶体管工作在放大状态时,集电结要反偏,U
CE
必需大于l伏,所以,只要
给出U=1V时的输入特性就可以了。
CE
2、输出特性曲线
输出特性曲线是描述三极管在输入电流i
B
保持不变的前提下,集电极电流
i和管压降u之间的函数关系,即
C CE
〔5-4〕
三极管的输出特性曲线如图5-7所示。由图5-7可见,当I转变时,i和u
B C CE
的关系是一组平行的曲线族,并有截止、放大、饱和三个工作区。
〔1〕截止区
I=0持性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏,放射
B
结电压u<0,也是处于反偏的状态。由于i=0,在反向饱和电流可无视的前
BE
提下,i=βi
B
也等于0,晶体管无电流的放大作用。处在截止状态下的三极管,
C B
放射极和集电结都是反偏,在电路中如同一个断开的开关。
实际的状况是:处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流I,该电流
CE0
称为三极管的穿透电流,它是在基极开路时测得的集电极-放射极间的电流,不
受i的把握,但受温度的影响。
B
饱和区
在图5-4的三极管放大电路中,集电极接有电阻R,假设电源电压V
确定,
当集电极电流i
增大时,u
=V-iR
C
将下降,对于硅管,当u
CC
C CE CC CC CE
时,集电结也进入正向偏置的状态,集电极吸引电子的力气将下降,此时i再
B
增大,i几乎就不再增大了,三极管失去了电流放大作用,处于这种状态下工作
C
的三极管称为饱和。
规定U=U时的状态为临界饱和态,图5-7中的虚线为临界饱和线,在临
CE BE
界饱和态下工作的三极管集电极电流和基极电流的关系为:
〔5-1-4〕
式中的I
,I,U
分别为三极管处在临界饱和态下的集电极电流、基极电
CS BS CES
流和管子两端的电压〔饱和管压降〕。当管子两端的电压U<U时,三极管将
CE CES
进入深度饱和的状态,在深度饱和的状态下,i=βi的关系不成立,三极管的
C B
放射结和集电结都处于正向偏置会导电的状态下,在电路中如同一个闭合的开
关。
三极管截止和饱和的状态与开关断、通的特性很相像,数字电路中的各种开关电路就是利用三极管的这种特性来制作的。
放大区
三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的局部就是放大区。工作在放大区的三极管才具有电流的放大作用。此时三极管的放射结处在正偏,集电结处在反
偏。由放大区的特性曲线可见,特性曲线格外平坦,当i等量变化时,i
B C
几乎也
按确定比例等距离平行变化。由于i只受i把握,几乎与u的大小无关,说明
C B CE
处在放大状态下的三极管相当于一个输出电流受I把握的受控电流源。
B
上述争论的是NPN型三极管的特性曲线,PNP型三极管特性曲线是一组与NPN型三极管特性曲线关于原点对称的图像
三极管的主要参数
三极管的主要参数有:
1、共射电流放大系数 和β
在共射极放大电路中,假设沟通输入信号为零,则管子各极间的电压和电流都
是直流量,此时的集电极电流I
C
和基极电流I
B
的比就是 , 称为共射直流
电流放大系数。
当共射极放大电路有沟通信号输入时,因沟通信号的作用,必定会引起I
B
的变化,相应的也会引起I的变化,两电流变化量的比称为共射沟通电流放大
C
系数β,即
〔5-6〕
上述两个电流放大系数 和β的含义虽然不同,但工作在输出特性曲线放
大区平坦局部的三极管,两者的差异微小,可做近似相等处理,故在今后应用时,通常不加区分,直接相互替代使用。
由于制造工艺的分散性,同一型号三极管的β值差异较大。常用的小功率三极管,β值一般为20~100。β过小,管子的电流放大作用小,β过大,管子工作的稳定性差,一般选用β在40~80之间的管子较为适宜。
2、极间反向饱和电流I和I
CBO CEO
集电结反向饱和电流I
CBO
的集电极电流。常温下,硅管的I
是指放射极开路,集电结加反向电压时测得
在nA〔10-9〕的量级,通常可无视。
CBO
集电极-放射极反向电流I是指基极开路时,集电极与放射极之间的
CEO
反向电流,即穿透电流,穿透电流的大小受温度的影响较大,穿透电流小的管子
热稳定性好。
3、极限参数
集电极最大允许电流I
CM
晶体管的集电极电流I在相当大的范围内β值根本保持不变,但当I的数
C C
值大到确定程度时,电流放大系数β值将下降。使β明显削减的I即为I。
为了使三极管在放大电路中能正常工作,I不应超过I。
C CM
C CM
集电极最大允许功耗P
CM
晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量,产生热量所消耗的功率
就是集电极的功耗P,即
CM
P=IU
〔5-7〕
CM CCE
功耗与三极管的结温有关,结温又与环境温度、管子是否有散热器等条件相
关。依据5-7式可在输出特性曲线上作出三极管的允许功耗线,如图5-8所示。功耗线的左下方为安全工作区,右上方为过损耗区。
手册上给出的P值是在常温下25℃时测得的。硅管集电结的上限温度为
CM
150℃左右,锗管为70℃左右,使用时应留意不要超过此值,否则管子将损坏。
反向击穿电压U
BR〔CEO〕
反向击穿电压U 是指基极开路时,加在集电极与放射极之间的最大允许
BR〔CEO〕
电压。使用中假设管子两端的电压U>U
,集电极电流I
将急剧增大,这
CE BR〔CEO〕 C
种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。三极管电路在电源E
C
的值选得过大时,有可能会消灭,当管子截止时,U>U 导致三极管击穿而
CE BR〔CEO〕
损坏的现象。一般状况下,三极管电路的电源电压E应小于1/2U 。
4、温度对三极管参数的影响
C BR〔CEO〕
几乎全部的三极管参数都与温度有关,因此不容无视。温度对以下的三个参数影响最大。
对β的影响:
三极管的β随温度的上升将增大,温度每上升l℃,~1%,
其结果是在一样的I状况下,集电极电流I
B C
随温度上升而增大。
对反向饱和电流I的影响:
CEO
I是由少数载流子漂移运动形成的,它与环境温度关系很大,I随温度上
CEO CEO
升会急剧增加。温度上升10℃,I将增加一倍。由于硅管的I很小,所以,
CEO CEO
温度对硅管I的影响不大。
CEO
对放射结电压u的影响:
be
和二极管的正向特性一样,温度上升1℃,u
be
将下降2~。
综上所述,随着温度的上升,β值将增大,i也将增大,u将下降,这对三
C CE
极管放大作用不利,使用中应实行相应的措施抑制温度的影响。