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【兆恒機械】半導(dǎo)體三極管

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  • 添加日期:2022年08月12日

 BJT通過一定的工藝,將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件,由于PN結(jié)之間的相互影響, 使BJT表現(xiàn)出不同于單個 PN結(jié)的特性而具有電流放大,從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。本節(jié)將圍繞BJT為什么具有電流放大作用個核心問題,討論BJT的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部載流子的運動過程以及它的特性曲線數(shù)?!             ?nbsp; 
一、BJT的結(jié)構(gòu)簡介    
   
  BJT又常稱為晶體管,它的種類很多。按照頻率分,有高頻管、低頻管; 按照功率分,有小、中、大功率管;按照半導(dǎo)體材料分,有硅管、鍺管;根據(jù)結(jié)構(gòu)不同, 又可分成NPN型和PNP型等等。但從它們的外形來看,BJT都有三個電極,如圖3.1所示。 

   image.png
    

  圖3.1是NPN型BJT的示意圖。 它是由兩個 PN結(jié)的三層半導(dǎo)體制成的。中間是一塊很薄的P型半導(dǎo)體(幾微米~幾十微米),兩邊各為一塊N型半導(dǎo)體。從三塊半導(dǎo)體上各自接出的一根引線就是BJT的三個電極,它們分別叫做發(fā)射極e、基極b和集電極c,對應(yīng)的每塊半導(dǎo)體稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體,但是發(fā)射區(qū)比集電區(qū)摻的雜質(zhì)多。在幾何尺寸上, 集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)的大,這從圖3.1也可看到,因此它們并不是對稱的。 
   
二、BJT的電流分配與放大作用 
   
1、BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程    
  BJT工作于放大狀態(tài)的基本條件:發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。 

  在外加電壓的作用下, BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程為: 
                    
(1)發(fā)射極注入電子    
  由于發(fā)射結(jié)外加正向電壓VEE,因此發(fā)射結(jié)的空間電荷區(qū)變窄,這時發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷通過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū), 形成發(fā)射極電流IE,其方向與電子流動方向相反,如圖3.2所示。 
   image.png


(2)電子在基區(qū)中的擴散與復(fù)合       

  由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后, 就在基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的邊界積累起來, 右基區(qū)中形成了一定的濃度梯度,靠近發(fā)射結(jié)附近濃度最高,離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)濃度越小。因此, 電子就要向集電結(jié)的方向擴散,在擴散過程中又會與基區(qū)中的空穴復(fù)合,同時接在基區(qū)的電源VEE的正端則不斷從基區(qū)拉走電子, 好像不斷供給基區(qū)空穴。電子復(fù)合的數(shù)目與電源從基區(qū)拉走的電子數(shù)目相等, 使基區(qū)的空穴濃度基本維持不變。這樣就形成了基極電流IB, 所以基極電流就是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合的電流。 也就是說, 注基區(qū)的電子有一部分未到達(dá)集電結(jié), 如復(fù)合越多, 則到達(dá)集電結(jié)的電子越少, 對放大是不利的。 所以為了減小復(fù)合,常把基區(qū)做得很薄 (幾微米),并使基區(qū)摻入雜質(zhì)的濃度很低,因而電子在擴散過程中實際上與空穴復(fù)合的數(shù)量很少, 大部分都能能到達(dá)集電結(jié)。   image.png
    
(3)集電區(qū)收集電子         

  集電結(jié)外加反向電壓,其集電結(jié)的內(nèi)電場非常強,且電場方向從C區(qū)指向B區(qū)。使集電區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結(jié),但對基區(qū)擴散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強的吸引力, 使電子很快地漂移過集電結(jié)為集電區(qū)所收集,形成集電極電流IC。 與此同時,集電區(qū)的空穴也會在該電場的作用下,漂移到基區(qū), 形成很小的反向飽和電流ICB0 ?!?nbsp; 
              
2、電流分配關(guān)系 
   
與正向偏置的二極管電流類似,發(fā)射極電流iE與vBE成指數(shù)關(guān)系:    
      

集電極電流iC是iE的一部分,即: 
   
      
   
式中β稱為BJT的電流放大系數(shù) 
   
三、BJT的特性曲線 
   
  1.共射極電路的特性曲線       
   
(1)輸入特性     
    
  VCE=0V時,b、e間加正向電壓,這時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏,相當(dāng)于兩個二極管正向并聯(lián)的特性。 

  VCE≥1V時,這時集電結(jié)反偏,從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分都漂移到集電極,只有小部分與空穴復(fù)合形成IB。 vCE>1V以后,IC增加很少,因此IB的變化量也很少,可以忽略vCE對IB的影響,即輸入特性曲線都重合。 

  image.png

  
   

注意:發(fā)射結(jié)開始導(dǎo)通的電壓vBE:0.6V~0.7V(硅管),0.1~0.3V(鍺管) 

(2)輸出特性曲線  

  對于一確定的iB值,iC隨VCE的變化形成一條曲線,給出多個不同的iB值,就產(chǎn)生一個曲線族。如圖3.6所示。  
   

  ① IB = 0V, IC=ICEO BJT截止,無放大作用,因此對應(yīng)IB=0的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)如圖3.6所示。 

 ?、?IB﹥0 , VCE<1V ,iC隨IB的變化不遵循的規(guī)律,而且iC隨VCE的變化也是非線性的,所以該區(qū)域稱為飽和區(qū)。 

 ?、?IB﹥0、VCE≥1V,iC隨iB的變化情況為: 
或 

  在這個區(qū)域中IC幾乎不隨VCE變化,對應(yīng)于每一個IB值的特性曲線都幾乎與水平軸平行,因此該區(qū)域稱為線性區(qū)或放大區(qū)。 
   
四、BJT的主要參數(shù) 
   
  BJT的參數(shù)是用來表征管子性能優(yōu)劣相適應(yīng)范圍的,它是選用BJT的依據(jù)。了解這些參數(shù)的意義,對于合理使用和充分利用BJT達(dá)到設(shè)計電路的經(jīng)濟性和可靠性是十分必要的。 
   
1.流放大系數(shù) 
   
  BJT在共射極接法時的電流放大系數(shù),根據(jù)工作狀態(tài)的不同,在直流和交流兩種情況下分別用符號 和表示。其中 

  上式表明:BJT集電極的直流電流 IC與基極的直流電流IB的比值, 就是BJT接成共射極電路時的直流電流放大系數(shù), 有時用hFE來代表 。 

  但是,BJT常常工作在有信號輸人的情況下,這時基極電流產(chǎn)生一個變化量,相應(yīng)的集電極電流變化量為,則與之比稱為BJT的交流電流放大系數(shù),記作即  
2.極間反向電流 
   
 ?。?)集電極-基極反向飽和電流ICBO。表示發(fā)射極開路,c、b間加上一定的反向電壓時的電流。  
  (2)集電極-發(fā)射極反向飽和電流(穿透電流)ICEO。表示基極開路,c、e間加上一定的反向電壓時的集電極電流。  
         
3.極限參數(shù) 
   
  (1)集電極最大允許電流ICM。表示BJT的參數(shù)變化不超過允許值時集電極允許的最大電流。當(dāng)電流超過ICM時,三極管的性能將顯著下降,甚至有燒壞管子的可能。 

 ?。?)集電極最大允許功耗PCM。表示BJT的集電結(jié)允許損耗功率的最大值。超過此值時,三極管的性能將變壞或燒毀。 

 ?。?)反向擊穿電壓V(BR)CEO。 表示基極開路,c、e間的反向擊穿電壓。 
   
4、晶體管的選擇    
 ?。?)依使用條件選PCM在安全區(qū)工作的管子, 并給予適當(dāng)?shù)纳嵋蟆?nbsp;

  (2)要注意工作時反向擊穿電壓 , 特別是VCE不應(yīng)超過 V(BR)CEO。 

  (3)要注意工作時的最大集電極電流IC不應(yīng)超過ICM。 

 ?。?)要依使用要求:是小功率還是大功率, 低頻、高頻還是超高頻,工作電源的極性,β值大小要求。