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电子元件基础知识--半导体三极管

作者:  信息来源:电子市场  2007-1-19

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BJT是通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起的器件,由于PN结之间的相互影响,使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大,从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题,讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和参数。 一、BJT的结构简介 BJT又常称为晶体管,它...
     BJT是通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起的器件,由于PN结之间的相互影响, 使BJT表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大,从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题,讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线参数。               
一、BJT的结构简介   
  
  BJT又常称为晶体管,它的种类很多。按照频率分,有高频管、低频管; 按照功率分,有小、中、大功率管;按照半导体材料分,有硅管、锗管;根据结构不同, 又可分成NPN型和PNP型等等。但从它们的外形来看,BJT都有三个电极,如图3.1所示。

   

   

  图3.1是NPN型BJT的示意图。 它是由两个 PN结的三层半导体制成的。中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米),两边各为一块N型半导体。从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极,它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c,对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体,但是发射区比集电区掺的杂质多。在几何尺寸上, 集电区的面积比发射区的大,这从图3.1也可看到,因此它们并不是对称的。
  
二、BJT的电流分配与放大作用
  
1、BJT内部载流子的传输过程   
  BJT工作于放大状态的基本条件:发射结正偏、集电结反偏。

  在外加电压的作用下, BJT内部载流子的传输过程为:
                   
(1)发射极注入电子   
  由于发射结外加正向电压VEE,因此发射结的空间电荷区变窄,这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区, 形成发射极电流IE,其方向与电子流动方向相反,如图3.2所示。

   


(2)电子在基区中的扩散与复合      

  由发射区来的电子注入基区后, 就在基区靠近发射结的边界积累起来, 右基区中形成了一定的浓度梯度,靠近发射结附近浓度最高,离发射结越远浓度越小。因此, 电子就要向集电结的方向扩散,在扩散过程中又会与基区中的空穴复合,同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子, 好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等, 使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB, 所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。 也就是说, 注人基区的电子有一部分未到达集电结, 如复合越多, 则到达集电结的电子越少, 对放大是不利的。 所以为了减小复合,常把基区做得很薄 (几微米),并使基区掺入杂质的浓度很低,因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少, 大部分都能能到达集电结。

  

   
(3)集电区收集电子        

  集电结外加反向电压,其集电结的内电场非常强,且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结,但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力, 使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集,形成集电极电流IC。 与此同时,集电区的空穴也会在该电场的作用下,漂移到基区, 形成很小的反向饱和电流ICB0 。  
             
2、电流分配关系
  
与正向偏置的二极管电流类似,发射极电流iE与vBE成指数关系:   
     

集电极电流iC是iE的一部分,即:
  
     
  
式中β称为BJT的电流放大系数
  
三、BJT的特性曲线
  
  1.共射极电路的特性曲线      
  
(1)输入特性    
   
  VCE=0V时,b、e间加正向电压,这时发射结和集电结均为正偏,相当于两个二极管正向并联的特性。

  VCE≥1V时,这时集电结反偏,从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极,只有小部分与空穴复合形成IB。 vCE>1V以后,IC增加很少,因此IB的变化量也很少,可以忽略vCE对IB的影响,即输入特性曲线都重合。

  

 
  

注意:发射结开始导通的电压vBE:0.6V~0.7V(硅管),0.1~0.3V(锗管)

(2)输出特性曲线 

  对于一确定的iB值,iC随VCE的变化形成一条曲线,给出多个不同的iB值,就产生一个曲线族。如图3.6所示。 
  

  ① IB = 0V, IC=ICEO BJT截止,无放大作用,因此对应IB=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示。

  ② IB﹥0 , VCE<1V ,iC随IB的变化不遵循的规律,而且iC随VCE的变化也是非线性的,所以该区域称为饱和区。

  ③ IB﹥0、VCE≥1V,iC随iB的变化情况为:
 或

  在这个区域中IC几乎不随VCE变化,对应于每一个IB值的特性曲线都几乎与水平轴平行,因此该区域称为线性区或放大区。
  
四、BJT的主要参数
  
  BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的,它是选用BJT的依据。了解这些参数的意义,对于合理使用和充分利用BJT达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。
  
1.流放大系数
  
  BJT在共射极接法时的电流放大系数,根据工作状态的不同,在直流和交流两种情况下分别用符号 和表示。其中

  上式表明:BJT集电极的直流电流 IC与基极的直流电流IB的比值, 就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数, 有时用hFE来代表 。

  但是,BJT常常工作在有信号输人的情况下,这时基极电流产生一个变化量,相应的集电极电流变化量为,则与之比称为BJT的交流电流放大系数,记作即 
2.极间反向电流
  
  (1)集电极-基极反向饱和电流ICBO。表示发射极开路,c、b间加上一定的反向电压时的电流。 
  (2)集电极-发射极反向饱和电流(穿透电流)ICEO。表示基极开路,c、e间加上一定的反向电压时的集电极电流。 
        
3.极限参数
  
  (1)集电极最大允许电流ICM。表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过ICM时,三极管的性能将显著下降,甚至有烧坏管子的可能。

  (2)集电极最大允许功耗PCM。表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值。超过此值时,三极管的性能将变坏或烧毁。

  (3)反向击穿电压V(BR)CEO。 表示基极开路,c、e间的反向击穿电压。
  
4、晶体管的选择   
  (1)依使用条件选PCM在安全区工作的管子, 并给予适当的散热要求。

  (2)要注意工作时反向击穿电压 , 特别是VCE不应超过 V(BR)CEO。

  (3)要注意工作时的最大集电极电流IC不应超过ICM。

  (4)要依使用要求:是小功率还是大功率, 低频、高频还是超高频,工作电源的极性,β值大小要求。 
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