晶體三極管中有兩種帶有不同極性電荷的載流子參與導(dǎo)電,故稱之為雙極性晶體管(BJT),也稱為半導(dǎo)體三極管,以下簡稱晶體管。
一.晶體管的結(jié)構(gòu)以及類型:
根據(jù)不同的摻雜方式在同一個硅片上制造出三個摻雜區(qū)域,并形成兩個PN結(jié),就構(gòu)成晶體管。
以NPN型三極管為例,位于中間的P區(qū)稱為基區(qū),它很薄且雜質(zhì)濃度很低,位于上層的N區(qū)是發(fā)射區(qū),摻雜濃度很高,位于下層的N區(qū)是集電區(qū),面積很大,這三個區(qū)域所引出的三個電極分別為基極b、發(fā)射極e、集電極c。
發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),基區(qū)與集電區(qū)間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。
二.晶體管的電流放大作用:
放大是對模擬信號最基本的處理。晶體管是放大電路的核心元件,它能夠控制能量的轉(zhuǎn)換,將輸入的任何微小變化不失真地放大輸出。
ui為輸入電壓信號,接入基極—發(fā)射極回路,稱為輸入回路,放大后的信號在集電極—發(fā)射極回路,稱為輸出回路。
由于發(fā)射極是兩個回路的公共端,故稱該電路為共射方法電路。
使晶體管工作在放大狀態(tài)的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。
因而在輸入回路加基極電源VBB,在輸出回路需要集電極電源VCC,VCC大于VBB(因?yàn)榧姌O電位要大于基極電位)。
晶體管的方法作用表現(xiàn)為小的基極電流可以控制大的集電極電流。
三.內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析:
當(dāng)交流電壓ui等于0時,晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動與外部電流如圖。
1.發(fā)射結(jié)加正向電壓,擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE
由于發(fā)射結(jié)加正向電壓,且發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度高,所以大量自由電子因擴(kuò)散運(yùn)動越過發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū)(IEN),與此同時,基區(qū)的空穴也因擴(kuò)散運(yùn)動到達(dá)發(fā)射區(qū)(IEP),但由于基區(qū)雜質(zhì)濃度低,所以空穴形成的電流非常小,可以忽略不計(jì)。
因此,擴(kuò)散運(yùn)動形成了發(fā)射極電流IE。
IE=IEN+IEP=IBN+ICN+IEP(注,電流正向是負(fù)離子反向,是正離子正向)。
2.擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動形成基極電流IB
由于基區(qū)很薄,且雜質(zhì)濃度很低,集電結(jié)又加了反向電壓,所以擴(kuò)散到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復(fù)合(IBN)(因?yàn)榭昭▋H僅有這么多),其余部分均作為基區(qū)的非平衡少子達(dá)到集電結(jié)。
由于電源VBB的作用,電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動將不斷的進(jìn)行,形成基極電流IB。
IB=IBN+IEP-ICBO=I'B-ICBO
3.集電結(jié)加反向電壓,漂移運(yùn)動形成集電極電流IC
由于集電結(jié)反向電壓且其結(jié)面積比較大,基區(qū)的非平衡少子在外電場作用下越過集電結(jié)到達(dá)集電區(qū),形成漂移電流(ICN),與此同時,集電區(qū)與基區(qū)的平衡少子也參與漂移運(yùn)動(ICBO),但它的數(shù)量很小,可忽略不計(jì)。
由于電源VCC的作用,漂移運(yùn)動形成集電極電流IC。
IC=ICN+ICBO
從外部看,IE=IB+IC
四.晶體管的共射特性曲線
1.輸入特性曲線
輸入特性曲線描述管壓降UCE一定的情況下,基極電流iB與發(fā)射結(jié)壓降uBE之間的函數(shù)關(guān)系。
當(dāng)UCE=0V時,相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路,即發(fā)射結(jié)與集電結(jié)并聯(lián),因此輸入特性曲線與PN結(jié)的伏安特性相類似,呈指數(shù)關(guān)系。
當(dāng)UCE增大時,曲線將右移,原因是由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平衡少子有一部分越過基區(qū)和集電結(jié)形成集電極電流iC,使得在基區(qū)參與復(fù)合運(yùn)動的非平衡少子隨UCE的增大而減小,因此,想要獲得同樣的基極電流iB就必須加大UBE,使發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入更多的自由電子。
實(shí)際上,對于確定的UBE,當(dāng)UCE增大到一定值時,集電結(jié)的電場已經(jīng)足夠強(qiáng),可以將發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的絕大部分非平衡少子都收集到集電區(qū),因而再增大UCE,iC也不會明顯增大,即iB基本不變。
因此,當(dāng)UCE超過一定數(shù)值后,曲線不再明顯右移而基本重合,對于小功率管,可以用UCE大于1V的任何一條曲線來近似之后的所有曲線。
2.輸出特性曲線
輸出特性曲線描述基極電流IB為一常量時,集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數(shù)關(guān)系。
對于每一個確定的IB,都有一條曲線,所以輸出特性曲線是一族曲線,當(dāng)uCE從零逐漸增大時,集電結(jié)電場隨之增強(qiáng),收集基區(qū)非平衡少子的能力逐漸增強(qiáng),因而iC也就逐漸增大。而當(dāng)uCE增大道一定數(shù)值,集電結(jié)電場已經(jīng)有足夠的能力將基區(qū)絕大部分非平衡少子收集到集電區(qū),uCE再增大,iC也不會明顯增大,表現(xiàn)為曲線幾乎平行于橫軸,即iC幾乎僅僅取決于IB。
從輸出特性曲線中可以看出,有三個工作區(qū)域:
截止區(qū):
特征是發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓且集電結(jié)反向偏置(反偏反偏)。對于共射電路來說,uBE<=Uon且uCE>uBE。
此時IB=0,而ic<=ICEO,因?yàn)榇┩鸽娏鱅CEO很小,近似分析中可以認(rèn)為晶體管截止時的ic約等于0。
飽和區(qū):
特征是發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏量(正偏正偏)。對于共射電路來說,uBE>Uon且uCE。
放大區(qū):
特征是發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置(正偏反偏)(uBE大于發(fā)射結(jié)開啟電壓Uon)。對于共射電路,uBE>Uon且uCE>=uBE,此時,iC幾乎僅僅決定于iB,而與uCE無關(guān),表現(xiàn)出iB對iC的控制作用,在理想情況下,當(dāng)IB按等差變化時,輸出特性是一族橫軸的等距離平行線(此時iC=βiB)。
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