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晶体三极管具有三个区、两个PN结从三个区分别引出三个电极而构成其结构和符号如图2.1.13所示。 晶体三极管内部的三个区分别称为发射区、基区和集电区其中基区十分薄一般为1um至几十um,掺杂浓度较低载流子数量较少发射区、集电区掺杂浓度较高载流子数量较多从三个区分别引出的电极称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C),基区与发射区之间的PN结称为发射结基区与集电区之间的PN结称为集电结工艺上保证发射结面积小于集电结的面积。
按三个区的掺杂形式可分为PNP管和NPN管两种分别如图2.1.13(a)和(b)所示。在电路符号中PNP管发射极的箭头向内NPN管发射极的箭头向外。箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。
晶体三极管根据所用半导体材料不同可分为硅三极管和锗三极管根据工作频率特性可分为低频管和高频管根据功率又可分大、中、小功率管等。本教材一般情况下都以硅材料NPN型三极管为例进行分析讨论PNP型三极管的工作原理等类同。
晶体三极管电流分配和放大作用
为了说明晶体三极管的电流分配关系和放大原理下面以常用的硅材料NPN三级管组成共发射极接法电路为例进行讨论。 图2.1.14为电源偏置电路图中EB为基极电源使发射结正偏EC为集电极电源使集电结反偏发射极接地为三极管放大电路的参考电位点这样才能使三极管具有电流放大作用。图2.1.15为内部载流子运动示意图它可直观反映电流分配关系。
(1)发射区向基极发射电子形成发射极电流Ie
由于发射结正偏搞清楚为什么正偏发射区的多数载流子自由电子在外加基极电源的作用下不断地越过发射结而进人基区Eb和Ec的负极又不断地同时向发射区补充电子形成发射极电流IE,IE的方向与电子的运动方向相反。
(2)基区中电子和空穴的复合形成I
大量的自由电子进人基区后有极少一部分与基区中的空穴复合基极电源EB。不断补充基区的空穴形成基极电流Ib,也有大部分的自由电子被集电结的反向电场吸引造成自由电子在基区中向集电结进行扩散。晶体三极管的放大能力取决于基区中自由电子扩散的电子流与复合电子流的比例。
(3)集电区收集电子形成Ic
由于集电结反偏搞清楚为什么反偏外加反向电场将阻止集电区自由电子向基区扩散但将大量吸引基区
扩散到集电结附近的自由电子并流向集电极构成集电极电流Ic的主要部分。此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很小的反向饱和电流ICBO。温度的变化对ICBO影响很大。
由KCL定律三个电流的关系为 通过实验可以表明UBE在一定范围内变化时Ic和Ib差不多是按一定比例变化的其比值用β表示称为三极管的直流电流放大系数一般在20~200倍左右写为 ICBO为集电极一发射极反向饱和电流也称穿透电流具体将在后述内容中再作说明。 由此可见IB尽管较小但对IC有一种控制作用IC随IB的变化而变化这就是三极管的电流放大作用但这种放大作用应该理解为小电流IB对大电流IC的电流控制能力。
晶体三极管的特性曲线
晶体三极管的特性曲线是说明三极管各极电压和电流之间的关系曲线它是分析三极管组成的各种电路工作过程的重要技术曲线。特性曲线又分为输人特性曲线和输出特性曲线两类特性曲线可用晶体管图示仪直接测出也可以通过实验线路的方法测得图2.1.16所示为共射接法特性曲线测试电路示意图。 输入特性
输人特性是指晶体三极管集一射之间电压uCE为一定值时基极电流iB基一射之间电压uBE的关系曲线其数学表达式写为 当uCE0时三极管相当于两个PN结并联而且都处于正向偏置输人特性类似于PN结的正向伏安特性也有一段死区硅管死区电压约为0.5V,锗管死区电压约为0.2V;当uBE大于死区电压时发射结正向导通基极电流iB随uBE的增大而迅速增大导通后发射结正向电压硅管为0.6V~0.7V,一般取0.7V;锗管为0.2V~0.3V,一般取0.3V。
当uCE≥1时集电结处于反向偏置三极管工作在放大区由于集电极电源对发射区扩散到基区的绝大部分自由电子的吸收造成基极电流的减小输人特性会有右移继续加大uCE则对iB的影响很小理论分析时一般用uCE≥1时的输人特性如图2.1.17所示。 输出特性
输出特性是指晶体三极管的基极电流为一定值时集电极电流iC与集一射之间电压uCE的关系曲线如图2.1.18所示。数学表达式写为 当uCE较小时iC随uCE的变化陡急上升iC不受iB的控制。当uCE较大时iC的大小基本趋于不变受iB大小的控制而不受uCE的控制。
输出特性曲线分为三个工作区域也就是说三极管具有三种工作状态。
截止区
在iB0以下的区域粗略地称为截止区这时ICICEO,晶体三极管的集电极与发射极之间接近断路相当于开关的断开状态不起放大作用呈高阻状态。严格地说截止区中发射结、集电结均处于反向偏置状态。
放大区
在iB0,输出特性曲线近似平行横坐标的曲线族部分称为放大区uCE在一定范围内变化时iC的大小几乎不变呈现恒流特性但iC受iB的控制满足△iCβ△iB的关系β为三极管共发射极接法时的交流放大系数。此时集电结反偏发射结正偏三极管具有电流放大作用。
饱和区
在uCE较小iC曲线密集且陡急上升的部分称为饱和区由于iC很大且不受iB控制三极管的集电极和发射极之间电压很小接近短路相当于开关的接通状态呈低阻状态。此时集电结和发射结均为正向偏置。
综上所述晶体三极管工作在放大区表现恒流特性并具有电流放大作用广泛用于各种信号放大电路而工作在饱和区或截止区具有开关的性能相当于开关通、断状态广泛用于开关控制或数字电路。
晶体三极管的主要参数
由于三极管的参数很多从选择和安全使用三极管的角度我们只介绍其中一些主要参数。
使用参数 ②集电极一基极之间反向饱和电流ICBO
当发射极开路时在电源EC作用下集一基之间由少数载流子引起的反向电流如图2.1.19所示该电流受温度影响较大硅三极管的ICBO比锗三极管要小许多。 集电极一发射极之间的反向饱和电流穿透电流ICEO
当基极开路时在电源Ec作用下集电极和发射极之间产生的穿透电流如图2.1.20所示满足关系式 ICEO为集电极电流Ic的一部分受温度影响很大使用三极管时希望ICEO越小越好。
极限参数
为保证长期安全使用晶体三极管必须了解三极管的极限参数。
①集电极最大允许电流ICM
当IC增大到一定数值时β会下降β下降到正常值的2/3时所对应的IC称为集电极最大允许电流当集电极电流达到ICM时三极管集电结会产生热击穿而损坏。
②反向击穿电压UBRCEO
当基极开路时集一射之间最大允许电压称为反向击穿电压UBRCEO,当集电极工作电压大于UBRCEO时集电结产生热击穿而损坏使用时取 ③集电极最大允许耗散功率PCM
PCM为晶体三极管集电结上允许的最大功率损耗一旦集电结产生的功耗使集电结温度升高出
现热击穿时三极管将损坏对于大功率三极管应加装散热器及时散发热量保证三极管的安全使
用集电极耗散功率PCICUCE
由ICM、UBRCEO和PCM包围的范围称为晶体三极管的安全工作区如图2.1.21所示。
