電子元件基礎(chǔ)知識(shí)--半導(dǎo)體三極管
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一、BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)看，BJT都有三個(gè)電極，如圖3.1所示。
圖3.1是NPN型BJT的示意圖。 它是由兩個(gè) 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(gè)電極，它們分別叫做發(fā)射極e、基極b和集電極c，對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(shí)發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷通過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)， 形成發(fā)射極電流IE，其方向與電子流動(dòng)方向相反，如圖3.2所示。
（2）電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合
由發(fā)射區(qū)來(lái)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(lái)， 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(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中又會(huì)與基區(qū)中的空穴復(fù)合，同時(shí)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(shuō)， 注人基區(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(duì)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(kuò)散過(guò)程中實(shí)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)。
（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(chǎng)非常強(qiáng)，且電場(chǎng)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(guò)集電結(jié)，但對(duì)基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強(qiáng)的吸引力， 使電子很快地漂移過(guò)集電結(jié)為集電區(qū)所收集，形成集電極電流IC。 與此同時(shí)，集電區(qū)的空穴也會(huì)在該電場(chǎng)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
?。?共射極電路的特性曲線
（1）輸入特性
VCE=0V時(shí)，b、e間加正向電壓，這時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏，相當(dāng)于兩個(gè)二極管正向并聯(lián)的特性。
VCE≥1V時(shí)，這時(shí)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(duì)IB的影響，即輸入特性曲線都重合。
注意:發(fā)射結(jié)開(kāi)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(duì)于一確定的iB值，iC隨VCE的變化形成一條曲線，給出多個(gè)不同的iB值，就產(chǎn)生一個(gè)曲線族。如圖3.6所示。
?、?nbsp;IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，無(wú)放大作用，因此對(duì)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。
?、?nbsp;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)。
?、?nbsp;IB﹥0、VCE≥1V，iC隨iB的變化情況為：
或
在這個(gè)區(qū)域中IC幾乎不隨VCE變化，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)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(lái)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(duì)于合理使用和充分利用BJT達(dá)到設(shè)計(jì)電路的經(jīng)濟(jì)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(shí)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(hào) 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(shí)的直流電流放大系數(shù)， 有時(shí)用hFE來(lái)代表 。
但是，BJT常常工作在有信號(hào)輸人的情況下，這時(shí)基極電流產(chǎn)生一個(gè)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(kāi)路，c、b間加上一定的反向電壓時(shí)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(kāi)路，c、e間加上一定的反向電壓時(shí)的集電極電流。
3.極限參數(shù)
?。?）集電極最大允許電流ICM。表示BJT的參數(shù)變化不超過(guò)允許值時(shí)集電極允許的最大電流。當(dāng)電流超過(guò)ICM時(shí)，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(guò)此值時(shí)，三極管的性能將變壞或燒毀。
（3）反向擊穿電壓V（BR）CEO。 表示基極開(kāi)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?BR>
?。?）要注意工作時(shí)反向擊穿電壓 ， 特別是VCE不應(yīng)超過(guò) V（BR）CEO。
?。?）要注意工作時(shí)的最大集電極電流IC不應(yīng)超過(guò)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。
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