兰州大学：《线性电路》课程教学资源（PPT课件讲稿）第二章 晶体三极管

第二章晶体三极管 两个背靠背排列且靠的很近的PN结组成三极管(当然不能等同 于两个二极管,在具体构造上有其特殊性,简讲一下),有NPN和 PNP两种,其结构和电路符号为 NPN N B B E E PNP

第二章 晶体三极管 两个背靠背排列且靠的很近的PN结组成三极管（当然不能等同 于两个二极管， 在具体构造上有其特殊性，简讲一下），有NPN和 PNP两种，其结构和电路符号为： C C B B E E N P N P N P NPN PNP

NP N PN 双极型三极管(对应下一章单极型三极管即场效应管)和晶体」 极管一样都是非线性器件,但在主要特性上有区别:二极管具有 单向导电性,而三极管具有正向受控作用,即若发射结正偏、集 电结反偏,则其发射结电流和集电结电流基本上只受正偏发射结 电压的控制,而几乎不受反偏集电结电压的控制用此特点可组 成各种放大电路和功能电路,除放大模式外,晶体三极管还具有 饱和模式和截止模式,这两种模式用于开关电路。 本章主要内容简介(略)

双极型三极管（对应下一章单极型三极管即场效应管）和晶体二 极管一样都是非线性器件，但在主要特性上有区别：二极管具有 单向导电性，而三极管具有正向受控作用，即若发射结正偏、集 电结反偏，则其发射结电流和集电结电流基本上只受正偏发射结 电压的控制，而几乎不受反偏集电结电压的控制 用此特点可组 成各种放大电路和功能电路，除放大模式外，晶体三极管还具有 饱和模式和截止模式，这两种模式用于开关电路。 本章主要内容简介（略）。 N P N P N P

2.1晶体三极管工作原理 一、内部载流子传输过程:(以NPN三极管为例) 发射结:正偏,通过发射结的电流主要是扩散电流,有I(发射区 电子扩散注入基区)和IEP(基区空穴扩散注入发射区)即 +I EN「EP 由于发射区掺杂浓度远大于基区掺尕浓度 几十倍到上百倍),所以I》IEpI是LE的主要组成 部分,其大小主要受发射结正偏电压控制 发射结 集电结 ooo RI R2

2.1 晶体三极管工作原理 一、内部载流子传输过程：（以NPN三极管为例） 发射结：正偏，通过发射结的电流主要是扩散电流，有IEN（发射区 电子扩散 注入基区）和IEP（基区空穴扩散注入发射区）即 IE= IEN + IEP 由于发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度 （几十倍到上百倍），所以IEN 》IEP IEN是IE 的主要组成 部分，其大小主要受发射结正偏电压控制。 N+ P N R1 R2 IEN IEP ICN1 ICN2 ICP } ICBO IB I IC E 发射结 集电结

集电结:反偏,通过集电结的电流主要是漂移电流,有: cN发射区注入基区的电子少部分与基区空穴复合,大部分漂 移至集电区形成漂移电流IcN,这个电流大小基本与反偏电压 无关,但由于基区掺杂浓度很低,且基区宽度很薄,一般μm 数量级,所以N与接近,两者仅相差一个复合电流,这样 IcN同IN一样受发射结正偏电压控制(见PN结伏安关系方程) Ic2基区中的热平衡少子自由电子漂移至集电区形成的漂移电 流,非常小,且基本与反偏电压大小无关。 发射: 集电结 N CBO CN2

集电结：反偏，通过集电结的电流主要是漂移电流，有： ICN1 发射区注入基区的电子少部分与基区空穴复合，大部分漂 移至集电区形成漂移电流ICN1 ，这个电流大小基本与反偏电压 无关，但由于基区掺杂浓度很低，且基区宽度很薄，一般μm 数量级，所以ICN1与IEN接近，两者仅相差一个复合电流，这样 ICN1同IEN一样受发射结正偏电压控制（见PN结伏安关系方程） ICN2 基区中的热平衡少子自由电子漂移至集电区形成的漂移电 流，非常小，且基本与反偏电压大小无关。 N+ P N R1 R2 IEN IEP ICN1 ICN2 ICP } ICBO IB I IC E 发射结 集电结

ρ集电区中的热平衡少子空穴漂移至基区形成的漂移电流,非 常小,且基本与反偏电压大小无关 Ic=IcN十ICN2+1 CP CNI 十 CBO CBO CN2 十 CP Ic中的主要成分LcN受发射结正偏电压控制,即I的大小基本 只受发射结正偏电压控制,而集电结本身的热平衡少子形成 的漂移电流IcBo又称反向饱和电流基本不受发射结正偏电压 控制,也基本与反偏电压大小无关,是集电结寄生电流。 N RI

ICP 集电区中的热平衡少子空穴漂移至基区形成的漂移电流，非 常小，且基本与反偏电压大小无关。 IC = ICN1十ICN2十ICP = ICN1十ICBO ICBO = ICN2十ICP IC 中的主要成分ICN1受发射结正偏电压控制，即IC的大小基本 只受发射结正偏电压控制，而集电结本身的热平衡少子形成 的漂移电流ICBO又称反向饱和电流基本不受发射结正偏电压 控制，也基本与反偏电压大小无关，是集电结寄生电流。 N+ P N R1 R2 IEN IEP ICN1 ICN2 ICP } ICBO IB I IC E

基极电流: Pp基区空穴扩散注入发射区 EN一1CN1 复合电流,是I转化为LCN过程中,在基区形成的 复合电流。 IcB集电结本身的热平衡少子形成的漂移电流(B又称反向饱 和电流基本不受发射结正偏电压控制 EN IcN)十 EP-1CBO-1一1C P lE oooo RI

基极电流： IEP 基区空穴扩散注入发射区 IEN – ICN1 复合电流，是IEN转化为ICN1 过程中，在基区形成的 复合电流。 ICBO 集电结本身的热平衡少子形成的漂移电流ICBO又称反向饱 和 电流基本不受发射结正偏电压控制。 IB = （IEN – ICN1）十IEP – ICBO = IE – IC N+ P N R1 R2 IEN IEP ICN1 ICN2 ICP } ICBO IB I IC E

P N E CNI CBO CN2 R1 1.发射结为不对称结:发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度(几 十倍到上百倍),使I》IEpI是E的主要组成部分,减 少无用成分IPp 2.基区宽度很薄,一般μm数量级,保证发射区扩散过来的自由 电子在向集电结扩散过程中仅有小部分被复合掉,绝大部分能 到达集电结。否则,若基区宽度大,发射区扩散过来的自由电 子在向集电结扩散过程中大部分被复合掉,不能到达集电结, 如同两个彼此独立的二极管失去了三极管的正向受控作用

通过上述讨论可见，三极管内部载流子的运行过程主要包括：发射 区多子自由电子通过发射结注入、基区扩散和复合、集电区收集三 个环节，在这个过程中将发射结电流IEN转化为集电结电流ICN1 ，这 个载流子流大小仅受正偏电压控制而几乎不受反偏电压控制。其他 载流子流只能分别产生很小的两个结的电流，不会转化为另一个结 的电流。它们对于正向受控作用来 说是无用的，是三极管的寄生电 流。为了减小寄生电流，保证正向受控载流子流的传输，在制造三 极管时必须满足以下条件： 1. 发射结为不对称结：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度（几 十倍到上百倍）， 使 IEN 》IEP IEN是IE 的主要组成部分，减 少无用成分IEP 2. 基区宽度很薄，一般μm数量级，保证发射区扩散过来的自由 电子在向集电结扩散过程中仅有小部分被复合掉，绝大部分能 到达集电结。否则，若基区宽度大，发射区扩散过来的自由电 子在向集电结扩散过程中大部分被复合掉，不能到达集电结， 如同两个彼此独立的二极管失去了三极管的正向受控作用

N N 8 CNI 3 CBO CN2 R1 R2 那么,为什么要制作具有这样特点的三极管呢?或者具有 这样特点的三极管有什么作用呢?其实通过上述三极管特点的 描述,不难发现实际上是制作了一个受控电流源,集电结电流 大小不受集电结两端电压的控制,而只受发射结电压的控制, 这正是受控电流源的性质,这样在发射结外加小的电压变化量, 在集电结上就可得到电流变化量,且该电流变化量不受集电结 电压影响也就是不受集电结负载影响,若将该电流变化量加在 较大的负载上,即可得到较大的电压变化量,从而实现了电压 放大。而二极管正偏时,外加正向电压变化虽可产生电流变化, 但该电流变化如直接加到负载上,该电流变化必然受到负载影 响,不能产生大的电压变化

3. 集电结面积大于发射结，保证扩散集电结边界处的非平衡少子 全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。 最后：发射结正偏电压控制IE和IB，IE中的IEN通过注入、扩散、 收 集而转化为IC，这种转化过程几乎不受集电结反偏电压大小 的影响。但反偏电压必须存在，否则这个过程是无法完成的。 那么，为什么要制作具有这样特点的三极管呢？或者具有 这样特点的三极管有什么作用呢？其实通过上述三极管特点的 描述，不难发现实际上是制作了一个受控电流源，集电结电流 大小不受集电结两端电压的控制，而只受发射结电压的控制， 这正是受控电流源的性质，这样在发射结外加小的电压 变化量， 在集电结上就可得到电流变化量，且该电流变化量不受集电结 电压 影响也就是不受集电结负载影响，若将该电流变化量加在 较大的负载上，即 可得到较大的电压变化量，从而实现了电压 放大。而二极管正偏时，外加正向电压变化虽可产生电流变化， 但该电流变化如直接加到负载上，该电流变化必然受到负载影 响，不能产生大的电压变化

电流传输方程 三极管是三端器件,具体使用时是作为四端网络接入电路,有 输入输出两对端子,必然有一个极作为输入输出端口的公共端 点,那一极作为公共端点称为共什么极,如下三种连接方式 E E C 共基极 共发射极 共集电极

二、电流传输方程 三极管是三端器件 ，具体使用时是作为四端网络接入电路，有 输入输出两对端子，必然有一个极作为输入输出端口的公共端 点，那一极作为公共端点称为共什么极，如下三种连接方式： 共基极 共发射极 共集电极

共基极 共发射极 共集电极 发射区发射效率 1.共基极: 基区传输效率 定义a=lcN/IE=(IBN/lE)( CN1/EN 这样Ic=LcN+cBo=alE+lcBo (P44.1) 上式是共基极连接时输出电流I受输入电流I控制的传输方程。 α称为共基极电流传输系数,表示I转化为N的能力,其值恒 小于1,但十分接近于1。而cBo很小,对硅管其值为 (109-10-10)A,可忽略。上式可简化为Lc≈alE

1. 共基极： 定义  =ICN1 / IE = （IEN / IE ）（ICN1 / IEN）=12 这样 IC= ICN1 +ICBO =  IE + ICBO -------------（P44.1） 上式是共基极连接时输出电流IC受输入电流IE控制的传输方程。  称为共基极电流传输系数，表示IE转化为ICN1的能力，其值恒 小于1，但十分接近于1。而ICBO很小，对硅管其值为 （10-9 ---10-16)A，可忽 略。上式可简化为 IC  IE 共基极 共发射极 共集电极 发射区发射效率 基区传输效率