電子元件基礎知識--半導體三極管介紹

BJT是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件，由于PN結之間的相互影響，使BJT表現出不同于單個PN結的特性而具有電流放大，從而使PN結的應用發生了質的飛躍。本節將圍繞BJT為什么具有電流放大作用這個核心問題，討論BJT的結構、內部載流子的運動過程以及它的特性曲線和參數。 一、BJT的結構簡介 BJT又常稱為晶體管，它

BJT通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件，由于PN結之間的相互影響， 使BJT表現出不同于單個 PN結的特性而具有電流放大，從而使PN結的應用發生了質的飛躍。本節將圍繞BJT為什么具有電流放大作用個核心問題，討論BJT的結構、內部載流子的運動過程以及它的特性曲線和數。　　　　　　　　　　　 

一、BJT的結構簡介　　　 　  

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；按照半導體材料分，有硅管、鍺管；根據結構不同， 又可分成NPN型和PNP型等等。但從它們的外形來看，BJT都有三個電極，如圖3.1所示。

圖3.1是NPN型BJT的示意圖。 它是由兩個 PN結的三層半導體制成的。中間是一塊很薄的P型半導體(幾微米~幾十微米)，兩邊各為一塊N型半導體。從三塊半導體上各自接出的一根引線就是BJT的三個電極，它們分別叫做發射極e、基極b和集電極c，對應的每塊半導體稱為發射區、基區和集電區。雖然發射區和集電區都是N型半導體，但是發射區比集電區摻的雜質多。在幾何尺寸上， 集電區的面積比發射區的大，這從圖3.1也可看到，因此它們并不是對稱的。 　  

二、BJT的電流分配與放大作用 　  

1、BJT內部載流子的傳輸過程　　  

BJT工作于放大狀態的基本條件：發射結正偏、集電結反偏。 

在外加電壓的作用下， BJT內部載流子的傳輸過程為： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

（1）發射極注入電子 　  

由于發射結外加正向電壓VEE，因此發射結的空間電荷區變窄，這時發射區的多數載流子電子不斷通過發射結擴散到基區， 形成發射極電流IE，其方向與電子流動方向相反，如圖3.2所示。 　　

（2）電子在基區中的擴散與復合　　　　　　 

由發射區來的電子注入基區后， 就在基區靠近發射結的邊界積累起來， 右基區中形成了一定的濃度梯度，靠近發射結附近濃度最高，離發射結越遠濃度越小。因此， 電子就要向集電結的方向擴散，在擴散過程中又會與基區中的空穴復合，同時接在基區的電源VEE的正端則不斷從基區拉走電子， 好像不斷供給基區空穴。電子復合的數目與電源從基區拉走的電子數目相等， 使基區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與空穴復合的電流。 也就是說， 注基區的電子有一部分未到達集電結， 如復合越多， 則到達集電結的電子越少， 對放大是不利的。 所以為了減小復合，常把基區做得很薄 (幾微米)，并使基區摻入雜質的濃度很低，因而電子在擴散過程中實際上與空穴復合的數量很少， 大部分都能能到達集電結。 　

（3）集電區收集電子　　　　　　　　 

集電結外加反向電壓，其集電結的內電場非常強，且電場方向從C區指向B區。使集電區的電子和基區的空穴很難通過集電結，但對基區擴散到集電結邊緣的電子卻有很強的吸引力， 使電子很快地漂移過集電結為集電區所收集，形成集電極電流IC。 與此同時，集電區的空穴也會在該電場的作用下，漂移到基區， 形成很小的反向飽和電流ICB0 。　  　　　　　　　　　　　　  

2、電流分配關系 　  

與正向偏置的二極管電流類似，發射極電流iE與vBE成指數關系：　 　 　 　　　 

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 　  

三、BJT的特性曲線 　  

１.共射極電路的特性曲線　　　　　　 　  

（1）輸入特性　　　  　　  

VCE=0V時，b、e間加正向電壓，這時發射結和集電結均為正偏，相當于兩個二極管正向并聯的特性。 

VCE≥1V時，這時集電結反偏，從發射區注入基區的電子絕大部分都漂移到集電極，只有小部分與空穴復合形成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IB的影響，即輸入特性曲線都重合。 　

注意:發射結開始導通的電壓vBE：0.6V~0.7V(硅管)，0.1~0.3V(鍺管) 

（2）輸出特性曲線　 

對于一確定的iB值，iC隨VCE的變化形成一條曲線，給出多個不同的iB值，就產生一個曲線族。如圖3.6所示。  　　 

① IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，無放大作用，因此對應IB=0的輸出特性曲線以下的區域稱為截止區如圖3.6所示。 

② IB﹥0 ， VCE<1V ，iC隨IB的變化不遵循的規律，而且iC隨VCE的變化也是非線性的，所以該區域稱為飽和區。 

③ IB﹥0、VCE≥1V，iC隨iB的變化情況為： 

或 

在這個區域中IC幾乎不隨VCE變化，對應于每一個IB值的特性曲線都幾乎與水平軸平行，因此該區域稱為線性區或放大區。 　  

四、BJT的主要參數 　  

BJT的參數是用來表征管子性能優劣相適應范圍的，它是選用BJT的依據。了解這些參數的意義，對于合理使用和充分利用BJT達到設計電路的經濟性和可靠性是十分必要的。 　  

1.流放大系數 　  

BJT在共射極接法時的電流放大系數，根據工作狀態的不同，在直流和交流兩種情況下分別用符號 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接成共射極電路時的直流電流放大系數， 有時用hFE來代表　。 

但是，BJT常常工作在有信號輸人的情況下，這時基極電流產生一個變化量，相應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，記作即  

2.極間反向電流 　  

（1）集電極-基極反向飽和電流ICBO。表示發射極開路，c、b間加上一定的反向電壓時的電流。  

（2）集電極-發射極反向飽和電流（穿透電流）ICEO。表示基極開路，c、e間加上一定的反向電壓時的集電極電流。  　　　　　　　  

3.極限參數 

（1）集電極最大允許電流ICM。表示BJT的參數變化不超過允許值時集電極允許的最大電流。當電流超過ICM時，三極管的性能將顯著下降，甚至有燒壞管子的可能。 

（2）集電極最大允許功耗PCM。表示BJT的集電結允許損耗功率的最大值。超過此值時，三極管的性能將變壞或燒毀。 

（3）反向擊穿電壓V（BR）CEO。 表示基極開路，c、e間的反向擊穿電壓。 

4、晶體管的選擇　　  

（1）依使用條件選PCM在安全區工作的管子， 并給予適當的散熱要求。 

（2）要注意工作時反向擊穿電壓 ， 特別是VCE不應超過 V（BR）CEO。 

（3）要注意工作時的最大集電極電流IC不應超過ICM。 

（4）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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