1.3三极管

1.3  双极晶体管（BJT）

1.3.1  结构及类型

一、构成方式

 

二、结构：三个区域，三个电极，两个PN结

箭头方向指发射结导通方向

 

1.3.2  电流放大作用

一、放大

 

二、基本共射放大电路

正向偏置，正偏

发射结正偏，集电结反偏

 

三、内部载流子的运动

1、发射结（PN结导通时扩散，截止时漂移）

发射区多子浓度高，发射结正偏下大量电子经扩散运动到基区，，I_EP+I_EN

2、基区→扩散、复合，产生

 

扩散：继续向集电区扩散，扩散速度跟浓度梯度相关

复合：在基区跟空穴复合（基区结构与扩散速度不变时，复合比例近似固定）

产生：在基极继续产生（类似本征激发的动态平衡，有复合就有产生，因基极电位>发射极，外部等效看即基极产生的自由电子被电源吸引，成为基极电流I_B）

3、集电区收集自由电子

集电结反偏，C到B有向下的电场，将发射区扩散（发射结导通时多子扩散；电场力作用时少子漂移）到基区的自由电子向上吸，保证浓度梯度的正常。无反偏则I_B和I_C之间的比例关系不能保证

最终I_BN和I_CN成比例，即若I_EN上去100个自由电子，2个被基区复合并在基极处重新产生^[1]，剩下98个继续上去漂移到集电区（在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动）

I_B这里可以做一个割集形式的KCL（割集的，球面的，只要是闭合曲面都可以用KCL），I_B=I_EP+I_BN-I_CBO

注意：I_CBO（集电区与基区的平衡少子在外电场作用下也参与漂移运动，但它的数量很小）那块，箭头表示自由电子与空穴运动方向，是反向饱和电流，不是两股电流，看图要仔细

 发射极电流是扩散运动形成，基极电流是复合运动形成，集电极电流是漂移运动形成

 

四、放大系数

1、共射直流放大系数

β=I_C/I_B

2、I_CEO

3、I_CBO

4、共基α=I_C/I_E=β/(1+β)

辅助记忆：集电极电流在共射和共基中都是被控制的一方，写在上面

总结：三极管在发射结正偏，集电结反偏下实现电流放大

 

1.3.3  BJT共射特性曲线

 

 

 

共用发射极即形成两个端口，基极和发射极间，输入电流I_B；另一个端口集电极和发射极之间，输入电流I_C。曲线除了转移特性，端口特性总归是电压和电流的关系。

为什么定义左边输入回路右边输出回路

I_C是I_B的放大，目标是用小信号控制大能量，作为控制的小信号即输入信号，明显输入信号的变化去控制IB的变化，由于放大作用，I_B的变化就控制I_C的变化，然后把I_C变成受控的能量输出，所以对于共射放大电路，I_B环节是输入回路，I_C环节是输出（道理不重要，重要的是自圆其说）

一、输入特性

（以NPN为例）可以想象，U_CE作为水泵（电场）抽水（发射区注入基区的非平衡少子自由电子），若U_CE增大，则向上的比例增大，分到左边复合的自由电子变少。即U_CE增大时I_B减小，所以研究U_BE，I_B的关系要控制第三个变量UCE不变

U_CE=0曲线形状解释

此时CE间短路，三极管的两个PN结并联，因此BE间像PN结的伏安特性

 

U_CE增大曲线右移含义：想得到同样I_B，必须增大U_BE；或者说，在同样U_BE下，UCE增大，IB减小。

解释：集电极电压增大，集电区收集电子增多，I_B本身是复合运动形成，从外部看，为了得到同样的I_B（复合量），必须发射更多的电子→U_BE↑

 

 

U_CE>1V后不再右移：

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用语言描述上述公式（背工科公式需弄懂物理含义）

一、UI同频

二、流经阻抗两端的电流和阻抗两端电压的关系表达式

电压大小是电流大小乘以阻抗摸

电压相位超前电流相位阻抗角

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二、输出特性

I_C和U_CE的关系

类似输入特性曲线族，不同的I_B应对应不同的曲线

只要有I_B就说明发射结正偏，发射结不正偏无I_B（反向截止）

脑海中要有概念，只要U_CE足够大，I_B不变，I_C应该几乎不变（I_BN和I_CN成比例）

换句话说，这条曲线后面应该是水平的，前面I_C应随着U_CE增大逐渐上升

 

解读图像

Ⅰ  U_CE往右，集电结反偏，I_C和I_B成比例，换句话说，工作在放大区

Ⅱ  I_B=0时仍有电流，是什么电流？

I_CEO，穿透电流，越小代表截止的越干净，CE近似断开

Ⅲ  饱和区特点：I_C不受I_B控制（I_C与I_B不成比例，非水平直线），U_CE小，集电结正偏→类似电阻的导体，内部开通，I_C近似=V_CC/R_{C，IC极值是VCC/RC}

一、放大区

i_C=βi_B

 

二、截止区

双结反偏CE，C、E断路

 

三、饱和区

双结正偏，U_CES（饱和电压，近似定值，锗管0.1V，硅管0.3V），C、E类似开关闭合。S-Saturation（饱和）

βI_B>I_Cmax

 

电子开关原理：当基极电位很低时，双结正偏饱和；当基极电位很高时，双结反偏截止

 控制板输出方波信号，低电平C、E断开，高电平C、E饱和，此时在CE间（或CE后加几级继电器）接灯泡等即可使编程信号控制通断

 

1.3.4  三级管的主要参数

1.3.5  温度的影响

一、输入特性

 PN结特性，温度每升高1℃，正向压降降低2-2.5mv

 

表现在图上即I_B相同时，T↑→U_BE↓

 

二、输出特性

T↑→β↑，I_CEO↑

放大状态下I_C随U_CE增大微微上升，但在考虑放大时忽略不计

 

1.3.6  光电三极管

思想：光电耦合可以绝缘

光可通过光缆/光纤传输（光信号传递的特点，受干扰小）

 

[1]曾树荣.《半导体物理器件基础》.北京大学出版社.2002（P67,I_BR是基区内的复合而必须补充的空穴电流）