三极管的结构与分类

  晶体三极管

  晶体三极管又称半导体三极管，简称晶体管或三极管。在三极管内，有两种载流子：电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型晶体三极管，简记为BJT（英文Bipo1ar Junction Transistor的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用。
  一、结构

  图Z0113和图Z0114 给出了NPN和PNP型两类三极管的结构示意图和表示符号。它有两个PN结（分别称为发射结和集电结），三个区（分别称为发射区、基区和集电区），从三个区域引出三个电极（分别称为发射极e、基极b和集电极c）。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。
  
  
  为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：
  ① 使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；  ② 使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；  ③ 使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。  二、分类

  在实际应用中，从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。
  按材料分，有硅管和锗管；
  按结构分，有NPN型管和PNP型管；
  按工作频率分，有高频管和低频管；
  按制造工艺分，有合金管和平面管；
  按功率分，有中、小功率管和大功率管等等。
  三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用

  一、三极管的三种连接方式

  三极管在电路中的连接方式有三种：①共基极接法；②共发射极接法，③共集电极接法。
  
  如图Z0115所示。共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。
  必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。
  即必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几～几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。
  二、三极管内部载流子的运动规律

  在发射结正偏、集电结反偏的条件下，三极管内部载流子的运动，可分为3个过程，下面以NPN型三极管为例来讨论（共射极接法）。
  1．发射区向基区注入载流子的过程
  由于发射结外加正向电压，发射区的电子载流子源源不断地注入基区，基区的多数载流子空穴，也要注入发射区。如图Z0116所示，二者共同形成发射极电流IE。但是，由于基区掺杂浓度比发射区小2～3个数量级，注入发射区的空穴流与注入基区的电子流相比，可略去。
   316a5363868e9f8b810aa2effb041cdb148c2498.jpg806x598 72.7 KB


  2. 载流子在基区中扩散与复合的过程
  由发射区注入基区的电子载流子，其浓度从发射结边缘到集电结边缘是逐渐递减的，即形成了一定的浓度梯度，因而，电子便不断地向集电结方向扩散。由于基区宽度制作得很小，且掺杂浓度也很低，从而大大地减小了复合的机会，使注入基区的95％以上的电子载流子都能到达集电结。故基区中是以扩散电流为主的，且扩散与复合的比例决定了三极管的电流放大能力。
  3．集电区收集载流子的过程
  集电结外加较大的反向电压，使结内电场很强，基区中扩散到集电结边缘的电子，受强电场的作用，迅速漂移越过集电结而进入集电区，形成集电极电流Inc。另一方面，集电结两边的少数载流子，也要经过集电结漂移，在c，b之间形成所谓反向饱和电流ICBO，不过，ICBO一般很小，因而集电极电流
          INC +ICBO ≈ INC           GS0105  同时基极电流
         IB = IPB +IE -ICBO≈IPB - ICBO    GS0106  反向饱和电流ICBO与发射区无关，对放大作用无贡献，但它是温度的函数，是管子工作不稳定的主要因素。制造时，总是尽量设法减小它。
  三、三极管的电流分配关系与放大作用

  1．电流分配关系
  由图Z0116可知，三极管三个电极上的电流组成如下：
  发射极电流IE
           IE＝INE＋IPE ≈INE        GS0107  基极电流IB
           IB = IPB + IPE - ICBO ≈IPB - ICBO  集电极电流IC
           IC=INC +ICBO≈ INC  同时由图Z0116也可看出
            INE＝ INC ＋IPB        GS0108  由以上诸式可得到
           IE＝IC＋ IB          GS0109  它表明，发射极电流IE按一定比例分配为集电极电流Ic和基极电流 IB 两个部分，因而晶体三极管实质上是一个电流分配器件。对于不同的晶体管，尽管IC与IB的比例是不同的，但上式总是成立的，所以它是三极管各极电流之间的基本关系式。
  由图Z0116也可以看出，INC 代表由发射区注入基区进而扩散到集电区的电子流，IPB代表从发射区注入基区被复合后形成的电流。对于一个特定的三极管，这二者的比例关系是确定的，通常将这个比值称为共发射极直流电流放大系数。用          表示，
   db85afab29915563c1cc37cf32654ed10e6ce609.jpg867x583 48.3 KB


   9604f183311d6eec3dd2ca308ccab0e45278b4d8.jpg868x600 69 KB


   f824d2347bb02626fa037ea33bb835cebe50c876.jpg868x81 16.6 KB


   063eb7b1cd372ed72a6805b1f2256582143038d0.jpg869x510 88.5 KB


  三极管的特性曲线

   d6bb7ba8ac39b9f80dfe97dca58158bf719f167f.jpg868x675 143 KB


   ed8832e89c09162ee9e27b4f92f716224a10ca0a.jpg868x532 123 KB


  二、输出特性曲线

  输出特性曲线如图Z0120所示。测试电路如图Z0117。
  输出特性曲线的数学表达式为：
  由图还可以看出，输出特性曲线可分为三个区域：
  （1）截止区：指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流IcEO。
  （2）饱和区：指绿色区域。在此区域内，对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，UCE较小时，Ic虽然增加，但Ic增加不大，即IB失去了对Ic的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降，用UCES表示。UCES很小，通常中小功率硅管UCES＜0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以UCES表示，硅管的UCES在0．8V左右。
  OA线称为临界饱和线（绿色区域右边缘线），在此曲线上的每一点应有|UCE| = |UBE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管，其集电极电流称为临界集电极电流，以Ics表示；其基极电流称为临界基极电流，以IBS表示。这时Ics与IBS 的关系仍然成立。
  （3）放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性曲线近似于一簇平行等距的水平线，Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系，即ΔIc=βΔIB，且ΔIc >>ΔIB ，就是说在此区域内，三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱，当UCE＞1 V后，即使再增加UCE，Ic 几乎不再增加，此时，若IB 不变，则三极管可以看成是一个恒流源。
  在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。
  三极管的主要参数

  
  
  
  
  三极管的开关特性

   在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。三极管工作在饱和状态时，其UCES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，IC≈0，相当于开关的断开状态，因此，三极管可当做开关器件使用。