电子元件基础知识--半导体三极管介绍

BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和参数。 一、BJT的结构简介 BJT又常称为晶体管，它

BJT通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响， 使BJT表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用个核心问题，讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和数。　　　　　　　　　　　 

一、BJT的结构简介　　　 　  

BJT又常称为晶体管，它的种类很多。按照频率分，有高频管、低频管； 按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同， 又可分成NPN型和PNP型等等。但从它们的外形来看，BJT都有三个电极，如图3.1所示。

图3.1是NPN型BJT的示意图。 它是由两个 PN结的三层半导体制成的。中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米)，两边各为一块N型半导体。从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。在几何尺寸上， 集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。 　  

二、BJT的电流分配与放大作用 　  

1、BJT内部载流子的传输过程　　  

BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。 

在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

（1）发射极注入电子 　  

由于发射结外加正向电压VEE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区， 形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反，如图3.2所示。 　　

（2）电子在基区中的扩散与复合　　　　　　 

由发射区来的电子注入基区后， 就在基区靠近发射结的边界积累起来， 右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此， 电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子， 好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等， 使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB， 所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。 也就是说， 注基区的电子有一部分未到达集电结， 如复合越多， 则到达集电结的电子越少， 对放大是不利的。 所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少， 大部分都能能到达集电结。 　

（3）集电区收集电子　　　　　　　　 

集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力， 使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流IC。 与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区， 形成很小的反向饱和电流ICB0 。　  　　　　　　　　　　　　  

2、电流分配关系 　  

与正向偏置的二极管电流类似，发射极电流iE与vBE成指数关系：　 　 　 　　　 

集电极电流iC是iE的一部分，即： 　  　　　　　　  

式中β称为BJT的电流放大系数 　  

三、BJT的特性曲线 　  

１.共射极电路的特性曲线　　　　　　 　  

（1）输入特性　　　  　　  

VCE=0V时，b、e间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。 

VCE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极，只有小部分与空穴复合形成IB。 vCE>1V以后，IC增加很少，因此IB的变化量也很少，可以忽略vCE对IB的影响，即输入特性曲线都重合。 　

注意:发射结开始导通的电压vBE：0.6V~0.7V(硅管)，0.1~0.3V(锗管) 

（2）输出特性曲线　 

对于一确定的iB值，iC随VCE的变化形成一条曲线，给出多个不同的iB值，就产生一个曲线族。如图3.6所示。  　　 

① IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，无放大作用，因此对应IB=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示。 

② IB﹥0 ， VCE<1V ，iC随IB的变化不遵循的规律，而且iC随VCE的变化也是非线性的，所以该区域称为饱和区。 

③ IB﹥0、VCE≥1V，iC随iB的变化情况为： 

或 

在这个区域中IC几乎不随VCE变化，对应于每一个IB值的特性曲线都几乎与水平轴平行，因此该区域称为线性区或放大区。 　  

四、BJT的主要参数 　  

BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的，它是选用BJT的依据。了解这些参数的意义，对于合理使用和充分利用BJT达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。 　  

1.流放大系数 　  

BJT在共射极接法时的电流放大系数，根据工作状态的不同，在直流和交流两种情况下分别用符号 和表示。其中 

上式表明:BJT集电极的直流电流 IC与基极的直流电流IB的比值， 就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数， 有时用hFE来代表　。 

但是，BJT常常工作在有信号输人的情况下，这时基极电流产生一个变化量，相应的集电极电流变化量为，则与之比称为BJT的交流电流放大系数，记作即  

2.极间反向电流 　  

（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO。表示发射极开路，c、b间加上一定的反向电压时的电流。  

（2）集电极-发射极反向饱和电流（穿透电流）ICEO。表示基极开路，c、e间加上一定的反向电压时的集电极电流。  　　　　　　　  

3.极限参数 

（1）集电极最大允许电流ICM。表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过ICM时，三极管的性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。 

（2）集电极最大允许功耗PCM。表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值。超过此值时，三极管的性能将变坏或烧毁。 

（3）反向击穿电压V（BR）CEO。 表示基极开路，c、e间的反向击穿电压。 

4、晶体管的选择　　  

（1）依使用条件选PCM在安全区工作的管子， 并给予适当的散热要求。 

（2）要注意工作时反向击穿电压 ， 特别是VCE不应超过 V（BR）CEO。 

（3）要注意工作时的最大集电极电流IC不应超过ICM。 

（4）要依使用要求：是小功率还是大功率， 低频、高频还是超高频，工作电源的极性，β值大小要求。

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