03第1章 常用半导体器件--三极管及应用
三极管的工作原理与应用
三极管的工作原理与应用三极管作为一种重要的半导体器件，广泛应用于各种电子设备中。
本文将介绍三极管的工作原理以及其在实际应用中的作用与意义。
一、三极管的工作原理三极管由三个掺杂不同的半导体材料构成，分别为发射区、基区和集电区。
其中发射区和集电区均为N型半导体，而基区为P型半导体。
三极管的正向偏置以及不同区域半导体材料的掺杂使其具有特殊的电流传输特性。
当三极管处于正常工作状态时，分别向发射区和集电区施加适当的电压。
当发射结受到正向偏置电压时，发射区的高浓度N型半导体会注入电子至基区，同时空穴从基区流入发射区。
这一过程导致了基区电子与空穴的复合，并产生了少数载流子（电子或空穴）。
从而形成了发射区和基区之间的电流。
另一方面，当集电结受到正向偏置电压时，集电区的高浓度N型半导体会将发射区注入的电子吸收，并与从集电极流入的电流相结合。
这使得三极管的集电区产生电流输出。
通过控制发射结电压，可以调节发射区注入基区的电子数量。
这就实现了对三极管整体工作状态的控制，以完成对电流的放大和开关的控制。
二、三极管在实际应用中的作用与意义1. 放大作用：由于三极管的工作原理，它能够将输入信号的微弱变化放大为较大的输出信号。
因此，在放大电路中，三极管常常被用作信号放大器。
它可以将各种类型的信号（如音频、视频等）放大到适应于其他设备的水平，以保证清晰的信息传输。
2. 开关作用：三极管能够根据输入信号的变化，在不同状态下控制电流的通断。
这使得三极管在数字电路中具有重要的应用，如逻辑门电路、计数器等。
3. 波形整形作用：由于三极管的非线性特性，它可以将输入信号的波形进行整形处理。
通过适当的偏置和连接方式，将输入信号转换为所需的输出波形，以满足特定应用的要求。
4. 温度传感与控制：由于三极管具有温度依赖的特性，它可以用作温度传感器。
通过测量三极管的电压或电流变化，可以准确地反映环境温度的变化。
5. 时钟产生与频率控制：三极管的工作原理使其能够以高频率开关，推动振荡电路的稳定工作。
第1章常用半导体器件
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高，rd越小。 静态电流
3. 二极管电路应用举例
（1）开关电路（掌握）
方法：假设法，将D管断开 原则一：单向导电性
阳极 a
k 阴极
D
V阳>V阴，D管正偏，导通 V阳< V阴，D管反偏，截止
原则二：优先导通原则（多二极管电路中）
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
2
98 0.98
100
综上所述，实现晶体三极管放大作用的 两个条件是：
（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度，且基区很薄。
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反 向偏置。
正偏电压工作，通电流→发光，电信号→光信号 光颜色：红、橙、黄、绿（与材料磷、砷、镓、化有关）
3. 激光二极管
（a）物理结构 （b）符号
发光二极管
光电二极管
一、晶体管的结构及类型 二、晶体管的电流放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
三极管：电流放大（三个电极）
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
二极管,三极管,晶体管概念和用途
二极管、三极管、晶体管概念和用途一、二极管的概念和用途二极管是一种具有两个电极的半导体器件，它具有单向导电特性。
当施加正向电压时，二极管正向导通，电流通过；当施加反向电压时，二极管反向截止，电流基本不通过。
二极管主要用于整流、稳压、开关和检波等电路中。
1、整流在交流电路中，二极管可以将交流信号转换为直流信号。
通过二极管整流，可以将交流电源转换为直流电源，以满足电子设备对直流电源的需求。
2、稳压二极管还可以作为稳压器使用。
在稳压电路中，通过合理连接二极管和电阻，可以实现对电压的稳定。
3、开关由于二极管具有导通和截止的特性，可以将其应用到开关电路中。
在开关电路中，二极管可以控制电流的通断，实现对电路的控制。
4、检波二极管还可以用作检波器。
在无线电接收机中，二极管可以将射频信号转换为音频信号，实现信息的接收和解调。
二、三极管的概念和用途三极管是一种具有三个电极的半导体器件，分为发射极、基极和集电极。
三极管具有放大、开关等功能，是现代电子设备中不可或缺的器件。
1、放大在放大电路中，三极管可以对输入信号进行放大处理。
通过合理设置电路参数，可以实现对电压、电流和功率等信号的放大。
2、开关与二极管类似，三极管也可以用作开关。
通过控制基极电流，可以实现对集电极与发射极之间的电流通断控制。
3、振荡在振荡电路中，三极管可以实现信号的自激振荡。
通过反馈电路的设计，可以使三极管产生稳定的振荡信号。
4、调制在通信系统中，三极管可以用于信号的调制。
通过三极管的放大和调制功能，可以实现对射频信号等信息的传输。
三、晶体管的概念和用途晶体管是一种半导体器件，是二极管的发展和改进，是现代电子技术的重要组成部分，被广泛应用于放大、开关、振荡和数字逻辑电路等领域。
1、放大晶体管可以作为放大器使用，实现对信号的放大处理。
晶体管的放大能力较强，可以应用于音频放大、射频放大等领域。
2、开关晶体管也可以用作开关。
与三极管类似，晶体管可以实现对电路的控制，用于开关电源、数码电路等领域。
三极管及其应用电路---笔记整理(DOC)
三极管及其应用电路一、简述半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。
它最主要的功能是电流放大和开关作用。
三极管顾名思义具有三个电极。
二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。
其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。
由于不同的组合方式，形成了一种是NPN 型的三极管，另一种是PNP型的三极管。
二、三极管的识别三极管的电路符号有两种：有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。
实际上箭头所指的方向是电流的方向。
基区：较薄，掺杂浓度低；发射区：掺杂浓度较高，多子载流子多；集电区：面积较大。
图2 NPN和PNP三极管的等效模型三、三极管工作原理分析（详情参见华为模电资料）讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。
我们知道二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。
二极管的结构及原理都很简单，内部一个PN结具有单向导电性，如示意图B。
很明显图示二极管处于反偏状态，PN结截止。
我们要特别注意这里的截止状态，实际上PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象，PN结的单向导电性并不是百分之百。
因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外，还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。
N区也是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。
由于PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以，多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要约0.7伏的外加电压，这是PN结正向导通的门电压。
而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用，甚至还会有帮助作用。
第1章 (3)常用半导体器件FET
Si
B
P衬底
一、 NMOS 1. 结构 2. 工作机理 工作机理(定性分析) 3. 伏安特性曲线 伏安特性曲线(定量分析) ① 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. ② 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.
d g
VDD s －
B
Rd
UDS
＋ ID d
VGG g s － UGS ＋ IG= 0
型
d g
2.PMOS —— ①增强型 d ②耗尽型 g s 2. JFET ————— 1.N沟道 沟道 g 2.P沟道 沟道 s d
g
1.3 场效应晶体三极管 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管(“IGFET”)
FET分: 分
( 6 种管子 种管子)
P45 g
。。。。。。。。。。。。 ·。
纵向电场[垂直电场 纵向电场 垂直电场] — 横向电场 垂直电场 表面场效应器件— 表面场效应器件 体内场效应器件
Si
B
P衬底
1.3 场效应晶体三极管 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管(“IGFET”)
一、 NMOS 1. 结构 2. 工作机理 工作机理(定性分析)
P45 g
B
VDD s －
Rd
UDS
＋ ID d
VGG g s － UGS ＋ IG= 0
RGS= ∞
⊕ ⊕ N+ :::::: :::::::: 。。。。 ⊕ ⊕ ::::::: ⊕·。⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕⊕ :::: 。。。。 ⊕
①栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 栅极电压的控制作用 开启电压U 反型层(N型 开启电压 GS(th)(或UT) —反型层 型) 或 反型层 ②漏源电压UDS对导电沟道的影响 漏源电压 UDS=0时 — UDS≠0时 预夹断 时 时
什么是三极管
什么是三极管三极管，又被称为晶体管，是一种常见的电子元件。
它是一种半导体器件，能够用来放大电流、开关电路或作为电流稳定源。
三极管的结构和工作原理决定了它在电子电路中的重要性和广泛应用。
本文将详细介绍三极管的定义、结构、工作原理以及应用领域。
一、定义三极管是一种包含三个电极的半导体器件，通常由两种不同类型的半导体材料组成。
它的三个电极分别为基极、发射极和集电极。
三极管可用于控制电流流动，并在电子电路中实现信号放大功能。
二、结构三极管的结构由两种类型的半导体材料构成：P型半导体和N型半导体。
这两种材料的结合形成了两个 P-N 结，分别被称为基结和发射结。
其中，发射结夹在基结中间，集电极连接到基结，而发射极连接到发射结。
三、工作原理三极管的工作原理是通过调节基极电流控制集电极电流的大小。
当基极电流很小或者没有流过时，三极管处于截止状态，完全不导电。
当基极电流逐渐增大时，三极管进入放大区。
此时，三极管的集电极电流将正比于基极电流，且比基极电流大很多倍。
当基极电流进一步增大时，三极管会饱和，此时集电极电流不再随基极电流的增大而增大，达到饱和电流后保持不变。
四、应用领域由于三极管具有信号放大和电流控制的特点，因此在电子领域有广泛的应用。
以下是几个常见的三极管应用领域：1. 放大器: 三极管可以作为放大电路的关键元件，用于放大音频、视频等信号。
通过调节输入信号的电流，可以实现不同增益的放大效果。
2. 开关电路: 三极管可以用作开关电路的控制器。
在开关状态下，三极管可以让电流通过或者阻断，从而实现开关的功能。
3. 正反馈电路: 三极管可以用于正反馈电路的构建，从而实现自激振荡。
在振荡器、发射机等电子设备中都有广泛应用。
4. 电流稳定源: 三极管可以作为电流稳定源，提供一个稳定且可控的电流。
这在一些需要精确电流控制的电路中特别有用。
结论通过了解三极管的定义、结构、工作原理和应用领域，我们可以看到三极管在电子电路中的重要性和多功能性。
半导体、二级管和三极管概述
PN结加反向电压
PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。
流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所 以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动Байду номын сангаас成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
稳压管的伏安特性
稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。
（6）其它类型二极管 发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。
图4 本征半导体中 自由电子和空穴
本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。
第1章常用半导体器件
纯净的具有晶体结构的半导体
一、导体、半导体和绝缘体 导体、
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 导体 一般都是导体。 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体 绝缘体， 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 陶瓷、塑料和石英。 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体： 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 半导体， 体之间，称为半导体 如锗、 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。 和一些硫化物、氧化物等。
二、P 型半导体
杂质元素， 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 铟等， 型半导体。 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4 +4 +4
3 价杂质原子称为 受主原子。 受主原子。 空穴浓度多于电子 浓度， 浓度，即 p >> n。空穴 。 为多数载流子， 为多数载流子 ， 电子为 少数载流子。 少数载流子。
五、PN结的电容效应 结的电容效应
上的电压发生变化时， 当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 上的电压发生变化时 将随之发生变化， 结具有电容效应。 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 结具有电容效应 势垒电容 电容效应包括两部分 扩散电容 1. 势垒电容 b 势垒电容C 结的空间电荷区变化形成的。 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
公式推导过程略
四、PN结的伏安特性 结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。 之间的关系曲线。
i/ mA
60 40 20 –50 –25 0 0.5 1.0 u / V – 0.002
正向特性
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三、近似公式（外部特性） 三极管电流分配：
IC I B
I E (1 ) I B
C B IB E
IC
C B IB
E PNP
IC
I E IC I B
记住！！
IE
IE
NPN
注意：要使三极管能放大电流，
2014-6-10
必须使发射结正偏，集电结反偏。
1.3.3 晶体管共射特性曲线
下降到1的信号频率， 使
与结电容有关
三、极限参数 1. 集电极最大允许功耗PCM
• 集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热功率为：
IC ICM
安全工作区
PC =ICUCE
• 必定导致结温
上升，所以PC 有限制。
2014-6-10
ICUCE=PCM
PCPCM
U(BR)CEO
UCE
2.集电极最大电流ICM
即： UCE≥UBE ， IC=IB , 且 IC = IB (2) 饱和区：发射结正偏、集电结正偏（二PN结均导通） 即：UCEUBE ， IC<IB，UCE0.3V (3) 截止区：UBE< UON（或反偏），集电结反偏）。 IB=0，IC≤ICEO 0，UCE≥UBE 三种状态的判断：(根据UBE,UCE，IB,IC同时判断)
二、交流参数
iC iB
1. 共射交流电流放大倍数
U CE CONST
IB变化对IC变化的控制/放大 能力（叠加于直流上）
2. 共基电流放大倍数
IE的变化对IC的变化的控制/ 放大能力（叠加于直流上）
iC iE
U CB CONST
3. 特征频率
2014-6-10
fT
2014-6-10
1.3 双极型晶体管(三极管)
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 晶体管结构及类型 晶体管电流放大作用 晶体管共射特性曲线 晶体管主要参数 温度对晶体管特性几参数的影响 光电晶体管
重点难点
重点：晶体管放大原理、特性曲线。 难点：1.晶体管电流分配及控制
60OC 20OC
UBE UBE2UBE1
温度升高↑ 输入曲线左移（同二极管输入特性）
温度每升高1 oC，UBE减小2-2.5mV（负温度系数）
2014-6-10
三、温度对输出特性的影响
IC
60OC 20OC
i C
'
iC
i B
UC
E
温度升高↑曲线上移（间隔不等），β 、ICEO↑ 温度每升高1oC，β 增加0.5-1%，（ICBO增加1倍/10oC）
共射放大电路：（条件：发射结正偏，集电结反偏）
IC C
IB RB VBB
B UBE
RC UCE VCC
E
uo
2014-6-10
放大：输入电压微小变化，反映在输出中。
载流子运动（发射、复合、收集）
集电结反偏，有少子形 成的反向电流ICBO。
ICB
O
ICN
IC RC VC
C
IB
进入基区的电子少 部分与基区的空穴 复合，形成电流 IBN ，多数扩散到 Rb 集电结。
2.晶体管输入输出曲线 3.晶体管主要参数及意义
2014-6-10
常见三极管封装
81
3A X 1
3A X
3D G
4
3AD10
(a)
(b)
(c)
(d)
结构：有PNP型和NPN型；
材料：硅管和锗管； 功率：大功率管和小功率管；
2014-6-10
频率：高频管和低频管。
1.3.1 晶体管结构与类型
结构与类型
1.3.4 晶体管的主要参数
由三极管结构决定，由实验测得（一定范围）， 通常在半导体手册（元件手册）中查到。 分为： 直流参数
交流参数
极限参数（应用极限）。
2014-6-10
一、直流参数
1. 共射电流放大倍数
___
___
I C I CEO I C IB IB
___
IB对IC控制/放大能力 （几十~几百）
各极间电压电流关系（实验）
IC mA
IB
A
RB V UBE V
EC
UCE
EB
2014-6-10
测试实验电路
一、输入特性曲线
UCE=0V
iB f (u BE ) U
UCE =0.5V
CE Const
IB(A)
80
UCE 1V
工作压降： 硅管UBE0.6~0.7V 锗管BE0.2~0.3V。
一、温度对ICBO I/ICEO的影响 I CEO (1 ) I CBO
ICBO由集电结反向平衡少子漂移形成，
温度↑ 少子数目↑ ICBO ↑ 温度每升高10 oC，ICBO增加一倍（反向饱和电流）。 硅管比锗管ICBO小的多，温度影响小。
2014-6-10
二、温度对输入特性的影响 IB
IBN IEP IEN IE
集电结反偏， 极经发射结 扩散到基区 的电子作为 非平衡少子， 经集电结漂 移被C极收 集，形成ICN。
VB
B
发射结正偏，基区空 穴向发射区的扩散很 2014-6-10 小,可忽略。
发射结正偏，发 射区电子不断向 基区扩散，形成 发射极电流IEN。
二、各极电流分配关系(P25)
USB
（发射结正偏，最终导致集电结反偏正偏） U SB U BE 5 0.7 IB 0.061 mA RB 70 I B 50 0.061 mA 3.05m I Cmax (2mA ) I c I cmax 2mA UCE=0,集电结正偏 ！而非反偏！
Q2014-6-10 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍线性关系。
平衡少子漂移形成， 越小越好，温度敏感
A
I CEO (1 ) I CBO
A ICEO
ICBO
(a ) ICBO
(b ) ICEO
CB极间反向 饱和电流 2014-6-10
三极管极间反向电流的测量
CE极间 穿透电流
1.3.5 温度对特性及参数的影响
温度影响很大，过高温度导致性能下降，甚至不能用。
3. BJT是电流控制器件，还是电压控制器件？ 4. 放大电路输出端增加的能量是从哪里来的？ 5. 三极管如何用于开关电路（数字电路/模电区别）？
2014-6-10
小 结
晶体三极管是电流控制元件，通过控制基极电流或射极电
流可以控制集电极电流（电流可控性）。 要使三极管正常工作并有放大作用，管子的发射结必须正 向偏置，集电结必须反向偏置（必要条件）。 三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特 性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、，极 间反向电流Icbo、Iceo，极限参数ICM、PCM和BUCEO。 放大电路的构成：①有源器件，如晶体管。②要保证有源
表示直流 放大倍数
I CN I C I CBO I C ' I B I B I CBO I B
整理:
IC I B (1 ) ICBO I B ICEO
iC iB
ICEO集电结反向 饱和电流(可忽略)
交流放大 倍数
意义：(IB+ICBO) 对ICN的控制能力（内部）。
CB结平衡少子漂移形成 ICBO
IC=ICN+ICBO ICN
IC RC
CB结非平衡少子 漂移被C极收集
IB=IBN+IEP-ICBO
IB
ICBO
ICN
IBN Rb VB
B
VCC
IEP IEN IE IE=IEP+IENIEN
2014-6-10
外部关系：IE=IC+IB
三、共射电流放大系数
ICN与(IB)’之比称为共射电流放大倍数
例： =50， USC =12V，
RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，
IB B UBE C E
IC
RC UCE USC
晶体管的静态工作点Q位
于哪个区？ USB =2V时： （发射结正偏，集电结反偏）
RB
USB
U SB U BE 2 0.7 IB 0.019mA RB 70 I C I B 50 0.019mA 0.95mA
I < I (=2mA) ， Q 位于放大区。 C C max 2014-6-10
例： =50， USC =12V，
IC IB RB C E UCE USC RC
RB =70k， RC =6k
当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？ USB =5V时:
B UBE
2014-6-10
1.3.6 其它三极管
光电三极管（见课本P33）
三极管应用
模拟电路：线性放大（线性放大区） （精度、稳定性等）
数字电路：开关逻辑（截止/饱和区） （开关频率、功耗、可靠性）
2014-6-10
1. 既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相 联以构成一只BJT，试说明其理由。
2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？
目的:有利于电流的控制(放大)作用
1.3.2 电流分配（放大）作用
三种接法：（三极双端口网络）
IE=(1+β )IB
BJT的三种组态
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;