第4章双极型晶体管工作原理
第4_4章双极型晶体管工作原理
第4_4章双极型晶体管工作原理双极型晶体管是一种重要的电子元件，具有放大和开关功能，广泛应用于电子电路中。
本文将介绍双极型晶体管的工作原理。
双极型晶体管由三个区域组成：发射区（E区）、基区（B区）和集电区（C区）。
在NPN型晶体管中，发射区和集电区是n型掺杂的，基区是p型掺杂的。
而在PNP型晶体管中，发射区和集电区是p型掺杂的，基区是n型掺杂的。
晶体管的工作原理基于两种类型的载流子：电子和空穴。
当发射结（E-B结）正向偏置时，由于发射结的N区被正偏压，大量的电子从发射区流入基区。
同时，由于基区是p型掺杂的，产生少量的空穴也从基区边缘流入基区。
这部分电子和空穴相互复合，形成少量的基电流（IB）。
当基区中的电子与空穴复合时，会产生电子空穴对。
一部分电子空穴对会在发射区直接复合，其他一部分电子空穴对则会沿着集电结（C-B结）的反向偏压方向漂移到集电区。
当集电结的反向偏压增大时，漂移电子空穴对的数量也会增加。
这部分电荷即为集电电流（IC），是晶体管放大功能的基础，相对于输入电流（IB）来说，集电电流的增益较大。
当输入的基电流（IB）增大时，基区中的电荷密度增加，进一步增大了发射结和基极之间的流动电流。
这部分电流的增大会导致集电电流增大，从而形成电流放大。
双极型晶体管的放大倍数（β）即为集电电流与基电流之比，一般为几百到几千。
双极型晶体管还可以用作开关。
当发射结为截止状态时，由于发射区和基区之间没有导通的电子路径，基电流非常小，集电电流也非常小。
这时晶体管处于断开状态。
而当发射结为导通状态时，电子从发射区流入基区，通过基区的扩散到达集电区，形成较大的集电电流。
这时晶体管处于导通状态。
总结起来，双极型晶体管的工作原理主要基于电子和空穴的扩散、漂移和复合过程。
当发射结正向偏置时，电子从发射区流入基区，同时也有部分电流从基区向发射区反向流动，形成基电流。
而当集电结反向偏置时，电子空穴对在电场作用下漂移到集电区，形成集电流。
双极晶体管的开关原理
双极晶体管的开关原理一、双极晶体管开关作用机理双极晶体管，又称双极型晶体管，是一种固体半导体器件，其可实现电流的放大和开关功能。
其名称中的“双极”是指这种器件的两个电子传导方向由同一条半导体（即基区）引入到另一点（即发射极和集电极）。
在双极器件中电流只沿着基区通过，这就限制了少子和多子的浓度，也限制了集电极电流对发射极电流的倍数。
为了增大发射极电流，可通过将几个集电极接在一起构成共集放大电路来实现。
正因为这样，由于开关状态控制所需的输入电荷小、开关速度高以及输出电容小等特点，它为开关电路的实用化奠定了基础。
然而由于集电结电容和集电发射偏压的存在，增加了电路不稳定性。
一般地讲，低噪声电路，包括集成电路都要求工作在线性范围之内。
尽管半导体器件已经尽可能使结电容降到最小，而且我们利用适当的电路安排可以使该结电容成为零（在电路断态下），但由于元器件参数上的不匹配以及制造工艺问题（包括塑料封装时的注塑干涸）的影响，这样的理想情况很难做到。
因此在实际应用中应考虑使用并联电容或电感来补偿因结电容而产生的寄生效应。
双极晶体管的工作原理是基于三极管的电流控制作用，当基极电流增大时，集电极电流也相应增大。
但是，集电极电流的增加不会使集电极和发射极之间的电压降（集电极电阻）相应增大。
双极晶体管的开关作用是基于电子的注入。
在关闭状态下，基极电流非常小（微安级），此时集电极和发射极之间的电压降也最小（通常为几伏特）。
在开启状态下，注入更多的电子时，集电极和发射极之间的电压降会上升到几十伏特（约几百毫安）。
这种开关特性使得双极晶体管在各种电子设备中得到了广泛的应用。
三、双极晶体管工作条件1.集电极—基极间加电压Uc。
当集电极—基极间的电压Uc大于PN结的死区电压Uon（一般在0.6～0.7V左右）时，发射结正偏置，发射区的多数载流子（电子）通过PN结向基区扩散。
集电结的多数载流子（空穴）也向基区扩散。
当扩散到一定距离时，被集电极N+收集区收集；同时基区有等量的少数载流子（空穴）漂移到发射结（靠近基区一边）而终止。
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
双极型晶体管的电流放大作用原理
双极型晶体管的电流放大作用原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作原理、基本特性、主要参数
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
双极晶体管的工作原理
双极晶体管的工作原理
双极晶体管是一种半导体器件，用于控制电流流动并放大电信号。
它由三个区域组成：P型区域、N型区域和P型区域，其中N型区域在P型区域上方和下方，形成一个PNP结构。
这种结构使得双极晶体管能够控制电流的流动。
在正常工作时，双极晶体管的基极与发射极之间的电位差被用作控制电池。
当控制电池通电时，它创建了一个足够的电场来使P型区域中的空穴通过P-N结向N型区域流动。
这些空穴与N型区域中的电子相遇并产生复合效应，产生电流。
当控制电池关闭时，流动的电子和空穴即停止流动。
双极晶体管的工作原理基于PNP结构形成的电流放大器。
以一个简单的放大器电路为例，它由一个基极电阻、输入信号和一个电阻负载组成。
输入信号通过基极电阻传递到基极，这会在基极电路中产生一个小电流。
这个电流被放大器电路进行增加，最后通过电阻负载传递到输出端口。
这种放大的效果是通过控制电池的大小来实现的，它控制了从基极向发射极流动的电流。
一旦控制电池变大，电流就开始流动；如果控制电池变小，电流就会停止。
这是因为控制电池决定了PNP结中从基极向发射极的电流量。
总之，双极晶体管的工作原理基于PNP结构形成的电流放大器，通过控制电池的大小来实现电流流动控制和信号放大。
第四章异质结双极型晶体管ppt课件
图4.5 npn HBT中的载流子输运示意图
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化合物半导体器件
4.2 HBT的增益
4.2.3 HBT增益与温度的关系
图4.7 不同温度下SiGe HBT电流增益(β= IC/ IB ) 与集电极电流的关系
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化合物半导体器件
第四章 异质结双极型晶体管
• HBT的基本结构 • HBT的增益 • HBT的频率特性 • 先进的HBT
①HBT:Heterojunctiong Bipolar Transistor，
异质结双极晶体管
②HBT的能带结构特点：
a.宽禁带的e区： 利于提高γ；
b.窄禁带的b区： Eg小于b、c区；
c.pn结： 异质的eb结； 同质或异质的cb结。
③HBT的基本结构
图4.1 npn HBT结构的截面图
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化合物半导体器件
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化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.5 突变发射结、缓变基区HBT
①两个重要的影响因素： ②总的τB： ③ΔEC和ΔEgB要适中： ④νd与ΔEC和ΔEgB的关系 ： ⑤电流增益：
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化合物半导体器件
第四章 异质结双极型晶体管
• HBT的基本结构 • HBT的增益 • HBT的频率特性 • 先进的HBT
好处： ①可阻止空穴从基区向集电区注入； ②增大了击穿电压； ③减小了漏电流。
图4.9 双异质结的能带（发射区和 集电区都采用宽带隙半导体）
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化合物半导体器件
第四章 异质结双极型晶体管
• HBT的基本结构 • HBT的增益 • HBT的频率特性 • 先进的HBT
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化合物半导体器件
4.4 先进的HBT
N N E Bexp E gE k 0T E gB N N E Bexp k0 E T g
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管工作原理双极型晶体管（BJT）是一种常见的电子器件，其工作原理基于PN结的导电特性。
BJT有三个电极，分别是基极（base）、发射极（emitter）和集电极（collector）。
BJT是一种由两个PN结组成的三层结构，有两种类型：NPN型和PNP型。
NPN型的BJT中，基极是P型半导体，发射极是N型半导体，集电极是P型半导体。
PNP型的BJT中，基极是N型半导体，发射极是P型半导体，集电极是N型半导体。
当正向偏置施加在PN结上时，使得发射结正向偏置而集电结反向偏置。
这导致基区中的载流子浓度增加，使得基区变得导电。
当在基极-发射极之间施加一个小的输入电压时，基区中的浓度变化，导致发射极-基极电流（IE）的变化。
根据BJT的放大特性，这个微小的输入电流变化将导致集电极-发射极电流（IC）的大幅度变化。
因此，BJT可以作为电流放大器使用。
通过控制基极-发射极电流，可以得到更大的集电极-发射极电流。
这使得BJT适用于放大和开关电路。
在放大器中，输入信号通过调节基极-发射极电流来放大输出信号。
在开关电路中，可以在集电极-发射极之间形成开关效应。
需要注意的是，BJT的工作原理受到PN结正向偏置、反向偏置和饱和的影响。
在正常工作区域内，BJT是活跃的，并能放大电信号。
然而，当发射极-基极电流超过一定限制时，BJT会进入饱和区，导致性能下降。
总结起来，双极型晶体管的工作原理是通过控制基极-发射极电流来放大集电极-发射极电流。
这使得BJT成为一种重要的电子元件，在电路中广泛应用于放大和开关的功能。
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b
IB RB
IC IE ICBO IE
UBB
IB (1 )IE ICBO (1 )IE
IE IC IB
c IC
ICN
N RC
IBN
P
15V
IEN N+ UCC
e IE
第4章双极型晶体管工作原理
由于 和 都是反映晶体管基区扩散与复合的比例
关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内
b
发发
发发
发 发 b iB
发发
iE
e
iE
e
iC c
e
共发射极
c 共集电极
b
共基极
其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论
共发射极伏安特性曲线。 第4章双极型晶体管工作原理
晶体管共发射极特性曲线
晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这
两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出
来，也可以用图示电路逐点测出。
b IB RB
U BB
这是今后电路分析中常用的关系式。
N RC
e IE
P
15V
N+ UCC
第4章双极型晶体管工作原理
2.为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流 IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为
ICN IC ICBO IC
I EN
IE
IE
显然， <1，一般约为0.97~0.99。 根据上式，不难求得
集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。
通过对管内载流子传输 的讨论可以看出，在晶体管 中，窄的基区将发射结和集
c
IC
ICBO
I CN
N RC
电结紧密地联系在一起。从
b
而把正偏下发射结的正向电 流几呼全部地传输到反偏的 集电结回路中去。这是晶体
IB R
B
I BN I EP
P
15V
N+
U CC
发发发
c
发发发
b 基极
e 发射区
b
SiO2 绝缘层
b
e
NPN发
c
发射结
N＋
P
b
集电结
集电区
N 型外延 N＋ 衬衬底底
基区
e PNP发
c 第4章双极型晶体管工作原理
晶体管类型
｛ ｛ ｛ 发 发 发 发 发 发
PNP发 ( 3Axx) 发发
NPN发 ( 3Bxx) PNP发 ( 3Cxx) 发发
NPN发 ( 3Dxx)
b IB
IE IC IB (1 )IB ICEO
RB
IB IE IC
UBB
式中
ICEO (1
)I 称为穿透电流
第4章CB双O极型晶体管工作原理
IBN
P
15V
IEN N+ UCC
e IE
由于ICBO极小，在忽略其影响时，晶体管三个电极
上的电流近似有：
c
IC
IC
IB
IC IB I E (1 )I B
4.4 双极性晶体管
双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有 三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以 后我们统称为晶体管。常见的晶体管其外形如图示。
大功率达林顿晶体管
第4章双极型晶体管工作原理
晶体管的结构及电路符号
发发发 发发发
c
e
发发发
NPN++
发 发发发射区
NP
发 发P
PNN
I
EN
管能实现放大功能的关键所 U BB
在。
e IE
第4章双极型晶体管工作原理
二. 电流分配关系
由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载 流子传输形成的电流之间有如下关系：
IE IEN IBN ICN IB IBN ICBO IBN
c IC
I CBO
ICN
N RC
IC ICN ICBO ICN
N＋ 衬衬底衬
c
SiO2 衬衬衬 衬衬衬
发发
4.4.1 晶体管的工作原理
一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程 当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，
管内载流子的运动情况可用下图说明。
①.发射区向基区注入电子
c
IEP << IEN ， 发射极电流IE≈IEN。
②.电子在基区中边扩散边复合 b
一、 共射输出特性曲线是以
iB为参变量时，iC与uCE间的 关系曲线，即
iC f (uCE ) iB 常数
RB U BB
iC
iB
mA
＋
u BE V －
＋ RC
mA
－
U ＋
CC
V uCE
－
实测的共射输出特性曲线如图下所示:
第4章双极型晶体管工作原理
共发射极输出特性曲线
△ B
e
△IEN
I
IE + △IE
15V
UCC
第4章双极型晶体管工作原理
4.4.2 晶体管伏安特性曲线及参数
晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输
出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个
回路。实际中有共发射极、共集电极和共基极三种基本
接法，如图所示。
iC
c
iB
例如：3DG6 即为硅NPN型高频小功率管。
3AX18即为锗PNP型低频小功率管。
• 为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构：
①.发射区相对基区要重掺杂；
发发发 e b
②.基区要很窄（2微米以下）；
③.集电结面积要大于发射结面积。衬 衬 衬
N＋
P
第4章双极型晶体管工作原理
发 发 发 N 型衬 外衬 延衬
在联系。由 、 的定义可得
ICN ICN IEN IBN IEN ICN IEN IEN 1
IIC EN NIBNI CN ICNIBN IB NIBN1
第4章双极型晶体管工作原理
三. 晶体管的放大作用
c IC +△IC
I CN △ICN RC △Ｕ＝ＲＣ△IC
_ u i +b
IB+ △ IB
形成基区复合电流IBN ,为基
IBN
IB
极电流IB的主要部分
R
B
③. 电子被集电区收集
I EP
形成集电区收集电流ICN ,
U BB
e
为集电极电流IC的主要部分。
• 根据电荷第4守章双衡极有型晶I体C管N工+作IB原N理=IEN
IC
ICN
IEN IE
N
RC
ECB
P
15V
N+
U CC
④. 集电结少子漂移
b
可见，在放大状态下，晶体管
三个电极上的电流不是孤立的， RB IB
它们能够反映非平衡少子在基区
扩散与复合的比例关系。这一比 U BB
例关系主要由基区宽度、掺杂浓
IBN
P
15V
N+ UCC
I
EN
e IE
度等因素决定，管子做好后就基
本确定了。
第4章双极型晶体管工作原理
1.为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之 间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为
ICN IC ICBO
IBN IB ICBO
IB IBN ICBO IC ICN ICBO
其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集
电区去。 值一般在20~200之间。 确定了 值之后，可得
c IC
ICBO
ICN
N RC
IC IB (1 )ICBO IB ICEO