第2章 半导体三极管Semiconductor Diode.docx
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第2章半导体三极管SemiconductorDiode
第2章半导体三极管(SemiconductorDiode)
2.1双极型三极管
教学要求:
1.掌握晶体三极管的工作原理;
2.理解晶体三极管的输入、输出特性曲线;
3.了解晶体三极管的主要参数。
一、晶体三极管(SemiconductorTransistor)
利用特殊工艺将两个PN结结合在一起就构成了双极型三极管。
1.结构和符号:
结构特点:
e区掺杂浓度最高,b区薄,掺杂浓度最底;c区面积最大。
分类:
构成材料:
硅管、锗管 结 构:
PNP、NPN 使用频率:
低频管、高频管
功 率:
小功率管、中功率管、大功率管
2.电流放大原理
(1)放大条件
内部条件:
e区掺杂浓度最高,b区薄,掺杂浓度最底;c区面积最大。
外部条件:
发射结(e结)加正向偏置电压,集电结(c结)加反向偏置电压。
电位条件:
NPN型:
Vc>Vb>Ve;PNP型:
Vc<Vb<Ve
电压数值:
UBE:
硅0.5-0.8V, 锗0.1-0.3V
UCB:
几伏——十几伏
UCE:
UCE=UCB+UBE 几伏——+几伏
(2)三极管内部(NPN型为例)
1)发射区不断向基区注入多子(电子),形成发射极电流IE。
2)向发射区扩散的基区多子(空穴)因数量小被忽略。
这样,到达基区的电子多数向BC结方向扩散形成ICN。
少数与空穴复合,形成IBN。
基区空穴来源主要来自基极电源提供(IB)和集电区少子漂移(ICBO)。
即IBNIB+ICBO,IB=IBN–ICBO
3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC,IC=ICN+ICBO。
(4)三极管各极电流之间的分配关系 IB=IBNICBO,IC=ICN+ICBO
当管子制成后,发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定,故电流的比例关系确定,即:
二、晶体三极管的特性曲线
1.输入特性曲线:
由输入回路可写出三极管的输入特性的函数式为iB=f(uBE),uCE=常数。
实测的某NPN型硅三极管的输入特性曲线如下图(b)所示,由图可见曲线形状与二极管的伏安特性相类似,不过,它与uCE有关,uCE=1V的输入特性曲线比uCE=0V的曲线向右移动了一段距离,即uCE增大曲线向右移,但当uCE>1V后,曲线右移距离很小,可以近似认为与uCE=1V时的曲线重合,所以下图(b)中只画出两条曲线,在实际使用中,uCE总是大于1V的。
由图可见,只有uBE大于05V(该电压称为死区电压)后,iB才随uBE的增大迅速增大,正常工作时管压降uBE约为0.6~0.8V,通常取0.7V,称之为导通电压uBE(on)。
对锗管,死区电压约为0.1V,正常工作时管压降uBE的值约为0.2~0.3V,导通电压uBE(on)≈0.2V。
2.输出特性曲线
输出回路的输出特性方程为:
iC=f(uCE),iB=常数;晶体三极管的输出特性曲线分为截止、饱和和放大三个区,每区各有其特点:
(1)截止区:
IB≤0,IC=ICEO≈0,此时两个PN结均反向偏置。
(2)放大区:
IC=βIB+ICEO ,此时发射结正向偏置,集电结反向偏置,特性曲线比较平坦且等间距。
Ic受IB控制,IB一定时,Ic不随UCE而变化。
(3)饱和区:
uCE 曲线上升部分uCE很小,uCE=uBE时,达到临界饱和,深度饱和时,硅管UCE(SAT)=0.3V,锗管UCE(SAT)=0.1V。 3.温度对特性曲线的影响 (1)温度升高,输入特性曲线向左移。 温度每升高1C,UBE(22.5)mV。 温度每升高10C,ICBO约增大1倍。 (2)温度升高,输出特性曲线向上移。 温度每升高1C,(0.51)%。 输出特性曲线间距增大。 三、晶体三极管的主要参数 1.电流放大系数 (1)共发射极电流放大系数: β(β)为直流(交流)电流放大系数β=IC/IB(β=ΔiC/ΔiB)。 (2)共基极电流放大系数: α=β/(1+β),1一般在0.98以上。 2.极间反向饱和电流: CB极间反向饱和电流ICBO,CE极间反向饱和电流ICEO。 ICBO、ICEO均随温度的升高而增大。 3.极限参数: ICM: 集电极最大允许电流,超过时值明显降低; PCM: 集电极最大允许功率损耗; U(BR)CEO: 基极开路时C、E极间反向击穿电压; U(BR)CBO: 发射极开路时C、B极间反向击穿电压。 U(BR)EBO: 集电极极开路时E、B极间反向击穿电压; U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO 2.3三极管电路的基本分析方法 教学要求 1.掌握三极管电路的直流电路画法及分析方法; 2.掌握三极管电路的交流电路画法及分析方法; 3.熟悉三极管小信号等效电路的分析方法。 一、概述 三极管为非线型器件,对含有这些器件的电路进行分析时,可采用适当的近似方法,按线性电路来处理。 利用叠加定理可对电路中的交、直流成分分别进行分析。 直流分析(静态分析): 只研究在直流电源作用下,电路中各直流量的大小称为直流分析(或称为静态 分析),由此而确定的各极直流电压和电流称为直流工作点(或称静态工作点)参量。 交流分析(动态分析): 当外电路接入交流信号后,为了确定叠加在静态工作点上的各交流量而进行的分析,称为交流分析(或称为动态分析)。 方法: 图解法: 在输入、输出特性图上画交、直流负载线,求静态工作点“Q”,分析动态波形及失真等。 微变等效电路法 根据发射结导通压降估算“Q”。 再用等效电路法分析计算小信号交流通路的电路动态参数。 电量参数的表示: BB,B表示主要符号,大写表示该电量是与时间无关的量(直流、平均值、有效值),小写表示该电量是随时间而变化的量(瞬时值)。 B为下标符号,大写表示直流量或总电量(总最大值,总瞬时值);小写表示交流分量。 二、直流分析 1.图解分析法: 在三极管的特性曲线上用作图的方法求得电路中各直流电流、电压量大小的方法,称 为图解分析法。 晶体三极管电路如下图(a)所示,三极管的输入、输出特性曲线分别示于下图(b)、(c)中。 2.工程近似分析法 三、交流分析 1.动态图解分析: 三极管电路动态工作时的电流、电压、可利用三极管特性曲线,通过作图来求得。 现通过例题来说明动态图解分析过程。 例.三极管电路如下图(a)所示,交流电压ui通过电容C加到三极管的基极,设C对交流〖JP2〗信号的容抗为零;三极管采用硅管,其输入、输出特性曲线如下图b)所示。 已知ui=10sinωt(mV),试用图解法求该电路各交流电压和电流值。 解: (1)输入回路图解先令ui=0,由图(a)可得IBQ=(VBB-UBE(on))/RB=(6V-0.7V)/176kΩ=0.03mA=30μA由此可在图(b)的输入特性曲线上确定基极回路的静态工作点Q。 若输入交流信号ui,它在基极回路与直流电压UBEQ相叠加,使得三极管B、E极之间的电压uBE在原有直流电压UBEQ的基础上,按ui的变化规律而变化,即uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsinωt,其波形如图(b)中①所示。 根据uBE的变化 (2)输出回路的图解根据VCC及RC值可在上图(b)所示输出特性曲线中作出直流负载线NM,它与iB=TBIBQ=30μA的输出特性曲线相交于Q点,Q点便是集电极回路的直流工作点。 由图可知,其对应的ICQ=3mA、UCEQ=3V。 随着基极电流的变化,负载线MN与输出特性曲线簇的交点也随之变化。 按基极电流iB在不同时间的数值,找出相应的输出特性曲线及其与负载线MN的交点,便可画出集电极电流iC和C、E极间电压uCE的波形,如上图(b)中③、④所示,由图可知,输出电流iC和输出电压uCE都在原来静态直流的基础上叠加了一交流量。 由于输出特性曲线间距近似相等,故ic与ib成正比,因此,有iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsinωt,uCE=UCEQ+uce=UCEQ+Ucemsin(ωt-180°),式中,uce=-icRC,Ucem=IcmRC。 由上图(b)可读出iC的瞬时值在2~4mA之间变动,ic的幅度Icm=1mA;而uCE的瞬时值在2~4V之间变动,uce的幅度Ucem=1V。 可见,Ucem>Uim,电路实现了交流电压放大作用。 此外,可看出uce波形与ui波形的相位相差180°(即反相关系)。 2.小信号等效电路分析法(微变等效) 输入信号过小时,用图解法进行交流分析误差较大,通常采用微变等效电路来分析。 (1)晶体三极管电路小信号等效电路分析方法 晶体三极管H(Hybrid)参数小信号电路模型等效依据: 交流信号很小时,三极管的动态参数呈线性变化,此时,三极管各极交流电压、电流的关系近似为线性关系。 rbe(hie)——三极管输出端交流短路时的输入电阻。 其值与三极管的静态工作点Q有关。 rbb´——三极管基区体电阻。 对于低频小功率管 rbb´约为200Ω。 输入端口: 从输入端看进去,相当于电阻rbe。 输出端口: 从输出端看进去,相当于一个受ib控制的电流源。 ic=βib,β相当于H参数模型中的Hfe。 晶体三极管电路的交流分析 分析步骤: A.分析直流电路,求出“Q”点上各直流电压和电流,计算rbe; B.画出电路的交流通路,并在交流通路上把三极管画成H参数模型。 C.利用叠加定理分析计算“Q”点上各极的交流量。 (2)场效应管电路小信号等效电路分析法 2.4三极管的测试与应用 教学要求 1.悉晶体三极管的外形及引脚识别方法; 2.用万用表检测半导体三极管性能的方法; 3.握三极管应用电路的测试方法。 一、三极管使用的基本知识 (一)外型及引脚排列 (二)晶体三极管的检测方法 1.用万用表检测晶体三极管的方法 基极判别: 将万用表置于R×1K挡,用红黑表笔搭接三极管的任意两管脚,如测得阻值大于几百千欧,将红黑表 极为集电极;如果万用表指针偏转较小,则与红表笔相连的极为集电极。 2.使用指针式万用表应注意的事项: R1k挡进行测量;红表笔是(表内)负极,黑表笔是(表内)正极。 测量时手不要接触引脚。 3.数字万用表的使用 接用电阻挡的 挡,分别测量判断两个结的好坏;插入三极管挡(hFE),测量值或判断管型及管脚。 注意事项: (1)红表笔是(表内电源)正极;黑表笔是(表内电源)负极。 (2)NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔。 (3)需要准确测量 (三)晶体三极管的选用 1.根据电路工作频率选择高、低频管。 2.根据电路实际工作要求选择管耗PCM、最大集电极电流ICM、反向击穿电压U(BR)CEO及电源电压VCC。 要保证: PCM>PCm,ICM>ICm,U(BR)CEO>VCC 3.三极管值的选择,在40~100之间为好,9013、9014等低噪声、高的管子不受此限制。 4.选用管子的穿透电流ICEO越小越好,硅管比锗管的小。
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