PPT3 第1章 晶体管(3) 1.3 晶体三极管传输特性及其数学模型 背靠背的pn结—三极管工作原理

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1 PPT3 第1章 晶体管(3) 1.3 晶体三极管传输特性及其数学模型 1.3.1 背靠背的pn结—三极管工作原理
1.3 晶体三极管传输特性及其数学模型 背靠背的pn结—三极管工作原理 三极管输入、传输、输出三特性及其饱和 三极管数理模型 1. 三极管极性-NPN BJT与PNP BJT及其电流方向 2. 三极管数理模型 1.4 三极管技术参数及测试应用 三极管技术参数 三极管测试鉴别 三极管产品形态 三极管封装应用

2 本节要务 三极管工作原理 1. 内因：结构尺寸及各区有别掺杂 外因：发射结正偏、集电结反偏 2. 三极管三特性
1. 内因：结构尺寸及各区有别掺杂 外因：发射结正偏、集电结反偏 2. 三极管三特性 艾碧顺着发射结,携来电子多如云;小小艾碧大艾西,艾西顺着艾碧循。 艾西电压落电阻,剩余才给集射极;集射压降太少了,管子饱和限艾西。 3. 三极管主参数—电流放大倍数β值

3 (a) 背靠背的pn结结构 (b) 晶体管符号
1.3 晶体三极管及其数理模型 1.3.1 背靠背的PN结—BJT原理 1. BJT结构的两个特点 ① 尺寸: 基区很薄,其厚度只有1μm~10μm。 ② 掺杂浓度: 基区<集电区<发射区。NPN型BJT发射区自由电子浓度是基区空穴浓度的100倍以上。 三区三极两个结 (a) 背靠背的pn结结构 (b) 晶体管符号 图 背靠背的pn结—晶体三极管 2. 影响各电流形成的四个因素 以NPN型BJT为例，有如下四个因素影响各电流的形成。 (1) 基区尺寸很小. 尺寸很小的基区好像狭窄的山梁拥挤不堪。 (2) 基区空穴浓度很低. (3) 发射区自由电子浓度很高 (4) 集电区尺寸较大并接有正电源，对基区的电子有吸引力 NPN三极管放大时的电压特征 : Uc>>Ub>Ue BJT功耗近似计算公式 P≈UceIc (1.3.1)

4 百度知道 A b 提问：模拟电路的数个问题(为什么集电结反偏不影响晶体管工作？) A b :26 好比喻，怎么想到的。。。。。。 一叶扁舟轻轻地 :08 做了几十年了，就像学游泳，呛到嘴里的水喝得太多了，终于懂得了一点点水性。本友很笨，都是憋出来的，哈哈哈！

5 图1.3.2 BJT实验电路 图1.3.3 BJT集-射恒压输入特性曲线
三极管三特性 1. 三极管输入特性—基极电流与发射结电压的关系 图 BJT实验电路 图 BJT集-射恒压输入特性曲线 图 BJT实验电路 图 BJT实际输入特性曲线及直线拟合 BJT输入特性曲线的斜率叫做交流输入电阻，简称输入电阻，用rbe表示。 BJT输入特性的数值化及简化可参照二极管(pn结)的四个模型进行。

6 公式(1.3.2)是整个模拟电子技术中最常用的，必须给予足够重视。 rbe计算公式(1.3.2)使用技巧
BJT输入电阻计算公式 或 或 (1.3.2) 公式(1.3.2)是整个模拟电子技术中最常用的，必须给予足够重视。 rbe计算公式(1.3.2)使用技巧 1) 灵活选用，已知Ib、Ic、Ie时各用第一、二、三个公式。 2) 计算rbe时UT单位应使用mV，电流Ib、Ic或Ie单位应使用mA，这样所计算rb’e的单位是Ω，与rbb‘单位相同，便于直接相加，不易出错。还应记住常温条件下UT=26mV。 3) rbb‘=200Ω~300Ω，作为一个已知条件使用。未给定rbb‘时，可以令rbb‘=200Ω或300Ω进行试算。

7 2. 三极管传输特性—基极电流放大为集电极电流 根据图1.3.4 可写出
(1.3.3) 该式代表了BJT实验电路中集-射压降Uce与集电极电流Ic的逻辑关系。从能量看，Uce是BJT放大电流的净动力。从逻辑关系看，Uce是一个派生参数，说明BJT主电极接有电阻时，净能量受到电阻的限制。 图 BJT传输特性曲线 从(1.3.3)可看出，基极电流较大、放大的集电极电流也较大时，由于电阻Rc压降的影响，BJT集-射压降作为一个派生参数，自然降低为很小的数值。 基极电流很大但集-射压降很小时，集电极电流不再与基极电流同比上升，原因是集-射压降小就意味着BJT净动力少。把基极电流很大，集-射压降变得很小，外部动力不足，基极电流消化不了的现象，叫做饱和。BJT饱和就像动物吃撑了难以消化。

8 图1.3.7 某型BJT输出特性曲线族 图1.3.8 某型BJT工作区与红灯区
3. 三极管输出特性—集-射压降对集电极电流的影响 图 某型BJT输出特性曲线族 图 某型BJT工作区与红灯区 BJT输出特性曲线的功能 (1) 电流放大倍数β (2) 输出电阻rce (3) 集-射漏电流Iceo (4) 集-射击穿电压U(br)ceo 实际能从输出特性曲线上得到的数据只有U(br)ceo、β和U(br)ceo。 例1.3.1 试从图1.3.7读取某晶体管β值、U(br)ceo和极限功率PCM。 解 从最右一条输出特性曲线可看出，ib=0.8mA时，ic≈30mA，由此计算 β=ic/ib≈30/0.8=37.5倍。读出U(br)ceo=50V。从虚线任取一点uce=20V，ic=10mA，由此计算该型BJT极限耗散功率PCM=20×10mW=200mW。

9 4. 三极管的饱和 图1.3.9饱和原因是随着ic增长，uce太小即电能供应缺乏。认为饱和压降Uce(sat)=0，可由电流比对法或电阻比对法判断BJT甲类饱和 βib≥Ucc/Rc (1.3.4) Rb≤βRc (1.3.4a) 甲类饱和时电流放大能力利用率 (1.3.4b) 图 BJT的甲类饱和 根据δβ>1、=1及<1，也可判断管子处于放大、临界或饱和状态。

10 2012年注册电气工程师执业资格考试专业基础第28题
解 图a、d无偏置，晶体管截止，图b电源方向错了，晶体管根本不能工作。 对于图c，用电阻比对法判断。 Rb=510kΩ，βRc=50×5.1kΩ=255kΩ Rb>βRc 判断该图晶体管处于放大状态，选答案C

11 5. 三极管极性—NPN BJT与PNP BJT及各电流方向
(a) 符号 (b) 输入特性曲线 (c) 输出特性曲线族 图 NPN晶体管符号、输入特性曲线及输出特性曲线族 (a) 符号 (b) 输入特性曲线 (c) 输出特性曲线族 图 PNP晶体管符号、输入特性曲线及输出特性曲线族

12 三极管集电极和发射极电流与基极的关系各为
ic=βib ie=ib+βib=(β+1)ib ic稍小于发射极电流ie。通常可认为β+1≈β、ie≈ic。 基极电流ib只能顺着发射结正向流动，小小ib放大成为大大的集电极电流ic，ic方向受控于ib，ic方向自然与ib一致，ic优先在电阻Rc上产生电压降，剩余才是集射极压降uce，uce太少了又反过来限制ic的客观规律，可用口诀来形容。 艾碧顺着发射结，携来电子多如云；小小艾碧大艾西，艾西顺着艾碧循。 艾西电压落电阻，剩余才给集射极；集射压降太少了，管子饱和限艾西。 BJT图形符号的发射结箭头有三个功能。 (1) 箭头代表管子发射结 (2) 箭头方向指示管子极性 箭头从基极指向发射极即从里指向外，代表NPN管，否则为PNP管。 (3) 箭头表明基极电流方向及发射极电流方向 BJT符号的箭头功能很多，画图时一定要按照应有方向将其画在正确位置上。

13 图1.3.12(d) BJT的直流数理模型(直流CCCS)
按照近似程度，BJT数理模型分为非线性模型和线性化模型。非线性模型有埃伯斯-莫尔模型(Ebers-Moll模型，EM模型)，1954年Ebers和Moll提出；葛牟-潘模型(Gummel-Poon模型，GP模型)，1970年Gummel和Poon提出。非线性模型全面但复杂。GP模型有几十个参数。本课程主要介绍线性化模型。 按照信号，BJT模型首先分为直流模型与交流模型。 1. 直流数理模型 忽略管子输入电阻rbe等参数，BJT可以等效为图1.3.12(d)所示直流CCCS数理模型。 图1.3.12(d) BJT的直流数理模型(直流CCCS)

14 按照工作频率，BJT线性化数理模型又可分为中低频数理模型和高频数理模型。
2. 交流数理模型 按照工作频率，BJT线性化数理模型又可分为中低频数理模型和高频数理模型。 1) H四参数数理模型 (1.3.6) 其中 (β) (rbe) (hre≈0.001) (1/rce) 理想hoe→0，rce→∞。

15 2) H三参数数理模型(β、rbe、rce模型)
通常hre≈0.001，认为hre =0，晶体管H四参数模型就简化为H三参数模型。H三参数模型实质就是基极电流控制的电流源，简称为流控电流源(CCCS)，见图1.2.13。 图 H三参数 数理模型的交流等效电路 (1.3.6a) H三参数数理模型中，第一个式子显得尤为重要，故经常写为 (1.3.6b) H三参数模型可用于分析有源负载放大器等. 3) H两参数数理模型(β、rbe模型) 通常rce约为100kΩ。作为CCCS的内阻，可认为rce →∞。 认为rce →∞时， CCCS简化为理想CCCS，见图1.3.14。 (1.3.6c) 或 (1.3.6d) 图 BJT两参数 数理模型的交流等效电路 或 (1.3.6e)

16 4) 高频数理模型 (a) (b) (c) 图 BJT高频数学模型 由于极间分布电容影响，工作频率很高时BJT的β值将下降且非实数。把BJT的β值下降到正常值的70.7%(增益下降3dB)时的工作频率称为管子的截止频率，用fβ表示，把β下降到|β|=1时的工作频率称为特征频率，用fT表示。 或 或 (1.3.7) 在(1.3.7a)中令|β|=1即得到 BJT的特征频率fT与截止频率fβ的关系为 (1.3.8) fT≈β0fβ 特征频率fT也叫管子的增益带宽积。手册给定BJT管子的特征频率fT。

17 1.4 三极管技术参数及测试应用(1) 1.4.1 三极管技术参数 1. 中低频电流放大倍数β 2. 集电极最大允许电流ICM
1.4 三极管技术参数及测试应用(1) 三极管技术参数 1. 中低频电流放大倍数β 2. 集电极最大允许电流ICM 3. 集-射击穿电压U(br)ceo (分类指标) 4. 集电极最大允许耗散功率PCM(分类指标) 5. 截止频率fβ、特征频率fT (fT为分类指标) 6. 输入电阻rbe 应用非常广泛，计算公式非常重要 7. 输出电阻rce Ic越小， rce越大。Ic为mA级时rce≈100ｋΩ 8. 极间漏电流 9. 发射结反向耐压 图 Icbo检测电路 图 Iceo检测电路

18 1.4 三极管技术参数及测试应用(2) 10. 有关参数的温度系数 (1) 电流放大倍数β的温度系数θ 数值θ=0.5%~1%/ºC
1.4 三极管技术参数及测试应用(2) 10. 有关参数的温度系数 (1) 电流放大倍数β的温度系数θ 数值θ=0.5%~1%/ºC (2) 发射结压降Ube的温度系数λ 数值λ=-2mV/ºC (3) 反向漏电流Icbo、Iceo的温度系数 温度每上升10ºC，晶体管的Icbo大约增加1倍。 11. BJT技术参数的分类—个性参数和共性参数 (1) 个性参数：第1~6项 (2) 共性参数：第7~9项

19 2009年注册电气工程师(发输变电)职业资格考试专业基础第22题
点评 这是模拟电子学的基本常识。

20 1.4 三极管技术参数及测试应用(3) 1.4.2 三极管测试鉴别 1. BJT种类
1.4 三极管技术参数及测试应用(3) 三极管测试鉴别 1. BJT种类 (1) 低压晶体管、中压晶体管与高压晶体管(高反压晶体管) 击穿电压Ubr(ceo)<100V、100V≤Ubr(ceo)<800V，Ubr(ceo)≥800V的管子各叫低压晶体管、中压晶体管和高压晶体管。 (2) 低频晶体管、中频晶体管与高频晶体管 特征频率fT<3MHz的晶体管叫做低频晶体管，3MHz≤fT<30MHz的晶体管叫做中频晶体管，fT≥30MHz的晶体管叫做高频晶体管。 (3) 小功率晶体管、中功率晶体管与大功率晶体管 极限功率PCM<500mW、500mW≤PCM<5W、PCM≥5W的晶体管各称为小功率晶体管、中功率晶体管、大功率晶体管。 按照材料，BJT分为硅晶体管、锗晶体管及砷化镓晶体管等。 按照极性，BJT分为NPN晶体管与PNP晶体管。

21 1.4 三极管技术参数及测试应用(4) 2. BJT型号命名方法 国产三极管型号由四部分组成: 第一部分：电极数，以数字3表示。
1.4 三极管技术参数及测试应用(4) 2. BJT型号命名方法 国产三极管型号由四部分组成: 第一部分：电极数，以数字3表示。 第二部分：材料和管子极性，以大写字母A,B,C,D表示 A代表PNP锗管，B代表NPN锗管 C代表PNP硅管，D代表NPN硅管 第三部分：频率及功率功能，大写字母X,G,D,A,T X代表低频小功率管，G代表高频小功率管 D代表低频大功率管，A代表高频大功率管 T代表晶体闸流管(可控硅，SCR)。 第四部分：参数规格，以数字字母表示。 例如，3DG12表示硅材料NPN高频中功率三极管。

22 1.4 三极管技术参数及测试应用(5) 日产晶体管型号开头的数字代表pn结数 二极管以数字1开头，三极管以数字2开头
1.4 三极管技术参数及测试应用(5) 日产晶体管型号开头的数字代表pn结数 二极管以数字1开头，三极管以数字2开头 2SC1815是日本产塑封小功率三极管； 9012、9013是韩国产三极管，β≈100~300倍 9012为PNP管，9013为NPN管。 常见BJT及其参数如下 3DG12： NPN，β=40~80倍，300mA，50V，700mW fT=150MHz； 2SC1815：NPN，100倍以上，150mA，60V，400mW； 9013(NPN)，9012(PNP)：β≈100~300倍,100mA,50V,500mW

23 手指电阻估测法简便实用，可估计BJT有无电流放大能力。 4. BJT极性、材料及管脚鉴别
图 借助手指电阻估测 图 借助手指电阻估测 NPN管子放大能力 PNP管子放大能力 手指电阻估测法简便实用，可估计BJT有无电流放大能力。 4. BJT极性、材料及管脚鉴别 不同晶体管有以下个性：(1) 内部两个pn结的公共极不同；(2) 电流大小及方向各不相同；(3) 电压大小及方向各不相同。 鉴别BJT极性、材料及管脚，有型号识别法、电流比对法、电压比对法及仪表测量法等。

24 1) 型号识别法 三极管型号包含极性、材料、管脚等信息。型号识别法效率最高，应优先掌握。 应会识别国产晶体管3DG12、3CG12及常用进口管C9013、9012，C1815、A1015的极性及材料。

25 2) 电流比对法 根据BJT管Ie>Ic>>Ib，NPN管基极电流流进管子，可判断电流居间的是集电极，最大的是发射极，最小的是基极。若基极电流流进管子，则为NPN管，否则为PNP管。 能判别管子极性及各脚功能并识别β值，但不能判别材料。 3) 电压比对法 由管子放大时发射结正偏、集电结反偏知，BJT具有基极电压接近发射极、集电极电压明显不同于另两极电压，NPN管Uc>>Ub>Ue、PNP管Uc<<Ub<Ue等基本特征。给定三电压，可判断电压居间的为基极B，电压特高，似鹤立鸡群，为集电极，电压比基极低0.2V~0.7V的为发射极，管子为NPN管；电压特低，似鱼翔浅底，也是集电极，电压比基极高0.2V~0.7V的为发射极，管子为PNP管。基极发射极电压差0.2V~0.3V为锗管，差0.6V~0.7V为硅管。 能判别管子极性及各脚功能并判别材料，但不能识别β值 。

26 4) 仪表测试法 a) 指针万用表 万用表置于电阻档。黑表笔接任意一脚,红表笔接另两脚时若都通,则为NPN，黑笔所接为基极；红接任意一脚，黑笔接另外两脚时若都通，则管子为PNP，红笔所接为基极。再用手指等效电阻法辨别集电极与发射极。 b) 数字万用表 万用表置于pn结档。红笔接任意一脚，黑笔接另外两脚时若都通，则管子为NPN，红笔所接为基极；黑笔接任意一脚，红笔接另外两脚时若都通，则管子为PNP，黑笔所接为基极。再用以下两法辨别集电极与发射极。 (a) 试测β值，以读数较大的那次测量所连接来判别C极与E极 (b) 测试结压降，结压降较小时为集电极，较大时为发射极。

27 2007年注册电气工程师(供配电)职业资格考试专业基础第26题
解 用电压比对法，6V电压相对于9.8V和10V特低，为PNP管。9.8V与10V相差0.2V，为锗管。 选答案D

28 三极管产品形态 BJT产品形态很多，这里列出如下。 • 分立BJT • 复合BJT • 孪生BJT • 带阻尼带保护的BJT • BJT阵列 • 集成电路的单元细胞 • BJT与LED组合为光电耦合器

29 同极性管子形成的复合管的极性不变，管脚功能不变。
(a) 两只 NPN管 复合为NPN管 (b) 两只PNP管 复合为PNP管 (c) NPN管与PNP管 复合为NPN管 (d) PNP管与NPN管 复合为PNP管 图 复合BJT 同极性管子形成的复合管的极性不变，管脚功能不变。 异极性管子形成的复合管的极性与前管相同。基极不变，后管发射极作为复合管集电极，后管集电极作为复合管发射极。 由异极性BJT构成的复合BJT的发射结压降与前管相同，而由同极性BJT构成的复合BJT的发射结压降是2倍的pn结压降。 由异极性BJT构成的复合BJT的发射结压降比较小，由同极性BJT构成的复合BJT的输入电阻比较大。选用复合BJT可灵活考虑。

30 复合管的输入电阻 同极性复合管输入电阻为 rbe=rbe1+β1rbe (1.4.3) 由图1.4.5(c)、(d)知，异极性管子组成的复合管的输入电阻等于前管的输入电阻。 rbe=rbe (1.4.4)

31 2009年注册电气工程师(供配电)职业资格考试专业基础第28题
答 选答案D

32 (a) 小型金封 (b) TO-92塑封 (c) TO-92塑封 (d) TO-220塑封
三极管封装应用 1. 模拟应用 2. 开关应用 3. 半导体器件及集成电路封装技术简介 (a) 小型金封 (b) TO-92塑封 (c) TO-92塑封 (d) TO-220塑封 图 三极管常见封装外型及其管脚功能 图 贴片三极管正视图及管脚功能 图 著名的二保三电路

33 谢谢大家！