晶体三极管中有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电,故称之为双极型晶体管。
第一二种为小晶体管,第三种为中功率管,第四种为大功率管。其中第二三种外形便于安装散热器,防止管子功率过大而损坏。
根据不同掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域,并形成两个PN结,就构成了晶体管。
位于中间的P区称为基区,很薄、杂质浓度很低,位于上层的N区是发射区,掺杂浓度很高;下层的为集电区,面积很大。它们引出的三个电极分别为基极b(base),发射极e(emitter),集电极c(collector)。
放大是对模拟信号最基本的处理。再生产实际和科学实验中,从传感器获得的电信号都很微弱,只有经过放大后,才能作进一步的处理,或者使之具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心元件,能够控制能量的转换,将输入的微笑变化不失真地放大输出。
上图为基本放大电路,\Delta u_1为输入电压信号,接入基极-发射极回路,称为输入回路;放大后的信号再集电极-发射回路里称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端,所以称该电路为共射放大电路。使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。因而在输入回路中需加基极电源V_{BB};在输出回路需加集电极电源V_{CC};二者极性如上图所示(V_{CC}用两节电源表示,意为V_{CC}大于V_{BB})。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。
发射结加正向电压,又因为发射区杂质浓度高,所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区(发射区向基区扩散所形成的电子电流I_{EN})。与此同时,空穴也从基区向发射区扩散(基区向发射区扩散所形成的空穴电流为I_{EP}),但由于基区浓度杂质低,所以空穴形成的电流非常小,可忽略不计。可见,扩散运动形成了发射极电流I_E。
由于基区很薄,杂质浓度很低,集电结又加了反向电压,所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合,其余部分均作为基区的非平衡少子到达集电结(基区内复合运动形成的电流I_{BS})。由于电源V_{BB}的作用,电子与空穴的复合运动不断进行,形成基极电流I_B。
由于集电结加反向电压,且其结面积较大,基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区,形成漂移电流I_{CN}。与此同时,集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动(平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动形成的电流I_{CBO}),但数量很小,可忽略不计。可见,在V_{CC}的作用下,漂移运动形成集电极电流I_C。
输入特性曲线描述 管压降U_{CE}一定的情况下,基极电i_B流和发射结压降u_{BE}之间的函数关系。
当U_{CE}为零时,相当于集电极和发射极短路,即发射结与集电结并联。因此输入特性曲线与PN结的伏安特性相类似,呈指数关系。
当U_{CE}增大时,发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成集电极电流i_C,使得在基区参与复合运动的非平衡少子随U_{CE}的增大(即集电结反向电压的增大)而减小;因此,曲线右移。增大到一定值后,绝大部分的非平衡少子都收集到集电区,再增大,i_C也不会明显增大了,曲线停止右移,基本重合。
输出特性曲线描述基极电流I_B为常量时,集电极电流i_C与管压降U_{CE}之间的函数关系。
对于每一个确定的I_B,都有一条曲线,所以输出特性是一族曲线。当u_{CE}从零逐渐增大时,集电结电场随之增强,收集基区非平衡少子的能力逐渐增强,因而i_C也就逐渐增大。增大到一定数值后集电结电场把基区的绝大部分非平衡少子收集到集电区,故i_C不再明显增大,几乎平行于横轴。
I_{CBO}是发射极开路时集电结的反向饱和电流。I_{CEO}是基极开路时,集电极与发射极间的开路电流,I_{CEO}=(1+\overline \beta)I_{CBO}。反向电流越小,性能越稳定。
由于晶体管中 PN 结结电容的存在,晶体管的交流电流放大系数是所加信号频率的函数信号频率高到一定程度时,集电极电流与基极电流之比不但数值下降,且产生相移。使共射电流放大系数的数值下降到 1 的信号频率称为特征频率。
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