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BJT的结构

BJT的结构

点击数:7738 次   录入时间:03-04 11:57:07   整理:http://www.55dianzi.com   电路基础知识

BJT又常称为晶体管。它有三个电极,常见的BJT外形如图1所示。根据结构不同,BJT 一般可分成两种类型:NPN型和PNP型。其结构示意图、管芯剖面图及表示符号如图2所示。位于中间的P区称为基区,它很薄且杂质浓度低,位于上层的N区是发射区,势杂浓度很高;位于下层的N区是集电区,因而集电区面积很大,从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极,它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c,对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。发射区与基区间的PN结称为发射结,基区与集电区间的PN结称为集电极。                                                                     

图2



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BJT工作于放大状态的条件:

1.器件内部条件:在制造工艺上要求发射区掺杂浓度高,基区很薄且杂质浓度低;集电区面积大,且掺杂浓度不高。

2.外部电路条件:要使发射结正向偏置,集电结反向偏置。以共基电路为例,外加电压如图所示。图中VBB使发射结正偏,VCC使集电极反偏。



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   发射区向基区注入电子:发射结的正向电压使发射区电子扩散到基区,形成发

射极电流IE

电子在基区中的扩散与复合:扩散到基区少数电子与基区中的空穴复合,电源VEE不断从基区拉走电子,不断供给基区空穴形成了基区电流IB

集电结收集基区的电子:集电极反向电压,有利收集扩散到集电结边缘的电子,形成集电极电流IC

少数载流子形成反向饱和电流:集电结加反向电压,基区和集电区中少数载流子在结电场作用下形成反向漂移电流,称为反向饱和电流ICBO,它的数值是很小,这个电流受温度影响很大。



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在满足放大条件的情况下,各极电流之间的关系为:

                                     IC= IBICEO                      

                                     

                                          IE=ICIB                              

如果忽略ICEO ,则有

IC

 

                                                        

IEN-发射区向基区扩散所形成的电子电流;

IEP-基区向发射区扩散所形成的共穴流;

IBN-基区内复合运动所形成的电流;

ICN-基区少子漂移至集电区所形成的电流;

ICBO-少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流;

IE-发射极电流,IB-基极电流,IC-集电极电流;

根据BJT内部载流子传输分析,则有:

                IE= IEN + IEP= ICN + IBN + ICBO (1)

                 IC = ICN + ICBO                (2)

                 IB = IBN + IEPICBO            (3)

从外部看              IE= IC + IB                      (4)

设共基直流电流放大系数为 ,由式(2)得

                  IC = aIE + ICBO                    (5)       

 

又设定义共射直流电流放大系数为  

将式(4)代入式(5),则可得

                                  (6)   

其中

定义共射交流电流放大系数为b

一般有

定义共基交流电流放大系数为a,

一般有

所以当 时有

                                                (7)

                                                 (8)

将式(8)代入式(4)有                        (9)



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  在放大电路中,通过改变vBE改变iBiE,由变量DiB或DiE产生DiC,再通过集电极负载电阻Rc,把电流的控制和放大作用转化为电压放大作用,产生Dvo=DiCRc

共基放大电路:

共射放大电路:

     

 详细文字说明

根据BJT放大工作状态下电流分配关系aIE IC可组成一简单放大电路如图1所示。

发射结的外加电压    vEB=VEE+DvI,由于外加电压的变化,将使发射极电变化DiE(如DiE=1mA),DvI的微小变化就可以引起IE的很大变化,而IC=aIE,所以又相应引起IC的变化(当a=0.98时,DiC=0.98mA),DiC通过接在集电极上的负载电阻RL(1kW)上产生一个变化的电压DvO(DvO=DiC´RL=0.98mA´1kW=0.98V),则从RL取出来的变化电压DvO随时间的变化规律和DvI相同,但幅度却大了许多倍。所增大的倍数称为电压增益,即

该电路的发射极作为信号输入端,以集电极作输出端,基极作为输入、输出回路的共同端,称为共基电路。

同理,根据bIB IC电流分配关系可组成共射电路。

图XX_02

共发射极电路以发射极作为共同端,以基极为输入端,集电极为输出端,如图2所示。

如在基极输入端加入一个待放大的信号DvI=20mV,这样,发射结电压vBE就在原来VBB的基础上叠加了一个DvI,于是发射极电流DiE也按DvI的规律变化,因为BJT内电流分配是一定的,所以相应的DiB和DiC也将按DvI的规律变化。也就是说,当DiB按DvI的规律改变时,DiC也将随之而变。设a=0.98,当DvI变化20mV时,能引起基极电流的变化DiB=20mA,根据iB=(1-a)iE,则发射极电流变量为

相应的集电极电流变量DiC=aDiE=0.98´1mA=0.98mA。则RL=1kW上所得的电压变化DvO= –DiCRL= –0.98´1kW= –0.98V。可见DvO比DvI增大了许多倍,其电压增益为

读者可根据(1+bIB=IC电流分配关系可画出共集极电路。



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  BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线,它是BJT内部载流子运动的外部表现。了解它的特性就比了解它的内部载流子的运动显得更为重要。

输入特性函数式为

 

输入特性曲线如图所示

由于实际使用时,vCE总是大于1V,通常只要画出vCE>1V以后的任何一条输入特性就可代表vCE>1V以后的各种情况了。

 

详细文字说明

BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线,它是BJT内部载流子运动的外部表现。了解它的特性就比了解它的内部载流子的运动显得更为重要。

由于BJT有三个电极,它的V-I特性在实际应用中,通常是利用专用图示仪对输入、输出特性进行测量、显示,或通过实验进行逐点测量。

输入特性是指当集电极与发射极之间电压vCE为某一常数时,输入回路中加在BJT基极与发射极之间的电压vBE与基极电流iB之间的关系曲线,用函数关系表示为

输入特性如图所示。比较图中vCE=1V和vCE=0V的两条输入特性可见,vCE=1V的一条特性向右移动了一段距离,这是由于当vCE=1V时,集电结加了反向电压,集电结吸引电子的能力加强,使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区,因此对应于相同的vBE,流向基极的电流iB比原来vCE=0时减小了,特性曲线也就相应地向右移动了。

严格地说,vCE不同,所得的输入特性应有所不同,但实际上vCE>1V以后的输入特性与vCE=1V的特性曲线非常接近。因为当vCE>1V以后,只要vBE保持不变,则从发射区发射到基区的电子一定,而集电结所加的反向电压大到1V以后已能把这些电子中的绝大部分拉到集电结来,以至vCE再增加,iB也不再明显减小,故vCE>1V后的输入特性基本重合,所以通常只要画出vCE>1V以后的任何一条输入特性就可代表vCE>1V以后的各种情况了。



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输出特性函数式为

输出特性曲线

iB=20uA:  随着vCE的增加,iC发生相应变化。

  在输出特性的起始部分很陡,vCE略有增加时,iC增加很快。

vCE超过约1V后,特性曲线变得比较平坦。

iB为不同值:  可得到一组输出特性曲线。

 

           

 

详细文字说明

输出特性是在基极电流iB一定的情况下,BJT的输出回路中(此处指集电极回路),集电极与发射极之间的电压vCE与集电极电流iC之间的关系曲线。

 

NPN型硅BJT的输出特性如图所示。由图可见,各条特性曲线的形状基本上是相同的,现取其中一条(例如iB=40uA)加以说明。

输出特性的起始部分很陡,vCE略有增加时,iC增加很快,这是由于在vCE很小时(约1V以下),集电结的反向电压很小,对到达基区的电子吸引力不够,这时受vCE的影响很大。vCE稍有增加,从基区到集电区的电子增加。故iCvCE的增加而增加。当vCE超过某一数值(约1V)后,特性曲线变得比较平坦。这是由于vCE大于1V以后,集电结的电场已足够强,能使发射区扩散到基区的电子绝大部分都到达集电区,故vCE再增加,iC就增加不多了。改变iB的值,即可得到一组输出特性曲线。由式iC=biB可知,在vCE大于零点几伏以后,输出特性是一组间隔基本均匀,比较平坦的平行直线。

实际上,从共射极输出特性可以看出,特性比较平坦的部分随着vCE的增加略向上倾斜。这可解释如下:

由共射极电路可知,vCE= vCB+ vBE,当vCE增加时,由于vBE变化较少(例如硅管的vBE一般为0.7V左右),故vCB(集电结反向偏压)随之增加。vCB的增加使集电结的空间电荷区的宽度增加,致使基区有效宽度减小,这样在基区内载流子的复合机会减少,使电流放大系数增大,在iB不变的情况下,iC将随vCE增大,特性曲线向上倾斜,这种现象称为基区宽度调制效应。

对于锗BJT,其输入特性与硅管相比,在较小的 值下,就可达到较大的iB值。 值一般为0.2V左右;其输出特性,初始上升部分较陡,集电极-发射极间反向饱和电流ICEO值较大。



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BJT的三个工作区的特点及条件

1、截止区:

工作条件:VBE< Von,  vCE> vBE          Von 为发射极导通电压

特点:IB=0,iC»0,VCE» VCC

2、放大区

工作条件:VBE>VonvCE>vBE    

特点:DiC=bDIB            (Ics为集电极饱和电流)

3、饱和区:

工作条件:

特点:VBE>VonvCE>vBE,DiCbDIB



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BJT的参数,表明其性能的优劣和电流、电压工作范围。它可作为选用BJT的依据。这些参数归纳起来分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。

一、直流参数

1.共射直流电流放大系数 ()        

, 

2.共基直流电流放大系数( )       

3.极间反向电流ICBOICEO

ICBO是发射极开路时,集电结的反向饱和电流,ICEO是基极开路时,集电极与发射极间的穿透电流,

选用BJT时要选择ICBOICEO尽可能小, 不要过大的管子。

二、交流参数

1.共射交流电流放大系数(b )           

1.共基交流电流放大系数(a                            

 

3.特征频率fT:当b下降为1时所对应的信号频率为特征频率fT

三、极限参数

(1)集电极最大允许电流ICM

ICM是指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。

(2)集电极最大允许功率损耗PCM

PCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。

PCM= iCvCE (1)

3)反向击穿电压

V(BR)EBO

V(BR)EBO是指集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压。

V(BR)CBO

V(BR)CBO是指发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压。

V(BR)CEO

V(BR)CEO是指基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压。V(BR)CEO<< V(BR)CBO

各击穿电压大小之间有如下的关系:

V(BR)CBO> V(BR)CES> V(BR)CER> V(BR)CEO




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