§2.2.1 三极管的结构和工作原理

分类

按频率分有高频管、低频管

按功率分有小、中、大功率管

按材料分有硅管、锗管

按结构分有 NPN 型和 PNP 型

国产三极管的命名方式

3 D G 6

三极管

表示器件材料和极性

高频管

设计序号

A ： PNP 锗材料

B ： NPN 锗材料

D ： NPN 硅材料

C ： PNP 硅材料

三极管的不同封装形式

金属封装 塑料封装 大功率管 中功率管

半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型 :NPN 型和 PNP 型。

两种类型的三极管

发射结 (Je) 集电结 (Jc) 基极，用 B 或 b 表示（ Base ）

发射极，用 E 或 e表示（ Emitter ）；

集电极，用 C 或 c表示（ Collector ）。

发射区 集电区

基区

三极管符号

三极管的结构

结构特点：• 发射区的掺杂浓度最高；• 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；• 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，

且掺杂浓度最低。

管芯结构剖面图

三极管的电流分配与放大作用

正常放大时外加偏置电压的要求bc 结反偏be 结正

偏

问：若为 PNP 管，图中电源极性如何？

发射结应加正向电压（正向偏置）

集电结应加反向电压（反向偏置）

三极管内载流子的传输过程

动画 2 － 1

三极管内载流子的传输过程

2. 电子在基区中的扩散与复合2. 电子在基区中的扩散与复合3. 集电区收集扩散过来的电子3. 集电区收集扩散过来的电子另外 ,基区集电区本身存在的少子，

在集电结上存在漂移运动，由此形成电流 ICBO

另外 ,基区集电区本身存在的少子，

在集电结上存在漂移运动，由此形成电流 ICBO

三极管内有两种载流子参与导电，故称此种三极管

为双极型三极管，记为 BJT

三极管内有两种载流子参与导电，故称此种三极管

为双极型三极管，记为 BJT1. 发射区向基区注入电子

IE=IB ＋IC

IE=IB ＋IC

三极管三个电极间的分配关系

IE=IBN ＋ ICN

IB=IBN － ICBO

IC=ICN ＋ICBO

较大的 ΔiE

如 (1mA)

ΔVO= ΔiCRL

( 较大 )

ΔiC( 较大 )如

(0.98mA)

较小 ΔVI

如(20mV)

三极管的放大作用

正向时 PN 结电流与电压成指

数关系

ΔVO iB=IB+△i

B

iC=iE=IC+ΔiCiE=IE+ΔiE

+

-

+

_

e c

b RLΔVI

OV

I

VA

V

电压放大倍数

三极管基区的电流传递作用

三极管的放大作用 , 主要是依靠它的 IE 能通过基区传输 ,然后顺利到达集电极而实现的。故要保证此传输 , 一方面要满足内部条件 , 即发射区掺杂浓度要远大于基区掺杂浓度 , 基区要薄 ; 另一方面要满足外部条件 , 即发射结正偏 , 集电结要反偏。

输入电压的变化 , 是通过其改变输入电流 , 再通过输入电流的传输去控制输出电压的变化 , 所以是一种电流控制器件。

两个要点

§2.2.2 三极管的特性

三极管在电路中的连接方式

共基极连接 共集电极连接共发射极连接

三极管的特性曲线

特性曲线是指各电极之间的电压与电流之间的

关系曲线

概念 输入特性曲线

输出特性曲线

vCE = 0V

+-

bc

e

共射极放大电路

VBB

VCCvBE

iCiB +

-vCE

iB=f(vBE) vCE=const

(2) 当集电结进入反偏状态时， vCB= vCE - vBE 随着 vCE 的增大而增大，集电结的反偏加强。由于基区的宽度调制效应，基区变窄，基区复合减少，同样的 vBE 下 IB 减小，特性曲线右移。

vCE = 0V vCE 1V

(1) 当 vCE=0V 时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。

1. 输入特性曲线

BJT 的特性曲线

（以共射极放大电路为例）

输入电流与输入电压间的关系曲线

当 vCE>1V 以后，由于集电结的反偏电压可以在单位时间内将所有到达集电结边上的载流子拉到集电极，故 i

C 不随 vCE 变化，所以同样的 vBE 下的 iB 不变，特性曲线几乎重叠。

iC=f(vCE) iB=const

2. 输出特性曲线

BJT 的特性曲线输出电流与输出电压间的关系曲线

+-

bc

e

共射极放大电路

VBB

VCCvBE

iCiB +

-

vCE

输出特性曲线的三个区域 :饱和区： 的区域，发射结正偏，集电结正偏。 iC明显受 vCE 控制的区域，但不随 iB 的增加而增大。在饱和区，可近似认为 vCE 保持不变。对于小功率硅管，一般 vCES＝ 0.2V 。

CE BE<v v

CE BEV =V

放大区：此时，发射结正偏，集电结反偏。 iC 不随vCE 变化，但随 iB 的增大而线性增大，且C Bi i

截止区： iB=0 的输出曲线以下的区域。此时， 发射结和集电结均反偏。 iC只有很小的反向电流。

CB CE BEv v v

如何判断三极管的电极、管型和材料

发射结处于正向偏置，且对于硅管 |VBE

|=0.7V ，锗管 |VBE|=0.2V ；

集电结处于反向偏置，且 |VCB|＞ 1V ；

NPN 管集电极电位比发射极电位高，PNP 管集电极电位比发射极电位低。

当三极管在电路中处于放大状态时

例题例题

一个 BJT 在电路中处于正常放大状态，测得A、B 和 C 三个管脚对地的直流电位分别为 6V ，0.6V ， 1.3V 。试判别三个管脚的极名、是硅管还是锗管？ NPN 型还是 PNP 型？

1.3 , 0.6C BV V V V

1.3 0.6 0.7C BV V V

A －集电极6 ,A B CV V V V

管子为 NPN 管

C －基极， B －发射极

另一例题参见 P30 2.2.2-1

§2.2.3 三极管的主要参数

三极管的参数是用来表征管子性能优劣适应范围的，是选管的依据，共有以下三大类参数。

电流放大系数

极间反向电流

极限参数

电流放大系数

交流电流放大系数

=IC/IBvCE=const=IC/IBvCE=const

=IC / IB vCE =const=IC / IB vCE

=const

直流电流放大系数

共射电流放大系数

+-

bc

e

共射极放大电路

VBB

VCCvBE

iCiB +

-vCE

电流放大系数

直流电流放大系数

α=ΔiC/ΔiEα=ΔiC/ΔiE

α=IC/IEα=IC/IE

共基电流放大系数 交流电流放大系数

1)1( e

e

b

c

i

i

i

i

1)1( e

e

b

c

i

i

i

i

1

1

α与 β间的关系

(2) 集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO

ICEO= （ 1+ ） ICBO

极间反向电流

ICEO

(1) 集电极基极间反向饱和电流 ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

即输出特性曲线 IB=0那条曲线所对应的 Y坐标的数值。 ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。

+

bc

e-uA

Ie=0

VCC

ICBO

+b

c

e

-

VCC

ICEO

uA

极限参数

集电极最大允许电流 ICM

集电极最大允许功率损耗 PCM

三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流

PCM值与环境温度有关，温度愈高，则 PCM值愈小。当超过此值时，管子性能将变坏或烧毁。

反向击穿电压

V(BR)EBO ：集电极开路时发射极 -基极间的反向击穿 电压。

V(BR)CBO ：发射极开路时集电极 -基极间的反向击穿 电压。

V(BR)CEO ：基极开路时集电极 -发射极间的反向击穿 电压

( ) ( ) ( )EBR CBO BR CEO BR BOV V V ( ) ( ) ( )EBR CBO BR CEO BR BOV V V

安全工作区

由 ICM 、 V(BR)CEO 、及 PCM 三个极限参数可画出三极管的安全工作区图。

§2.2.4 三极管的模型

三极管的简化直流模型

截止模型

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 20-Feb-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\t_md22401.sch Drawn By:

C

0.7V

II

(a)

B

¦ÂI

C C

E

O.2V

E

BB

E

CB

(b)

B0.7V

(c)

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 20-Feb-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\t_md22401.sch Drawn By:

C

0.7V

II

(a)

B

¦ÂI

C C

E

O.2V

E

BB

E

CB

(b)

B0.7V

(c)

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 20-Feb-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\t_md22401.sch Drawn By:

C

0.7V

II

(a)

B

¦ÂI

C C

E

O.2V

E

BB

E

CB

(b)

B0.7V

(c)

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 20-Feb-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\t_md22401.sch Drawn By:

C

0.7V

II

(a)

B

¦ÂI

C C

E

O.2V

E

BB

E

CB

(b)

B0.7V

(c)

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 20-Feb-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\t_md22401.sch Drawn By:

C

0.7V

II

(a)

B

¦ÂI

C C

E

O.2V

E

BB

E

CB

(b)

B0.7V

(c)

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 20-Feb-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\t_md22401.sch Drawn By:

C

0.7V

II

(a)

B

¦ÂI

C C

E

O.2V

E

BB

E

CB

(b)

B0.7V

(c)

饱和模型 放大模型

建立小信号模型的意义

建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时， 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。

由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。

三极管的小信号模型

三极管的小信号模型

H参数的引出

将共射连接三极管看成一双端口网络

),(

),(

CEBC

CEBBE

vifi

vifv

),(

),(

CEBC

CEBBE

vifi

vifv

输入输出端口的函数表达式

e

b

c

对输入输出端口的两函数表达式求微分 ),(

),(

CEBC

CEBBE

vifi

vifv

),(

),(

CEBC

CEBBE

vifi

vifv

BEdv BEB

CEB

Vv

dii

BE

CEB

CEI

vdv

v

Cdi CB

CEB

Vi

dii

C

CEB

CEI

idv

v

用相关符号取代上式中的微分量后得

be ie b re cev h i h v

c fe b oe cei h i h v

微分量用交流量取代，偏微分量用 H 参数取代

H参数物理含义

CEBBEie )/(

Vivh

CEBBEie )/(

Vivh

输出端交流短路时的输入电阻，即 rbe 。

BCEBEre )/(

Ivvh

BCEBEre )/(

Ivvh

输入端交流开路时的反向电压传输系数，即

r

CEBC )/(

Viih fe

CEBC )/(

Viih fe

输出端交流短路时的电流放大系数，即。

BCECoe )/(

Ivih

BCECoe )/(

Ivih

输入端交流开路时的输出电导，即 1 / rce 。

根据

可得小信号模型

BJT 的 H 参数模型

vbe= hieib+ hrevce

ic= hfeib+ hoevce

vBE

vCE

iB

c

e

b

iC

BJT 双口网络

H 参数等效电路

H 参数等效电路中需注意的几点

h参数小信号模型是用于交流分析的，不能用于直流分析。

h参数是在某个静态工作点测得的，其数值与静态工作点有关。

h参数中的电流源和电压源都是受控源，其方向不能随意假定。

hfeib

ic

vce

ib

vbe hrevce

hie

hoe即 rbe= hie = hfe

ur = hre rce= 1/hoe

一般采用习惯符号

则 BJT 的 H 参数模型为

ur 很小，一般为 10-310-4 ，

rce 很大，约为 100k 。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路

ib 是受控源 ，且为电流

控制电流源 (CCCS) 。

电流方向与 ib 的方向是关

联的。

H 参数简化等效电路

ib

ic

vce

ib

vbe uT vce

rbe

rcer

H参数的确定

一般用测试仪测出；

rbe 与 Q 点有关，可用图示仪测出。

一般也用公式估算 rbe

rbe= rb + (1+ ) re

其中对于低频小功率管 rb≈200

则 )mA(

)mV(26)1(200

EQ

be Ir

)mA(

)mV(

)mA(

)mV(

EQEQ

Te II

Vr

26而 (T=300K)

跨导 gm

衡量晶体管输出电流随输入电压变化的物理量

概念：

对于共射电路

e

b

c

Cm Q

BE

dig

dv

BE

tES

t

1( )

v

VQI e

V CQ

t

I

V

BE

C ESt

v

VEi i I e

厄利电压 VA

概念：反映 iC～ vCE 曲线在线性区内水平程度（即斜率）的参数

基区宽度调制效应

vCB↑ vCB↑ vCE↑时 vCE↑时 集电结空间电荷层厚度↑

集电结空间电荷层厚度↑

基区变窄 基区变窄 基区复合减少

基区复合减少

iC↑ ，输出曲线向上倾斜

iC↑ ，输出曲线向上倾斜

C

CEQ

di

dvCQ

A CEQ

I

V V

CQ

A

I

V

ce

1

r

Ace

CQ

Vr

I

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 26-Jun-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\T_MD22302.sch Drawn By:

CQI

0 CEQ

vV

v

i

AV

BE

CE£

C

Q

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 26-Jun-2003 Sheet of File: D:\long\T_MD\T_MD22302.sch Drawn By:

CQI

0 CEQ

vV

v

i

AV

BE

CE£

C

Q

本节重点

三极管的工作原理

三极管的特性曲线

三极管的参数

三极管的小信号等效电路

作 业

P261 [P2.14]

P260 [P2.12](1)(2)(4)