半导体三极管及其应用.doc

第五章半导体三极管及其应用
5．1半导体三极管的基本结构
5．1．1三极管内部结构
半导体二极管内部只有一个PN结，若在半导体二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体如图5-1（a）所示。由图5-1（a）可见，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成三个区，分别称为发射区，基区和集电区。从三个区引出的引脚分别称为发射极，基极和集电极，用符号e、b、c来表示。处在发射区和基区交界处的PN结称为发射结；处在基区和集电区交界处的PN结称为集电结。具有这种结构特性的器件称为三极管。
三极管通常也称双极型晶体管（BJT），简称晶体管或三极管。三极管在电路中常用字母T来表示。因三极管内部的两个PN结相互影响，使三极管呈现出单个PN结所没有的电流放大的功能，开拓了PN结应用的新领域，促进了电子技术的发展。
因图5-1（a）所示三极管的三个区分别由NPN型半导体材料组成，所以，这种结构的三极管称为NPN型三极管，图5-1（b）是NPN型三极管的符号，符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。
根据同样的原理，也可以组成PNP型三极管，图5-2（a）、（b）分别为PNP型三极管的内部结构和符号。
由图5-1和图5-2可见，两种类型三极管符号的差别仅在发射结箭头的方向上，理解箭头的指向是代表发射结处在正向偏置时电流的流向，有利于记忆NPN和PNP型三极管的符号，同时还可根据箭头的方向来判别三极管的类型。
例如，当大家看到“”符号时，因为该符号的箭头是由基极指向发射极的，说明当发射结处在正向偏置时，电流是由基极流向发射极。根据前面所讨论的内容已知，当PN结处在正向偏置时，电流是由P型半导体流向N型半导体，由此可得，该三极管的基区是P型半导体，其它的两个区都是N型半导体，所以该三极管为NPN型三极管。
晶体管除了PNP和NPN两种类别的区分外，还有很多种类。根据三极管工作频率的不同，可将三极管分为低频管和高频管；根据三极管消耗功率的不同，可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。常见三极管的外形如图5-3所示。

图5-3（a）和图5-3（b）都是小功率管，图5-3（c）为中功率管，图5-3（d）为大功率管。
5．1．2三极管的电流放大作用
1、三极管内部PN结的结构
对模拟信号进行处理最基本的形式是放大。在生产实践和科学实验中，从传感器获得的模拟信号通常都很微弱，只有经过放大后才能进一步处理，或者使之具有足够的能量来驱动执行机构，完成特定的工作。放大电路的核心器件是三极管，三极管的电流放大作用与三极管内部PN的特殊结构有关。
从图5-1和5-2可见，三极管犹如两个反向串联的PN结，如果孤立地看待这两个反向串联的PN结，或将两个普通二极管串联起来组成三极管，是不可能具有电流的放大作用。具有电流放大作用的三极管，PN结内部结构的特殊性是：
（1）为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小。
（2）发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。
（3）联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。
上述的结构特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内因外，还要有外部条件。三极管的发射极为正向偏置，集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。
放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将三极管的三个引脚接成四端网络的电路，必须将三极管的一个脚当公共脚。取发射极当公共脚的放大器称为共发射极放大器，基本共发射极放大器的电路如图5-4所示。
图5-4中的基极和发射极为输入端，集电极和发射极为输出端，发射极是该电路输入和输出的公共端，所以，该电路称为共发射极电路。
图5-4中的ui是要放大的输入信号，uo是放大以后的输出信号，VBB是基极电源，该电源的作用是使三极管的发射结处在正向偏置的状态，VCC是集电极电源，该电源的作用是使三极管的集电结处在反向偏置的状态，RC是集电极电阻。
2、共发射极电路三极管内部载流子的运动情况
共发射极电路三极管内部载流子运动情况的示意图如图5-5所示。图5-5中载流子的运动规律可分为以下的几个过程。
（1）发射区向基区发射电子的过程
发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子（自由电子）不断的通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到发射区，由于两者掺杂溶度上的悬殊，形成发射极电流IE的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源EC的负极来补充。
（2）电子在基区中的扩散与复合的过程
扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电