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第四章第四章 半导体三极管及放大电路基础半导体三极管及放大电路基础
? 半导体三极管
? 共射极放大电路
? 图解分析法
? 小信号模型分析法
? 放大电路的工作点稳定问题
? 共集电极电路和共基极电路
? 多级放大电路
? 放大电路的频率响应
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§§ 4.1 半导体三极管半导体三极管 (BJT)
BJT结构与类型
BJT主要参数
BJT特性曲线
BJT电流分配与控制半导体三极管,也叫晶体三极管。由于工作时多数载流子和少数载流子都参与运行,因此,还被称为双极型晶体管( Bipolar Junction Transistor,
简称 BJT)。
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1.BJT的结构的结构 与类型与类型
? 根据结构不同,BJT分为两种,NPN型 和 PNP型
BJT按频率、功率、材料、结构等分为多种类型三极管的结构特点,
发射区的掺杂浓度比集电区掺杂浓度高,而集电区面积大 ;
基区很薄且掺杂浓度低。
(符号中发射极的箭头代表发射极电流的正向流向)
?符号:
-
发射区 集电区基区发射结 集电结NPN型
N
N
P
-
-
P
P
N
发射区 集电区基区发射结 集电结
ec
b
发射极 集电极基极
PNP型
ec
b
发射极 集电极基极
(base)
(emitter) (collector)
4
2,BJT 电流分配与控制电流分配与控制可以通过对BJT的发射结和集电结加不同的偏置电压来产生不同的工作状态。
? 工作在放大状态时的偏置要求:
发射结正偏,集电结反偏例,一种 NPN型 BJT放大电路的直流偏置电路
NPN
Rc
Rb
Vcc
BBV
+
_
Vo
I
B
I
C
I
E
+

V
BE
+

V
CB 三个极的电流情况如何呢?
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(2) 发射区注入基区的电子继续向集电结扩散,扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流 I
BN
。由于基区薄且杂质浓度低,所以 I
BN
较小。
(3) 集电结反偏,基区中扩散到集电结边缘的电子在内电场作用下漂移过集电结,到达集电区,形成 I
CN
。同时基区和集电区少子漂移形成反向饱和电流 I
CBO
,I
C
= I
CN
+ I
CBO

BJT 内部载流子的运动内部载流子的运动
(1) 在 V
BE
作用下,发射区向基区扩散电子 (形成 I
EN
),,同时基区空穴也扩散到发射区 (形成 I
EP
),合成为发射极电流 I
E
,I
E
= I
EN
+ I
EP
≈ I
EN

内部载流子的运动
y发射区向基区注入电子
y电子在基区中扩散与复合
y集电区收集电子
N
N
P
BBV
CCV
R b
R
C
e
b
c
IEN
EPI
IE
BI
CN
I
CI
CBOI
I
BN
6
BJT 电流分配关系电流分配关系
I
E
=I
C
+I
B
)1(
/
=
TBE
vv
ESE
eII
其中 I
ES
为发射结反向饱和电流
N
N
P
BB
V
CC
V
R
b
R
C
e
b
c
IEN
EP
I
I
E
B
I
CN
I
C
I
CBOI
IBN
E
CN
I
I
=α设则:
CBO
CBO
II
III
+=
+=
E
CNC
α
通常 I
CBO
很小可忽略,
则:
EC
II α≈
2
7
BJT 电流分配关系电流分配关系
I
CEO
很小可忽略,则:
B
II β≈
C
I
E
=I
B
+ I
C
CBO
III +=
EC
α
CBO
III
αα
α
+
=
1
1
1
BC
令:
α
α
β
=
1
则,CBOIII )1( BC ββ ++= CEOII += B β
穿透电流
BE
II )1( β+≈
α,β 为直流电流放大系数。它们只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。一般 α = 0.9~0.99,β >>1 。
βαα ≈≈ β,一般交流电流放大系数—β,α
B
C
E
C
i
i
β
i
i
=
=,α注意:
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BJT在放大状态下的电流关系在放大状态下的电流关系
I
E
= I
C
+ I
B
I
C
= βI
B
I
E
= (1 + β ) I
B
一定要记住!
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放大状态下 NPN型 /PNP型三极管的偏置与电流方向
NPN 型
BJT在放大状态时三个极上的电位关系,
EBC
VVV >>NPN 型,
VV
BE
7.0≈ (硅管 )
EBC
VVV <<PNP 型,
VV
BE
7.0?≈
(硅管 )
PNP型
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练习
1,测得放大电路中两只 BJT管两个电极的电流如下图所示。判断 B,C,E
三个电极,求另一电极的电流,标出其实际方向;判断管子的类型,求它们的电流放大系数 β 。
2,测得放大电路中两只晶体管的直流电位如图所示,判断 B,C,E 三个电极,
并在圆圈中画出管子 。
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BJT的四种工作状态
BJT集电结和发射结外加不同偏置电压时共有四种工作状态 ------
工作状态 发射结 集电结正偏 反偏正偏 正偏反偏 反偏反偏 正偏放大饱和截止倒置
(思考:饱和、截止和倒置时三个极的电流情况是怎样的?)
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BJT放大电路的连接方式放大电路的连接方式共集电极接法,集电极作为公共电极,用 CC 表示 ;
共基极接法,基极作为公共电极,用 CB 表示。
共发射极接法,发射极作为公共电极,用 CE 表示;
? 三种连接方式(称为放大电路组态):三个电极中,一个接输入信号,一个作输出,第三个作为公共端 。
三极管放大电路的三种组态示意图
+
-
i
v
+
-
o
v
+
-
o
v
+
-
i
v +
-
i
v
+
-
o
v
i
i
i
i
i
i
3
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放大电路三种组态电路例子
CE
CE
CC
CB
-
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i
B
—— (交直流叠加)总量瞬时值
I
B
—— 静态值(直流量)
i
b
—— 交流量瞬时值
I
b
—— 交流量有效值
I
b
——交流量相量以上表示对所有电压和电流的意义相同符号约定
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表示晶体管外部各电极的电压和电流相互关系的曲线 (簇 ),反映晶体管的特性。
3,BJT的特性曲线的特性曲线输入特性曲线 — i
B
= f (v
BE
)?v
CE =const
输出特性曲线 — i
C
= f (v
CE
)?i
B=const
输入 V -I 特性曲线输出 V -I 特性曲线共射电路的特性曲线
+

v
BE
+

v
CE
输入 输出
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共射电路输入特性曲线 i
B
=f (v
BE
)| v
CE
= 常数
v
CE
介于 0~1V之间时,随 v
CE
增加,吸引电子的能力逐渐增强,载流子在基区的复合机会减少,i
B
减小,曲线向右移动。
v
CE
≥ 1V,发射区注入到基区的电子绝大部分已被集电结收集,随
v
CE
增加,i
B
减小不明显,特性曲线基本重合。
v
BE
– i
B
特性与二极管正偏时特性曲线类似
(实际使用时常用 v
CE
>1V的输入特性曲线 )
)1(
/
=
TBE vv
ESE
eII
N
N
P
BBV
CCV
R b
R
C
e
b
c
IEN
EP
I
IE
BI
CN
I
CI
CBOI
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共射电路输出特性曲线 i
C
=f (v
CE
)| i
B
= 常数
v
CE
>v
BE
的区域,J
E
正偏,J
C
反偏,发射区注入到基区的电子绝大部分被 J
C
收集,i
C
随 v
CE
增大略有增加,曲线略微上翘,此时有 i
C
≈β i
B

v
CE
<v
BE
的区域,J
E
正偏,J
C
正偏,吸引电子的能力较弱。随着
v
CE
增加,集电结吸引电子能力增强,i
C
迅速增大,但 i
C
<β i
B。
v
CE
如果增大到超过反向击穿电压,则 i
C
会迅速增大 (图中未画出 )。
N
N
P
BBV
CCV
R b
R C
e
b
c
IEN
EPI
IE
BI
CNI
CI
CBOI
( J
E
-发射结,J
C
-集电结)
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饱和区 — v
CE
<v
BE
的区域,发射结正偏,集电结正偏 ;
v
CE
= v
BE
时 集电结零偏,称为临界饱和状态。
饱和时 c,e间电压记为饱和压降 v
CES
,v
CES
< 0.7 V(硅管 )。
该区域内 i
C
受 v
CE
显著影响,i
C
< βi
B

截止区 —— i
B
=0以下的区域,i
C
≈ 0。此时,发射结反偏或其正偏电压小于门坎电压,集电结反偏 。
放大区 — i
C
基本平行于 v
CE
轴的区域,
此时,发射结正偏,集电结反偏 。
该区域内 i
C
主要受 i
B
控制,i
C
≈β i
B

由于基区宽度调制效应,保持 i
B
不变时
i
C
将随 v
CE
增大而略微增加。
输出特性曲线的三个区域
v
CE
= v
BE
饱和区非线性区
4
19
测得三极管三个电极对地电位如图所示,试判断三极管的工作状态。
例1
20
例2
R
b
R
c
+V
CC
(5V)
V
o
V
i
如图所示三极管(硅管)电路,已知
β=50,R
b
=30kΩ,R
c
=2.5kΩ,分析当
V
i
为 3V时三极管的工作状态。
解一:发射结正偏时 V
BE
≈ 0.7V
+

V
BE
b
BEi
B
R
VV
I
= mA
k
077.0
30
7.03
=

临界饱和时集电极电流 I
CS
为:
c
CES
CS
R
V
I
=
5
+

V
CE
mA
k
72.1
5.2
7.05
=
=
B
CS
BS
ImA
I
I <== 0344.0
β
Q
∴三极管饱和解二:设三极管为放大状态
mA
R
VV
I
b
BEi
B
077.0≈
=
VRIVV
cCCCCE
625.4?=?=
mAII
BC
85.3=β=
∴假设不成立,三极管饱和
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练习电路如图所示,晶体管导通时 V
BE
= 0.7V,
β =50。试分析 u
I
为 0V,1V,1.5V三种情况下
T的工作状态及输出电压 u
O
的值。
22
4,BJT主要参数主要参数电流放大系数
B
C
I
I
≈β
constv
CE
i
i
=
=
B
C
β
E
C
I
I
≈α
constv
CB
i
i
=
=
E
C
α
α
α
β
=
1
β
β
α
+
=
1
β 与 i
C
的关系曲线严格的说 β 不是常数,
仅在一定范围内近似为常数。
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由输出特性曲线求 β 值
80=
A
mA
μ
β
)200300(
)1523(

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I
CEO
在输出特性曲线上的表示
BJT主要参数主要参数 (cont.)
发射极开路,c、b间的反向饱和电流极间反向电流
a,集电极 -基极反向饱和电流 I
CBO
+
+
I
CBO
e
c
b
I
CEO
b,集电极 -发射极反向饱和电流 I
CEO
CBOCEO
II )1( β+=
基极开路,c,e间加反向电压时的集电极到发射极的电流,又称为穿透电流,
? I
CEO
和 I
CBO
受温度影响大,
随温度增加而增大
5
25
BJT主要参数主要参数 (cont.)
极限参数集电极最大允许电流
CE间反向击穿电压集电极最大允许功率损耗例:已知某晶体管的 P
CM
= 150mW,I
CM
= 50mA,,=60V。若该管子在电路中工作电压 V
CE
= 10V,则工作电流 I
C
不应超过 ______mA;若工作电流 I
C
= 1mA,则工作电压 V
CE
不应超过 _____V。
(BR)CEO
V
15
60
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BJT主要参数主要参数 (cont.)
? 反向击穿电压
V
(BR)EBO
—集电极开路时,E与 B之间允许的最大反向电压。
V
(BR)CBO
—发射极开路时,C与 B之间允许的最大反向电压。
V
(BR)CEO
—基极开路时,C与 E之间允许的最大反向电压。
在实际使用时还有 V
(BR) CER
,V
(BR) CES
等击穿电压。
-
-
(BR)CEOV
(BR)CBOV
(BR)EBOV
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温度对BJT参数及特性的影响
(1) 温度对 I
CBO
的影响温度每升高 10℃,I
CBO
约增加一倍。
(2) 温度对 β 的影响温度每升高 1℃,β 值约增大 0.5%~1%。
(3) 温度对反向击穿电压 V
(BR)CBO
,V
(BR)CEO
的影响温度升高时,V
(BR)CBO
和 V
(BR)CEO
都会有所提高。
? 温度对 BJT特性曲线的影响
? 温度对 BJT参数的影响
(1)对输入特性的影响
(2)对输出特性的影响
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半导体三极管的型号第二位,A锗 PNP管,B锗 NPN管、
C硅 PNP管,D硅 NPN管第三位,X低频小功率管,D低频大功率管、
G高频小功率管,A高频大功率管,K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:
3DG110B
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BJT小结
? 结构与类型
? 工作状态与偏置要求
? 放大状态下的电流分配关系
? 输入 /输出特性曲线
? 主要参数