第四章半导体三极管及放大电路基體 541半导体三极管BID LB的构与型 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我流子 BJ按频率、功率、材料、结构等分为多种类型 半导体三极管 都参与运行,因此,还被称为双极型晶体管( Bipolar Junction Transisto, 根舞结构不同,B分为两种NPN型和PNP 共刺极放大电路 BJT就构与类型 小信号模型分析法 区集电极发射极区区区电区集电板 放大电路的工作点稳定问题 BJT电流分配与制 共集电极电路和共基椒电路 BJT幢性曲 符号:b《号中发射锻的头 多氟放大电路 BJT主 放大电路的频率响应 三额管的结物点 发射区的涉杂浓度比集电区掺杂浓度高,而集电区面积大 基区薄且掺杂浓度低 2BI电流分配与控制 BT内部流子的运动 BJT电流分配关系 以通过对时的发射结和集电结加不同的偏置电 压来 内部流子的运动 TE=IR(e'ar-I 今工作在放太状态时的置求1 ·发射区向基区注入电子 向饱和电流 发正电反曾 电子在基区中扩散与复合 例:一种NPN型BT放大电路的直流偏置电路 集电区收集电 设a= 况如何呢? 在va作用下,发射区向基区扩数电子(形成),同时基区空穴也扩 散到发射区(形成),合成为发射极电流L,41=+l=l Edle+loo 区复律电的电支量来过所中之小电与 通常l很小可忽略 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 电结,到达集电区,形成同时基区和集电区少子漂移形成反向 和电流l”l=s+{as
1 1 第四章 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 2 §4.1 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）。 3 1.BJT的结构与类型 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） ¾符号： - 发射区 基区 集电区 NPN型 发射结 集电结 N P N - - P N P 发射区 基区 集电区 发射结 集电结 e c b 发射极 集电极 基极 PNP型 e c b 发射极 集电极 基极 (base) (emitter) (collector) 4 2. BJT 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 VBB + _ Vo IB IC IE + – VBE + – VCB 三个极的电流 情况如何呢? 5 (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IBN。由于基区薄且杂质浓度低，所以IBN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ICN。同时基区和集电区少子漂移形成反向饱 和电流 ICBO ，IC = ICN + ICBO。 BJT 内部载流子的运动 (1) 在VBE作用下，发射区向基区扩散电子(形成IEN)，，同时基区空穴也扩 散到发射区(形成IEP) ，合成为发射极电流IE，IE = IEN + IEP ≈ IEN 。 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 V BB VCC Rb R C e b c IEN EP I IE BI CN I CI ICBO IBN 6 BJT 电流分配关系 IE =IC+IB ( 1) / = − BE T v v E ES I I e 其中IES为发射结反向饱和电流 N N P V BB VCC Rb R C e b c IEN EP I IE BI CN I CI ICBO IBN E CN I I 设 α = 则： CBO CBO I I I I I = + = + E C CN α 通常ICBO很小可忽略， 则： C E I ≈ α I
BJT电流分配关系 BI在放大状态下的电流关系 放大状下P型P三极管的情置与电流方肉 E=lB+lc NPN型 一定要记佳! 令:下=1后则=,4um= l很小可忽略,则=n f=Ic+I IE =(1+Pg I=BL l=(1+B)4 B在放大状态时三个极上的电位关系: a乃为富电放大氯,它们只与子构尺寸度 NPN型C>>PNP型:l<<F 有关与外加电压元关一099,具 k=07(硅管 Fx≈-07(硅管) 注意:a=4.,B=4a,一变流电大系 一般a≈a,F≈B B的四种工作状态 BT放大电路的连接方式 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 BJ集电结和发射结外加不同偏置电压时共有 四特工作状春 卡人贵导三「抽集星布为天电截中二 集电 共发射签法:发射极 共极法:;基极作为公共电极,用CB表示。 饱和正偏正偏 共集电极法集电极作为公共电极,用CC表示, 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 截止反偏反偏 井在閤中画出管子 倒置反偏正偏 :饱和、裁止和量时三个的电情况是怎种的?) 极管放大电路的三种组态示意图
2 7 BJT 电流分配关系 ICEO很小可忽略，则： B I ≈ β I C IE=IB+ IC CBO I = I + I C α E CBO I I I α α α − + − = 1 1 1 C B 令： α α β − = 1 则： CBO I I (1 )I C = β B + + β CEO = I + I β B 穿透电流 E B I ≈ (1+β )I 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 。 一般α ≈α，β ≈ β α, β — 交流电流放大系数 B C E C i i β ii ∆∆ = ∆∆ 注意：α = ， 8 BJT在放大状态下的电流关系 IE = IC + IB IC = βIB IE = (1 + β ) IB 一定要记住！ 9 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: NPN 型: VC >VB >VE VBE ≈ 0.7V (硅管) PNP 型: VC <VB <VE VBE ≈ −0.7V (硅管) PNP型 10 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 。 11 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？） 12 BJT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
放大电鷗三种组态电略例子 符号約 自定 3.BT的特性曲 CE ●表示品体管外部各电极的电压和电流相互关系 g—(交直流叠加)总量瞬时值 的曲线(族),反映品体管的特性 l—静态值(直流量) 输入V-特性曲线 输出V-特性曲线 交流量有效值 CC 以上表示对所有电压和电流的意义相同 输入特性曲线一1f(v=)lra-m 输出特性曲线一{=f(Ta)l-am 射电输入特性曲越三/m二常数 共射电路出特性曲(常数 输出特性曲线的三个区娘 饱和区一x的区域发射结正偏集电结正像 a=Ts时集电零偏称为临界饱和状态 峻饱和时c,间电压记为饱和压降sytxa的区正偏反偏发射区注入到基区的电子绝大部 a≥发射区注入到基区的电子绝大部分已被集电结收集随 耻增加4减小不明显特性曲线基本重合 分被收集随增大略有增加曲线略微上翘此时有中 随T增大而略微增加 际健用时用>1入性端 x如果增大到超过反向击穿电压,则会迅速增大图中末画出 ·发射结集电结)
3 13 放大电路三种组态电路例子 CE CE CC CB - 14 iB —— （交直流叠加）总量瞬时值 IB —— 静态值（直流量） ib —— 交流量瞬时值 Ib —— 交流量有效值 Ib ——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 15 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 输入特性曲线— iB= f (vBE)⏐vCE =const 输出特性曲线— iC= f (vCE)⏐iB=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 + – vBE + – vCE 输入 输出 16 共射电路输入特性曲线 iB =f (vBE)| vCE = 常数 • vCE介于0~1V之间时, 随vCE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, iB减小, 曲线向右移动。 • vCE ≥ 1V, 发射区注入到基区的电子绝大部分已被集电结收集, 随 vCE增加, iB减小不明显, 特性曲线基本重合。 • vBE – iB 特性与二极管正偏时特性曲线类似 (实际使用时常用vCE > 1V的输入特性曲线) ( 1) / = − BE T v v E ES I I e N N P V BB VCC Rb R C e b c IEN EP I IE BI CN I CI ICBO 17 共射电路输出特性曲线 iC =f (vCE)| iB = 常数 • vCE >vBE的区域: JE正偏, JC反偏,发射区注入到基区的电子绝大部 分被JC收集, iC随vCE增大略有增加, 曲线略微上翘, 此时有iC≈β iB 。 • vCE<vBE的区域: JE正偏, JC正偏, 吸引电子的能力较弱。随着 vCE增加, 集电结吸引电子能力增强，iC迅速增大, 但iC<β iB。 • vCE 如果增大到超过反向击穿电压, 则iC会迅速增大(图中未画出)。 N N P V BB VCC Rb R C e b c IEN EP I IE BI CN I CI ICBO （JE -发射结, JC -集电结） 18 饱和区— vCE<vBE的区域,发射结正偏, 集电结正偏; vCE = vBE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vCES, vCES＜0.7 V(硅管)。 该区域内iC 受vCE显著影响，iC < βiB。 截止区—— iB=0以下的区域，iC≈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— iC基本平行于vCE轴的区域， 此时, 发射结正偏，集电结反偏。 该区域内iC主要受iB控制， iC ≈ β iB。 由于基区宽度调制效应，保持iB不变时 iC将随vCE增大而略微增加。 输出特性曲线的三个区域 vCE= vBE 饱 和 区 非 线 性 区
例2 练习 测得三极管三个电极对地电位如图所示,试判断三极 三极管(硅管)电路,已知 管的工作状态 电路如图所示,晶体管导 极管的工作状态 =90.试分析吗利、V、Lv三种情况下 解一:发射结正偏时T≈0N T工作状态及输出电压吨的值 解二:设三极管为放大状态 临界饱和时集电极电流为:4=:0m mA14=队4=385m Va=la-I R=-.625 三极管饱和 假设不成立三极管饱和 4.BJ要歌 由输出特性曲线求B值 BJ主要参数cont) ●电流款大藏 .桌电氨反向笔和收富l(m 40u 发射极开路 b泉感凝射微反向和感富l(0 220A 假到发的电流又病为穿透电 严格的说不是常数 仅在一定范围内近似 为常数 (23-15 令lo和LB受温度影响大 (300-200) 随温度增加而增大 系 o在输出特性曲线上的表示
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 Rb Rc +VCC(5V) Vo Vi 如图所示三极管(硅管)电路,已知 β=50, Rb =30kΩ, Rc=2.5kΩ, 分析当 Vi为3V时三极管的工作状态。 解一：发射结正偏时VBE≈0.7V + – VBE b i BE B R V V I − = mA k 0.077 30 3 0.7 = − ≈ 临界饱和时集电极电流ICS为： c CES CS R V I − = 5 + – VCE mA k 1.72 2.5 5 0.7 = − = B CS BS mA I I I = = 0.0344 < β Q ∴三极管饱和 解二：设三极管为放大状态 mA R V V I b i BE B ≈ 0.077 − = VCE =VCC − IC Rc = −4.625V IC = βIB = 3.85mA ∴假设不成立,三极管饱和 21 练 习 电路如图所示，晶体管导通时VBE＝0.7V， β=50。试分析uI为0V、1V、1.5V三种情况下 T的工作状态及输出电压uO的值。 22 4. BJT主要参数 电流放大系数 B C I I β ≈ v const CE i i = ∆ ∆ = B C β E C I I α ≈ vCB const i i = ∆ ∆ = E C α α α β − = 1 β β α + = 1 β 与iC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。 23 由输出特性曲线求β 值 = 80 A mA µ β (300 200 ) (23 15 ) −− ≈ 24 I CEO在输出特性曲线上的表示 BJT主要参数(cont.) (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 ICBO + + ICBO e c b ICEO b. 集电极-发射极反向饱和电流 ICEO CEO CBO I = (1 + β )I 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. ICEO和ICBO 受温度影响大, 随温度增加而增大
B主要参数n BT主要参数(con) 温度刘BJ参数及特性的影响 极限参数tc/mA 反向击穿电压 1)温度对l的影响 电都最大 V集电极开路时,E与B之间允许的最大反向电压 温度每升高10℃,lm约增加一倍 发射极开路时,C与B之间允许的最大反向电压 (2)温度对B的影响 VK-基极开路时,C与E之间允许的最大反向电压 温度每升高1℃,B值约增大05%-1% 区=0 )温度对反向击穿电压,Vm的影 度对BI性曲的影喃 例:已知某晶体管的P=10mW,=9mA,'ao=60V.若该管 (1)对输入特性的影响 子在电路中工作电压"a=10V,则工作电流不应超过15mA:若工作 (2)对输出特性的影响一 电=1mA,则工作电压a不应超过60 在实际使用时还有(max、lmas等击穿电压 半导体三极管的型号 BJT小结 用数字表示同种器件号的序号 工作状态与偏置要求 用字母示暴件的灵 放大状态下的电流介配美系 用字母表示材料 输入输出性曲线 主要参数 第三位:X低飘小功事管、D低太功率管 小功率管、A高太率曾k开关健
5 25 BJT主要参数(cont.) (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PCM＝150mW，ICM＝50mA,， ＝60V。若该管 子在电路中工作电压VCE＝10V，则工作电流IC不应超过______mA；若工作 电流IC＝1mA，则工作电压VCE不应超过_____V。 V(BR)CEO 15 60 26 BJT主要参数(cont.) (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。 - - V(BR)CEO V(BR)CBO V(BR)EBO 27 温度对BJT参数及特性的影响 (1) 温度对ICBO的影响 温度每升高10℃，ICBO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 28 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 29 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