北京航空航天大学《电子电路i》第一章[3bjt]zqv.ppt

2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,1,BJT,场效应管FET,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,2,内容组织,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,3,1.3 双极型晶体管（BJT: bipolar junction transistor）,概念：由三个杂质半导体区（发射区，基区，集电区） 及两个PN结（发射结和集电结）构成的，有两 种载流子（自由电子和空穴）在其内部作扩散、 复合、漂移等复杂运动的PNP或NPN晶体管。,NPN型三极管,PNP型三极管,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,4,双极型晶体管的基本结构：,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,5,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,三个杂质半导体区：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,6,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,两个PN结：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,7,BJT 的实物图片：,小功率型 中功率型 大功率型,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,8,1.3.1 BJT工作原理,1.3.1.1 BJT内部载流子的传输过程,1.多子通过EB结注入,2.载流子在基区内扩散与复合,3.集电极对载流子收集,BJT结构特点： 基区厚度很小； 发射区掺杂浓度很高； 集电区面积很大。,组态形式（共基、共射、共集）； 放大的偏置条件EB正偏，CB反偏。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,9,1.3.1.2 共基连接电流分配关系,iE=iC+iB iC=iE+ICBO iB=iB1+iB2-ICBO iB1+iB2=(1- )iE,是共基BJT输出端交流短路条件下交流电流增益。,是共基BJT的直流电流增益。,对小功率BJT，在相当大的电流范围内，,BJT的电流分配关系 P19. 式1.3.6,符号说明,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,10,BJT电流传输演示,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,11,1.3.1.3 共射（共E）BJT工作原理,以发射极（E极）作为公共端，EB结正偏，CB结反偏。,令：,则：,是共射BJT输出交流短路下的交流电流增益,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,12,BJT 电流放大原理：,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流iB1 ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流iE。,基区空穴向发射区的扩散电流iB2。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,13,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成iCn1。,BJT 电流放大原理：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,14,iB=iB1-ICBOiB1,BJT 电流放大原理：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,15,1.3.2 共射BJT的伏安特性曲线,1.3.2.1 共射BJT的输出特性曲线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,16,IC,V,VCE,VBE,RB,IB,EC,EB,测试共射BJT特性曲线的电路：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,17,输出特性曲线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,18,此区域中 : IE=0,IB=-ICBO，称为截止区。,1. 截止区,iE=0 iB= -ICBO,集电结反偏 发射结反偏,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,19,2. 击穿区,vCEV(BR)后，iC开始剧增的区域， iB=0对应的V(BR)为V(BR)CEO； iE=0对应的V(BR)为V(BR)CBO； V(BR)CBOV(BR)CEO。 输出特性上的击穿都是集电结雪崩击穿。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,20,3. 饱和区,此区域中VCEVBE,集电结正偏，IBIC，称为饱和区。,VCEVBE VCB0,集电结正偏 发射结正偏,VCE(sat) 称为饱和压降 硅管：0.4V 0.8V 锗管：0.1V 0.3V,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,21,IC(mA ),此区域满足ICIB称为线性区（放大区）。,4. 放大区,当VCE大于一定的数值时，IC主要与IB有关，ICIB。,iB0 vCEvBE,发射结合适正偏 集电结反偏,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,22,共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,23,共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,24,共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,25,1.3.2.2 共射BJT的输入特性曲线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,26,输入特性:,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,工作压降： 硅管VBE0.60.7V, 锗管VBE0.20.3V。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,27,1.3.3 共射BJT工作在正向作用区的大信号特性方程,EbersMoll模型: (综合4个工作区后的普遍模型),式中：aF 表示共基极正向电流传输系数； aR 表示共基极反向电流传输系数；,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,28,基区宽度调制效应（厄尔利效应）：,vCE变化引起集电结反偏电压变化，导致集电结宽度变化， 引起基区有效宽度变化，导致基区的复合电流变化，引起集 电极电流变化。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,29,考虑基区宽度调制效应后的集电极电流方程：,式中：VA 表示厄尔利电压，典型值为：100V,增加值,反向延长线交于一点,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,30,1.3.4 BJT的主要特性参数,1.3.4.1 电流增益或,1.3.4.2 极间反向电流,式中：ICEO 表示基极开路，集电极发射极反向饱和电流； ICBO 表示发射极开路，集电极基极反向饱和电流。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,31,集-基极反向截止电流 ICBO：,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,发射极开路,集电结反偏,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,32,B,E,C,N,N,P,ICEO= IBE+ICBO,ICBO进入N区，形成IBE=ICBO。,集电结反偏有ICBO,集-射极反向截止电流 ICEO：,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,ICEO= ICBO+ICBO,ICEO= (1 )ICBO,可通过ICBO和ICEO确定放大倍数。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,33,1.3.4.3 极限参数,1. 集电极最大允许电流 ICM,值下降到额定值的 2/3 时所允许的最大集电极电流值。,2. 集电极最大允许功耗 PCM,集电结允许的最大损耗功率。,3. 反向击穿电压 V(BR),V(BR)CBO: 发射极开路，集电极基极反向击穿电压； V(BR)CEO: 基极开路，集电极发射极反向击穿电压。 V(BR)CBOV(BR)CEO。,1.3.4.4 频率参数 fT,BJT的特征频率，值下降至 1 时的工作频率。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,34,集电极最大允许功耗 PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =ICVCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICVCE=PCM,安全工作区,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,35,1.3.5 共射BJT的小信号等效模型及等效参数（重要！）,可以把工作在小信号条件下的BJT等效为线性四端网络,思考题： 1. 为什么说到交流小信号等效模型就会有交直流分解？ 2. 等效线性网络中有几个线性器件？,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,36,1.3.5.1 什么是小信号（重要！）,根据级数展开理论，当输入信号Vsm10mV时，使用线性 等效模型分析所产生的误差不超过10。对于BJT，只要 基射间信号电压幅度Vbem10mV，就可以应用小信号等效 分析法。,左图中用蓝色直线代替黑色 曲线，（蓝色线是通过Q点 的黑色线的切线）蓝色线越 长，离开黑色线就越远，误 差越大，因此信号幅度越大 ，线性化带来的误差越大， 反之越小。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,37,1.3.5.2 混合型等效电路及等效参数,小信号等效模型是在小信号条件下，描述BJT极间交流（动态）电压与电流关系的线性电路。,1. vbe对ib的控制作用,式中：gm是正向传输跨导，r是输出交流短路下的输入电阻,由式 1.3.24（P24）,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,38,2. vbe对ic的控制作用,ic=gmvbe,gm=/re,re=VT/IE,3. vce对ic和ib的控制作用,rce=1/gce,rce表示交流短路下的输出电阻,受 vbe正向控制作用，产生ic。可用受控电流源来表示。,式中：re表示发射结正偏电流为IE时 呈现的动态电阻。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,39,共射BJT的基本小信号等效电路：!非常重要,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,40,共射BJT的小信号混合型等效电路,C和C 是PN结电容，rbb是基区体电阻。 本等效电路对工作在放大区的NPN和PNP管均适用。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,41,1.3.6 共射BJT的频率参数f和fT,f是共射BJT的截止频率。 此时幅度为0.707 0,fT是共射BJT的特征频率。 此时幅度为1.,fT0f,0是共射BJT的低频电流增益。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,42,的幅频特性：,在ff的频率范围内 fT|.f,fT是共射BJT应用 的增益带宽积。混 合型模型在大约 1/3fT内适用。,增益、带宽权衡,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,43,作业 P58：9-12,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,44,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,45,例1： =50，USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC0,IC 最大饱和电流：,所以Q位于截止区,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,46,例1： =50，USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,IC ICmax (=2m