模拟电子康5版课件第四讲.ppt

4.1 半导体三极管（BJT）,4.2 共射极放大电路,4.3 图解分析法,4.4 小信号模型分析法,4.5 放大电路的工作点稳定问题,4.6 共集电极电路和共基极电路,4.7 放大电路的频率响应,4 半导体三极管及放大电路基础,4.8 多级放大电路,4.1 半导体三极管（BJT）,BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。,BJT的应用: (1)在模拟电路中作为放大元件 (2)在数字电路中作为开关元件,1个PN结 : 二极管,单向导电性,开关作用,非线性电阻 2个PN结 : 三极管,电流控制作用,开关作用 3个PN结 : 晶闸管,可控整流,4.1.1 BJT的结构简介,4.1.3 BJT的特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4.1.2 BJT的电流分配与放大（控制）原理,4.1 半导体三极管（BJT）,4.1.1 BJT的结构简介,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,结构特点(对NPN PNP型均适用),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,1、要使三极管具有电流放大作用所必须提供的条件：,外部条件：外加直流电压源保证发射结正偏，集电结反偏。 内部条件: 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。,4.1.2 BJT的电流分配与放大原理,两个PN结,每个有正偏和反偏两种状态,组合起来,共有4种状态:,发射结正偏,集电结反偏:放大区，在模拟放大电路中使用,发射结正偏,集电结正偏:饱和区,发射结反偏,集电结反偏:截止区,发射结反偏,集电结正偏: 倒置状态,基本上没有什么用处,在数字电路中使用,2、三极管具有电流放大作用时在三极管内部载流子的传输过程（以NPN管为例介绍）,（1）发射区向基区注入自由电子（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）,发射结正偏,发射区多子向基区扩散，形成发射极电子电流InE,基区多子向发射区扩散,小，可忽略,漂移运动很弱，可忽略,发射极电流IE= InE,（2）自由电子在基区扩散与复合（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）,在基区内自由电子继续向集电结方向扩散,一部分与基区空穴复合，形成基极复合电流 IB,绝大部分扩散到集电结边缘,三极管制成后二者分配比例就已经确定,（3）集电区收集从发射区扩散过来的载流子（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）,集电结反偏,发射区扩散过来的自由电子向集电区漂移,集电区自身的少子向基区漂移,基区自身的少子向集电区漂移,扩散运动难以进行,形成集电极电子电流Inc,形成反向饱和电流ICBO,集电极电流IC= Inc +ICBO,基极电流IB = IB - ICBO,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,3、 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= InC+ ICBO,IB= IB - ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,(1)共基极直流电流放大系数,(2)共射极直流电流放大系数,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,BJT的电流分配与放大(称为控制更合适)原理,小结：,2019/7/21,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,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,4.1.3 BJT的特性曲线,BJT非线性器件，所以电压、电流之间的关系只能用曲线才能描述清楚,从使用三极管的角度看，了解特性曲线比了解内部载流子的运动更重要，所以我们现在作为使用者，而不是制造者，我们要对特性曲线进行更深入的分析，而内部载流子的运动规律可以帮助我们解释为什么特性曲线是这样。,特性曲线的分类,输入特性曲线 输出特性曲线,共射接法特性曲线 共基接法特性曲线 共集接法特性曲线,NPN管特性曲线 PNP管特性曲线,我们只研究NPN共射 特性曲线（输入、输出）,规定电压和电流的参考方向如图所示：,注意电压变量、电流变量的写法：小写的字母，大写的下标,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,vCE = 0V,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。,(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。（饱和区）,1、 NPN共射输入特性曲线,截止区,非线性区,线性区（放大区）,NPN共射输入特性曲线的特点描述,（1）当vCE=0V时，相当于正向偏置的两个二极管并联，所以与PN结的正向特性相似 （2） vCE1V的特性曲线比vCE=0V的右移。原因： vCE1V时集电结反偏，集电结吸引自由电子的能力增强，从发射区注入的自由电子更多地流向集电区，对应于相同的vBE （即发射区发射的自由电子数一定） ，流向基极的电流减小，曲线右移 （3） vCE1V与vCE=1V的曲线非常接近，可以近似认为重合 （4）有一段死区 （5）非线性特性 （6）温度上升，曲线左移 （7）陡峭上升部分可以近似认为是直线，即iB与vBE成正比（8）放大状态时，NPN的vBE =0.7V, PNP的vBE =-0.2V,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.3V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,iC=f(vCE) iB=const,2、 NPN共射输出特性曲线,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,NPN共射输出特性曲线的特点描述,截止区: 的区域:三个电极上的电流为0,发射结和集电结均反偏,相当于开关打开,在数字电路中作为开关元件的一个状态。,饱和区：直线上升和弯曲的部分， 发射结电压0.7V(硅管)或0.2V(锗管)；发射结和集电结均正偏,相当于开关闭合,在数字电路中作为开关元件的一个状态。,放大区：曲线近似水平的区域，曲线随vCE增加略有上翘，基区宽度调制效应，发射结 正偏,集电结反偏。集电极电流主要决定于基极电流。,有关三个区的几个简单结论,截止区: 三极管的三个电极所在的支路中的电流为0,任意两个极之间的电压是多少，决定于外电路，满足电路方程。 饱和区： NPN的vBE =0.7V, PNP的vBE =-0.2V，没有，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。 放大区：NPN的vBE =0.7V, PNP的vBE =-0.2V， 有，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Vbe0.5V（Si),|Vbe | 0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏,但是用这种判据不方便,判断三极管工作状态的解题思路：,1、把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压： 若发射结反偏或零偏或小于死区电压值：则三极管截止. 若发射结正偏：则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态，需要进一步判断。进入步骤2,2、把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前；假设三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域，此时三极管既有饱和时的特征VCES =0.3V又有放大的特征IC=IB）,求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS ，进而求出基极临界饱和电流IBS 是三极管的集电极可能流过的最大电流（在三极管状态改变的前提下， VCC和RC保持不变）,3、在原始电路拓扑结构基础上，求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB,4、比较iB和IBS的大小: 若iB IBS ，则三极管处于饱和状态; 或者 IB ICS 若iB IBS ，则三极管处于放大状态； 或者 IB ICS,4.1.4 BJT的主要参数,(1)共发射极直流电流放大系数,1. 电流放大系数,(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=con