三极管课件.ppt

第四章半导体三极管及其应用,半导体三极管放大电路的图解分析法放大电路的小信号模型分析法三种组态放大电路多级放大电路共集电极和共基极电路放大电路的频率响应,4.1双极型三极管,半导体三极管的结构三极管内部的电流分配与控制三极管各电极的电流关系三极管的共射极特性曲线半导体三极管的参数三极管的型号三极管应用,4.1.1半导体三极管(BJT)的结构,BJT是双极结型晶体管BipolarJunctionTransistor的简写,+,外形,符号（NPN型）,集成BJT剖面,结构示意图,BJT结构,集电极C,发射区,集电区,基区,发射结Je,集电结Jc,发射极E,基极B,BJT结构,三个电极发射极，基极，集电极发射极箭头方向是指实际电流方向三个区发射区(高掺杂)，基区(很窄)，集电区两个PN结发射结(eb结),集电结(cb结)晶体管具有的能力电流控制（currentcontrol）电流放大（currentamplify）,BJT结构,发射区的掺杂浓度大，发射载流子集电区掺杂浓度低，且集电结面积大，收集载流子基区得很薄，控制载流子分配，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,+,从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上:,BJT的三种组态,CC(CommonCollector)：共集电极，集电极为公共电极,CB(CommonBase)：共基极，基极为公共电极,CE(CommonEmitter)：共发射极，发射极为公共电极,4.1.2三极管内部的电流分配与控制,三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压,以NPN型BJT为例,什么组态？,电流分配与控制,发射结正偏，集电结反偏时三极管中载流子的运动：,发射区向基区注入电子在VBB作用下，发射区向基区注入电子形成IEN，基区空穴向发射区扩散形成IEP。IENIEP方向相同,电流分配与控制,2.电子在基区复合和扩散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。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。,3.集电结收集电子由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。,电流分配与控制,4.集电极的反向电流集电结收集到的电子包括两部分：发射区扩散到基区的电子ICN基区的少数载流子ICBO,收集载流子,电流分配与控制,IE=IEN+IEP且有IENIEPIEN=ICN+IBN且有ICNIBN,IC=ICN+ICBO,IB=IEP+IBNICBO,IE=IC+IB,电流分配与控制,使晶体管具有电流分配与控制能力的两个重要条件内部条件发射区高掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个m)外部条件发射结(eb结)正偏集电结(cb结)反偏晶体管工作的内部机理：-“非平衡载流子”的传输非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例)发射区向基区的多子注入(扩散运动）为主基区的复合和继续扩散集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）,4.1.3三极管各电极的电流关系,集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系定义:,IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBO,表示集电极收集到的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以的值小于1,但接近1，一般为0.980.999。,称为共基极直流电流放大系数。,电流放大系数,在忽略ICBO情况下，IC、IE和IB之间的关系可近似表示为：,式中：称为共发射极接法直流电流放大倍数。,4.1.4三极管的共射极特性曲线,输入特性曲线iB=f(vBE)vCE=const输出特性曲线iC=f(vCE)iB=const,共发射极接法三极管的特性曲线：,1.输入特性曲线,输入特性曲线iB=f(vBE)vCE=const表示vCE为常数时，iB与vBE间关系。由于受集电结电压的影响，输入特性与一个单独的PN结的伏安特性曲线有所不同。,(1)VCE=0时：b、e间加正向电压，JC和JE都正偏，JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性。VCE=0V：两个PN结并联,输入特性曲线,(2)VCE1V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏，JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只有小部分与基区多子形成电流IB。所以在相同的VBE下，IB要比VCE=0V时小。VCE1V：iB比VCE=0V时小，且vCE增大，曲线略有右移，到一定程度则不再变化。这是管子的基区调制效应。,(3)VCE介于01V之间时，JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着VCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。0VCE1V:VCEiB,2.输出特性曲线,输出特性曲线iC=f(vCE)iB=const表示iB一定时，iC与vCE之间的变化关系。,放大区：JE正偏，JC反偏，对应一个IB，IC基本不随VCE增大，IC=IB。处于放大区的三极管相当于电流控制电流源。,截止区：对应IBICBO的区域，JC和JE都反偏，IB0，IC0,输出特性曲线,(3)饱和区：对应于VCEVBE(VCB0)的区域，集电结处于零偏或正偏，吸引电子的能力较弱。VCE增加，集电结吸引电子能力增强，IC增大。JC和JE都正偏，VCES约等于0.3V，ICIB,饱和时c、e间电压记为VCES，深度饱和时VCES约等于0.3V。,饱和时的三极管c、e间相当于一个压控电阻。,输出特性曲线总结,饱和区eb结正偏，cb结正偏或反偏电压很小iC受vCE显著控制的区域该区域内vCE的数值较小，管子完全导通相当一个开关“闭合（Turnon）”。放大区eb结正偏，cb结反偏。iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距-恒流特性vCE的数值大于0.7V截止区eb结和cb结均为反偏。iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方管子不通，相当于一个“开关”打开（Turnoff）。,自学：共基极连接的I-V特性,3.温度对三极管特性的影响,自学：共基极连接的I-V特性温度升高使：（1）输入特性曲线左移（2）ICBO增大，输出特性曲线上移（3）增大,三极管工作情况总结,三极管处于放大状态时，三个极上的电流关系：电位关系：,锗管：VB=VE+0.2VVB=VE+0.2V,例4.1.1：判断三极管的工作状态,测量得到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4.1.2：判断三极管的工作状态,用数字电压表测得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，试判断三极管的工作状态，设=100，求IE和VCE。,4.1.5三极管的型号,中国国家标准（GB24974）规定的中国半导体器件型号命名方法3DG110B,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,2.1.6半导体三极管的参数,管子参数是衡量晶体管质量好坏和选择管子的主要依据。半导体三极管的参数分为三大类:直流参数交流参数极限参数,1.直流参数直流电流放大系数,a.共基极直流电流放大系数=(IC-ICBO)/IE=IB/1+IB=/1+,三极管的直流参数,b.共射极直流电流放大系数：=（ICICEO）/IBIC/IBvCE=const,在放大区基本不变,共发射极输出特性曲线上，可通过垂直于X轴的直线vCE=const来求取=IC/IB,IC较小时和IC较大时，有所减小，,三极管的直流参数,b.集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO之间的关系：ICEO=（1+）ICBO,相当于基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0时曲线所对应的Y坐标的数值。,极间反向电流a.集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,硅管比锗管小。此值与本征激发有关。取决于温度特性（少子特性）。,三极管的交流参数,2.交流参数交流电流放大系数a.共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,在放大区值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上通过垂直于X轴的直线求取IC/IB。,三极管的交流参数,b.共基极交流电流放大系数=IC/IEVCB=const,特征频率fT和截至频率f三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。当下降到原来大小的0.707倍时所对应的频率称为截至频率，用f表示。,当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,三极管的极限参数,如图所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,(3)极限参数集电极最大允许电流ICM,值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。当ICICM时，并不表示三极管会损坏。,三极管的极限参数,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICVCBICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。,三极管的极限参数,反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。BR-Breakdown,a.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,b.V(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,c.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。,三极管的极限参数,V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间短路,V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR)EBO,三极管的安全工作区,三个极限参数PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，所限定的区域称为晶体管安全工作区。,三极管的参数,作业,4.1.14.1.24.2.34.3.1,4.1.7三极管应用,vi=5V时，iB=(5-0.7)/10K=0.43mAICS=10V/5K=2mA1V后，h12105,三极管共射简化h参数等效电路,基本放大电路总结,静态分析（直流通路）近似估算法图解法参数对工作点的影响动态分析（交流通路）图解法最大动态范围饱和失真截止失真小信号模型法rbe,4.2.3基本共射电路分析计算,放大电路分析步骤：画直流通路，计算静态工作点Q计算rbe画交流通路画微变等效电路(小信号等效电路)计算电压放大倍数Av计算输入电阻Ri计算输出电阻Ro注意：只有在Q点正常的情况下，动态分析才有意义。Ri中不应含有Rs，Ro中不应含有RL。,计算电压放大倍数Av,2.计算输入电阻Ri,3.计算输出电阻Ro,方法一：,例4.2.3：求Av，Ri，Ro,解：静态工作点（40uA，2mA，6V),交流分析：,例4.2.3,=330K/26.263K=24.3K,例4.2.4：,解：静态分析：画直流通路求静态工作点,Q:（50uA，2mA，6V）,例4.2.4：,作业,4.3.94.3.114.4.44.4.5,4.3基本放大电路的三种组态,组态一：共射电路,Ri=Rb/rbeRo=Rc,直接耦合基本共射极放大电路,电流，电压均放大！功率放大器,组态二：共集电极电路,直流通路,IB=(VBBVBE)/Rb+(1+)ReIC=IBVCE=VCCIERe=VCCICReRb=Rb1/Rb2,共集电极电路分析,Ri=Rb1/Rb2/rbe+(1+)RL)RL=RL/Re,共集电极电路,令Vs=0，Rs保留，RL开路，加,直接耦合共集电极电路,只放大电流，不放大电压！电压跟随器,组态三：共基极放大电路,微变等效电路,RoRC,直接耦合共基极放大电路,只放大电压，不放大电流！电流跟随器,三种组态电路比较,均是针对信号（交流）而言输入回路（接信号源，加入信号）输出回路（接负载，取出信号）信号流向：CE:b进c出CC:b进e出CB:e进c出公共端（地）（介于输入、输出之间）CE共射，（E）接地C