实用模拟电子技术教程第2章电子课件.ppt

实用模拟电子技术教程 主编 徐正惠 副主编 刘希真张小冰 第一篇常用半导体器件介绍常用半导体器件 包括晶体二极管 晶体三极管 场效应管和其他半导体器件的结构 工作原理 分类 主要性能指标 国家标准规定的命名方法以及主要应用 第2章晶体三极管学习要求 掌握三极管的结构和分类 掌握三极管的电流放大作用和基极电流对集电极电流的控制作用 掌握三极管的电流分配关系 掌握三极管电流放大倍数 集电极最大允许电流 集电极最大允许功率耗 ce极 cb极和be极反向击穿电压等特性指标的定义 掌握三极管输出特性曲线三个区域的划分 学会识读三极管输出特性曲线 了解三极管的工作原理 第一篇常用半导体器件 2 1晶体三极管的电流放大作用 第2章晶体三极管 2 1 1三极管的分类 封装和产品外型 1 三极管的结构和分类 三极管由管芯 引脚 外加封装而成 按其管芯结构的不同 可分为PNP型和NPN型 如下图所示 PNP型三极管NPN型三极管 电路符号 2 1 1三极管的分类 封装和产品外型 2 1晶体三极管的电流放大作用 1 三极管的结构和分类 三极管结构上的特点 PNP型三极管NPN型三极管 有三个电极 包含2个PN结 因此也称为双极型晶体管 分为PNP型和NPN型两大类 2 1 1三极管的分类 封装和产品外型 2 1晶体三极管的电流放大作用 2 三极管的命名 根据第一章所介绍的国标命名方法 上述四种类型三极管由其型号的前二位相区分 3A 表示该三极管为PNP型锗管 3B 表示该三极管为NPN型锗管 3C 表示该三极管为PNP型硅管 3D 表示该三极管为NPN型硅管 例如 3CG 表示该三极管为PNP型高频小功率硅三极管 3AG 表示该三极管为PNP型高频小功率锗三极管 2 1 1三极管的分类 封装和产品外型 2 1晶体三极管的电流放大作用 3 三极管的封装 常见的几种封装 贴片封装 2 1 2三极管的基本电流关系和电流放大作用 2 1晶体三极管的电流放大作用 用符号IB IC IE分别代表流过三极管基极 集电极和发射极的电流 图2 3 实验表明 这三个电流之间存在以下二个基本关系式 1 式是电荷守恒定律的结果 稳定情况下 流入三极管的电流一定等于流出三极管的电流 1 2 2 式则是实验得出的结果 式中常数 称为三极管的共射电流放大倍数 其数值一般在几十到几百之间 2 1 2三极管的基本电流关系和电流放大作用 2 1晶体三极管的电流放大作用 实验装置和结果 VD1为发光二极管 通电后会发光 电流越大 发光越强 VCC为 5V电源 基极由2伏电池VBB提供 电位器RP用来调节基极电流的大小 A1为微安表 A2为毫安表 分别用来测量基极和集电极电流 2 1 2三极管的基本电流关系和电流放大作用 2 1晶体三极管的电流放大作用 记录每一步的基极和集电极电流 所得数据如下表2所示 图2 4的直线就是根据这些数据画出来的 根据表2 1的数据可以看出 集电极电流与基极电流成正比 比例系数即为三极管的电流放大倍数 从图中的数据还可以估算出实验用的这只三极管的电流放大倍数 125 10mA 80 A 125 2 1 2三极管的基本电流关系和电流放大作用 2 1晶体三极管的电流放大作用 三极管的电流放大作用也可以理解为基极电流对集电极电流的控制作用 当基极电流为零时 集电极电流也等于零 线路中的发光管不发光 加大基极电流 集电极电流也跟着加大 发光管发光并逐渐变亮 在整个过程中 基极电流从0到180 A 只变化了180 A 而集电极电流从0变化到22mA 集电极电流的变化比基极电流的变化大得多 因此 可以说基极微小电流的变化控制了集电极大电流的变化 三极管的这种电流放大作用 是晶体管电路的基础 2 2 1三极管的共射极特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 三极管各极电压和电流的关系 这类关系称为三极管的伏安特性 也称三极管的特性曲线 何谓三极管特性曲线 三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线 输入特性曲线 是输入回路中基极 发射极电压与基极电流之间的关系 输出特性曲线 是集电极电流和集电极 发射极电压之间的关系 2 2 1三极管的共射极特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 典型的三极管输入特性曲线 三条曲线分别对应ce极短路 ce极间电压等于0 5V和ce极间电压大于等于1V时基极电流和be极电压之间的关系 2 2 1三极管的共射极特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 输出特性曲线 截止区 是IB 0下面的区域 特征是输入端基极 发射极电压小于开启电压 基极电流等于零集电极的电流就是前面讨论过的集电极穿透电流 这个电流很小 在近似分析时忽略 饱和区 基极 发射极电压UBE大于开启电压 而集电极 发射极电压UCE UBE所对应的区域称为饱和区 在饱和区 基极电流失去对集电极电流的控制作用 放大区 对应于UBE大于开启电压 UCE大于UBE的区域 基极电流变化时 集电极电流有很大的变化 但集电极电流几乎不随集电极 发射极电压变化 三极管的品种繁多 不同型号和规格的三极管彼此之间有很大差异 下面以实际的三极管输出特性曲线为例 说明如何识读三极管的输出特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 1 确定三极管的类型 使用正电源 为NPN型管 2 确定放大区的范围 0 7V UCE 8V 0 IC 8mA 3 估算电流放大倍数 任选一点A 读对应的IC 5mA IB 50 A 识读三极管的输出特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 4 观察电流放大倍数变化趋势 实际上 三极管的电流放大倍数并不是常数 相邻两条输出特性曲线的基极电流之差都是相同的 两条曲线间距越小 电流放大倍数也越小 据此 我们可以通过特性曲线疏密情况的变化 看出电流放大倍数变化的情况 再识读三极管SS9012的特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 使用负电源 为PNP型管 1 确定三极管的类型 2 确定放大区的范围 0 7V UCE 20V 0 IC 40mA 3 估算电流放大倍数 任选一点A1 读出对应的IC和IB值为IC 25mA IB 150 A 识读三极管的输出特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 4 观察电流放大倍数变化趋势 识读三极管的输出特性曲线 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 4 观察电流放大倍数变化趋势 右边是三极管9013的输出特性曲线 其曲线的分布较均匀 因此其电流放大倍数更接近常数 动态电流放大倍数 或交流电流放大倍数 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 以9018为例 从输出特性曲线图计算其动态电流放大倍数 定义为基极电流增加 iB所引起的集电极电流增加量 iC与 iB的比值 再选取一个和A相邻的B点 从B至A 基极电流的增量为 iB 60 A 50 A 10 A 相应的集电极电流增量等于 iC 5mA 4mA 1mA 动态电流放大倍数 或交流电流放大倍数 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 2特性曲线识读 一般情况下 工作于放大区时 三极管的直流电流放大倍数和动态电流放大倍数差别不大 因此我们不再区分直流和交流电流放大倍数 统一用符号 来表示三极管的电流放大倍数 两者不再区分 1 极限参数 这类参数是指三极管使用时不得超过的极限值 超过这些极限时 三极管不能正常工作或永久性损坏 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 3三极管的主要特性参数 1 集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC增加时 三极管的电流放大倍数 会减小 减小到额定值的三分之二时所对应的集电极电流 称为集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许耗散功率PCM PCM是指集电结允许的最大耗散功率 超过这个数值时 会使结温过高而导致三极管性能变坏或烧毁 PCM 1W的三极管称为大功率三极管 PCM 0 5W的称为小功率管 介于两者之间的 则为中功率三极管 3 集电极 基极反向击穿电压BUCBO 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 3三极管的主要特性参数 BUCBO是发射极开路时 集电极和基极之间的反向击穿电压 使用时 超过这一电压 集电极 基极间的PN结会被反向击穿 BUEBO是集电极开路时 发射极和基极之间的反向击穿电压 使用时 超过这一电压 发射极 基极间的PN结会被反向击穿 5 集电极 发射极反向击穿电压BUCEO BUCEO是基极开路时 集电极和发射极之间的反向击穿电压 使用时 超过这一电压 集电极和发射极间反向的PN结击穿 如果上述击穿后的电流没有受到限制 都将导致三极管永久性损坏 4 发射极 基极反向击穿电压BUEBO 2 电流放大倍数 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 3三极管的主要特性参数 直流电流放大倍数定义为 交流电流放大倍数定义为 忽略穿透电流ICEO 且三极管输出特性曲线为平行等距线时两者相等 在今后的分析中 将忽略两者差异 认为 3 集电极 发射极穿透电流ICEO 2 2三极管导电特性曲线和参数 2 2 3三极管的主要特性参数 基极开路情况下 从集电极穿透基区流到发射极的电流 温度对参数 UBE及ICBO的影响最大 温度每升高1 值大约增加 0 5 1 UBE 温度每升高1 发射结电压降UBE将下降2 2 5mV ICBO 温度每升高10 ICBO将增加一倍 发射极开路 集电极加反向电压时流过集电结的反向电流 ICEO和ICBO之间的关系是ICEO ICBO ICBO 1 ICBO ICBO很小 对于硅管 ICBO为nA的数量级 对于锗管 ICBO为 A级 但对温度的变化十分敏感 因此 环境温度变化较大的情况 应选用硅管 4 集电结反向饱和电流ICBO 5 温度对三极管参数的影响 2 3常用三极管简介 2 3 1三极管的分类 分为PNP型和NPN型三极管 分为低频三极管和高频三极管 低频管一般工作于3MHz以下的电路中 硅三极管 锗三极管 按制造材料分类 按工作频率分类 按结构工艺分类 按照允许耗散的功率分类 分为小功率 中功率和大功率三极管 2 3常用三极管简介 2 3 1三极管的分类 三极管型号命名 国内外命名规定 2 3常用三极管简介 2 3 2常用三极管简介 常用的国产和国外三极管的型号 主要参数如表所示 2 4三极管的简单应用 尿湿报警电路 婴儿尿尿以后需及时更换尿布 以免长期刺激皮肤 为此需要及时知道尿湿情况 利用三极管基极电流对集电极电流的控制作用 可以组成一个简单的报警电路 能在尿湿后立即通过发声 发光报警 2 4三极管的简单应用 工作原理 尿布干燥时 两片电极板K1 K2之间的电阻趋于无穷大 电极间没有电流通过 基极电流为零 因此三极管集电极电流等于零 发光管不发光 蜂鸣器不发声 婴儿尿尿后 湿尿布是电的良导体 电极板K1 K2短路导通 于是电池VBB经电阻R向基极注入微小的电流 基极电流经三极管的放大 集电极的电流是基极的 倍 被放大了的电流足以驱动发光管发光 驱动蜂鸣器发声 VCC为直流电源 VT为三极管 K1 K2为两片电极板 VD1为发光二极管 F为蜂鸣器 2 5三极管电流分配关系理论分析 前面我们讨论三极管外部特性时 已经分析了三极管的电流分配关系 它由以下几个公式描述 第一个式子说明三个极电流之间的关系 发射极电流等于基极电流和集电极电流之和 第二个描述三极管的电流放大作用 集电极电流是基极电流的 倍 第三个式子说明ce极之间的穿透电流ICEO是集电结反向饱和电流ICBO的 1 倍 下面 我们从微观的角度分析 推导后两个关系式 2 5三极管电流分配关系理论分析 2 5 1各电极电流的形成 1 发射极电流的形成 发射结正向偏置 发射区的多数载流子电子不断通过发射结进入基区 同时从电源负极得到电子补充 因而形成发射极电流 这一由多数载流子形成的发射极电流用符号IEN表示 除此之外 基区的空穴向发射极扩散 也形成发射极电流 这部分电流用IEP表示 2 5三极管电流分配关系理论分析 2 5 1各电极电流的形成 2 集电极电流的形成 来自发射极的电子流很少一部分与基区的空穴复合形成基极电流的一部分 多数电子很快就达到集电结的边界 在电场的作用下进入集电区 形成集电极电流 这一部分集电极电流用符号ICN表示 集电极反向偏置的情况下 集电区的少数载流子空穴能顺利地通过集电结进入基区 这些少数载流子的运动形成的集电极电流用符号ICBO表示 集电极总电流IC等于两者之和 2 2 5三极管电流分配关系理论分析 2 5 1各电极电流的形成 3 基极电流的形成 发射极电子流进入基区后一部分与基区的空穴复合形成电流 该电流的方向是由基极电源流向基区 用符号IBN表示 基区的空穴向发射区扩散形成的电流 该电流的方向也是由基极电源流向基极 用符号IBP表示 集电极少数载流子空穴向基区移动的电流 正电荷空穴从集电极进入基区后流向基极电源 因此形成负电流 ICBO 3 上述三个电流之和即为基极电流IB 2 5三极管电流分配关系理论分析 2 5 1各电极电流的形成 1 发射极电流 2 集电极电流 3 基极电流 3 1 2 通过上面的分析 得到各极电流表达式如下 2 5 2三极管为什么会有电流放大作用 发射极流出的电子有多大比例形成基极电流 多大比例形成集电极电流 完全决定于发射区 基区的载流子浓度 基区的宽度和集电极面积 三极管制造出来以后 发射极电流IE和集电极ICN的比例关系也就确定了 用表示ICN和IBN的比值 则 这一称为共基极直流电流放大倍数 由于基区空穴浓度低 又做得很薄 加上集电极面积较大 来自发射区的电子经过基区时只有很少一部分与其中的空穴符合 大