2半导体受控器件基础(56-2011.10)

1、线性电子电路文凤书山有路勤为径学海无崖苦作舟关注关注PN结的相互影响，以及制造要求对导电特性影结的相互影响，以及制造要求对导电特性影响响关注结构对导电特性影响关注结构对导电特性影响关注仿真模型对电路分析的重要价值关注仿真模型对电路分析的重要价值(Semiconductor Transistor) 小功率小功率管管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？N+NP集电结集电结Jc发射结发射结JeP+NPemitterbasecollectorBECBEC 三极管内部结构特点三极管内部结构特点: :发射区高掺杂发射区高掺杂; ;基区很薄且掺杂浓度基区很薄且掺杂浓度低低; ;集电结面积大集电结面积

2、大发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结反反偏：偏：放大和击穿模式放大和击穿模式发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结正正偏：偏：饱和模式饱和模式发射结发射结反反偏，集电结偏，集电结反反偏：偏：截止模式截止模式（放大情况最常用）（放大情况最常用）（用于开关电路中）（用于开关电路中）eb 基区：减少基区向发射区发射基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。的多子，提高发射效率。q 基区的作用：基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。传输到集电结边界。 基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大

3、部分载流子扩散到集电结边界。机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。q 集电结反偏、且集电结面积大：集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。电极电流。放大或击穿情况（导电原理）放大或击穿情况（导电原理）PNN+- - +- - +V1V2R2R1IEnIBpICBOIBBICnIEICIBEnIIBpEnEIIIIBpEn常用常用Icn和和IE的比值的比值 来衡量管子的质量来衡量管子的质量1EcEcnIIIIECII且令且令11BCEOBCBOBCIIIIII）（ 1BEII)1

4、 (ICBO和和ICEO的值的值越小，三极管的质量越好。越小，三极管的质量越好。BCEIIICnIICBOCnCIIIICBCn0CBOBpBBBIIII 1BNCNII为共基极直流电流放大系数为共基极直流电流放大系数ECNII其数值仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关。一般在其数值仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关。一般在0.90.99之间。之间。数值也仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关。一般在数值也仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关。一般在50300之间。之间。CEOBCBOBC)1 (IIIII 穿透电流穿透电流量越高。的值越小，三极管的质流为集电结的反向饱和电CEOCBOCBOIII、,

5、系数为共基极交流电流放大ecii工作于放大时有：工作于放大时有：大系数为共发射极交流电流放bciiq 温度温度每每升高升高1 C， / 增大增大（0.5 1）%，q 温度温度每每升高升高1 C ，VBE(on) 减小减小（2 2.5）mVq 温度温度每每升高升高10 C ，ICBO 增大增大一倍一倍 温度对三极温度对三极管的影响集中管的影响集中体现在对集电体现在对集电极电流的影响。极电流的影响。为共射极直流电流放大系数为共射极直流电流放大系数指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。直通到发射极的电流。 在放大状态下的三极管输出的集电极电流在放大状态下的三极管输出的集电极电流

6、IC ，主要，主要受正向发射结电压受正向发射结电压VBE的控制，而与反向集电结电压的控制，而与反向集电结电压VCE近似无关。近似无关。 注意注意：NPN型管与型管与PNP型管工作原理相似，但由于型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。方向相反，加在各极上的电压极性相反。 V1NPP+PNN+V2V2V1+ + - - + + - - - + - + - + - + IEICIBIEICIBiB= f1E ( vBE )vCE = 常数常数iC= f2E ( vCE )iB = 常数常

7、数共发射极共发射极输入特性输入特性：输出特性输出特性：+- -vCEiBvBEiC+- -输入输入回路回路输输出出回回路路q 观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从 那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。 BCEBTiCiEECBETiCiBCEBCTiEiB（共发射极共发射极）（共基极共基极）（共集电极共集电极）q 放大电路的组态是针对交流信号而言的。放大电路的组态是针对交流信号而言的。VCE =0iB / AvBE /VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO +ICBOq vCE一定

8、一定：类似二极管伏安特性类似二极管伏安特性。q vCE增加增加：正向特性曲线略右移。正向特性曲线略右移。由于由于VCE=VCB+VBEWB WBE EB BC C因此当因此当VBE一定时一定时：VCEVCB 复合机会复合机会 IB 曲线右移。曲线右移。0CEvV 1CEv特性基本重合特性基本重合( (电流分配关系确定电流分配关系确定) )特性右移特性右移( (因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子) )注：注：VCE0.3V后，曲线移动可忽略不计。后，曲线移动可忽略不计。vCE /VIB = 40 A30 A20 A10 A0输出特性曲线可划分输出特性曲线可划分四个区域：四个区域：(常数）B

9、Cii（ VBE 0.7V，VCE 0.3 V)iC 0，iB 00反向击穿电压反向击穿电压V(BR)CEOiC /mA饱和区、放大区、饱和区、放大区、截止区、击穿区。截止区、击穿区。V(BR)CEO 电路模型电路模型VBE+- -ECBEICIBIB 直流简化电路模型直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB +- -VBE(on)为发射结导通电压，工程上一般取为发射结导通电压，工程上一般取：硅管硅管VBE(on)= 0.7V锗管锗管VBE(on)= 0.25V2.2.1饱和模式饱和模式 ( ( 发射结发射结Je正偏，集电结正偏，集电结Jc正偏正偏) ) 三极管失去正向受控作用。即三

10、极管的集电极电流三极管失去正向受控作用。即三极管的集电极电流 IC 不再受基极电流不再受基极电流 IB 控制。控制。电路模型电路模型VBE+- -ECBEICIB+- -VCE(sat)直流简化电路模型直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIB+- -+- -VCE(sat)通常，饱和压降通常，饱和压降VCE(sat) 硅管硅管VCE(sat) 0.3V锗管锗管VCE(sat) 0.1V 若忽略饱和压若忽略饱和压降，三极管输出降，三极管输出端近似短路。即端近似短路。即三极管工作于饱三极管工作于饱和模式时，相当和模式时，相当于开关闭合。于开关闭合。2.2.2 截止模式截止模式 ( ( JE结

11、反偏，结反偏，JC结反偏结反偏) ) 若忽略反向饱和电流，三极管若忽略反向饱和电流，三极管IB 0，IC 0。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。 电路模型电路模型VBE+- -ECBEICIB直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC 0IB 0 埃伯尔斯埃伯尔斯莫尔模型是三极管通用模型，它适用莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。于任何工作模式。IE= IF- - RIRIC= FIF - -IR) 1e (TBEEBSFVVII) 1e (TBCCBSRVVII 其中其中ECBIEIF RIRIC FIFIRIBIC /mAVC

12、E /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点：特点：条件：条件： 发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。IC不受不受IB控制，而受控制，而受VCE影响。影响。VCE略增，略增，IC显著增加。显著增加。饱和区饱和区（ VBE 0.7V，VCE0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点特点条件条件发射发射结正偏结正偏集电集电结反偏结反偏VCE曲线略上翘曲线略上翘具有正向受控作用具有正向受控作用满足满足IC= IB + ICEO说明说明IC /mAVCE /V0VA上翘程度上翘程度取决于厄尔利电压取决于厄尔利电压VA上翘原因上翘原因基

13、区宽度调制效应基区宽度调制效应（VCE IC略略 ）在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的的)1 (eACESCTBEVVIIVV修正方程：修正方程：基宽基宽WB越小越小调制效应对调制效应对IC影响越大影响越大则则 VA 越小。越小。 与与I IC C的关系：的关系：I IC C0 0 在在IC一定范围内一定范围内 近似为常数。近似为常数。IC过小过小使使IB造成造成 。IC过大过大发射效率发射效率 造成造成 。考虑上述因素，考虑上述因素，IB等量增加时，等量增加时，I IC CV VCECE0 0输出曲线不再等间隔平行上移。输出曲线不再等间隔平行上移。

14、q 截止区截止区（ VBE 0.5V， VCE 0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点：特点：条件：条件： 发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为近似为IB0 0以下区域以下区域 严格说，截止区应是严格说，截止区应是IE = 0即即IB = -ICBO以下的区域。以下的区域。 因为因为IB 在在0 -ICBO时，仍满足时，仍满足CBOBC)1 (IIIq 击穿区击穿区特点：特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随集电结

15、反向击穿电压，随IB的增大而减小。的增大而减小。注意：注意：IB = 0时，击穿电压为时，击穿电压为V(BR)CEOIE = 0时，击穿电压为时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBOICUCE0U(BR)CEOICMPCM 最大允许集电极电流最大允许集电极电流ICM（若若ICICM 造成造成 ） 反向击穿电压反向击穿电压U(BR)CEO（若若UCEU(BR)CEO 管子击穿管子击穿）UCE PCM 烧管烧管）PCPCM 要求要求IC ICM 放

16、大电路小信号运用时，在静态工作点附近的放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。型，即小信号（或微变）电路模型。 三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是形成多种电路模型。最常用的是混合混合型小信号型小信号电路模型。电路模型。 混合混合型电路模型的引出型电路模型的引出ibicbcerbb rb ecb ecb crb cb gm

17、vb erce 若忽略若忽略rb c影响，整理即可得出混影响，整理即可得出混电路模型。电路模型。rb ercecb ccb erbb bcegmvb eb ibic 电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混电路模型简化为：电路模型简化为：rb ercerbb bcegmvb eb ibic rbb 基区体电阻，基区体电阻，其其值较小，约几十欧，常忽略不计。值较小，约几十欧，常忽略不计。 rb e三极管输入电阻三极管输入电阻，约千欧数量级约千欧数量级。CQQEEBBEQBEB26)1 ()1 (Iriviiivreeb 跨导跨导gm表示三极管具有正

18、向受控作用的增量电导表示三极管具有正向受控作用的增量电导。 CQeEBEECQEBC5 .38Irviiivigm rce三极管输出电阻，三极管输出电阻，数值较大数值较大。RL VCES放大模式放大模式若若VE VCES 饱和模式饱和模式解：解：假设假设T T工作在放大模式工作在放大模式 A53BBE(on)CCBQRVVImA59. 1BQCQIIV41. 4CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 100k T因为因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在，所以三极管工作在放大模式放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 解：解：假设假设T工作在放大模式工作在放大模式 A53

19、0BBE(on)CCBQRVVImA9 .15BQCQIIV9 . 9CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 10k T因为因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在，所以三极管工作在饱和模式。饱和模式。mA7 . 5CCE(sat)CCCSRVVIV3 . 0CE(sat)CVV解：解：所以所以三极管三极管工作在工作在截止模式截止模式 。VCCRCRB1(+6V)1k 100k TRB22k + - -VBBRBBRC+ - -VCCV12. 0B2B1CCB2BBRRVRVk95. 1/21BBBBRRR VBE(on)V6CCCVVq 小信号等效电路法小信号等效电路法( (微

20、变等效电路法微变等效电路法) ) 用来分析电路加交流输入信号后，叠加在用来分析电路加交流输入信号后，叠加在Q点上的点上的电压与电流变化量之间的关系。电压与电流变化量之间的关系。 在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效电路分析效电路分析Av 、Ri 、Ro的方法即小信号等效电路法。的方法即小信号等效电路法。交流通路交流通路: : 即交流信号流通的路径。即交流信号流通的路径。它是将直流电源短路、耦它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的电路。合、旁路

21、电容短路时对应的电路。 画交流通路画交流通路( (直流电源短路，耦合、旁路电容短路直流电源短路，耦合、旁路电容短路) )。 用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。 利用小信号等效电路分析交流指标。利用小信号等效电路分析交流指标。 计算微变参数计算微变参数 gm、rb e。 注意注意: : 小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标，不能分析静态工作点。动态性能指标，不能分析静态工作点。virb e ibibicRB+ - -RCRLvo+ - -viibicRBRC+ - -RL+

22、- -vok63. 226)1 (CQebIrvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+ - -+ - -RLC1C25k )/(LCcoRRivLiRrvebLbRiV)(sin52. 1t+ -voq 图解法图解法 确定静态工作点确定静态工作点( (方法同前方法同前) )。 画交流负载线。画交流负载线。 画波形，分析性能。画波形，分析性能。过过Q点、作斜率为点、作斜率为-1/R L的直线即交流负载线。的直线即交流负载线。其中其中 R L= RC / RL分析步骤分析步骤: : 图解法直观、实用，容易看出图解法直观、实用，容易看出Q点设置是否合适，波点设置是否合适，波形是否产生失真，但不适

23、合分析含有电抗元件的复杂形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。vi+ -iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+ -vCE+ -+ -RLC1C2 tvBE0QvBEiB0iCvCE0Q tiBIBQiC tICQ tvCE0-1/R LVCEQibVCES可分析指标：可分析指标：1. 放大倍数放大倍数; 2. 最大不失真输出最大不失真输出CEQCCCESCEQomVVVVV,minmax为获得最大不失真输出，静态工为获得最大不失真输出，静态工作点应设置在交流负载线的中点。作点应设置在交流负载线的中点。

24、输入电压幅度输入电压幅度不能太大，否不能太大，否则非线性严重则非线性严重非线性失真：非线性失真： 1. 饱和失真饱和失真（输出平底）（输出平底）2. 截止失真截止失真（顶端变形）（顶端变形）Q：QiC tICQ tvCE0VCEQibQ点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。Q点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真。点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真。Q点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。QibibiCvCE0Q2.7.1 电流源电流源 利用三极管放大区利用三极管放大区iB恒定时恒定时i

25、C接近恒流的特性，可接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛采用的一种单元电路构成集成电路中广泛采用的一种单元电路-电流源。电流源。 iCvCE0iBVCE(sat)QiCR+ -VQ+ viB恒值恒值外电路外电路(负载电路负载电路)该电流源不是普通意义上的电流源，因它本身不提供能量。电该电流源不是普通意义上的电流源，因它本身不提供能量。电流源电路的输出电流流源电路的输出电流IO，由外电路中的直流电源提供。，由外电路中的直流电源提供。IO只受只受IB控制，与外电路在电流源两端呈现的电压大小几乎无控制，与外电路在电流源两端呈现的电压大小几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。关。就这个意义而言，将其看作为电流源。 2.7.2 放大器放大器放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。q 放大原理放大原理+ - -iBviiCV