理学半导体三极管PPT学习教案

1、会计学1理学半导体三极管理学半导体三极管3AX313DG63AD6(a)外形示意图5. 1 晶体管的结构和类型NNPcbeSiO2绝缘层(b) NPN硅管结构图 (平面型)N型锗铟球NcbeP铟球(c) PNP锗管结构图 （合金型）第1页/共80页c集电极b基极集电区PN基区发射区P集电结发射结e发射极ebcPNP型c集电极b基极集电区NP基区发射区N集电结发射结e发射极ebcNPN型当前国内生产的硅晶体管多为NPN型（3D系列）锗晶体管多为PNP型（3A系列）第2页/共80页NPNVEEVCCiBRcReiEiCbec5.1.2 晶体管的电流分配关系和放大作用共射接法。RbVBBVCCRci

2、BiCbecNPNuBEuCEiEuBC+第3页/共80页iBiCiEVCCVBBRbNPN(a) 载流子运动情况iBNiCnICBO1.晶体管内部载流子的运动iBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各极电流分配情况BnECiiinCCCBOiiIBBCBOiiI第4页/共80页2.晶体管的电流分配关系nCBiiCBCBOBCBOCBOiiIiIInCBiiCBCEOiiIEBBCBOBCEOCB(1)(1)(1)(1)iiiIiIiiBCEOCiIi CEOCBO(1)II令BCBO(1)iIiB对iC的控制作用的大小iBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各

3、极电流分配情况BnECiiinCCCBOiiIBBCBOiiICBiiCEO0I穿透电流第5页/共80页为什么能实现放大呢？ 输入信号负载VEEVCCecbiEiC晶体管共基电路iBiC输入信号负载VCCVBB晶体管共射电路3.晶体管的放大作用第6页/共80页VBBVCCbceiBiCiE(a) NPN型VBBVCCbceiBiCiE(b) PNP型4. 关于PNP型晶体管第7页/共80页bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+-NPN型晶体管的电压和电流参考方向 iC+iB=iE uCE =uBEuBC 以发射极为公共端，画出iC、iB，uCE和uBE四个量的关系曲线，称为共射极特性曲

4、线。 5.1.3 晶体管的特性曲线晶体管有三个电流三个电压：共射输入特性共射输出特性以uCE为参变量的iBuBE曲线以iB为参变量的iCuCE曲线第8页/共80页CEuBEBufi)( iB(mA)uBE(V)0 .20 .40 .60 .80 . 020 . 040.060.0801. 共射输入特性输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线类似。存在死区电压： Ur =0.5V (Si) Ur =0.1V (Ge)正常工作时： uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge)cbeiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+-第9页/共80页晶体管的结构和类型ebcebc内部条件 外部条件

5、发射结正偏，集电结反偏。电流分配关系和放大作用ECBiiiBCEOCiIi CBiiiBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC各极电流分配情况第10页/共80页iBiC输入信号负载VCCVBB1. 共射输入特性iB(mA)uBE(V)0 .20 .40 .60 .80 . 020 . 040.060.080uC E = 0V1V5V3DG4的输入特性20(a)3AX1的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放大区截止区饱和区204682026810122. 共射输出特性晶

6、体管的特性曲线第11页/共80页BiCECufi| )( iC(mA)uCE(V)iB = 00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放大区截止区饱和区204682026810122. 共射输出特性iB0，集电结发射结都反向偏置特点: iC很小，基本不导通。 晶体管基本失去放大作用。 截止区 饱和区集电结和发射结都处于正向偏置（uCE0，uCEuBE特点： iB固定，uCE增加iC略有增加。 uCE固定，iB变化iC变化很大，iB对iC的强烈控制作用。 放大区5.1.4 晶体管的主要参数第13页/共80页BCEOCiIi BC

7、ii 1. 电流放大系数共射直流电流放大系数0 .823468-uCE(V)iC(mA)iB=00.02mA0.040.060.080 .10.14B0 3AX3的输出特性5504. 08 . 03 BCEOCiIi 共射交流短路电流放大系数常数CEBCuiiuCE(V)iC(mA)051015483.368.81216CDA20406080iB =100A3DG6的输出特性13804. 05 . 5 BCii C：iC=8.8mA，iB=60A；D: iC=3.3mA，iB=20A，对于实际晶体管第14页/共80页(a) NPN管AICBOV2. 极间反向电流 集-基极反向饱和电流ICBOI

8、CBO是少数载流子电流，受温度影响大，ICBO越小越好。 穿透电流ICEO基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。AbceICEO(a) NPN管CBOCEOII)1( 大的三极管的温度稳定性较差受温度影响大,第15页/共80页PCM =iCuCE3.极限参数 集电极最大允许耗散功率PCM3DG4的安全工作区基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。 集射极反向击穿电压U(BR)CEO 集电极最大允许电流ICM集电极电流如果超过ICM，晶体管的放大性能就要下降。PCM、U(BR)CEO和ICM三个极限参数，决定了晶体管的安全工作区。uCE(V)iC(mA)iB=1.0mA0.80

9、.60.40.201020300102030405060ICM2 0功率损耗线U(BR)CEO第16页/共80页n 随信号频率升高而下降ffT104105106107108101 001 0 00100.7070f的频率特性用来评价晶体管高频放大性能的参数。4. 频率参数 共发射极截止频率f 特征频率fTn 下降到等于1时的频率n通常高频晶体管都用fT来表征它的高频放大特性。第17页/共80页5.1.5 温度对晶体管参数的影响对ICBO的影响对 的影响对基-射电压uBE的影响少数载流子形成的电流，温度每升高10，ICBO增加约一倍。温度每升高1， 增加约(0.51)%uCE(V)iC(mA)0

10、5101512302040iB =60A输出特性02040iB =60A251 0 0温度每升高l，|uBE|大约减小2mV。iB(uA)uBE(V)0 .30 .60 .940uCE=2V输入特性251 5 0123第18页/共80页5.2.1 放大电路的组成及工作原理5.2.2 图解分析法 5.2.3 计算分析法5.2.4 放大电路的3种接法5.2.5 稳定工作点的放大电路5.2.6 多级放大电路5.2.7 放大器的通频带第19页/共80页放大电路的功能及性能指标放大器RsusRLVK开关图5-1放大电路的功能框图信号源负载直流电源向放大器提供输入的电信号提供足够的放大能力并尽可能减小失真

11、终端执行元件提供放大所需能源第20页/共80页放大电路的性能指标 第21页/共80页usuoRsRbVBBTRcVCCRLuiuBEiEiBiCbceuCE输入回路输出回路放大电路组成的原则保证T处于放大区。输入信号得到足够的放大和顺利地传送。共发射极放大电路的组成晶体管T：放大元件。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。基极电源VBB与基极电阻Rb:使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。集电极电源VCC :为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻RC:将电流放大转变为电压放大。第22页/共80页 符号说明RsRbVBBTRcVCCRLuiuBEiEiBiCuCEus

12、uoiB = IB + ibbI交流有效值： Ib 交流幅值： Ibm交流分量的复数形式：第23页/共80页RbIBICIEVCCUBEUCERCIRcVBBui=0+直流状态直流通路（直流偏置电路）放大电路的工作原理(1)静态RsusRLuouBE = UBE uo = uCE = UCE UBEIBICUCEuBEtOiBtOiCtOuCEtO第24页/共80页ICUCEOIBUBEOQIBUBEQUCEIC第25页/共80页sin(mV)iimuUttUUusinbemBEBE(2)动态输入信号ui02uBE0iBt 0IB+IbmIB-IbmuBE2t 0UBERbiBiCiEVCCu

13、BEuCERCiRcVBBui+uO+uBE0iBQUBEIBBBbmsiniIIt第26页/共80页CCCccmcsinVI RIRtCEcemsinUUtRbiBiCiEVCCuBEuCERCiRcVBBui+(b) ui0uO+uO与输入电压ui反相，或者说相位差180。 180表示相位相反。CCcCViRoCEcemsin(180 )UUttUUusinbemBEBEBBbmsiniIItCBbmCcmsinsinBiiIItIItcCECCcRuViRooCECEcemsin(180 )uuUUt第27页/共80页l各处波形uit0RbiBiCiEVCCuBEuCERCiRcVBBu

14、i+uO+ubet0uBEt0UBEt0ibt0iBt0IBt0ict0iCt0ICt0uCEt0UCEt0ucet0第28页/共80页第29页/共80页第30页/共80页计算分析法：是将晶体管简化成线性等效电路，然后对整个放大电路进行计算，求出各有关的电压、电流值。 以共射放大电路为典型进行分析。第31页/共80页ui+_Rb+_VCCTRCVBB(a) 共射极放大电路uo用图解法分析静态工作情况 画出直流通路 ui=0ViB+_uBEiCuCE第32页/共80页Rb+_VCCTRcVBBuBE+_ uCEiCiBVBB = iBRb+uBE 输入特性方程iB = f (uBE)| uCE

15、= 常数 bBBBEbB1RVuRi 斜率为-1/Rb。 取两点(0,VBB/Rb)及(VBB,0)UBEQIBQ-1/RbiB uBE0QMNVBB/RbVBB静态负载线（直流负载线）第33页/共80页iC = f (uCE) | iB = 常数 VCC = iCRc + uCE cCCCEcCRVuRi 1Rb+_VCCTRcVBBuBE+_ uCEiCiB输出特性曲线方程：iC0uCEIBQUCEQICQ-1/RcVCCVCC/RcQHL第34页/共80页 利用输入特性画出iB和uBE波形 列输入回路方程： VBB+ui = iBRb+uBEBBiBBEbb1VuiuRR ui+_用图解

16、法分析动态工作情况Rb+_VCCTRcVBBuBE+_ uoiCiB 输入特性方程iB = f (uBE)| uCE = 常数 第35页/共80页iB(A)uBE(V)0-1/RbVBBQ0ui(V)Uim2tiB(A)02ttuBE(V)20UbemIBQ+IbmIBQ-IbmVBB+Uim VBB-Uim 取两点(VBB+ui，0)和(0，( VBB+ui )/Rb)BBiBBEbb1VuiuRR IBQIBQUBEQ设ui=Uim sint(mV)第36页/共80页Rb+_VCCTRcVBBuBE+_ uCEiCiBVCC = iCRc + uCE cCCCEcCRVuRi 1其中iC与

17、uCE既有直流分量又有交流分量。输出回路方程：iC(mA)uCE(V)0QVCC取两点（VCC, 0）和（0, VCC/Rc）ui+_第37页/共80页iC(mA)uCE(V)0tiB(mA)20IBQIBQ+IbmICQ+IcmIBQ-IbmICQ-IcmICQiC(mA)t20UCEQUcemtuCE(V)20动态负载线或交流负载线反映了瞬时电量之间的关系QVCCQQ第38页/共80页 Rc1/ Rc VCC/ Rc 负载线与曲线的交点右移。iC (mA)QuCE (V)VCC(L)H0iB = 60AiB = 50AiB = 40AiB = 30AiB = 20AiB = 10AMQ1c

18、CCCEcC1RVuRiBBBBEbb1ViuRR 电路参数对静态工作点的影响 Rc 静态工作点左移。第39页/共80页 RbBBBBEbb1ViuRR uBE (V)iB (A)0QJKIQ2IBQ增大，假设从20A增到30AiC (mA)QuCE (V)VCC(L)H0iB = 60AiB = 50AiB = 40AiB = 30AiB = 20AiB = 10AQ2 Rb 静态工作点下移（截止区）。1/ Rb VBB/ Rb 静态工作点上移（饱和区）。第40页/共80页非线性失真 第41页/共80页截止失真 uCE(V)tiC(mA)t0iB(A)t(a)从输出特性分析截止失真(b)从输

19、入特性分析截止失真消除方法：提高Q点位置，如减小Rb，减小ui的幅值。uBEQt0uBE(V)Ibm0iB(A)uBE(V)QIBQiC(mA)uCE(V)Q0Q2Q1第42页/共80页原因：静态工作点设置偏高，输入信号ui的幅值相对较大。饱和失真 消除方法：降低Q点位置，如Rb或Rc ，减小ui的幅值。iBtiCiCuCEuCEQ2QQ1t000第43页/共80页最大输出电压幅值 工作点下移至F点时便进入截止区，将发生截止失真。工作点上移至R点时便进入饱和区，将发生饱和失真。UR=UCEQ-UCES 小 功 率 硅 管 ， UC E S一 般 取0.51VCCCcCEViRuFCQc()CC

20、CEQCCCCCQcUVUVVIRIR 负载线方程UCESuCEURRUFFIBQUCEQQ ICQ-1/Rc0交流负载线第44页/共80页uCEIBQUCEQURUFUC ESQRF ICQ-1/Rc0交流负载线既不发生饱和失真，又不发生截止失真的uCE的交流分量最大幅值是Ucemax = minUR，UF 对于共射极放大电路，uOuCE，电路的最大输出电压幅值为Uomax=minUCEQ -UCES，ICQRC 输出动态范围UP-P。表示最大输出电压的峰-峰值。UP-P=2Uomax UR=UF时,放大电路有最大的输出电压幅值Uomax，或者说有最大的输出动态范围。第45页/共80页RL=

21、Rc/RLCCLCCcLRVVRRUomax=minUCEQ -UCES，ICQRC RbIBICIEVCCUBEUCERLVBBui=0+RsusRbIBICIEVCCUBEUCERCIRcVBBui=0+RsusRLuoUomax=minUCEQ -UCES，ICQRL RbIBICIEVCCUBEUCERCVBBui=0+Rsus第46页/共80页(a) 放大电路Rb+_+VCCTRcVBB+_+UsRsRLUo+UOUi_静态工作点的计算RsUORb+_+VCCTRcVBBRL+_UBEQUCEQ+_IBQIRcICQ(b)直流通路第47页/共80页bsBEQBBBQRRUVIcRCC

22、CEQcRIVUcCEQRCQL()UIIRUBE = 0.7V(硅) 或 UBE = 0.2V(锗)BQCEOBQCQIIIIRsUORb+_+VCCTRcVBBRL+_UBEQUCEQ+_IBQIRcICQ根据以上五个方程可估算静态工作点的IBQ、UBEQ、ICQ及UCEQ若为PNP型管，则为负电压。第48页/共80页UceUbeeIcIbcb+_+UceUbeeIcIbcb+_+e小信号输入时求出的等效电路称为晶体管微变等效电路。晶体管的h参数微变等效电路 (a) 放大电路Rb+_+VCCTRcVBB+_+UsRsRLUo+UOUi_(b) 交流通路Rb+_TRc+_+UsRsRLUoU

23、i_第49页/共80页表示基-射极间信号电压对基极信号电流的控制作用。hieIbUbe+_h参数的物理意义cecebebebbbeuuuurii0iB(A)uBE(V)QIBibubecebebbeUUrIEQTbbbe)1(IUrr )()mA()mV(26)1(300EQbe Ir rbe的近似计算第50页/共80页2.晶体管的电流放大系数cececcuubbiiiibcececIUrIcecbUII表示晶体管的电流放大能力。输出回路用受控电流源 代替cbii若把晶体管的输出回路看作电流源，rce是电源的内阻， 因此在等效电路中与受控电流源并联由于阻值很高，所以在微变等效电路中常忽略不计。

24、3.晶体管的输出电阻 rce bbcececeiiccuuriiiC(mA)uCE(V)0QiCibiCuce第51页/共80页c三个h参数的等效电路beerberce+_+_IbIcUbeUceIbh参数微变等效电路 c两个h参数的等效电路beerbe+_+_IbIcUbeUceIbUceUbeeIcIbcb+_+第52页/共80页用计算分析法计算主要性能指标第53页/共80页微变等效电路 )()mA()mV(26)1(300EQbe Ir RLRc+_UoRsRb+-UiUsrbeIbIb计算电压放大倍数 uAooouuiiiUUAAUUAu=Uo/Uiio)(bebbirRIU LbLc

25、bo)/(RIRRIU bebLbebbLbiou)(rRRrRIRIUUA l放大电路的增益 Au(dB)=20lgAu(b) 交流通路Rb+_TRc+_+UsRsRLUoUi_第54页/共80页可以增大；增大交流负载电阻RL；减小Rb；增大静态发射极电流IEQ来使rbe减小。但实际上，Au与这些参数之间并不是简单的正比关系。bebLiourRRUUA 第55页/共80页sousUUA oiiuissUUUAUUUbebsbebbebsibebisi)()(rRRrRrRRIrRIUU RLRiRsRbrbeRcRo+-+_UiIbUsIoIiIbUoRb+rbe是放大电路的输入电阻，用Ri

26、表示。isiuusRRRAA bbeLLbbesbbesbbeRrRRRrRRrRRrsU 信号源电压 的一部分降到信号源内阻Rs上。uusAAbebLiourRRUUA第56页/共80页输出信号电流与输入信号电流之比 iiiooioiAIIIIAbebiirRUI LooRUI LbebuibebLoioiRrRAUrRRUIIA 微变等效电路 RLRsRbrbe Rc +-+_ Ui Us Io Ii Ib Uo计算电流放大倍数 iA第57页/共80页定义为输入信号电压与输入信号电流之比。iiiIUR 计算输入电阻和输出电阻 Ri Uo RLRsRbrbe Rc +-+_ Ui Us Io

27、 Ii IbbebiiirRIUR 衡量放大器对信号源的影响大小。 高一些好。第58页/共80页输出电阻Ro 从放大器输出端向放大器本身看入的交流等效电阻。衡量放大器带负载能力的强弱。RL放大器Rs RoUs+_求Ro的方法：输入信号源电压短接，负载电阻RL开路，输出端外加信号电压，向放大器输出回路送入电流 Ls, 0oooRUIUR+_oUoIrbeRsRbRcIbIb_+UsRo+_UoIoRLoooc / RUIR低一些好。第59页/共80页例5-1 在右图的阻容耦合共射级放大电路中，T为硅管，=50，UCES=1V,。耦合电容C1,C2为大容量的电解电容。RS=100，Rb=265k，

28、RC=3k, RL=3k,VCC=+6V(1)计算IBQ，ICQ，UCEQ(2)计算 ，Ri，Ro(3)计算UomaxCCBEQBQb60.70.02(mA)265VUIRICQ =IBQ=500.02=1(mA)uA+VCCRcRLRbC1C2+_+_ (a)放大电路UiUo_+UsRs+VCCRcICQUCEQ RbIBQUBEQecb+_+_(b)直流通路CEQCCCQC61 3)3(V)UVIR 第60页/共80页画出该电路的微变等效电路, C1C2相当于短路)/(LCboRRIU bibeUIrocLuibe(/)50 (3/3)46.91.6URRAUr IiIbIcUorbeUi

29、RbRcRLRiRoIb (c) 微变等效电路+_+_+UsRsIRbIobEQ26(mV)51 26300(1)3001.6(k )(mA)1.02erIiibbei/256/1.61.6(k )URRrIRo =Rc =3(k)应用图解法分析最大不失真输出电压幅值。 cL/LRRRUomax=minUCEQ -UCES，ICQRL =min3 -1，1.5 =1.5(V)第61页/共80页例5-1 在右图的阻容耦合共射级放大电路中，T为硅管，=50，UCES=1V,耦合电容C1,C2为大容量的电解电容。RS=100, Rb=265k, RC=3k, RL=3k, VCC=+6V(1)计算I

30、BQ，ICQ，UCEQ(2)计算 ，Ri，Ro(3)计算UomaxCCBEQBQb60.70.02(mA)265VUIRICQ =IBQ=500.02=1(mA)uA+VCCRcRLRbC1C2+_+_ (a)放大电路UiUo_+UsRs+VCCRcICQUCEQ RbIBQUBEQecb+_+_(b)直流通路CEQCCCQC61 33(V) UVIR(a) 放大电路Rb+_+VCCTRcVBB+_+UsRsRLUo+UOUi_第62页/共80页 (a)放大电路+VCCRcRLRbC1C2+_+_UiUo_+UsRs画出该电路的微变等效电路, C1C2相当于短路)/(LCboRRIU ibbe

31、UI rocLuibe(/)URRAUrIiIbIcUorbeUiRbRcRLRiRoIb (c) 微变等效电路+_+_+UsRsIRbIobEQ26(mV)300(1)1.6(k )(mA)erIibbe/256/1.61.6(k )RRrRo =Rc =3(k)50 (3/3)46.91.6 第63页/共80页求最大不失真输出电压幅值。 cL/LRRRUomax=minUCEQ -UCES，ICQRL Uomax=min3 -1，1.5 =1.5(V)IiIbIcUorbeUiRbRcRLRiRoIb (c) 微变等效电路+_+_+UsRsIRbIo第64页/共80页放大器静态工作点不稳定

32、的原因环境温度的变化 (主要原因)晶体管的更换电路元件的老化电源的波动第65页/共80页1）温度对静态工作点的影响 在固定偏置放大电路中，当温度升高时， UBE、 、 ICBO 。 CBCEOBBBECBO(1)bIIIVU IR温度升高时， IC增加，Q点沿负载线上移。iCuCEQQORsUORb+_+VCCTRcVBBRL+_UBEQUCEQ+_IBQIRcICQ第66页/共80页q在偏置电路中采取温度补偿措施。q将放大器置于恒温装置中，但造价太高。q在直流偏置电路中引入负反馈来稳定静态工作点。第67页/共80页+VCCRcRLRb1Rb2C1C2+_+_Re射极偏置的共射极放大电路UiU

33、o2）稳定工作点的共射极放大电路+VCCRcICQIEQUC EQ Rb1Rb2IRbIBQUBEQecb+_+_Re直流通路UBQUBQ基本恒定，不随温度变化。UBEQ=UBQUEQ UBQ不变T UBEQ若BQBEQCQEQeUUIIR若UBQ UBEQeBQEQRUIBQbRIIb2BQCCb1b2RUVRRICQ(IEQ) UEQ(IEQRe)IBQICQ第68页/共80页BQRbIIUBQ UBEQ为了兼顾放大电路几方面的性能，通常采用下列经验数据来选择电路参数。（锗管）（硅管）（BQBQR2010105bIII（锗管）（硅管）VVU3153BQ工作点稳定条件eBQEQRUIb2BQ

34、CCb1b2RUVRR第69页/共80页CCb2b1b2BQVRRRUeBQeBEQBQEQRURUUIEQBQ1IIUCEQ = VCCICQRcIEQRe VCCICQ(Rc+Re)+VCCRcICQIEQUCEQ Rb1Rb2IRbIBQUBEQecb+_+_ReUBQ 静态分析计算CQBQII第70页/共80页+VCCRcRLRb1Rb2C1C2+_+_ReUiUo 电压放大倍数 IiIbIcUoIeIRb1IRb2UiRb1Rb2ReRcRLRiRoIbrbe+_+_ib beeebbee(1)UI rI RIrRLbLcbo)/(RIRRIUoLuibee(1)URAUrR比固定直流偏置电路的A小得多。输入信号中有相当一部分降落到Re上。Re越大，稳定工作点的作用就强，放大倍数的下降就越多。LubeRAr第71页/共80页电容Ce对交流信号呈现很小的容抗，对交流电流近似起短路作用，所以电容Ce称为射极旁路电容。IiIbIcUorbeUiRb1Rb2RcRLRiRoIb(b) 有Ce时电路的微变等效电路+_+LubeRAr+VCCRcRLRb1Rb2C1C2+_+_Re射极偏置的共射极放大电路UiUoCe第72页/共80页若Rb1 /Rb2 rbe Ri =