三极管ppt课件

1、4 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管14.1 4.1 半导体三极管半导体三极管4.2 4.2 基本共射极放大电路基本共射极放大电路4.3 4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法4.4 4.4 放大电路工作点的稳定问题放大电路工作点的稳定问题4.5 4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路共集电极放大电路和共基极放大电路4.6 4.6 组合放大电路组合放大电路4.7 4.7 放大电路的放大电路的频率响应频率响应4.8 4.8 单级放大电路的单级放大电路的的的瞬态响应瞬态响应4.9 SPICE4.9 SPICE仿真例题仿真例题1

2、4 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-4.1.1 BJT的结构简介的结构简介NPPN结结二极管二极管PPNPN结结PN结结三极管三极管1.常见三极管的外形常见三极管的外形24 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-2.BJT的分类的分类按频率分按频率分高频管高频管中频管中频管低频管低频管按功率分按功率分大功率管大功率管中功率管中功率管小功率管小功率管按材料分按材料分硅管硅管锗管锗管按结构分按结构分NPN型管型管PNP型管型管

3、4.1.1 BJT的结构简介的结构简介34 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-3.3.两种两种BJTBJT类型及其符号类型及其符号 发射区发射区 发射极发射极(e)集电区集电区基区基区 基极基极(b)集电极集电极(c)发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc)箭头代表发射结正偏时箭头代表发射结正偏时流过发射结电流的实际方向。流过发射结电流的实际方向。4.1.1 BJT的结构简介的结构简介44 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)

4、32-4. 4. 三个区的作用：三个区的作用： 发射区发射区: 集电区集电区: 基区基区:向基区发射向基区发射(注入注入)载流子载流子NPN型型:注入电子注入电子PNP型型:注入空穴注入空穴控制由发射区注入到基区的多数载流子的传输和分配控制由发射区注入到基区的多数载流子的传输和分配收集由发射区注入到基区的载流子收集由发射区注入到基区的载流子.即即:集电区在基区的控制下集电区在基区的控制下收集由发射区发射的多数收集由发射区发射的多数载流子。载流子。4.1.1 BJT的结构简介的结构简介54 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)

5、(BJT)32-5.5.结构特点：结构特点： 三个区的杂质浓度、半导体厚度及三个区的杂质浓度、半导体厚度及PNPN结的结面结的结面积均不同。积均不同。非对称结构的特点：非对称结构的特点： 发射区的掺杂浓度最高，杂质数量最多；基区掺杂浓度最低，杂质数量最少；集电区掺杂发射区的掺杂浓度最高，杂质数量最多；基区掺杂浓度最低，杂质数量最少；集电区掺杂浓度介于两者之间。浓度介于两者之间。 集电结的结面积很大；集电结的结面积很大；集电区很厚而基区很薄，一般在几个微米至几十集电区很厚而基区很薄，一般在几个微米至几十 个微米。个微米。4.1.1 BJT的结构简介的结构简介64 双极结型三极管及放大电路基础双极

6、结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管74.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理BJT的工作状态：的工作状态： 根据三极管两个根据三极管两个PN结的偏置情况不同，可分为结的偏置情况不同，可分为四种状态、三种工作状态：四种状态、三种工作状态：1.发射结和集电结均反偏发射结和集电结均反偏2.发射结和集电结均正偏发射结和集电结均正偏3.发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏4.发射结反偏，集电结正偏发射结反偏，集电结正偏截止状态截止状态饱和状态饱和状态放大状态放大状态倒置状态倒置状态倒置状态是一种非工作状态。倒置状态是一种非工作状态。 三极管的放大作

7、用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。外部条件：外部条件：1.1.处于放大状态的处于放大状态的BJTBJT与外电路的连接与外电路的连接发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。原则：原则：cbeRbVBBIB使发射结正偏的外电路使发射结正偏的外电路: 基极电源基极电源VBB和和RbVCCRC使集电结反偏的外电路使集电结反偏的外电路:集电极电源集电极电源VCC和和Rc， 且且: VCC VBBICIE74 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路

8、基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-a.发射区向基区注入电子发射区向基区注入电子 形成发射极电流形成发射极电流IEN：因发射结正偏因发射结正偏,空间电荷区变薄空间电荷区变薄,扩散运动扩散运动加强加强,漂移运动减弱漂移运动减弱.发射区的多数载流子电子向基区扩散。发射区的多数载流子电子向基区扩散。因发射区外接电源的负极因发射区外接电源的负极,所以电源负极所以电源负极不断向发射区提供电子不断向发射区提供电子,从而形成发射极从而形成发射极电流电流IEN。IEN（1）形成发射极电流）形成发射极电流IEVCCRCRbVBBNPNecbb.基区向发射区扩散空穴基区向发射区扩

9、散空穴 形成发射极电流形成发射极电流IEP：基区的多数载流子空穴向发射区扩散。基区的多数载流子空穴向发射区扩散。扩散到发射区后被电源负极拉走，形成扩散到发射区后被电源负极拉走，形成发射极电流发射极电流IEP。IEP可见：可见： IE=IEN+IEP因发射区杂质浓度远远大于基区的杂质浓因发射区杂质浓度远远大于基区的杂质浓度故度故:IENIEP故故: IE=IEN+IEPIEN2.2.处于放大状态的处于放大状态的BJTBJT内部载流子的运动内部载流子的运动4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理84 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三

10、极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-IEa.a.电子在基区复合形成基极电流电子在基区复合形成基极电流I IBNBN(2) (2) 发射区的电子注入到基区后的情况发射区的电子注入到基区后的情况由发射区扩散到由发射区扩散到 基区的电子有很少一部分和基基区的电子有很少一部分和基区的多数载流子空穴相遇而复合掉区的多数载流子空穴相遇而复合掉, ,因基区外接因基区外接电源的正极电源的正极, ,故电源故电源V VBBBB不断向基区提供空穴而形不断向基区提供空穴而形成基极电流成基极电流I IBNBN。IBN因基区的杂质浓度很低，因基区的杂质浓度很低， 故故IBN很小。很小。b.b.绝大多数没有复合掉的绝

11、大多数没有复合掉的 电子继续向集电结靠拢电子继续向集电结靠拢 （扩散）。（扩散）。2.2.处于放大状态的处于放大状态的BJTBJT内部载流子的运动内部载流子的运动4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理94 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-IEIBN=IEN+IEP(3) (3) 集电区收集从发射区扩散到基区集电区收集从发射区扩散到基区的大部分电子形成集电极电流的大部分电子形成集电极电流I ICNCN因集电结反偏，故有利于少数载流子的漂移运动。因集电结反偏，故有利于少数载流子的漂移运动。

12、由发射区扩散到基区的电子成为基区的少数由发射区扩散到基区的电子成为基区的少数载流子称非平衡载流子。载流子称非平衡载流子。基区的非平衡载流子在集电结的作用下漂移到基区的非平衡载流子在集电结的作用下漂移到集电区，因集电区外接电源的正极，故电子被集电区，因集电区外接电源的正极，故电子被电源正极拉走形成集电极电流电源正极拉走形成集电极电流ICN。ICN可见：可见： IEN= ICN+ IBN2.2.处于放大状态的处于放大状态的BJTBJT内部载流子的运动内部载流子的运动4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理104 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.

13、1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-IEIBN=IEN+IEPICN(4) (4) 集电极的反向电流集电极的反向电流因集电结反偏，故基区本身的少数载流子因集电结反偏，故基区本身的少数载流子-电子电子和集电区本身的少数载流子和集电区本身的少数载流子-空穴也要发生漂移空穴也要发生漂移运动形成电流运动形成电流ICBOICBO可见：可见：IB=IBN-ICBO IC=ICN+ICBOIB+IC=IBN+ICN=IEN2.2.处于放大状态的处于放大状态的BJTBJT内部载流子的运动内部载流子的运动4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理114 双极结型三极管及放大电路

14、基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-小小 结结 三极管内有两种载流子三极管内有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)都参与导都参与导电，故称为双极型三极管。电，故称为双极型三极管。发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 因多数载流子的扩散而形成因多数载流子的扩散而形成IEN、 IEP、 IBN、ICN；因少数载流子的漂移而形成；因少数载流子的漂移而形成ICBO。 IE=IEN+IEPIENIB=IBN-ICBOIC=ICN+ICBOIE=IB + IC

15、4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理124 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32- 双极型三极管有三个电极，其中一个可以作为双极型三极管有三个电极，其中一个可以作为输入输入, , 一个可以作为输出，这样必然有一个电极是一个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。公共电极。三种接法也称三种组态。3.BJT3.BJT的三种连接方式的三种连接方式( (三种电路组态三种电路组态) ) ： 共基极连接方式：共基极连接方式： 共发射极连接方式：共发射极连接方式： 共集电极连接

16、方式：共集电极连接方式： 4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理1)1)共发射极接法共发射极接法发射极作为公共电极；发射极作为公共电极；2)2)共基极连接方式：共基极连接方式： 基极作为公共电极基极作为公共电极;3)3)共集电极连接方式：共集电极连接方式： 集电极作为公共电极集电极作为公共电极;134 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-4.4.电流分配关系电流分配关系 传输到集电极的电流设发射极注入电流ecbIEICIBCNE II即通常通常 IC ICBOCE II则有 为电流放大系数

17、，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般关。一般 = (90 99)%IC= ICN+ ICBO ICN(1)(1)共基极放大电路的直流共基极放大电路的直流电流放大系数电流放大系数 IC IE4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理144 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-cbeIBICIECB II令由由CE II IEBCII和和 1可得可得 (1)BEII所以所以(2)(2)共射极放大电路直流共射极放大

18、电路直流电流放大系数电流放大系数 是另一个是另一个直流直流电流放大系数，同样，它也与电流放大系数，同样，它也与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般 1 反映了三极管的基极电流对集电极电流反映了三极管的基极电流对集电极电流的控制能力。的控制能力。4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理4.4.电流分配关系电流分配关系154 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-cbeIBICIE4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理4.4.电流分配关系电流分配

19、关系（3 3）共集电极放大电路的输出）共集电极放大电路的输出电流电流I IE EIB=IE-ICCB IIIE=IB+IC =(1+)IB164 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-ICIEIB+- vIiE=IE+iEiC=IC+iCiB=IB+iB+v0若若 vI = 20mV则则电压放大倍数电压放大倍数4920mVV98. 0IOV vvA iE = -1 mA， iC = iE = -0.98 mA， vO = - iC RL = 0.98 V， = 0.98 时，时，+VEB vBE +ebcVEE

20、RLVCCRe+-V01k 输入输入回路回路输出输出回路回路5.5.BJT在电压放大电路中的应用举例在电压放大电路中的应用举例4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理174 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-bce+ iCRBVBBIBRLVCC1k ICIE+VBE+- vI+ iB+ iE vO+- vBE + vI = 20mV 设设若若则则 iB = 20 uA = 0.98491使使CB0.98mAii vO = - iC RL = -0.98 V电压放大倍数电压放大倍数4920

21、mVV98. 0IOVvvA5.5.BJT在电压放大电路中的应用举例在电压放大电路中的应用举例4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理184 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32- 三极管的放大作用，是依靠它的发射极电流能够三极管的放大作用，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。通过基区传输，然后到达集电极而实现的。发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射结正向偏置，集电结反向偏置。IE=IB+ IC , IC=iB ， IC=IE一组公式一组公式实现这一传输过程的两个条件

22、是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：由结构决定；由结构决定；（2）外部条件：外部条件： 小小 结结4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理194 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-4.1.3 BJT的的V-I特性曲线。特性曲线。.。BJTBJT的特性曲线的特性曲线 从使用从使用BJTBJT的角度来讲，了解它的特性要比了解的角度来讲，了解它的特性要比了解它的内部载流子的运动显得更为重要。它的内部载流子的运动显得更为重要。 BJT BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之

23、间的关的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是系曲线，它是BJTBJT内部载流子运动的外部表现。内部载流子运动的外部表现。输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线204 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-+bceVBBVCCvBEiCiB+-vCE-RbRc+- A-+ A输入回路：由基极和发射极组成的回路。输入回路：由基极和发射极组成的回路。输出回路：由集电极和发射极组成的回路。输出回路：由集电极和发射极组成的回路。输输入入回回路路输输出出回回路路1）测量电路）测量电路1. 共射极连接时

24、的输入共射极连接时的输入V-I曲线曲线 iB=f(vBE) vCE=constU+-VCEU+-VBE4.1.3 BJT的的V-I特性曲线。特性曲线。.。214 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-+bceVBBVCCvBEiCiB+-vCE-RbRc+- A-+ AU+-VCEU+-VBE输输入入回回路路输输出出回回路路(1)(1) 当当V VCECE=0V=0V时，相当于时，相当于C C和和E E短接，表现为短接，表现为PNPN结的正向伏安特性曲线。结的正向伏安特性曲线。1）测量电路）测量电路1. 共射极

25、连接时的输入共射极连接时的输入V-I曲线曲线 iB=f(vBE) vCE=const4.1.3 BJT的的V-I特性曲线。特性曲线。.。（2 2）当）当V VCECE=00.7V=00.7V时，特性曲线右移时，特性曲线右移, ,说明输出电压说明输出电压 对输入特性的影响对输入特性的影响: :在同样的输入电压在同样的输入电压v vBEBE作作用下用下, ,输入电流减小了输入电流减小了. .(3) (3) 当当V VCECE1V1V时，集电结进入反偏状态（时，集电结进入反偏状态（ V VCBCB= = V VCECEV VBE BE 00）；形成稳定的电流分配）；形成稳定的电流分配，表现表现为特性

26、曲线基本不变。这是正常使用状态为特性曲线基本不变。这是正常使用状态VCE1V 通常用通常用V VCECE=1V=1V的输入特性曲线代替的输入特性曲线代替V VCECE1V1V的特性的特性曲线。曲线。224 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-2 2）输入特性曲线的三个区）输入特性曲线的三个区死区死区非线性区非线性区线性区线性区VBE0.5V,Je结反偏。结反偏。VBE0.50.6V， Je结接近正偏。结接近正偏。VBE0.6V， Je结正偏，结正偏， Jc结反偏结反偏1. 共射极连接时的输入共射极连接时的输入

27、V-I曲线曲线 iB=f(vBE) vCE=const4.1.3 BJT的的V-I特性曲线。特性曲线。.。VCE1VVBEIBE234 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-+bceVBBVCCvBEiCiB+-vCE-RbRc+- A-+ AU+-U+-VCEVBE2. 共射极连接时的输出共射极连接时的输出V-I曲线曲线1 1）测量电路）测量电路iC=f(vCE) iB=const(1)(1) 当当I IB B=0A=0A时，两个时，两个PNPN结均反偏，结均反偏，i iC C= =i iCEOCEOiB=0

28、(2)(2)当当I IB B=20A=20A时时(3)(3)当当I IB B=40A=40A时时(4)(4)当当I IB B=60A=60A时时iB=20iB=40iB=60iB=804.1.3 BJT的的V-I特性曲线。特性曲线。.。244 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-2 2）输出特性曲线的三个区）输出特性曲线的三个区饱和区饱和区放放大大区区截止区截止区饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控制的区域，该区域内，一般控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，。此时，发射结正偏，集电

29、结正发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小偏或反偏电压很小。截止区：截止区：iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此的曲线的下方。此时，时， vBE小于死区电压小于死区电压。发射结反偏，集电结发射结反偏，集电结反偏。反偏。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。轴的区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电结反偏，发射结正偏，集电结反偏， IC=IB。2. 共射极连接时的输出共射极连接时的输出V-I曲线曲线4.1.3 BJT的的V-I特性曲线。特性曲线。.。254 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1

30、半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32- (1) (1)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 4.1.4 BJT的主要参数。的主要参数。.。1. 1. 电流放大系数电流放大系数 VCE=const=IC / IB (2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB vCE=const 显然，显然，和和的含义不同，的含义不同， 反映静态反映静态(直流直流状态状态)时的电流放大特性，时的电流放大特性， 反映动态反映动态(交流工作状交流工作状态态)时的电流特性。但时的电流特性。但 (3) (3) 共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =IC/IE

31、 VCB=const (4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = IC/ IE VCB=const当当BJT工作于放大区时工作于放大区时， 、 ，可以不，可以不加区分。加区分。264 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-2. 极间反向电流极间反向电流(1) 集基间反向饱和电流集基间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的路时，集电结的反向饱和电流。反向饱和电流。 +bce-uAIe=0VCCICBO (2) 集射间反向饱和电流集射间反向饱和电流ICEO 基极开基极开路时，晶体管的穿透

32、电流。路时，晶体管的穿透电流。 +bce-VCCICEOuA穿透电流在特性曲线上表现穿透电流在特性曲线上表现ICEO4.1.4 BJT的主要参数。的主要参数。.。274 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32-ICMV(BR)CEOPCM(1) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM(2) 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM注意：任何时候晶体管功耗注意：任何时候晶体管功耗 PCM= ICVCE 安安 全工作区全工作区过过损损耗耗区区(3) 晶体管安全工作区晶体管安全工作区 极限参数决定晶体管是

33、否能安全工作极限参数决定晶体管是否能安全工作 由由PCM、 ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定在输出特性曲线上可以确定 晶体管安全工作区。晶体管安全工作区。过流区过流区过压区过压区3. 极限参数极限参数4.1.4 BJT的主要参数。的主要参数。.。284 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 4.1 半导体三极管半导体三极管(BJT)(BJT)32- V(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压发射极开路时的集电结反向击穿电压 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反向击穿电压集电极开路时发射结的反向击穿电压 V(BR)CEO基极开路时集射间的击穿电压，它与穿透电流直接联系基极开路时集射间的击穿电压，它与穿透电流直接联系几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR