第19讲双极型晶体管

1、电工电子技术电工电子技术 1.6 1.6 双极型晶体管双极型晶体管 半导体三极管半导体三极管是组成放大电路的核心元件，是组成放大电路的核心元件，根 据 工 作 原 理 的 不 同 分 为根 据 工 作 原 理 的 不 同 分 为 双 极 型双 极 型 晶 体 管晶 体 管（Bipolar Junction Transister ,简称简称BJT）和和场场效应晶体管效应晶体管（Field-Effect Transistor，简称，简称FET）两大类。两大类。 双极型晶体管工作时，多数载流子和少数载双极型晶体管工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，而场效应晶体管工作时只有流子都参与导电，而场效

2、应晶体管工作时只有一种载流子参与导电。前者习惯称为一种载流子参与导电。前者习惯称为三极管三极管或或晶体管晶体管，后者称为后者称为场效应管场效应管。 1. 1.结构示意图及有关术语结构示意图及有关术语 BJT BJT管是由两个管是由两个PNPN结构成的电子元件，其结构如图所示结构成的电子元件，其结构如图所示c collectorollectore emittermitterb baseasec ce eb bN NP PP P+ +PNPPNP型电路符号型电路符号NPNNPN型电路符号型电路符号即即发射区发射区 、基区、基区BJTBJT管有三个掺杂区，管有三个掺杂区，及集电区，及集电区，分别为分

3、别为发射结发射结e ej j 和和集电结集电结c cj j。由各区引出电极分别命名为由各区引出电极分别命名为发射极发射极e e、 基极基极b b 和和集电极集电极c c。根据各区的半导体材料的不同，还可如此排列，根据各区的半导体材料的不同，还可如此排列，两个两个PNPN结，结， 于是三极管就于是三极管就NPN型和型和PNP型之分，其电路符号分别为：型之分，其电路符号分别为：b bc ce eb bc ce eV（T）V（T）P PN NN N+ +1.6.1 双极型晶体管的结构双极型晶体管的结构1.6.2 1.6.2 三极管的电流放大（控制）作用三极管的电流放大（控制）作用以以NPN管共发射极

4、接法为例管共发射极接法为例一、电流放大的概念一、电流放大的概念VCCRCIC UCECEBUBE输出输出回路回路输入输入回路回路公共端公共端VBBRBIBIE TVCCVBB调节调节RB，观察，观察IB、IC及及IE的变化。的变化。（2）IC IEIB（3）IB很小的变化引起很小的变化引起IC很大的变化，很大的变化，即即IC受受IB控制控制二、电流控制原理二、电流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN电子空穴电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子空穴电子电子电子发射区向基发射区向基区扩散电子区

5、扩散电子电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成发射极电流发射极电流I IE E电子在基区的电子在基区的扩散与复合扩散与复合集电区收集电子集电区收集电子电子流向电源正电子流向电源正极形成极形成I IC CEB正极拉走电子，正极拉走电子，补充被复合的空补充被复合的空穴，形成穴，形成IB综上所述，三极管具有电流控制作用必须满足以下所有条件：综上所述，三极管具有电流控制作用必须满足以下所有条件：1、外部条件、外部条件发射结正向偏置发射结正向偏置,集电结反向偏置。集电结反向偏置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0UBC VB VE对于对于PNP型三极管应满足型三极

6、管应满足: UEB 0UCB 0即即 VC VB VE 2、内部条件、内部条件（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。BECNNPEBRBECRC三、电流关系三、电流关系（1 1）电流放大系数电流放大系数传输到集电区的电子数发射区发射出的电子数ECEIIICE= IE （2）电流方程）电流方程T作为广义节点作为广义节点 c点点 IC=ICE + ICBO （2） b点点 IB =IBEICBO （3） 发射结发射结 IBE =IEICE （4） IE =IB + IC （1） +-+-REBECIC

7、IEIBEICEICBOIBIE 0.90.99。（3 3）I IC C与与I IE E的关系的关系又又 I IC CI ICBOCBO 把把I ICECE= = I IE E代入代入（2 2）得得 I IC C= = I IE E+ I+ ICBOCBO+-+-REBECICIEIBEICEICBOIBIE所以所以:ECII共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数（3 3）I IC C与与I IE E的关系的关系+-+-REBECICIEIBEICEICBOIBIEBCEIIIBCEOBCIIII CBOCEO11II IC = IB 的特点称为三极管的放大作用。但必须强调的是，的特点称为三

8、极管的放大作用。但必须强调的是，这种放大这种放大并非能量放大并非能量放大，其实质为，其实质为小电流控制大电流小电流控制大电流。可见。可见三极管属电流控制电流（三极管属电流控制电流（）元件。）元件。 1共射直流电共射直流电流放大系数流放大系数1.6.3 1.6.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线1. 1. 三极管的连接组态三极管的连接组态在介绍特性曲线之前，先介绍三极管连接组态问题。在介绍特性曲线之前，先介绍三极管连接组态问题。 所谓三极管的连接，就是将三极管接成二端口网络，即所谓三极管的连接，就是将三极管接成二端口网络，即将三极管的任意一个电极作为输入与输出的公共端，另外两将三极管的任意一个

9、电极作为输入与输出的公共端，另外两个电极分别置于输入和输出。个电极分别置于输入和输出。b bc ce ee e共射极（共射极（CE）b bb bc ce e共基极（共基极（CB）b be ec cc c共集电极（共集电极（CC） 根据公共端的不同，三极管的连接有三种组态，即根据公共端的不同，三极管的连接有三种组态，即 在实际应用中，在实际应用中， u uCECE 1 1的的所有情况所有情况用一条曲线代替。用一条曲线代替。这是因为这是因为u uCECE1 1时，其收集能力已经相当强，几乎能收集发时，其收集能力已经相当强，几乎能收集发射区发射过来的全部电子。换句话说，当射区发射过来的全部电子。换句

10、话说，当u uBEBE保持不变的情保持不变的情况下，况下，u uCECE11时的所有曲线几乎重合时的所有曲线几乎重合。 2.2.共射极的特性曲线共射极的特性曲线（1)1)输入特性输入特性U UCECE11U UCECE=0=0i iB B/A/Au uBEBE/V/V0.40.40.80.820204040606080800 0常数）（CEUBEBufi1TBEVuSEEeIi 与正向偏置的二极管电流方程相似，发射极的电流与发射与正向偏置的二极管电流方程相似，发射极的电流与发射结的电压结的电压uBE成指数关系，同时因为成指数关系，同时因为iC=iB ， iE iC ，所以发所以发射极电流射极电

11、流iE与发射结电压与发射结电压uBE也成指数关系，即也成指数关系，即 三极管的特性曲线是其各极电压和电流之间关三极管的特性曲线是其各极电压和电流之间关系的曲线。从使用三极管的角度来说，了解其特性系的曲线。从使用三极管的角度来说，了解其特性曲线比了解其内部载流子运动显得更为重要。曲线比了解其内部载流子运动显得更为重要。+-UBEBCEIBIB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 减小减小IB = 20AIB = 常数常数IC = f (UCE )(2)(2)输出特性输出特性现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说明。 （1）当）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，时

12、，因集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当当uCE 1V后，后，收集电子的能力足够强。收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形子都被集电极收集，形成成iC。所以。所以uCE再增加，再增加，iC基本保持不变基本保持不变,呈现呈现恒恒流流特性。特性。同理，可作出同理，可作出iB=其它值的曲线。其它值的曲线。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB1V输出特性曲线有三个特点：输出特性曲线有三个特点：IC / mAUCE /V0三极管输出特性上的三个工作区域三极管输出特

13、性上的三个工作区域 IB= 0 A20A40 A截止区截止区饱和区饱和区60 A80 A放放大大区区饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。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。的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。 此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有：CBIIiCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uAB

14、I=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区CBii晶体管的三种工作状态晶体管的三种工作状态 三极管的工作状态取决于两个三极管的工作状态取决于两个PNPN结的偏置状态。结的偏置状态。共有四种组合共有四种组合 发射结偏置发射结偏置集电结偏置集电结偏置工作状态工作状态作用作用 正偏正偏 反偏反偏放大状态放大状态放大放大 正偏正偏 正偏正偏饱和状态饱和状态开关合开关合 反偏反偏 反偏反偏截止状态截止状态开关断开关断 反偏反偏 正偏正偏倒置状态倒置状态3.3.三极管的主要参数三极管的主要参数 BCII_ BCII 53704051BC.II 400400

15、605132BC .II 在输出特性上求在输出特性上求 ， ICBO A+EC AICEOIB=0+ICEO = （1+）ICBOICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO过损耗区过损耗区4. 4. 温度对晶体管特性的影响温度对晶体管特性的影响对输入特性的影响对晶体管输出特性的影响三极管的简化小信号模型三极管的简化小信号模型 建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义 由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。分析非常困难。 虽然虽然图解分析法图解分析法具有直观、形象的优点，但是它不具有直观、形象的优点，但是它不能用来分析三

16、极管放大电路的输入电阻、输出电阻等动能用来分析三极管放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标，也不能用于分析工作频率较高时的电路工态性能指标，也不能用于分析工作频率较高时的电路工作状态。作状态。 因此为了简化放大电路的分析和设计过程，需要建因此为了简化放大电路的分析和设计过程，需要建立小信号模型，将非线性器件在静态工作点附近做线性立小信号模型，将非线性器件在静态工作点附近做线性化处理。化处理。1.6.4 1.6.4 三极管的简化小信号模型三极管的简化小信号模型b bc ce ee e0.40.4i iB B/A/Au uBEBE0.80.820204040606080800 0Q Q 所谓小

17、信号模型，是指信号在所谓小信号模型，是指信号在某工作点某工作点Q Q附近微附近微小范围内变化时的线性化等效模型。小范围内变化时的线性化等效模型。I IB B=40A=40Au ucecei ic c三极管的简化小信号模型三极管的简化小信号模型),(CEB1BEvvif 用小信号交流分量表示用小信号交流分量表示vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce 对于对于BJT双口网络，已知输入双口网络，已知输入输出特性曲线如下：输出特性曲线如下：iB=f(vBE) vCE=constiC=f(vCE) iB=const可以写成：可以写成：),(CEB2Cvifi BJT双口网络双口网络因此小信号