模拟电路基捶20090917第六次课课件

Chap2双极型晶体三级管（6学时，第六次课）答疑：周四课后A302晶体二极管：单向导电性晶体三极管：放大作用

双极型晶体管（BJT，BipolarJunctionTransistor）

场效应管（FET，FieldEffectTransistor）单极型晶体管概述双极型晶体管：工作原理静态特性曲线主要参数直流模型交流小信号模型2.1BJT工作原理在同一个硅片上制作出三个独立的掺杂区，并形成两个PN结，所构成的三端器件就是晶体管。分NPN管和PNP管两种类型，如图所示。BJT内部结构三个区：

发射区（Emitter）——发射载流子的区域

基区（Base）——传输载流子的区域

集电区（Collector）——收集载流子的区域三个极:

发射极（E）基极（B）

集电极（C）NNPBEC基极发射极集电极发射结集电结两个结BECNNP基极发射极集电极基区：很薄，掺杂浓度最低集电区：面积大；掺杂浓度低于发射区发射区：掺杂浓度最高BJT结构特点三极管的不同封装形式金属封装塑料封装大功率管中功率管BECNNPIE基区空穴向发射区的扩散电流IEP，浓度小，可忽略。VCCVBBRBIBN进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。BJT的电流放大作用——内外部电流BECNNPVBBRBVCCIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOICNIBNICN从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。IBIB=IBN-ICBOIBNBJT的电流放大作用——内外部电流以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。晶体管三电极电流之间的关系则可得三电极的电流关系：根据传输过程可知:又，IEP很小，可以忽略IC=ICN+ICBOIE=IEN+IEPIB=IBN+IEP-ICBOIE=IB+ICBJT放大内外部条件内部载流子的传输过程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。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄，集电结较宽。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子根据传输过程可知：IC=ICN+ICBO通常，IC>>ICBO4.放大偏置时电流分配关系载流子的传输过程(1)IE与IC的关系

为共基极直流电流放大系数，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

=0.970.994.放大偏置时电流分配关系(2)IC与IB的关系ICBO很小，ICEO的影响可以忽略，则：根据三电极电流之间的关系式：IE=IC+IB，以及可得：令ICEO=(1+)ICBO，是基极开路（iB=0）时，集电极与发射极之间流过的穿透电流。则：

为共发射极直流电流放大系数，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

=202002.1.3放大偏置BJT偏压与电流的关系双极型晶体管是电流控制器件。控制各极电流变化的真正原因是发射结正向电压的变化。集电结反向电压的变化对各极电流也有影响。1.发射结正向电压vBE对各极电流的控制作用——BJT的正向控制作用发射结电流iE实际上就是正偏发射结的正向电流:当发射结正偏电压vBE增加时，正向电流iE增加。此时，注入基区的非平衡少子增多，会使基区复合增多，到达集电结边界被集电区收集的非平衡少子也会增多，从而使iB和iC都会增大。发射结正偏电压vBE的变化将控制各极电流的变化。双极型晶体管也是一种电压控制器件。2.集电结反向电压vCB对各极电流的影响——基区宽度调制效应图2.4基区宽度调制效应当正偏电压vBE一定时，发射区向基区注入的自由电子一定，即x=0处的基区少子浓度nb(0)一定。发射极电流iE主要由发射结处的越结扩散电流决定，而扩散电流与浓度梯度成正比，所以iE与x=0处的基区少子浓度梯度的值近似成正比。基区电流iB主要由基区的复合电流构成，而基区复合电流与基区少子数量成正比。基区少子数量又与基区少子浓度分布曲线下的面积S成正比。故iB由基区少子浓度分布曲线下的面积决定。当集电结反向电压vCB增加时，集电结会变宽，这必然使基区宽度减小（图2.4中W变到W’），基区少子浓度曲线由图中的实线变为虚线。显然，由虚线决定的浓度梯度变大，所以iE会增加；而虚线下的面积比实线下的面积小，表明iB会减小；再由iC

=iE-iB

可知，iC会增加。2.2BJT的静态特性曲线特性曲线是指各电极之间的电压与电流之间的关系曲线概念输入特性曲线输出特性曲线晶体三极管的静态特性曲线是在伏安平面上作出的反映晶体管各极直流电流与电压关系的曲线－晶体管图示仪。利用晶体管的特性曲线可以分析晶体管放大电路（负载线法）。三极管在电路中的连接方式共基极连接共集电极连接共发射极连接公共端：不同回路共享的支路所对应的端子。实验线路ICmAAVVVCEVBERBIBVCCVBB+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE(输出端集电极电流与输出端口集射极电压间的关系曲线)2.2.2共射输出特性曲线图2.6NPN管输出特性曲线输出特性曲线的四个区域，对应于BJT的四种工作状态。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。(1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔiB时，iC就会有很大的变化量ΔiC。为此，定义共发射极交流电流放大系数来表示这种控制能力。放大区——条件e结正偏，c结反偏2.2.2共射输出特性曲线图2.6NPN管输出特性曲线(2)vCE变化对iC的影响很小，在输出特性曲线上表现为iB一定而vCE增大时，曲线略有上翘（iC略有增大）。这是因为vCE增加使得集电结反偏电压vCB增大，会因基区宽调效应而略有增大。当参变量IB增大时，上翘的斜率也会增大。定义共发射极交流电流放大系数：由于基调效应很微弱，vCE在很大范围内变化时iC基本不变。因此，当IB一定时，集电极电流iC具有恒流特性。2.2.3温度对BJT特性及参数的影响由于，ICEO随温度的变化与ICBO类似，其随温度的变化规律为：3.温度对输出特性曲线的影响2.温度对输入特性曲线的影响1.温度对ICBO和ICEO的影响温度每升高10℃,

ICBO增加约一倍；反之，温度减低时减小。直流参数直流电流放大系数和极间反向电流ICBO和ICEO交流参数交流电流放大系数α和频率参数f和fT极限参数集电极最大允许电流ICmax集电极最大允许功耗PCmax反向击穿电压

2.3BJT主要参数一般近似认为：=

=1.直流电流放大系数和（1）共基直流电流放大系数（2）共射直流电流放大系数（3）与之间的关系（2.25）（2.26）2.3.1BJT直流参数=ICN/IE=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

=ICN/IB=（IC－ICBO）/IB≈IC/IB

2.极间反向电流ICBO和ICEO（1）集电结反向饱和电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。ICBO是BJT在共基极应用且发射极开路时，集电结的反向饱和电流。它和二极管的反向饱和电流的特点相同。室温时锗三极管的ICBO大小约为(1～2)μA（高频管）到几十μA（低频管），甚至几百μA（大功率低频管）。硅三极管的ICBO仅千分之几到十分之几μA，大功率管一般也不超过μA数量级。（2）

集电结反向穿透电流ICEOICEO是BJT在共发射极应用且基极开路，外加电压极性如图所示时，流过集电极与发射极间的穿透电流。此时，集电结被加上反向电压，而发射结被加上的是正向偏压。BECNNPICBOICEOIE=(1+

)IB当集电结被加上反向偏压时，流过集电结的反向饱和电流是由空穴进入基极和自由电子离开基极形成的。由于基极开路，只能由从发射区越过发射结扩散到基区的自由电子，来补充源源不断进入集电区的自由电子，并中和进入基区的空穴，其效果是相当于给基极提供了大小等于ICBO的基极电流。根据：ICEO=

IE=(1+

)ICBOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。交流参数是描述BJT对于动态信号的性能指标。1.交流电流放大系数α和（1）交流电流放大系数α（2.27）（2）交流电流放大系数（2.28）2.3.2BJT交流参数（3）α与的关系：（2.29）（2.30）=ICN/IB=（IC－ICBO）/IB≈IC/IB

例：VCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

==2.频率参数（1）截止频率f由于BJT的PN结具有电容效应，当工作频率较高时，BJT电流放大系数

将随信号频率f的变化而变化，两者之间的关系可近似表示为:（2.31）其中，

0为直流（或低频）电流放大系数；f为共射电流放大系数的截止频率，指共射电流放大系数由

0下降3dB（1/√2倍）时所对应的频率。图2.7

的频率特性（2）特征频率fT特征频率fT是当高频

的模等于1(0dB)时所对应的频率。也就是说，当|

(f)|=1时，集电极电流增量与基极电流增量相等，共射接法的BJT失去电流放大能力。根据fT的定义和式（2.31）可近似估算出特征频率fT大部分BJT:β0>10根据fT的不同，晶体管可以分为低频管、高频管和微波管。在应用双极型晶体管时，工作频率应该远小于特征频率fT。例如在BJT放大电路中，可以选fT比入信号频率高10倍的管子作为放大管。极限参数是指BJT安全工作时不可超过的限度。集电极最大允许电流ICmax

iC在较大的范围内，

基本不变，但当iC增大到一定数值时，值就会随着的iC增大而减小。一般ICmax是指下降到最大值的2/3时所对应的集电极电流。当iC>ICmax时，虽然管子不至于损坏，但值已经明显减小。2.3.3极限参数晶体管线性运用时，iC不应超过ICmax。2.集电极最大允许耗散功率PCmax

PCmax是指集电结上允许损耗功率的最大值，决定了晶体管的温升。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。对于确定型号的BJT，PCmax是一个确定值，即PCmax=iCvCE=常数，在输入特性平面上为双曲线中的一条。按PCmax的大小，晶体管可分为小功率管和大功率管。对于大功率管，为了提高PCm