第三章-半导体三极管及其放大电路基础3.1讲述.ppt

1、,第三章 半导体三极管及其放大电路基础,3.1 半导体三极管 3.2 基本共射极放大电路 3.3 放大电路的静态分析 3.4 放大电路的动态分析 3.5 静态工作点的稳定 3.6 共集与共基极放大电路,3.1 半导体三极管,半导体三极管重要原因结构？决定其重要作用 电流放大作用（本章学习重点） 开关作用,半导体二极管（第二章）,双极型半导体三极管（第三章）,晶体管,半导体三极管,单极型半导体三极管（第四章）,3.1 半导体三极管,图 3 - 1 几种半导体三极管的外形,一、半导体三极管的基本结构及类型,3.1 半导体三极管,半导体三极管,一、半导体三极管的基本结构及类型,无论何种类型的双极型三

2、极管，其结构内部都分NPN或PNP三层。由此它分两种类型:NPN型和PNP型。其结构示意图和符号如图所示。,三极管符号,图 3 2 三极管的结构示意图和符号,无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们的核心部分是两个PN结，分别称为发射结BE和集电结BC。 三个区: 发射区、基区和集电区, 并相应地引出 三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 常用的半导体材料有硅和锗, 因此共有四种系列三极管类型。它们对应的型号分别为： 3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、 3C(硅PNP)、3D(硅NPN) 。,二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）

3、* 1.三极管放大的两个条件： 1）内部条件：三个区（发射区、基区和集电区）的掺杂浓度与厚薄均不一样。两个PN结的结面积不同。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,围绕内部结构阐述晶体管的电流放大作用：,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）* 2）外部条件：为使三极管具有电流放大作用，所加的外部电源必须使两个PN结偏置合适。 发射结（BE结）须正向偏置（有利于多子扩散） 集电结（BC结）须反向偏置（有

4、利于少子漂移）。,二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）* 2、三极管放大电路的构成：为使三极管电流放大作用得以实现，构成电路时三个电极发射极（e)、基极(b)和集电极(c)其中一个做小信号输入端, 一个作输出端，一个电极做公共端。从而构成二端口网络，即输入、输出两个回路。 具体有三种接法（三种组态）：见下图 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,三极管的三种组态 ：,图 3 - 三极管的三种组态,下面以共发射极组态为例分析： 1）NPN型晶体管 2）依据外部条件建立电路： 发射结（BE

5、结）须正向偏置输入回路（基极回路） 集电结（BC结）须反向偏置输出回路（集电极回路） 发射极接地（原因） 3）VCC(EC) VBB(EB),发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,3、 三极管电流的形成与分配,(1)发射：发射区向基区发射（扩散）注入电子，形成发射极电流IE 发射结正偏，有利于发射区和基区的多子扩散运动。发射区向基区发射的电子所形成的电流,称为电子注入电流IEN,基区向发射区扩散的空穴所形成的电流称为IEP。发射极电流由两部分组成：N和P。因为发射区是重掺杂,基区浓度很小且很薄，所以

6、P忽略不计, 即N。 (2)扩散和复合：电子在基区边复合边扩散，形成基极电流IB 由发射区注入基区的电子称为非平衡少子，由于浓度差继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。基区空穴是由电源提供的,故它是基极电流的一部分。由于基区薄且浓度低，所以IBN很小。,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,(3)收集：集电区收集从发射区扩散到基区的电子，形成集电极电流IC 由于集电结反偏，促进集电区和基区的少数载流子漂移运动。所以基区中扩散到集电结边缘的电子（非平衡少子）在电场作用下漂移过集电

7、结，到达集电区，形成收集电流ICN。 同时集电区和基区内部本身原有的少数载流子也要向对方漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。 于是集电极电流C由两部分组成： ICCNCBO, 由于两区本身原有的少数载流子数量极少，所以CBO很小。并且其值受温度影响较大，与外部电压变化无关。,图 3 三极管中载流子的传输过程,3、 三极管电流的形成与分配,1. 载流子的传输过程 发射。 (2) 扩散和复合。 (3) 收集。,图 3 三极管中载流子的传输过程,总结： 1.此放大过程的基础是放大的内部和外部条件 2.此放大过程说明三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极性晶体管。,图 3 - 三极管电流分配,三、

8、三极管各电极电流之间的数量关系 ICCNCBO 2.B=BN 3.NICN+IBN.=IB+IC 由于CNBN ,IEICNIC 实验表明:IC比IB大数十至数百倍。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流IC较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即说明CNBN。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 其定义为,一般三极管的值为0.970.99。,通常CBO, 可将忽略, 由上式可得出,三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即

9、,经过整理后得,令,称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时, 又可写成,则,其中ICEO称为穿透电流, 即,表3 - 1 三极管电流关系的一组典型数据,相应地, 将集电极电流与发射极电流的变化量之比, 定义为共基极交流电流放大系数, 即,故,显然与, 与其意义是不同的, 但是在多数情况 下, 。 例如, 从表3-1 知, 在mA附近, 设由mA变为mA, 可求得,静态电流放大倍数,静态电流放大倍数，动态电流放大倍数,动态电流放大倍数,IB ： IB + IB,四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）,三极管共发射极特性曲线测试电路,四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）,

10、三极管的特性曲线：表示三极管各电极电压与各电极电流之间的关系曲线。它描述三极管的外特性。 由其在具体电路中的接法二端口网络,输入回路（uBE,iB的关系),输出回路(uCE,iC的关系),1.输入特性：当不变时, 输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性, 即,图 3 - 三极管的输入特性,1）输入特性IB 与UBE的关系曲线同二极管的伏安关系曲线,死区电压，硅管0.5V,工作压降： 硅管UBE 0.7V,2）在相同的uBE下，当u变化到u1后，各输入特性曲线基本上重合并稳定。 原因： （1）uCE=0时：b、e间加正向电压， JC和JE都正偏， JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当

11、于两个二极管并联PN结的特性。uCE=0V： 两个PN结并联 (2) uCE介于01V之间时，JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着uCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。 01V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏， JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只有小部分与基区多子形成电流iB。所以在相同的uBE下，iB要比uCE=0V时小。 uCE1V： iB比uCE=0V时小,2.输出特性：当i不变时, 输出回路中的电流i与电压u之间的关系曲线称为输出特性, 即,图 3 - 三极管的输出特性,2.输出特性(iC与uCE的关系曲线),IC(mA ),Q

12、,Q,其中每一条曲线规律： 1）0 uCE 1：发射结正向偏置，集电结正向偏置 2）uCE1：发射极正向偏置，集电结反向偏置 3）曲线略向上倾斜 具有恒流特性,总体曲线规律：iC=iB 给iB一定值，相对应有一条iC曲线。充分体现iB对iC的控制作用，即体现晶体三极管的放大作用。,输出特性,IC(mA ),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB , 且 IC = IB 。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBE 死区电压,，称为截止区。,(1) 截止区:一般将i的区域称

13、为截止区, 图中为的一条曲线的以下部分。 此时i, i0, 而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。值很小近似 i0。 特点：A 不符合iC=iB关系，因而此时三极管没有放大作用。 B 为使三极管可靠截止，须使两个PN结均处于反向偏置状态。因为当发射结反向偏置时, 发射区不再向基区注入电子, i0。对三极管, , BC。 C 三极管输出回路用KVL列方程有uCE=uCCiCRC , 因i0， uCEuCC ，说明RCE,三极管C、E两点之间呈高阻状态，相当于开关断开状态。,(2) 饱和区：输出特性曲线垂直上升部分与

14、纵轴之间的区域。 出现饱和区的原因：当较小时CEBE，发射结和集电结都处于正向偏置状态，集电区无收集电子的能力。不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起, 管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化, 这种现象称为饱和。 特点：A 或关系不成立,三极管失去了放大作用。 B 发射结和集电结都处于正向偏置 C CE0,远小于UCC,说明RCE0,三极管C、E两点之间呈低阻状态，相当于开关导通状态。,放大区（线性区） ：在饱和区和截止区之间近乎于水平，比较平坦的部分曲线。此时曲线当一定时, 的值基本上不随CE而变化。即当基极电流发生微小的变化量时, 相应的集电极电流将产生较大的变化量, 此时二者的关系为。

15、特点；A ，体现了三极管的电流放大作用。 B 发射结正偏, 集电结反向偏置，满足放大条件。 C 三极管输出回路用KVL列方程有uCE=uCCiCRC , 因i随iB变化， RCE 变化，说明三极管C、E两点之间是可变电阻。,总结：A 三极管C、E两点之间RCE是可变电 阻 ,从0变化，体现了三极管的 开关作用。应用于 数字技术中。 B 三极管的放大作用应用于模拟技术中。,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区 BE结正偏，BC结反偏， IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区 BE结正偏，BC结正偏 ，即UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区 UBE 死区电压，

16、 IB=0 ， IC=ICEO 0,五、 三极管的主要参数,优劣参数 1、电流放大系数：iC= iB 2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO 极限参数 1、集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。 2、反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。 3、集电极最大允许功耗PCM 。,1 共发射极交流电流放大系数。体现共射极接法之下的电流放大作用。,2 共发射极直流电流放大系数。,优劣参数,3 共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的电流放大作用。,4 共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流时,5. 极

17、间反向电流,三极管极间反向电流的测量,极限参数,1 集电极最大允许电流。,与IC关系曲线,2 集电极最大允许功率损耗。当三极管工作时, 管子两端电压为, 集电极电流为, 因此集电极损耗的功率为,三极管的安全工作区,3. 反向击穿电压 CBO发射极开路时, 集电极-基极间的反向击穿电压。 CEO基极开路时, 集电极-发射极间的反向击穿电压。 CER基射极间接有电阻时, 集电极-发射极间的反向 击穿电压。 CES基射极间短路时, 集电极-发射极间的反向击穿电压。 EBO集电极开路时, 发射极-基极间的反向击穿电压, 此 电压一般较小, 仅有几伏左右。 上述电压一般存在如下关系：,六、温度对三极管参

18、数的影响,1. 温度对UBE的影响,2.温度对ICBO的影响 是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加, 故CBO也上升。其变化规律是, 温度每上升10, CBO约上升 1 倍。CEO随温度变化规律大致与CBO相同。 在输出特性曲线上, 温度上升, 曲线上移。,3 温度对的影响 随温度升高而增大, 变化规律是：温度每升高, 值增大.%。在输出特性曲线图上, 曲线间的距离随温度升高而增大。 综上所述：温度对、的影响, 均将使随温度上升而增加, 这将严重影响三极管的工作状态,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,USB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止区,USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =