3.半导体三极管及放大电路基础1.ppt

1、3. 半导体三极管及放大电路基础,3.1 半导体BJT 3.1.1 BJT的结构简介 BJT常称为晶体管，根据结构不同，分为NPN型和PNP型。,NPN型BJT,PNP型BJT,3.1.1 BJT的电流分配与放大作用,1. 结构和类型 （1）晶体管有三个电极、两个PN结。发射区掺杂浓度高，基区薄，集电区掺杂浓度低，集电结的面积比发射结的大。 （2）按结构不同分为：NPN型、PNP型，符号不同。按材料不同分为：硅（Si）管、锗（Ge）管。 还可以按工艺结构、工作频率范围、用途等进行分类。,如果孤立地看待这两个反向串联的PN结，或将两个普通二极管串联起来组成三极管，是不可能具有电流的放大作用。具有

2、电流放大作用的三极管，PN结内部结构的特殊性是： （1）为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小。 （2）发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。 （3）联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。,要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内部因素外，还要具备发射极为正向偏置，集电结为反向偏置的外部条件。 放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将三极管的三个引脚接成四端网络的电路，必须将三极管的一个脚当公共脚。取发射极当公共脚的放大

3、器称为共发射极放大器。,共发射极电路三极管内部载流子运动情况如图所示。,图中共发射极电路三极管内部载流子的运动规律可分为以下的几个过程。 （1）发射区向基区发射电子的过程 发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子（自由电子）不断的通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到发射区，由于两者掺杂溶度上的悬殊，形成发射极电流IE的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源EC的负极来补充。,（2）电子在基区中的扩散与复合的过程 扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源EB不断的向基区提供空穴，形成基极电流IB。由于基区掺杂

4、的溶度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以，基极电流IB也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。,（3）集电结收集电子的过程 反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区，可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速推向集电极，相当于被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源Ec吸收，形成集电极电流IC。,共射极放大电路,根据节点电流定律可得，三极管三个电极的电流I

5、E、IB、IC之间的关系为 IE=IB+IC,3. 放大状态的直流偏置和电流分配,三极管的特殊结构使IC远远大于IB，令 称为三极管的直流电流放大倍数。它是描述三极管基极电流对集电极电流控制能力大小的物理量， 大的管子，基极电流对集电极电流控制的能力就大。 是由晶体管的结构来决定的，一个管子做成以后，该管子 就确定了。,Je正偏，使大量多子从发射区扩散到基区，成为非平衡少子。一少部分复合，形成大小等于(1-)IE的基极电流，绝大部分漂移到集电极形成大小等于IE集电极电流。由于少子漂移，还有很小的ICBO从集电极经集电结流到基极。IC略小于IE，近似于IE ，故1，称为晶体管共射极直流电流放大系

6、数。,偏置与工作状态 （1）为使发射区发射电子，集电区收集电子，发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置），这时晶体管处于放大状态。 （2）发射结、集电结均为正向偏置，为饱和状态。 （3）均为反向偏置，为截止状态。 （4）发射结反向偏置、集电结正向偏置，称倒置状态，很少用。,4. 放大原理 当晶体管发射结外加正向偏置电压、集电结外加反向偏置电压时，若再外加交变信号，使E-B极间电压发生变化，这时，各电极的电流均有变化，分别是i E ， i B和i C，它们的正、负符号与UBE的符号一致，且i C远远大于i B。因此，晶体管可以靠外施发射结电压的改变，改变i B，i B的变化又会

7、引起i C的很大变化，如果让i C在一个电阻产生电压降，就可获得比控制电压大得多的电压。 晶体管用i B控制i C ，是一种电流控制的放大器件。,3.1.3 伏安特性,0,VBE/V,i B/A,0.4,0.8,60,40,20,25,VCE=0V,VCE1V,(1)共射极输入特性表达式为,i B= f (vBE)vCE一定,左图是一种硅NPN型管的输入特性曲线。 vCE从0增大到1V，曲线逐渐右移。 vCE 1V后，曲线几乎不再移动。,3. 半导体三极管及放大电路基础,共射极放大电路图,(2)共射极输出特性表达式为,i C= f (vCE)i B一定,1. 饱和区垂直上升与纵轴间。不同值i

8、B的输出特性曲线几乎重合， i C不受i B控制，只随vCE增大而增大。,2. 截止区i B= -ICBO曲线与横轴间。i C几乎为零。,3. 放大区介于饱和区和截止区之间。i C主要受i B控制，由于基区调宽效应影响，当i B一定，而vCE增大时， i C略有增大。,由共射极电路可知， vCE =vCB +vBE ，当vCE增加时， 由于vBE变化较少（硅管vBE一般为0.7V左右），故 vCB (集电结反向偏压)随之增加。 vCB的增加使集电 结的空间电荷区的宽度增加，致使基区有效宽度 减小，这样，在基区内载流子的复合机会减少， 使电流放大系数增大， 在i B不变的情况下， i C 将随v

9、CE增大，特性曲 线向上倾斜，这种现 象称为基区宽度调制效应。,T,R,s,R,b,R,c,R,L,C,1,C,2,u,s,+Vcc,_,+,3.1.4 主要电参数,共射极直流电流放大系数 = ；,极间反向电流：集电极-基极间反向饱和电流ICBO；,集电极-发射极间反向饱和电流(也称穿透电流)ICEO；,共射极交流电流放大系数= ；, 反映静态， 反映动态；忽略ICEO，它们相等；一 般在工作电流不大的情况下，可以认为 。,(2)交流参数：频率参数：共射极截止频率f ；共基极截止频率f ；特征频率f T 。,(3)极限参数：集电极最大允许电流ICM ；集电极最大允许功率耗散PCM ；击穿电压V

10、(BR)CBO，V(BR)CES, V(BR)CER,V(BR)CEO,V(BR)EBO 。,温度对晶体管参数的影响,(1)温度增加使增大，通常的温度系数为, T =(0.5 1)%,(2)温度增加使ICBO增大，关系为,(3)温度增加时，若要维持i B不变， vBE需减小22.5mV。即vBE的温度系数为(22.5)mV ,3.2 共射极放大电路,Rb称为基极偏置电阻，VBE硅管约为0.7V，锗管约为0.2V。因为常取VBB =VCC，所以电路可以简化。,3.3 放大电路的组成及其工作原理,3.3.1 放大电路的组成及其工作原理,1.放大电路概述,(1)放大电路的作用：把微弱的电信号放大到负

11、载(如喇叭、电阻等)所需的数值。,(2)放大电路的主要性能指标：测试放大电路性能指标的电路方框图如下。,(2)放大电路的主要性能指标定义如下： (a)放大倍数(也称为增益)A：它是描述放大电路放大能力的指标，是输出量与输入量之比。具体有,电压放大倍数 Av=,电流放大倍数 Ai=,互阻放大倍数 Ar=,互导放大倍数 As=,单位为或k,单位为S(西门子,即A/V)或mS (mA/V),放大倍数也常用“分贝”(dB)做单位，以电压放大倍数Av为例，这时表示为：,Av(dB)=20lg Av =20lg dB,(b)输入电阻Ri ：放大电路的输入回路与信号源相连时，信号源为它提供一定的电压(Vi)和一定的电流(Ii)， Ri就是用来描述放大电路对信号源的这种负载作用的指标，定义为,过测量右图的输出电压Vo及断开负载时的输出电压Vo，由下式求得,(c)输出电阻Ro ：放大电路在信号源驱动下，向负载RL输出vo 、 vi ，是一个“电源”， Ro就是这一电源的内阻，可以通,(d)频带宽度bw ：这是描述放大电路对不同频率信号的放大能力的指标，这种特性常用频率特性曲线来描述。,放大倍数的模， bw ，H分别称为下限截止频率和上限截止频率，是| Av|下降到Avm 2 时的工作频率。,定义频带宽度如下： bw