48.三极管ppt课件

1、第四章 半导体三极管及其应用,半导体三极管 放大电路的图解分析法 放大电路的小信号模型分析法 三种组态放大电路 多级放大电路 共集电极和共基极电路 放大电路的频率响应,4.1 双极型三极管,半导体三极管的结构 三极管内部的电流分配与控制 三极管各电极的电流关系 三极管的共射极特性曲线 半导体三极管的参数 三极管的型号 三极管应用,4.1.1 半导体三极管(BJT)的结构,BJT是双极结型晶体管Bipolar Junction Transistor的简写,+,外形,符号（NPN型）,集成BJT剖面,结构示意图,BJT 结构,集 电 极 C,发 射 区,集 电 区,基 区,发 射 结 Je,集 电

2、 结 Jc,发 射 极 E,基极B,BJT 结构,三个电极 发射极，基极，集电极 发射极箭头方向是指实际电流方向 三个区 发射区(高掺杂)，基区(很窄)，集电区 两个PN结 发射结(eb结),集电结(cb结) 晶体管具有的能力 电流控制（current control） 电流放大（current amplify）,BJT 结构,发射区的掺杂浓度大，发射载流子 集电区掺杂浓度低，且集电结面积大，收集载流子 基区得很薄，控制载流子分配，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,+,从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上:,BJT的三种组态,CC(Common Collector)：共集电极，

3、集电极为公共电极,CB (Common Base) ：共基极，基极为公共电极,CE (Common Emitter) ：共发射极，发射极为公共电极,4.1.2 三极管内部的电流分配与控制,三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压,以NPN型BJT为例,什么组态？,电流分配与控制,发射结正偏，集电结反偏时三极管中载流子的运动：,发射区向基区 注入电子 在VBB作用下，发射 区向基区注入电子 形成IEN，基区空穴 向发射区扩散形成 IEP。 IEN IEP方向相同,电流分配与控制,2. 电子在基区复合和扩散 发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，

4、扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。,3. 集电结收集电子 由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。,电流分配与控制,4.集电极的反向电流 集电结收集到的电子包括两部分： 发射区扩散到基区的电子ICN 基区的少数载流子ICBO,收集载流子,电流分配与控制,IE= IEN+ IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有ICNIBN,IC=ICN+ ICBO,IB=IEP+ IBNICBO,IE =IC+IB,电流分配与控制,使晶体管具有电流分配与控制能力的两个重要条件 内部

5、条件 发射区高掺杂(故管子e、 c极不能互换) 基区很薄(几个m) 外部条件 发射结(eb结)正偏 集电结(cb结)反偏 晶体管工作的内部机理： -“非平衡载流子”的传输 非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例) 发射区向基区的多子注入 (扩散运动）为主 基区的 复合 和 继续扩散 集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）,4.1.3 三极管各电极的电流关系,集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系定义:,IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= IC+ IB+ICBO,表示集电极收集到的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1

6、, 但接近1，一般为0.980.999 。,称为共基极直流电流放大系数。,电流放大系数,在忽略ICBO情况下， IC 、 IE 和IB之间的关系可近似表示为：,式中： 称为共发射极接法直流电流放大倍数。,4.1.4 三极管的共射极特性曲线,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const,共发射极接法三极管的特性曲线：,1. 输入特性曲线,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 表示vCE为常数时，iB与vBE间关系。 由于受集电结电压的影响，输入特性与一个单独的PN结的伏安特性曲线有所不同。,(1)VCE=0时：b、e间加

7、正向电压， JC和JE都正偏，JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性。 VCE=0V： 两个PN结并联,输入特性曲线,(2) VCE1V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VBE下，IB要比VCE=0V时小。 VCE1V： iB比VCE=0V时小，且vCE增大，曲线略有右移，到一定程度则不再变化。这是管子的基区调制效应。,(3) VCE介于01V之间时， JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着VCE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。 0

8、VCE1V: VCE iB,2. 输出特性曲线,输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const 表示iB一定时，iC与vCE之间的变化关系。,放大区：JE正偏， JC反偏，对应一个IB，IC基本不随VCE增大，IC= IB 。 处于放大区的三极管相当于电流控制电流源。,截止区：对应IBICBO的区域， JC和JE都反偏， IB 0， IC 0,输出特性曲线,(3)饱和区：对应于 VCEVBE (VCB0)的区域，集电结处于零偏或正偏，吸引电 子的能力较弱。VCE增加，集电结吸引电子能力增强，IC增大。 JC和JE都正偏， VCES约等于0.3V， IC IB,饱和时c、e间电压记为VCES

9、，深度饱和时VCES约等于0.3V。,饱和时的三极管c、e间相当于一个压控电阻。,输出特性曲线总结,饱和区 eb结正偏，cb结正偏或反偏电压很小 iC受vCE显著控制的区域 该区域内vCE的数值较小，管子完全导通 相当一个开关“闭合（Turn on）”。 放大区 eb结 正偏，cb结 反偏 。 iC平行于vCE轴的区域，曲 线基本平行等距-恒流特性 vCE的数值大于0.7V 截止区 eb结和cb结 均为反偏。 iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方 管子不通，相当于一个“开关”打开（Turn off）。,自学：共基极连接的I-V特性,3. 温度对三极管特性的影响,自学：共基极连接的I-V特

10、性 温度升高使： （1）输入特性曲线左移 （2）ICBO增大，输出特性曲线上移 （3）增大,三极管工作情况总结,三极管处于放大状态时，三个极上的 电流关系： 电位关系：,锗管：VB=VE+0.2V VB=VE+0.2V,例4.1.1：判断三极管的工作状态,测量得到三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。,例4.1.2：判断三极管的工作状态,用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态，设=100，求IE和VCE。,4.1.5 三极管的型号,中国国家标准（GB24974）规定的中国半导体器件型号命名方法 3 D G 110

11、B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,2.1.6 半导体三极管的参数,管子参数 是衡量晶体管质量好坏和选择管子的主要依据。 半导体三极管的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数,1. 直流参数 直流电流放大系数,a.共基极直流电流放大系数 = (IC-ICBO)/IE= IB/1+ IB= /1+ ,三极管的直流参数,b.共射极直流电流放大系数： =（ICICEO）

12、/IBIC / IB vCE=const,在放大区基本不变,共发射极输出特性曲线上，可通过垂直于X轴的直线 vCE=const来求取 =IC / IB,IC较小时和IC较大时， 有所减小，,三极管的直流参数,b.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO之间的关系： ICEO=（1+ ）ICBO,相当于基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0时曲线所对应的Y坐标的数值。,极间反向电流 a.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,硅管比锗管小。 此值与本

13、征激发有关。 取决于温度特性（少子特性）。,三极管的交流参数,2.交流参数 交流电流放大系数 a.共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。,三极管的交流参数,b.共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const,特征频率fT和截至频率f 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。 当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。 当下降到原来大小的0.707倍时所对应的频率称为截至频率，用f表示。,当ICBO和ICEO很小

14、时， 、 ，可以不加区分。,三极管的极限参数,如图所示，当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,(3)极限参数 集电极最大允许电流ICM, 值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。 当ICICM时，并不表示三极管会损坏。,三极管的极限参数,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。 在计算时往往用VCE取代VCB。,三极管的极限参数,反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能

15、力。BR-Breakdown,a. V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。,b. V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,c. V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。,三极管的极限参数,V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间短路,V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO,三极管的安全工作区,三个极限参数PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，所限定的区域称为晶体管安全工作区。,三极管的参数,作业,4.

16、1.1 4.1.2 4.2.3 4.3.1,4.1.7 三极管应用,vi=5V时，iB=(5-0.7)/10K=0.43mA ICS=10V/5K=2mA iB=22mA 三极管饱和，vO=0V; vi=0V时，三极管截止, vO=10V。,例如：三极管用作可控开关 (=50),4.2 基本共射极放大电路电路分析,基本共射放大电路 基本共射放大电路 直流通路与交流通路 放大电路的图解分析法 静态分析 动态分析 放大电路的小信号模型分析法 微变等效电路 指标计算 基本放大电路的三种组态,4.2.1 基本共射放大电路,基本共射放大电路,核心元件 晶体管是放大器的“心脏” 起放大作用 电路的构成要保

17、证两个基本方面条件： 直流条件 通过电源和偏置保证 VCC，Rc，VBB，Rb 这是放大器的外部条件（静态） 交流条件 通过信号和传输回路保证 Cb1， Cb2：耦合电容或隔直电容 vs：输入信号； vo：输出信号 这是放大器的工作目的（动态）,基本共射放大电路,两种状态 静态 （由电源引起）- “直流是条件” 动态 （由信号源引起）-交流是目的 “两种通路”（交、直流分开看） 直流通路 交流通路,静态与动态,静态：只考虑直流信号，即vi=0，各点电位不变 （直流工作状态，是条件）。,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流

18、通道。,动态：只考虑交流信号，即vi不为0，各点电位变化 （交流工作状态，是目的）。,直流通路与交流通路,直流通路 电路中只有直流量通过 如何得到直流电路？ 电容开路 电感短路 交流通路 交流量（信号）通过的电路 如何得到交流电路？ 电容短路 电感开路 电流源两端开路（内阻大） 电压源两端短路（内阻小）,基本共射放大电路,直流通路与交流通路,从C、B、E向外看，有直流负载电阻， Rc 、Rb,从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻， Rc/RL和偏置电阻Rb,信号表示,用不同符号表示的物理量,静态值：主字母大写，脚标大写，如 IC 交流（瞬时值）：主字母小写，脚标小写，如vbe 交流有效值：

19、主字母大写，脚标小写，如Ic 总瞬时值：主字母小写，脚标大写 总瞬时值=直流分量交流分量 如：vBE=VBEvbe,用不同符号表示的物理量,总瞬时值与直流分量、交流分量之间的关系（图）,基本共射电路放大原理,4.2.2 放大电路的图解分析法,直流通路与交流通路 静态分析 近似估算法 图解分析 电路参数变化对Q点的影响 动态分析 截止失真 饱和失真 交流负载线 最大不失真输出 输出功率和功率三角形,静态分析-近似估算法,已知硅管导通时VBE0.7V， 锗管VBE 0.2V =40,Q:（40uA，1.6mA，5.6V）,固定偏流电路,例4.2.1：电路及参数如图，求Q点值,Q:（40uA，2mA

20、，6V）,例4.2.2：电路及参数如图，求Q点值,固定偏压电路 射极偏置电路,例4.2.2,Q:（50uA，2mA，6V）,问题,1、基本放大电路有哪几种结构，分别叫什么放大电路？ 2、射极放大电路以的哪个电极做为输入端，哪个电极做为输出端，哪个电极作为输入、输出公共端。 3、什么叫做放大电路的静态，什么叫做放大电路的动态，静态分析动态分析内容一样吗？ 4、为保证信号不失真，静态工作点应设置在特性曲线哪个部分，为什么放大电路要设置静态工作点？ 5、固定偏置电路中，偏流由哪些参数决定？ 6、为什么在放大电路中要有隔直电容，它在电路中的作用是什么？,静态分析-图解法,a. 画直流通路,b. 把基极

21、回路(b,e)和集电极回路(c,e)电路分为线性和非线性两部分,IB=40uA、 RC=4K、 VCC=12V,静态分析-图解法,c.作非线性部分的伏安特性曲线,d. 作线性部分的伏安特性曲线-直流负载线 VCE=12 - 4 IC (VCC=12V , RC=4K) 用两点法做直线M(12V,0)，N(0,3mA),e.直线MN与IB=40uA曲线的交点(5.6V,1.6mA)就是静态工作点Q,讨论：电路参数变化对Q点的影响,Rb改变：, Q点沿MN向下移动,电路参数变化对Q点的影响,Rc改变：,电路参数变化对Q点的影响,VCC改变：,动态分析图解法,放大器加入交流信号后，将同时存在直流和交

22、流 两种物理量。 交流是依存直流而存在的。 此时各值均为交直流共存（为总瞬时值）。,vBE=VBEvbe,动态分析图解法,IB=40uA，vi=0.02sint(V) ib=20sint(uA) iB= 20uA60uA, iC=iB=0.82.4(mA),vCE= 8.8V 2.4V vo= vce=-3.2sin t,动态分析截止失真,截止失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,动态分析饱和失真,饱和失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,注意：对于PNP管，

23、由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,交流负载,问题： 无负载时的等效负载电阻？,直流负载线与交流负载线,c. 有负载时交流负载 线确定方法： 通过输出特性曲线 上的Q点做一条直 线，其斜率为-1/RL ,RL= RLRc 是交流负载电阻,b. 交流负载线和直流 负载线相交与Q点。,a. 交流负载线是有交流输入信号时 Q点的运动轨迹。,直流负载线方程： VCE=VCC-ICRC 无负载时的交流负载线与直流负载线相同。,最大不失真输出,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2.要有合适的交流负载线。,Q位于交流负 载线中

24、间时， VomICQRL,要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。,放大电路向电阻性负载提供的输出功率：,在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。,输出功率和功率三角形,作业,4.2.1 4.2.2 4.3.4 4.3.5,4.2.3 放大电路的小信号模型分析法,图解法的适用范围：信号频率低、幅度较大的情况。,如果电路中输入信号很小，可把三极管特性曲线在小范围内用直线代替，从而把放大电路当作线性电路处理微变等效电路。,1.三极管可以用一个模型来代替。 2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。 3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，

25、微变也 具有线性同样的含义。,将晶体管等效为二端口网络，取其网络参数。 H参数是电路网络参数的一种，称为混合参数。,h参数等效电路,三极管共射h参数等效电路,共射接法等效的双端口网络：,输入表达式：vBE= f1 ( iB ,vCE ) 输出表达式：iC= f2 ( iB ,vCE ),参数的物理含义,VCEQ时iB 对vBE的影响，是三极管在Q点附近b与e之间的动态电阻，用rbe表示。,rbe的组成： rbe = rbb + rbe re 很小，忽略,rbb ：基区体电阻 约200,rbe：发射结正偏电阻,参数的物理含义,IBQ附近vCE 对vBE的影 响,vCE 1V后，h1210-2,V

26、CEQ附近iB 对iC的影响，即 ,IBQ处vCE 对iC的影响，是IBQ这条曲线在Q点的导数,通常用rce表示1/h22 ，rce 105,三极管共射简化h参数等效电路,基本放大电路总结,静态分析（直流通路） 近似估算法 图解法 参数对工作点的影响 动态分析（交流通路） 图解法 最大动态范围 饱和失真 截止失真 小信号模型法 rbe ,4.2.3 基本共射电路分析计算,放大电路分析步骤： 画直流通路，计算静态工作点Q 计算 rbe 画交流通路 画微变等效电路(小信号等效电路) 计算电压放大倍数Av 计算输入电阻Ri 计算输出电阻Ro 注意：只有在Q点正常的情况下，动态分析才有意义。 Ri中不应含有Rs， Ro中不应含有RL。,计算电压放大倍数Av,2. 计算输入电阻 Ri,3. 计