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1、2019/11/9,1,本章主要内容:,第2章 半导体三极管及其放大电路,三极管的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数； 以共发射级放大电路为例，讨论放大电路的基本分析方法； 共集电极放大电路、多级放大电路的基本工作原理和放大电路的频率响应。,2019/11/9,2,三极管的结构 三极管的电流分配与放大作用 三极管的特性曲线、主要参数,2.1 三极管基本知识,本节重点内容:,2019/11/9,3,频率：,高频管、低频管,功率：,材料：,小、中、大功率管,硅管、锗管,结构：,NPN型、PNP型,2.1.1 三极管的结构,三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生 使PN结的应用发生了质
2、的飞跃。,2019/11/9,4,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。,2019/11/9,5,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,发射区,基区,集电区,NPN,PNP,三极管结构示意图和表示符号,2019/11/9,6,三极管有两个PN结发射结和集电结 三个区发射区、基区和集电区 三个电极分别称为发射极e、基极b和集电极c,2019/11/9,7,晶体管实现电流放大作用的内部结构条件,(1)发射区掺杂浓度非常高，多子的浓度比
3、基区高几百倍。有足够的载流子供“发射”。 (2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度较发射极低，多子浓度很低。 (3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度较低。 可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。,晶体管芯结构剖面图,e发射极,集电区N,基区P,发射区N,b基极,c集电极,2.1.2 三极管的电流分配与放大作用,2019/11/9,8,外部条件： 半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。,在放大工作状态： 发射结加正向电压
4、（正偏），集电结加反向电压（反偏）。,三极管中的电流,IC = ICN+ICBO IB = IBNICBO IE = ICN+IBN = IC+IB,2019/11/9,9,2三极管的电流分配和电流放大作用,图1-19 三极管电流分配实验电路,实验电路：,表1-5 三极管电流分配关系,实验结果：,2019/11/9,10,三极管各电极中的电流,（3）电子被集电区收集的过程（集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。）,（1）发射区向基区发射电子的过程 (发射结正偏，多子向基区扩散，形成发射极电
5、流IE，同时基区多子空穴向发射区扩散，但是浓度低，可忽略。在外电路，发射极接电源负极，不断向发射区补充自由电子。),（2）电子在基区的扩散和复合过程 （发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。同时，接基区的正极不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴，使基区的空穴浓度基本维持不变。大部分电子到达了集电区的边缘。 ）,IC = ICN+ICBO IB = IBNICBO IE = ICN+IBN = IC+IB,在三极管中发射极电流IE等于集电极电流IC和基极电流IB之和,很小的基极电流IB，就可以控制较大的集电极电流IC，实现了放大作用,2019/11/9
6、,11,2019/11/9,12,2.三极管的电流放大作用,从前面的分析知道，从发射区发射到基区的电子（形成IE），只有很小一部分在基区复合（形成IBN），大部分到达集电区（形成ICN）。当一个三极管制造出来，其内部的电流分配关系，即ICN和IBN的比值已大致被确定，这个比值称为共发射极直流电流放大系数 ：,在小信号放大电路中，由于和 差别很小，因此在分析估算放大电路时常取= 而不加区分 。,= ICN/IBN （2-2） 由于 IC = ICN+I CBO IB = IBNICBO 故有 IC = IB+（1+ ）ICBO （2-3） 忽略ICBO可简化为 IC IB （2-4） 共发射极交
7、流电流放大系数为 =IC /IB （2-5）,2019/11/9,13,对于集电极电流 IC 和发射极电流 IE 之间的关系可以用系数来说明，定义:,2019/11/9,14,(1)三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图02.03。,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。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,图 02.03 三极管的三种组态,2019/11/9,15,1、输入特性曲线,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,导通电压 U
8、BE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,2.1.3 三极管的特性曲线(共射极电路来说明),（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。 （2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，减小基区的有效宽度，开始收集电子，不利于复合所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。 （3）uCE 1V再增加时，集电结反偏，基区的大部分自由电子已被搜集，再增加电压，电流不再有明显减小。曲线右移很不明显。,2019/11/9,16,2、输出特性曲线, 截止区： IB 0 IC = ICEO 0 条件：
9、两个结反偏, 放大区：, 饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,条件：发射结正偏 集电结反偏 特点：水平、等间隔,ICEO,2019/11/9,17,温度对晶体管特性的影响,2019/11/9,18,不讲：三极管随外加电压的升高，状态的连续变化过程,UI 0.5时，三极管工作在截止区，iB=0，ic=0，c与e之间断开，u0=VC UI 0.5时，三极管工作在放大区，ic=iB，uce=VC- i
10、BRC. c与e之间等效为受控电流源iB，b与e之间等效为一电阻。 UI继续加大iB增大，uce减小，当ube= uce=0.7V 进入饱和。 uce=0.3V，c与e等效为闭合的开关。,2019/11/9,19,电流放大系数、极间反向电流、 极限参数,（1） 共射 = IC / IB 1,1. 电流放大系数,（2） 共基极 = IC / IE 1,在选择三极管时，如果值太小则电流放大能力差，值太大会使工作稳定性差。值一般选20100。,2.1.4 三极管的主要参数,2019/11/9,20,2.极间反向电流,(1) 集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Ope
11、n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。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。,(2) 集射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系ICEO=（1+）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，又叫穿透电流。不是单纯的PN结的反向电流。,判断三极管质量的重要参数,ICBO受温度影响很大,每升高10oC,增加10倍,2019/11/9,21,（1）ICM 集电极所允许流过的最大电流,3.极限参数,三极管集电极最大允许电流ICM。当ICICM时，管子性能将显著下降，甚至会烧坏三极管。,（3）反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路，集
12、射极之间的击穿电压。,（2） PCM 集电极最大允许功耗,集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值就会使管子性能变坏甚至烧毁。,U(BR)CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。最大 U(BR)EBO 最小。集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。,Pc= IcUce三极管的极限损耗区,2019/11/9,22,例1：测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。,放大VcVbVe,放大VcVbVe,发射结和集电结均为反偏。,2019/11/9,23,1.1.2 三极管的开关特性,1. 静态特性及开关等效电路,在数字电路
13、中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,图1-3 三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线,返回,2019/11/9,24,开关等效电路,(1) 截止状态,条件：发射结反偏 特点：三个极开路,2019/11/9,25,(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,2019/11/9,26,图11-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时,2019/11/9,27,2. 三极管的开关时间（动态特性）,图11-5 三极管的开关时间,2019/11/9,28,(1) 开启时间t
14、on 三极管从截止转换到饱和所需的时间。 ton = td +tr td为延迟时间 tr为上升时间,(2) 关闭时间toff 三极管从饱和转换到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts为存储时间（饱和越深ts越长） tf为下降时间,toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,2019/11/9,29,（3）抗饱和三极管图 图2.6(a) 为抗饱和三极管。肖特基二极管的正向压降小，约为0.3V，它分流了三极管部分基极电流，使其工作在浅饱和状态，从而大大缩短了三极管的开关时间，提高了工作速度。图2.6(b) 所示为抗饱和三极管的符号。,2019/11/9,30,半
15、导体三极管的主要用途之一是利用其电流放大作用组成各种放大电路。 放大电路的应用十分广泛，其主要作用是将微弱的信号进行放大，以便人们测量和利用。所谓放大，表面上看是将小信号的幅度由小增大，但放大的本质是实现能量的控制。 放大电路需要配置直流电源，用能量较小的输入信号去控制这个电源，使之输出较大的能量去推动负载。这种小能量对大能量的控制作用，就是放大电路的放大作用。,2.2 共发射极放大电路,2019/11/9,31,放大电路的组成原则 放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大，单凭晶体管的电流放大作用显然无法完成。必须在放大电路中设置直流电源，使其保证晶体管工作在线性放大区。因此，放大电路的组
16、成原则为： (1) 核心元件晶体管必须发射结正偏，集电结反偏； (2) 输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路，以保证晶体管的以小控大作用； (3) 输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转 换成负载需要的电压形式； (4) 不允许被传输小信号放大后出现失真。,2019/11/9,32,2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理,1.组成,Rb:几十到几百千欧 C：几微法到几十微法 且注意极性 RC :几千到几十千欧,2019/11/9,33,双电源组成的共发射极基本放大电路,2019/11/9,34,2019/11/9,35,放大电路内部各电压、电流都是交直流共存的。其直流分量及其注脚均采用大写英文字母；交
