模电第二章1 晶体管

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1、第二章 双极型晶体管及 其放大电路 电路的基本形式及它们之间的联系 抽样数据电路 模拟电路 数字电路 抽样电路 编码器 滤波器 解码器 模拟信号输入模拟信号输出 抽样信号 数字信号 双极型晶体管的结构、工作原理、 特性曲线和主要参数。 双极型模拟集成电路中常用的基 本单元电路的组成、工作原理、 性能指标和分析计算方法： 三种基本组态放大电路 电流源电路 差放电路 功率放大电路 多级放大电路 内容提要 双极型晶体三极管，简称晶体管， 常称三极管，具有三个电极。 称为双极型的原因：参与导电的 有空穴和电子两种载流子。 由于由两个PN结构成，所以称为 双极型晶体管。 特点：具有对信号进行放大的作用

2、从结构来看，可以分为NPN与PNP 两种类型，其工作原理类似。 分类：按材料，按频率，按功率。 第一节第一节 双极型晶体管双极型晶体管 概 述 e b c 第一节第一节 双极型晶体管双极型晶体管 三极管示意图 2.1.1 工作原理 集电区 基区 发射区 N P N 集电极C 基极B 发射极E 高掺杂浓度 与基区的接 触面积较大 集电结 发射结 NPN型三极管的结构 NPN管的电路符号 2.1.1 工 作 原 理 一.结构特点 薄、低掺杂浓度 P N P 集电区 基区 发射区 集电极C 基极B 发射极E 集电结 发射结 PNP型三极管的结构 PNP管的电路符号 一.结构特点 2.1.1 工 作

3、原 理 集电区 基区 发射区 N P N 集电极C 基极B 发射极E 薄、低掺杂浓度 高掺杂浓度 与基区的接 触面积较大 集电结 发射结 从组成结 构上来看 ，三极管 由两个背 靠背的PN 结构成 那么，能 否反过来 用两个PN 结或者二 极管构成 三极管？ 2.1.1 工 作 原 理 一.结构特点 内部：发射区杂质浓度高；基区很薄且杂 质浓度很低；集电区面积大。 外部：发射结加正向电压；集电结加反向 电压。 二.放大状态工作条件 2.1.1 工 作 原 理 发射区基区集电区 1.发射过程 2.复合和扩 散过程 3.收集过程 2.1.1 工 作 原 理 二.内部载流子的运动 N N P 1）发

4、射区向基区注入电流 IEN。 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。 2）基区部分电子空穴复合，形成复合电流 IBN。 3）大量基区的非平衡少子电子被集电区收集，形成电流 ICN。 二.内部载流子的运动 2.1.1 工 作 原 理 N N P 电流 分配 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 。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 二.内部载流子的运动 2.1.1 工 作 原 理 载流子 三.电流分配

5、 2.1.1 工 作 原 理 晶体管的正向控制作用是通过载流 子的运动过程而实现的：发射结正 偏电压控制 (和 )， (其中 ) 通过注入、扩散、收集而转化为 ，正是这种正向控制作用使晶体管 具有了放大作用。 2.1.1 工 作 原 理 四.三种基本连接方法 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。 2.1.1 工 作 原 理 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE 表示。 四.三种基本连接方法 2.1.1 工 作 原 理 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC 表示。 四.三种基本连接方法 公共端 2.1.1 工 作 原 理 五.电流传输关系 1、共基电流放大系数 共基极直流电 流放大

6、系数 共基极直流电 流传输方程 2.1.1 工 作 原 理 五.电流传输关系 1、共基电流放大系数 共基极直流电 流传输方程 通常 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关， 而与外加电压无关，一般取值为0.95-0.99 公共端 ：穿透电流 ：共发射极直流电流放大系 数，一般为几十几百。 忽略 后， 2.1.1 工 作 原 理 五.电流传输关系 2、共射电流放大系数 公共端 共集电极电流传输方 程。 无论哪种连接方式，输入电流对 输出电流皆有控制作用，这是能 够实现信号放大的机理。 五.电流传输关系 3、共集电流放大系数 2.1.1 工 作 原 理 三极管的电流放大作用 2.1.1 工 作 原 理

7、三极管各极电流关系示例 静态特性曲线：指各极电压与电 流之间的关系曲线。是晶体管内 部载流子运动的外部表现，故也 称外部特性。 对于不同的组态(共集、共基、共 射)来说，均可以有： 用于描述输入电压与电流关系的 输入特性曲线(族)。 用于描述输出电压与电流关系的 输出特性曲线(族)。 特性曲线具有一定的离散性。 第一节第一节 双极型晶体管双极型晶体管 2.1.1 晶体管的静态特性曲线 当维持 恒定(作 为参变量)时，基极 电流 (输入电流) 随 (输入电压)的 变化曲线称为共发 射极输入特性曲线 当 取不同的值时，可以画出一族 输入特性曲线。 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线

8、 一.共射输入特性曲线 实验线路 输出特性 集电结进入反偏状态，开 始收集电子，基区复合减 小。特性曲线右移 输入电路相当于两个并联 的PN结 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 一.共射输入特性曲线 理想情况 vCE 1V 输入特性 iB(A) vBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 工作压降： 硅管 vBE0.60.7V,锗管 vBE0.20.3V。 vCE=0V vCE =0.5V 死区电 压，硅管 0.5V，锗 管0.2V。 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 一.共射输入特性曲线 产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE 增大，复合减小，iB

9、减小。 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE 增大，复合减小，iB减小。 一.共射输入特性曲线 以输入电压 或电 流 为参变量，集 电极电流 (输出电 流)随 (输出电压 )的变化曲线为共发 射极输出特性曲线 以输入电压为 参变量时： 以输入电流为 参变量时： 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 二.共射输出特性曲线 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 输出特性 iC(mA ) 1 2 3 4 vCE(V)36912 iB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域满 足iC=iB 称为线性 区（放

10、大 区）。 当vCE大于一 定的数值时， iC只与iB有关 ，iC=iB。 试验电路 特点 二.共射输出特性曲线 iC(mA ) 1 2 3 4 vCE(V)36912 iB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 vCEvBE,集 电结正偏， iBiC， vCE 较小,称为 饱和区。 例3 特点 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 二.共射输出特性曲线 vCE=vBE 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 iC(mA ) 1 2 3 4 vCE(V)36912 iB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 : iB0, iCICE

11、O, vBEiC，vCE0.3V (3) 截止区： vBE 死区电压， iB0 ， iCICEO 0 输出特性 即： , 且 IC = IB 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 二.共射输出特性曲线 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 二.共射输出特性曲线 考虑到基区宽度调制效应和集电结反向 击穿效应，输出特性如下： 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 二.共射输出特性曲线 输出特性斜率的倒数为晶体管的输出 电阻： 关于 和 的关系 关于晶体管的反向应用 二.共射输出特性曲线 2.1.2 晶 体 管 的 静 态 特 性 曲 线 与二极管的伏安特性

12、曲线类似，如果 保持输入电流不变，当温度升高时， 晶体管的输入特性曲线左移。 第一节第一节 双极型晶体管双极型晶体管 2.1.3 温度对晶体管特性的影响 (v) iB(A) 100 80 60 40 20 0 0.4 0.7 vBE 0o 10o 不同温度下的输入特性曲线 100o 与二极管伏安特性曲线类似，温度 升高时，反向饱和电流和反向穿透 电流亦升高。 温度升高时， 值增大. 第一节第一节 双极型晶体管双极型晶体管 2.1.3 温度对晶体管特性的影响 30A 20A 10A 25度； 45度 iB相同 不同温度下的输出特性曲线 （mA） iC VCE 0A 1、共发发射极 直流电流放大倍

13、数 第一节第一节 双极型晶体管双极型晶体管 2.1.4 晶体管的主要参数 一.电流放大系数 交流（短路）电流放大系数 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 1、共发发射极 一.电流放大系数 手册中常用 hfe表示。 例：VCE=6V时：iB = 40 A, iC =1.5 mA； iB = 60 A, iC =2.3 mA。 在以后的计算中，一般作近似处理： 2、共基极 直流电流放大倍数 交流电流放大系数 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 一.电流放大系数 1、集电电极基极反向电电流： ICBO 发发射极开路时时的集电结电结 反向漂移电电流 ，一般很小。 2.1.4 晶 体 管

14、 的 主 要 参 数 二.极间反向电流 2、集电电极发发射极电电流ICEO 硅管比锗管的反向电电 流小，故温度稳定性 比锗管好。 基极开路时时的集电电极电电流。 ICEO=（1+ ）ICBO 即输出特性曲线 IB=0那条曲线所对应 的Y坐标的数值。 ICEO也称为集电极发 射极间穿透电流。 ICEO 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 二.极间反向电流 3、发发射极基极反向电电流IEBO 集电电极开路时时的发发射结结反向饱饱和电电流 。 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 二.极间反向电流 1、集电极最大允许电流 ICM 三极管工作时不允许超过的最大集电极电流 ，如果超过，不但

15、会使其性能变坏，而且可 能损坏管子。 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 三.极限参数 一般取下降至最高值的2/3时所对应的集电 极电流为ICM。 2、反向击穿电压 V(BR）CBO 发射极开路时的集电极基极间的反向击穿电 压。一般比较高，从几十伏到几千伏不等。 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 三.极限参数 V （BR） CEO 基极开路时的集电极发射极间的击穿电压。 比V(BR）CBO低。 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 三.极限参数 2、反向击穿电压 V （BR）EBO 集电极开路时的发射极基极间的反向击穿电 压。该电压一般比较低，约510V左右。 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 三.极限参数 2、反向击穿电压 基射间接反 偏压 基射间短接 基射间接电 阻 基射间开路 射极开路 各击穿电压的关系 3、最大集电极允许功耗 PCM PCM = iCvCE； 与散热条件有关。硅管的最高结温小于 150C，一般工作在低于80度以内。 2.1.4 晶 体 管 的 主 要 参 数 三.极限参数 晶体管的安全工作范围由以上三者共 同决定。 iC vCE iCvCE=PCM ICM V(BR)CEO 安全工作