第二章半导体三极管

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1、 第二章 半导体三极管 模拟电子技术基础 1 一、BJT的结构简介： BJT常称晶体管，种类很多,但从外形看，BJT都有三个电极。 根据结构不同，BJT可分成两种类型：NPN型和PNP型 。 结构上可分成： 三个区域：基区、发射区、集电 区。 三个电极：从三个区各自接出的 一根引线就是BJT的三个电极，它们 分别叫做发射极e、基极b和集电极c 。 两个PN结：发射结、集电结。 模拟电子技术基础 2 制造工艺： （1）发射区比基区、集电 区掺杂浓度大。 （2）集电结面积比发射区 的大。 （3）基区薄(几um几十 um),高频几um，低频几十um 因此发射区、集电区并不是 对称的。 一、BJT的结

2、构简介： PNP型三极管的结构 模拟电子技术基础 3 二、BJT的电流分配与放大作用 ： 1BJT内部载流子的传输过程: 使发射区发射电子，集电区收集电子，必须具备的条件是： a.发射结加正向电压(正向偏置):Vbe0 N N P VBB RB VCC RC b.集电结加反向电压(反向偏置):Vbc0.3V)，可 以不考虑这种影响，近似认为输入特性曲线是一条不随VCE而移动的曲线。 20 (2)输出特性: 输出特性是在 基极电流iB一定的情况下， BJT的输出回路中，集电极 与发射极之间的电压vCE 与 集电极电流iC之间的关系曲 线，用函数表示为: iCf(vCE)|iB=常数 三、BJT的

3、特性曲线： 21 一、放大区(Active Region) 在这个区域内，晶体三极管 工作在放大模式。IB与IC之间满 足直流传输方程，即 IC=IB+ICEO,若设为常数，则 当IB等量增加时，输出特性曲线 也将等间隔地平行上移。 但是，由于基区宽度调制 效应。当VCE增大时，基区复合 减小，导致和相应略有增 大，因而每条以IB为参变量的 曲线都随VCE增大而略有上翘。 22 例如，当Ic过小时，由于发射结阻挡层内载流子的复合以及寄 生表面复合的影响，致使基极电流增大，从而造成下降。 当Ic过大时，由于发射区向基区注入的非平衡少子的浓 度过大，可以和基区中的热平衡多子的浓度相比拟时，外电路必

4、须向 基区补充大量的平衡多子，才能保持基区的电中性，这些非平衡的多 子向发射区注入，使IEP增加，导致a、将下降 从输出特性曲线来对的进行讨论: 严格说来， 不是一个与Ic无关的恒定值。 实际上，仅在Ic的一定范围内，随Ic的变化很小 ，可近似认为是常数。而超出这个范围时，将下降 。 纵向方面 ： 横向方面 ： 23 若参变量IB变为VBE，并将不同VBE的各条输出特性曲线向负轴方向延伸 ，它们将近似相交于公共点A上，对应的电压用VA表示，称为厄尔利电压 。显然，其值大小可用来表示输出特性曲线，共发射极输出特性曲线上翘 程度。|VA|越大，上翘程度就越小。小功率管的|VA|值约为50100V。

5、 从内部物理过程来说，其值与基区宽度有关，基区宽度越小，基区宽 度调制效应对Ic的影响就越大，|VA|也就相应越小 厄尔利电压(Early Voltage) 24 厄尔利电压(Early Voltage) 25 二、截止区(Cutoff Region) 工程上，规定IB=0的 区域称为截止区，严格 来说截止区是指IE=0以 下的区域，在IB=0减小 到-ICBO时，VCE分配的发 射结上电压为正偏电压 ，三极管工作在放大区 ，IC随着IB变化，这时的 ICEO很小可以忽落 26 三、饱和区（Saturation Region) 由于存在着体电阻和引线电阻，电 流越大，其上产生的压降就越大，相应

6、 曲线开始饱和的VCE也就越大。因此，大 功率管开始饱和的VCE大于小功率管 减小VCE，直到两个结都正偏， 随着VCE的减小，IC的值迅速减小， 直到为零，IC、IB之间不在满足电流 的传输方程。 工程上一般VCE=0.3V为放大区 和饱和区的分界限 27 四、击穿区(Breakdown Region) 随着VCE增大，加在集电结上的反 偏电压VCB相应增大。当VCE增大到一 定值时，集电结发生反向击穿，造成 电流Ic剧增。集电结是轻掺杂的，产 生的反向击穿主要是雪崩击穿，击穿 电压较大。 在基区宽度很小的三极管中，还会发 生特有的穿通击穿。 当VCE增大时，VCB相应增大，导致集电结阻挡层

7、宽度增宽，直到集 电结与发射结相遇，基区消失。这时发射区的多子电子将直接受集电结 电场的作用，引起集电极电流迅速增大，呈现类似击穿的现象。 28 2共基极电路的特性曲线: 三、BJT的特性曲线： 29 四、 BJT的主要参数： 1电流放大系数： 共射极接法时的电流放大系数 对共基极接法的电流放大系数，也有直流放大系数和交流放大系数 的区别。 和之间的关系是： 30 (1)共发射极直流电流放大系数 =IC / IB vCE=const 四、 BJT的主要参数： 31 (2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const 四、 BJT的主要参数： 32 (3) 共基极直流电流放大系数

8、=IC/IE (4) 共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当BJT工作于放大区时， 、 ，可以 不加区分。 四、 BJT的主要参数： 33 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO ICEO (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 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。 四、 BJT的主要参数： 34 (1) 集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE 3. 极限参数 35 (3) 反向击穿电压

9、 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。 几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO 3. 极限参数 b c e VCC ICEO 36 由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。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 37 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三 极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而 可以把三极管这个非线性器件所组成的

10、电路当作线性 电路来处理。 由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路 的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件 做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。 2.5 BJT的小信号建模 38 1. H参数小信号模型 vBE vCE iB c e b iC BJT双口网络 vCE = 0V vCE 1V 39 1. H参数小信号模型 vBE vCE iB c e b iC BJT双口网络 =IC/IBvCE=const i c = ib 40 1. H参数小信号模型 vBE vCE iB c e b iC BJT双口网络 41 2、小信号模型的应用注意事项 ： H参数都是小信号参数，即

11、微变参数或交流参数。 H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。 H参数与工作点有关。 42 3、 H参数的确定 一般用测试仪测出； rbe 与Q点有关，可用图 示仪测出。 一般也用公式估算 rbe )( )( )( mA mV26 1200 EQ be I r b+ 43 4共射极连接方式的小信号分析 共发射极电 路以发射极作为 共同端，以基极 为输入端，集电 极为输出端。 其信号放大的原理如下： VBB+vi iB iC iEvo=iC*RL 44 从输入特性看：uBE是iB和uCE的函数 uBE=f1(iB,uCE) 从输出特性看：iC是iB和uCE 的函数 iC=f2(iB,uC

12、E) iB uBE iC uCE ib ic ube uce 5、h参数的导出 45 从输入特性看：uBE是iB和uCE的函数 uBE=f1(iB,uCE) 从输出特性看：iC是iB和uCE 的函数 iC=f2(iB,uCE) 对两个表达式求全微分 i输入 r反向传输 f正向传输 o输出 e共射接法 ib ic ube uce 5、h参数的导出 46 （1） uCE=常数，iB=常数的意义 uCE=常数duCE=0即输出端只有直流输出，没有交流输出。相 当于输出端交流短路。 iB=常数diB=0即输入端只有直流电流输入，没有交流电流。 相当于输入端交流开路。 因为此时只有直流电流和电压，所以是

13、在静态工作点附 近的情况。 ib ic ube uce 6、 参数的意义和求法 47 6、 参数的意义和求法 （2）短路输入阻抗 物理意义：反映了输入电压 对输入电流iB的控制能力。 几何意义：表示输入特性的 Q点处的切线的斜率的倒数 单位：， 102103 在小信号的情况下是常数。 （常称为输入电阻） iB uBE uBE iB 对输入的小交流信号而言，三 极管相当于电阻hierbe。 ib ic ube uce 48 6、 参数的意义和求法 （3）开路电压反馈系数 物理意义：反映了输出回路uCE 对输入回路uBE影响的程度 几何意义：在输入特性上表示Q 点附近输入特性曲线横向的疏密 。 它

14、是一个无量纲的量（10-4） 。 uBE iB uBE uCE ib ic ube uce 49 6、 参数的意义和求法 （4）短路电流放大系数 物理意义：晶体管对电流的放大 能力，即 几何意义：在输出特性上表示Q 点附近输出特性曲线的纵向疏密 。 它是一个无量纲的量。（10102 ） iC iC uCE iB ib ic ube uce 50 6、 参数的意义和求法 （5）开路输出导纳 物理意义：反映了输出电压uCE对输 出电流iC的控制能力 几何意义：保持iB不变，有uCE，则 引起iC，反映了输出特性曲线的倾 斜程度。 单位：西门子（S）（10102S） iC iC uCE uCE ib ic ube uce 51 ib ic ube uce 6、 参数的意义和求法 （1） uCE=常数，iB=常数的意义 （5）开路输出导纳 （2）短路输入阻抗 （3）开路电压反馈系数 （4）短路电流放大系数 说明：由于四个参 数的量纲各不相同 ，这种参数系统是 不同量纲的混合， 称为混合参数。h即 英语中的“混合”。在 小信号的情况下， 四个参数都可以看 作是常数。 52 ube ib uce ic ube uce ic 很小，一般忽略。 c b e 7、 等效电路的引出 ib ib rce c