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1、2.2晶体三极管的其它工作模式,2.4晶体三极管伏安特性曲线,2.3埃伯尔斯莫尔模型,2.7晶体三极管的应用原理,2.1放大模式下晶体三极管的工作原理,第二章晶体三极管,2.5晶体三极管小信号电路模型,2.6晶体三极管电路分析方法,又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(BipolarJunctionTransistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN和PNP型。,图三极管的外形,主要以NPN型为例进行讨论,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,概述,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图三极管的结构,(a)平面型(NPN)
2、,(b)合金型(PNP),e发射极，b基极，c集电极。,集电区,基区,发射区,集电区,发射区,基区,三极管结构及电路符号,发射极E,基极B,集电极C,发射极E,基极B,集电极C,发射结,集电结,以NPN型三极管为例讨论,图三极管中的两个PN结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管三种工作模式,发射结正偏，集电结反偏。,放大模式：,发射结正偏，集电结正偏。,饱和模式：,发射结反偏，集电结反偏。,截止模式：,注意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。,三极管内部结构特点,1）发射区高掺杂。,2）基区
3、很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,3）集电结面积大。,2.1放大模式下三极管工作原理,2.1.1内部载流子传输过程,IEn,IEp,IBB,ICn,ICBO,IE,IC,IB,发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。,发射区掺杂浓度基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。,发射：发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。,复合和扩散：电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一
4、侧。,基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。,集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。,收集：集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,三极管特性具有正向受控作用,即三极管输出的集电极电流IC，主要受正向发射结电压VBE的控制，而与反向集电结电压VCE近似无关。,注意：NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电
5、流方向相反，加在各极上的电压极性相反。,观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。,2.1.2电流传输方程,三极管的三种连接方式三种组态,（共发射极）,（共基极）,（共集电极）,放大电路的组态是针对交流信号而言的。,共基极直流电流传输方程,直流电流传输系数：,直流电流传输方程：,共发射极直流电流传输方程,直流电流传输方程：,其中：,一般可达0.950.99,若忽略ICBO，则：,共射直流电流放大系数近似等于IC与IB之比。一般值约为几十几百。,ICEO的物理含义：,ICEO指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。,IB=0,IEp+(IEn-ICn)=
6、IE-ICn=ICBO,因此：,即：,1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO,2.集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO,(a)ICBO测量电路,(b)ICEO测量电路,小功率锗管ICBO约为几微安；硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。,当b开路时，c和e之间的电流。,值愈大，则该管的ICEO也愈大。,图反向饱和电流的测量电路,反向饱和电流：,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1.任何一列电流关系符合IE=IC+IB，IBICIE,ICIE。,2.当IB有微小变化时，IC较大。说明三极管具有电流放大作用。,3.共射电流放大系数,共基电流放大系数,根据和的定义，以及三极管中
7、三个电流的关系，可得,故与两个参数之间满足以下关系：,直流参数与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与，与的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。,4.在表的第一列数据中，IE=0时，IC=0.001mA=ICBO（反向饱和电流）。,在表的第二列数据中，IB=0，IC=0.01mA=ICEO（穿透电流）。,三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：,2.1.3放大模式下三极管的模型,数学模型（指数模型）,IS指发射结反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值，它不同于二极管的反向饱和电流IS。,式中：,放大模式直流简化电路模型,VBE(on)为发射结导通电压，工程上一般
8、取：,三极管参数的温度特性,温度每升高1C，/增大（0.51）%，即：,温度每升高1C，VBE(on)减小（22.5）mV,即：,温度每升高10C，ICBO增大一倍，即：,2.2晶体三极管的其它工作模式,2.2.1饱和模式(E结正偏，C结正偏),-+,+-,结论：三极管失去正向受控作用。,饱和模式直流简化电路模型,若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。,即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。,2.2.2截止模式(E结反偏，C结反偏),若忽略反向饱和电流，三极管IB0，IC0。,即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。,截止模式直流简化电路模型,PNP三极管电流和电压实际方向。,PNP三极
9、管各极电流和电压的规定正方向。,PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。,电压(VBE、VCE)实际方向与规定正方向相反。计算中VBE、VCE为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-VBE)、(-VCE)。,例1:三极管工作状态的判断,例：测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）VC6VVB0.7VVE0V（2）VC6VVB4VVE3.6V（3）VC3.6VVB4VVE3.4V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VCVBVE对PNP管而言，放大时VCVBVE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区VCEVBE,例2某放大电路中BJT三个电极的电流如
10、图所示。IA-2mA，IB-0.04mA，IC+2.04mA，试判断管脚、管型。,解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。,例3:测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位V1、V2、V3分别为：（1）V1=3.5V、V2=2.8V、V3=12V（2）V1=3V、V2=2.8V、V3=12V（3）V1=6V、V2=11.3V、V3=12V（4）V1=6V、V2=11.8V、V3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c,（1）V1b、V2e、V3cNPN硅（2）V1b、V2
11、e、V3cNPN锗（3）V1c、V2b、V3ePNP硅（4）V1c、V2b、V3ePNP锗,原则：发射结正偏，集电结反偏。NPN管VBE0，VBC0。先求VBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。PNP管自己分析。,解：,例4:如何用电位法判断BJT的管型、管脚和管材？,如：V1=3V、V2=9V、V3=3.2V,锗管、NPN、其中1-e，2-c,3-b.,2.3埃伯尔斯莫尔模型,埃伯尔斯莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。,-+,+-,2.4晶体三极管伏安特性曲线,伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。,输入特性曲线,VCE一定：
12、,类似二极管伏安特性。,VCE增加：,正向特性曲线略右移。,由于VCE=VCB+VBE,WB,注：VCE0.3V后，曲线移动可忽略不计。,因此当VBE一定时：,VCEVCB,复合机会IB曲线右移。,输出特性曲线,饱和区（VBE0.7V，VCE0.3V）,特点：,条件：,发射结正偏，集电结正偏。,IC不受IB控制，而受VCE影响。,VCE略增，IC显著增加。,输出特性曲线可划分为四个区域：,饱和区、放大区、截止区、击穿区。,放大区（VBE0.7V，VCE0.3V）,特点,条件,说明,上翘程度取决于厄尔利电压VA,上翘原因基区宽度调制效应（VCEIC略）,在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的
13、,修正方程：,基宽WB越小调制效应对IC影响越大则VA越小。,考虑上述因素，IB等量增加时，,输出曲线不再等间隔平行上移。,截止区（VBE0.5V，VCE0.3V）,特点：,条件：,发射结反偏，集电结反偏。,IC0，IB0,严格说，截止区应是IE=0即IB=-ICBO以下的区域。,因为IB在0-ICBO时，仍满足,击穿区,特点：,VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。,集电结反向击穿电压，随IB的增大而减小。,注意：,IB=0时，击穿电压为V(BR)CEO,IE=0时，击穿电压为V(BR)CBO,V(BR)CBOV(BR)CEO,1.集电极最大允许电流ICM,当IC过大时，三极管
14、的值要减小。在IC=ICM时，值下降到额定值的三分之二。,2.集电极最大允许耗散功率PCM,将IC与VCE乘积等于规定的PCM值各点连接起来，可得一条双曲线。,ICVCEPCM为安全工作区,ICVCEPCM为过损耗区,图三极管的安全工作区,（PC=ICVCE，若PCPCM烧管）,三极管安全工作区,3.极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。,V(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,V(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受PCM、ICM和V(BR)CEO限制。,图三极管的安全工作区,（若VCEV(BR)CE
15、O管子击穿）,2.5晶体三极管小信号电路模型,放大的本质：实现能量的控制。,在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。,小能量对大能量的控制作用称为放大作用。,放大的对象是变化量。,放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。,三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是混合型小信号电路模型。,混合型电路模型的引出,混合型小信号电路模型,若忽略rbc影响，整理即可得出混电路模型。,电路低频工作时，可忽略结电
16、容影响，因此低频混电路模型简化为：,小信号电路参数,rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。,rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。,跨导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导。,rce三极管输出电阻，数值较大。RLrce时，常忽略。,简化的低频混电路模型,由于,因此，等效电路中的gmvbe，也可用ib表示。,注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在Q点上各交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。,由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。,2.6晶体三极管电路分析方法,即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。,2.6.1直流分析法,图解法,即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。,优点：便于直接观察Q点位置是否合适，输出信号波形是否会产生失真。,（1）由电路输入特性确定IBQ,写出管外输入回路直流负载线方程(VBEIB
