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1、第5章 半导体三极管和场效应管及其应用,6.1.1 三极管内部结构 半导体二极管内部只有一个PN结,若在半导体二极管P型半导体的下边,再加上一块如图所示的N型半导体。这种结构的器件内部有两个PN结,且N型半导体和P型半导体交错排列形成3个区,分别称为发射区、基区和集电区。从3个区引出的引脚分别称为发射极、基极和集电极,用符号e、b、c来表示。处在发射区和基区交界处的PN结称为发射结;处在基区和集电区交界处的PN结称为集电结。具有这种结构特性的器件称为NPN型三极管。,具有这种结构特性的器件称为PNP型三极管。,6.1 半导体三极管的基本结构,晶体管除了PNP和NPN两种类别的区分外,还有很多种
2、类。根据三极管工作频率的不同,可将三极管分为低频管和高频管;根据三极管消耗功率的不同,可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。常见三极管的外形如图所示。,6.1.2 三极管的电流放大作用 1三极管内部PN结的结构 对模拟信号进行处理最基本的形式是放大。放大电路的核心器件是三极管,三极管的电流放大作用与三极管内部PN结的特殊结构有关。 从结构图可见,三极管犹如两个反向串联的PN结,如果孤立地看待这两个反向串联的PN结,或将两个普通二极管串联起来组成三极管,是不可能具有电流的放大作用的。具有电流放大作用的三极管,PN结内部结构的特殊性如下。 (1)为了便于发射结发射电子,发射区半导体的掺杂溶
3、度远高于基区半导体的掺杂溶度,且发射结的面积较小。 (2)发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体,但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度,且集电结的面积要比发射结的面积大,便于收集电子。 (3)联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄,且掺杂溶度也很低。,要使三极管具有电流的放大作用,除了三极管的内因外,还要有外部条件。三极管的发射极为正向偏置,集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。,放大器是一个有输入和输出端口的四端网络,要将三极管的3个引脚接成四端网络的电路,必须将三极管的一个脚当作公共脚。取发射极当作公共脚的放大器称为共发射极放大器,基本共发射极放大器的电路,1)发射区向
4、基区发射电子的过程 发射结处在正向偏置,使发射区的多数载流子(自由电子)不断地通过发射结扩散到基区,即向基区发射电子。与此同时,基区的空穴也会扩散到发射区,由于两者掺杂溶度上的悬殊,形成发射极电流Ie的载流子主要是电子,电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源Vcc的负极来补充。,2共发射极电路三极管内部载流子的运动情况 共发射极电路三极管内部载流子运动情况的示意图如图所示。,2)电子在基区中的扩散与复合的过程 扩散到基区的电子,将有一小部分与基区的空穴复合,同时基极电源Vbb不断地向基区提供空穴,形成基极电流Ib。由于基区掺杂的溶度很低,且很薄,在基区与空穴复合的电子很少,所以
5、基极电流Ib也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外,大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。,3)集电结收集电子的过程 反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时,空间电荷区将向基区延伸,因集电结的面积很大,延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄,使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速的推向集电极,相当于被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源Vcc吸收,形成集电极电流Ic。,3三极管的电流分配关系和电流放大系数,根据节点电流定律可得,三极管3个电极的电流Ie、Ib、Ic之间的关系为,Ie
6、=Ib+Ic,三极管的特殊结构使Ic大大于Ib,称为三极管的电流放大倍数。它是描述三极管基极电流对集电极电流控制能力大小的物理量。大的管子,基极电流对集电极电流控制的能力就大。是由晶体管的结构来决定的,一个管子做成以后,该管子的值就确定了。,6.1.3 三极管的共射特性曲线 1输入特性曲线 输入特性曲线是描述三极管在管压降Uce保持不变的前提下,基极电流ib和发射结压降ube之间的函数关系,即,(1)在输入特性曲线上有一个开启电压,硅晶体管的开启电压约为0.5V,发射结导通电压Von约为0.60.7V;锗晶体管的开启电压约为0.2V,发射结导通电压约为0.20.3V。,(2)三条曲线分别为Uc
7、e=0V,Uce=0.5V和Uce=1V的情况。 当Uce=0V时,相当于集电极和发射极短路,即集电结和发射结并联,输入特性曲线和PN结的正向特性曲线相类似; 当Uce=1V时,集电结已处在反向偏置,管子工作在放大状态,集电极收集基区扩散过来的电子,使在相同uce值的情况下,流向基极的电流ib减小,输入特性随着Uce的增大而右移; 当Uce1V以后,输入特性几乎与Uce=1V时的特性曲线重合,这是因为VcclV后,集电极已将发射区发射过来的电子几乎全部收集走,对基区电子与空穴的复合影响不大,所以ib的改变也不明显。,2输出特性曲线 输出特性曲线是描述三极管在输入电流ib保持不变的前提下,集电极
8、电流ic和管压降uce之间的函数关系,即,当ib改变时,ic和uce的关系是一组平行的曲线族,并有截止、饱和、放大3个工作区。,1)截止区 Ib=0特性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏,发射结电压ube0,也是处于反偏的状态。处在截止状态下的三极管,发射极和集电结都是反偏,在电路中犹如一个断开的开关,不导电。,2)饱和区 在三极管放大电路中,集电极接有电阻Rc,如果电源电压Vcc一定,当集电极电流ic增大时,uce=Vcc-icRc将下降。对于硅管,当uce的值降低到小于0.7V时,集电结也进入正向偏置的状态,集电极吸引电子的能力将下降,此时ib再增大,ic几乎就不再增大了
9、,三极管失去了电流的放大作用。处于这种状态下工作的三极管称为饱和。,三极管截止和饱和的状态与开关断、通的特性很相似,数字电路中的各种开关电路就是利用三极管的这种特性来制作的。,(3)放大区 三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。工作在放大区的三极管才具有电流的放大作用。此时三极管的发射结处在正偏,集电结处在反偏。由放大区的特性曲线可见,特性曲线非常平坦,当ib等量变化时,ic几乎也按一定的比例等距离平行变化。由于ic只受ib的控制,几乎与uce的大小无关,因此处在放大状态下的三极管相当于一个输出电流受ib控制的受控电流源。,主要极限参数 集电极最大允许电流ICM 晶体管的集电极
10、电流Ic在相当大的范围内值基本保持不变,但当Ic的数值大到一定程度时,电流放大系数值将下降。使明显减少的Ic即为ICM。为了使三极管在放大电路中能正常工作,Ic不应超过ICM。,集电极最大允许功耗PCM 晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量,产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM,,反向击穿电压UBR(ceo)是指基极开路时,加在集电极与发射极之间的最大允许电压。使用中如果管子两端的电压UceUBR(ceo),集电极电流Ic将急剧增大,这种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。三极管电路在电源Vcc的值选得过大时,有可能会出现当管子截止时, UceUbr(ceo)导致 三
11、极管击穿而损坏的现象。一般情况下,三极管电路的电源电压Vcc应小于UBR(ceo)/2。,5.2 共发射极电压放大器 电压放大器的任务是对输入的电压信号进行放大。要放大的信号通常是由传感器送来的模拟某个物理量随时间变化的微弱电信号,这些信号通常是变化量,所以放大电路放大的对象通常也是变化量。变化量即交流信号,对交流信号进行放大是电压放大器的主要任务。,6.2.1 电路的组成,Vcc是为放大器提供能量的直流电源;Rb是偏流电阻,该电阻的作用是为晶体管提供适当的偏置电压,使三极管工作在放大区;Rc为集电极电阻,RL为负载电阻;C1和C2为耦合电容,它们的作用是隔离放大器的直流电源对信号源与负载的影
12、响,并将输入的交流信号引入放大器,将输出的交流信号输送到负载上。,6.2.2 共发射极电路图解分析法 对输入的交流电压信号进行放大是电压放大器的任务,交流电压信号的特点是:大小和方向均是变化的。利用图解分析法可以很直观地分析电压放大器的工作原理。,图解分析法的分析步骤是: 在三极管的输入特性曲线上,画出输入信号的波形,根据输入信号波形的变化情况,在输出特性曲线相应的地方画出输出信号的波形,并分析输出信号和输入信号在形状、幅度、相位等参量之间的关系。,1静态工作点的确定 输入信号为零时,三极管所处的状态称为放大器的静态工作点,即图中的Q点,并用符号IBQ、ICQ和UCEQ来表示电路的静态工作点。
13、,确定静态工作点的方法是:根据电容阻直流、通交流的特点和节点电位法可得放大器静态时输出端的电压为,由直流负载线中点所确定的值ICQ和UCEQ就是输出电路的静态工作点,2输出信号波形分析 静态工作点确定之后,根据叠加定理可得放大器输入端的信号为 即在静态工作点电压上叠加输入的交流信号。 当输入电压信号处在ui0的正半周时,放大器输入端的工作点沿输入特性曲线从Q点往a点移,放大器输出端的工作点沿直流负载线从Q点往c点移,在输出端形成u00的正半周信号。完成对正、负半周输入信号的放大。 由图可见,经放大器放大后的输出信号在幅度上比输入信号增大了,即实现了放大的任务。但相位却相反了,即输入信号是正半周
14、时,输出信号是负半周;输入信号是负半周时,输出信号是正半周,说明共发射极电压放大器的输出和输入信号的相位差是180。,由图还可见,电压放大器电路中集电极电阻Rc的作用是:用集电极电流的变化,实现对直流电源Vcc能量转化的控制,达到用输入电压ui的变化来控制输出电压uo变化的目的,实现小信号输入,大信号输出的电压放大作用。并由此可得,放大器放大的是变化量,放大电路放大的本质是能量的控制和转换。三极管在电路中就是起这种控制的作用。当放大器接有负载RL时,对交流信号而言,RL和Rc是并联的关系,并联后的总电阻为,根据该电阻,在输出特性曲线上也可做一条斜率为的直线,该直线称为交流负载线。 由图可见,在
15、输入信号驱动下,放大器输出端的工作点将沿交流负载线移动,形成交流输出电压。但输出信号的幅度比不带负载时小,利用戴维南定理也可解释该结论。,3波形失真的类型,(1)截止失真 这种失真是因工作点取得太低,输入负半周信号时,三极管进入截止区而产生的失真,所以称为截止失真。,2)饱和失真 当工作点太高时,放大器能对输入的负半周信号实施正常的放大,而当输入信号为正半周时,因太大了,使三极管进入饱和区,ic=ib的关系将不成立,输出电流将不随输入电流而变化,输出电压也不随输入信号而变化,产生输出波形的失真。 这种失真是因工作点取得太高,输入正半周信号时,三极管进入饱和区而产生的失真,所以称为饱和失真。,电
16、压放大器工作时应防止饱和失真和截止失真的现象,当饱和失真或截止失真出现时,应消除它,改变工作点的设置就可以消除失真。 在消除失真之前必须从输出的信号来判断放大器产生了什么类型的失真,判断的方法如下。 对由NPN管子组成的电压放大器,当输出信号的负半周产生失真时,因共发射极电压放大器的输出和输入倒相,说明是输入信号为正半周时电路产生了失真。输入的正半周信号与静态工作点电压相加,将使放大器的工作点进入饱和区,所以,这种情况的失真为饱和失真,消除的办法是降低静态工作点的数值。 当输出信号的正半周产生失真时,说明输入信号为负半周时电路产生了失真,输入负半周信号与静态工作点电压相减,将使放大器的工作点进入截止区,所以,这种情况的失真为截止失真,消除的办法是提高电路静态工作点的数值。 注意:上述判断的方法仅适用于由NPN型三极管组成的放大器,对于由PNP型三极管组成的放大器,因电源的极性相反,所以结论刚好与NPN型的相反。,6.2.3 微变等效电路分析法,对三极管的线性化处理就是将三极管的输入、输出特性线性化。工作在小信号场合的放大器,在工作点