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1、半导体三极管及基本放大电路半导体三极管是一种最重要的半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。场效应管是一种较新型的半导体器件，现在已被广泛应用于放大电路和数字电路中。本章介绍半导体三极管、绝缘栅型场效应管以及由它们组成的基本放大电路。5.1 半导体三极管半导体三极管简称为晶体管。它由两个PN结组成。由于内部结构的特点，使三极管表现出电流放大作用和开关作用，这就促使电子技术有了质的飞跃。本节围绕三极管的电流放大作用这个核心问题来讨论它的基本结构、工作原理、特性曲线及主要参数。5.1.1 三极管的基本结构和类型基极BTCEBTCEB基极B发射极E 发射极E 集电极C 集电极C N集
2、电区P基区N发射区P集电区N基区P发射区三极管的种类很多，按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为NPN管和PNP管。无论是NPN型还是PNP型都分为三个区，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。其结构和符号见图5-1，其中发射极箭头所示方向表示发射极电流的流向。在电路中，晶体管用字符T表示。具有电流放大作用的三极管，在内部结构上具有其特殊性，这就是：其一是发射区掺杂浓度大于
3、集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；其二是基区很薄，一般只有几微米。这些结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内在依据。（a） (b)图5-1 两类三极管的结构示意图及符号5.1.2 三极管的电流分配关系和放大作用 图5-2 共发射极放大实验电路VBBIBIERBVBBVCCRCmAATmA现以NPN管为例来说明晶体管各极间电流分配关系及其电流放大作用，上面介绍了三极管具有电流放大用的内部条件。为实现晶体三极管的电流放大作用还必须具有一定的外部条件，这就是要给三极管的发射结加上正向电压，集电结加上反向电压。如图5-2，VBB为基极电源，与基极电阻RB及三极管的基极B、发射极E组成
4、基极发射极回路（称作输入回路）,VBB使发射结正偏，VCC为集电极电源，与集电极电阻RC及三极管的集电极C、发射极E组成集电极发射极回路（称作输出回路），VCC使集电结反偏。图中，发射极E是输入输出回路的公共端，因此称这种接法为共发射极放大电路， 改变可变电阻RB, 测基极电流IB，集电极电流IC和发射结电流IE,，结果如表5-1。表5-1 三极管电流测试数据IB (A)020 40 60 80 100IC (mA)0.005 0.99 2.08 3.17 4.26 5.40IE (mA)0.005 10.01 2.12 3.23 4.34 5.50从实验结果可得如下结论：（1）IE = IB
5、 + IC 。此关系就是三极管的电流分配关系，它符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和IC几乎相等，但远远大于基极电流IB.，从第三列和第四列的实验数据可知IC与IB的比值分别为：， IB的微小变化会引起IC较大的变化，计算可得：计算结果表明，微小的基极电流变化，可以控制比之大数十倍至数百倍的集电极电流的变化，这就是三极管的电流放大作用。、称为电流放大系数。通过了解三极管内部载流子的运动规律，可以解释晶体管的电流放大原理。本书从略。5.1.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线是用来表示各个电极间电压和电流之间的相互关系的，它反映出三极管的性能，是分析放大电路的重要依据。特性曲线可由实验测得，也可在
6、晶体管图示仪上直观地显示出来。1输入特性曲线晶体管的输入特性曲线表示了VCE为参考变量时，IB和VBE的关系。0.2 0.4 0.6 0.8 VBE(V)806040200VCE1V IB (A)图5-3 三极管的输入特性曲线 （5-1）图5-3是三极管的输入特性曲线，由图可见，输入特性有以下几个特点：(1) 输入特性也有一个“死区”。在“死区”内，VBE虽已大于零，但IB几乎仍为零。当VBE大于某一值后，IB才随VBE增加而明显增大。和二极管一样，硅晶体管的死区电压VT（或称为门槛电压）约为0.5V，发射结导通电压VBE =（0.60.7）V；锗晶体管的死区电压VT约为0.2V，导通电压约（
7、0.20.3）V。若为PNP型晶体管，则发射结导通电压VBE分别为(-0.6 -0.7)V和(-0.2 -0.3)V。（2）一般情况下，当VCE 1V以后，输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合，因为VCE 1V后，IB无明显改变了。晶体管工作在放大状态时，VCE总是大于1V的（集电结反偏），因此常用VCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。2.输出特性曲线晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时，IC和VCE的关系，即:100A80A60A40A20AIB=03 6 9 12 VCE(V)截止区5饱和区放 大 区IC (mA)43210图5-4 三极管的输出特性曲线 （5-2）图5-4是
8、三极管的输出特性曲线，当IB改变时，可得一组曲线族，由图可见，输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。（1） 截止区 ：IB = 0的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中，集电结处于反偏，VBE0发射结反偏或零偏，即VCVEVB。电流IC很小，（等于反向穿透电流ICEO）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。（2） 饱和区 ：特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。当VCEVCVE。在饱和区IB增大，IC几乎不再增大，三极管失去放大作用。规定VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态，用VCES表示，此时集电极临界饱和电流： （5-3）基极临界饱和电流： （5-4）当集电极电流ICICS
9、时，认为管子已处于饱和状态。ICVBVE。 其特点是IC的大小受IB的控制，IC=IB，晶体管具有电流放大作用。在放大区约等于常数，IC几乎按一定比例等距离平行变化。由于IC只受IB的控制，几乎与VCE的大小无关。特性曲线反映出恒流源的特点，即三极管可看作受基极电流控制的受控恒流源。例5-1 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为Vx = +10V，Vy = 0V，Vz = +0.7V，如图5-5（a）所示, T2管各电极电位Vx = +0V，Vy = -0.3V，Vz = -5V，如图5-5（b）所示，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？yzy
10、xT2zxT1 (a) (b)图5-5 例5-1解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VCVB VE ，PNP型晶体管应满足VCVBVz Vy,，所以x为集电极，y为发射极，z为基极，满足VCVB VE,的关系，管子为NPN型。（2）在图（b）中，x与y的电压为0.3V，可确定为锗管，又因VzVy Vx,，所以z为集电极，x为发射极，y为基极，满足VCVBICS，所以管子工作在饱和区。（2）因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所以管子工作在截止区。（3）因为基极偏置电源+2V大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏,管子导通基极电流:：因为ICICS，所以管子
11、工作在放大区。5.1.4 晶体管的主要参数晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能的指标,是评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据,也是计算和调整晶体管电路时必不可少的根据。主要参数有以下几个。1电流放大系数(1)共射直流电流放大系数。它表示集电极电压一定时，集电极电流和基极电流之间的关系。即： (5-5) (2)共射交流电流放大系数。它表示在VCE保持不变的条件下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即: (5-6)上述两个电流放大系数和的含义虽不同，但工作于输出特性曲线的放大区域的平坦部分时，两着差异极小，故在今后估算时常认为。由于制造工艺上的分散性，同一类型晶体管的值差异很大。常用的小功率晶体管，值一般为20200。过小，管子电流放大作用小，过大，工作稳定性差。一般选用在40100的管子较为合适。ICEOICEOAAICBOICBOAA2极间电流(a)NPN管 (b)PNP管 (c)NPN管 (d)PNP管 图5-7 ICBO的测量 图5-8 ICEO的测量(1)集电极反向饱和电流ICBO。ICBO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也是集电结的反向饱和电流。可以用图5-7的电路测出。手册上给出的ICBO都是在规定的反向电压之下测出的。反向电压大小改变时，ICBO的数值可能稍有改变。另外ICBO是少数载流子电流，随温度升高而
