第二章_半导体三极管及其电路分析

1、 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 重点：电路分析重点：电路分析 难点：电流分配及三难点：电流分配及三 个工作状态个工作状态 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2.1.1 三极管的结构三极管的结构 2.1 双极型半导体三极管 半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在 工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电， 故又称为（Bipolar Junction Transistor），简称晶体管或三极管。 按制造材料分按制造材料分 硅三极管 锗三极管 按结构分按结构分 NPN型型 PNP型型 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术

2、发射区发射区 发射极发射极，用E或e 表示（Emitter） 发射结发射结 基极基极，用B或 b表示（Base） 集电极集电极，用C或c 表示（Collector） 集电区集电区 基区基区 集电结集电结 无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含 : 发射区、基区和集电区, 并相应地引出： 发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两 两交界处, 形成, 分别称为发射结和集电结。 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 结构特点：结构特点： 发射区的掺杂浓度最高；发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，集电区掺杂浓度低于发射区， 且面积大；且面积大； 基区很薄，一

3、般在几个微米基区很薄，一般在几个微米 至几十个微米，且掺杂浓度至几十个微米，且掺杂浓度 最低。最低。 管芯结构剖面图管芯结构剖面图 集电结 B 发射结 P N P C C E E B 集电区 基区 发射区 PNP型 箭头方向表 示发射结加 正向电压时 的电流方向 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2.1.2 三极管的工作原理三极管的工作原理 发射结正偏，集电结反偏 发射结正偏，集电结正偏 发射结反偏，集电结反偏 外部条件：外部条件： 内部机制：内部机制：载流子传输载流子传输 三极管的放大原理归结为：三极管的放大原理归结为： 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 发射结加正偏时，从发

4、射区发射结加正偏时，从发射区 将有大量的电子向基区扩散，进将有大量的电子向基区扩散，进 入基区的电子流因基区的空穴浓入基区的电子流因基区的空穴浓 度低，被复合的机会较少。又因度低，被复合的机会较少。又因 基区很薄，在集电结反偏电压的基区很薄，在集电结反偏电压的 作用下，电子在基区停留的时间作用下，电子在基区停留的时间 很短，很快就运动到了集电结的很短，很快就运动到了集电结的 边上，进入集电结的结电场区域，边上，进入集电结的结电场区域， 被集电极所收集，形成集电极电被集电极所收集，形成集电极电 流流I ICE CE。 。 从基区向发射区也有空穴的从基区向发射区也有空穴的 扩散运动，但其数量小，形

5、成的扩散运动，但其数量小，形成的 电流为电流为I IBE BE。这是因为发射区的 。这是因为发射区的 掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 基区和集电区的少子在集电结的作用下，基区和集电区的少子在集电结的作用下， 产生漂移运动，形成电流产生漂移运动，形成电流I ICBO CBO EB EC N N P E C B ICE ICBO IBE 以以 NPN型三极管的放大状态为例来说明三极管内部的电流关系型三极管的放大状态为例来说明三极管内部的电流关系 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 EB EC N N P E C B ICE ICBO IBE IB IE IC B

6、E CE I I CECBOC III CBOBEB III BECEE III (1) (2) (3) (4) (2)+(3): CBE III 由由(1)得得: BECE II 上式代入（上式代入（2）式：）式： BECBOC III 由由(3)得得: CBOBBE III 代入上式：代入上式： CBOBC III)1 ( CBOB II BC II 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2. 电流分配关系电流分配关系 （1 1）三个电极电流总关系）三个电极电流总关系 实验表明IC比IB大数十至数百倍。IB虽然很小，但对IC有 控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以

7、 引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量 控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用。 的关系与)2( B C I I 称为共发射极直流电流放大系数： 将集电极电流与基极电流的变化量之比, 定义为共发 射极交流电流放大系数: B C I I 一般认为： IE=IB+ IC 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 发射结正偏，集电结正偏。 集电结正偏不利于集电区收集电子，三极管失去 了IB对IC的控制能力，IC主要受UCE的控制。 理论上，把UCE=UBE（UBC=0）时管子的状态称为 临界饱和状态临界饱和状态。 工程上，取UCES=0.3V。 发射结反偏，

8、集电结反偏。 各电极的电流近似为0。 实际上，当UBE0 0）；集）；集 电结收集电子，使基区复合减少，电结收集电子，使基区复合减少， 达到相同的达到相同的I IB B需要更大需要更大u uBE BE， ，表现为表现为 特性曲线右移。特性曲线右移。 (1) (1) 当当u uCE CE=0V =0V时，相当于时，相当于C C和和E E短接，短接， 表现为表现为PNPN结的正向伏安特性曲线。结的正向伏安特性曲线。 1. 1. 共射电路输入特性曲线共射电路输入特性曲线 2.1.3 三极管的伏安特性三极管的伏安特性 当u不变时, 输入回路中的电 流i与电压u之间的关系曲线, 即 ： iB uBE 0

9、 UCE 1V 0V 0.5V 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 饱和区：饱和区：IC明显受明显受uCE控制控制，该区，该区 域内，一般域内，一般uCE0.7V(硅管硅管)。即。即 发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏 （uBucuE）。 iC=f(uCE) iB=const 输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域 截止区：截止区：IC接近零，接近零，该区域为该区域为iB=0的的 曲线下方。发射结反偏曲线下方。发射结反偏（uBuBuE）。 2. 2. 共射电路输出特性曲线共射电路输出特性曲线 临界饱和线临界饱和线 当i不变时, 输出回路中的电流i与电压u之间的关 系曲线,

10、 即: 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 解题思路：解题思路：对对NPN型三极管型三极管 uBuBuE （且且uBEuD（on）放放 大区；大区； uBuCuE （且且uBEuD（on ）饱和区饱和区。 对对PNP型三极管：型三极管： uEuBuC （且且uEBuD（on）放放 大区；大区； uEuCuB （且且uBEuD（on ）饱和区饱和区。 放大放大截止截止饱和饱和放大放大截止截止 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 解题思路：解题思路： 电位居中的为电位居中的为B；与；与B电位相差电位相差0.7V或或0.20.3V的电的电 极为极为E;剩下的电极为剩下的电极为C。 三个电

11、极中，三个电极中，C电位最高为电位最高为NPN型三极管；型三极管；E电位最电位最 高为高为PNP型三极管。型三极管。 B与与E的电位相差的电位相差0.6 0.8 V为硅材料；电位相差为硅材料；电位相差 0.2 0.3 V为锗材料。为锗材料。 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 对（对（a）图：）图： 解题思路：解题思路： 电流最大的电极为电流最大的电极为E ；电流；电流 最小的电极为最小的电极为 B;剩下的电极剩下的电极 为为C。 100 01. 0 1 B C I I 电流从电流从E流出为流出为NPN型三极管；电流从型三极管；电流从E流入为流入为PNP 型三极管。型三极管。 对（对（b

12、）图：）图： 49 04. 0 96. 1 B C I I B EC B C E 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2.1.4 三极管的主要参数三极管的主要参数 ( (1)1)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 = =I IC C / / I IB B V VCECE= =const const 1. 1. 电流放大系数电流放大系数 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 = IC/ IB vCE=const (2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 = =I IC C/ /I IE E V VCB CB=con

13、st =const (4) (4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = = I IC C/ / I IE E V VCB CB=const =const 当当BJTBJT工作于放大区时工作于放大区时， 、 ，可以不加区，可以不加区 分；并且分；并且 。 1 (3) (3) 共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 (2) 集射间反向饱和电流集射间反向饱和电流ICEO 基极开基极开路时，晶体管的穿透电路时，晶体管的穿透电 流。流。 (1) 集基间反向饱和电流集基间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向路时，集电结的反向

14、 饱和电流。饱和电流。 2. 极间反向电流极间反向电流 ICEO=（1+ ）ICBO + b c e - VCC ICEO uA + b c e - uA Ie=0 VCC ICBO ICBO、ICEO均随温度的上升而增大，均随温度的上升而增大， 反映了三极管的温度稳定性。反映了三极管的温度稳定性。 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 (1) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM 注意：任何时候晶体管功耗注意：任何时候晶体管功耗 P PC C= = i iC Cu uCE CE 3. 极限参数极限参数 V(BR)CBO发射

15、极开路时的集电结反向击穿电压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基极开路时集射间的击穿电压，它与穿透电流基极开路时集射间的击穿电压，它与穿透电流 直接联系直接联系 几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 : : V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO (3) 反向击穿电压反向击穿电压 使使 明显下降明显下降2/3 的的iC即为即为ICM 硅最高硅最高150，锗，锗75, 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 极限参数决定晶体管是否能安全工作。极限参数决定晶体管是否能安全工作。

16、 由由P PCM CM、 I ICMCM和 和V V(BR)CEO (BR)CEO在输出特性曲线上可以确定晶 在输出特性曲线上可以确定晶 体管安全工作区。体管安全工作区。 (4) 晶体管安全工作区晶体管安全工作区 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2.2.1 放大电路的组成原理放大电路的组成原理 三极管放三极管放 大电路有大电路有 三种形式三种形式 共射放大器共射放大器 共基放大器共基放大器 共集放大器共集放大器 以共射放以共射放 大器为例大器为例 讲解工作讲解工作 原理原理 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2

17、.2.1 共射共射放大电路的组成原理放大电路的组成原理 放大元件放大元件iC= iB， 工作在放大区，工作在放大区， 要保证集电结反要保证集电结反 偏，发射结正偏。偏，发射结正偏。 ui uo 输入输入 输出输出 参考点参考点 RB +EC EB RC C1 C2 T 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 集电极电源，集电极电源， 为电路提供能为电路提供能 量。并保证集量。并保证集 电结反偏。电结反偏。 RB +EC EB RC C1 C2 T 集电极电阻，集电极电阻， 将变化的电流将变化的电流 转变为变化的转变为变化的 电压。电压。 基极电源与基极电源与 基极电阻基极电阻 作用：作用：使

18、发射使发射 结正偏，并提结正偏，并提 供适当的静态供适当的静态 工作点。工作点。 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 耦合电容：耦合电容： 通交隔直，有极性。通交隔直，有极性。 大小为大小为10 F50 F 作用：作用：隔离隔离 输入输出与输入输出与 电路直流的电路直流的 联系，同时联系，同时 能使信号顺能使信号顺 利输入输出。利输入输出。 RB +EC EB RC C1 C2 T 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 可以省去可以省去 电路改进：采用单电源供电电路改进：采用单电源供电 RB +EC EB RC C1 C2 T 单电源供电电路单电源供电电路 +EC RC C1 C2

19、T RB 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术2.2.2 三极管基本电路基本工作原理及其分析方法 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 1. 放大电路的放大电路的静态静态 静态：静态：输入信号为零（输入信号为零（v vi i= 0 = 0 或或 i ii i= 0= 0）时，）时， 放大电路的工作状态，也称放大电路的工作状态，也称直流工作状态直流工作状态。 电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特 性曲线上确定为一点，称为性曲线上确定为一点，称为静态工作点静态工作点，常称为，常称为Q点。一点。一 般用般用IB、 IC、和、和VCE （或（

20、或IBQ、ICQ、和、和VCEQ ）表示。）表示。 直流通路直流通路 共射极放大电路共射极放大电路 输入信号为零（输入信号为零（v vi i接地）；电容开路接地）；电容开路 静态等效电路静态等效电路 2.2.2 三极管基本电路基本 工作原理及其分析方法 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2 三极管直流电路的分析三极管直流电路的分析 1、画出放大电路的直流、画出放大电路的直流 通路通路 将交流电压源将交流电压源 短路，将电容短路，将电容 开路。开路。 直流通路的画法：直流通路的画法： 开路开路 Rb +VCC RC C1 C2 RL 开路开路 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 3

21、、确定静态（直流）工作点、确定静态（直流）工作点 b BECC BQ R UU I ：VU BE 7 . 0取 VU BE 2 . 0取 ： BQCQ II 根据三极管各极电流关系, 可求出静态工作点的集电 极电流ICQ： 再根据集电极输出回路可求出UCEQ Rb +VCC RC IB UBE Rb +VCC RC ICQ UCEQ cCCCCEQ RIUU 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 VU mAI AmAI CEQ CQ BQ 63212 204. 050 40040. 0 280 7 . 012 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 图解法求静态工作点的步骤: (1)由基

22、极回路求出IBQ。 (2)在输出特性曲线所在坐标中, 按直流负载线方程UCE=UCC-ICRc, 作出直流负载线。 (3) 找出iB=IBQ这一条输出特 性曲线, 与直流负载线的交 点即为静态工作点（ Q 点）。读出Q点坐标的电流、 电压值即为所求。 UCC IC UCE C CC R U Q IB UCE IC 静态工作静态工作 点点 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 【例例2】如图如图2 - 5(a)所示电路所示电路, 已知已知Rb=280k, Rc=3k, UCC=12V, 三极管的输出特性曲线如图三极管的输出特性曲线如图2 - 5(b)所示所示, 试用图解法确定静态工作点。（硅

23、管）试用图解法确定静态工作点。（硅管） 图图2 5 例例 2 电路图电路图 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 解解 首先写出直流负载方程首先写出直流负载方程, 并作出直流负载线并作出直流负载线: CCCCCE RiUu ., ,4 3 12 , 0;,12, 0 即得直流负载线连接这两点点得 点得 N mA R U iuMVUui c CC CCECCCEC 然后然后, 由基极输入回路由基极输入回路, 计算计算IBQ AmA R UU I b BECC BQ 4004. 0 10280 7 . 012 3 直流负载线与直流负载线与iB=IBQ=40A这一条特性曲线的交点这一条特性曲线的

24、交点, 即为即为Q点点, 从图上查出从图上查出IBQ=40 A, ICQ=2mA, UCEQ=6V, 与例与例1结果一致。结果一致。 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 UCE /V UCE /VICEO 40A Q Q IB = 0 20 40A IB = 0 20 60 60 80 1 2 3 3 2 1 温度对三极管输出特性的影响温度对三极管输出特性的影响 25 C o 60 C o ICEO 温度升高引起温度升高引起 ICEO 和和 增加增加 UBE RB VCC IB =固定不变，固定不变，在基本交流放大电路中，在基本交流放大电路中， 而而 IC = IB + ICEO ，所以

25、温度升高时将引起所以温度升高时将引起IC 增加。增加。 工作点上移，工作点上移， 靠近饱和区。靠近饱和区。 IC / mAIC / mA 4 温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 （1 1）稳定工作点原理）稳定工作点原理 目标：温度变化时，使目标：温度变化时，使 IC维持恒定。维持恒定。 如果温度变化时，如果温度变化时，b点电点电 位能基本不变位能基本不变，则可实现静，则可实现静 态工作点的稳定。态工作点的稳定。 T 稳定原理：稳定原理： IC IE VE 、VB不变不变 VBE IB IC （反馈控制）（反馈控制） 1. 基极分压式射极偏置电

26、路基极分压式射极偏置电路 (a) 原理电路原理电路 (b) 直流通路直流通路 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 b点电位基本不变的条件点电位基本不变的条件： I1 IBQ ， CC b2b1 b2 BQ V RR R V 此时，此时， VBQ与温度无关与温度无关 VBQ VBEQ 一般取一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V 1. 基极分压式射极偏置电路基极分压式射极偏置电路 （1 1）稳定工作点原理）稳定工作点原理 电路静态工作点稳定的原因有：电路静态工作点稳定的原因有：1、RE的直流负反馈作的直流负反馈作 用用 2、UBQ在温度变化时基本不变在温度变化时基本不变 电

27、子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 1. 基极分压式射极偏置电路基极分压式射极偏置电路 （2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析 静态工作点静态工作点 CC b2b1 b2 BQ V RR R V e BEQBQ EQCQ R VV II )( ecCQCCeEQcCQCCCEQ RRIVRIRIVV I I CQ BQ 不再先求不再先求IBQ BQCEQCQEQEQ IVIIVV, BQ 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 要求：（要求：（1）计算静态值）计算静态值 IB 、 IC 和和 UCE ； C1 = C2 = 20F ,三极管的三极管的 = 50。 RB2 = 10K

28、 , RC =4K , RE =2.2K , RL =4K , CE = 100F , 例：在例：在分压式偏置电路中，分压式偏置电路中，已知：已知：VCC =12V，RB1= 30K , UCE B RCIC RB1 IB VCC IE RB2 RE 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 解：解：（1）可用估算法求静态值）可用估算法求静态值 VB =VCC RB1 RB2 RB2 + = 12 10 30+10 = 3V V IC IE= VB UBE RE = 3 0.6 2.2 = 1.09 mA IB= = IC 1.09 50 = 21.8 A UCE = VCCICRCICRE= 121.09(4+2.2)=5.24V 直流通路直流通路 B RCIC RB1 IB VCC IE RB2 RE 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 2. 放大电路的放大电路的动态动态 动态：动态：输入信号不为零时，放大电路的工作输入信号不为零时，放大电路的工作 状态，也称状态，也称交流工作状态交流工作状态。 交流通路交流通路 共射极放大电路共射极放大电路 电容短路，直流量为零，电容短路，直流量为零，V VCC CC成为交流地 成为交流地 动态等效电路动态等效电路 ic vce + - 电子电路CAD 集成电子技术集成电子技术 对交流信号对交流信号(输入信号输入信号ui)