电子技术02晶体三极管

1、三极管基本结构及电路符号三极管基本结构及电路符号三极管典型封装形式三极管典型封装形式2.1 放大模式下晶体三极管的工作原理放大模式下晶体三极管的工作原理2.1.1 内部载流子传输过程内部载流子传输过程 当NPN型晶体管工作在放大模式，即发射结加正偏，集电结加反偏时：IIIEEnEpIEn: 发射区中多子自由电子通过发射结到基区的电子电流IEp: 基区中多子空穴通过发射结到发射区的空穴电流CBOCn1CpCn2Cn1CIIIIIIICp: 集电区中少子空穴通过集电结而形成的空穴电流ICn1: 基区中到达集电结边界的非平衡少子电子通过集电结的电子电流ICn2: 基区中少子电子通过集电结而形成的电子

2、电流集电结反向饱和电流:两个结共同流入基极的电流:三极管三个极的电流关系:BCEIII综上：只有发射区中多子自由电子通过发射结电流IEn转化为集电结电流ICn1，成为产生上述正向受控作用的载流子，大小只受正偏发射结电压控制；其他载流子流为寄生电流。减小寄生电流：发射结为不对称结，发射区搀杂浓度远大于基区；基区宽度小；集电结面积大于发射结。BEEnCn1EEnECn1IIIIIICpCn2CBOIIICBOCn1EnEpB)(IIIIIE : 发射区发射效率，表示能够转化为集电极电流的有用成分IEn在IE中占的百分比 B : 基区传输效率，表示受控集电极电流ICn1在IEn中占的百分比 共基极电

3、流放大系数:(表示IE转化为ICn1的能力)2.1.2 电流传输方程电流传输方程晶体三极管的三种连接方式：共发共基共集一、共基极一、共基极CBOECBOCn1CIIIII由ICBO很小，则ECII二、共发射极二、共发射极CBOBC111IIICBOECIIIBCEIII1CEOBCBOBC )1 (IIIII: 共发射极电流放大系数ICEO: 穿透电流，为基极开路时(IB=0)的集电极电流。 BC II引入参数CBOCEO)1 (II引入参数ECn1IICBOCn1EnEpB)(IIIIICBOBCn1EIIIICn1ECn11III 的物理含义的物理含义CBOCCn1IIICBOBCBOCI

4、III: 表示IB中受发射结电压控制的电流成分（IB+ICBO)对集电极正向受控成分ICn1=(ICICBO)的控制能力，若忽略ICBO，则表示IB对IC的控制能力。 ICEO的物理含义的物理含义发射结正偏，集电结反偏，晶体管仍然工作在放大模式。基极开路时，IB=0，IB中的受控电流成分IEp+IEnICn1=ICBO，其值被放大 倍，再加上集电结本身的ICBO，则CBOCBOCBOCEO)1 (IIIIICEO一般也很小，可以忽略不计。三、共集电极三、共集电极CEOBCIIIBCEIIICEOBCBOBE)1 ( )(1 (IIIIIB)1 (I电流传输方程小结：电流传输方程小结：ECIIB

5、CIIBE)1 (II2.2 晶体三极管模型晶体三极管模型2.2.1 埃伯尔斯莫尔模型埃伯尔斯莫尔模型 ) 1e () 1e (TBCTBECBSREBSFVVVVIIII) 1e () 1e () 1e () 1e (TBCTBETBCTBECBSEBSFRFFCCBSREBSRRFEVVVVVVVVIIIIIIIIII) 1e ()1 () 1e ()1 (TBCTBECBSREBSFCEBVVVVIIIII当发射结加正偏，集电结加反偏，晶体三极管工作在放大模式时: TBETBEVEBSVEBSFEe) 1e (VVIIIITBETBETBEVSVEBSVEBSEEFFFCee) 1e (

6、VVVIIIIIII当晶体三极管两个结均加正偏，IF和IR都较大,晶体三极管工作在饱和模式, IC和IE将同时受到两个结正偏电压的控制，三极管失去正向受控作用 。且随着集电结正偏电压VBC的增大，IR增大，导致IC和IE迅速减小，同时IB迅速增加，当晶体三极管两个结均加反偏，晶体三极管工作在截止模式时，IC0，IE0，因而 IB 0 放大模式截止模式饱和模式2.2.2 晶体三极管的共发等效电路模型晶体三极管的共发等效电路模型 一、大信号电路模型一、大信号电路模型TBEe1SCEBVVIIII1. 三极管工作在放大模式：VBE(on)为发射结的正向导通电压，本教材中取其值为0.7V。 2. 三极

7、管工作在饱和模式：V4 . 0V7 . 0BC(on)BC(sat)BE(on)BE(sat)VVVVVCE(sat) = 0.3 V 3. 三极管工作在截止模式：二、小信号电路模型二、小信号电路模型TCQTEQeembembbembbem1)1 (VIVIrrgrgivgivgTCQBESBECbecmBEQBETBEBEQBEeVIvIvivigVVVvVV三极管既可以看作电流控制电流器件，也可以看作电压控制电流器件。gm表示vbe对ic的正向受控作用的增量电导，称为晶体管的互导或跨导根据等效模型推导：根据定义推导：计及基极引线电阻和基区体电阻 rbb在高频工作时，还必须考虑结电容的影响

8、PNP 管和NPN管的小信号电路模型是一样的 2.2.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线常数CE)(BE1EBvvfi常数BE)(CE2ECvvfi共发射极连接: 输入特性曲线输出特性曲线一、输入特性曲线一、输入特性曲线基区宽度调制效应：基区宽度调制效应：VCE增大，集电极上反偏电压增大，导致集电结阻挡层宽度增大，结果使基区实际宽度WB减小，使得由发射区注入的非平衡少子电子在向集电结扩散过程中与基区空穴复合减少，导致IB变小。曲线形状与晶体二极管伏安特性曲线类似二、输出特性曲线二、输出特性曲线1. 放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏

9、。CEOBCIii由于基区宽度调制效应，随着vCE增大，基区复合减少，和 都略有增大，引起曲线略有上翘。VA为厄尔利电压, 此时从内部物理过程来说，|VA|与基区宽度有关，基区宽度越小，基区宽度调制效应对iC的影响越大，| VA |也就相应越小。小功率管的VA值约为50100 V 。)1 (eACESCTBEVvIiVv三极管的集电极电流iC不仅受控于输入电压vBE，同时受控于输出电压vCE。放大区中，当输入电压vBE确定后， iC随vCE的变化几乎是线性的。因此，基区宽度调制效应对三极管小信号电路模型的影响可以用一只连接于CE之间的线性电阻rce来等效。 CQACQACQCEQACCEce|

10、IVIVIVVivr计及基区宽度调制效应时的混合型电路模型 2. 截止区工程上一般规定iB0，即iC=ICEO以下的区域为截止区。此时，发射结正偏，集电结反偏。3. 饱和区该区域内iC受vCE显著控制，vCE的数值较小，一般vCE0.3V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏。4. 击穿区当vCE增大，加在集电极上的反偏电压也相应增大，当增大到一定值时，集电结被反向击穿，造成iC剧增，主要为雪崩击穿。 当iE=0,即iC=ICBO,iB=ICBO时，击穿电压最大为V(BR)CBO. 当iB=0, iC=ICEO时，击穿电压为V(BR)CEO。三、极限参数三、极限参数q 集电极最大允许电流ICMq

11、集电极最大允许功率损耗PCMq反向击穿电压V(BR)CEO 明显下降时所对应的最大允许集电极电流。在集电极最高工作温度限制下，三极管所能承受的最大允许集电极耗散功率防止管子被击穿所允许的最大vCE的值2.2.4 晶体三极管的频率参数晶体三极管的频率参数)j (j)j ()(jebcbebmcvCvgi)(j1)(j )(j1/)(j)j (cbebebebbcbebebbebCCrriCCrivj1)j1 ()(j1)j()j ()j ()j (Zebmcbebebebcbmjcebc0)(rgCCrrCgiiv,cbmZCg,1)(1ebebcbebebCrCCrj1)j (Z 的频率特性：

12、的频率特性：21)( 的幅频特性：的幅频特性： 为转折点角频率时，()下降为低频时的0.707倍(3dB)， 时，下降为1， 为特征角频率TT时，,)(ebecbebecbebmcbebebT1)()(1CrCCrCCgCCr)(T/j1)1/(j1)1/()j (1)j ()j ( 的频率特性：的频率特性：ebecbebecbebeb1)(1)(1)1 (CrCCrCCrT)(的上限角频率：频率参数的关系：频率参数的关系：2.3 三极管电路分析方法三极管电路分析方法2.3.1 图解分析法图解分析法将如图所示的电路分成三部分：晶体三极管输入端管外电路输出端管外电路)(BEBBBBBBEvfiR

13、ivVv)(CECCCCCCEvfiRiVv在晶体三极管伏安特性曲线上作描述管外电路的负载线，它们的交点便是所求的电量。输入回路：输出回路：一、直流分析一、直流分析v = 0，相应的输入、输出回路管外电路方程分别为 VVI RBEBBBBCCCCCERIVV分别在三极管输入、输出特性曲线 上作管外电路方程代表的输入、输出负载线，交点即为直流工作点。二、交流分析二、交流分析为减小失真，应限制输入信号v的幅度。 2.3.2 等效电路分析法等效电路分析法例例1 在下图(a)所示电路中，已知100， (1) 试求晶体三极管的各极电压和电流值； (2) 将RC增大到20k，试求IB和IC值； (3) R

14、C仍为5.8k，而将RB减小到10k，试求IB和IC。 假设晶体三极管工作在放大模式，将晶体三极管用放大模式下的大信号等效电路模型表示，如图(b)所示。 解解: (1)A, 10A 10 10100V 7 . 0V 7 . 153BonBEBBBRVVImA 1A 10A 1010035BCII0.3VV 2 . 6 108 . 5A 10V 1233CCCCCERIVV,假设成立，计算有效一、直流分析一、直流分析(2)同样先假设晶体三极管工作在放大模式，输入回路与(1)一样，得到IB = 10A，IC = 1mA，则 0.3VV 8 1020A 10V 1233CCCCCERIVV假设不成立

15、，三极管需要采用饱和模式下的等效电路模型，重新计算得到 例1中饱和模式等效电路 IB = 10AmA 59. 0 1020V 3 . 0V 123CCE(sat)CCCRVVI(3)同样先假设晶体三极管工作在放大模式，采用与(1)中一样的方法求得IB = 100A，IC = 10mA，VCE 46 V0.3V，故假设不成立，三极管需要采用饱和模式下的等效电路模型，重新计算得到IB = 100A， IC = 2mA。直流分析时，输入回路只需要考虑三极管的VBE(on) ，增加RC或减小RB(或增大VBB)，都可使晶体三极管自放大模式进入饱和模式 。例例2试求下图(a)所示电路中晶体三极管的各极电

16、压和电流值。已知100。 先将电路转化为(b)所示电路，再通过戴维宁定理将电路等效为(c)所示电路。 解解:V 2B2B1B2CCBBRRRVVk 67.16/B2B1B2B1B2B1BRRRRRRRA 78k 67.16V 7 . 0V 2BBE(on)BBBRVVImA 8 . 7A 78100BCIIV 2 . 4 1010A 8 . 7V 1233CCCCCERIVV例例3试求下图(a)所示电路中晶体三极管的各极电压和电流值。已知100。 解解:(a) (b) 与例2一样，先通过戴维宁定理将电路等效为(b)所示电路，VBB2 V，RB16.67 k。 输入回路直流方程 ：EEBE(on

17、)BBBBRIVRIVBE)1 (IIA11)1 (EBBE(on)BBBRRVVImA, 1 . 1BCIIV 6 . 7CECCCCERRIVVEEBE(on)BBBBRIVRIV也可以直接先求IE：)1/(EB IImA1 . 1)1/(EBBE(on)BBERRVVImA 1 . 1EECIII试求下图所示电路各极交流电流和电压值。已知ICQ=1mA， v=20sint(mV)，=100，VA=100V。二、交流分析二、交流分析例例4分析方法：先根据直流工作点求三极管的各个小信号参数，并在电路的交流通路中用小信号电路模型取代晶体三极管 ，再求解交流电流和电压值。解解:k63. 2)1

18、(ee brrmS4 .381mergk100|CQAceIVr)A( sin6 . 2e bBbtrRvi(mV) sin9 . 6e bbbetrivA)( sin 250Ccecee bmctRrrvgi(V) sin 45. 1CccetRiv2.4 三极管应用原理三极管应用原理2.4.1 电流源电流源理想电流源：理想电流源：三极管组成的电流源：三极管组成的电流源：2.4.2 放大器放大器一、放大器的组成一、放大器的组成基本放大器由4部分构成：晶体三极管偏置电路信号源负载二、放大器的直流通路和交流通路二、放大器的直流通路和交流通路 交流通路：隔直流电容和旁路电容短路，扼流圈等大电感开路

19、， 独立的直流电压源短路，独立的直流电流源开路。 直流通路：隔直流电容和旁路电容开路，电感短路。实际放大器电路 直流通路 交流通路 三、放大器的偏置电路三、放大器的偏置电路 基本要求：一是提供放大管所需的静态工作点Q；二是静态工作点在外界因素变化或变换管子时，力求维持不变。Q点: 放大电路产生截止失真；Q点: 放大电路产生饱和失真。三极管温度特性：三极管温度特性：三极管的VBE(on)、 和ICBO 三个参数受温度影响很大，导致静态工作点会随着温度而改变。温度每升高1C， 的相对值就会增加1%，而VBE(on)减少2.5mV，这样会导致集电极输出电流ICQ随温度上升很快，静态工作点移向饱和区，

20、而ICQ又主要取决于和IBQ 。BQCBOBQCQ)1 (IIII稳定输出电流的方法：稳定输出电流的方法：对于给定的偏置电路，静态工作点及其稳定性主要取决于ICQ及其稳定性，一个高热稳定性的偏置电路实际上就是能够稳定ICQ的电路。可以通过检测输出电流的变化，同时用检测信号来控制输入回路电流IBQ的方式实现ICQ的稳定，。一、RB1和RB2作为VCC的分压电路，提供T管的偏置电压；二、在发射极上接入RE,可以在当温度升高，引起ICQ增大时，由于在RE上的压降相应增大，VBEQ减小，导致IBQ减小，从而阻止ICQ的增大，反之亦然。(也可以通过将RE等效到输入回路中分析)三、分压式偏置电路之所以能够有效地稳定静态工作点就在于反馈电阻RE对ICQ的自动调节作用。分压式偏置电路：分压式偏置电路：2.4.3 跨导线性电路跨导线性电路利用工作在放大模式下三极管呈现指数律伏安特性，将偶数个三极管的发射结接成闭合电路，其中一半按顺时针方向，另一半按逆时针方