半导体三极管及放大电路基础实用教案

1、2021-12-11又称半导体三极管、晶体管，或简称(jinchng)为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形(wi xn)如下图所示。三极管有两种类型(lixng)：NPN 和 PNP 型。 图 三极管的外形第1页/共110页第一页，共111页。2021-12-12常用(chn yn)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(jigu)(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)becPNPNcSiO2b硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN第2页/共110页第二页，共111页。2021-12-13图 三极

2、管结构(jigu)示意图和符号(a)NPN 型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极 c基极(j j) b发射极 eNNP第3页/共110页第三页，共111页。2021-12-14集电区集电结基区发射结发射区集电极 c发射极 e基极(j j) bcbe符号NNPPN图 3.1.3三极管结构示意图和符号(b)PNP 型第4页/共110页第四页，共111页。2021-12-15以 N P N 型 三 极 管 为 例 讨 论(toln)图三极管中的两个(lin ) PN 结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部条件来保证。不具备放大作用第5页/共110页第五页，共

3、111页。2021-12-16三极管内部结构要求(yoqi)：NNPebcN N NP P P1. 发射区高掺杂(chn z)。2. 基区做得很薄。通常只有(zhyu)几微米到几十微米，而且掺杂较少。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3. 集电区面积大。第6页/共110页第六页，共111页。2021-12-17becRcRb内部载流子的传输(chun sh)过程I EIB 1）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(dinli) IE (基区多子数目较少，空穴电流(dinli)可忽略)。

4、2）复合和扩散电子到达基区，少数(shosh)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，到达集电结的一侧。图 三极管中载流子的运动第7页/共110页第七页，共111页。2021-12-18becI EI BRcRb3） 收集集电结反偏，有 利 于 收 集 基 区 扩 散(kusn)过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC 。I C另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行(jnxng)漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO图 三极管中载流子的运动(yndng) 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有

5、两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参与导参与导电，故称为双极型三极管。或电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 第8页/共110页第八页，共111页。2021-12-19beceRcRbICBOIEICIBIBnICn2. 2. 电流电流(dinli)(dinli)分配关系分配关系发射极注入电流发射极注入电流传输到集电极的电流传输到集电极的电流 ECn II即根据传输过程(guchng)可知 IC= ICn+ ICBOIB= IBn - ICBO通常(tngchng) IC ICBOEC II则有IE=IB+ IC 为电流放大系数

6、，与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关一般 = 0.90.99第9页/共110页第九页，共111页。2021-12-110BBBEIIII)1 (1 ，根据(gnj)IE=IB+ ICEC II可得BC II令 是另一个电流放大系数，同样，它也与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般 1第10页/共110页第十页，共111页。2021-12-111一组三极管电流关系典型(dinxng)数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2

7、.37 2.961. 任何一列电流关系(gun x)符合 IE = IC + IB，IB IC 0 时的输入(shr)特性曲线当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散(kusn)到基区的电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于(chy)放大状态。 * 特性右移(因集电结开始吸引电子)V2CE UV/BEUO0CE UIB/A * UCE 1 V，特性曲线重合。图 三极管的输入特性UCE = 1 V第18页/共110页第十八页，共111页。2021-12-119二、输出特性图 NPN 三极管的输出特性曲线(qxin)IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB

8、 = 0O 5 10 154321截止区放大区饱和区放大区1. 截止(jizh)区条件：两个结都处于反向(fn xin)偏置。IB= 0 时，IC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。常数常数 B)(CECIUfI截止区截止区第19页/共110页第十九页，共111页。2021-12-1202. 放大(fngd)区条件(tiojin)：发射结正偏集电结反偏特点(tdin)：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 5 10 154321放大区集电极电流和基极电流体现放大作用，即BC I

9、I 放大区放大区对 NPN 管 UBE 0，UBC 0 UBC 0 特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去(shq)放大作用。 I C IB。 当 UCE = UBE，即 UCB = 0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(锗管)饱和区饱和区饱和区第21页/共110页第二十一页，共111页。2021-12-122例1:三极管工作(gngzu)状态的判断例：测量某硅材料NPN型BJT各电极(dinj)对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1） VC 6V VB VE 0V（2） VC 6V VB

10、4V VE （3） VC 3V VB 4V VE 3V解：原则(yunz)：正偏正偏反偏反偏反偏反偏集电结正偏正偏正偏正偏反偏反偏发射结饱和饱和放大放大截止截止对NPN管而言，放大时（1）放大区（2）截止区（3）饱和区第22页/共110页第二十二页，共111页。2021-12-123一、电流一、电流(dinli)放大系数放大系数表征管子放大作用(zuyng)的参数，有以下几个：1. 共射电流(dinli)放大系数 BCII 2. 共射直流电流放大系数 忽略穿透电流 ICEO 时，BCII 第23页/共110页第二十三页，共111页。2021-12-1243. 共基电流(dinli)放大系数 E

11、CII 4. 共基直流电流放大系数 忽略(hl)反向饱和电流 ICBO 时，ECII 和 这两个参数不是(b shi)独立的，而是互相联系，关系为： 1 1或或第24页/共110页第二十四页，共111页。2021-12-125二、极间反向(fn xin)饱和电流1. 集电极和基极(j j)之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向(fn xin)饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电路(b)ICEO测量电路ICBOcebAICEOAceb 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。CBOCEO)1(II 值

12、愈大，则该管的 ICEO 也愈大。 图 反向饱和电流的测量电路第25页/共110页第二十五页，共111页。2021-12-126三、 极限(jxin)参数1. 集电极最大允许(ynx)电流 ICM BJT的参数变化不超过(chogu)允许值时集电极允许的最大电流。2. 集电极最大允许耗散功率 PCM过损耗区安全 工 作 区 将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区ICUCEOPCM = ICUCE安全 工 作 区安全 工 作 区过损耗区过损耗区图 三极管的安全工作区第26页/共110页第二十六页，共111页。2021-12-1

13、273. 极间反向击穿(j chun)电压外加在三极管各电极(dinj)之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿(j chun)电压。U(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U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全 工 作 区ICM过流区图 三极管的安全工作区第27页/共110页第二十七页，共111页。2021-12-128例2某放大电路(dinl)中BJT三个电极的电流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。解：电流(

14、dinli)判断法。电流(dinli)的正方向和KCL。IE=IB+ ICABC IAIBICC为发射极B为基极(j j)A为集电极。管型为NPN管。第28页/共110页第二十八页，共111页。2021-12-129分析(fnx)： NPN：UBE0，UCB0 ， Uc Ub Ue PNP： UBE0，UCB0， Uc Ub rbe 与三极管的参数 、rbe 无关。uA第67页/共110页第六十七页，共111页。2021-12-1682. 放大(fngd)电路的输入电阻 bebeiii/)1(RRrIUR 引 入 R e 后，输入电阻增大(zn d)了。3. 放大(fngd)电路的输出电阻co

15、RR rbe ebcRcRLRboUbIcIbI +ReeIcIrbe bcRcRbbIbI ReeIe将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL 开路 ，忽略 c 、e 之间的内电阻 rce 。RLiU图 2.4.14(b)第68页/共110页第六十八页，共111页。2021-12-169解：（1）求Q点，作直流通(litng)路直流通路+-VRIVVmAIIuAKRVVI424124)40(10040300) 2 . 0(12cCCCCEBCbBECCB例：如图，已知BJT的=100，VBE=-0.2V。（1）试求该电路(dinl)的静态工作点；（2）画出简化的小信号等效电路(dinl)；（3

16、）求该电路(dinl)的电压增益AV， 输出电阻Ro、输入电阻Ri。第69页/共110页第六十九页，共111页。2021-12-1702. 画出小信号(xnho)等效电路3. 3. 求电压求电压(diny)(diny)增益增益 )()(26)1 (300mAmVEQbeIr300+（1+100）26/4=965欧6 .155)/()/()/(beLcbebLcbbebLcciOrRRrIRRIrIRRIVVAVRbviRcRLiVbIcIOVbI第70页/共110页第七十页，共111页。2021-12-1714.4.求输入电阻求输入电阻965/bebiiirRIVR5.求输出电阻Ro = Rc

17、 =2KRbviRcRLiVbIcIOVbI第71页/共110页第七十一页，共111页。2021-12-172工作(gngzu)点的稳定问题 三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要(zhyo)表现有： 1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 2 mV/C，即温度每升高 1C，UBE 约下降 2 mV 。 2. 改变。温度每升高 1C， 值约增加 0.5% 1 %， 温度系数分散性较大。 3. ICBO 改变。温度每升高 10C ，ICBQ 大致将增加一倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。第72页/共110页第七十二页，共111页。2021-12-173QvC

18、E/ViC/mAiB =0IBQ11. 温度变化(binhu)对ICBO的影响2. 温度变化(binhu)对输入特性曲线的影响温度(wnd)T 输出特性曲线上移温度T 输入特性曲线左移3. 温度变化对 的影响温度T 输出特性曲线族间距增大QvCE/ViC/mAiB =0IBQ1总之： ICBO ICEO T VBE IB IC 第73页/共110页第七十三页，共111页。2021-12-174一、电路(dinl)组成 分压式偏置(pin zh)电路由于 UBQ 不随温度变化，电流负反馈式工作点稳定电路T ICQ IEQ UEQ UBEQ (= UBQ UEQ) IBQ ICQ 第74页/共11

19、0页第七十四页，共111页。2021-12-175二、静态(jngti)与动态分析静态(jngti)分析C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于(yuy) IR IBQ， 可得(估算)CCb2b1b1BQVRRRU eBEQBQeEQEQCQ RUURUII 则则)(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU 静态基极电流 CQBQII Rb2Rb1IBQIRIEQICQ第75页/共110页第七十五页，共111页。2021-12-176电压电压(diny)(diny)增增益益输出(shch)回路：)/(LcboRRIV 输入(shr)回路：

20、ebbebeebebi)1(RIrIRIrIV 电压增益：ebeLcebebLcbioV)1()/()1()/(RrRRRrIRRIVVA 画小信号等效电路确定模型参数已知，求rbe)mA()mV(26)1 (300EQbeIr增益动态分析第76页/共110页第七十六页，共111页。2021-12-177输入电阻输入电阻)1(/ebeb2b1TTiRrRRIVR bRTbIII ebbebeebebT)1(RIrIRIrIV )/(b2b1RTbRRIV 根据(gnj)定义由电路(dinl)列出方程则输入电阻放大(fngd)电路的输入电阻不包含信号源的内阻TTiIVR 第77页/共110页第七

21、十七页，共111页。2021-12-178输出电阻输出电阻输出电阻oco/ RRR 求输出电阻的等效电路网络(wnglu)内独立源置零负载(fzi)开路输出端口加测试(csh)电压对回路1和2列KVL方程rce对分析过程影响很大，此处不能忽略0)()(ecbsbeb RIIRrI0)()(ebccebcTRIIrIIV其中b2b1ss/RRRR 则)1(esbeececToRRrRrIVR 当coRR 时，coRR 一般cceoRrR （）第78页/共110页第七十八页，共111页。2021-12-179共集电极电路(dinl)和共基极电路(dinl)三种(sn zhn)基本接法共射组态(z

22、ti)CE共集组态CC共基组态CB第79页/共110页第七十九页，共111页。2021-12-180 三极管的三种三极管的三种(sn zhn)组态组态BJT的三种组态共集电极(dinj)接法，集电极(dinj)作为公共电极(dinj)，用CC表示。共基极接法，基极作为公共电极(dinj)，用CB表示；共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；第80页/共110页第八十页，共111页。2021-12-1813.6.1 共集电极电路(dinl)1. 电路(dinl)分析共集电极电路(dinl)结构如图示该电路也称为射极输出器求静态工作点求静态工作点ebBECCB)1(RRVVI eCCCeEC

23、CCERIVRIVV BCII eEBEbBCCRIVRIV BE)1(II 由得第81页/共110页第八十一页，共111页。2021-12-182电压电压(diny)(diny)增增益益输出(shch)回路：输入(shr)回路：LbbebLbbbebi)1( )(RIrIRIIrIV 电压增益：1)1()1()1()1(LbeLLbeLLbebLbioV RrRRrRRrIRIVVA 画小信号等效电路确定模型参数 已知，求rbe)mA()mV(26)1 (300EQbeIr增益其中LeL/ RRR LbLbbo)1()(RIRIIV 一般beLrR ，则电压增益接近于1，1V A即同相同相与

24、与ioVV电压跟随器第82页/共110页第八十二页，共111页。2021-12-183输入电阻输入电阻)1(/LbebTTiRrRIVR bRTbIII LbbebT)1(RIrIV bRTbRIV 根据(gnj)定义由电路(dinl)列出方程则输入电阻TTiIVR LeL/ RRR 当beLrR 1 ，时，Lbi/RRR 输入电阻大输出电阻输出电阻由电路(dinl)列出方程eRbbTIIII )(sbebTRrIV eRTeRIV 其中bss/ RRR 则输出电阻 1/beseTTorRRIVR当 1beserRR，1 时， besorRR 输出电阻小共集电极电路特点：同相同相与与ioVV

25、电压增益小于1但接近于1， 输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强第83页/共110页第八十三页，共111页。2021-12-1842. 复合管作用：提高电流放大系数，增大(zn d)电阻rbe复合管也称为(chn wi)达林顿管第84页/共110页第八十四页，共111页。2021-12-185复合管的组成原则 在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作在放大区。 为实现电流放大，将第一(dy)只管的集电极或发射极电流作为第二只管子的基极电流。第85页/共110页第八十五页，共111页。2021-12-186结 论1. 两个同类型的三极管组成复合管，其类型与

26、原来相同(xin tn)。复合管的 1 2，复合管的 rbe = rbe1+（1+ 1） rbe2 。2. 两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同(xin tn)。复合管的 1 2，复合管的 rbe = rbe1 。第86页/共110页第八十六页，共111页。2021-12-1873.6.2 共基极电路(dinl)1. 静态(jngti)工作点 直流通路与射极偏置电路(dinl)相同CCb2b1b2BVRRRV eBEBECRVVII )(ecCCCeEcCCCCERRIVRIRIVV CBII 第87页/共110页第八十七页，共111页。2021-12-1882. 动态(dn

27、gti)指标电压电压(diny)(diny)增益增益输出(shch)回路：输入回路：bebirIV 电压增益：beLbebLbioVrRrIRIVVA LbLcoRIRIV LcL/ RRR 第88页/共110页第八十八页，共111页。2021-12-189 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 1)(1bebbebeiebirIrIIVrR 11/bebeeebeiiirrRrRIVRcoRR 第89页/共110页第八十九页，共111页。2021-12-1903. 三种组态(z ti)的比较电压增益：beLc)/(rRR 输入电阻：beb/rR输出电阻：cR)/)(1()/()1(LebeLe

28、RRrRR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRRbeLc)/(rRR 1/beerRcR第90页/共110页第九十页，共111页。2021-12-1913.7 放大放大(fngd)电路的频率响应电路的频率响应 放大电路中，由于电抗元件及半导体三极管极间电容的存在(cnzi)，当输入信号的频率过高或过低时，放大倍数的数值会变小，而且会产生超前或滞后的相移。这说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系成为频率响应或频率特性。低频(dpn)端耦合电容、旁路电容高频端极间电容、连线电容第91页/共110页第九十一页，共111页。2021-12-1923.7.1 单时间常数RC

29、电路(dinl)的频率响应1. RC低通电路(dinl)的频率响应RC电路的电压(diny)增益（传递函数）：则11111ioH11/1/1)()()(CsRsCRsCsVsVsAV fs j2j 且令11H21CRf 又)/j(11HioHffVVAV 电压增益的幅值（模）2HH)/(11ffAV （幅频响应）电压增益的相角)/(arctgHHff （相频响应）增益频率函数第92页/共110页第九十二页，共111页。2021-12-193频率响应曲线频率响应曲线(qxin)(qxin)描述描述幅频响应(xingyng)2HH)/(11ffAV 时时，当当 Hff 1)/(112HH ffAV

30、dB 01lg20lg20HH VVAA时时，当当 Hff ffffAV/)/(11H2HH )/lg(20lg20HHffAV 0分贝(fnbi)水平线斜率为 -20dB/十倍频程 的直线相频响应时时，当当 Hff 时时，当当 Hff )/(arctgHHff 0H 90H 时时，当当 Hff 45H 时时，当当 100.1 HHfff 十十倍倍频频程程的的直直线线斜斜率率为为/45 VVAVVAioio 表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入因为所以第93页/共110页第九十三页，共111页。2021-12-194第94页/共110页第九十四页，共111页。2021-12-1952.

31、RC高通电路(dinl)的频率响应RC电路(dinl)的电压增益：22222ioH/1 /1)()()(CRsssCRRsVsVsAV 幅频响应(xingyng)2LL)/(11ffAV 相频响应)/(arctgLHff fs j2j 且令22H21CRf 又则ffjVVALVL 11io第95页/共110页第九十五页，共111页。2021-12-196频率响应频率响应(pn l (pn l xinxin yn yn) )曲线描述曲线描述幅频响应(xingyng)时时，当当 Lff LLffffA 2VL)/(11LVLffAlg20lg20 时时，当当 Lff 1)/(112L ffALV0

32、1lg20lg20L VA0分贝(fnbi)水平线时时，当当 Lff 22)/(112 ffALVLdB 322lg20lg20L VA2LL)/(11ffAV 相频响应时时，当当 Lff 时时，当当 Lff 90L 0L 时时，当当 Lff 45L 时时，当当 100.1 LLfff 十倍频程的直线十倍频程的直线斜率为斜率为/45 VVAVVAioio 表示输出与输入的相位差输出超前输入因为所以)/(arctgLffL 第96页/共110页第九十六页，共111页。2021-12-197第97页/共110页第九十七页，共111页。2021-12-1983.7.2 单极(dn j)放大电路的高频

33、响应1. BJT的高频(o pn)小信号建模模型(mxng)的引出 rbe-发射结电阻re归算到基极回路的电阻 -发射结电容Cbe-集电结电阻rbc -集电结电容 Cbc rbb -基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。互导CECEEBCEBCmVVvivig 第98页/共110页第九十八页，共111页。2021-12-199模型简化混合型高频小信号(xnho)模型 cecbrr和和忽忽略略 第99页/共110页第九十九页，共111页。2021-12-1100又因为(yn wi)所以(suy)模型参数模型参数(cnsh)(cnsh)的获得的获得（与H参数的关系）低频时，混合模型与H参数模型等

34、效ebbbbe rrrebbeb rIVbebmIVg 所以又 rbe= rb + (1+ ) re ETb)1(IVr ETeb)1(IVr ebbebb rrrTmeb2 fgC 从手册中查出 TcbfC和和 TEebmVIrg TEebmVIrg 第100页/共110页第一百页，共111页。2021-12-1101的频率响应的频率响应(pn (pn l xinl xin yn yn) )由H参数(cnsh)可知CEBCfeViih 即0bcce VII 根据(gnj)混合模型得cbebebmc1/j CVVgI )/1/1/(cbebebbeb CjCjrIV 低频时ebm0 rg 所以

35、)(j1/jcbebebcbmbc CCrCgII 当cbm Cg 时，ebcbeb0)(j1 rCC 第101页/共110页第一百零一页，共111页。2021-12-1102共发射极截止频率的频率响应的频率响应(pn (pn l xinl xin yn yn) )ebcbeb0)(j1 rCC 的幅频响应(xingyng)令ebcbeb)(21 rCCf 则20)/(1 ff f特征频率Tfebmcbebm0T2)(2 CgCCgff 可求得Cbe第102页/共110页第一百零二页，共111页。2021-12-11032. 共射极放大电路(dinl)的高频响应型高频(o pn)等效电路等效电

36、路第103页/共110页第一百零三页，共111页。2021-12-1104对节点(ji din) c 列KCL得电路(dinl)简化 Rsbeb rCMRcc+- -+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesVeb Vbb reb eb Veb C0j )(cbebocoebm CVVRVVg cb C忽略 的分流得ebcmo VRgVcboebj )( cb CVVIC 又又因因为为称为密勒电容MCcbcmebMj )1(1cb CRgIVZC 则则表示表示若用若用个电容个电容之间存在一之间存在一和和相当于相当于 , , e b MC cbcmM)1( CRgC等效(dn xio)后断开了输入输出之间的联系第104页/共110页第一百零四页，共111页。2021-12-1105 Rsbeb rRcc+- -+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesVeb Vbb reb eb VC Rsbeb rCMRcc+- -+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesVeb Vbb reb eb Veb C eb rRcc+- -+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesVeb Veb eb VCsR eb rRcc+- -V0+- -gm