模拟电子技术第二章-1

1、第二章第二章 双极型晶体管双极型晶体管 及其放大电路及其放大电路vBipolar Junction Transistor 缩写 BJT简称晶体管晶体管或三极管三极管v双极型双极型 器件两种载流子两种载流子（多子、少子多子、少子）ecb发射极发射极基极基极集电极集电极发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区N+PNcbeNPNPNPcbe(a) NPN管的原理结构示意图管的原理结构示意图(b) 电路符号电路符号2-1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理base collector emitterP集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基

2、区ec(b)N衬底N型外延PNcebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN(c)平面管结构剖面图图图2-1 晶体管的结构与符号晶体管的结构与符号 解释解释v三个电极三个电极 发射极，基极，集电极发射极，基极，集电极发射极发射极箭头方向箭头方向是指发射结正偏时的电流方向是指发射结正偏时的电流方向v三个区三个区 发射区发射区(重掺杂重掺杂)，基区，基区(很薄很薄)，集电区（，集电区（结面积大结面积大）v两个两个PN结结发射结发射结(eb结结),集电结集电结(cb结结)晶体管处于放大状态的工作条件晶体管处于放大状态的工作条件内部条件内部条件发射区重掺杂发射区重掺杂(故管子故管子e、 c

3、极不能互换极不能互换)基区很薄基区很薄(几个几个 m)集电结面积大集电结面积大外部条件外部条件 发射结发射结(eb结结)正偏正偏集电结集电结(cb结结)反偏反偏 2-1-1 放大状态下晶体管中载流子的传输过程放大状态下晶体管中载流子的传输过程CUceNPNbUBBRB图图22 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流RCC15VcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 2-1-1 放大状态下晶体管中载流子的传输过程放大状态下晶体管中载流子的传输过程图图22 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流动画演示动画演示

4、内部机理内部机理v晶体管工作的内部机理：晶体管工作的内部机理：-“非平衡载流子非平衡载流子”的传输的传输在发射结处在发射结处v以以NPN为例。为例。veb结正偏结正偏，扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动。v发射区和基区发射区和基区多子多子（电子和空穴）的相互（电子和空穴）的相互注注入入。但。但发射区发射区（e e区）高掺杂区）高掺杂，向，向P区的区的多子多子扩散（电子）扩散（电子）为主（为主（IEn）,另有另有P区向区向N区的区的多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。扩散扩散(IEP)可忽略。可忽略。v以上构成了以上构成了发射结电流的主体发射结电流的主体

5、。在基区内在基区内v基区很薄基区很薄。v一部分一部分 (N区扩散到区扩散到P区的）区的）不平衡载流不平衡载流子（电子）子（电子）与基区内的空穴（多子）的与基区内的空穴（多子）的复合复合运动（运动（复合电流复合电流I IBNBN ）。）。v大多数不平衡载流子连续扩散到大多数不平衡载流子连续扩散到cb结边结边缘处。缘处。v以上构成了以上构成了基极电流（基极电流（ I IBNBN）的主体。的主体。在集电结处在集电结处v集电结反偏集电结反偏。v故故 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动。v集电结（集电结（自建电场自建电场）对非平衡载流子）对非平衡载流子（电子）的强烈吸引作用（电子）的强烈吸引作用(收集作用

6、收集作用）形）形成成ICN。v另外有基区和集电区本身的另外有基区和集电区本身的少子漂移少子漂移（电子和空穴）（电子和空穴），形成，形成反向饱和漏电流反向饱和漏电流ICBO 。非平衡载流子传输三步曲非平衡载流子传输三步曲(以以NPN为例为例) 发射区向基区的发射区向基区的多子注入多子注入 (扩散运扩散运动）动）为主为主基区的基区的 复合复合 和和 继续扩散继续扩散集电结对非平衡载流子的集电结对非平衡载流子的收集作用收集作用（漂移漂移为主）为主）偏置要求偏置要求v 对对 NPNNPN管管 要求要求 UC UB UE UC UEUB偏置要求偏置要求v 对对 PNPPNP管管 要求要求 UC UB U

7、E UC UEUB2-1-2 电流分配关系电流分配关系CBOBNBIIICNBNENEIIIICBOCNCIIICBEIIIbceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶体管主要功能晶体管主要功能:电流控制（电流控制（current control）电流放大（电流放大（current amplify） 一、直流电流放大系数：一、直流电流放大系数：一般一般20020共射极共射极CBOBCBOCBNCNIIIIII含义：基区每复合一个电子，就有含义：基区每复合一个电子，就有个电个电子扩散到集电区去。子扩散到集电区去。IBNIICNEN共基极共

8、基极1ECBOCENCNIIIII一般一般99.097.01EEECNECNIIIIII11CNCNCNBNCNENCNIIIIIII两者关系：两者关系：IBNIICNEN二、二、IC、 IE、 IB、三者关系三者关系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 若忽略若忽略 ICBO，IEP , 则则,BCII,ECII22 晶体管伏安特性曲线及参数晶体管伏安特性曲线及参数全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。图图23晶体管的三种基本接法（晶体管的三种基本接法（组态组态）(a)cebiBiC输出输出回路

9、回路输入输入回路回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共发射极；共发射极；(b)共集电极；共集电极；(c)共基极共基极 221 晶体管共发射极特性曲线晶体管共发射极特性曲线一、共发射极输出特性曲线一、共发射极输出特性曲线AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE测量电路测量电路共发射极输出特性曲线：输出电流共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压与输出电压uCE的关系曲线的关系曲线(以以iB为参变量为参变量)常数BiCECufi)(图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/V5101501234饱和区截止区iBICBO放大区iC/mAuCEuBEIB40 A30

10、 A20 A10 A0 AcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN动画演示动画演示1. 放大区放大区发射结正偏，发射结正偏， 集电结反偏集电结反偏（2）uCE 变化对变化对 IC 的影响很小（的影响很小（恒流特性恒流特性）（1）iB 对对iC 的控制作用很强。的控制作用很强。用交流电流放大倍数来描述：用交流电流放大倍数来描述：常数CEuBCII在数值上近似等于在数值上近似等于 问题：问题：特性图中特性图中= =？即即IC主要由主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。决定，与输出环路的外电路无关。基区宽度调制效应基区宽度调制效应(厄尔利效应厄尔利效应)

11、cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBEuCE c结反向电压结反向电压 c结宽度结宽度 基区宽度基区宽度 基区中电子与空穴复合的机会基区中电子与空穴复合的机会 iC uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE基调效应表明：输出交流电阻基调效应表明：输出交流电阻rCE=uCE/iCQUCEQUA(厄尔利电压厄尔利电压)CQACQCEQAceIUIUUrICQ2. 饱和区饱

12、和区 发射结和集电结均发射结和集电结均处于正向偏置。处于正向偏置。由于集电结正偏，由于集电结正偏，不利于集电极收集电不利于集电极收集电子，子，ICN比放大区的比放大区的ICN小。小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1（1） i B 一定时，饱和区一定时，饱和区i C 比放大区的小比放大区的小（2）U CE一定时一定时 i B 增大，增大，i C 基基 本不变（饱和区）本不变（饱和区）临界饱和：临界饱和：UCE = UBE，即，即UCB=0（C结零偏）。结零偏）。uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区i

13、C/mAuCEuBEIcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1饱和时，饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。（小功率（小功率Si管）管） UCE(sat) = 0.3V；（小功率（小功率Ge管）管） UCE(sat) = 0.1V。三个电极间的电压很小，三个电极间的电压很小，管子完全导通，管子完全导通， 相相当一个开关当一个开关“闭合（闭合（Turn on）”。uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE3. 截止区截止区发射结和集电结均处发射结和

14、集电结均处于反向偏置于反向偏置,三个电极三个电极均为反向电流，所以均为反向电流，所以数值很小。数值很小。 管子不通，相当于一管子不通，相当于一个个“开关开关”打开打开（Turn off）。）。i B = -i CBO （此时（此时i E =0 ）以下称为截止区。）以下称为截止区。工程上认为：工程上认为：i B =0 以下即为截止区。以下即为截止区。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO 二、共发射极输入特性曲线二、共发射极输入特性曲线常数CEuBEBufi)(AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCEcICeIENPNIBRCUCCUBBR

15、BIbIBNIEPIENICNC1iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1图图26 共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线 （1）0 UCE 1 时，随着时，随着 UCE 增加，曲线右移，增加，曲线右移，特别在特别在 0 UCE1 时，进入放大区，曲线近似重时，进入放大区，曲线近似重合。合。 iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1三、温度对晶体管特性曲线的影响三、温度对晶体管特性曲线的影响T ，uBE：CmVmVTuBE)/5 . 22(T ， ICBO ：1012122TTCBOCBOIIT ， ：C/).(T1502-2-2 晶体

16、管的主要参数晶体管的主要参数 1、电流放大系数、电流放大系数1. 共射直流放大系数共射直流放大系数反映静态时集电极电流与基极电流之比。反映静态时集电极电流与基极电流之比。2. 共射交流放大系数共射交流放大系数反映动态时的电流放大特性。反映动态时的电流放大特性。由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在以后的计算中，不必区分。在以后的计算中，不必区分。4.共基交流放大系数共基交流放大系数 3.共基直流放大系数共基直流放大系数常数BuECII由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在以后的计算中，不必区分。在以后的计算中，不必区分。2 极间反向电流极间反向电流v极间反向电流极间反向

17、电流 是指管子各电极之是指管子各电极之间的间的反向漏电流反向漏电流参数参数。C、B间反向饱和漏电流间反向饱和漏电流v ICBO发射极开路时，集电极发射极开路时，集电极基极间的反向基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。电流，称为集电极反向饱和电流。 管子管子C、E间反向饱和漏电流间反向饱和漏电流1IICBOCEO基极开路时，集电极基极开路时，集电极发射极间的反向电流发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。，称为集电极穿透电流。管子反向饱和漏电流管子反向饱和漏电流v硅管比锗管小。硅管比锗管小。v此值与此值与本征激发本征激发有关。有关。v取决于取决于温度特性（少子特性）。温度特性（少子特性）。3

18、、 结电容结电容发射结电容发射结电容Ce 集电结电容集电结电容Cc 4.极限参数极限参数v使用时不应超过管子的极限参数使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。值。否则使用时可能损坏。 3 D G 6 C 规格号规格号 序号序号 高频小功率高频小功率 NPN型硅材料型硅材料 三极管三极管U(BR)CBO =115V,U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V。（1）反向击穿电压）反向击穿电压UUUEBO)BR(CEO)BR(CBO)BR(（2）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流vICM 留有一定的余量。留有一定的余量。vICM 指指下降到额定值的下降到额定值的2/3时时

19、的的IC值。值。ICM（3）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCMv CECCuiPCECMCuPi uCE工作区iC0安全ICMU(BR)CEOPCM图图27 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区 功耗线功耗线23 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在饱和区或截止区。饱和区或截止区。 因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是因此，如

20、何设置和分析晶体管的工作状态是晶体管应用的一个关键。晶体管应用的一个关键。 231 晶体管的直流模型晶体管的直流模型由外电路偏置的晶体管，其各极直流电由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的一个点。一个点。 静态工作点（简称静态工作点（简称Q点）：点）：静态工作电压、电流。在下标再加个静态工作电压、电流。在下标再加个Q表表示，如示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ (a) 输入特性近似输入特性近似 图图28晶体管伏安特性曲线的折线近似晶体管伏安特性曲线的折线近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)I

21、B 0(b) 输出特性近似输出特性近似饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区(a)ebc(b)ebcIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat) 图图29晶体管三种状态的直流模型晶体管三种状态的直流模型(a)截止状态模型；截止状态模型；(b)放大状态模型；放大状态模型；(c)饱和状态模型饱和状态模型 例例1 晶体管电路如图晶体管电路如图210(a)所示。若已知晶所示。若已知晶体管工作在放大状态，体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的，试计算晶体管的IBQ，ICQ和和UCEQ。(a) 电路电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k (b)直流等效电

22、路直流等效电路图图210晶体管直流电路分析晶体管直流电路分析eRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB 解解 因为因为UBB使使e结正偏，结正偏，UCC使使c结反偏，所以结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图晶体管可以工作在放大状态。这时用图29(b)的的模型代替晶体管，便得到图模型代替晶体管，便得到图2-10(b)所示的直流所示的直流等效电路。由图可知等效电路。由图可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIImRUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(故有故有(a) 电路电路ICQUCE

23、Q270kRBUBBIBQUCC12VRC3k例例2：若：若UBB从零增加，说明晶体管的工作区间以从零增加，说明晶体管的工作区间以及及IBQ、ICQ、UCEQ的变化情况？的变化情况？ 当当UBB从从00.7V之间时，之间时，两个结都反偏，管子进入两个结都反偏，管子进入截止区。截止区。IBQ=ICQ0。UCEQUCC。 分析：分析：(a) 电路电路ICQUCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k当当UBB继续增大，发射结正偏，集电结发偏，管继续增大，发射结正偏，集电结发偏，管子进入放大区。随着子进入放大区。随着IBQ的增大，的增大，ICQ=IBQ也增大。也增大。UCEQ=UCC- IC

24、QRC不断下降。不断下降。 (a) 电路电路ICQUCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k当当UBB增大到增大到UCEQUBE(on)则发射结正偏，下面关键则发射结正偏，下面关键是判断集电结是是判断集电结是 正偏还正偏还是反偏。是反偏。若假定为放大状态：则直流等效电路如图若假定为放大状态：则直流等效电路如图2-11(b)所示，所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)IB图图2-11(b) 放大状态下的等效电路放大状态下的等效电路 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE)()1 ()(ECCQEECCCEQEQBQCQEBOnBEEEBBB

25、QRRIUUUIIIRRUUUI)(onBECEQUU若方法方法1：则晶体管处于放大状态；则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；则晶体管处于饱和状态；)(onBECEQUU若ECOnBEEECCsatCRRUUUI)()()()(satCsatBII)(satBBQII若)(satBBQII若方法方法2：则晶体管处于放大状态；则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；则晶体管处于饱和状态； 图图211晶体管直流分析的一般性电路晶体管直流分析的一般性电路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)饱和状态下的等效电路饱和状态下的等效电路UCE(sat)ECQBQsatCECCQEE

26、CCECQBQonBEBBQEEBBRIIURIUURIIURIUU)()()()(晶体管处于饱和状态时：晶体管处于饱和状态时：例例2 晶体管电路及其输入电压晶体管电路及其输入电压ui的波形如图的波形如图2-12(a),(b)所示。已知所示。已知=50，试求，试求ui作用下输出电作用下输出电压压uo的值，并画出波形图。的值，并画出波形图。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a)电路电路03tui/ /V(b) ui波形图波形图 解解:当当ui=0时，时，UBE=0，则晶体管截止。此时，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当。当ui =3V时，晶体管导时，晶体管导通

27、且有通且有m028. 0504 . 1Im06. 0I)sat(CBQ 而集电极临界饱和电流为而集电极临界饱和电流为 因为因为 m06. 0397 . 03RUuIB)on(BEiBQm4 . 137 . 05RUUIC)on(BECC)sat(C所以晶体管处于饱和。所以晶体管处于饱和。ICQIC(sat)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形如图波形如图(c)所示。所示。05tuo/ /V0.3(c) uo波形图波形图03tui/ /V(b) ui波形图波形图补充例题补充例题1电路电路补充例题补充例题1 晶体管电路如下图所示。已知晶体管电路如下图所示。已知=100

28、，试判断晶体管的工作状态。，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：先判断晶体管是否处于截止状态：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶体管不处于晶体管不处于截止状态截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQREmARRUUIEBOnBEBBBQ2)(1072. 01015007 . 05)1 ()(onBECEQUU晶体管处于放大状态；晶体管处于放大状态；mAIIBQCQ72. 01072. 01002VRRIUU

29、ECCQCCCEQ10372. 012)(补充例题补充例题2电路电路补充例题补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRCUCC50K2K 12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：先判断晶体管是否处于截止状态：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶体管不处于晶体管不处于截止状态截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRBmARUUIBOnBEBBBQ2)(106 . 8507 . 050CEQU晶体管不可能处

30、于放大区，而应工作在饱和区；晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；mAIIBQCQ6 . 8106 . 81002VRIUUCCQCCCEQ2 . 526 . 812 233 放大状态下的偏置电路放大状态下的偏置电路电路形式简单电路形式简单 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。对信号的传输损耗应尽可能小对信号的传输损耗应尽可能小 一、固定偏流电路一、固定偏流电路图图213固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC单电源供电。单电源供电。UEE=0，UBB由由UCC提供提供 只

31、要合理选择只要合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于的阻值，晶体管将处于放大状态。放大状态。图图213固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC缺点：工作点稳定性差；（缺点：工作点稳定性差；（IBQ固定，当固定，当、ICBO等变化等变化ICQ、UCEQ的变化的变化工作点产生较大工作点产生较大的漂移的漂移使管子进入饱和或截止区）使管子进入饱和或截止区） BCCBonBECCBQRURUUI)(,IIBQCQCCQCCCEQRIUU优点：电路结构简单。优点：电路结构简单。二、电流负反馈型偏置电路二、电流负反馈型偏置电路 图图214 电流负反馈型偏置电路电流负反馈型偏置电路RBUCCRCRE在固定偏置电路的发射极加一个在固定偏置电路的发射极加一个RE电阻电阻 若若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE) EB)on(BECCBQR)(RUUI1ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ)RBUCCRCRE负反馈机制负反馈机制工作点计算式：工作点计算式：BQCQIIECCQCCCEQRRIUU三、分压式偏置电路三、分压