模电课件第二章PPT教案

1、模电课件第二章模电课件第二章第一页，共71页。双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体三极管，简称晶体管。是电子电路主要的有源器三极管，简称晶体管。是电子电路主要的有源器件，可用来放大、振荡件，可用来放大、振荡(zhndng)、调制等。、调制等。第1页/共71页第二页，共71页。ecb发射极发射极基极基极(j j)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NPNcbeNPNPNPcbe(a) NPN管的原理管的原理(yunl)结结构示意图构示意图(b) 电路电路(dinl)符号符号2-1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理ba

2、se collector emitter第2页/共71页第三页，共71页。P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区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(pngmin)管结构剖面图图图2-1 晶体管的结构晶体管的结构(jigu)与符与符号号第3页/共71页第四页，共71页。说明说明(shumng)1.三区三区(发射区、基区、集电区发射区、基区、集电区)二结（发射结、集二结（发射结、集电结）电结）3.双极型晶体管具有放大作用双极型晶体管具有放大作用(zuyng)的结的结构条件：构条件：N+、P（发射区

3、相对于基区重掺（发射区相对于基区重掺杂）基区薄集电结的面积大杂）基区薄集电结的面积大4.管子符号的箭头管子符号的箭头(jintu)方向为发射结正偏的方向方向为发射结正偏的方向2.分类：分类：PNP型、型、NPN型型第4页/共71页第五页，共71页。 2-1-1 放大状态放大状态(zhungti)下晶体管中载流子的下晶体管中载流子的传输过程传输过程cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN图图22 晶体管内载流子的运动晶体管内载流子的运动(yndng)和各和各极电流极电流第5页/共71页第六页，共71页。二、发射区的作用：向基区注入二、发射区的作用：向基区

4、注入(zh r)电电子子三、基区的作用：传送三、基区的作用：传送(chun sn)和控制电和控制电子子四、集电区的作用：收集四、集电区的作用：收集(shuj)电子电子说说 明明一、晶体管处于放大状态的偏置条件：发一、晶体管处于放大状态的偏置条件：发射结正偏、集电结反偏射结正偏、集电结反偏 第6页/共71页第七页，共71页。2-1-2 电流电流(dinli)分配分配关系关系CBOBNBIIICNBNENEIIIICBOCNCIIICBEIIIbceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN第7页/共71页第八页，共71页。 一、直流电流放大系数

5、：一、直流电流放大系数：一般一般(ybn)20020共射极共射极CBOBCBOCBNCNIIIIII含义：基区每复合含义：基区每复合(fh)一个电子，就有一个电子，就有个电子扩散到集电区去。个电子扩散到集电区去。第8页/共71页第九页，共71页。共基极共基极1ECBOCENCNIIIII一般一般(ybn)99.097.01EEECNECNIIIIII11CNCNCNBNCNENCNIIIIIII两者关系两者关系(gun x)：第9页/共71页第十页，共71页。二、二、IC、 IE、 IB、三者关系、三者关系(gun x)：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPI

6、ENICN 若忽略若忽略(hl) ICBO , 则则,BCIIBEII)1(,ECIIEBII)1(第10页/共71页第十一页，共71页。22 晶体管伏安特性曲线晶体管伏安特性曲线(qxin)及参数及参数全面描述晶体管各极电流全面描述晶体管各极电流(dinli)与极间电压关系的曲线。与极间电压关系的曲线。图图23晶体管的三种基本晶体管的三种基本(jbn)接法（组态）接法（组态）(a)cebiBiC输出输出回路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 第11页/共71页第十二页，共71页。 221 晶体管共

7、发射极特性晶体管共发射极特性(txng)曲线曲线一、共发射极输出特性曲线一、共发射极输出特性曲线(qxin)AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE测量测量(cling)电路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)(第12页/共71页第十三页，共71页。uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线(qxin)第13页/共71页第十四页，共71页。1.

8、放大放大(fngd)区区发射结正偏，发射结正偏， 集电结反偏集电结反偏（2）uCE 变化变化(binhu)对对 IC 的影响很小（恒流特性）的影响很小（恒流特性）（1）iB 对对iC 的控制的控制(kngzh)作用很强。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。第14页/共71页第十五页，共71页。基区宽度调制基区宽度调制(tiozh)效应效应(厄尔利效应厄尔利效应) cICeIENPNIBRCUCCUB

9、BRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBEuCEc结反向结反向(fn xin)电压电压 c结宽度结宽度(kund) 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 第15页/共71页第十六页，共71页。uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE基调效应表明基调效应表明(biomng)：输出交流电阻：输出交流电阻rCE=uCE/iCQUCEQUA(厄尔利电压厄尔利电压(diny)

10、CQACQCEQAceIUIUUrICQ第16页/共71页第十七页，共71页。2. 饱和饱和(boh)区区发射结和集电结均处于正向发射结和集电结均处于正向(zhn xin)偏置。偏置。由于集电结正偏，不利于集电极收集电子由于集电结正偏，不利于集电极收集电子(dinz)，造成基极复合电流增大。因此，造成基极复合电流增大。因此（1） i B 一定时，一定时，i C 比放大时要小比放大时要小（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）。第17页/共71页第十八页，共71页。

11、饱和时，饱和时，c、e间的电压间的电压(diny)称为饱称为饱和压降，记作和压降，记作UCE(sat)。（小功率（小功率(gngl)Si管）管） UCE(sat) = 0.5V|0.3V(深饱深饱和和)；（小功率（小功率(gngl)Ge管）管） UCE(sat) = 0.2V|0.1V (深饱深饱和和)。三个电极间的电压很小，各极电流主三个电极间的电压很小，各极电流主要要(zhyo)由外电路决定。由外电路决定。第18页/共71页第十九页，共71页。3. 截止截止(jizh)区区发射结和集电结均处于反向发射结和集电结均处于反向(fn xin)偏置。偏置。三个电极均为反向电流三个电极均为反向电流(

12、dinli)，所以数值很小。，所以数值很小。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。因为在因为在i B =0 和和i B =-i CBO 间，放大作用很弱。间，放大作用很弱。第19页/共71页第二十页，共71页。 二、共发射极输入二、共发射极输入(shr)特性特性曲线曲线iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1常数CEuBEBufi)(图图26 共发射极输入特性共发射极输入特性(txng)曲曲线线 第20页/共71页第二十一页，共71页。（1）U C

13、E = 0 时，晶体管相当于两个并联时，晶体管相当于两个并联(bnglin)二极管，二极管，i B 很大，曲线明显左移。很大，曲线明显左移。（2）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，曲线时，曲线(qxin)近近似重合。似重合。 iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1第21页/共71页第二十二页，共71页。三、温度对晶体管特性曲线三、温度对晶体管特性曲线(qxin)的影响的影响T ，uBE：CmVmVTuBE)/5 . 22(T ， ICBO ：1012122TTCBOCBOIIT ， ：C/).

14、(T150CBOBCIII)1 (T ， IC ：结结 论论 第22页/共71页第二十三页，共71页。2-2-2 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 一、电流一、电流(dinli)放大系数放大系数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反映静态时集电极电流(dinli)与基极电流与基极电流(dinli)之比。之比。2. 共射交流共射交流(jioli)放大系放大系数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。第23页/共71页第二十四页，共71页。4.共基交流共基交流(j

15、ioli)放放大系数大系数 3.共基直流放大系数共基直流放大系数常数BuECII由于由于(yuy)ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在以后在以后(yhu)的计算中，不必区分。的计算中，不必区分。第24页/共71页第二十五页，共71页。二、极间反向二、极间反向(fn xin)电流电流1 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电流基极间的反向电流(dinli)，称，称为集电极反向饱和电流为集电极反向饱和电流(dinli)。2 ICEO基极基极(j j)开路时，集电极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。集电极穿透电流。3 IEBO

16、集电极开路时，发射极集电极开路时，发射极基极间的反向电流。基极间的反向电流。第25页/共71页第二十六页，共71页。三、三、 结电容结电容包括发射包括发射(fsh)结电容结电容Ce 和集电结电容和集电结电容Cc 四、晶体管的极限四、晶体管的极限(jxin)参数参数 1 击穿击穿(j chun)电压电压U(BR)CBO指发射极开路时，集电极指发射极开路时，集电极基极间的基极间的反向击穿电压。反向击穿电压。U(BR)CEO指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极发射极间的发射极间的反向击穿电压。反向击穿电压。U(BR)CEO ICM时，虽然管子不时，虽然管子不致于损坏，但致于损坏，但值已经明显减小

17、。值已经明显减小。例如：例如：3DG6(NPN)， U(BR)CBO =115V， U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V。第27页/共71页第二十八页，共71页。3 集电极最大允许耗散集电极最大允许耗散(ho sn)功率功率PCM PCM 表示集电极上允许损耗功率的最表示集电极上允许损耗功率的最大值。超过大值。超过(chogu)此值就会使管子性能变坏此值就会使管子性能变坏或烧毁。或烧毁。PCM与管芯的材料、大小与管芯的材料、大小(dxio)、散、散热条件及环境温度等因素有关。热条件及环境温度等因素有关。 PCM =ICUCE第28页/共71页第二十九页，共71页。uCE工作区iC

18、0安全ICMU(BR)CEOPCM图图27 晶体管的安全晶体管的安全(nqun)工工作区作区 功耗功耗(n ho)线线第29页/共71页第三十页，共71页。23 晶体管工作状态分析晶体管工作状态分析(fnx)及偏置电路及偏置电路应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适的工作的工作(gngzu)区间，如进行语音放大需将晶体管区间，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，则晶体管工作设置在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作(gngzu)在饱和区或截止区。在饱和区或截止区。 因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是因此，如何设置和分析晶体管的工作

19、状态是晶体管应用的一个晶体管应用的一个(y )关键。关键。第30页/共71页第三十一页，共71页。直流工作状态分析直流工作状态分析(fnx)（静态分析（静态分析(fnx)）将输入、输出特性曲线线性化将输入、输出特性曲线线性化（即用若干（即用若干(rugn)直线段表示）直线段表示）等效电路（模型等效电路（模型(mxng)）静态：由电源引起的一种工作状态静态：由电源引起的一种工作状态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第31页/共71页第三十二页，共71页。 231 晶体管的直流模型晶体管的直流模型(mxng)由外电路偏置由外电路偏置(pin zh)的晶体管，其各的晶体管

20、，其各极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的一个点。曲线上的一个点。 静态工作静态工作(gngzu)点（简称点（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表示，表示，如如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ 第32页/共71页第三十三页，共71页。(a) 输入输入(shr)特性近似特性近似 图图28晶体管伏安特性晶体管伏安特性(txng)曲线的折曲线的折线近似线近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB 0(b) 输出特性近似输出特性近似(jn s)饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区

21、第33页/共71页第三十四页，共71页。(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)截止截止(jizh)状态模型；状态模型；(b)放大状态模型；放大状态模型；(c)饱和状态模饱和状态模型型 第34页/共71页第三十五页，共71页。例例1 晶体管电路晶体管电路(dinl)如图如图210(a)所示。若所示。若已知晶体管工作在放大状态，已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管，试计算晶体管的的IBQ，ICQ和和UCEQ。(a) 电路电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC1

22、2VRC3k第35页/共71页第三十六页，共71页。 (b)直流等效电路直流等效电路图图210晶体管直流电路分晶体管直流电路分析析(fnx)eRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB第36页/共71页第三十七页，共71页。 解解 因为因为UBB使使e结正偏，结正偏，UCC使使c结反偏，所以晶结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图体管可以工作在放大状态。这时用图29(b)的模型代的模型代替替(dit)晶体管，便得到图晶体管，便得到图2-10(b)所示的直流等效电所示的直流等效电路。由图可知路。由图可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIImRUUICCQC

23、CCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(故有故有第37页/共71页第三十八页，共71页。(a) 电路电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k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的变化的变化(binhu)情况？情况？ 当当UBB从从00.7V之间时，之间时，两个两个(lin )结都反偏，结都反偏，管子进入截止区。管子进入截止区。IBQ=ICQ0。UCEQUCC。 分析分析(fnx)：第38页/共71页第三十九页，共71页。(a) 电路电路IC

24、QUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当当UBB继续继续(jx)增大，发射结正偏，集电结反偏，增大，发射结正偏，集电结反偏，管子进入放大区。随着管子进入放大区。随着IBQ的增大，的增大，ICQ=IBQ也也增大。增大。UCEQ=UCC- ICQRC不断下降。不断下降。 第39页/共71页第四十页，共71页。(a) 电路电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k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(gunjin)是判断集电结是判断集电结是正偏还是反偏。是正偏还是反偏。第42页/共71页第四十三页，共71

25、页。若假定为放大若假定为放大(fngd)状态：则直流等效电路如图状态：则直流等效电路如图2-11(b)所示，所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)IB图图2-11(b) 放大放大(fngd)状态下的等效电路状态下的等效电路第43页/共71页第四十四页，共71页。 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE)()1 ()(ECCQEECCCEQEQBQCQEBOnBEEEBBBQRRIUUUIIIRRUUUI)(onBECEQUU若方法方法(fngf)1：则晶体管处于放大则晶体管处于放大(fngd)状态；状态；则晶体管处于则晶体管处于(chy)饱和状饱和

26、状态；态；)(onBECEQUU若第44页/共71页第四十五页，共71页。ECOnBEEECCsatCRRUUUI)()()()(satCsatBII)(satBBQII若)(satBBQII若方法方法(fngf)2：则晶体管处于则晶体管处于(chy)放大放大状态；状态；则晶体管处于则晶体管处于(chy)饱和饱和状态；状态；第45页/共71页第四十六页，共71页。 图图211晶体管直流分析晶体管直流分析(fnx)的一般性电的一般性电路路(c)饱和状态下的等效电路饱和状态下的等效电路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)UCE(sat)第46页/共71页第四十七页，共71页。ECQBQsa

27、tCECCQEECCECQBQonBEBBQEEBBRIIURIUURIIURIUU)()()()(晶体管处于晶体管处于(chy)饱和状态时：饱和状态时：RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)UCE(sat)第47页/共71页第四十八页，共71页。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，试判断晶体管的工作试判断晶体管的工作(gngzu)状态。状态。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V补充(bchng)例题1电路第48页/共71页第四十九页，共71页。1.先判断晶体管是否处于(chy)截止状态：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶

28、体管不处于截止(jizh)状态；2.再判断(pndun)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 (第49页/共71页第五十页，共71页。mAIIBQCQ72. 01072. 01002VRRIUUECCQCCCEQ10372. 012)()(onBECEQUU晶体管处于(chy)放大状态；第50页/共71页第五十一页，共71页。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试判断晶体管的工作(gngzu

29、)状态。状态。5VRBUBBRCUCC50K2K 12V补充例题(lt)2电路第51页/共71页第五十二页，共71页。1.先判断晶体管是否(sh fu)处于截止状态：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶体管不处于(chy)截止状态；2.再判断晶体管是处于放大(fngd)状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRBmARUUIBOnBEBBBQ2)(106 . 8507 . 05第52页/共71页第五十三页，共71页。mAIIBQCQ6 . 8106 . 81002VRIUUCCQCCCEQ2 . 526 . 8120CEQU晶体管不可能处于放大(fngd)区，而应工作在饱和区

30、；VUsatCE5 . 0)(设则mARUUICsatCECCCQ75. 525 . 012)(VUCEQ5 . 0第53页/共71页第五十四页，共71页。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作用作用(zuyng)下输出下输出电压电压uo的值，并画出波形图。的值，并画出波形图。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a)电路电路(dinl)第54页/共71页第五十五页，共71页。 图图212例题例题(lt)2电路及电路及ui,uo波形波形图图05tuo/ /V0.3(c) uo波形图波形图0

31、3tui/ /V(b) ui波形图波形图第55页/共71页第五十六页，共71页。 解解:当当ui=0时，时，UBE=0，则晶体管截止，则晶体管截止(jizh)。此时，此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当。当ui =3V时，时，晶体管导通且有晶体管导通且有m028. 0504 . 1Im06. 0I)sat(CBQ 而集电极临界而集电极临界(ln ji)饱和电饱和电流为流为 因为因为(yn wi) m06. 0397 . 03RUuIB)on(BEiBQm4 . 137 . 05RUUIC)on(BECC)sat(C第56页/共71页第五十七页，共71页。所以所以(suy)晶体管处

32、于饱和。晶体管处于饱和。ICQIC(sat)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形波形(b xn)如图如图212(c)所示。所示。第57页/共71页第五十八页，共71页。 233 放大(fngd)状态下的偏置电路电路形式电路形式(xngsh)简单简单 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(gun zi)时，应力求保持稳定，应始终保持在放时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。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 第58页/共71页第五十九页，共71页。 一、固定偏流(pin li)电路图图213固定固定(

33、gdng)偏流电路偏流电路RBUCCRC单电源单电源(dinyun)供电。供电。UEE=0，UBB由由UCC提供提供 只要合理选择只要合理选择RB，RC的的阻值，晶体管将处于放阻值，晶体管将处于放大状态。大状态。第59页/共71页第六十页，共71页。图图213固定偏流固定偏流(pin li)电路电路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工作点产生较大的漂移生较大的漂移使管子进入饱和使管子进入饱和(boh)或截止区）或截止区） BCCBonBECCBQRURUUI)(,IIBQCQCCQCCC

34、EQRIUU优点：电路优点：电路(dinl)结构简单。结构简单。第60页/共71页第六十一页，共71页。二、电流负反馈型偏置二、电流负反馈型偏置(pin zh)电路电路 图图214 电流负反馈型偏置电流负反馈型偏置(pin zh)电路电路RBUCCRCRE在固定偏置电路在固定偏置电路(dinl)的发射极加一个的发射极加一个RE电电阻阻 第61页/共71页第六十二页，共71页。若若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE) EB)on(BECCBQR)(RUUI1ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ)RBUCCRCRE负反馈机制负反馈机制(jzh)工作工作(gngzu)点计算式：点计算式：BQCQIIECCQCCCEQRRIUU第62页/共71页第六十三页，共71页。三、分压式偏置三、分压式偏置(pin zh)电路电路(a)电路电路RB1UCCRCRERB2图图215分压式偏置分压式偏置(pin zh)电路电路在电流负反馈型偏置电路在电流负反馈型偏置电路(dinl)的基极加一个偏置的基极加一个偏置电阻电阻RB2。 第63页/共71页第六十四页，共71页。 为确保为确保UB固