第2章放大器基本原理第2节三极管

1、1 1、三极管的结构、三极管的结构2 2、三极管的电流分配及放大原理、三极管的电流分配及放大原理3 3、三极管的特性曲线、三极管的特性曲线4 4、三极管的主要参数、三极管的主要参数 三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。体三极管，是一种控制电流的半导体器件。 其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用也用作无触点开关。作无触点开关。 是半导体基本元器件之一，是电子电路的核心元件。是半导体基本元器件之一，是电子电路的核心元件。 1947年年12月

2、月23日，美国贝尔实验室里，日，美国贝尔实验室里，3位科学家位科学家巴巴丁博士、布喇顿博士和肖克莱博士丁博士、布喇顿博士和肖克莱博士在进行用半导体晶体把在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验中发现，在他们发明的器件中通过的声音信号放大的实验中发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。电流，因而产生了放大效应。 这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果晶晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生体管。因它是在圣诞节前夕发明的，

3、而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节献给世界的圣诞节礼物礼物”。 这这3位科学家因此共同荣获了位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 晶体管促进并带来了晶体管促进并带来了“固态革命固态革命”，进而推动了全球范围，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电彻底改变了电子线路的结构，集

4、成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。置就变成了现实。约翰约翰巴丁巴丁 (John Bardeen) 美国物理学家，电气工程师。一位美国物理学家，电气工程师。一位两次获得诺贝尔物理学奖章的得主。两次获得诺贝尔物理学奖章的得主。1956年同年同WH布喇顿和布喇顿和W肖克莱因发明晶体管获得诺贝尔物肖克莱因发明晶体管获得诺贝尔物理学奖。理学奖。1972年，同年，同LN库珀和库珀和JR施里弗因提出低温超导理论获得诺施里弗因提出低温超导理论获得诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。肖克莱（肖克莱（William

5、Bradford Shockley， 1910年年1989年）美国物理学家。年）美国物理学家。 1936年年获麻省理工学院博士学位。获麻省理工学院博士学位。“晶体管之父晶体管之父”。在在20世纪世纪50、60年代对晶体管商业化的推年代对晶体管商业化的推动，促进了动，促进了“硅谷硅谷”成为电子产业创新的温成为电子产业创新的温床。床。三极管分类三极管分类按内部结构分：按内部结构分：NPNNPN型和型和PNPPNP型管；型管；按工作频率分：按工作频率分：低频和高频管；低频和高频管；按功率分：按功率分：小功率和大功率管；小功率和大功率管；按用途分：按用途分：普通管和开关管；普通管和开关管；按半导体材料

6、分：按半导体材料分：锗管和硅管等等。锗管和硅管等等。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管1 1、 三极管的结构三极管的结构工艺：在工艺：在 N N 型硅片型硅片( (集电区集电区) )氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成进行扩散形成 P P 型型( (基区基区) )，基区做的很薄（微米甚至纳米数，基区做的很薄（微米甚至纳米数量级）且杂质浓度很低；再在量级）且杂质浓度很低；再在 P P 型区上刻窗口，将磷杂质进型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散，形成行扩散，形成N N型的发射区，型的发射区，发射区的掺杂浓度远远高于基区发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区和

7、集电区。再引出三个电极。再引出三个电极。*结构示意如下图所示结构示意如下图所示 三极管的结构示意图三极管的结构示意图C (Collector)PNNB(Base) E (Emitter)集电极集电极发射极发射极基极基极NPP集电结集电结发射结发射结发射区发射区基区基区 三极管三极管的结构的结构集电区集电区三极管的符号三极管的符号多子浓度很高多子浓度很高很薄，很薄，多子浓度低多子浓度低面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。 * 发射结正向偏置发射结正向偏置 * 集电结反向偏置集电结反向偏置T 放大作用放大作用的外部条件的外部条件 1. 载流子运动规律：载

8、流子运动规律： 发射区：发射载流子；发射区：发射载流子； 集电区：收集载流子；集电区：收集载流子； 基区：传送和控制载流子。基区：传送和控制载流子。2、三极管的电流分配及放大原理、三极管的电流分配及放大原理l 将一个将一个 NPN 型的三极管接成型的三极管接成共射极接法共射极接法的放的放大电路，如右图。大电路，如右图。 三极管共射极接法三极管共射极接法BEonCBCEBE0uUuuu（发射结正偏）放大的条件，即（集电结反偏） 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极，复合运动形成基极电流电流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的

9、运动子的运动（电流很（电流很小）小）因发射区多子浓度高使大量电子从发因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到基因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区三极管的放大作用和载流子的运动三极管的放大作用和载流子的运动 2. 电流分配关系电流分配关系BECEII (2) 据上述分析有：据上述分析有： (3) 三极管的电流放大倍数：三极管的电流放大倍数：

10、0CBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIIIIbcBCiiIICBOBEBIIICBOCECIIICEBEEIII (1) 根据基尔霍夫定律有：根据基尔霍夫定律有：电流分配示意图电流分配示意图 电流分配：电流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流交流电流放大系数交流电流放大系数直流电流直流电流放大系数放大系数结论：结论： (1) (2) 体现了电流放大作用，故称三极管为体现了电流放大作用，故称三极管为电流控电流控制型元件制型元件。B

11、BBCE)(1IIIIIBCiiBCII (1) (1) 表述：表述：当集当集- -射极电压射极电压 U UCECE 为常数时，输入电路为常数时，输入电路( (基极电路基极电路) )中基极电流中基极电流 I IB B 与基与基射极电压射极电压U UBEBE 之间的之间的关系曲线，称为输入特性曲线。关系曲线，称为输入特性曲线。常常数数CE)(BEBUUfI测量三极管特性的电路测量三极管特性的电路3、三极管共发射极接法的特性曲线、三极管共发射极接法的特性曲线 3.1 输入特性曲线输入特性曲线l(2) 表达式：表达式： 实验电路：实验电路： 当集当集- -射极电压射极电压 U UCECE 为常数时，

12、为常数时，输入电路输入电路( (基极基极电路电路) )中基极电中基极电流流 I IB B 与基与基射射极电压极电压U UBEBE 之间之间的关系曲线，称的关系曲线，称为输入特性曲线。为输入特性曲线。常常数数CE)(BEBUUfI晶体管的共射输入特性晶体管的共射输入特性CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大增大, 曲线会右移？曲线会右移？ 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值以后，增大

13、到一定值以后，曲线右移就不明显了？曲线右移就不明显了？3.23.2输入特性分析输入特性分析当当 U UCECE=0=0时，基极和发射时，基极和发射极之间相当于极之间相当于两个两个 PN PN 结并联结并联。所以，当。所以，当b b、e e之间加正向电压时，应之间加正向电压时，应为为两个二极管并联两个二极管并联后的后的正向伏安特性。正向伏安特性。 当当U UCECE00时，这个电压有利于时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到将发射区扩散到基区的电子收集到集电极集电极。U UCECE U UBEBE，三极管处于放大状态。，三极管处于放大状态。 特性右移。特性右移。 U UCECE增大到一

14、定值时增大到一定值时(1V)(1V)，特性曲线不再明显移动，基本重合。，特性曲线不再明显移动，基本重合。( (因集电结已经收集了大部分的非平衡少子因集电结已经收集了大部分的非平衡少子) )CE)(BEBUufi 3.3 输出特性B)(CECIufi 对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。 为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii1 1、截止区：、截止区：发射结电压发射结电压 开启开启电压

15、，且集电结反偏电压，且集电结反偏。I IB B=0=0，i iC CI ICEOCEO，i iC C002 2、放大区：、放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。特点：各条输出特性曲线比较特点：各条输出特性曲线比较平坦，且等间隔。平坦，且等间隔。集电极电流集电极电流和基极电流体现放大作用和基极电流体现放大作用。 3 3、饱和区：、饱和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。特点：特点：I IC C基本上不随基本上不随I IB B而变化，在饱和区三极管失去放大作用。而变化，在饱和区三极管失去放大作用。当当 U UCECE= =U UBEBE，即，即U UCBCB=0

16、=0 时，称时，称临界饱和临界饱和，U UCECE U UBEBE时称为时称为过饱和过饱和。3.4 3.4 输出特性分析（输出特性分析（NPN NPN 管为例）管为例）CB II可以发射电子，但无法收集，可以发射电子，但无法收集，因为集电结不处于反向偏置因为集电结不处于反向偏置B)(CECIufi 小结：晶体管的三个工作区域小结：晶体管的三个工作区域状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE 练习练习: : 电路中三极管（均为电路中三极管（均为NPN硅管硅管)各电极的对地电各电极的对地电位如图所示，试判断各三极管分别工作于什么位

17、如图所示，试判断各三极管分别工作于什么状态状态.3V1V1.2V( a )3.3V3V3.7V( b )3V0V0.7V( c )放大放大饱和饱和截止截止 若两个若两个PNPN结的结的P P区直接对接，相当基区很厚，区直接对接，相当基区很厚，将没有电流放大作用将没有电流放大作用，基区从厚变薄，两，基区从厚变薄，两个个PNPN结结演变为三极管，演变为三极管，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度较低且很薄，度较低且很薄，是三极管能够实现电流放大的关是三极管能够实现电流放大的关键。键。 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决

18、定于输入回路的电流几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即，即可将输出回可将输出回路等效为电流路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC 。4 4、三极管的主要参数、三极管的主要参数共射直流电流放大倍数：共射直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管工作于动态的三极管，信号是，信号是叠加在直流上的交流信号叠加在直流上的交流信号。基极电流。基极电流的变化量为的变化量为 I IB B，相应的集电极电流变化为，相应的集电极电流变化为 I IC C则交流电流放大倍数为：则交流电流放大倍数为：BIIC例：例：U UCECE=6V=6V时时：I IB B =40=40 A A时时, ,I IC C

19、 =1.5mA=1.5mA；I IB B =60=60 A A时时, ,I IC C =2.3mA=2.3mA。求求4004. 006. 05 . 13 . 2BCII解：解：电流放大系数太小则放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。电流放大系数太小则放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般一般大功率管为大功率管为10-3010-30，小功率管为小功率管为60-30060-300为宜。为宜。 （2 2）集电极发射极间的穿透电流）集电极发射极间的穿透电流I ICEOCEO基极开路时，集电极到发射极间的电流基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流穿透电流 其大小与温度有关。其大小与温度有关。 CBO

20、CEO)1 (II4.24.2 反向饱和电流反向饱和电流（1 1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流I ICBOCBO 发射极开路时，在集电结上加反向电压，发射极开路时，在集电结上加反向电压，得到反向电流。实际上就是得到反向电流。实际上就是PNPN结的反向电结的反向电流。它流。它与温度与温度有关。有关。锗管：锗管：I I CBO CBO为微安数量级，硅管：为微安数量级，硅管：I I CBO CBO为纳安数量级为纳安数量级。+ICBOecbICEO选择管子时，选择管子时，I ICBOCBO和和 I ICEOCEO 越小越好越小越好4.3 4.3 极限参数极限参数1 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流I ICMCM三极管工作时，集电极电流三极管工作时，集电极电流I IC C上上升到一定程度会导致三极管升到一定程度会导致三极管 值下值下降降。I IC C超过超过I ICMCM， 明显下降。明显下降。2 2）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率P PCMCMP PCMCMi iC Cu uCECE= =常数常数3 3）极间反向击穿电压）极间反向击穿电压管子管子某一电极开路某一电极开路时，其余两个时，其余两个电极之间所允许加的电极之间所允许加的最高反向电最高反向电压压。当电压越过此值时，管子将。当电压越过此