第2章：晶体三极管

第二章晶体三极管第二章晶体三极管

BJT(BipolarJunctionTransistor)2.0

概述2.2晶体三极管的其它工作模式及其电路模型2.4晶体三极管伏安特性曲线2.3

埃伯尔斯—莫尔模型2.7晶体三极管的应用原理2.1放大模式下晶体三极管的工作原理及电路模型2.5晶体三极管小信号电路模型2.6晶体三极管电路分析方法第二章晶体三极管2.0概述晶体三极管又称双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor:BJT）。

一、三极管的种类很多：按材料分：硅三极管和锗三极管；无论那种类型的三极管，都是由两个靠得近且背靠背（Back-to-Back）排列的PN结组成。按排列方式不同，三极管分为NPN和PNP管。按功率分：小功率、中功率和大功率管等按结构分：NPN型管和PNP型管；按频率分：高频管和低频管；第二章晶体三极管N+NP集电结Jc发射结Je发射极e集电极c基极b发射区集电区基区P+发射区N基区P集电区发射极e基极b集电极c三极管结构示意图及电路符号NPN管PNP管三极管内部结构特点:发射区高掺杂;基区很薄;集电结面积大结构示意图：电路符号：：第二章晶体三极管从结构看：从电路符号看：无论是NPN还是PNP管，都有两个PN结，三个区，三个电极。除了发射极上的箭头方向不同外，其他都相同，但箭头方向都是由P指向N，即PN结的正向电流方向。三、三极管的工作状态及其外部工作条件发射结正偏，集电结反偏：放大模式发射结正偏，集电结正偏：饱和模式发射结反偏，集电结反偏：截止模式（最常用）（用于开关电路中）第二章晶体三极管总结:

在放大电路中三极管主要工作于放大状态，即要求，发射结正偏(正偏压降近似等于其PN结的导通压降），集电结反偏（反偏压降远远大于其导通电压才行）。对NPN管各极电位间要求：对PNP管各极电位间要求：Ve<Vb<

VcVe>Vb>Vc2.1工作在放大状态下的三极管IEnIBpICBOIBnICnIEICIB常用Icn和IE的比值来衡量管子的质量且令Je正偏，以扩散运动为主Jc反偏，以漂移运动为主第二章晶体三极管β表示，受发射结电压控制的基极电流IB对集电极电流IC的控制能力。第二章晶体三极管三极管特性——具有正向受控作用在放大状态下的三极管输出的集电极电流IC

，主要受正向发射结电压VBE的控制，而与反向集电结电压VCE近似无关。注意：NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+

-+

--+-+IEICIBIEICIB第二章晶体三极管发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度>>基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。第二章晶体三极管2.1.2放大模式下三极管的模型三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：数学模型（指数模型）IS指发射结反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值，它不同于二极管的反向饱和电流IS。式中：第二章晶体三极管

放大模式直流简化电路模型电路模型VBE+-ECBEICIBIB直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)为发射结导通电压，工程上一般取：硅管VBE(on)=0.7V锗管VBE(on)=0.25V第二章晶体三极管

三极管参数的温度特性

温度每升高1C，∆/

增大（0.51）%，

温度每升高1C，VBE(on)

减小（22.5）mV

温度每升高10C，ICBO

增大一倍因而温度对三极管的影响集中体现在对集电极电流的影响。第二章晶体三极管2.2晶体三极管的其它工作模式2.2.1饱和模式(发射结Je正偏，集电结Jc正偏)

三极管失去正向受控作用。即三极管的集电极电流IC不再受基极电流IB控制。

饱和模式直流简化电路模型电路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)通常，饱和压降VCE(sat)

硅管VCE(sat)0.3V锗管VCE(sat)0.1V

若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。第二章晶体三极管2.2.2

截止模式(JE结反偏，JC结反偏)若忽略反向饱和电流，三极管IB0，IC

0。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。电路模型VBE+-ECBEICIB截止模式直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC0IB0第二章晶体三极管直流分析步骤：确定三极管工作模式(以NPN为例)。用相应简化电路模型替代三极管。分析电路直流工作点。只要VBE

VBE(on)

（发射结反偏）截止模式假定放大模式，估算VCE:若VＣE

>VCE(sat)

放大模式若VＣE＜VCE(sat)

饱和模式第二章晶体三极管例1已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，试

判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因为VCEQ>0.3V，所以三极管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V第二章晶体三极管例2若将上例电路中的电阻RB

改为10k，试重新

判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因为VCEQ<0.3V，所以三极管工作在饱和模式。第二章晶体三极管例3已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，试

判断三极管工作状态，并计算VC。解：所以三极管工作在截止模式。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+-VBBRBBRC+-VCC<VBE(on)作业Page92~932-142-15第二章晶体三极管2.3埃伯尔斯—莫尔模型埃伯尔斯—莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。IE=IF-RIRIC=FIF-IR

其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB放大模式直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-饱和模式直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)截止模式直流简化电路模型ECBEIC0IB0第二章晶体三极管观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。三极管的三种连接方式——三种组态BCEBTicieECBETicibCEBCTieib（共发射极）（共基极）（共集电极）放大电路的组态是针对交流信号而言的。第二章晶体三极管2.4晶体三极管伏安特性曲线（可由图示仪直接测出）伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。(三极管有三种组态，以共发射极为例）IB=f1E(VBE)VCE=常数IC=f2E(VCE)IB=常数共发射极输入特性：输出特性：+-TVCEIBVBEIC+-第二章晶体三极管

输入特性曲线VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE一定：类似二极管伏安特性。

VCE增加：正向特性曲线略右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基区宽度调制效应注：VCE>0.3V后，曲线移动可忽略不计。因此当VBE一定时：VCEVCB复合机会

IB

曲线右移。第二章晶体三极管输出特性曲线饱和区VCE/VIB=40A30A20A10A0输出特性曲线可划分四个区域：条件：特点：放大区条件：特点：截止区条件：特点：发射结正偏，集电结正偏IC受VCE影响，不受IB

控制，VCE略增，IC显著增加。发射结正偏，集电结反偏IC受IB控制，不受

VCE控制。发射结反偏，集电结反偏IC

0，IB

0。击穿区：0反向击穿电压V(BR)CEOIC/mA饱和区、放大区、截止区、击穿区。V(BR)CEO第二章晶体三极管IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结正偏，集电结正偏。IC不受IB控制，而受VCE影响。VCE略增，IC显著增加。饱和区（VBE0.7V，VCE<0.3V）第二章晶体三极管

放大区（VBE0.7V，

VCE>0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点条件发射结正偏集电结反偏VCE曲线略上翘具有正向受控作用满足IC=IB+ICEO说明IC/mAVCE/V0VA上翘程度—取决于厄尔利电压VA上翘原因—基区宽度调制效应（VCEIC略）在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的修正方程：基宽WB越小调制效应对IC影响越大则VA越小。与IC的关系：IC0在IC一定范围内近似为常数。考虑上述因素，IB等量增加时，ICVCE0输出曲线不再等间隔平行上移。第二章晶体三极管第二章晶体三极管

截止区（VBE0.5V，

VCE

0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。IC0，IB0近似为IB≤0以下区域

严格说，截止区应是IE=0即IB=-ICBO以下的区域。第二章晶体三极管

击穿区特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随IB的增大而减小。注意：IB=

0时，击穿电压为V(BR)CEOIE=

0时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEOIC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第二章晶体三极管三极管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM

最大允许集电极电流ICM（若IC>ICM造成

）

反向击穿电压V(BR)CEO（若VCE>V(BR)CEO

管子击穿）VCE<V(BR)CEO

最大允许集电极耗散功率PCM（PC=ICVCE，若PC>PCM烧管）PC<PCM

要求ICICM第二章晶体三极管2.5晶体三极管小信号电路模型放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是混合Π型小信号电路模型。第二章晶体三极管混合Π型电路模型的引出基区体电阻发射结电阻与电容集电结电阻与电容反映三极管正向受控作用的电流源由基区宽度调制效应引起的输出电阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce第二章晶体三极管混合Π型小信号电路模型若忽略rbc影响，整理即可得出混Π电路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混Π电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶体三极管小信号电路参数

rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。

rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶体三极管小信号电路参数跨导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导。

rce三极管输出电阻，数值较大。RL<<rce

时，常忽略。rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶体三极管简化低频混合Π型小信号电路模型rbercerbbbcegmvbe

=ibbibic等效电路中的gmvbe，也可用ib表示。rbebceibibicrcerbebceibibic注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在Q点上各交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。2.6晶体三极管电路分析方法第二章晶体三极管由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。直流分析法分析指标：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：图解法、估算法

交流分析法分析指标：Av

、Ri、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法

第二章晶体三极管2.6.1

直流分析法即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。（对应通路：直流通路）图解法即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。优点：便于直接观察Q点位置是否合适，输出信号波形是否会产生失真。第二章晶体三极管例4：已知电路参数和三极管输入、输出特性曲线，

试求IBQ、ICQ、VCEQ。Q

输入回路直流负载线方程

VBE=VBB-IBRBVBBVBB/RBVBEQIBQ+-IBVBBIC-+VCCRBRC+-VBE+-VCE

输出回路直流负载线方程

VCE=VCC-ICRCICVCE0VBEIB0IB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第二章晶体三极管图解法分析步骤：（1）由电路输入特性确定IBQ

写出管外输入回路直流负载线方程(VBEIB)。在输入特性曲线上作直流负载线。找出对应交点，得IBQ与VBEQ。（2）由电路输出特性确定ICQ与VCEQ

写出管外输出回路直流负载线方程(VCEIC)。在输出特性曲线上作直流负载线。找出负载线与特性曲线中IB=IBQ曲线的交点，即Q点，得到ICQ与VCEQ。第二章晶体三极管工程近似法--估算法即利用直流通路，计算静态工作点。直流通路是指输入信号为零，耦合及旁路电容开路时对应的电路。直流分析步骤：确定三极管工作模式(以NPN为例)。用相应简化电路模型替代三极管。分析电路直流工作点。只要VBE

VBE(on)

（发射结反偏）截止模式假定放大模式，估算VCE:若VＣE

>VCE(sat)

放大模式若VＣE＜VCE(sat)

饱和模式第二章晶体三极管例1已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，试

判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因为VCEQ>0.3V，所以三极管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V第二章晶体三极管例2若将上例电路中的电阻RB

改为10k，试重新

判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因为VCEQ<0.3V，所以三极管工作在饱和模式。第二章晶体三极管例3已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，试

判断三极管工作状态，并计算VC。解：所以三极管工作在截止模式。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+-VBBRBBRC+-VCC<VBE(on)第二章晶体三极管2.6.2

交流分析法小信号等效电路法(微变等效电路法)分析电路加交流输入信号后，叠加在Q点上的电压与电流变化量之间的关系。在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效电路分析Av

、Ri、Ro的方法即小信号等效电路法。交流通路:

即交流信号流通的路径。它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的电路。第二章晶体三极管小信号等效电路法分析步骤：画交流通路(直流电源置零，耦合、旁路电容短路)。

用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。利用小信号等效电路分析交流指标。计算微变参数gm、rbe。注意:小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标，不能分析静态工作点。第二章晶体三极管例5

已知IEQ=1mA,=100,vi

=20sint(mV),

试画出图示电路的交流通路及交流等效电路,并计算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k第二章晶体三极管例6

输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2图解法viibicRBRC+-RL+-vo第二章晶体三极管图解法确定静态工作点(方法同前)。画交流负载线。画波形，分析性能。过Q点、作斜率为-1/RL的直线即交流负载线。其中RL=RC//

RL分析步骤:图解法直观、实用，容易看出Q点设置是否合适，波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。QiCtICQtvCE0VCEQibQ点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。Q点波动对输出波形的影响：Q点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真(底部失真)。Q点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真(顶部失真)。QibibiCvCE0Qvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第二章晶体三极管tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2viibicRBRC+-RL+-vo消除饱和失真降低Q点:增大RB，减小IBQ减小RC:负载线变徒,输出动态范围增加。消除截止失真升高Q点:减小RB，增大IBQiCvCE0i