三极管及其放大电路

返回第三章、半导体三极管及放大电路基础

§3.2共射极放大电路§3.4小信号模型分析法§3.5共集电极电路和共基极电路

§3.3图解分析法

§3.1半导体BJT§3.1半导体BJT3.1.1BJT的结构简介3.1.2BJT的电流分配与放大作用3.1.3BJT的特性曲线返回3.1.3BJT的主要参数

§3.1半导体三极管（BJT）

一、什么是BJT？

半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（简称BJT）。返回3.1.1BJT结构简介BJT通常是指通过一定工艺将两个PN结结合在一起从而具有电流放大作用的一种器件

。

1947年诞生于美国贝尔实验室。二、BJT常见分类1、频率：高频管、低频管2、功率：小、中、大3、材料：硅管、锗管4、结构：NPN、PNP集电区基区发射区三、结构：三个区、两个PN结、三个电极，简称“三、二、三”。基区（B区）三个电极：发射极（Emitter）:E(e)

基极（Base）:B(b)

集电极（Collctor）:C(c)集电区（C区）E发射极B基极C集电极发射结集电结1．NPN

型

三个区域：

发射区（E区）两个PN结：发射结（BE结）

集电结（CB结）E发射极B基极C集电极发射结集电结NPN+2.PNP型NPP+返回四、结构特点：1、发射区的掺杂浓度最高；2、集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；3、基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图常见BJT实物图一．BJT的偏置方式：1、发射结正偏、集电结反偏，BJT处于放大状态2、发射结反偏、集电结正偏，BJT处于反向应用状态。3、二个PN结均正偏，晶体管处于饱合状态4、二个PN结均反偏，晶体管处于截至状态集电区基区发射区E发射极B基极C集电极发射结集电结NPN+E发射极B基极C集电极发射结集电结NPP+返回3.1.2BJT的电流分配与放大作用二、BJT三种基本组态共基极(CB)组态,共射极(CE)组态,共集电极(CC)

组态返回ECEBEBECRCbRbce●●●●

三、BJT的电流分配与放大作用1.载流子的传输过程：将NPNBJT接成共射极型：以射极为输入和输出回路的公共端即：uBE>>UT,发射结正偏→易于E区多子扩散

uCB＞0，集中结反偏→易于B区少子漂移bceiEiBiCiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBien=icn1+ib1iE

=ien

+iEP

≈ienICBO=icn2+icpiEiEiEiEiCiCiCiCiBiBiBiBiC=

ICBO+icn1;iB=ib1

+iEP

-ICBOicn2icp返回(1)多子通过EB(发射)结注入B区EBECRCbRbceiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniEiEiE返回(2)由浓度差引起基区非平衡少数载流子的扩散与复合。EBECRCbRbceib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

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ien返回EBECRCbRbce●●●●

iEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBiEiEiCiCiBiBicn2icp返回ECEBEBECRCbRbce●●●●

载流子的传输过程小结：将NPNBJT接成共射极型：以射极为输入和输出回路的公共端即：VBE>>VT,发射结正偏→易于E区多子扩散

VCB＞0，集中结反偏→易于B区少子漂移bceiEiBiCiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBien=icn1+ib1iE

=ien

+iEP

≈ienICBO=icn2+icpiEiEiEiEiCiCiCiCiBiBiBiBiC=

ICBO+icn1;iB=ib1+iEP

-ICBOicn2icp127345返回

对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:

称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，值小于1,但接近1，一般为0.98~0.999。由此可得:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBO2、电流分配关系：在忽略ICBO情况下，IC

、IE

和IB之间的关系可近似表示为：式中：称为共发射极接法直流电流放大倍数。3.共发射极BJT电流分配关系小结：（1）共发射极电流放大倍数：（2）共发射极电流分配关系：ICEO=ICBO/(1-α)=（1+

）ICBO≈

ICBOBJT的穿透电流

127345返回3.1.3BJT的静态特性曲线iB=iB2iB=iB3饱和区击穿区截止区临界饱和线uCEiCU（BR）CEOiB=-ICBOiB=iB1iB=iB4iB=iB5ib

(μA)uBEU（BR）EBOICBO＋ICEOUCE=0UCE=1UCE=10127345返回1、共射BJT的输入特性曲线BJT的输入特性曲线为一组曲线ib

(μA)uBEU（BR）EBOICBO＋ICEOUCE=0UCE=1UCE=10返回1、共射BJT的输入特性曲线iB

(μA)uBEUCE=0UCE=1UCE=10127345返回1、共射BJT的输入特性曲线ICEOU(BR)EBOib

(μA)uBEUCE=0UCE=1UCE=10ICBO＋ICEO127345返回iB=-ICBO2、共射BJT的输出特性曲线：

饱和区U（BR）CEO击穿区截止区临界饱和线uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1返回EC2、共射BJT的输出特性曲线：

ICBOiB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1返回2、共射BJT的输出特性曲线：iB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1临界饱和线饱和区返回2、共射BJT的输出特性曲线：iB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5临界饱和线饱和区iB=iB1iB=iB2iB=iB3iB=iB4iC1iC2iC3iC4返回3.1.3BJT的主要参数127345返回ECEC

ICBO3.1.3BJT的主要参数ICEO127345返回3.1.3BJT的主要参数iB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1127345返回

a.V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标

CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。b.V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。

c.V(BR)CEO

——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。3）反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力

4）特征频率fT

三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。βf1fT国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管§3.2共射极放大电路3.2.共射极放大电路

1.放大电路概念：基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。a.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。b.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。2.基本共射放大电路电路组成:(1)三极管T;(3)RC：将iC的变化转换为vo的变化，一般几K~几十K。

VCE=VCC-ICRCRC，VCC同属集电极回路。(2)VCC：为JC提供反偏电压，一般几

~几十伏;(4)VBB：为发射结提供正偏。ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1(5)Rb：一般为几十K~几千K，

Rb

,VBB属基极回路一般，硅管VBE=0.7V

锗管VBE=0.2V当VBB>>VBE时：ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1(7)vi：输入信号(8)vo：输出信号公共地或共同端，电路中每一点的电位实际上都是该点与公共端之间的电位差。图中各电压的极性是参考极性，电流的参考方向如图所示。(6)Cb1，Cb2：耦合电容或隔直电容，其作用是通交流隔直流。ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1RL:负载电阻ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1RLT++vivoRLTCb1VCCCb2+_+_RbRC3.共射电路放大原理++vivoCb1VCCCb2+_+_RbRC12V300K4K=40vi变化——iB

变化————iC

变化——————vCE

变化——vo

变化Cb1iC=iBvCE=VCC-iCRC3.3放大电路的图解分析法3.3.1直流通路与交流通路3.3.2静态工作情况分析近似估算法图解分析电路参数变化对Q点的影响3.3.3动态分析放大工作情况交流负载线三个工作区域3.3.1.直流通路与交流通路静态：只考虑直流信号，即vi=0，各点电位不变（直流工作状态）。直流通路：电路中无变化量，电容相当于开路，电感相当于短路交流通路：电路中电容短路，电感开路，直流 电源对公共端短路放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。动态：只考虑交流信号，即vi不为0，各点电位变化（交流工作状态）。直流通路TRRVb1b2bCCCCC++vovi电容Cb1和Cb2断开TRRVbCCC直流通路即能通过直流的通道。从C、B、E向外看，有直流负载电阻，Rc

、Rb

。交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio++vovi直流电源和耦合电容对交流相当于短路TRRbC+_+_vovi若直流电源内阻为零，交流电流流过直流电源时，没有压降。设C1、C2足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零。在交流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。交流通路：能通过交流的电路通道。从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻，Rc//RL和偏置电阻Rb

。3.3.2静态工作情况分析(1)近似估算静态工作点已知硅管导通时VBE≈0.7V，锗管VBE≈0.2V以及=40，根据直流通路则有：Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流电路(2)图解法求静态工作点I求VBE、IB的方法同二极管图解分析输入特性VBE=VBB-IBRb输出特性VCE=VCC-ICRCb、e回路c、e回路(a)画直流通路(b)把基极回路和集电极回路电路分为线性和非线性两部分如图IB=40uA、RC=4K、VCC=12VvCE(v)iC(mA)32124680101220uA40uA60uA80uAIB=100uA(c)作非线性部分的伏安特性曲线=40uA(d)作线性部分的伏安特性曲线—直流负载线

VCE=12-4IC(VCC=12V,RC=4K)

用两点法做直线M(12V,0)，N(0,3mA)MN(e)直线MN与IB=40uA曲线的交点(5.6V,1.6mA)

就是静态工作点Q（5.6V，1.6mA）Q直流负载线IB=40uA、RC=4K、VCC=12ViC(mA)32124680101220uA40uA60uA80uA100uA040vivoiB(uA)6020vi=0.02sint(V)vBE(V)vCE(V)3.3.3动态分析vi=0.02sint(V)ib=20sint(uA)iB=20uA~60uARRVb1b2bCCCCC++voviβ=40iC=iB=0.8~2.4(mA)vCE=8.8V~2.4Vvo=

vce=-3.2sintRRVb1b2bCCCCC++voviβ=404KTRRbC+_+_voviRL交流通路交流负载线TRRVvvb1b2bCCCCCio+++vo

-viRLRL’=RC//RL交流负载线交流负载线确定方法：通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为-1/R'L

。

R‘L=

RL∥Rc

是交流负载电阻。c.交流负载线和直流负载线相交与

Q点。b.交流负载线是有交流输入信号时

Q点的运动轨迹。BJT三个工作区域放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；2.要有合适的交流负载线。Q位于交流负载线中间时，Vom≈ICQ×RL’截止失真截止失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。饱和失真饱和失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。I1I2V1V2双端口网络12223.4小信号模型分析法共射极电路H参数等效电路共射接法等效的双端口网络：输入特性表达式：vBE=f1(iB

,vCE

)输出特性表达式：iC=f2(iB

,vCE

)+_+_对上式求全微分：c+_+-参数的物理含义ebcb’rerb’erbb’rb’crcVCEQ时iB

对vBE的影响，是三极管在Q点附近b与e之间的动态电阻，用rbe表示。rbe的组成：rbe=rbb’+rb’ere

很小，忽略rbb’

：基区体电阻rb‘e：发射结正偏电阻IBQ附近vCE

对vBE的影响：vCE>1V后，h12<10-2VCEQ附近iB

对iC的影响，即参数的物理含义IBQ处vCE

对iC的影响，是IBQ这条曲线在Q点的导数通常用rce表示h22：一般

rce

>105参数的物理含义共射极电路h参数等效电路忽略h12和h22影响的简化参数等效电路c用H参数小信号模型分析基本共射极电路放大电路分析步骤：画直流通路，计算静态工作点Q计算rbe画交流通路画微变等效电路计算电压放大倍数Av计算输入电阻Ri计算输出电阻Ro直流通路TRRVb1b2bCCCCC++vovi电容Cb1和Cb2断开TRRVbCCC直流通路交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio++vovi直流电源和耦合电容对交流相当于短路TRRbC+_+_vovi静态分析(1)近似估算静态工作点已知硅管导通时VBE≈0.7V，锗管VBE≈0.2V以及=40，根据直流通路则有：Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流电路1.计算电压放大倍数Avvovivovibce2.计算输入电阻RiRi3.计算输出电阻

Ro方法一：Ro

计算输出电阻Ro方法二：把输入信号源短路（Vs=0）但保留信号源内阻，在输出端加信号Vo，求此时的Io，则：如图，如果Vs＝0，则Ib=0，所以Ib=0Ro返回3.5放大电路的工作点稳定问题3.5.1温度对工作点的影响

温度变化对ICBO的影响

温度变化对输入特性曲线的影响

温度变化对的影响

稳定工作点原理

放大电路指标分析

固定偏流电路与射极偏置电路的比较3.5.2射极偏置电路温度T少子浓度IC

ICBO,

ICEO

IC=IB+(1+)ICBOIBVBE载流子运动加剧，发射相同数量载流子所需电压输入特性曲线左移

载流子运动加剧，多子穿过基区的速度加快，复合减少

ICIB输出特性曲线上移输出特性曲线族间隔加宽3.5.1温度对工作点的影响

Q点上移

rbe

AV3.5.2射极偏置电路1.稳定工作点原理 目标：温度变化时，使IC维持恒定。射极偏置电路固定偏流电路分压式射极偏置电路只能单向设置具有检测Q点位置，并自动调整的功能T

IC～IEIC

VE=IERe

IB（反馈控制）分压式射极偏置电路如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。T

IC～IEIC

VE

VBE利用稳定Q思路则可实现如下自动调整过程b点电位基本不变的条件：I1>>IBVB>>VBEI1=(5~10)IB(硅)I1=(10~20)IB(锗)VB=3V~5V

(硅)VB=1V~3V

(锗)求Q点方法2.放大电路指标分析①确定静态工作点Je回路KVL方程一般采用方法三②画小信号等效电路并确定模型参数2.放大电路指标分析输出回路：输入回路：电压增益：③电压