第三讲双极型晶体管

第三讲双极型晶体管第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一一、BJT的结构和工作原理1、为什么BJT具有放大作用？2、BJT三个电极的电流关系是怎样的？3、如何判断电路中BJT的工作状态？问题：？第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一BJT是由两个PN结构成的三端器件，有两种基本类型:NPN型和PNP型。++NPN管比PNP管应用更广泛，特别在一般的半导体集成电路中，NPN管性能优于PNP管，故重点讨论NPN管。（一）BJT的结构和符号基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极注意区分两者的符号箭头方向表示电流的实际方向第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一

BJT结构特点：（1）发射区高掺杂；（2）基区很薄，一般在几微米至几十微米；且掺杂浓度很低；（3）集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大.管芯结构剖面图发射区基区集电区+－－是BJT具有电流放大作用的内部原因。要使BJT具有放大作用，还必须给BJT加合适的偏置。第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（二）BJT的放大偏置1、什么叫放大偏置？放大偏置——“发射结正偏、集电结反偏”。PNPbce+-+-UBEUCEbceiCieib+-+-UBEUCEbceiCieibNPNbce2、放大偏置时BJT三个电极的电位关系：识别管脚和判断管型的依据—是BJT具有电流放大作用的外部条件。前提是BJT处于放大状态。（此时BJT处于放大状态）3、放大偏置时BJT三个电极的电流方向第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一例题：测得放大电路中的某只晶体管三个管脚的电位如图所示：试判断各个管脚对应的电极，晶体管的结构类型及材料。0.1V0.78V-11.5V1、基极电位UB居中（可先识别基极）；3、NPN管各极的电位关系：UC>UB>UE；PNP管各极的电位关系：UC<UB<UE；BCE该管为PNP型硅管。2、发射结正偏压降:|UBE|=0.7（0.6）V（硅管）

|UBE|

=0.3（0.2）V（锗管）可识别发射极（所剩者即为集电极）；并判断管子的材料；可识别管子的类型（NPN/PNP）。第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一1、基极电位UB居中（可识别基极）；3、NPN管各极的电位关系：UC>UB>UE；PNP管各极的电位关系：UC<UB<UE；2、发射结压降:|UBE|=0.7（0.6）V（硅管）

|UBE|

=0.3（0.2）V（锗管）可识别发射极——集电极；判断管子的材料；可识别管子的类型（NPN/PNP）。7.5V3.9V3.2VBCENPN型硅管。例题：测得放大电路中的某只晶体管三个管脚的电位如图所示：试判断各个管脚对应的电极，晶体管的结构类型及材料。第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一bce

RC

ECEBRbIBICIE（三）放大偏置时BJT内部载流子的传输过程给NPN型BJT加适当的偏置：发射结正偏，集电结反偏。bceRbEBRC

EC第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一bceRbEBRCECNPN1、发射区向基区注入大量电子2、电子在基区的复合和继续扩散IEnIEPIB1发射结正偏因浓度差，发射区的大量电子经发射结扩散注入基区，形成电子流基区空穴扩散注入发射区从发射区扩散到基区的电子成为基区的非平衡少子，极少数电子与基区的空穴复合，形成复合电流绝大部分电子继续扩散到达集电结附近。IB1IEn集电结反偏3、集电区收集发射区扩散过来的电子

ICBO在外电场作用下，由发射区扩散在集电结附近的非平衡少子漂移到集电区ICn基区的电子漂移到集电区集电区的空穴漂移到基区ICnICBO（扩散）IEP（漂移）平衡少子的漂移第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（四）放大偏置时BJT各极电流的关系：IE

=IEn+IEPIEn；IC

=ICn+ICBOICn；IB

=IB1+IEP-ICBO1、各极电流的构成：2、各极电流之间的关系：IE

=IC+

IB；①

IE与

IC的关系：对于给定的晶体管，集电极收集的电子流是发射极发射的电子流的一部分，两者的比值在一定的电流范围内是一个常数，用bceRbEBRCECNPNIEnIEPIB1ICnICBOIBIEIC第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（四）放大偏置时BJT各极电流的关系：IE

=IEn+IEPIEn；IC

=ICn+ICBOICn；IB

=IB1+IEP-ICBO1、各极电流的构成：2、各极电流之间的关系：IE

=IC+

IB；①

IE与

IC的关系：②

IC与

IB的关系：定义：——共射直流电流放大倍数说明：BJT具有电流放大作用；IC受IB控制，BJT为电流控制器件。基本上为常数，因此放大偏置的BJT中IE、IC和

IB近似成比例关系。第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一bce

RC

ECEBRbiBiCiE1、发射结正偏电压uBE对各极电流的作用——正向控制作用。发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流：（五）BJT的结偏置电压与各极电流的关系uBEuCB两者是指数关系。BJT各个电极的电流iE、iC、iB与发射结正偏电压uBE都是指数关系。第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一基区发射结集电结发射区集电区EBC2、集电结反偏电压uCB对各极电流的影响——基区宽调效应。集电结宽度基区有效宽度这种由集电结反偏电压变化引起基

区宽度变化，从而影响各极电流的

现象称为基区宽度调制效应，简称

基区宽调效应或厄利（Early）效应。空穴复合机会uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控制作用大，但它的存在使BJT的电流受控关系复杂化，使之成为所谓的“双向受控元件”，由此带来分析的复杂化，并有可导致放大器因“内反馈”而性能变坏。第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（六）BJT的截止和饱和工作状态1、截止状态：发射结和集电结都反偏晶体管的电流只有反向饱和电流成分。忽略反向饱和电流，则截止状态下的晶体管各极电流等于0，其等效模型为：cbe2、饱和状态：发射结和集电结都正偏正偏PN结的导通电压较小，在大信号状态下可以忽略，其等效模型为：cbe3、BJT的结偏置情况与工作状态的关系（1）放大状态：发射结正偏；集电结反偏（3）饱和状态：发射结和集电结都正偏（2）截止状态：发射结和集电结都反偏（4）倒置状态：发射结反偏；集电结正偏判断BJT的工作状态第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一练习：测得晶体管无信号输入时，各个电极对“地”电压如下：判断管子工作状态（放大、截止、饱和、倒置、损坏）0-2.7

-3硅管-30

-0.3锗管0.7-3.5

0硅管1.11

1.3锗管（a）发射结反偏，集电结反偏，截止状态。（b）发射结正偏，集电结反偏，放大状态。（c）发射结反偏，集电结正偏，倒置状态。（d）发射结正偏，集电结正偏，饱和状态。第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一-1.4-3.5-2.8硅管1.31.5

1.2锗管3.71.5

1.8锗管12-0.7

2硅管（e）发射结正偏，集电结反偏，放大状态。（f）发射结正偏，集电结正偏，饱和状态。（g）发射结正偏，集电结反偏，放大状态。（h）发射结正偏，UBE0.7V，损坏。练习：测得晶体管无信号输入时，各个电极对“地”电压如下：判断管子工作状态（放大、截止、饱和、倒置、损坏）第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一0.1mA4mA5mA5.1mA练习：测得某放大电路中BJT的两个电极的电流如下，请标出各管脚对应的电极，剩余电极的电流方向和大小。BCE4.1mA0.1mACBEIE

=IC+

IB第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（七）BJT的三种基本组态：•共射极组态，用CE表示；•共基极组态，用CB表示；•共集电极组态，用CC表示。第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一

iBuBE二、BJT的静态特性曲线——在直流和低频场合下，BJT输入端口和输出端口的伏安特性，是BJT内部载流子运动的外部表现。（一）输入特性曲线：iB=f(uBE)uCE=常数UCE=0V110uBE不变，uCEuCBiC,

iB

+-+-uBEuCEbceiCiEiB处于放大状态的BJT，uCE1V，曲线特点：1、

iB与uBE近似为指数关系，与二极

管正向特性相似。2、

uCE增大，曲线右移（厄利效应）。3、当uCE1V后，特性曲线基本重合。输入特性曲线就用uCE1V的曲线表示。对于一定的uBE

，当uCE增大到一定值后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入到基区的绝大部分非平衡少子收集到集电区，因此即使再增大uCE

，iC也不可能明显增大了。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一uCEiC（二）输出特性曲线：iB=0饱和区BUCEO击穿区截止区临界饱和线iB=IB5iB=IB4iB=IB3iB=IB2iB=IB1放大区+-+-uBEuCEbceiCiEiB2、放大区：(发射结正偏，集电结反偏)uCEuCBiB,iC。iB

，倾斜的程度会增大。iCiB①特性曲线平坦，近似为直线。②特性曲线间隔均匀，iC随iB近似的成正比例变化。（BJT的放大作用）③由于厄利效应，特性曲线随uCE的增大略向上倾斜。1、截止区：（发射结和集电结都反偏）iB=0；iC=ICEO三个电极电流近似为0，没有放大作用。iC=f(uCE)iB=常数第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一uCEiCiB=0饱和区BUCEO击穿区截止区临界饱和线iB=IB5iB=IB4iB=IB3iB=IB2iB=IB1放大区3、饱和区：（uCE<uBE,发射结和集电结都正偏）①临界饱和：集电结零偏，uCE=uBE或uCB=0临界饱和时，仍有iC＝iB。②进入饱和区后，iC随uCE的减小而明显下降。uCE减小使集电结正偏加大，集电区的扩散电流将抵消部分由发射区载流子转化而来的电流，使集电极电流急剧下降。③各曲线几乎重合，iC不再

随iB成比例地变化:iC<iB。④饱和压降UCES：UCES随iC的增大而略有增大。典型值：UCES=0.3V。4、击穿区：uCE增大到一定值后，iC急剧增大，集电结反向击穿。第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（三）温度对BJT特性曲线的影响T输入特性曲线左移，（2~2.5)mV/°CuCE/ViCT2

iB/AuBE/VT2>T1T1T，（0.5%~1%)/CTICBOiC，输出特性曲线上移

第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一三、BJT的主要特性参数1、电流增益（电流放大倍数）：——共射直流电

流放大倍数——共基直流电

流放大倍数——共射交流电

流放大倍数——共基交流电

流放大倍数一般在电流不是很大的情况，可以认为：今后不再区分直流还是交流，统一用和表示。第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一2、极间反向电流：（1）集电极－基极反向饱和电流ICBO：（2）集电极反向穿透电流ICEO

：IBICIB=-ICBO，IC=ICBOICEO=（1+）ICBO(P30)与单个PN结的反向饱和电流一样。

ICBO的值很小，硅管小于1µA，锗管约10µA，受温度影响很大。此电流从集电区穿越基区流至发射区，所以叫穿透电流。

ICBO和ICEO都是衡量BJT温度稳定性的重要参数，因ICEO大，容易测量，所以常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。

ICBO和ICEO越小，说明其质量越好。第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一①集电极最大允许电流ICmax——使BJT的β值明显减小的集电极电流。②集电极最大允许功率损耗PCmax管子的功率损耗为：③反向击穿电压：BUCBO：发射极开路时集电极－基极间的反向击穿电压。+-+-uBEuCEbceiCiEiBPCmax—pC的平均值不允许超过的极限值。集电极功率损耗BUCEO：基极开路时集电极－发射极间的反向击穿电压。BUEBO：集电极开路时发射极－基极间的反向击穿电压。BUEBO<BUCEO<

BUCBO常用作选取BJT集电极电源电压的依据。3、极限参数：详见：康华光《模拟电子技术基础》P80~81第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一f0①共射截止频率f：②特征频率fT：（BJT最重要的频率参数）=1时对应的频率(BJT丧失电流放大能力)，与结电容有关。fT1f应用BJT时，工作频率应远小于fT

。由于结电容的影响，频率较高时BJT的值会随频率而变化：时对应的频率。0——BJT的直流(低频)电流放大系数。4、BJT的频率参数：第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一RC

ECEBRbiBiCiE+-uSuBEuCE这是一个放大电路，这个电路交直流并存。直流电路：保证BJT工作在放大状态；交流信号源：uS为待放大的信号。问题：如何求解支路电流iB,iC,iE？如何求解BJT的极间电压uBE,uCE？解决方法：应用叠加原理用直流等效电路求解直流量：用交流等效电路求解交流量：IB,IC,UBE,UCEib,ic,ube,uce问题：①直流电路中BJT如何处理？②交流电路中BJT如何处理？UBE＝0.7V,IC=βIB（隐含条件）用BJT的交流小信号模型代替BJT。这个小信号模型是怎么来的？它的参数怎么计算？brcece

rbeibib+ube-+uce-第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一RC

ECEBRbiBiCiE+-uSuBEuCEiBuBE四、BJT的交流小信号模型及参数uS0,相当于在静态工作点上叠加交流信号：UBEIBuSib若工作点选择适当，且信号电压较小时，可将BJT在小范围内的特性曲线看成直线，BJT可以用一个线性电路来代替。可以将BJT看成一个线性的四端网络，并用线性元件组成的网络来模拟BJT端口的伏安特性。IB、UBE、IC、UCE电路如图所示，静态偏置(uS=0)时，各极电压和电流为：——BJT交流小信号模型静态工作点Q第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一bec（一）BJT的混合等效电路及参数1、型等效电路及参数意义bec（1）三区的体电阻rbb'reeb'rCC低频管：几百欧姆高频管：几十欧姆①

rbb'：基区体电阻②

rCC：集电区体电阻③

ree：发射区体电阻因两者截面积大且掺杂浓度高，所以体电阻很小，通常可以忽略。基区薄且掺杂低，所以体电阻最大。第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一becrbb'reeb'rCC（2）基区复合电阻：rb'e反映发射结ub'e对ib的控制作用。rberbe是发射结动态电阻re折合到基极回路的等效电阻。（发射结动态电阻）第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一becrbb'reeb'rCCrbegmube（3）BJT的跨导：gm

反映发射结电压ub'e对集电极电流iC的控制能力。室温下：uCEiC第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一becrbb'reeb'rCCrbe（5）

集电结反偏动态电阻：rb'C（4）集-射极间电阻：rCerbCrce反映Early效应对iC和iB的影响。iCuCE0uCEiCUAQ(IC,UCE)（几十千欧以上）UA：厄利电压，一般大于100V。（100k~10M

）gmube第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一becrbb'reeb'rCCrberbCrcegmubeCbCCbe（6）结电容Cb'e

：发射结等效电容因发射结正偏，所以有CbC

：集电结等效电容（2~10pF）因集电结反偏，所以有（100~500pF）反映PN结的电容效应。第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一2、混合型等效电路模型参数的确定（1）模型的组成正向控制和传输效应：基区宽度调制效应：结电容效应：体电阻效应：bb'Cb'ereeCb'crb'crccrcegmub'ecerbb'ub'e+-rb'e（2）模型反映了BJT的四个物理效应因rCC、ree很小，通常都可忽略。becrbb'reeb'rCCrberbCrcegmubeCbCCbe第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一bb'Cb'ereeCb'crb'crccrcegmub'ecerbb'ub'e+-rb'e（3）模型参数的确定方法①rbb一般会给出，若没有给出，可用200~300代入，或忽略。⑤CbC一般会给出；②③④rce为几十千欧到几百千欧，若不给，可认为rce＝。若给出条件可计算：bb'Cb'erb'eCb'crcegmub'ecerbb'rb'cub'e+-第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一bb'Cb'erb'eCb'crcegmub'ecerbb'rb'cub'e+-（1）混模型的适用场合3、混合型等效电路模型的简化混模型可用于低频和高频。要求：（2）简化的低频混模型低频时，Cb'e和Cb'c容抗很大，可视为开路；rb'c很大，通常视为开路。当负载电阻较小时，rce也可视为开路。bb'rcecerbb'e

rb'egmub'e低频+ub'e-第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一hrehoehfehie（二）BJT的H参数等效模型1、共射BJTH参数的引出iBiC+-uBEuCE-+自变量取：iB、uCE;应变量取：uBE、iC输入、输出端口的V－A关系分别为：对上两式取全微分，得：在小信号作用下，可用交流量表示微变量，得:hie、hre、hfe、hoe称为共射BJT的H参数。第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一2、共射H参数的物理意义（1）0==ceubbeieiuh——输出交流短路时的输入阻抗。表示BJT输入特性曲线在工作点处的切线斜率的倒数。iBuBE常数=DDCEuBBEiu

iBuBEuCEuBE反映了BJT输出回路对输入回路的影响（厄利效应）。（2）0==bicebereuuh——输入端交流开路时的反向电压传输系数。常数=DD

B

i

CEBEuuibic+-ubeuce-+第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一（3）0==

ceubcfe

i

ihD

D

CEUBCi

i——输出交流短路时的正向电流放大倍数。反映了ib对iC的正向控制作用。iCuCEUCEiCiB1iB1+iB（4）——输入端交流开路时的输出导纳。反映了uCE通过厄利效应对iC的影响。

iCuCE

uCE

iC0==

b

icecoeu

ihD

D

B

I

CECu

i＝ibic+-ubeuce-+第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一3、H参数等效电路bhie1/hoehfeibce+-ube+-uceibiChreuce+-4、简化的H参数等效电路H参数数量级：bhie1/hoehfeibce+-ube+-uceibiCbhiehfeibce+-