第三章半导体三极管及其放大电路基础课件

第三章半导体三极管及其放大电路

基础第三章半导体三极管及其放大电路

基础3.1半导体三极管3.2基本共射极放大电路3.3放大电路的静态分析3.4放大电路的动态分析3.5静态工作点的稳定3.6共集与共基极放大电路3.1半导体三极管3.1半导体三极管

半导体三极管重要→原因→结构？？→决定其重要作用电流放大作用（本章学习重点）→开关作用半导体二极管（第二章）双极型半导体三极管（第三章）

晶体管半导体三极管单极型半导体三极管（第四章）

3.1半导体三极管半导体三极管重要→原因→结构？？→决定3.1半导体三极管

图3-1几种半导体三极管的外形一、半导体三极管的基本结构及类型3.1半导体三极管图3-1几种半导体三极3.1半导体三极管

半导体三极管一、半导体三极管的基本结构及类型无论何种类型的双极型三极管，其结构内部都分NPN或PNP三层。由此它分两种类型:NPN型和PNP型。其结构示意图和符号如图所示。

3.1半导体三极管半导体三极管一、半导体三极管的基本结构BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管符号NPNCBEPNPCBEBECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管符号NCBEP图3–2三极管的结构示意图和符号图3–2三极管的结构示意图和符号

无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们的核心部分是两个PN结，分别称为发射结BE和集电结BC。三个区:发射区、基区和集电区,

并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。

常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种系列三极管类型。它们对应的型号分别为：

3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、

3C(硅PNP)、3D(硅NPN)。

无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们的核心部分是二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*1.三极管放大的两个条件：1）内部条件：三个区（发射区、基区和集电区）的掺杂浓度与厚薄均不一样。两个PN结的结面积不同。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。围绕内部结构阐述晶体管的电流放大作用：二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*围绕内部结构BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*2）外部条件：为使三极管具有电流放大作用，所加的外部电源必须使两个PN结偏置合适。发射结（BE结）须正向偏置（有利于多子扩散）集电结（BC结）须反向偏置（有利于少子漂移）。

二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*2、三极管放大电路的构成：为使三极管电流放大作用得以实现，构成电路时三个电极发射极（e)、基极(b)和集电极(c)其中一个做小信号输入端,一个作输出端，一个电极做公共端。从而构成二端口网络，即输入、输出两个回路。具体有三种接法（三种组态）：见下图共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；

共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*三极管的三种组态：图3-三极管的三种组态三极管的三种组态：图3-三极管的三种组态下面以共发射极组态为例分析：1）NPN型晶体管2）依据外部条件建立电路：发射结（BE结）须正向偏置→输入回路（基极回路）集电结（BC结）须反向偏置→输出回路（集电极回路）发射极接地（原因）3）VCC(EC)＞VBB(EB)下面以共发射极组态为例分析：BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。IB3、三极管电流的形成与分配BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散(1)发射：发射区向基区发射（扩散）注入电子，形成发射极电流IE

发射结正偏，有利于发射区和基区的多子扩散运动。发射区向基区发射的电子所形成的电流,称为电子注入电流IEN,基区向发射区扩散的空穴所形成的电流称为IEP。发射极电流ＩＥ由两部分组成：ＩＥN和ＩＥP。因为发射区是重掺杂,基区浓度很小且很薄，所以ＩＥP忽略不计,即ＩＥ≈ＩＥN。(2)扩散和复合：电子在基区边复合边扩散，形成基极电流IB

由发射区注入基区的电子称为非平衡少子，由于浓度差继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。基区空穴是由电源ＵＢＢ提供的,故它是基极电流的一部分。由于基区薄且浓度低，所以IBN很小。(1)发射：发射区向基区发射（扩散）注入电子，形成发射极电流BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。ICICIB要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结(3)收集：集电区收集从发射区扩散到基区的电子，形成集电极电流IC

由于集电结反偏，促进集电区和基区的少数载流子漂移运动。所以基区中扩散到集电结边缘的电子（非平衡少子）在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成收集电流ICN。同时集电区和基区内部本身原有的少数载流子也要向对方漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。

于是集电极电流ＩC由两部分组成：IC＝ＩCN＋ＩCBO,

由于两区本身原有的少数载流子数量极少，所以ＩCBO很小。并且其值受温度影响较大，与外部电压变化无关。(3)收集：集电区收集从发射区扩散到基区的电子，形成集电极电图3–

三极管中载流子的传输过程图3–三极管中载流子的传输过程3、三极管电流的形成与分配1.载流子的传输过程发射。(2)扩散和复合。(3)收集。图3–

三极管中载流子的传输过程3、三极管电流的形成与分配1.载流子的传输过程图3总结：1.此放大过程的基础是放大的内部和外部条件2.此放大过程说明三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极性晶体管。

图3-三极管电流分配总结：图3-三极管电流分配三、三极管各电极电流之间的数量关系IC＝ＩCN＋ＩCBO2.ＩB=ＩBN－ＩＣＢＯ3.ＩＥ≈ＩＥN＝ICN+IBN.=IB+IC由于ＩCN>>ＩBN,IE≈ICN≈IC实验表明:IC比IB大数十至数百倍。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流IC较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。三、三极管各电极电流之间的数量关系

发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成集电极电流,即说明ＩCN>>ＩBN。通常用共基极直流电流放大系数α衡量上述关系,其定义为一般三极管的α值为0.97～0.99。发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成集电极通常ＩＣ>>ＩCBO,可将ＩＣＢＯ忽略,由上式可得出三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即通常ＩＣ>>ＩCBO,可将ＩＣＢＯ忽略,由上式可得出三经过整理后得令

β称为共发射极直流电流放大系数。当IC>>ICBO时,β又可写成经过整理后得令β称为共发射极直流电流放大系数则其中ICEO称为穿透电流,即一般三极管的β约为几十～几百。β太小,管子的放大能力就差,而β过大则管子不够稳定。则其中ICEO称为穿透电流,即一般三极管的β约为几十～表3-1三极管电流关系的一组典型数据IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96表3-1三极管电流关系的一组典型数据IB/mA相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比,定义为共基极交流电流放大系数,即故相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比,定义为共基

显然β与β,α与α其意义是不同的,但是在多数情况下β≈β,α≈α。例如,从表3-1知,在ＩＢ＝００３mA附近,设ＩＢ由００２mA变为００４mA,可求得显然β与β,α与α其意义是不同的,但是在多静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数=IC/

IBIC=IB动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IB一般认为：==，近似为一常数，值范围：20~100IC=

IB静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数=I四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）三极管共发射极特性曲线测试电路四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）三极管共发射极四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）三极管的特性曲线：表示三极管各电极电压与各电极电流之间的关系曲线。它描述三极管的外特性。由其在具体电路中的接法→二端口网络→输入回路（uBE,iB的关系)输出回路(uCE,iC的关系)四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）三极管的特性曲1.输入特性：当ＵＣＥ不变时,输入回路中的电流ＩＢ与电压ＵＢＥ之间的关系曲线称为输入特性,即

图3-三极管的输入特性1.输入特性：当ＵＣＥ不变时,输入回路中的电流ＩＢ与电压Ｕ

1）输入特性IB

与UBE的关系曲线同二极管的伏安关系曲线IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V

死区电压，硅管0.5V工作压降：硅管UBE0.7V1）输入特性IB与UBE的关系曲线同二极管的伏安关系曲线2）在相同的uBE下，当uＣＥ变化到uＣＥ≥1后，各输入特性曲线基本上重合并稳定。原因：（1）uCE=0时：b、e间加正向电压，JC和JE都正偏，JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性。uCE=0V：两个PN结并联(2)uCE介于0~1V之间时，JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着uCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。

0<uCE<1V:uCE增加，iB减小(3)uCE>1V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏，JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只有小部分与基区多子形成电流iB。所以在相同的uBE下，iB要比uCE=0V时小。

uCE>1V：iB比uCE=0V时小

2）在相同的uBE下，当uＣＥ变化到uＣＥ≥1后，各输入特性2.输出特性：当iＢ不变时,输出回路中的电流iＣ与电压uＣＥ之间的关系曲线称为输出特性,即图3-三极管的输出特性2.输出特性：当iＢ不变时,输出回路中的电流iＣ与电压uＣ2.输出特性(iC与uCE的关系曲线)IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=502.输出特性(iC与uCE的关系曲线)IC(mA)123其中每一条曲线规律：1）0＜uCE＜1：发射结正向偏置，集电结正向偏置2）uCE≥1：发射极正向偏置，集电结反向偏置3）曲线略向上倾斜具有恒流特性总体曲线规律：iC=βiB

给iB一定值，相对应有一条iC曲线。充分体现iB对iC的控制作用，即体现晶体三极管的放大作用。其中每一条曲线规律：总体曲线规律：iC=βiB给iB一定值输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且

IC=

IB

。此区域称为线性放大区。此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压,，称为截止区。输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=

(1)截止区:一般将iＢ≤０的区域称为截止区,图中为ＩＢ＝０的一条曲线的以下部分。此时iＢ＝０,iＣ≠0,而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于１μA,在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。值很小近似iＣ≈0。特点：A不符合iC=βiB关系，因而此时三极管没有放大作用。

B为使三极管可靠截止，须使两个PN结均处于反向偏置状态。因为当发射结反向偏置时,发射区不再向基区注入电子,iＣ→0。对ＮＰＮ三极管,ＵＢＥ＜０,ＵBC＜０。

C三极管输出回路用KVL列方程有uCE=uCC－iCRC,因iＣ≈0，uCE≈uCC

，说明RCE≈∞,三极管C、E两点之间呈高阻状态，相当于开关断开状态。(1)截止区:一般将iＢ≤０的区域称为截止区,图中为Ｉ(2)饱和区：输出特性曲线垂直上升部分与纵轴之间的区域。

出现饱和区的原因：当ＵＣＥ较小时ＵCE＜ＵBE，发射结和集电结都处于正向偏置状态，集电区无收集电子的能力。不同ＩＢ值的各条特性曲线几乎重叠在一起,管子的集电极电流ＩＣ基本上不随基极电流ＩＢ而变化,这种现象称为饱和。特点：AＩＣ＝βＩＢ或ΔＩＣ＝βΔＩＢ关系不成立,三极管失去了放大作用。

B发射结和集电结都处于正向偏置

CＵCE≈0,远小于UCC,说明RCE≈0,三极管C、E两点之间呈低阻状态，相当于开关导通状态。(2)饱和区：输出特性曲线垂直上升部分与纵轴之间的区域。放大区（线性区）

：在饱和区和截止区之间近乎于水平，比较平坦的部分曲线。此时曲线当ＩＢ一定时,ＩＣ的值基本上不随ＵCE而变化。即当基极电流发生微小的变化量ΔＩＢ时,相应的集电极电流将产生较大的变化量ΔＩＣ,此时二者的关系为ΔＩＣ＝βΔＩＢ。特点；AΔＩＣ＝βΔＩＢ，体现了三极管的电流放大作用。

B发射结正偏,集电结反向偏置，满足放大条件。

C三极管输出回路用KVL列方程有uCE=uCC－iCRC,因iＣ随iB变化，RCE

变化，说明三极管C、E两点之间是可变电阻。放大区（线性区）：在饱和区和截止区之间近乎于水平，比较平坦总结：A三极管C、E两点之间RCE是可变电阻,从0→∞变化，体现了三极管的开关作用。应用于数字技术中。

B三极管的放大作用应用于模拟技术中。总结：A三极管C、E两点之间RCE是可变电输出特性三个区域的特点:(1)放大区

BE结正偏，BC结反偏，IC=IB,且

IC=

IB(2)饱和区

BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO0

输出特性三个区域的特点:(1)放大区(2)饱和区(3)五、三极管的主要参数优劣参数

1、电流放大系数β：iC=βiB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO极限参数1、集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。2、反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。3、集电极最大允许功耗PCM

。五、三极管的主要参数优劣参数1共发射极交流电流放大系数β。β体现共射极接法之下的电流放大作用。2共发射极直流电流放大系数β。当IC>>ICEO时,β≈IC/IB。优劣参数1共发射极交流电流放大系数β。β体现共射极接法之下的电流放3共基极交流电流放大系数α。α体现共基极接法下的电流放大作用。4共基极直流电流放大系数α。在忽略反向饱和电流ＩＣＢＯ时,3共基极交流电流放大系数α。α体现共基极接法下的电流放大作5.极间反向电流三极管极间反向电流的测量5.极间反向电流三极管极间反向电流的测量极限参数

1集电极最大允许电流ＩＣＭ。β与IC关系曲线极限参数1集电极最大允许电流ＩＣＭ。β与IC关系曲2集电极最大允许功率损耗ＰＣＭ。当三极管工作时,管子两端电压为ＵＣＥ,集电极电流为ＩＣ,因此集电极损耗的功率为三极管的安全工作区2集电极最大允许功率损耗ＰＣＭ。当三极管工作时,管子两端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。ＢＵCEO——基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵCER——基射极间接有电阻Ｒ时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵCES——基射极间短路时,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,此电压一般较小,仅有几伏左右。上述电压一般存在如下关系：3.反向击穿电压六、温度对三极管参数的影响1.温度对UBE的影响2.温度对ICBO的影响ＩＣＢＯ是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加,故ＩCBO也上升。其变化规律是