半导体三极管及放大电路.

模拟电子技术——电子技术基础精品课程第三章半导体三极管及放大电路武汉理工大学信息工程学院电子技术基础课程组上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容1.介绍半导体的基本知识；2.半导体器件的核心环节——PN结的形成及其特性；3.简介半导体二极管的结构及主要参数；4.半导体二极管的几种常用等效电路及其应用；5.简介几种特殊二极管（除“稳压管”外均作为一般了解内容）上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容1.半导体三极管（BJT）的结构、工作原理、特性曲线和主要参数；2.共射极放大电路的结构、工作原理和改进电路；3.放大电路的两种分析方法①图解法→求Q点（IBQ、ICQ、VCEQ）②小信号模型分析法→求AV、Ri、RO上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容4.放大电路工作点稳定问题及常用稳定工作点的电路；5.介绍共基极放大电路和共集电极放大电路，并将三种组态的放大电路进行比较；6.放大电路的频率响应（这部分内容推导过程不要求必须掌握，记住最终结果会求fH和fL即可）上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础3.1半导体BJT返回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，还被称为双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor，简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础一.BJT的结构简介•【分类】①按频率分高频管低频管②按功率分大功率管中功率管小功率管③按半导体材料分硅管锗管④按结构不同分NPN型PNP型上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.NPN型发射区集电区基区发射结（Je）集电结（Jc）e【Emitter】c【Collector】b发射极集电极基极NNP【Base】代表符号:箭头方向：由P区→N区上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.PNP型发射区集电区基区发射结（Je）集电结（Jc）ecb发射极集电极基极PPN代表符号:箭头方向：由P区→N区上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础比如：NPN型三极管剖面图结构制作要求：①发射区：高杂质掺杂浓度；②基区：很薄（通常为几微米～几十微米），低掺杂浓度；③集电区：掺杂浓度要比发射区低；结面积比发射区大；上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础晶体管的几种常见外形上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础几种常见三极管实物图大功率三极管功率三极管普通塑封三极管上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础半导体三极管的型号A锗PNP管、B锗NPN管C硅PNP管、D硅NPN管表示材料：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开关管表示器件的种类：用数字表示同种器件型号的序号表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.BJT的电流分配与放大作用bNNPeccbe为实现放大，必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求。对其内部结构要求：①发射区进行高掺杂，因而其中的多数载流子浓度很高。②基区很薄，且掺杂比较少，则基区中多子的浓度很低。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.BJT的电流分配与放大作用bNNPeccbe为实现放大，必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求。从外部条件来看：①发射结正向偏置②集电结反向偏置要求外加电源电压的极性必须满足：上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，必须连接成如下形式：e区c区b区JeJcecbNNPVBBVCCRbRc＋－VBE＋－VCB＋－VCE例：共发射极接法三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。集电结反偏：由VBB保证由VCC、VBB保证VCB=VCE-VBE0发射结正偏：上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三极管内部载流子运动分为三个过程：1.BJT内部载流子的传输过程VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IENIEP（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三极管内部载流子运动分为三个过程：1.BJT内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE=IEN+IEP≈IEN上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三极管内部载流子运动分为三个过程：1.BJT内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB复合IBE≈IBE上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三极管内部载流子运动分为三个过程：1.BJT内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。ICICN≈ICNIBE上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三极管内部载流子运动分为三个过程：1.BJT内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。IC另外，集电区的少子形成反向饱和电流ICBOICBOICNIBE上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三极管内部载流子运动分为三个过程：1.BJT内部载流子的传输过程VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IEIBICICBOICNIBE实际上：IC=ICN+ICBOIE=IEN+IEP≈IEN≈ICNIB+ICBO=IBE由KCL，有：IB=IBE-ICBO≈IBE上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.电流分配关系由载流子的传输过程可知，由于电子在基区的复合，发射区注入到基区的电子并非全部到达集电极，管子制成后，复合所占的比例就定了。也就是由发射区注入的电子传输到集电结所占的百分比是一定的，这个百分比用α表示，称为共基极电流放大系数。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础发射极注入的电流传输到集电极的电流CBOCNCIIIECBOCECNIIIIIECII上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IEIBICICBOICIBIE可简化为上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础ICIBIEIE=IC+IBIC≈αIEIB=IE-IC=IE-αIE=(1-α)IE故集电极与基极电流的关系为：11EEBCIIII=β共射电流放大倍数上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础注：α和β是两种电流放大系数，它们的值主要取决于基区、集电区和发射区的杂质浓度以及器件的几何结构。基极电流是电子在基区与空穴复合的电流，复合过程对α和β的值有影响。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础•利用BJT组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，BJT可以有三种连接方式（称三种组态）：①共基极接法②共发射极接法（最为常用！）③共集电极接法上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三.BJT的特性曲线BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。由于BJT也是非线性元件，它有三个电极，故要通过它的伏安特性曲线来对它进行描述，但它的伏安特性并不向二极管那样简单。工程上最常用的是BJT的输入特性和输出特性曲线。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础RL+-ΔvObceΔvIiB=IB+ΔiBiC=IC+ΔiCiE=IE+ΔiEvBE+-+-vCE以共射放大电路为例：输入特性：常数CEvBEBvfi输出特性：常数BiCECvfi上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础共射极电路特性曲线的实验线路微安表毫安表上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础•简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB与vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=常数。vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响。1.输入特性曲线上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础BJT共射接法的输入特性曲线分三部分：①死区②非线性区③线性区iB/μAvBE/V①③②vCE=1VvCE1VvCE=0V记住：①当vCE1时，各条特性曲线基本重合。②当vCE增大时特性曲线相应的右移。25℃上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.输出特性曲线BJT共射接法的输出特性曲线vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA它是以iB为参变量的一族特性曲线。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础现以iB=40uA一条加以说明：vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（1）当vCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如：vCE1VvBE=0.7VvCB=vCE-vBE≤0.7V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定：vCE↑→ic↑上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA现以iB=40uA一条加以说明：（3）当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，如：vCE≥1VvCB≥0.7V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显得增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域。同理，可作出iB=其他值的曲线。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时Je反偏，Jc反偏。上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时Je反偏，Jc反偏。放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时Je正偏，Jc反偏。电压大于0.7V左右（硅管）。模电着重讨论的就是该放大区！上页下页电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vCE/ViC