第二章晶体三极管

第2章晶体三极管(BipolarJunctionTransistor)内容:结构BJT工作原理(内部)直流特性曲线(外部)→电路模型主要参数小信号图解法→电路分析方法工程近似分析法(直流)小信号等效电路分析法(交流)2.1半导体三极管(BJT)一、结构BEPNPC基极集电极发射区集电区集电结发射结基区ECBPNP(a)BENNPCE区C区C结E结B区ECBNPN(b)发射极内部结构特点：①发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度②基区宽度很小③集电结面积大于发射结工作模式：①放大：发射结正偏，集电结反偏（正向受控作用）②饱和：发射结集电结均正偏③截止：发射结集电结均反偏开关特性N+电子注入IEnIEpP扩散复合收集NIBnICBOIB空穴注入+-IEV1IC+-V2少子漂移Icn1二、放大模式下工作原理1、内部载流子传输过程（1）发射区向基区注入电子IE=IEn+IEp①IEnIEp(2)电子在基区的扩散和复合IB=IEp＋IEn－ICn1－ICBO②(3)集电区收集电子IC=ICn1＋ICBO③由①②③得IE=IB+IC结论发射结电压→IEn转化ICn1(不受集电结反偏电压的影响)正向控制作用:用两端之间的电压控制第三端的电流2、电流传输方程(CurrentTransferEquation)三种连接方式：(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极IE传输到集电极的电流分量发射极电流IE共基极电流传输系数（CommonBaseCurrentGain）0.981表示IE转化为ICn1的能力ECnII1共基:简化为：ECIIIE传输到集电极的电流分量基区复合电流共射：共射电流放大系数（CommonEmitterCurrentGain）CBOECIII1111EECBOBCnIIIIICEOBCBOBCBOCnCIIIIIII11CBOCEOII1是基极开路时的集电极电流，称为穿透电流（很小）共射电流方程简化为BCII共集：BCBOBBCBEIIIIIII1其含义是：基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去（控制能力）。值一般在20~200之间。表示IB对IC的控制能力ICBOβICBO(1+β)ICBOiB=0B+-VCEEC二、ICEO的物理含义如右图，此时，集电结反偏，发射结正偏——放大模式当IB=0时，基区的复合电流等于ICBO，则扩散到集电区的电流为，因而CBOICBOCBOCBOCEOIIII1常温下，ICEO很小，一般可忽略不计(a)ebc(b)ebcβIBIBVBE(on)(c)ebcVBE(on)VCE(sat)三、模型1、指数模型IEBS为发射结的反向饱和电流相应的2、简化电路模型（共射）晶体管三种状态的直流模型(a)截止模型；(b)放大模型；(c)饱和模型TBETBEVVEBSVVEBSEeIeII1TBETBEVVSVVEBSECeIeIIIEBSSII其中VVVVVVVVVVVVVsatCEBCBEBECBCEonBCsatBConBEsatBE3.04.07.0)()()()()(mAEbiBiCEC3V3DG6(a)(b)V＋－uCE＋－VA＋－iB/mA0.10uCE＝0V0.080.060.0200.30.40.50.60.70.8uBE/V＋－＋－uBE2.4晶体三极管的伏安特性曲线常数常数BCEICEECVBEEBVfIVfI21一、输入特性曲线（InputCharacteristics(a)测试原理图;(b)输入特性曲线(1)VCE=0时,集电结正偏——饱和，输入特性曲线和普通二极管的特性相似。(2)VCE=（0~0.3）V↑→集电结正偏电压↓→集电结吸引电子的能力↑→（IE一定）IC↑（IB↓）→特性曲线右移。IB/µAVBE/V060900.50.70.930VCE＝0VCE≥10.3V(4)当VBE0时，晶体管截止，IB为反向电流。若反向电压超过某一值（V（BR）BEO）时，发射结也会发生反向击穿。(3)VCE＞0.3V时，集电结反偏——放大模式，IB几乎不随VCE变化，但特性曲线略向右移（基区宽度调制效应），曲线基本重合。VCE↑→集电结反偏电压↑→集电结宽度↑→基区宽度↓→复合机会↓→IB↓二、输出特性（OutputCharacteristics）VCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40µA30µA20µA10µA0µAiB＝－ICBO放大区IC/mA2、放大区（ActionRegion）曲线较平坦，IC受IB控制CEOBCIII1、饱和区（SaturationRegion）曲线很陡，IC受VCE的控制BCIIICEOiB=0击穿区饱和区iCVA0截止区ICBOuCEiB=-ICBOVA曲线略上翘（基区宽度调制效应）ACEVVSCVVeIITBE1VA为厄尔利电压（EarlyVoltage）3、截止区（CutoffRegion）IE=0以下的区域（IC=ICBO，IB=—ICBO以下的区域）工程上，IB=0（IC=ICEO）以下区域。4、击穿区（BreakdownRegion）VCE↑→集电结反向电压↑→集电结反向击穿（雪崩击穿）→IC剧增击穿电压随IB增大而减小ICBO＜ICEO，V（BR）CBO＞V（BR）CEO三、极限参数1、最大允许集电极电流ICMβ与IC的大小有关，随着IC的增大，β值会减小。ICM一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当ICICM时，虽然管子不致于损坏，但β值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时，IC不应超过ICM。2、最大允许集电极耗散功率PCM晶体管工作在放大状态时，集电结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流。因此，在集电结上要消耗一定的功率，从而导致集电结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规定一个功耗限额PCM。3V(BR)CEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压。VCE工作区IC0安全ICMV(BR)CEOPCM晶体管的安全工作区（SafeOperatingArea）最大功耗线CCECMIVP2.5晶体三极管的小信号电路模型（放大模式下）;;cCQCbBQBiIiiIiceCEQCEbeBEQBEvVvvVv一、小信号模型（线性电路）CEBECCEBEBvvfivvfi,,,21幂级数在Q点上对交流量展开高阶项ceQCEBbeQBEBCEQBEQBvvivviVVfi,1高阶项，ceQCECbeQBECCEQBEQCvvivviVVfi2cCEQBEQCbCEQBEQBiVVfiiVVfi,,,21cebcbebeceQCEBbeQBEBbvgvgvvivviicecebemceQCECbeQBECcvgvgvvivviibemcbebebvgivgi放大模式下,不计基区宽度调制效应时beg输入电导,互导(跨导)表示正向控制作用mgbebegr/1晶体三极管的输入电阻ebeeQEBBEEQBEBberrriivivig111TEQVvVvEBSBEQBEEeVIeIvvirBEQBETBE1re发射结增量结电阻(PN结电阻)EQTbeEQTeIVrIVr1,eeQBEEECQBECmrrviiivig1跨导(互导)共基极交流电流传输系数共发射极交流电流传输系数QECiiQBCii,eebemrrrg1在线性区1,1则计基区宽度调制效应即考虑bccegg,cecerg1输出电导输出电阻cerACQCEQACQQACEVvSCEQCECceceVIVVIVveIvvirgTBE11CQAceIVr很大(105~106)Ω反馈电导ceQCECCBQCEBbebcrviiivirg11极小，不计＋－vbe＋－vcercebcerbeβibicib混合∏型电路模型：考虑基区体电阻几十欧，高频时考虑结电容gmvb′e＋－vbe＋－vcercebce(a)rbb′Cb′ccrb′eeb′Cb′ee/bbrcbebCC//,2.6晶体三极管电路分析方法一、图解分析法（采用曲线模型，作图进行直流和交流分析）1、直流分析（求静态工作点）输入回路0QIBQVBEQIBVBBRB-1RBVBEVBBBBBBBERIVV负载线负载线与特性曲线的交点便是所求Q点(VBEQ，IBQ）IB＝IBQVCE0NQMICVCEQUCCICQVCCRC输出回路负载线CCCCCERIVV斜率为CR/1负载线与特性曲线的交点便是所求Q点(VCEQ，ICQ）2、交流分析iBIBQtiBIBQvBEvBEtiBmaxiBminQVBEQ(a)画各电极电压和电流波形BBEiv输入特性上描点法已知在小信号范围内，特性看成直线（线性），则为正弦波时，也为正弦。bevbi),,,(CECBBEviiv在输入特性上，画在输出特性上，画的波形和负载线与输出特性交点CECBviiQiCiBmaxiBminiCICQttvCEvCEVCCVCEQICQVCCRCQ1Q2IBQ(b)二、工程近似分析法（直流分析）采用器件的简化电路模型，进行近似分析。例1晶体管电路如图所示。若已知晶体管β=100，试计算晶体管各极电压和电流的值IBQ,ICQ和VCEQ。ICQ＋－VCEQ270kRBVBB6VIBQVCC12VRC3k(a)解因为UBB使发射结正偏，UCC使集电结反偏，所以可以假设晶体管工作在放大状态。这时用简化电路模型代替晶体管，便得直流等效电路。由图可知)(onBEBBQBBURIUeRB(b)VBE(on)bIBQcICQVCCRC＋－VCEQVBBBIVRIVVmIImRVVICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202.010002.02707.06)(结果表明：VCE大于0.3V，集电结反偏，满足放大模式工作条件。RB1VCCRCRE(a)RB2RB1VCCRCRE(b)RB2例2已知β=100，求电路中三极管各极电压和电流。VCCRCRE(c)RBICQVBBIBQ用戴维宁定理等效后的电路)()1()(ECCQCCCEQBQCQEBonBEBBBQRRIVVIIRRVVIRB=RB1‖RB2,VBB=VCCRB2/(RB1+RB2)EonBEBBEQCQRVVII)(如果，在估算工作点时，则ICQ可按下式直接求出：BERR101VRRIVVmAIImARRVVIVVRRRVkRRRECCQCCCEQBQCQEBonBEBBBQCCBBBBBBBB4.4)22(9.112)(9.1019.0100019.02101157.07.4)1(7.412253925152539)(21221电路如上图(a)所示。已知β=100,VCC=12V,RB1=39kΩ,RB2=25kΩ,RC=RE=2kΩ，试计算工作点ICQ和VCEQ。解mARVVIEonBEBBCQ227.07.4)(若按估算法直接求ICQ，可得显然两者误差很小。因此，在今后分析中可按估算法