三极管

§2.1半导体三极管半导体三极管又称晶体三极管（简称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管。下图为三极管的结构示意图和符号。一、结构和符号符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。三极管的结构示意图和符号三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。常见的三极管外形如图所示。常见的三极管外形二、电流分配原则及放大作用要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条件是：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。三极管的电流分配及放大关系式为：IE=IC+IBIC=βIB为电流放大倍数，其范围约为：20~100BCEBCEIBICIEIBICIENPNPNP三、特性曲线及主要参数1、特性曲线三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB实验线路(共发射极接法)CBERC（1）输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如下图所示。IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死区电压，硅管0.5V工作压降：硅管UBE0.7V（2）输出特性曲线它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如下图所示。输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A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UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压,，称为截止区。输出特性三个区域的特点:(1)放大区发射结正偏，集电结反偏，IC=IB。对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；有发射结电压UBE≈0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE≈0.2V。(2)饱和区发射结正偏，集电结正偏，即UCEUBE，IBIC，UCE的值很小；称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。(3)截止区UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0，三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。2.三极管的主要参数三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。（1）共发射极电流放大系数β它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。（2）极间反向电流①集电极基极间的反向饱和电流ICBO②集电极发射极间的穿透电流ICEO（3）极限参数①集电极最大允许电流ICM②集电极最大允许功率损耗PCM③反向击穿电压3.温度对三极管特性的影响同二极管一样，三极管也是一种对温度十分敏感的器件，随温度的变化，三极管的性能参数也会改变。下面两图为三极管的特性曲线受温度的影响情况。温度对三极管输入特性的影响温度对三极管输出特性的影响思考：如何判断三极管的极性？（1）判定基极和管型（2）判定集电极c和发射极e判别三极管c、e电极的原理图四、特殊三极管1.光电三极管光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在集电极可以输出很大的光电流。光电三极管有塑封、金属封装（顶部为玻璃镜窗口）、陶瓷、树脂等多种封装结构，引脚分为两脚型和三脚型。一般两个管脚的光电三极管，管脚分别为集电极和发射极，而光窗口则为基极。下图所示为光电三极管的等效电路、符号和外形。光电三极管的符号、等效电路和外形2.光耦合器光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光—电转换器件。图所示为光耦合器的一般符号。光耦合器的一般符号3.达林顿管（复合管）达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子，电流放大系数及输入阻抗都比较大。达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管，主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。四种常见的复合管结构2.2共射放大电路一、放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图。uiuoAu1、放大体现了信号对能量的控制作用，放大的信号是变化量。2、放大电路的负载所获得的随信号变化的能量要比信号本身所给出的能量大得多，这个多出的能量由直流电源提供。3、基本放大电路的组成原则（1）直流通路（静态）发射结正偏，集电结反偏，以使BJT工作在放大区。（2）交流通路（动态）信号电路应畅通，保证有ui输入，uo输出。（3）BJT的正向运用只能将B和E作为输入端，否则无放大功能。二、三极管在放大电路中的三种连接方式三极管的三种连接方式三、共射放大电路耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F~50F作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。1、静态分析直流通路：是指UCC单独作用（ui=0）时，电路中只有直流量流过的通路。画直流通路有两个要点：①电容视为开路②电感视为短路估算电路的静态工作点Q时必须依据直流通路。共射电路的直流通路用图解法分析放大器的静态工作点ICUCEUCE=UCC–ICRCUCC直流负载线与IB所决定的那一条输出特性曲线的交点就是Q点QIBUCEQICQCCCUR2、动态分析交流通路：是指ui单独作用（UCC=0）时，电路中交流分量流过的通路。画交流通路时有两个要点：①耦合电容视为短路。②直流电压源UCC（内阻很小，忽略不计）视为短路,相当于接地。计算动态参数Au、Ri、Ro时必须依据交流通路。共射电路的交流通路当输入为微变信号时，对于交流微变信号，三极管可用微变等效电路来代替。这样就把三极管的非线性问题转化为线性问题。rce很大，一般忽略。ibicbecrbeibibrceicbec等效三极管的微变等效电路ebcbecrbeibRBRCRLuiuorbeibibiiicuiuoRBRCRL交流通道微变等效电路RB+UCCRCC1C2uiiBiCuCEuo各点波形uo比ui幅度放大且相位相反用图解法分析放大器的交流信号交流量ic和uce有如下关系：这就是说，交流信号的变化沿着斜率为LR1的直线。这条直线通过Q点，称为交流负载线。uce=-ic（RC//RL）=-icRL或ic=（-1/RL）uce交流负载线：ICUCEUCCQIB过Q点作一条直线,斜率为:LR1交流负载线直流负载线CCCURUCEQ四、工作点稳定的共射放大电路Q点的影响因素有很多，如电源波动、偏置电阻的变化、管子的更换、元件的老化等等，不过最主要的影响则是环境温度的变化。三极管是一个对温度非常敏感的器件，随温度的变化，三极管参数会受到影响，具体表现在以下几个方面。•1.温度升高，三极管的反向电流增大•2.温度升高，三极管的电流放大系数β增大•3.温度升高，相同基极电流IB下，UBE减小，三极管的输入特性具有负的温度特性。温度每升高1℃，UBE大约减小2.2mV。分压偏置式的工作点稳定电路TICIEUEUBEIBIC实际应用中，为保证Q点的稳定，要求电路：I1IBQ一般对于硅材料的三极管：I1=（5～10）IBQ射极偏置电路的温度性能较稳定（Re的反馈抑制作用），静态工作点也较稳定，允许BJT的β在一定范围内选择（β增大后，ICQ增不多，rbe增得多，故Au增不多），利于批量生产和调试。思考下图偏置电路，热敏电阻Rt具有负温度系数。问能否起到稳定静态工作点的作用？+UCCRb1Rb2RCReRt+UCCRb1Rb2RCReRt能不能§2.3射极输出器(共集)RB+UCCC1C2RERLuiuo特点：同相放大，放大倍数约为1，输入电阻大，输出电阻小RB=570kRE=5.6kRL=5.6k=100UCC=12V1、),//)(1(LEbeRRr所以，1Au2、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。结论输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。)//)(1()//(1AuLEbeLERRrRR）（射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。)}//)(1(//{LEbeBiRRrRr1//beErRro射极输出器的输入电阻很大，从信号源取得的信号大。3、4、讨论1、将射极输出器放在电路的输入级，可以提高输入电阻。2、将射极输出器放在电路的输出级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。共基极电路及其交流通路§2.4共基放大电路(//)//,1CLbebeeoCRRAurrriRrR共基放大电路在宽频或高频状态下，性能较好。第一级第二级第n-1级第n级输入输出耦合耦合方式：(1)直接耦合(2)阻容耦合(3)变压器耦合(4)光电耦合2.4多级放大电路为获得足够大的放大倍数,需将单级放大器串接,组成多级放大器。阻容耦合两级放大电路•阻容耦合多级放大电路具有以下特点：•（1）各级放大电路的静态工作点相互独立，互不影响，利于放大器的设计、调试和维修。•（2）低频特性差，不适合放大直流及缓慢变化的信号,只能传递具有一定频率的交流信号。•（3）输出温度漂移比较小。•（4）阻容耦合电路具有体积小、重量轻的优点，分立元件电路中应用较多。但在集成电路中，不易制作大容量的电容，因此阻容耦合放大电路不便于做成集成电路。直接耦合两级放大电路•直接耦合电路的特点：•（1）各级放大电路的静态工作点相互影响，不利于电路的设计、调试和维修。•（2）频率特性好，可以放大直流、交流以及缓慢变化的信号。•（3）输出存在温度漂移。•（4）电路中无大的耦合电容，便于集成化。变压器耦合放大电路•变压器具有隔离直流、通交流的特性，因此变压器耦合放大电路具有如下特点：•（1）各级的静态工作点相互独立，互不影响，利于放大器的设计、调试和维修。•（2）同阻容耦合一样，变压器耦合低频特性差，不适合放大直流及缓慢变化的信号,只能传递具有一定频率的交流信号。•（3）可以实现电压、电流和阻抗的变换，容易获得较大的输出功率。•（4）输出温度漂移比较小。•（5）变压器耦合电路体积和重量较大，不便于做成集成电路。多级阻容耦合放大器的级联R11RC1C11C12R12CE1RE1uiR21+UCCRC2C21C22R22CE2RE2RLuori=ri1rori2uo1ui2前一级的输出电压是后一级的输入电压后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。Au=UoUi=Uo1UiUoUi2=Au1Au2总放大倍数等于各级放大倍数的乘积