第三章-双极结型三极管及放大电路基础

上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写电子技术基础模拟部分第三章双极结型三极管及放大电路基础上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写10:12:562第三章双极结型三极管及放大电路基础3.1半导体三极管（BJT—双结晶体管）3.2共射极放大电路3.3放大电路分析方法3.4放大电路的稳定工作点问题3.5共集电极和共基极放大电路3.7放大电路的频率特性3.6组合放大电路补充多级放大电路3.8差分放大电路（第六章内容）上海第二工业大学冯涛编写10:12:5733.1半导体三极管（BJT—双结晶体管）BJT（双极结型晶体管）是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，一般也称为半导体三极管。是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的。由于两个PN结之间相互影响，使三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。上海第二工业大学冯涛编写10:12:5741、三极管（BJT）的分类按照频率分：高频管、低频管按照功率分：小、中、大功率管按照材料分：硅管、锗管等按照结构:PNP管、NPN管3.1半导体三极管（BJT—双结晶体管）上海第二工业大学冯涛编写10:12:575集电结发射结NPN型CPNNEB发射区集电区基区基极发射极集电极BETCNPN2、基本结构和符号（1）NPN管上海第二工业大学冯涛编写10:12:576PNP型NPPEB基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCPNP（2）PNP管上海第二工业大学冯涛编写10:12:577NNPNPN型becbecPNP型PPN基极发射极集电极beciBiEiCbeciBiEiCNPN型三极管符号PNP型三极管符号发射极箭头表示：当发射结正偏时，电流的流向。发射极集电极基极集电极电流发射极电流上海第二工业大学冯涛编写10:12:578基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结Je集电结JcbecNNP基极发射极集电极集电区：面积最大问题：c、e两极可否互换？BJT结构特点上海第二工业大学冯涛编写10:12:579总结：（1）三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。（2）PNP型和NPN型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同，这个箭头方向表示发射结加正向偏置时的电流方向。使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。（3）实际应用中采用NPN型三极管较多。上海第二工业大学冯涛编写10:12:58103、三极管的基本接法共集电极接法：c作为公共端；b为输入端，e为输出端；共基极接法：b作为公共端，e为输入端，c为输出端。共发射极接法：e作为公共端；b为输入端，c为输出端；放大电路的组成：信号输入端，信号输出端，输入输出电路的共同端。（不是输入端/输出端的电极就是接法）上海第二工业大学冯涛编写10:12:58113.1半导体三极管（BJT—双结晶体管）三极管(NPN为例)要实现放大的条件：1、电源EB向发射结提供正向偏置，UBE0。发射结有明显的电流流过，锗管正向电压应(0.2~0.3)V硅管正向电压应(0.6~0.8)V，(正向导通压降)。2、电源EC向集电结提供反向偏置，UCB0。3、基区很薄、发射区的杂质浓度远高于基区、集电区的面积较大。上海第二工业大学冯涛编写10:12:58121、发射：发射结正偏，发射区有大量的自由电子越过发射结向基区扩散，而基区中的空穴向发射区扩散，形成发射极电流IE。(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2、复合:在扩散过程中，有部分电子遇到基区的空穴并和它复合。而在基区的电源的正极又不断从基区拉走电子，也就是不断的给基区供给空穴。形成了基极电流IB。复合掉的空穴由VBB补充。4、三极管内部载流子的运动过程上海第二工业大学冯涛编写10:12:58135、集电结加反向电压，集电结反偏，漂移运动形成集电极电流Icn，外电场的方向将阻止集电区的多子向基区运动，有利于将扩散到集电结的自由电子收集到集电极，形成集电极电流ICn。其能量来自外接电源VCC。4、集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。数值很小,可以忽略不计。三极管内部载流子的运动过程3、由发射区进入基区的电子，开始时都聚集在靠近发射结的一边，而靠近集电结一边的自由电子很少，由于浓度上的差别，自由电子将继续向集电结一方扩散。上海第二工业大学冯涛编写10:12:5814综合载流子的运动规律，三极管内的电流如图且分配如下。5、三极管的电流分配关系IC=ICn+ICBOIE=IC+IB三极管内部载流子的运动上海第二工业大学冯涛编写10:12:58156、晶体管的大系数CBOBCBOCIIIICEOBCBOBC)1(IIIII整理可得：ICBO称反向饱和电流ICEO称穿透电流（1）共射直流电流放大系数BCIIBEI）1（IVCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法上海第二工业大学冯涛编写10:12:5816直流参数与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，直流和交流的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。、（2）共射交流电流放大系数BCΔΔIIVCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法上海第二工业大学冯涛编写10:12:5917（3）共基直流电流放大系数ECnIICBOECBOCnCIIIII11或（4）共基交流电流放大系数ECΔΔii（5）、的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法这种比例关系是由管子内部结构决定的，一旦管子制成后，这种比例关系（、值）也就确定了。上海第二工业大学冯涛编写10:12:5918很多初学者都会认为三极管是两个PN结的简单凑合。这种想法是错误的，两个二极管的组合不能形成一个三极管。以NPN型三极管为例，两个PN结共用了一个P区—基区，基区做得极薄，只有几微米到几十微米，正是靠着它把两个PN结有机地结合成一个不可分割的整体，它们之间存在着相互联系和相互影响，使三极管完全不同于两个单独的PN结的特性。三极管在外加电压的作用下，形成基极电流、集电极电流和发射极电流，成为电流放大器件。上海第二工业大学冯涛编写10:12:5919从应用的角度来讲，可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后，它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了，用式子来表示就是：β称为三极管的电流分配系数，也叫电流放大倍数。三个电流中，有一个电流发生变化，另外两个电流也会随着按比例地变化。如：基极电流的变化量ΔIb=10μA，β=50，根据ΔIc=βΔIb的关系式，集电极电流的变化量ΔIc=50×10=500μA，实现了电流放大。上海第二工业大学冯涛编写10:12:5920mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100基极电路集电极电路IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据注意此处的实验电路是理想状态且没有电阻Rc，所以其交流放大倍数几乎不变化。上海第二工业大学冯涛编写10:12:5921上海第二工业大学冯涛编写10:12:5922上海第二工业大学冯涛编写10:12:5923通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是NPN型管，为了使晶体管具有放大作用，电源EB和ECC的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。设ECC=V1=12V；改变可变电阻R1，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如图。在这里考虑了电阻Rc，而实际上β会随着Uce增加的,因而β会变化。在本课程范围内可认为β不变化。基极电路集电极电路3.1半导体三极管（BJT—双结晶体管）上海第二工业大学冯涛编写10:12:5924截止：Vbe0.6V,Vce≈12V,Ib≈0,Ic≈0,Ie≈0截止：Vbe0.6V,Vce≈12V,Ib≈0,Ic≈0,Ie≈0放大：VcbVbe0.6V，0.3VVce12VbceIII放大：VcbVbe0.6V，0.3VVce12VbceIII82575807730854动态放大倍数bc..II121807854静态放大倍数bc.II上海第二工业大学冯涛编写10:13:0025556986399581010动态放大倍数bc..II放大：VcbVbe0.6V，0.3VVce12VbceIII放大：VcbVbe0.6V，0.3VVce12VbceIII1056391010静态放大倍数bc.II饱和：Vcb0V，Vbe0.6V，Vce0.3V，BCBCEIIIII;饱和：Vcb0V，Vbe0.6V，Vce0.3V，BCBCEIIIII;上海第二工业大学冯涛编写10:13:0026结论：(1)BCEIII符合基尔霍夫定律(2)IC和IE比IB大得多。从第二图和第三图的数据可得这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC。式中，称为动态电流(交流)放大系数。121807854bc.II1056391010bc.II82575807730854bc..II556986399581010bc..II上海第二工业大学冯涛编写10:13:0027(3)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置,集电区才可收集从发射区发射过来的电子。下图给出了起放大作用时晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。NPN型晶体管+UBECTEBIEIBIC+UCE+UBEIBIEICCTEB+UCEPNP型晶体管对于NPN型晶体管应满足：UBE0UBC0即VCVBVE对于PNP型晶体管应满足：UEB0UCB0即VCVBVE上海第二工业大学冯涛编写10:13:00287、晶体管的共射特性曲线uCE=0VuBE/ViB=f(uBE)UCE=const常数(b)当uCE≥1V时，uCB=uCE-uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，在同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。(a)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。（1）输入特性曲线uCE=0VuCE1VuBE/V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE上海第二工业大学冯涛编写10:13:0029若uCE增量不是1V，为0.1V时会如何？uCE1VuCE=0VuCE=0.7V上海第二工业大学冯涛编写10:13:0030(c)输入特性曲线的三个部分①死区②非线性区③线性区结论：整体是非线性的，局部可看作是线性的上海第二工业大学冯涛编写10:13:0031对应输入特性曲线某点（例如图中的Q点）切线斜率的倒数，称为三极管共射极接法（Q点处）的交流输入电阻，记作rbe,即：KIUrBBEbe点几1；约tan1上海第二工业大学冯涛编写10:13:0032输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线：IC=f(UCE)。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共发射极电路IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003