模拟电子技术基础第2章

它有空穴和电子两种载流子参与导电，故称双极型。分为硅管和锗管；大、中、小功率管；高频管和低频管。半导体三极管（简称三极管）就是一种能将直流能量转化为交流能量的器件，这样的器件也称为有源器件。第2章半导体三极管及基本放大电路半导体三极管又称为双极型三极管（BipolarJunctionTransistor，BJT）、晶体三极管，简称三极管，是最为常用的一种半导体器件。它是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于二极管单个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。本节将围绕三极管为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论三极管的结构、内部载流子的运动过程以及它的各极电流分配关系。2.1.1三极管的结构与符号[实物演示]各类三极管及其外形三极管按结构可分为NPN和PNP两类。三极管的结构：（硅平面型、锗合金型）三个区：基区、发射区、集电区三个极：基极、发射极、集电极三个结：发射结、集电结集电极集电结Jc发射结JeN基区P发射区P发射区cc发射极e基极bceb（a）结构示意图（b）符号PNP型三极管（a）结构示意图（b）符号NPN型三极管bccbee集电结Jc发射结JeP基区N发射区N发射区集电极cc发射极e基极b2.1.2三极管放大原理1．三极管的偏置放大电路中的三极管都需要提供直流电源，并得到一个合适的偏置。由于三极管有两个PN结，所以偏置的方式有四种：发射结正偏、集电极反偏；发射极反偏、集电结正偏；二结均正偏；二结均反偏。放大电路中的三极管的偏置应为发射结正偏、集电结反偏。NPN型三极管，UCUBUE；PNP型三极管，UCUBUE。ceR-+VEEcR-+VCCbecIBIEICeR-+VEEcR-+VCCbecIBIEIC（a）NPN型三极管的直流供电电路（b）PNP型三极管的直流供电电路三极管的直流供电电路之一bR-+VBBcR-+VCCbecIEIBICbR-+VBBcR-+VCCbecIEIBIC（a）NPN型三极管的直流供电电路（b）PNP型三极管的直流供电电路三极管的直流供电电路之二电子流少子漂移复合VEB+-ec-VEE+bReIENJcPJe+VCC-RC+UCB--ICIB图1.3.5NPN三极管内部载流子的运动2．三极管的电流分配关系半导体三极管内有两种载流子参于导电，故称为双极型三极管（BJT）。ICIBIEcbeICBOIBNNJePJcNIEICN三极管的电流分配关系由节点电流定律，有IE=ICN＋IBNIB=IBN－ICBOIC=ICN＋ICBO由上述三式可得IE=IB＋IC定义称为共基极直流电流放大系数，其值一般在0.95至0.995之间；定义称为共发射极直流电流放大系数,其值一般在几十至几百之间。ECNIINCNBIIβ由于ICBO一般很小，若忽略ICBO，则有IB≈IBNIC≈ICNIE=ICN＋IBN=IB＋ICECIIBCIIβ因此，且有BECIIIBE)1(II11β若考虑ICBO，则由上式得上式第二项用ICEO表示，即于是通常称ICEO为穿透电流，或集电极.发射极间反向饱和电流。CBOBCIII)1(CBOCEOII)1(CEOBCBOBCIIIII)1(管子各极的电流及方向如图所示。PNP型管的各极电流方向与NPN型管相反，但电流分配关系完全相同。三极管三个电极的电流中，IB最小，IE最大，IC≈IE,即IE＞IC＞IB。（a）（b）三极管各极的电流及方向（a）NPN型（b）PNP型cbeIEIBIC=βIBB+I=ICcbeIEIBIC=βIBB+I=IC2.1.3三极管的特性曲线和主要参数采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。三极管有三个电极，而且还有放大作用，所以它的特性曲线要比二极管复杂的多。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。bR-+VBBcR-+VCC+-+uBEiBiC-μAmVVmA+--+uCE测量三极管共射特性曲线的电路输入特性曲线反映了三极管输入端的电流iB和电压uBE关系，输出特性曲线则反映了三极管输出端的电流iC和电压uCE的关系。1.共射输入特性曲线三极管的共射输入特性曲线表示当管子的输出电压uCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即常数CEuBEBufi)(在一般情况下，当uCE较大（大于1V）时，三极管工作在正常放大状态，则uCE对iB的影响很小。因此，为使问题简单化，将只考虑保证uCE始终大于1V，但并不固定uCE为某一数值，其误差很小。0.6共射输入特性曲线1V0.5VuCE=0V0.20.40.8020406080iB(mA)20℃uCE(V)图1.3.9为某硅NPN管的共射输入特性曲线（1）uCE=0V时，相当于c、e极短路，这时三极管可以看为两个二极管的正向并联，因此uCE=0V的输入特性与二极管的正向特性相似，但更陡一些。（2）随着uCE的增大，曲线逐渐右移。这是因为随着uCE的增大，基区调宽效应使电子在基区与空穴的复合减少，在相同的uBE下iB减小，曲线右移。（3）uCE≥1V以后各条输入特性曲线密集在一起，几乎重合。由于在实际使用时，uCE一般总是大于1V的，因此通常只画出有用的uCE=1V的那条输入特性曲线。(4)一般硅管的│UBE│≈0.7V，锗管的│UBE│≈0.2V。(5)输入特性是非线性的。总之，三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e极间是正向偏置的PN结。2．共射输出特性曲线共射组态时，三极管的输出电流iC不但取决于输出电压uCE，而且与输入电流iB有关。三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线，即常数BiCECufi)(共射输出特性曲线ΔiＣ放大区uCE=uBEΔiBICEOiC(mA)uCE(V)02468101024680iB=140μA120μA100μA80μA60μA40μA20μA截止区饱和区20℃图1.3.10为某硅NPN三极管的共射输出特性曲线（1）曲线起始部分较陡，且不同iB曲线的上升部分几乎重合。这表明uCE很小时，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC几乎不受iB的影响。（2）当uCE较大（如大于1V）后，曲线比较平坦，但略有上翘。（3）输出特性是非线性的。由共射输出特性曲线，可以把三极管的工作状态分为三个区域：截止区、放大区、饱和区（1）截止区通常把iB=0（此时iC=iE=ICEO）的输出特性曲线以下的区域称为截止区。截止区的特点是各极电流均很小（接近或等于零），此时发射结和集电结均反偏，三极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之间近似看作开路。（2）放大区放大区指iB＞0和uCE＞uBE的区域，粗略看来就是图中曲线的平坦部分。在放大区，发射结正偏，集电结反偏。此时由于iC≈βiB，则iC随时iB而变化，即iC受控于iB（受控特性）；同时iC与uCE基本无关，即iC对uCE而言可近似看成恒流（恒流特性）。由于ΔiC＞＞ΔiB，所以三极管有电流放大的作用。曲线间的间隔大小反映出β的大小，即管子的电流放大能力。三极管只有工作在放大区才有放大作用。由于iC受控于iB，所以三极管是一种电流控制型器件。（3）饱和区饱和区指uCE＜uBE的区域，大致是图2.5.4中曲线靠近纵轴的区域。在饱和区，发射结和集电结均正偏，三极管也失去放大作用，iC=βiB不再成立。这时，iC随uCE而变化，却几乎不受iB控制，即：当uCE一定时，即使iB增加，iC却几乎不变，这就是饱和现象。由于三极管饱和时，各极之间电压很小，而电流却较大，呈现低阻状态，故各极之间可近似看成短路。饱和时的uCE称饱和压降，用UCE（sat）表示。小功率硅管│UCE（sat）│≈0.3V；小功率锗管│UCE（sat）│≈0.1V；大功率硅管│UCE（sat）│＞1V。uCE=uBE（即uCB=0，集电结零偏）时的状态称临界饱和，见图中的虚线，此线称临界饱和线。临界饱和线是饱和区和放大区的分界线，该线左方区域的uCE＜uBE（或uCB＜0），称为过饱和。应当指出，当uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，这时三极管发生击穿，击穿电压随iB的增加而减小。（未画）PNP型管的特性曲线是“倒置”的。2.2共射基本放大电路（basiccommonemitteramplifier）由单个三极管构成的放大电路称为基本放大电路。2.2.1共射基本放大电路的原理电路1．原理电路bR-+uicR-+VCCT+iBiC-+VBBuBE+-uO-+-uCE=uO共射基本放大电路原理电路该放大电路成立的条件是：（1）有正确的直流偏置，即发射结正偏、集电结反偏（接VBB和VCC）；（2）输入信号ui为小信号；（3）输入回路的交流与直流应相互叠加（ui与VBB串联连接）；（4）输出回路应有交流电压输出（接Rc）。bR-+uicR-+VCCT+iBiC-+VBBuBE+-uO-+-uCE=uO共射基本放大电路原理电路2.2.2单管共射放大电路的放大原理1、静态分析静态：把uI=0时放大电路的状态。此时分析的电路各量均为直流量有IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ=VCC-ICQRC称静态工作点。2、动态分析动态：把uI不为0时放大电路的状态。此时分析的电路各量是在直流量的基础上再加上交流量。输入端加入一个微小的变化量信号，在输出端得到一个较大的变化量信号，实现放大。由图可以看出，输入回路的外加电压uBE=VBB+ui=VBB+ΔUBE，这就引起发射结两端电压的变化，使发射极电流iE=IE+ΔIE，即在原来IE基础上变化了ΔIE。相应地，集电极电流iC=IC+ΔIC，基极电流iB=IB+ΔIB，分别在原来基础上变化了ΔIC和ΔIB。bR-+uicR-+VCCT+iBiC-+VBBuBE+-uO-+-uCE=uO在共射电路中，输入电流为基极电流iB，输出电流为集电极电流iC，输出电流变化量ΔIC与输入电流变化量ΔIB的比值称为共发射极交流电流放大系数，用β表示，即显然，和是两个不同的概念。但若在iC变化时基本不变（ICEO一般也认为不变）的条件下，由式得则BCIIBCII由于发射结正偏，发射结电阻较小，因此输入电压的微小变化ΔUBE就能引起基极电流的较大变化ΔIB；又ΔIC=βΔIB，故相应的集电极电流的变化ΔIC就很大。电路的输出电压ΔUO=ΔICRc，只要Rc阻值不很小，就能使输出电压ΔUO的幅度比输入电压ΔUBE大得多，且二者波形相同，因此，这个电路就具有电压放大作用。综上所述，共射电路既有电流放大作用，也有电压放大作用，因此它具有功率放大作用。“放大”的本质实际是指功率的放大或能量的放大。放大电路静态工作点的测量图中Rb为51kΩ电阻与470kΩ电位器相串联组成，Rc为1kΩ，RL为1kΩ，T为S9013。共射基本放大电路bRuicR-+VCCTIB+-uOC1++-C2+bRuicRVCCT+-uOC1++-C2++sR-+usLRiB+uBE-iC+-uCE1．静态情况理论上，静态时ui=0，三极管各极的电压和电流均为直流。VCC通过Rb使三极管的发射极导通，B、E两端的导通压降UBE基本不变（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V），因此有IC=βIBUCE=VCC－ICRc若Rb、VCC不变，则IB不变，因此，该电路称为恒流式偏置电路或固定偏流式电路。bRuicR-+VCCTIB+-uOC1++-C2+bRuicRVCCT+-uOC1++-C2++sR-+usLRiB+uBE-iC+-uCEbBECCBRUVI放大电路动态工作过程的测量与观察bRuicR-+VCCTIB+-uOC1++-C2+bRuicRVCCT+-uOC1++-C2++sR-+usLRiB+uBE-iC+-uCE2．动态情况各点波形图ωtui（mV）OUimIbmωtiB（μA）IBIcmωt