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1、第三章第三章 半导体三极管及其放大电路半导体三极管及其放大电路基础基础3.1 半导体三极管 3.2 基本共射极放大电路3.3 放大电路的静态分析 3.4 放大电路的动态分析3.5 静态工作点的稳定3.6 共集与共基极放大电路3.1 3.1 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管重要半导体三极管重要原因原因结构？结构？决定其重要作用决定其重要作用 电流放大作用（本章学习重点）电流放大作用（本章学习重点） 开关作用开关作用半导体二极管（第二章）半导体二极管（第二章） 双极型半导体三极管（第三章）双极型半导体三极管（第三章） 晶体管晶体管半导体三极管半导体三极管 单极型半导体三极管（第四章）单极型半
2、导体三极管（第四章） 3.1 3.1 半导体三极管半导体三极管 图 3 - 1 几种半导体三极管的外形 一、半导体三极管的基本结构及类型一、半导体三极管的基本结构及类型 3.1 3.1 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管一、半导体三极管的基本结构及类型一、半导体三极管的基本结构及类型 无论何种类型的双极型三极管，其结构内部都分NPN或PNP三层。由此它分两种类型两种类型:NPN型和型和PNP型型。其结构示意图和符号如图所示。BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管三三极管符号极管符号NPNCBEPNPCBE图 3 2 三极管的结构示意图和符号 无论是无论是NPN型或是型或是
3、PNP型的三极管型的三极管,它们的核心部分是它们的核心部分是两个两个PN结，分别称为发射结结，分别称为发射结BE和集电结和集电结BC。 三个区三个区: 发射区、基区和集电区发射区、基区和集电区, 并相应地引出并相应地引出 三个电极：发射极（三个电极：发射极（e)、基极、基极(b)和集电极和集电极(c)。 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 常用的半导体材料有硅和锗常用的半导体材料有硅和锗, 因此共有四种系列三极因此共有四种系列三极管类型。它们对应的型号分别为：管类型。它们对应的型号分别为： 3A(锗锗PNP)、3B(锗锗NPN)、 3C(硅硅PNP)、
4、3D(硅硅NPN) 。 二二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*1.三极管放大的两个条件：三极管放大的两个条件：1）内部条件：三个区（发射区、基区和集电区）的掺杂浓度与）内部条件：三个区（发射区、基区和集电区）的掺杂浓度与厚薄均不一样。两个厚薄均不一样。两个PN结的结面积不同。结的结面积不同。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。围绕内部结构阐述晶体管的电流放大作用：围绕内部结构阐述晶体管的电流放大作用： BECNNP基极基极
5、发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高二二、三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*2）外部条件：为使三极管具有电流放大作用，所加的外部电源）外部条件：为使三极管具有电流放大作用，所加的外部电源必须使两个必须使两个PN结偏置合适。结偏置合适。发射结（发射结（BE结）须正向偏置（有利于多子扩散）结）须正向偏置（有利于多子扩散）集电结（集电结（BC结）须反向偏置（有利于少子漂移）结）须反向偏置（有利于少子漂移）。 二二、三极管中的电流分配（内部载流子的
6、传输过程）三极管中的电流分配（内部载流子的传输过程）*2、三极管放大电路的构成：为使三极管电流放大作用得以实现，、三极管放大电路的构成：为使三极管电流放大作用得以实现，构成电路时三个电极发射极（构成电路时三个电极发射极（e)、基极、基极(b)和集电极和集电极(c)其中一个其中一个做小信号输入端做小信号输入端, , 一个作一个作输出端输出端，一个电极做，一个电极做公共端。从而构公共端。从而构成二端口网络，即输入、输出两个回路。成二端口网络，即输入、输出两个回路。具体有具体有三种接法（三种组态）：见下图三种接法（三种组态）：见下图共发射极接法，发射极作为公共电极，用共发射极接法，发射极作为公共电极
7、，用CECE表示；表示；共 集 电 极 接 法 ， 集 电 极 作 为 公 共 电 极 ， 用共 集 电 极 接 法 ， 集 电 极 作 为 公 共 电 极 ， 用 C CC C 表 示 ；表 示 ；共基极接法，基极作为公共电极，用共基极接法，基极作为公共电极，用CBCB表示。表示。三极管的三种组态三极管的三种组态 ：becIBIEIC(a) 共基极beIBIEIC(b) 共发射极beIBIEIC(c) 共集电极cc图 3 - 三极管的三种组态下面以共发射极组态为例下面以共发射极组态为例分析：分析：1）NPN型晶体管型晶体管2）依据）依据外部条件建立电路：外部条件建立电路：发射结（发射结（BE
8、BE结）须正向偏置结）须正向偏置输入回路输入回路（基极回路）（基极回路）集电结（集电结（BCBC结）须反向偏置结）须反向偏置输出回路输出回路（集电极回路）（集电极回路）发射极接地（原因）发射极接地（原因）3 3）V VCCCC(E(EC C) ) V VBBBB(E(EB B) ) BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。IB3、 三极管电流的形成与分配三极管电流
9、的形成与分配 (1)(1)发射：发射：发射区向基区发射（扩散）注入电子，形成发射极电发射区向基区发射（扩散）注入电子，形成发射极电流流I IE E 发射结正偏，有利于发射区和基区的多子扩散运动。发射发射结正偏，有利于发射区和基区的多子扩散运动。发射区向基区发射的电子所形成的电流区向基区发射的电子所形成的电流, ,称为电子注入电流称为电子注入电流I IENEN, ,基区基区向发射区扩散的空穴所形成的电流称为向发射区扩散的空穴所形成的电流称为I IEPEP。发射极电流发射极电流由两由两部分组成：部分组成：N N和和P P。因为发射区是重掺杂。因为发射区是重掺杂, ,基区浓度很小且基区浓度很小且很薄
10、，所以很薄，所以P P忽略不计忽略不计, , 即即N N。(2)扩散和复合：扩散和复合：电子在基区边复合边扩散，形成基极电流电子在基区边复合边扩散，形成基极电流I IB B 由发射区注入基区的电子称为非平衡少子，由于浓度差继续由发射区注入基区的电子称为非平衡少子，由于浓度差继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流流I IBNBN。基区空穴是由电源基区空穴是由电源提供的提供的,故它是基极电流的一部故它是基极电流的一部分。分。由于基区薄且浓度低，所以由于基区薄且浓度低，所以I IBNBN很小。很小。BECNNPEBRBEcI
11、E从基区扩从基区扩散来的电散来的电子漂移进子漂移进入集电结入集电结而被收集，而被收集，形成形成IC。ICICIB要使三极管能放大电流，必须使发射结要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。正偏，集电结反偏。(3)收集：收集：集电区收集从发射区扩散到基区的电子，形成集电极集电区收集从发射区扩散到基区的电子，形成集电极电流电流I IC C 由于集电结反偏，促进集电区和基区的少数载流子漂移运动。所以基区中扩散到集电结边缘的电子（非平衡少子）在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成收集电流收集电流I ICNCN。 同时集电区和基区内部本身原有的少数载流子也要向对方漂移运动，形成反向饱和电流
12、ICBO。 于是集电极电流于是集电极电流C C由两部分组成：由两部分组成： I IC CCNCNCBOCBO, , 由于两区本身原有的少数载流子数量极少，所以CBOCBO很小。并很小。并且其值受温度影响较大，与外部电压变化无关。且其值受温度影响较大，与外部电压变化无关。图 3 三极管中载流子的传输过程3、 三极管电流的形成与分配三极管电流的形成与分配 1. 载流子的传载流子的传输过程输过程(1) 发射。 (2) 扩散和复合。 (3) 收集。 IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb图 3 三极管中载流子的传输过程总结：总结：1.此放大过程的基础此放大过程的基础是放大的内部和外部是放大的内部
13、和外部条件条件2.此放大过程说明三此放大过程说明三极管内部有两种载流极管内部有两种载流子参与导电，故称为子参与导电，故称为双极性晶体管。双极性晶体管。 IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICnICBObIBn图 3 - 三极管电流分配 三、三极管各电极电流之间的数量关系三、三极管各电极电流之间的数量关系1.1. I IC CCNCNCBOCBO2.2.B=BN3.3.N NI ICNCN+I+IBN.BN.=I=IB B+I+IC C由于由于CNBN ,I ,IE EIICNCNIIC C实验表明实验表明:IC比比IB大数十至数百倍。大数十至数百倍。IB虽然很小，但对虽然很小，但对IC
14、有控制有控制作用，作用，IC随随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流起集电极电流IC较大的变化，表明基极电流对集电极具有小较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。 发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即说明CNBN。通常用共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 其定义为ECnEnCnIIII一般三极管的值为0.970.99。CBOECBOCnCIIIII通常CBO, 可将忽略, 由上式可得出 ECII三
15、极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即BCEIIICBOBCCIIII)(经过整理后得 CBOBCIII1111BCII令 称为共发射极直流电流放大系数称为共发射极直流电流放大系数。当当ICICBO时时,又可写成又可写成CEOBCBOBCIIIII)1 (则其中ICEO称为穿透电流, 即 CBOCEOII)1 (一般三极管的约为几十几百。太小, 管子的放大能力就差, 而过大则管子不够稳定。 表表3 - 1 三极管电流关系的一组典型数据三极管电流关系的一组典型数据 IB/mA -0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.
16、91IE/mA00.010.571.161.772.372.96ECECBIIIII,常数CEUBCII常数CBUECII1/1/ECECCECBCIIIIIIIII相应地, 将集电极电流与发射极电流的变化量之比, 定义为共基极交流电流放大系数, 即故 显然与, 与其意义是不同的, 但是在多数情况下, 。 例如, 从表3-1 知, 在mA附近, 设由mA变为mA, 可求得983. 077. 174. 1983. 016. 137. 214. 133. 25803. 074. 15 .5902. 004. 014. 133. 2BCBCIIII静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动
17、态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 = IC / IBIC = IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB ： IB + IBIC ： IC + IC = IC / IB一般认为：一般认为： = = ，近似为一常数，近似为一常数， 值范围：值范围：20100 IC = IB四、三极管的特性曲线四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）内部载流子运动的外部现）AmAVVIBICUCCUBBRcRbuBEUCE三极管共发射极特性曲线测试电路 四、三极管的特性曲线四、三极管的特性曲线(内部载流子运动的外部现）内部载流子运动的外部现）AmAVVIBICUCCUBBRcRbuBEUCE三
18、极管的特性曲线：表示三极管各电极电压与各电三极管的特性曲线：表示三极管各电极电压与各电极电流之间的关系曲线。极电流之间的关系曲线。它描述三极管的外特性。它描述三极管的外特性。 由其在具体电路中的接法由其在具体电路中的接法二端口网络二端口网络输入回路（输入回路（u uBEBE,i,iB B的关系的关系) )输出回路输出回路(u(uCECE,i,iC C的关系的关系) )1.1.输入特性：输入特性：当当不变不变时时, 输入回路中的电流输入回路中的电流与与电压电压之间的关系曲线称之间的关系曲线称为输入特性为输入特性, 即即 常数CEUBEBUfI)(IB / mAUBE / V00.20.40.6U
19、CE 0 VUCE 2 V图 3 - 三极管的输入特性 1 1）输入特性）输入特性I IB B 与与U UBEBE的关系曲线同二极管的伏安关的关系曲线同二极管的伏安关系曲线系曲线IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.7V2 2）在相同的）在相同的u uBEBE下，当下，当u u变化到变化到u u1 1后，各输入特性曲线基后，各输入特性曲线基本上重合并稳定。本上重合并稳定。 原因：原因：（1 1）u uCECE=0=0时：时：b b、e e间加正向电压，间加正向电压， JCJC和和JEJE都
20、正偏，都正偏， JCJC没有吸没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PNPN结的特性。结的特性。u uCECE=0V=0V： 两个两个PNPN结并联结并联(2) u(2) uCECE介于介于01V01V之间时，之间时，JCJC反偏不够，吸引电子的能力不够强。反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着随着u uCECE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，的增加，吸引电子的能力逐渐增强，i iB B逐渐减小，曲线逐渐减小，曲线向右移动。向右移动。 0u0uCECE1V:u1V1V时，时，b b、e e间加正向电压，这时间加正向电压，这时JEJE正偏，正
21、偏， JCJC反偏。发射反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被区注入到基区的载流子绝大部分被JCJC收集，只有小部分与基区收集，只有小部分与基区多子形成电流多子形成电流i iB B。所以在相同的。所以在相同的u uBEBE下，下，i iB B要比要比u uCECE=0V=0V时小。时小。 u uCECE1V1V： i iB B比比u uCECE=0V=0V时小时小 2.2.输出特性输出特性：当当i不变不变时时, 输出回路中的电流输出回路中的电流i与电压与电压u之间的关系曲之间的关系曲线称为输出特性线称为输出特性, 即即常数BICECUfI)(UCE / V5101501234饱和区截止区IB
22、 80 A60 A放大区IC / mA40 A20 A0 A图 3 - 三极管的输出特性 2.输出特性输出特性(iC与与uCE的关系曲线的关系曲线)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60 A=50其中每一条曲线规律：其中每一条曲线规律：1 1）0 0 u uCE CE 1 1：发射结正向偏置，集电结正向偏置：发射结正向偏置，集电结正向偏置2 2）u uCECE11：发射极正向偏置，集电结反向偏置：发射极正向偏置，集电
23、结反向偏置 3 3）曲线略向上倾斜）曲线略向上倾斜 具有恒流特性具有恒流特性总体曲线规律：总体曲线规律：i iC C=i=iB B 给给i iB B一定值，相对应有一条一定值，相对应有一条i iC C曲线。充分体现曲线。充分体现i iB B对对i iC C的控制作用，即体现晶体三的控制作用，即体现晶体三极管的放大作用。极管的放大作用。输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当UCE大于一定的数大于一定的数值时，值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB , 且且 IC = IB 。此区域此区域称为线称为线性放大区。性放
24、大区。此区域中此区域中UCE UBE,集集电结正偏，电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。此区域中此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区截止区 UBEICEO时, IC/IB。 优劣参数优劣参数3 共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的电流放大作用。 ECII4 共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流时, ECII5. 极间反向电流极间反向电流 A(a) ICBOICBOAICEO(b) ICEO三极管极间反向电流的测量 极限参数极限参数 1 集电极最大允许电流。 OIC与IC关系曲线 2 集电极最大允许功率
25、损耗。当三极管工作时, 管子两端电压为, 集电极电流为, 因此集电极损耗的功率为CECCUIP IB0.2 mA01020304050IC / mA102030UCE / V过流区0.81.00.60.4过压区过损耗区安全区工作区三极管的安全工作区 3. 反向击穿电压反向击穿电压 CBO发射极开路时, 集电极-基极间的反向击穿电压。 CEO基极开路时, 集电极-发射极间的反向击穿电压。 CER基射极间接有电阻时, 集电极-发射极间的反向 击穿电压。 CES基射极间短路时, 集电极-发射极间的反向击穿电压。 EBO集电极开路时, 发射极-基极间的反向击穿电压, 此 电压一般较小, 仅有几伏左右。
26、 上述电压一般存在如下关系： EBOCEOCESCBOBUBUBUBU六、温度对三极管参数的影响六、温度对三极管参数的影响 1. 温度对温度对UBE的影响的影响 CmVTUBE/5 . 2 2.温度对温度对ICBO的影响的影响 是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加, 故CBO也上升。其变化规律是, 温度每上升10, CBO约上升 1 倍。CEO随温度变化规律大致与CBO相同。 在输出特性曲线上, 温度上升, 曲线上移。 3 温度对温度对的影响的影响 随温度升高而增大, 变化规律是：温度每升高, 值增大.%。在输出特性曲线图上, 曲线间的距离随温度升高而增大。 综上所述：温度对、的影响, 均将使随温度上升而增加, 这将严重影响三极管的工作状态, 例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？USB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止区位于截止区 USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =50 0.019=0.95 mA ICS =2 mA ， Q位于饱位于饱和区和区(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）