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1、2023/4/141半导体BJT又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。图 三极管的外形第1页/共110页2023/4/142三极管的结构简介常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图三极管的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)becPNPNcSiO2b硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN第2页/共110页2023/4/143图 三极管结构示意图和符号(a)NPN 型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极 c基极
2、b发射极 eNNP第3页/共110页2023/4/144集电区集电结基区发射结发射区集电极 c发射极 e基极 bcbe符号NNPPN图 3.1.3三极管结构示意图和符号(b)PNP 型第4页/共110页2023/4/145BJT的电流分配与放大作用以 NPN 型三极管为例讨论图三极管中的两个 PN 结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部条件来保证。不具备放大作用第5页/共110页2023/4/146三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应
3、使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电区面积大。第6页/共110页2023/4/147becRcRb内部载流子的传输过程I EIB 1）发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2）复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。图 三极管中载流子的运动第7页/共110页2023/4/148becI EI BRcRb3）收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC
4、。I C另外，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。ICBO图 三极管中载流子的运动 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参参与导电，故称为双极型三极管。或与导电，故称为双极型三极管。或BJT(Bipolar Junction Transistor)。第8页/共110页2023/4/149beceRcRbICBOIEICIBIBnICn2.2.电流分配关系电流分配关系根据传输过程可知 IC=ICn+ICBOIB=IBn-ICBO通常 IC ICBOIE=IB+IC 为电流放大系数，与管子的结构
5、尺寸和掺杂浓度有关一般 =0.90.99第9页/共110页2023/4/1410根据IE=IB+IC可得 是另一个电流放大系数，同样，它也与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般 1第10页/共110页2023/4/1411一组三极管电流关系典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961.任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB IC 0 时的输入特性曲线当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩
6、散到基区的电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。*特性右移(因集电结开始吸引电子)OIB/A *UCE 1 V，特性曲线重合。图 三极管的输入特性UCE=1 V第18页/共110页2023/4/1419二、输出特性图 NPN 三极管的输出特性曲线IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321截止区放大区饱和区放大区1.截止区条件：两个结都处于反向偏置。IB=0 时，IC=ICEO。硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。截止区截止区第19页/共110页2023/4/14202.放大区条件：发射结正偏集电结反偏特点：各条输出特
7、性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321放大区集电极电流和基极电流体现放大作用，即放大区放大区对 NPN 管 UBE 0，UBC 0 UBC 0 特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。I C IB。当 UCE=UBE，即 UCB=0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0.2 V(锗管)饱和区饱和区饱和区第21页/共110页2023/4/1422例1:三极管工作状态的判断例：测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的
8、电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1 1）V VC C 6V6V V VB B V VE E 0V0V（2 2）V VC C 6V6V V VB B 4V4V V VE E （3 3）V VC C 3V3V V VB B 4V4V V VE E 3V3V解：原则：正偏正偏反偏反偏反偏反偏集电结正偏正偏正偏正偏反偏反偏发射结饱和饱和放大放大截止截止对NPN管而言，放大时V VCC V VB B V VE E （1）放大区（2）截止区（3）饱和区第22页/共110页2023/4/1423一、电流放大系数一、电流放大系数表征管子放大作用的参数，有以下几个：1.共射电流放大系数 2.共射直流电流
9、放大系数忽略穿透电流 ICEO 时，BJT的主要参数第23页/共110页2023/4/14243.共基电流放大系数 4.共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流 ICBO 时，和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：第24页/共110页2023/4/1425二、极间反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电路(b)ICEO测量电路ICBOcebAICEOAceb 小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。当 b 开路时，c 和 e 之间的电流。值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。
10、图 反向饱和电流的测量电路第25页/共110页2023/4/1426三、极限参数1.集电极最大允许电流 ICM BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。2.集电极最大允许耗散功率 PCM过损耗区安全 工 作 区 将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安全 工 作 区安全 工 作 区过损耗区过损耗区图 三极管的安全工作区第26页/共110页2023/4/14273.极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。
11、U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。安全工作区同时要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全 工 作 区ICM过流区图 三极管的安全工作区第27页/共110页2023/4/1428例2某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC IAIBICC为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。第28页/共110页2023/4/1429 例例3:3:测得工作在测得工作在放大电路中放大电路中几个晶体
12、管三个电极的电位几个晶体管三个电极的电位U U1 1、U U2 2、U U3 3分别为分别为：（1 1）U U1 1、U U2 2、U U3 3=12V=12V （2 2）U U1 1=-3V=-3V、U U2 2、U U3 3=-12V=-12V （3 3）U U1 1=16V=16V、U U2 2、U U3 3=5V=5V （4 4）U U1 1=-6V=-6V、U U2 2、U U3 3=-2V=-2V判断它们是判断它们是NPNNPN型还是型还是PNPPNP型？是硅管还是锗管？确定型？是硅管还是锗管？确定e e、b b、c c（1 1）U U1 1 b b、U U2 2 e e、U U3
13、 3 c NPN c NPN 硅硅 （2 2）U U1 1 b b、U U2 2 e e、U U3 3 c PNP c PNP 锗锗 （3 3）U U1 1 c c、U U2 2 b b、U U3 3 e NPN e NPN硅硅 （4 4）U U1 1 c c、U U2 2 b b、U U3 3 e PNP e PNP 锗锗分析：NPN：UBE0，UCB0，Uc Ub Ue PNP：UBE0，UCB0，Uc Ub rbe 与三极管的参数、rbe 无关。第67页/共110页2023/4/14682.放大电路的输入电阻引入 Re 后，输入电阻增大了。3.放大电路的输出电阻rbe ebcRcRLRb
14、+Rerbe bcRcRbRee将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL 开路，忽略 c、e 之间的内电阻 rce。RL图 2.4.14(b)第68页/共110页2023/4/1469解：（1）求Q点，作直流通路直流通路+-例：如图，已知BJT的=100，VBE=-0.2V。（1）试求该电路的静态工作点；（2）画出简化的小信号等效电路；（3）求该电路的电压增益AV，输出电阻Ro、输入电阻Ri。第69页/共110页2023/4/14702.画出小信号等效电路3.3.求电压增益求电压增益 300+（1+100）26/4=965欧RbviRcRL第70页/共110页2023/4/14714.4.求输入
15、电阻求输入电阻5.求输出电阻Ro=Rc=2KRbviRcRL第71页/共110页2023/4/1472工作点的稳定问题温度对静态工作点的影响 三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：1.UBE 改变。UBE 的温度系数约为 2 mV/C，即温度每升高 1C，UBE 约下降 2 mV。2.改变。温度每升高 1C，值约增加 0.5%1%，温度系数分散性较大。3.ICBO 改变。温度每升高 10C，ICBQ 大致将增加一倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。第72页/共110页2023/4/14731.温度变化对ICBO的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度T
16、 输出特性曲线上移温度T 输入特性曲线左移3.温度变化对 的影响温度T 输出特性曲线族间距增大总之：ICBO ICEO T VBE IB IC 第73页/共110页2023/4/1474射极偏置电路一、电路组成 分压式偏置电路由于 UBQ 不随温度变化，电流负反馈式工作点稳定电路T ICQ IEQ UEQ UBEQ(=UBQ UEQ)IBQ ICQ 第74页/共110页2023/4/1475二、静态与动态分析静态分析C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于 IR IBQ，可得(估算)静态基极电流Rb2Rb1IBQIRIEQICQ第75页/共110页20
17、23/4/1476电压增益电压增益输出回路：输入回路：电压增益：画小信号等效电路确定模型参数已知，求rbe增益动态分析第76页/共110页2023/4/1477输入电阻输入电阻根据定义由电路列出方程则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻第77页/共110页2023/4/1478输出电阻输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路网络内独立源置零负载开路输出端口加测试电压对回路1和2列KVL方程rce对分析过程影响很大，此处不能忽略其中则当时，一般（）第78页/共110页2023/4/1479共集电极电路和共基极电路三种基本接法共射组态CE共集组态CC共基组态CB第79页/共110页2023/4
18、/1480 三极管的三种组态三极管的三种组态BJT的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；第80页/共110页2023/4/14813.6.1 共集电极电路1.电路分析共集电极电路结构如图示该电路也称为射极输出器求静态工作点求静态工作点由得第81页/共110页2023/4/1482电压增益电压增益输出回路：输入回路：电压增益：画小信号等效电路确定模型参数 已知，求rbe增益其中一般，则电压增益接近于1，即电压跟随器第82页/共110页2023/4/1483输入电阻输入电阻根据定义由电路列出方
19、程则输入电阻当，时，输入电阻大输出电阻输出电阻由电路列出方程其中则输出电阻当，时，输出电阻小共集电极电路特点：电压增益小于1但接近于1，输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强第83页/共110页2023/4/14842.复合管作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe复合管也称为达林顿管第84页/共110页2023/4/1485复合管的组成原则q 在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作在放大区。q 为实现电流放大，将第一只管的集电极或发射极电流作为第二只管子的基极电流。第85页/共110页2023/4/1486结 论1.两个同类型的三极管组成复合管，其类型与
20、原来相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe=rbe1+（1+1）rbe2。2.两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe=rbe1。第86页/共110页2023/4/14873.6.2 共基极电路1.静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同第87页/共110页2023/4/14882.动态指标电压增益电压增益输出回路：输入回路：电压增益：第88页/共110页2023/4/1489 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻第89页/共110页2023/4/14903.三种组态的比较电压增益：输入电阻：输出电阻：第90页/共110页2023/4/14913
21、.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应 放大电路中，由于电抗元件及半导体三极管极间电容的存在，当输入信号的频率过高或过低时，放大倍数的数值会变小，而且会产生超前或滞后的相移。这说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系成为频率响应或频率特性。低频端耦合电容、旁路电容高频端极间电容、连线电容第91页/共110页2023/4/14923.7.1 单时间常数RC电路的频率响应1.RC低通电路的频率响应RC电路的电压增益（传递函数）：则且令又电压增益的幅值（模）（幅频响应）电压增益的相角（相频响应）增益频率函数第92页/共110页2023/4/1493频率响应曲线描述频率响应曲线描述幅频响应0分贝
22、水平线斜率为-20dB/十倍频程 的直线相频响应表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入因为所以第93页/共110页2023/4/1494第94页/共110页2023/4/14952.RC高通电路的频率响应RC电路的电压增益：幅频响应相频响应且令又则第95页/共110页2023/4/1496频率响应曲线描述频率响应曲线描述幅频响应0分贝水平线相频响应表示输出与输入的相位差输出超前输入因为所以第96页/共110页2023/4/1497第97页/共110页2023/4/14983.7.2 单极放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模模型的引出 rbe-发射结电阻re归算到基极回路的电阻 -发
23、射结电容-集电结电阻 -集电结电容 rbb-基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。互导第98页/共110页2023/4/1499模型简化混合型高频小信号模型第99页/共110页2023/4/14100又因为所以模型参数的获得模型参数的获得（与H参数的关系）低频时，混合模型与H参数模型等效所以又 rbe=rb+(1+)re 从手册中查出第100页/共110页2023/4/14101 的的频率响应频率响应由H参数可知即根据混合模型得低频时所以当时，第101页/共110页2023/4/14102共发射极截止频率 的的频率响应频率响应的幅频响应令则特征频率可求得Cbe第102页/共110页2023/
24、4/141032.共射极放大电路的高频响应型高频等效电路等效电路第103页/共110页2023/4/14104对节点 c 列KCL得电路简化忽略 的分流得称为密勒电容等效后断开了输入输出之间的联系第104页/共110页2023/4/14105最后第105页/共110页2023/4/14106高频响应由电路得电压增益频响又其中低频增益上限频率第106页/共110页2023/4/14107增益-带宽积BJT 一旦确定，带宽增益积基本为常数第107页/共110页2023/4/141083.7.3 单极放大电路的低频响应1.低频等效电路第108页/共110页2023/4/141092.低频响应按图参数计算中频增益当则下限频率取决于即第109页/共110页2023/4/14110感谢您的观看！第110页/共110页