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第 4 章 双极结型三极管及放大电路基础

第 4 章 双极结型三极管及放大电路基础. 4.1 晶体管 半导体三极管（ BJT ） ，又称 双极结型晶体管 ，通常称 晶体管 。. (a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管. 4.1.1 结构简介. 集电极. 基极. 发射极. NPN 管的电路符号. (a) NPN 型管结构示意图. 4.1.1 结构简介. 集电极. 基极. 发射极. PNP 管的电路符号. (b) PNP 型管结构示意图. 工艺特点：

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第 4 章 双极结型三极管及放大电路基础

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  1. 第4章双极结型三极管及放大电路基础 4.1 晶体管 半导体三极管（BJT），又称双极结型晶体管，通常称晶体管。 (a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管

  2. 4.1.1 结构简介 集电极 基极 发射极 NPN管的电路符号 (a) NPN型管结构示意图

  3. 4.1.1 结构简介 集电极 基极 发射极 PNP管的电路符号 (b) PNP型管结构示意图

  4. 工艺特点： 发射区为高浓度参杂区，基区很薄且 掺杂浓度很低，集电结面积大且掺杂浓度低 。 集成电路中典型NPN型BJT的截面图

  5. 4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏 集电结反偏 发射结正偏 1．BJT内部载流子的传输过程 三个区的作用（NPN）： 发射区：多子（电子）浓度高，负责向基区发射电子载流子。 基区：薄、掺杂浓度很低；负责传送和控制从发射区来的电子 载流子。 集电区：掺杂浓度低 ，负责收集经基区传输而来的发射区发射 的电子载流子。 条件：集电结反偏

  6. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 发射区：向基区发射载流子。 基区：传送和控制从发射区来的载流子。 集电区：收集经基区传输来载流子。 IE=IB+ IC

  7. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 （1）发射区向基区扩散载流子形成发射极电流IE 发射结正偏、内电场减小，E区多子（电子）扩散b区，形成IE；同时B区多子（空穴） E区，形成IEP。 故，IE= IEN+ IEP

  8. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 （2）载流子在基区扩散与复合，形成复合电流IBN 电子载流子经B区向C区扩散，其中一部分与b区的空穴复合，形成基极电流IBN。

  9. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 （2）载流子在基区扩散与复合，形成复合电流IBN 基极电流IBN，就是电子在基区中与空穴复合的电流，即有部分电子未达到C结，对C极收集电子载流子不利。 措施：基区薄，减小复合机会；掺杂低，即空穴少，使大部分电子到达集电结。

  10. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 （3）集电区收集载流子，形成集电极电流IC 集电结反偏，内电场加大，对电子有很强的吸引力，使其很快地漂移过集电结为集电区收集，形成集电极电流ICN。

  11. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 （3）集电区收集载流子，形成集电极电流IC 集电结反偏，b区少子（电子）和C区的 少子（空穴）在结电场的作用下，形成反向漂移电流ICBO。 故，IC= ICN+ ICBO IB= IEP+ IBN+ ICBO = IEP+ IEN - ICN+ ICBO = IE－IC

  12. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 注： ①C区面积大、掺杂低。与e区差别很大，故e极和C极不可互换。 ②BJT中有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管

  13. 为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.90.99。 2. 电流分配关系 根据传输过程可知 IE=IB+ IC IC= ICN+ ICBO 通常IC >> ICBO 放大状态下BJT中载流子的传输过程

  14. 根据 IC= ICN+ ICBO IE=IB+ IC ICEO= (1+  ) ICBO （穿透电流）  是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般>> 1 。 2. 电流分配关系 且令

  15. 3. 三极管的三种组态 BJT的三种组态 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； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。

  16. 若 vI = 20mV 使 iE = -1 mA， 当  = 0.98 时， 则 iC =  iE = -0.98 mA， 4. 放大作用 共基极放大电路 vO = -iC•RL = 0.98 V， 电压放大倍数

  17. 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。

  18. 共射极连接 4.1.3 晶体管的V-I特性曲线 表示各极电压与电流之间的关系曲线,是内部载流子运动的外部表现,更重要。 常用的有输入、输出特性曲线（可测量） 1．共射极电路的特性曲线 1）输入特性 以vCE为参变量时，iB和vBE间的关系 函数关系：iB=f (vBE)|vCE=常数 说明：  ①vCE= 0，b-e极相当于二极管; ②vCE≥1V，集电极反偏，吸引电子强，且集电结的空间电荷区变宽，基区变薄，复合机会减少，在同等vbe下，iB减小，曲线右移；vCE 再，曲线基本不变。

  19. 共射极连接 2）输出特性 输入电流iB一定，vCE 与iC 的关系。即： iC=f (vCE)|iB =常数 vCE1V，为非线性区域； vCE≥1V，为线性区域，模拟信号放大选用这一区域，但放大信号幅度过大，峰落在非线性区域，即造成“非线性失真”。

  20. 说明： ①曲线的起始部分很陡，受vCE的影响大。当vCE 1V后，曲线变得较平坦，符合电流分配原则。 ②输出曲线随iB的不同由多条基本相同的曲线组成，间隔较均匀；∵=ICIB ≈△ IC/△ IB在很宽的范围内基本不变。 ③ “基区宽度调制效应”：曲线随vCE的增加而略有上倾。原因： IB=20A IC=1.0mA βICIB=50 在VBE基本不变时，当VCEVCB集电极反偏 集电极空间电荷区 基区有效宽度 基区载流子复合机会略有；在iB不变时，iC略有加。

  21. 3）输出特性曲线分成三个区 输出特性曲线的三个区域: 饱和区—集电结正偏（集电区收集电子的能力很弱，电子堆积在基区，饱和） ， IC IB；当VCE =VBE（即VCB = 0），称为临界饱和。 截止区—IB  0 的区域（IE=IC=ICEO，管子并非完全截止，但一般ICEO很小） 放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。 ic/ib

  22. (3) 共基极直流电流放大系数 =（IC－ICBO）/IE≈IC/IE (1) 共发射极直流电流放大系数 =（IC－ICEO）/IB≈IC / IB  vCE=const 当ICBO和ICEO很小时， ≈、 ≈，可以不加区分。 共基极连接 共射极连接 4.1.4 BJT的主要参数 1. 电流放大系数 (2) 共发射极交流电流放大系数  =iC/iBvCE=const (4) 共基极交流电流放大系数α α=iC/iEvCB=const

  23. 4.1.4 BJT的主要参数 2. 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 只决定于温度和少子浓度，数值越小越好。硅管<锗管。 下标说明（以下极限参数亦如此）—CBO表示C极至B极的电流（或电压），o表示e极开路。

  24. 4.1.4 BJT的主要参数 2. 极间反向电流 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO （VCC加上后，集电结反偏、发射结正偏——少子漂移、多子扩散——一分复合，份被收集。） ∴ICEO=ICBO+βICBO=（1+ β）ICBO 说明： ①ICEO>ICBO，较易测得（小功率管中，锗：几十几百A；硅：几A） ②ICEO随温度的变化比ICBO更大。 ③ICEO大的管子性能也不稳定。

  25. 4.1.4 BJT的主要参数 3. 极限参数 (1) 集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE

  26. 4.1.4 BJT的主要参数 3. 极限参数 (3) 反向击穿电压  V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。  V(BR) EBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。 V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。 几个击穿电压有如下关系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR) EBO

  27. 4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响 1. 温度对BJT参数的影响 (1) 温度对ICBO的影响 温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。 (2) 温度对 的影响 温度每升高1℃，  值约增大0.5%~1%。 (3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响 温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。 2. 温度对BJT特性曲线的影响

  28. 思考题：在放大电路中，如何根据BJT的三个电极的电位，来判断此BJT是锗管还是硅管？其中哪个是基极b、哪个是发射极e、哪个是集电极C？是NPN管还是PNP管？思考题：在放大电路中，如何根据BJT的三个电极的电位，来判断此BJT是锗管还是硅管？其中哪个是基极b、哪个是发射极e、哪个是集电极C？是NPN管还是PNP管？ 答：1）Vbe=0.7V为硅管 Vbe=0.2V为锗管 2）NPN：VC VB VE PNP：VE VB VC ∴电压值在中间的是基极b，比基极高（或低）0.7V（或0.3V）的是发射极e，另外的一个电极为集电极C。 3）VB VE：NPN VE VB：PNP

  29. 作业： 4.1.1

  30. 4.2 基本共射极放大电路 放大的能量是由直流转换而来的——即放大电路是对能量的控制。 基本共射极放大电路 4.2.1 基本共射极放大电路的组成 特点： 交、直流共存，总的响应是两个单独响应的叠加。

  31. 基本共射极放大电路 交流通路 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理 直流通路 直流通路 交流通路 规定：瞬时值——iB； 交流分量——ib； 直流分量——IB； 三者之间的关系：iB= IB + ib

  32. 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理 1. 静态(直流工作状态) 输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。 静态时，BJT各电极的直流电流及各电极间的直流电压IB、 IC 、 VBE 、 VCE可在BJT的特性曲线上确定一个点，该点称为静态工作点，分别用IBQ、ICQ、 VBEQ、 VCEQ表示。其中VBEQ基本为定值硅管约为0.7V，锗管约为0.2V 直流通路 直流通路的画法：交流源置零；电容开路 VCEQ=VCC－ICQRc

  33. 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理 2. 动态(交流工作状态) 基本共射极放大电路 交流通路 输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时， vBE= VBEQ+ vbe→ iB= IBQ+ ib → iC= ICQ+ ic → vCE= VCC-iCRc = VCEQ+vce 交流通路—画法：直流电源置零、电容短路

  34. 4.3 放大电路的分析方法 静态：无输入信号时，电路中的电压、电流为静止直流。 动态：有输入信号中时，电路中各处的电压、电流随输入信号而变化。 方法：图解分析法；小信号模型分析法。 4.3.1 图解分析法 （1）静态工作点的图解分析 采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。 输入端管外电路 BJT 输出端管外电路 静态：vs0时，得到直流通路。

  35. 输入端管外电路 BJT 输出端管外电路 4.3.1 图解分析法 （1）静态工作点的图解分析 首先，画出直流通路  列输出回路方程（直流负载线） VCE=VCC－iCRc  列输入回路方程

  36.  在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。  在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。 最佳工作点：直流负载线的中点。

  37. 基本共射极放大电路 直流负载线：VCE=VCC－iCRc 或 注：静态工作点Q的数值与直流通路中的参数有关，当Rb、RC 、VBB、和VCC改变时，Q会改变，直流负载线也会改变。如： ① Rb变化：Ib（VBB- vBE）/Rb变，直流负载线不变，↖Q↘ ②Rc变化：–1/RC变化，直流负载线的斜率改变：← Q → ③VBBVCC变化：IB变化、斜率不变，直流负载线左、右平移，↙Q↗

  38. （2）动态工作情况的图解分析 动态：vs0时的工作情况；放大电路在动态情况下，交、直流共存于同一电路中 1．输入正弦波信号时的工作情况（图解法） 静态时：iB= IB；iC= IC；vCE= VCE 动态时：输入信号为

  39. 输入端管外电路 BJT 输出端管外电路  根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE、 iB的波形

  40. 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形

  41. 2. 动态工作情况的图解分析  共射极放大电路中的电压、电流波形 • vs和vce是反相的共射极放大电路的输出电压跟输入电压反相。

  42. 3. 静态工作点对波形失真的影响 截止失真的波形

  43. 3. 静态工作点对波形失真的影响 饱和失真的波形

  44. 4. 图解分析法的适用范围 幅度较大而工作频率不太高的情况 优点： 直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。 缺点： 不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。

  45. 例4.3.1 电路如图，设VBEQ=0.7V。（1）试从电路组成上说明它下图的主要区别。（2）画出该电路的直流通路与交流通路。（3）估算静态电流IBQ，并用图解法确定ICQ、VCEQ。（4）写出加上输入信号后，电压vBE的表达式及输出交流负载线。 1 (b)是原理图，不实用，信号源没有接地，易受干扰。（a）图信号源接地。 (a) (a)图中基极直流电源与集电极直流电源VCC合并，通过Rb提供基极偏流和偏压。 (a)Cb1和Cb2耦合电容，起隔直，通交的作用。称为阻容耦合共射极放大电路。 (b)

  46. 例4.3.1 电路如图，设VBEQ=0.7V。（1）试从电路组成上说明它下图的主要区别。（2）画出该电路的直流通路与交流通路。（3）估算静态电流IBQ，并用图解法确定ICQ、VCEQ。（4）写出加上输入信号后，电压vBE的表达式及输出交流负载线。 (2)直流通路画法：电容开路，交流源置零 (a)

  47. 例4.3.1 电路如图，设VBEQ=0.7V。（1）试从电路组成上说明它下图的主要区别。（2）画出该电路的直流通路与交流通路。（3）估算静态电流IBQ，并用图解法确定ICQ、VCEQ。（4）写出加上输入信号后，电压vBE的表达式及输出交流负载线。 (2)交流通路画法：电容短路，直流电源置0 (a)

  48. 例4.3.1 电路如图，设VBEQ=0.7V。（1）试从电路组成上说明它下图的主要区别。（2）画出该电路的直流通路与交流通路。（3）估算静态电流IBQ，并用图解法确定ICQ、VCEQ。（4）写出加上输入信号后，电压vBE的表达式及输出交流负载线。 （3）估算静态电流IBQ，并用图解法确定ICQ、VCEQ VCEQ=VCC－ICQRc=12-4ic

  49. N’ 交流负载线 N(0V,3mA) VCEQ=6V Q(VCEQ,ICQ) 直流负载线,斜率 -1/Rc M’ M(12V,0mA) VCEQ=VCC－ICQRc=12-4ic

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