1 / 67

第三章 半导体三极管及放大电路

第三章 半导体三极管及放大电路. 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组. 3 半导体三极管及放大电路. 3.1 半导体 BJT 3.2 共射极放大电路 3.3 估算法与图解分析法 3.4 小信号模型分析法 3.5 放大电路的工作点稳定问题 3.6 共集电极电路和共基极电路 3.7 放大电路的频率响应. 3 半导体三极管及放大电路. 主要内容 本章是本课程最重要的内容，因为模拟电路基础是放大电路。 1 、半导体三极管的工作原理、电流分配关系、特性曲线为学习放大电路打好基础。

lavada
Download Presentation

第三章 半导体三极管及放大电路

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第三章半导体三极管及放大电路 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组

  2. 3 半导体三极管及放大电路 • 3.1 半导体BJT • 3.2 共射极放大电路 • 3.3 估算法与图解分析法 • 3.4 小信号模型分析法 • 3.5 放大电路的工作点稳定问题 • 3.6 共集电极电路和共基极电路 • 3.7 放大电路的频率响应

  3. 3 半导体三极管及放大电路 • 主要内容 • 本章是本课程最重要的内容，因为模拟电路基础是放大电路。 • 1、半导体三极管的工作原理、电流分配关系、特性曲线为学习放大电路打好基础。 • 2、放大电路的组成。重点介绍了放大电路的分析方法 • 先静后动 • a、静态分析——估算法、图解分析法求 Q点 • b、动态分析——动态分析法图解法、小信号模型法求AVRiRo • 3、分析三种放大电路，共射、共集，共基。并对三种电路进行比较。 • 4、放大电路的重要指标——频率响应和带宽。

  4. 3 半导体三极管及放大电路 本章主要知识点 NPN管 PNP管 扩散 漂移半导体三极管的放大条件 放大作用 共射电流放大系数 共基电流放大系数 输入特性 输出特性 直流通路 交流通路 直流负载线 静态工作点 交流负载线 放大区 饱和区 截止区电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 共射、共基、共集幅频响应 相频响应转折频率 频率失真 低通电路 高通电路 波特图 高频响应 低频响应 带宽

  5. 3 半导体三极管及放大电路 • 上次课小结 • 二极管 • PN结 • 单向导电性 • 正偏外加电场削弱了内电场、有利于多子的扩散，不利于少子的漂移； • 反偏外加电场加强了内电场的作用，使漂移加快。

  6. C B E 3.1 半导体三极管（BJT） • 3.1.1 简介 • 1、结构：由两个相互联系的 PN结构成，其中一个称为发射结，一个称为集电结；两个PN结将一个三极管划为三个区域；各引出一个引脚。Bipolar Junction Transistor 集电极 collector 基极 base N 集电极 作用 收集少子——电子 P 基区 作用 传输载流子——电子 N 发射区 向基区发射多子——电子 作用 发射极 emitter

  7. c b e 3.1 半导体三极管（BJT） • 3.1.1 简介 • 1、结构 • 2、符号 箭头的方向是发射结正偏时，电流的方向 虽然发射区和集电区都是N型半导体，但发射区比集电区掺的杂质多，因此它们并不是对称的。 由于是N-P-N结构 ∴称为NPN三极管。

  8. c C b e B E 3.1 半导体三极管（BJT） • 同样将半导体材料另行组合，二块P，一块N，构成三极管，它也有两个PN结，两个PN结将三极管同样分为三个区，发射区、基区、集电区，称它为PNP三极管. P 集电极 作用 收集少子——空穴 N 基区 作用 传输载流子——空穴 P 发射区 向基区发射多子——空穴 作用

  9. 小功率封装 中功率封装 大功率封装

  10. 3.1 半导体三极管（BJT） • 3.1.2 三极管电流分配与放大原理 • 1. 放大的条件 • 为保证三极管能放大需满足内部和外部条件 • 1). BJT放大的内部条件 • a.发射区的掺杂浓度最高； • b.基区参杂很低，且基区很薄。 • 2). BJT放大的外部条件 • 发射结正偏，集电结反偏，这是安排放大电路的基本原则

  11. 1） BJT放大的内部条件 E B （1）发射区小，掺杂浓度大。 发射区 （2）集电区掺杂浓度低，集电结面积大。 基区 （3）基区掺杂浓度很低，且很薄。 集电区 C 平面型晶体管结构示意图

  12. 3.1 半导体三极管（BJT） • 2. 载流子的传输过程 • 三极管的放大作用是通过载流子的传输体现，以NPN为例，整个载流子的传输分三步： • ①发射区向基区注入电子； • ②电子在基区传输; • ③集电区收集电子。

  13. p n n IE c Inc IE 电子流 e ICBO IC VCC VEE IB b 3.1 半导体三极管（BJT） 放大电路必须满足：发射结正偏，集电结反偏 为放大电路添加偏置电压

  14. p n n IE c Inc IE 电子流 e ICBO IC VCC VEE IB b 3.1 半导体三极管（BJT） • 2. 载流子的传输过程 • 1）发射区向基区注入电子 • 发射结正偏，有利于多子的扩散运动。发射结大量的多子电子扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区。 • 电子形成的电流IE其方向与电子流动方向相反。

  15. p n n IE c Inc 电子流 IE e ICBO IC VCC VEE IB b 3.1 半导体三极管（BJT） • 2. 载流子的传输过程 • 2）电子在基区传输——电子在基区的扩散与复合 • 发射区电子注入基区后，在发射结边界积累起来，基区内有电子的浓度差，产生扩散运动，电子向集电结的方向扩散。在扩散同时有可能与基区空穴复合，这部分复合电子流形成了基极电流。 • 有多少电子被复合呢？基区做得很薄，使电子在基区中经过的路程很短，复合的载流子很少，大部分电子到达集电结 。

  16. n p n IE c Inc 电子流 IE e ICBO IC I’B VCC VEE IB b 3.1 半导体三极管（BJT） • 2. 载流子的传输过程 • 3）集电结收集电子 • 集电结反偏，加剧少子的漂移，阻止了多子扩散。在基区中来不及复合的电子，被这个电场很快的扫向集电区为集电区所收集，形成集电极电流Ic，电流的方向与电子流的方向相反。

  17. 3.1 半导体三极管（BJT） • 2. 载流子的传输过程——重复一遍 • 1）发射结正偏，有利于多子扩散阻止了少子漂移，发射区大量电子扩散到基区，使得靠近发射结一侧基区浓度很高； • 2）基区很薄，大量的多子（电子）向集电结扩散，仅很少电子与空穴复合，形成基极电流IB； • 3）集电结反偏，加速少子（电子）漂移，阻止多子扩散，使得基区中来不及 复合的电子被强电场拉到集电区，被集电区收集，形成电流IC。

  18. n p n IE c Inc 电子流 IE e ICBO IC I’B VCC VEE IB b 3.1 半导体三极管（BJT） 3. 电流分配关系 在载流子传输过程中，到达集电极电子与发射区注入基区的电子的比例，用 α表示，称为共基极电流放大系数。 （ α由三极管的制作工艺决定） 它等于什么呢？我们分析一下！ ∵集电结反偏,所以有反向饱和电流IS，在这里换用ICBO表示

  19. n p n IE c Inc 电子流 IE e ICBO IC I’B VCC VEE IB b 3.1 半导体三极管（BJT） 将三极管看成一个节点，有: • α——共基极电流放大系数，约为90%~99%。 • 到集电极电子只有90%~99%，可见电子有损耗，那怎么能说是放大了呢？什么是放大？

  20. 3.1 半导体三极管（BJT） • 4. 三极管放大电路的三种组态 • 共基极组态 • 输入是发射极，输出是集电极，基极是输入输出回路的共同端; • 共射极组态 • 输入是基极，输出是集电极，发射极是输入输出回路的共同端; • 共集电极组态 • 输入是基极，输出是发射极，集电极是输入输出回路的共同端。

  21. 3.1 半导体三极管（BJT） 三极管放大电路的三种组态

  22. IE IC n n p RL S IB 3.1 半导体三极管（BJT） • 5. 放大作用-与共基电路 • 什么是放大？ • 输入一个微弱的变化信号，能在输出端得到一个不失真的信号。 • 此放大电路是什么组态呢？它是共基组态——共基电路。

  23. IE IC n n p RL S IB 3.1 半导体三极管（BJT） • 输入端——发射极电流为IE， • 输出端——集电极电流为IC=αIE<IE • 电流变小了，怎么称为放大电路呢？ • 此电路虽没有电流放大作用，但它有电压放大作用。

  24. 3.1 半导体三极管（BJT） • 在发射极和基极之间回路上加入一个待放大的输入信号Δi • 若Δi =20mV • 发射结外加电压 EB =VEE+ Δi • 使发射极电流IE变化 ΔiE • 如ΔiE = 1mA • PN结的正向电压对电流的控制作用是很灵敏的。如右图，微小的Δi，可引起很大ΔiE变化。 iE ΔiE α=0.98 BE 又∵IC=αIE，ΔiC=αΔiE=0.98mA Δo=ΔiCRL =0.98mA×1kΩ=0.98(V) 0 Δi 放大作用

  25. 3.1 半导体三极管（BJT） 把变化的输出电压与输入电压之比称为电压放大倍数 虽然没有电流放大作用，却有电压放大作用。 控制关系 结论：三极管是电流控制器件，而表征三极管电流控制作用的参数就是电流放大系数α。

  26. + IC RL Δo IB - + Δi VCC S - IE VEE 3.1 半导体三极管（BJT） • 6. 放大作用——与共射电路 • 共射：b输入，c输出，e为输入输出共同端。 • 注意：放大电路一定要满足发射结正偏，集电结反偏 • 共射放大电路 输入电流是IB，输出电流是IC。

  27. 3.1 半导体三极管（BJT） • 又已知 变形得 令 当 集电极-发射极漏电流 or穿透电流

  28. 3.1 半导体三极管（BJT） 它只与温度有关，所以ICEO是影响管子稳定性的重要因素 选择三极管时，应选用 ICEO（反向穿透电流）小的   记忆 重要结论：发射区每向基区提供一个复合用的载流子，就要向集电区提供β个载流子。 一般β>>1（几十到几百范围）， 可见共射极放大电路具有较大的电流放大作用。

  29. 3.1 半导体三极管（BJT） 一组重要公式（熟练记忆） 三极管固定不变分配原则(不论有何种组态)

  30. 3.1 半导体三极管（BJT） 共射集电路它有没有电压放大作用呢？有！ 如果在输入端加入一个待放大的信号Δi =20mV， 发射结电压 BE =VEE+ Δi ∴基极电流 ΔiB也按Δi的规律变化， ΔiC也将随之改变。 设 α=0.98 当 Δi =20mV时，所引起基极电流的变化ΔiB =20μA， 在输出端引起的变化

  31. 3.1 半导体三极管（BJT） 共射集电路它有没有电压放大作用 Δi =20mV 在输出端引起的变化 放大作用 负号的意义：电压倒相，即Δi增加，则Δo减小 即Δi减小，则Δo增加

  32. 3.1 半导体三极管（BJT） 结论： 共射电路不但具有电流放大作用β>>1，而且还有电压放大作用AV>>1。所以它在电子技术中应用非常广泛，共射电路也是这门课学习的最重要的电路之一。 共射电路还有一个优点： 共射电路是以基流IB作为输入控制电流， 而共基电路以发射极电流IE作为输入控制电流， 用IB作为输入控制电流的好处是信号源消耗的功率很小

  33. 3.1 半导体三极管（BJT） • 思考题 • 1. 保证三极管处于放大的工作状态，其外部条件是什么？ • 2. 一个三极管和两个背靠背相接的二极管有什么区别？ • 3. 三极管放大电路有哪几组状态，每组状态，电路组成特点？ • 4. 共基电路有无电源电压放大作用？共射电路呢？ • 5. 为什么说三极管是电流控制器件，三极管的电流分配关系怎样？

  34. 3.1 半导体三极管（BJT） • 3.1.3 三极管的特性曲线 • 三极管和二极管一样是非线性元件，常用伏安特性（电流-电压关系）描述 • 三极管的电流-电压方程组是超越方程，求解非常复杂。只需掌握伏安特性的直观表示法——伏安特性曲线。 • 三极管有三个电极，其伏安特性不像二极管那么简单，在工程上要表示一个三极管的的伏安特性曲线，要用两张图结合起来，才能全面地表达清楚 • 1.三极管的输入特性（输入回路的伏安特性） • 2.三极管的输出回路（输出回路的伏安特性）

  35. + IC 基极电流 发射结电压 RL IB Δo - + VCC S Δi - IE VEE 3.1 半导体三极管（BJT） • 1.共射电路的特性曲线 • ①输入特性 • 电量小写字母、下标大写字母——交直流电量共有，这一点体现了我们这门课的特点既交流共存。 • 电量大写字母、下标大写字母——直流电量。 • 电量小写字母、下标小写字母——交流电量。

  36. 3.1 半导体三极管（BJT） • 对于相同的 ， 时吸引电子的能力强，在基区内复合的载流子少，即流向基区的电流 比原来 时减小了 • 输入特性有点像二极管的伏安特性不过它不是单一的指数关系。

  37. i i / mA μ = 100 A C B 4 80 3 60 2 40 1 20 0 0 6 8 v 2 4 / V CE 3.1 半导体三极管（BJT） • ②输出特性 输出特性曲线特点： a. 各条特性曲线形状相同 b. 每条输出特性起始部分很陡 （集电结反压增加，吸引电子能力增强， 增大） c．每条输出特性当超过某一数值时（约1V），变得平坦 d. 曲线比较平坦的部分，随vCE的增加而略向上倾斜。 （这是基区宽变效应）

  38. 3.1 半导体三极管（BJT） • 基区宽带变窄 变小 • 若 不变则 放大区 饱和区 截止区 输出特性分为三个区域：饱和区，放大区，截止区。

  39. i i / mA μ = 100 A C B 4 80 3 60 2 40 1 20 0 0 6 8 v 2 4 / V CE 3.1 半导体三极管（BJT） 输出特性曲线 2．共射极输出特性 饱和区 放大区 截止区

  40. i i / mA μ = 100 A C B 4 80 3 60 2 40 1 20 0 0 6 8 v 2 4 / V CE 3.1 半导体三极管（BJT） 输出特性曲线各区的特点： （1）饱和区 a. 发射结正偏，集电结正偏 饱和区 b. IC＜βIB c. VCE= VCES≈0.3V

  41. i i / mA μ = 100 A C B 4 80 3 60 2 40 1 20 0 0 6 8 u 2 4 / V CE 3.1 半导体三极管（BJT） （2） 放大区 a.发射结正偏≥0.7V，集电结反偏 b. IC=βIB 放大区 （3） 截止区 a.发射结偏置<0.7V，集电结反偏 b.IB≈0，IC≈0 , CE极间开路 截止区

  42. 3.1 半导体三极管（BJT） 2.共基电路的特性曲线 ①输入特性 ②输出特性

  43. 共射电流放大系数β，根据工作状态分为直流和交流：共射电流放大系数β，根据工作状态分为直流和交流： 直流共射电流放大系数β 3.1 半导体三极管（BJT） • 3.1.4 三极管的主要参数 • 1.电流放大系数 交流共射电流放大系数β

  44. 前面讨论的共射电流放大系数β，指的是直流工作状态，是直流电流放大系数β。前面讨论的共射电流放大系数β，指的是直流工作状态，是直流电流放大系数β。 但三极管常工作于有信号输入情况，基极电流产生变化量为ΔiB相对集电极电流变化量 ΔiC，则 ΔiC与ΔiB之比称为交流电流放大系数β。 在工程上，一般输出特性曲线较平坦，β=β； 所以两者经常混用 。 同样，共基电流放大系数也分为直流放大系数α和交流放大系数α，也经常混用α=α。 3.1 半导体三极管（BJT） • 3.1.4 三极管的主要参数 • 1.电流放大系数

  45. 3.1 半导体三极管（BJT） • 2.极间反向电流 • （1）集电极-基极反向饱和电流 ICBO，表示发射极开路时CB间加反偏时的反向电流。 • 它表明集电结单向导电质量显然 ICBO越小越好 • （2）集电极-发射结反向饱和电流 ICEO，又称为穿透电流ICEO ，表示基极开路CE间加上一定反向电压时的集电极-发射极电流。 • 由于ICEO比 ICBO大得多，测量起来比较容易，所以平时测量三极管时，常常把测量ICEO作为判断管子质量的重要依据。 ICEO随温度的增加而增加

  46. 3.1 半导体三极管（BJT） 3.极限参数 (1) 集电极开路时发射极——基极间反向击穿电压V（BR）EBO (2)发射极开路时集电极——基极间反向击穿电压V（BR）CBO (3)基极开路时集电极——发射极间反向击穿电压V（BR）CEO (4)集电极最大允许电流ICM (5)集电极最大允许功率耗散PCM

  47. iC 0 vCE 3.1 半导体三极管（BJT） 晶体管的安全工作区 等功耗线PC=PCM =uCE×iC ICM PCM 不安全区 安全区 V(BR)CEO

  48. 3.1 半导体三极管（BJT） • 本节重点 • 三极管的电流分配关系及放大原理，共射输入和输出特性，三极管测试方法，三极管器件手册查法。 • PN结的基础 • 介绍了两种非线性元件 • 二极管——单向导电性，正向导通反向截止；伏安特性曲线 • 三极管——电流控制器件，电流分配关系，共射输入输出特性曲线

  49. 3.1 半导体三极管（BJT） • 本节重点 • 记忆 • 我们这课的目标是利用这些条件如何接成电路,所以我们赶兴趣的只是它们的外特性。 • 要使三极管工作于放大状态要满足 发射结正偏 • 集电结反偏。

More Related