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第二篇. 半导体三极管及其电路分析. 一、三极管的结构与类型. 半导体三极管又称为晶体管、三极管、双极型晶体管、 BJT 。. 1.2.1 三极管的结构、特性与参数. 三极管由 2 个背靠背的 PN 结组成，分为 NPN 型、 PNP 型。. 三极管又分为 硅 三极管、 锗 三极管。. c ： Collector 集电极 b ： base 基极 e ： emitter 发射极. NPN 型三极管. 采用平面管制造工艺，在 N ＋ 型底层上形成两个 PN 结。. 箭头表示发射结正偏时的实际电流方向。.

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Presentation Transcript

  1. 第二篇 半导体三极管及其电路分析

  2. 一、三极管的结构与类型 半导体三极管又称为晶体管、三极管、双极型晶体管、BJT 。 1.2.1 三极管的结构、特性与参数 三极管由2个背靠背的PN结组成，分为 NPN型、PNP型。 三极管又分为硅三极管、锗三极管。

  3. c：Collector 集电极 b：base 基极 e：emitter 发射极 NPN型三极管 采用平面管制造工艺，在 N＋型底层上形成两个PN结。 箭头表示发射结正偏时的实际电流方向。 工艺特点：e区掺杂浓度高，b区薄， c结面积大 。

  4. PNP型三极管 发射结正偏（VBE＜0）时，电流从b极流出。 在P＋型底层上形成两个PN结。

  5. 发射区向基区大量注入电子（多子）； 载流子运动 (以NPN管为例） • 新注入的电子小部分被基区的多子（ 空穴）复合； • 大部分注入的电子被拉入集电区。 • 集电结反偏，少子形成反向饱和电流ICBO。 条件（放大状态）： 发射结正偏(VBE＞0) 集电结反偏(VCB＞0)

  6. 三极管内部结构特点 • 发射区掺杂浓度远大于集电区，以尽可能多提供载流子； • 基区很薄，且掺杂浓度低，以减小载流子的复合机会； • 集电区结面积较大，以利于收集载流子。

  7. 对于PNP型三极管 三极管存在电流控制能力。

  8. 四种工作状态 发射结正偏，集电结反偏：放大工作状态 模拟电路 发射结反偏，集电结反偏：截止工作状态 数字电路 发射结正偏，集电结正偏：饱和工作状态 发射结反偏，集电结正偏：倒置工作状态 较少应用

  9. 三种基本组态 集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。 共基组态（CB） VBE＞0，发射结正偏，VCB＞0（∵VCC＞VBB），集电结反偏。所以三极管工作在放大状态。 输入：发射极 输出：集电极 公共端：基极(此处接地)

  10. 共集组态（CC） 共射组态（CE）

  11. 称为共基极直流电流放大系数， 共基组态时电流关系（放大状态） Je正偏，Jc反偏 定义 ICBO称为集电结反向饱和电流，其值很小，常可忽略。 一定条件下，输入/出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件

  12. 称为共射极直流电流放大系数， 共射组态时电流关系（放大状态） 定义 ICEO称为穿透电流，其值较小，也常可忽略。

  13. 共集组态时电流关系（放大状态） 无论哪种组态，输入电流对输出电流都具有控制作用，因此三极管是一种电流控制器件。并且共射和共集组态还具有电流放大作用。

  14. 二、三极管的伏安特性曲线 1. 共射极输入特性 基极电流iB与发射结电压vBE之间的关系 与PN结正向伏安特性曲线相似，当vCE＞1时，输入伏安特性基本不变。

  15. 2. 共射极输出特性 集电极电流iC与集-射间电压vCE之间的关系 输出特性曲线族 • 截止区 • 饱和区 • 放大区

  16. 截止区 发射结反偏，集电结反偏 硅0.5V，锗0.1V 等效电路

  17. 发射结正偏，集电结正偏 饱和区 ICS IBS VCES 其特征是iC随vCE下降而减小。当vCE不变时, 若增大iB, 则iC基本不变, 三极管失去放大能力。 当集电结零偏(vCB=0)时称为临界饱和。VCES称饱和压降，ICS称集电极饱和电流， IBS称基极临界饱和电流。 当iB＞IBS时，三极管进入深饱和

  18. 饱和区模型 等效电路 临界饱和：VCES＝0.7V 深度饱和：VCES≈0.3V 简化等效电路

  19. 放大区 发射结正偏，集电结反偏 特征是iC仅受iB控制，与vCE的大小无关，具有恒流特性。 等效电路

  20. PNP型三极管 vBE、vCE为负值 横坐标为-vBE、-vCE iB、iC的实际流向与NPN型管相反

  21. 三、三极管的主要参数 1. 电流放大倍数 • 共射极直流电流放大倍数 • 共射极交流电流放大倍数 β典型值为20～200 • 共基极直流电流放大倍数 • 共射极交流电流放大倍数 α典型值为0.95～0.995

  22. 集电结反向饱和电流 ICBO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时的反向饱和电流(μA级)。与单个PN结的反向电流一样，主要取决于温度和少子浓度。 2. 极间反向电流 • 穿透电流 ICEO是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。 ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，其值愈小愈好。ICBO和ICEO与温度密切相关。

  23. 集电极最大允许电流 ICM当iC超过ICM时，电流放大倍数β将显著下降。 3. 极限参数 • 集电极最大允许功耗 PCMPCM表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主要由管子所允许的温升及散热条件决定。当超过PCM时，管子可能烧毁。 • 反向击穿电压 超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击穿电压的大小不仅与管子本身的特性有关，还与外电路的接法有关。

  24. 安全工作区 4. 安全工作区与温度稳定性 由三极管的三个极限参数：PCM、ICM和V(BR)CEO，在输出特性曲线上可画出安全工作区 。

  25. 温度稳定性 • 输入特性：温度上升时，发射结电压下降（负温度特性）,温度系数约为-2.5mV/℃。 • 输出特性：温度上升时，输出特性曲线上移，间距增大。

  26. 1.2.2 三极管放大电路的组成原理 NPN管:放大器件，核心元件 Rb和Rc:提供适合偏置--发射结正偏，集电结反偏 C1、C2：隔直(耦合)电容。隔直流通交流。 一、放大电路的组成与各元件的作用 vs，Rs: 信号源电压与内阻 RL:负载电阻,将集电极电流的变化△iC转换为集电极与发射极间的电压变化△vCE 。 共射放大电路

  27. 二、放大电路的基本工作原理 • 静态(vi=0,假设工作在放大状态) 静态分析:又称直流分析，计算三极管的电流和极间电压值，应采用直流通路(电容开路)。 基极电流：IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb 集电极电流：IC=ICQ=βIBQ 集-射间电压：VCE=VCEQ=VCC-ICQRc 直流通路

  28. 动态(vi≠0) 输入电压变化会引起输出电压的变化，这时电路所处的状态称为动态。 vBE=VBEQ+vbe=VBEQ+vi iB=IBQ+ib iC=ICQ+ic=ICQ+βib vCE=VCEQ+vce=VCEQ-icR'L vo=vce=-icR'L 放大电路对信号的放大作用是利用三极管的电流控制作用来实现 ，其实质上是一种能量转换器。

  29. 符号表示 瞬时量 直流量(静态分量) 交流量(动态分量) 交流分量的有效值 峰值 • 大写大下标：直流量，如IB、 IBQ、VCEQ。 • 小写小下标：交流量，如ib、 vce、vi、vo。 • 小写大下标：瞬时量，如iB、 vCE。 • 大写小下标：交流量的有效值、峰值或 峰峰值，如Ib、Vo、 Vom 、 Vopp。 例： VCEQ＝8 V

  30. 构成放大电路的基本原则 • 放大电路必须有合适的静态工作点：直流电源的极性与三极管的类型相配合，电阻的设置要与电源相配合，以确保器件工作在放大区。 • 外加输入信号能有效地加到放大器件的输入端，使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比例变化。 • 经三极管放大后的输出信号（如ic=βib）应能有效地转变为负载上的输出电压信号。

  31. 1.2.3 电压传输特性和静态工作点 一、单管放大电路的电压传输特性 图解分析法 输入回路方程 输入特性曲线

  32. 输出回路方程 输出特性曲线

  33. AB段：截止区，对应于输出特性曲线中iB＜0的 BCDEFG段：放大区 GHI段：饱和区 • 作为放大应用时： Q点应置于E处（放大区中心） 若Q点设置C处，易引起截止失真 若Q点设置F处，易引起饱和失真 • 用于开关控制场合： 工作在截止区和饱和区上

  34. 二、单管放大电路静态工作点(公式法计算) • 单电源固定偏置电路 目的：选择合适的Rb，Rc，使电路工作在放大状态 前提:已知三极管的参数 设计时通常令: VBEQ=0.7V,VCEQ=VCC/2，ICQ=XmA 由此求两个偏置电阻

  35. 已知VCC=12V，VBE=0.7V，β=50。 (1)若Rb=280kΩ，RC=3kΩ，求静态工作点Q； (2)若Rb改为110kΩ，其余参数不变，重新计算Q值。 【例1.2.2】 解： (1) 假定工作在放大状态 假设成立。

  36. (2) 若Rb改为110kΩ 同样先假定工作在放大状态 110kΩ 假设不成立,电路处于饱和状态,需重新计算 说明电阻的改变会引起题中的静态工作点变化。单电源固定偏置电路不具有保持Q点稳定的能力。

  37. 在例1.2.2中，若β值未知，而已知输出特性曲线，则可用图解法以求Q点。在例1.2.2中，若β值未知，而已知输出特性曲线，则可用图解法以求Q点。 直流负载线方程： 从图中直接读出：ICQ＝2 mA，VCEQ＝6 V。与估算法结果基本相同。

  38. 工作点稳定的偏置电路 放大电路的Q点确定以后，希望Q点稳定不变。 电路工作原理 分压式偏置电路 分压式偏置电路的Q点与其参数(如β)无关, 也不受温度的影响。

  39. 稳定工作点的另一种解释 温度T↑→IC↑→IE↑→VE↑(=IERe) ↓(VB固定) IC↓IB↓VBE↓ (=VB-VE) 在静态情况下，温度上升引起IC增加，由于基极电位VB固定，该电流增量通过Re产生负反馈，迫使IC自动下降,使Q点保持稳定。 Re愈大，负反馈作用愈强，稳定性也愈好。但Re过大，输出的动态范围(ΔvCE)变小，易引起失真。 Rb1、Rb2愈小，VB愈稳定。但它们过小将使放大能力下降 。

  40. 工程设计时，应综合考虑电阻阻值的影响。 经验公式： I1=(5～10)IBQ VEQ=IEQRe=0.2VCC (或VEQ=1～3V)

  41. 已知VCC=15V, Rb1=36kΩ, Rb2=10kΩ, Rc=3.6kΩ, Re=2kΩ，β=60 ， VBE=0.7V。 (1) 估算法求Q点; (2) 验算电路参数是否满足Q点的稳定工作条件。 【例1.2.3】 解： (1)求Q点:

  42. (2) 验证电路参数是否满足Q点的稳定工作条件 满足I1 >> IBQ条件 满足VEQ=1~3V条件 ∴电路参数满足静态工作点的稳定工作条件。

  43. 设VBE=0.7V，β=75，其余参数如图中所示。 (1) 用估算法求Q点； (2) 用图解法求Q点。 【例1.2.4】 解： (1)估算法:

  44. (2) 图解法： 输出回路方程: 称为直流负载线方程 从图中直接读出: ICQ＝5.6mA，VCEQ＝6.4V。

  45. 设计一个PNP管的偏置电路，设VEB=0.6V,β=60，其余参数如图中所示。为使VECQ=2.5V,试确定基极偏置电阻Rb的值 。 【例1.2.5】 解： 或

  46. 1.2.4 三极管的放大与开关应用举例 为了用作放大器，三极管必须工作在放大区，外电路参数应保证电路工作在电压传输特性曲线的线性控制区。 • 第一步:进行静态分析， 求静态工作点； 一、用作放大器 • 第二步:动态分析，求放大倍数等动态参数。 图中 vI=VBB+vi 设 vi=0.5sinωt (V) 图1.2.14(a) p.34

  47. 静态分析（分析当vi＝0时的状态） 调节VBB值，使Q点位于E处。

  48. 动态分析（考虑vi变化时的状态） 先由输入特性曲线与vI求iB： vI=VBB+vi =1.6+0.5sinωt (V) ∴直线斜率保持不变，iB沿输入特性曲线正弦变化。 iB=IBQ+ib =35+20sinωt (μA)

  49. 然后由输出特性曲线与iC求vCE： ∴负载线保持不变，iB变化，工作点沿负载线正弦变化。 iC =ICQ+ic =1.5+0.8sinωt(mA) vCE=VCEQ+vce=10-6sinωt (V)

  50. 二、用作可控开关（或反相器） vI=0:三极管截止, iC=0, vO=20V vI=3V:三极管饱和 当输入方波信号时，三极管交替工作在截止区和饱和区，类似于一个可控开关。

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