4

半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)

4．1半導(dǎo)體BJT4．1．1結(jié)構(gòu)NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型ECBPPNEBCECBPNP型2、分類(lèi)：按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分高頻管低頻管按功率分小功率管<500mW中功率管500mW

1W大功率管>1W1、結(jié)構(gòu)與符號(hào)3、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

b薄（基區(qū)?。琫濃（摻雜濃度大），c大（集電區(qū)大）1.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程ICNIEIBN基區(qū)空穴來(lái)源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO

4．1．2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子：be正偏，發(fā)射結(jié)勢(shì)壘由Vo減小到Vo-VEE，e區(qū)電子擴(kuò)散到b，形成IEN，b區(qū)空穴擴(kuò)散到e形成IEP,有IE=

IEN+IEP

IEN,IEP忽略（e濃）2）電子在b區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合：基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)電子濃度高，向集電結(jié)擴(kuò)散，在此過(guò)程中多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散形成ICN。少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBN。且VEE不斷從b拉走電子，好象給b不斷提供空穴，形成IB，復(fù)合掉的電子越多，到達(dá)c區(qū)的越少，所以要求b區(qū)薄。

。IEPIENIC=ICN+ICBO3）集電極收集擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子：集電結(jié)bc加反向電壓，勢(shì)壘由Vo增加到Vo+Vcc，c區(qū)電子和b區(qū)空穴難以通過(guò)，而對(duì)b區(qū)靠近c(diǎn)區(qū)的電子吸引力很強(qiáng)，電子漂移過(guò)集電結(jié)，形成ICN，同時(shí)基區(qū)少子電子和集電區(qū)空穴在此電場(chǎng)下反向漂移形成反向飽和電流ICBOICNIEIBNI

CBOIBIC

2．電流分配關(guān)系：

IES：發(fā)射結(jié)反向飽和電流集電極電流是發(fā)射極電流的一部分，常用一系數(shù)（共基極電流放大系數(shù)）表示，接近于1但小于1，所以ic=iE

根據(jù)KCL：iE=ic+iB

iB=（1－）iE

3.放大作用：BJT的基本應(yīng)用e、b間加一△VI信號(hào)，VEB=VEE+△VI，IE產(chǎn)生△iE的變化，PN結(jié)的電流受電壓影響顯著，很小的△VI引起很大的△iE，根據(jù)ic=iE，產(chǎn)生△iC，在Rc（Ro）產(chǎn)生△VO如△VI=20mV，產(chǎn)生△iE=-1mA，=0.98,RL=1K,則△ic=△iE=-0.98mA△VO=-△ic×RL=0.98V(共基極)也即很小的輸入電壓引起輸出電壓很大的變化Av=△VO/△VI=－△ic=△iE=0.98mA△VO=－△ic×RL=－0.98×1K=－0.98V4.共射極連接方式：發(fā)射極公共端，基極輸入，集電極輸出基極加△VI=20mV，設(shè)=0.98,RL=1K,則△iB=20A，△iE=△iB/（1-）==1mA特點(diǎn)：1）分析的是Ic～I(xiàn)B的關(guān)系

2）iB作為輸入信號(hào)，信號(hào)源消耗功率小

3）電流放大系數(shù)為，遠(yuǎn)大于1，且ic>>iB

電壓、電流放大

4．1．3特性曲線(xiàn)

（電壓～電流的關(guān)系曲線(xiàn)，是內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。）

1．共射極電路的特性曲線(xiàn)

觀察輸出特性起始部分：很陡，VCE略增加，ic增加很多，原因?yàn)榧娊Y(jié)反向電壓小，對(duì)基區(qū)吸引力不夠Ic受VCE影響大.VCE略增加，ic變化很多1）輸入特性iB=f（VBE）∣vCE=常數(shù)

2）輸出特性ic=f（VCE）∣iB

=常數(shù)

平坦上翹部分：VCE超過(guò)一定數(shù)值后，集電結(jié)電場(chǎng)足夠強(qiáng)，能使到達(dá)基區(qū)的電子大部分到達(dá)集電區(qū)，VCE再增加，ic增加不多。改變iB，得到一條輸出特性曲線(xiàn)上翹：基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，VCE=VCB+VBEVBE一定，VCE↑，VCB↑，基區(qū)有效寬度↓，iB不變，iC↑

鍺管：輸入特性較硅管左移

2．

共基極電路的特性曲線(xiàn)1）輸入特性：iE=f（VEB）∣VCB=常數(shù)

VCB=0時(shí)，相當(dāng)于二極管的正向伏安特性

VCB=某一常數(shù)時(shí)，特性向左平移，原因：集電結(jié)反偏，注入基區(qū)的載流子有更多數(shù)目到達(dá)集電區(qū)，iE略增加

2）輸出特性

iE=0，發(fā)射極不發(fā)射電子，ic=iCBO

iE=iE1，發(fā)射極電流由0增到iE1，ic=iE1

外加VCB=0時(shí)，Ic≠0是由于集電結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的存在，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子仍可能被集電區(qū)收集，而共射電路中，VBE=0.7V，VCE=VCB+VBE

共射、共基各自特點(diǎn)：

1）輸入2）輸入、輸出關(guān)系3）電流放大系數(shù)4）應(yīng)用共射：基極電流iB

iC與iB

電壓電流放大共基：發(fā)射極電流iE

iC與iE

電壓放大如VCE↓→VCB↓→收集電子能力↓，如VCE繼續(xù)↓→使VCB變負(fù),VBC反偏變正偏，阻止基區(qū)過(guò)來(lái)的電子。1．電流放大系數(shù)：直流交流2.

極間反向電流1）

集—基反向飽和電流ICBO。大小決定于T。少子濃度一般很小,小功率硅管1A鍺管10A。如在輸出特性曲線(xiàn)上，IB從40A↑60A，

iC=2.3－1.5=0.8mA,在線(xiàn)性部分且輸出特性曲線(xiàn)間距基本相等并忽略ICEO的情況下4．1．4三極管的主要參數(shù)（2）集—射反向飽和電流ICEO(穿透電流)

ICEO=ICBO+ICBO=(1+)ICBOCE加正向電壓,使發(fā)射結(jié)分配有正向電壓、集電結(jié)反向電壓。

3.

極限參數(shù)⑴、集電極最大允許電流ICM

超過(guò)，性能下降,甚至燒壞。⑵、集電極最大允許功耗

PCM=iCVCE

集電結(jié)上允許功耗的最大值。溫度越高PCM值越小。硅管上限1500C,鍺700C。大部分電子到達(dá)集電區(qū),每向基區(qū)提供一個(gè)復(fù)合用載流子即向集電區(qū)提供個(gè)。發(fā)射區(qū)多子電子擴(kuò)散到B,與集電區(qū)漂到基區(qū)的少子空穴復(fù)合,形成ICBO。⑶、反向擊穿電壓

①

V(BR)EBO

集電極開(kāi)路時(shí),e—b間反向擊穿電壓,通常在加入大信號(hào)或開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)。就是發(fā)射結(jié)本身的反向擊穿電壓。②V(BR)CBO

發(fā)射極開(kāi)路,c－b間反向擊穿電壓,決定于集電結(jié)的雪崩擊穿電壓,數(shù)值較高③V(BR)CEO

基極開(kāi)路,c－e間反向擊穿電壓,VCE↑,ICEO↑,

集電結(jié)雪崩擊穿,大小和ICEO有關(guān)

V(BR)EBO﹤V(BR)CEO﹤﹤V(BR)CBO

實(shí)際應(yīng)用中e－b間接有電阻,c－e間擊穿電壓V(BR)CER﹥V(BR)CEO

當(dāng)電阻R→0,V(BR)CEO最大,用V(BR)CES表示,且V(BR)CES≈V(BR)CBOV(BR)CBO﹥V(BR)CES﹥V(BR)CER﹥V(BR)CEO

4.1.5溫度對(duì)BJT參數(shù)及特性的影響前述為固定偏置電路，Q點(diǎn)由IB決定（偏流），即Rb決定。當(dāng)T↑，或換管子時(shí)，Q變化，所以討論穩(wěn)定工作點(diǎn)問(wèn)題。

1溫度對(duì)BJT參數(shù)的影響

1）T↑ICBO↑→ICEO↑→IC↑

2）T↑擴(kuò)散↑→↑0.5℅—1℅，輸出特性間隔變大4.T↑V(BR)EBO，V(BR)CEO

↑3）T↑VBE↓硅：－2.2mV/通過(guò)Ib↑影響Ic↑放大元件,iC=

iB。要保證集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏,使T工作在放大區(qū)。使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)幕鶚O電流。基極電源基極電阻4．2基本共射極放大電路

4.2.1．基本共射極放大電路組成：參考點(diǎn)集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。信?hào)源4.2.2工作原理：靜態(tài)：當(dāng)vs=0時(shí)，電路中電壓、電流只有直流，稱(chēng)為直流工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)靜態(tài)1．靜態(tài)（直流工作狀態(tài)）VBE：ICQ=βIBQ

VCEQ=VCC-ICQ×RC直流通路：在電路中只考慮直流信號(hào)作用。要獲得直流通路:應(yīng)將電路中電容開(kāi)路。2．動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：加入vs

,電路中電壓、電流處于變化狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)態(tài).當(dāng)vi加到輸入端，引起iB變化，ic變化，ic在Rc上產(chǎn)生壓降，vce=Vcc-icRc3．

直流偏置的重要性：直流偏置給三極管正常放大提供合適的工作點(diǎn)，工作點(diǎn)不合適，輸出失真交流通路：在電路中只考慮交流信號(hào)作用。要獲得交流通路，應(yīng)將電容短路，直流電壓源短路，直流電流源開(kāi)路。圖示工作原理：靜態(tài)動(dòng)態(tài)uit單電源供電時(shí)常用的畫(huà)法后一頁(yè)前一頁(yè)RBEBRCC1C2T++ECvo+–vi+–RSvs+–RL++––可以省去Rb參考點(diǎn)+VCC輸入輸出返回

2）小信號(hào)模型分析法：在一定條件下（如小信號(hào)或非線(xiàn)性影響甚微），晶體管等非線(xiàn)性元件可用線(xiàn)性參數(shù)表示1）

圖解法：利用晶體管輸入、輸出特性曲線(xiàn)，將電路分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)刹糠?，用直線(xiàn)和曲線(xiàn)圖解表示，動(dòng)態(tài)過(guò)程用V、I隨時(shí)間變化的波形表示。4.3放大電路的分析方法：

4．3．1圖解分析法<1>．

靜態(tài)工作點(diǎn)圖解分析一、由輸入特性和求IB和VBE。1）畫(huà)出輸入特性2）由求出兩特殊的點(diǎn)兩交點(diǎn)即為其Q點(diǎn)。IBVBEVBBQVBEQIBQICUCE二、由輸出特性確定IC和VCE。VCE=VCC–ICRC

直流負(fù)載線(xiàn)直流負(fù)載線(xiàn)斜率VCCQ由IB確定的那條輸出特性與直流負(fù)載線(xiàn)的交點(diǎn)就是Q點(diǎn)，得到靜態(tài)值Ic和UCE并由此找出兩特殊點(diǎn)作一直線(xiàn)VCE=0,Ic=Vcc/RcIC=0，VCE=Vcc③

Vcc：Vcc↑，負(fù)載線(xiàn)向上平移Q→Q3

Vcc↓，負(fù)載線(xiàn)向下平移②

Rc：Rc↓→N點(diǎn)上移至L,Q→Q2Rb↑，IBQ↓如Q→Q1三、電路參數(shù)對(duì)直流負(fù)載線(xiàn)和靜態(tài)工作點(diǎn)影響①

Rb變化：IB=Vcc/Rb

，Rb↓，IBQ↑

<2>動(dòng)態(tài)工作情況的圖解分析1．

Vi為正弦信號(hào)時(shí)工作情況⑴、由Vi在輸入特性上求iB設(shè)vi=0.02Sinωtbe間在VBE上疊加一個(gè)交流分量，vi由輸入特性畫(huà)出對(duì)應(yīng)iB

(2)、根據(jù)iB在輸出特性求iC和vCE

ib在20A～60A變動(dòng)時(shí),Q點(diǎn)在和間移動(dòng),和間直線(xiàn)段是工作點(diǎn)移動(dòng)軌跡,稱(chēng)為動(dòng)態(tài)工作范圍。(3)、幾點(diǎn)討論①、電壓、電流iB=IB+ib

iC=Ic+iC

vCE=VCE+vce

瞬間值在變,但電壓、電流方向不變。②、VCE中的交流分量遠(yuǎn)比Vi為大,且同為正弦波,體現(xiàn)放大作用③、Vo與Vi反相共射電路—反相電壓放大器。

2.交流負(fù)載線(xiàn):輸出接RL

作法:先畫(huà)出直流負(fù)載線(xiàn)NM,求出Q①、畫(huà)出交流通路:耦合電容短路,直流電源內(nèi)阻小短路v1v2電壓動(dòng)態(tài)工作范圍=min（v1，v2）

iB1iB2ic1ic2ib動(dòng)態(tài)工作范圍=min（ib1，ib2）iC動(dòng)態(tài)工作范圍=min（iC1，iC2）④、平移L’

M與Q點(diǎn)重合。⑤、在交流負(fù)載線(xiàn)上求出動(dòng)態(tài)工作范圍。③、根據(jù)VCE=VCC－ICRL’計(jì)算點(diǎn)

連接L’

M②、求出交流負(fù)載線(xiàn)的另一求法：1）列出交流負(fù)載線(xiàn)方程：vCE=VCE+vce2）根據(jù)交流通路有

vce=-ic（RL//Rc）=-

icRL’

而ic=ic-Ic

所以，vce=-（ic-Ic

）RL’

3）將vce=-（

ic-Ic

）RL’

代入vCE=VCE+vce有

vCE=VCE—（ic-Ic

）RL’

4）令ic=0有vCE=VCE

+IcRL’

得X軸上一點(diǎn)A5）連接A與Q點(diǎn)，即為交流負(fù)載線(xiàn)。本例：前已求出Q點(diǎn)：

IB=40μA，IC=1．5mA，VCE=6VvCE=VCE—（

ic-Ic

）RL’中令ic=0有vCE=VCE

+IcRL’=6+1．5mA×2K=9VA1．

近似估算靜態(tài)工作點(diǎn)Q（靜態(tài)時(shí)各電極上電流、電壓值）Ic=

IＢ=40×40

A=1.6mAVCE=VCC－ICRC=12－1.6mA×4K=6.4VIB=

交流通路直流通路例4.3.12.圖解法VCE=VCC－ICRCVCE=12－4ICQ轉(zhuǎn)移特性VCE=12－2IC連接L’，M并平移到Q點(diǎn)1）飽和區(qū):bc,be均正偏(Vce﹤0.7V)Q點(diǎn)上移，Vce→0e發(fā)射有余,c收集不足,IcIBIcs=Vcc/Rc,IB﹥IBS=Ics/Vces

：鍺0.1,硅0.3,VBE=0.7V3。三極管三個(gè)工作區(qū)(用Q點(diǎn)移動(dòng)解釋)3）截止區(qū):be、bc均反偏,VBE≤0(實(shí)際﹤0.5V就認(rèn)為截止)

Ic=ICEO≈0VCE=VCCIB=0以下區(qū)域2）放大區(qū):be正偏,bc反偏,IC=IBVBE=0.7V4）飽和失真:由于工作點(diǎn)設(shè)置過(guò)高,使輸出失真。5）截止失真:工作點(diǎn)設(shè)置過(guò)低,使輸出失真。3)T的BE反偏，T截止，Ic=02）IB=（15-0.7)/680K=0.021mA

Ic=0.021×100=2.1mA放大1）Ics=15/5K=3mAIB=(15-0.7)/50K≈0.3mAIc=IB×?=0.3mA×100=30mAT飽和，Ic=Ics=3mA<3>靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)波形失真的影響

因工作點(diǎn)不合適或者信號(hào)太大使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線(xiàn)上的線(xiàn)性范圍，從而引起非線(xiàn)性失真。1.“Q”過(guò)低引起截止失真NPN管：頂部失真為截止失真。PNP管：底部失真為截止失真。不發(fā)生截止失真的條件：IBQ>Ibm

。2.“Q”過(guò)高引起飽和失真uCEiCtOOiCO

tuCEQV

CCICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不接負(fù)載時(shí)，交、直流負(fù)載線(xiàn)重合，V

CC=VCC不發(fā)生飽和失真的條件：IBQ+I

bm

IBS3.飽和失真的本質(zhì)：負(fù)載開(kāi)路時(shí)：接負(fù)載時(shí)：受RC的限制，iB

增大，iC

不可能超過(guò)VCC/RC。受R

L的限制，iB

增大，iC

不可能超過(guò)V

CC/R

L。C1+

RCRB+VCCC2RL+uo

++iBiCVvi(R

L=RC//RL)4.Q點(diǎn)設(shè)置原則:

⑴、保證得到最大不失真幅度,一般選在交流負(fù)載線(xiàn)中央。⑵、有一定靈活性。例。放大電路中BJT的輸出特性和直流、交流負(fù)載線(xiàn)，求（1）。電源電壓Vcc，IB，Ic，VcE的值（2）。電阻Rc和RL的值；（3）。最大不失真輸出電壓的有效值；（4）。要使該電路不失真放大，基極正弦電流最大幅值是多少？解：1）Vcc=10V，IB=40uA，Ic=2mA，VCE=4V2）ICN=Vcc/Rc=3.3mA,Rc=3K交流負(fù)載線(xiàn)斜率為R’L=1K=RL//RcRL=1.5K4)40uA試判斷圖示各電路能否放大交流信號(hào)？為什么？

2）從物理機(jī)構(gòu)出發(fā)分析，用R、L、C模擬，得出模型2．

兩種方法：1）已知特性方程，畫(huà)出小信號(hào)模型1．

等效的概念和條件當(dāng)輸入信號(hào)很小，小范圍內(nèi)特性曲線(xiàn)用直線(xiàn)代替，BJT

非線(xiàn)性器件作為線(xiàn)性器件處理4.3.2小信號(hào)模型分析法

1.BJT的H參數(shù)及小信號(hào)建模四端網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)一四端網(wǎng)絡(luò)，可建立四個(gè)變量，v1，v2，i1，i2，選兩個(gè)量為自變量，另兩個(gè)量為因變量1）Y參數(shù)（v1，v2自變量，）2）Z參數(shù)（i1，i2自變量）

3）

H參數(shù)（i1，v2自變量）（混合參數(shù)）本教材使用vBE=f1（iB，vCE）

ic=f2（iB，vCE）(1)

BJT，H參數(shù)的引出vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcedvBE=diC

=對(duì)其全微分有hfe：輸出端交流短路時(shí)電流傳輸比hie：輸出端交流短路時(shí)輸入電阻，

(rbe)hre：輸入端開(kāi)路時(shí)反向電壓傳輸比hoe：輸入端開(kāi)路時(shí)輸出電導(dǎo)

S,

H參數(shù)在輸入、輸出特性上的含義

2．

BJT的H參數(shù)小信號(hào)模型1）

模型引出①

從網(wǎng)絡(luò)方程到等效電路②

使用條件：低頻，變化量③

輸入端：戴維南等效，輸出端：諾頓等效2）

幾點(diǎn)討論：①

等效電流源hfeib是受控源，是電路分析中虛擬出的②

等效電流源流向由ib決定模型中的量是變化量，只反映Q點(diǎn)附近的工作情況，而不能用來(lái)求Q點(diǎn)

3.簡(jiǎn)化：條件a、集電極有足夠的收集能力，即VCE>1～2Vb、hre，hoe

相對(duì)很小，使hrevce<<vbe

Rc（RL）<<rce忽略hre，hoe，計(jì)算Av，Ri，Ro，誤差將小于10℅

4．H參數(shù)確定可通過(guò)H參數(shù)測(cè)試儀，特性圖示儀，

rbe，也可由下式計(jì)算。c、T↑→VT↑→rbe↑b、IE不變↑→rbe↑

a、IE↑→rbe

↓適用于0.1mA﹤IE﹤5mA當(dāng)T=300K，VT=26mVre發(fā)射結(jié)電阻rb基區(qū)體電阻，低頻小功率管rb=200左右1．

畫(huà)出小信號(hào)等效電路：分析變化量，∴電路中固定不變的電壓源都認(rèn)為是交流短路。Cb,Ce均認(rèn)為是交流短路。

2．

求電壓增益：固定不變的電流不考慮電壓電流用小寫(xiě)（或）相量表示。（正弦信號(hào)做輸入）2用H參數(shù)小信號(hào)模型分析共射基本放大電路3．

計(jì)算輸入電阻：4.計(jì)算輸出電阻：

P131例：4.3.2,求。設(shè)RS=0①

定Q點(diǎn)：②

求rbe:③求

求由于3．

計(jì)算輸入輸出電阻：用外加電壓法1）輸入電阻：

∴當(dāng)2）輸出電阻：當(dāng)4．

兩種分析方法比較與使用：1）

圖解法求