第19講雙極型晶體管

1、電工電子技術(shù)電工電子技術(shù) 1.6 1.6 雙極型晶體管雙極型晶體管 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管是組成放大電路的核心元件，是組成放大電路的核心元件，根 據(jù) 工 作 原 理 的 不 同 分 為根 據(jù) 工 作 原 理 的 不 同 分 為 雙 極 型雙 極 型 晶 體 管晶 體 管（Bipolar Junction Transister ,簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)BJT）和和場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管（Field-Effect Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)FET）兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。 雙極型晶體管工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載雙極型晶體管工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與導(dǎo)電，而場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作時(shí)只有流子都參與導(dǎo)電，而場(chǎng)效

2、應(yīng)晶體管工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電。前者習(xí)慣稱(chēng)為一種載流子參與導(dǎo)電。前者習(xí)慣稱(chēng)為三極管三極管或或晶體管晶體管，后者稱(chēng)為后者稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管。 1. 1.結(jié)構(gòu)示意圖及有關(guān)術(shù)語(yǔ)結(jié)構(gòu)示意圖及有關(guān)術(shù)語(yǔ) BJT BJT管是由兩個(gè)管是由兩個(gè)PNPN結(jié)構(gòu)成的電子元件，其結(jié)構(gòu)如圖所示結(jié)構(gòu)成的電子元件，其結(jié)構(gòu)如圖所示c collectorollectore emittermitterb baseasec ce eb bN NP PP P+ +PNPPNP型電路符號(hào)型電路符號(hào)NPNNPN型電路符號(hào)型電路符號(hào)即即發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū) 、基區(qū)、基區(qū)BJTBJT管有三個(gè)摻雜區(qū)，管有三個(gè)摻雜區(qū)，及集電區(qū)，及集電區(qū)，分別為分

3、別為發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)e ej j 和和集電結(jié)集電結(jié)c cj j。由各區(qū)引出電極分別命名為由各區(qū)引出電極分別命名為發(fā)射極發(fā)射極e e、 基極基極b b 和和集電極集電極c c。根據(jù)各區(qū)的半導(dǎo)體材料的不同，還可如此排列，根據(jù)各區(qū)的半導(dǎo)體材料的不同，還可如此排列，兩個(gè)兩個(gè)PNPN結(jié)，結(jié)， 于是三極管就于是三極管就NPN型和型和PNP型之分，其電路符號(hào)分別為：型之分，其電路符號(hào)分別為：b bc ce eb bc ce eV（T）V（T）P PN NN N+ +1.6.1 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)1.6.2 1.6.2 三極管的電流放大（控制）作用三極管的電流放大（控制）作用以以NPN管共發(fā)射極

4、接法為例管共發(fā)射極接法為例一、電流放大的概念一、電流放大的概念VCCRCIC UCECEBUBE輸出輸出回路回路輸入輸入回路回路公共端公共端VBBRBIBIE TVCCVBB調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)RB，觀察，觀察IB、IC及及IE的變化。的變化。（2）IC IEIB（3）IB很小的變化引起很小的變化引起IC很大的變化，很大的變化，即即IC受受IB控制控制二、電流控制原理二、電流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN電子空穴電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子空穴電子電子電子發(fā)射區(qū)向基發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子區(qū)

5、擴(kuò)散電子電源負(fù)極向發(fā)射電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流發(fā)射極電流I IE E電子在基區(qū)的電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子電子流向電源正電子流向電源正極形成極形成I IC CEB正極拉走電子，正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成穴，形成IB綜上所述，三極管具有電流控制作用必須滿足以下所有條件：綜上所述，三極管具有電流控制作用必須滿足以下所有條件：1、外部條件、外部條件發(fā)射結(jié)正向偏置發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置。集電結(jié)反向偏置。對(duì)于對(duì)于NPN型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: UBE 0UBC VB VE對(duì)于對(duì)于PNP型三極管應(yīng)滿足型三極

6、管應(yīng)滿足: UEB 0UCB 0即即 VC VB VE 2、內(nèi)部條件、內(nèi)部條件（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。BECNNPEBRBECRC三、電流關(guān)系三、電流關(guān)系（1 1）電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)傳輸?shù)郊妳^(qū)的電子數(shù)發(fā)射區(qū)發(fā)射出的電子數(shù)ECEIIICE= IE （2）電流方程）電流方程T作為廣義節(jié)點(diǎn)作為廣義節(jié)點(diǎn) c點(diǎn)點(diǎn) IC=ICE + ICBO （2） b點(diǎn)點(diǎn) IB =IBEICBO （3） 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié) IBE =IEICE （4） IE =IB + IC （1） +-+-REBECIC

7、IEIBEICEICBOIBIE 0.90.99。（3 3）I IC C與與I IE E的關(guān)系的關(guān)系又又 I IC CI ICBOCBO 把把I ICECE= = I IE E代入代入（2 2）得得 I IC C= = I IE E+ I+ ICBOCBO+-+-REBECICIEIBEICEICBOIBIE所以所以:ECII共基直流電流放大系數(shù)共基直流電流放大系數(shù)（3 3）I IC C與與I IE E的關(guān)系的關(guān)系+-+-REBECICIEIBEICEICBOIBIEBCEIIIBCEOBCIIII CBOCEO11II IC = IB 的特點(diǎn)稱(chēng)為三極管的放大作用。但必須強(qiáng)調(diào)的是，的特點(diǎn)稱(chēng)為三

8、極管的放大作用。但必須強(qiáng)調(diào)的是，這種放大這種放大并非能量放大并非能量放大，其實(shí)質(zhì)為，其實(shí)質(zhì)為小電流控制大電流小電流控制大電流?？梢?jiàn)?？梢?jiàn)三極管屬電流控制電流（三極管屬電流控制電流（）元件。）元件。 1共射直流電共射直流電流放大系數(shù)流放大系數(shù)1.6.3 1.6.3 三極管的特性曲線三極管的特性曲線1. 1. 三極管的連接組態(tài)三極管的連接組態(tài)在介紹特性曲線之前，先介紹三極管連接組態(tài)問(wèn)題。在介紹特性曲線之前，先介紹三極管連接組態(tài)問(wèn)題。 所謂三極管的連接，就是將三極管接成二端口網(wǎng)絡(luò)，即所謂三極管的連接，就是將三極管接成二端口網(wǎng)絡(luò)，即將三極管的任意一個(gè)電極作為輸入與輸出的公共端，另外兩將三極管的任意一個(gè)

9、電極作為輸入與輸出的公共端，另外兩個(gè)電極分別置于輸入和輸出。個(gè)電極分別置于輸入和輸出。b bc ce ee e共射極（共射極（CE）b bb bc ce e共基極（共基極（CB）b be ec cc c共集電極（共集電極（CC） 根據(jù)公共端的不同，三極管的連接有三種組態(tài)，即根據(jù)公共端的不同，三極管的連接有三種組態(tài)，即 在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)際應(yīng)用中， u uCECE 1 1的的所有情況所有情況用一條曲線代替。用一條曲線代替。這是因?yàn)檫@是因?yàn)閡 uCECE1 1時(shí)，其收集能力已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)，幾乎能收集發(fā)時(shí)，其收集能力已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)，幾乎能收集發(fā)射區(qū)發(fā)射過(guò)來(lái)的全部電子。換句話說(shuō)，當(dāng)射區(qū)發(fā)射過(guò)來(lái)的全部電子。換句

10、話說(shuō)，當(dāng)u uBEBE保持不變的情保持不變的情況下，況下，u uCECE11時(shí)的所有曲線幾乎重合時(shí)的所有曲線幾乎重合。 2.2.共射極的特性曲線共射極的特性曲線（1)1)輸入特性輸入特性U UCECE11U UCECE=0=0i iB B/A/Au uBEBE/V/V0.40.40.80.820204040606080800 0常數(shù)）（CEUBEBufi1TBEVuSEEeIi 與正向偏置的二極管電流方程相似，發(fā)射極的電流與發(fā)射與正向偏置的二極管電流方程相似，發(fā)射極的電流與發(fā)射結(jié)的電壓結(jié)的電壓uBE成指數(shù)關(guān)系，同時(shí)因?yàn)槌芍笖?shù)關(guān)系，同時(shí)因?yàn)閕C=iB ， iE iC ，所以發(fā)所以發(fā)射極電流射極電

11、流iE與發(fā)射結(jié)電壓與發(fā)射結(jié)電壓uBE也成指數(shù)關(guān)系，即也成指數(shù)關(guān)系，即 三極管的特性曲線是其各極電壓和電流之間關(guān)三極管的特性曲線是其各極電壓和電流之間關(guān)系的曲線。從使用三極管的角度來(lái)說(shuō)，了解其特性系的曲線。從使用三極管的角度來(lái)說(shuō)，了解其特性曲線比了解其內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)顯得更為重要。曲線比了解其內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)顯得更為重要。+-UBEBCEIBIB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 減小減小IB = 20AIB = 常數(shù)常數(shù)IC = f (UCE )(2)(2)輸出特性輸出特性現(xiàn)以現(xiàn)以iB=60uA一條加以說(shuō)明。一條加以說(shuō)明。 （1）當(dāng)）當(dāng)uCE=0 V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，時(shí)

12、，因集電極無(wú)收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 當(dāng)當(dāng)uCE 1V后，后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形子都被集電極收集，形成成iC。所以。所以u(píng)CE再增加，再增加，iC基本保持不變基本保持不變,呈現(xiàn)呈現(xiàn)恒恒流流特性。特性。同理，可作出同理，可作出iB=其它值的曲線。其它值的曲線。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB1V輸出特性曲線有三個(gè)特點(diǎn)：輸出特性曲線有三個(gè)特點(diǎn)：IC / mAUCE /V0三極管輸出特性上的三個(gè)工作區(qū)域三極管輸出特

13、性上的三個(gè)工作區(qū)域 IB= 0 A20A40 A截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)60 A80 A放放大大區(qū)區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)iC受受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE0.7 V。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)放大區(qū) 曲線基本平行等曲線基本平行等 距。距。 此時(shí)，發(fā)此時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。結(jié)反偏。 該區(qū)中有：該區(qū)中有：CBIIiCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uAB

14、I=40uABI=60uABI=80uABI=100uA飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)CBii晶體管的三種工作狀態(tài)晶體管的三種工作狀態(tài) 三極管的工作狀態(tài)取決于兩個(gè)三極管的工作狀態(tài)取決于兩個(gè)PNPN結(jié)的偏置狀態(tài)。結(jié)的偏置狀態(tài)。共有四種組合共有四種組合 發(fā)射結(jié)偏置發(fā)射結(jié)偏置集電結(jié)偏置集電結(jié)偏置工作狀態(tài)工作狀態(tài)作用作用 正偏正偏 反偏反偏放大狀態(tài)放大狀態(tài)放大放大 正偏正偏 正偏正偏飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)開(kāi)關(guān)合開(kāi)關(guān)合 反偏反偏 反偏反偏截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)關(guān)斷 反偏反偏 正偏正偏倒置狀態(tài)倒置狀態(tài)3.3.三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù) BCII_ BCII 53704051BC.II 400400

15、605132BC .II 在輸出特性上求在輸出特性上求 ， ICBO A+EC AICEOIB=0+ICEO = （1+）ICBOICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)ICUCEO過(guò)損耗區(qū)過(guò)損耗區(qū)4. 4. 溫度對(duì)晶體管特性的影響溫度對(duì)晶體管特性的影響對(duì)輸入特性的影響對(duì)晶體管輸出特性的影響三極管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型三極管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型 建立小信號(hào)模型的意義建立小信號(hào)模型的意義 由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。分析非常困難。 雖然雖然圖解分析法圖解分析法具有直觀、形象的優(yōu)點(diǎn)，但是它不具有直觀、形象的優(yōu)點(diǎn)，但是它不能用來(lái)分析三

16、極管放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)能用來(lái)分析三極管放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，也不能用于分析工作頻率較高時(shí)的電路工態(tài)性能指標(biāo)，也不能用于分析工作頻率較高時(shí)的電路工作狀態(tài)。作狀態(tài)。 因此為了簡(jiǎn)化放大電路的分析和設(shè)計(jì)過(guò)程，需要建因此為了簡(jiǎn)化放大電路的分析和設(shè)計(jì)過(guò)程，需要建立小信號(hào)模型，將非線性器件在靜態(tài)工作點(diǎn)附近做線性立小信號(hào)模型，將非線性器件在靜態(tài)工作點(diǎn)附近做線性化處理。化處理。1.6.4 1.6.4 三極管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型三極管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型b bc ce ee e0.40.4i iB B/A/Au uBEBE0.80.820204040606080800 0Q Q 所謂小

17、信號(hào)模型，是指信號(hào)在所謂小信號(hào)模型，是指信號(hào)在某工作點(diǎn)某工作點(diǎn)Q Q附近微附近微小范圍內(nèi)變化時(shí)的線性化等效模型。小范圍內(nèi)變化時(shí)的線性化等效模型。I IB B=40A=40Au ucecei ic c三極管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型三極管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型),(CEB1BEvvif 用小信號(hào)交流分量表示用小信號(hào)交流分量表示vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce 對(duì)于對(duì)于BJT雙口網(wǎng)絡(luò)，已知輸入雙口網(wǎng)絡(luò)，已知輸入輸出特性曲線如下：輸出特性曲線如下：iB=f(vBE) vCE=constiC=f(vCE) iB=const可以寫(xiě)成：可以寫(xiě)成：),(CEB2Cvifi BJT雙口網(wǎng)絡(luò)雙口網(wǎng)絡(luò)因此小信號(hào)