1.2雙極型半導體三極管.課件

1、1.2雙極型半導體三極管 三極管半導體是一種具有放大作用的半導體器件，分雙極型晶體管和場效應管兩大類。雙極型晶體管由兩種極性的載流子參與導電，故稱雙極型晶體管；而場效應管只由一種極性的載流子參與導電，故場效應晶體管又稱單極型晶體管。本節(jié)主要討論雙極型晶體管的結構、特性及應用電路。(以下介紹的三極管均指雙極型半導體三極管，即雙極型晶體管。)第1頁，共53頁。1.2.1三極管的結構、材料、極性和符號三極管是由兩個PN結三層半導體組成的器件。三層半導體可以排成兩種不同的組合，如圖1.16(a)所示。三層半導體分別稱發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，從各區(qū)引出的電極則稱發(fā)射極(e)、基極(b)和集電極(c)，發(fā)射

2、區(qū)與基區(qū)之間的PN結稱發(fā)射結；基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結則稱集電結。三極管的電氣符號如圖1.16(b)所示，帶箭頭的電極表示發(fā)射極，箭頭的方向表示發(fā)射極電流的實際方向。三極管的種類很多。根據材料可分為鍺三極管、硅三極管；根據PN結類型可分為PNP和NPN型三極管；根據頻率可分為高頻管和低頻管；根據功率可分為大功率管和小功率管等。第2頁，共53頁。(a) 三極管結構示意圖第3頁，共53頁。(b) 三極管的電氣符號 第4頁，共53頁。1.2.2三極管的三個電流及其控制關系三極管的基本功能是放大作用。要使三極管具有放大作用，必須滿足其外部條件，即發(fā)射結加正向電壓(一般小于1V)，集電結加反向電壓(一般

3、為幾伏至幾十伏)。在上述條件下，三極管的三個電極電流如圖1.17所示，并具有如下關系：(1)IEICIB(2)IC比IB大得多， ，其值近似為常數，稱為三極管電流放大系數。第5頁，共53頁。圖1.17 三極管內部電流分配關系第6頁，共53頁。1.2.3三極管的特性、三種工作狀態(tài)、參數和檢測三極管的特性曲線是指三極管的輸入特性和輸出特性。輸入特性是指UCE一定時，輸入電壓UBE和輸入電流IB的關系；輸出特性是指IB一定時，UCE和IC的關系。輸入特性和輸出特性可以通過實測得到，圖是NPN管輸入特性和輸出特性的實測電路。第7頁，共53頁。1輸入特性輸入特性曲線是指UCE為一定值時，加在三極管的基極

4、和發(fā)射極之間的電壓UBE與它所產生的基極電流IB之間的關系，用函數表達式表示為用輸入特性曲線表示如圖1.19所示。其中UCE0的曲線完全和二極管的伏安特性的正向特性一致； UCE1V的曲線是三極管工作在放大狀態(tài)時的輸入特性曲線，因為三極管工作在放大狀態(tài)時，UCE1V的條件一定是滿足的。第8頁，共53頁。圖1.19 三極管的輸入特性曲線第9頁，共53頁。2輸出特性輸出特性曲線是指基極電流IB為一定值時，輸出回路中集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE 與集電極電流 IC的關系，用函數關系式可表示為用輸出特性曲線表示如圖1.20所示。對輸出特性曲線的分析如下：(1)當UCE0V時，IC0V，曲線過坐標原點

5、。(2)IB0時，在外加電壓UCE下，ICICEO0(ICEO稱為三極管的穿透電流)。(3)若IB為某固定值時，在UCE較小的時候，隨著UCE的增大，使IC迅速增大，即圖中特性曲線的起始上升部分。當UCE繼續(xù)增大，IC不能繼續(xù)增大而趨于平緩，即圖中特性曲線的平坦部分。在這一區(qū)域，UCE的變化很大而IC的變化很小，呈現一種動態(tài)電阻很大的恒流特性。此時，ICIB，IC幾乎和UCE無關。第10頁，共53頁。圖1.20 三極管的輸出特性曲線第11頁，共53頁。(4)當調整IB為不同的值時，可得到一族曲線，如圖1.20所示，當UCE1V以后，隨著IB的增大，IC也跟著增大，體現了IB對IC的控制作用，因

6、此，三極管屬于電流控制的電流源。除按前圖逐點測量描繪出輸入特性曲線和輸出特性曲線的方法外，通常，輸入特性曲線和輸出特性曲線也可以在專用的特性圖示儀上測出。第12頁，共53頁。3三極管的三種工作狀態(tài)圖1.21 三極管的三種工作狀態(tài)第13頁，共53頁。由三極管的輸出特性曲線可以看出三極管工作時可分成三個工作區(qū)，如圖1.21所示，中間線性的區(qū)域稱放大區(qū)。該區(qū)域UCE逐漸增加，IC變化很小，特性曲線近似水平，在此區(qū)域ICIB。而由IB0與橫軸所圍成的小區(qū)域，稱截止區(qū)。圖中IB0時，ICICEO，ICEO為管子的穿透電流，一般較小，但在高溫下，對于鍺管該值較大。第14頁，共53頁。在特性曲線的起始部分，

7、UCEUBE(飽和壓降)，IC隨UCE的變化上升很快，因此，在該區(qū)域，ICIB， IB對IC失去控制作用，此區(qū)域稱飽和區(qū)。三極管的三種工作狀態(tài)是指三極管工作在三個區(qū)域的狀態(tài)：截止狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。在圖1.21中，三極管工作在三種工作狀態(tài)的特點及參數之間的關系如表1.5所示。第15頁，共53頁。表1.5 三極管的三種工作狀態(tài)的特點及參數之間的關系ICIC工作狀態(tài)截止狀態(tài)放大狀態(tài)飽和狀態(tài)條件發(fā)結反偏集電結反偏發(fā)射結正偏集電結反偏發(fā)射結正偏集電結正偏參數關系IB0UCEVCCIC0IBUCEVCCICRCIBUCE0應用開關電路放大電路開關電路第16頁，共53頁。4三極管的主要參數(1)電流

8、放大系數。三極管的電流放大系數分直流電流放大系數和交流電流放大系數兩種。其中，共射極直流電流放大系數為當三極管輸入變化量時，共射極交流電流放大系數為第17頁，共53頁。的數值可以從輸出特性曲線上求取，也可以用測量儀測量。從特性曲線直接求值的方法如圖1.22所示，在管子的放大區(qū)作一條UCEC的直線，在Q點附近，可以看出，當IB從50A到100A時，IC由4.4mA增加到9mA，所以第18頁，共53頁。而Q點處的IC9mA, IB100A，所以第19頁，共53頁。第20頁，共53頁。第21頁，共53頁。 (a) 集電結反向電流ICBO (b) 穿透電流ICEO1.23 三極管的極間反向電流 (3)

9、三極管的極限參數。三極管的極限參數就是當三極管正常工作時，最大的電流、電壓、功率等的數值，它是三極管能夠長期、安全使用的保證。集電極最大允許電流ICM。當集電極的電流過大時，晶體管的電流放大系數將下降，一般把下降到規(guī)定的允許值(例如額定值的)時的集電極最大電流叫集電極最大允許電流。使用中若ICICM，管子不一定立即損壞，但性能將變壞。第22頁，共53頁。集電極-發(fā)射極間擊穿電壓U(BR)CEO?；鶚O開路時，加于集電極和發(fā)射極間的反向電壓逐漸增大，當增大到某一電壓值U(BR)CEO時開始擊穿，其U(BR)CEO叫集電極-發(fā)射極間擊穿電壓。當溫度上升時，擊穿電壓要下降，所以工作電壓要選得比擊穿電壓

10、小很多，一般選擊穿電壓的一半，以保證有一定的安全系數。集電極最大允許耗散功率PCM。由于集電結是反向連接的，電阻很大，通過電流IC后會產生熱量，使集電結溫度上升。根據管子工作時允許的集電結最高溫度TJ(鍺管為700C，硅管可達1500C)，從而定出集電極的最大允許耗散功率PCM，使用時應滿足PCUCEIC PCM區(qū) ，稱為過損耗區(qū)，使用時，PC不允許超過最大功耗PCM。第23頁，共53頁。圖1.24 三極管的最大功耗區(qū)5.三極管的檢測(1)管腳的判別：判別基極。選擇萬用表R1K或R100檔(注意調零)，先假定一個管腳為基極并把紅表筆接在該管腳上(如圖1.25所示)，用黑表筆分別接另外兩個管腳，

11、測得兩個阻值，如果阻值一大一小，則所假設的不是基極，應重新假設另一管腳，直到所測兩個阻值同大(或同小)，將表筆對換，再測一次，阻值將變?yōu)橥?或同大)，這時，所假設的管腳即為基極。 在此基礎上，還可判定管子是NPN型還是PNP型：若兩阻值同大時，即NPN型(紅表筆接基極)；若兩阻值同小時，即PNP 型(紅表筆接基極)。第24頁，共53頁。判別發(fā)射極和集電極。若管子為NPN型管，已知基極后，剩下兩個電極，假定一個管腳為集電極，用黑表筆接在該管腳上(如圖1.26所示)，紅表筆接另一管腳，再在所假設的集電極和基極之間加100k的電阻，這時，萬用表測得的電阻阻值將變小，將兩個要判別的管腳對換，用同樣的

12、方法再測一次，阻值變小幅度大的一次，則黑表筆所接的管腳為集電極；若管子為PNP型，則應調換表筆。1.26 發(fā)射極和集電極的判別第25頁，共53頁。(2)管子性能的判別：PN結的好壞。檢查正、反向電阻，方法略。測穿透電流。如圖1.27所示(若是PNP 型管則應調換表筆)，阻值應在幾十千歐(低頻管可低些)，若阻值太小，則說明穿透電流大，性能不好；若阻值慢慢變小，說明管子性能不穩(wěn)定。 圖1.27 測穿透電流值的檢測。在萬用表的面板上，一般都有可供測的測孔，當對值要求不是很高時，用萬用表進行測量即可。第26頁，共53頁。1.2.4三極管的三種組態(tài)三極管是分立元件放大電路的核心元件，三極管在放大電路中有

13、三種接法，又稱三種組態(tài)，圖1.28是三極管在放大電路中三種接法的示意圖。(a)共射接法 (b)共集接法 (c)共基接法圖1.28 三極管在放大電路中的三種接法所謂共射接法是指由三極管組成的兩輸入輸出端口電路中，發(fā)射極是輸入輸出端口的公共極；共集接法是指集電極是輸入輸出的公共極；共基接法是指基極是輸入輸出端口的公共極。在由電阻、電容、三極管組成的實際電路中，共射、共集、共基是對交流信號而言的，因此要把實際電路中的電容和直流電源視為短路，找出輸入輸出端口的公共極，圖1.29是實際共射、共集、共基三種組態(tài)電路圖。第27頁，共53頁。(a)共射接法 (b)共集接法 (c)共基接法圖1.29 三極管的三

14、種組態(tài)電路第28頁，共53頁。1.2.5基本共射電路的組成及工作過程分析1基本共射電路的組成基本共射放大電路的原理圖如圖1.30 所示。它是放大電路的最基本的結構形式，輸入信號在基極和發(fā)射極間輸入，輸出信號在集電極和發(fā)射極間取出，發(fā)射極作為輸入信號和輸出信號的公共端，故稱共發(fā)射極電路。圖中直流電源VCC是整個電路的能量來源，也是保證三極管工作于放大狀態(tài)的基本條件；基極偏置電阻RB，一方面使電源給發(fā)射結加正向電壓，另一方面給三極管提供合適偏流IB；集電極負載電阻RC，一方面使電源給集電結加反向偏壓，另一方面把三極管的電流放大轉換成電壓放大；電容C1、C2為耦合隔直電容，它使交流信號順利通過，同時

15、隔斷直流電源對信號源和負載電阻的影響。RL是放大電路的負載電阻。第29頁，共53頁。2共射電路的工作過程分析 第30頁，共53頁。上述基本共射電路中，直流電源和交流信號共同作用，在分析其工作過程時，可以把直流電源和交流信號分開單獨分析。(1)靜態(tài)工作情況。直流電源單獨作用、輸入交流信號為0時的工作狀態(tài)叫靜態(tài)。為了使放大電路能夠正常工作，在靜態(tài)時三極管的發(fā)射結必須處于正偏，集電結必須處于反偏。此時，在電源VCC作用下，三極管各極的直流電壓、直流電流分別為UBEQ、UCEQ、IBQ、ICQ，如圖1.31所示的波形。(2)動態(tài)工作情況。放大電路有交流信號輸入時的工作狀態(tài)叫動態(tài)。動態(tài)工作情況下的各極電

16、壓、電流是在直流量的基礎上脈動的。它們的動態(tài)波形都是一個直流量和一個交流量的合成，即交流量馱載在直流量上，信號的放大過程如下：交流信號ui經電容器C1加到三極管V的發(fā)射結，使b-e兩極間的電壓隨之發(fā)生變化，即在基極直流電壓的基礎上疊加了一個交流電壓，波形如圖1.31(b)所示。第31頁，共53頁。由于發(fā)射結工作于正偏狀態(tài)，正向電壓的微小變化量，都會引起正向電流的較大變化，此時的基極電流iB也是在直流IB的基礎上迭加一個交流量ib，如圖1.31(c)所示。由于三極管的電流放大作用，iC將隨著iB做線性放大，集電極電流也可看做是直流的電流ICIB上疊加交流的電流iCib，如圖1.31(d)所示。顯

17、然，當脈動電流通過集電極電阻RC時，由于iC的變化，引起RC上壓降的變化，從而造成管壓降的變化，這是因為集電極電阻RC和三極管V串聯后接在直流電源上，當集電極電流的瞬時值iC增大時，集電極電阻RC的壓降也將增大，因而三極管的壓降將減小，波形中的脈動uce同樣也可以看做是直流壓降UCEQ和交流壓降uce的疊加，如圖1.31(e)所示。最后，集電極輸出的交流量經過耦合電容C2送到輸出端，電容C2將隔去信號中的直流成分，而輸出端將得到放大了的交流信號電壓uo輸出。第32頁，共53頁。從上面的分析可以得出如下結論：放大電路要正常工作，必須給三極管提供合適的靜態(tài)電壓和電流值，即合適的靜態(tài)工作點。信號在放

18、大過程中，其頻率不變。交流信號的輸入和輸出波形的極性相反，或者說，共射放大電路具有反相的作用。第33頁，共53頁。1.2.6三極管放大電路的靜態(tài)工作點三極管放大電路的靜態(tài)工作點是指沒有信號輸入，只在直流電源的作用下，三極管各極的直流電壓和直流電流的數值，因為這些數值在輸入輸出特性上表現為一點，故稱靜態(tài)工作點。靜態(tài)工作點是信號的馱載工具，它保證交流信號能夠順利地不失真地通過三極管進行放大。為了確定靜態(tài)工作點，可以先畫出直流通路，即直流電源單獨作用時的直流電流通過的路徑。電容對直流信號表現出很大的阻抗，相當于開路，圖1.32畫出共射放大電路的直流通路。由圖1.32知，計算靜態(tài)值IBQ、ICQ、UC

19、EQ的公式如下。第34頁，共53頁。ICQUCEQVCCICQRC根據以上各式，可以估算出放大電路的靜態(tài)工作點。靜態(tài)工作點選取不合適，將使波形產生嚴重失真。如圖1.33所示。如果靜態(tài)工作點選擇太低，如圖中Q1，因為工作點靠近截止區(qū)，將使iC的負半周、uCE的正半周頂部被削去，產生截止失真。如果靜態(tài)工作點選擇位置太高，如圖中Q2，因為工作點靠近飽和區(qū)，從而使iC的正半周和uCE的負半周被削去一部分，產生飽和失真。同理，若信號太大，超出三極管放大線性區(qū)域，iC和uCE的兩個半周的頂部都被削去一部分，這種失真稱雙向限幅失真。截止失真、飽和失真、雙向限幅失真通稱為非線性失真。第35頁，共53頁。由此可

20、見，若三極管的靜態(tài)工作點取在如圖1.33所示的Q0處，可獲得最大不失真的輸出信號。在實際使用時，工作點選取的原則是能低則低，以不失真為前提，這樣可省電，并減小熱噪聲。第36頁，共53頁。1.2.7放大器性能參數及對放大器性能的影響放大器的質量常用一些性能參數來評價，主要的性能參數包括Au、ri、ro、fL、fH和fBW等。1電壓放大倍數Au電壓放大倍數是表示放大電路對電壓放大能力的參數，它定義為輸出波形不失真時輸出電壓與輸入電壓的比值，即其中uo和ui為輸出電壓和輸入電壓的有效值，若考慮其附加相移時，則應用復數值來表示。有時，放大倍數也可用“分貝”來表示，給放大倍數取自然對數再乘以20倍，即為

21、放大倍數的分貝值。Au(dB)20lgAu當輸入電壓大于輸出電壓時，叫衰減，dB取負值；當輸入電壓小于輸出電壓時，叫增益，dB取正值；當輸入電壓等于輸出電壓時，dB為0。對于放大器來說，當然要求有高的電壓增益。第37頁，共53頁。2輸入電阻ri放大器對于信號源來說，它是信號源的負載，而對于負載來說，它又是負載的信號源，于是，放大器可用如圖1.34的模型來等效它。圖1.34 放大器的等效模型輸入電阻即從放大器的輸入端看進去的交流等效電阻，也即信號源的負載電阻ri，如圖1.34所示，輸入電阻為：第38頁，共53頁。圖中us為信號源信號電壓，Rs為信號源內阻，ui為輸給放大器的信號電壓，其大小為：由

22、上式可知，ri越大，放大電路從信號源獲得的信號電壓越大，同時從信號源獲取的信號電流ii越小，所以，在放大電路中一般要求ri越大越好。第39頁，共53頁。3輸出電阻ro輸出電阻是從放大器的輸出端看進去的交流等效電阻r0。輸出電阻定義為輸入端短路，此時u00，輸出開路即RL，在輸出端加信號uo，從輸出端流進放大器的電流為io。則輸出電阻為：一般地，輸出電阻常通過工程的方法進行測量，即測出放大器輸出端的開路電壓uo 和負載電壓uo，如圖1.34所示，則放大器的輸出電阻為：第40頁，共53頁。輸出電阻是衡量放大器帶負載能力的性能參數，ro越小，輸出電壓uo隨負載電阻RL的變化就越小，即輸出電壓越穩(wěn)定，

23、帶負載的能力越強。所以，通常要求放大器的輸出電阻越小越好。4通頻帶fBW由于放大器存在電抗元件(如圖1.36中的耦合電容C1、C2，旁路電容CE等)及三極管的極間電容等，隨著信號頻率的不同，容抗也跟著變化，在中頻一段頻率范圍內，這些電容的容抗都可忽略不計，所以，中頻放大倍數基本不變，而當信號頻率過低，容抗將大大地增大，耦合電容和旁路電容與輸入電阻是串聯的關系，它們的阻抗不能忽略，它們將分去一部分的信號電壓，從而使電壓放大倍數下降；同理，當信號頻率過高時，由于分布電容(極間電容和線路分布電容等)與輸入輸出電阻是并聯的關系，這時，分布電容的容抗就不可忽略，它們的容抗對輸入輸出電阻就有影響，因而將分

24、去一部分的信號電流，從而使放大器的放大倍數大大下降。第41頁，共53頁。放大倍數隨頻率變化稱頻率響應，僅討論幅值，不考慮相移時稱幅頻特性，如圖1.35所示。圖1.35 放大電路的頻率特性當放大器的放大倍數隨頻率下降到中頻時的0.707倍時，它對應的兩個頻率分別為上限截止頻率fH與下限截止頻率fL，fH與fL之差則稱放大電路的通頻帶fBW，如圖1.35所示。由于電子電路的信號頻率往往不是單一的，而是在一段頻率的范圍內，例如廣播中的音頻信號，其頻率范圍通常在幾十赫到幾十千赫之間，所以，要使放大信號不失真，放大電路的通頻帶要求足夠大。如果太小，就會造成一部分頻率的信號放大得大些，一部分放大得小些而產

25、生失真，這種失真稱為頻率失真又稱為線性失真。第42頁，共53頁。1.2.8常用三極管單元電路介紹1.分壓式偏置共發(fā)射極放大電路圖1.36 分壓式偏置電路(1)分壓式偏置共射電路的靜態(tài)工作點。圖1.36所示為分壓式偏置共射放大電路。該電路與前節(jié)所述基本共射電路相比，不同在于基極的偏置采用電阻RB1和RB2的分壓形式，而且發(fā)射極接一個反饋電阻RE，該電路能夠穩(wěn)定其靜態(tài)工作點。由實踐可知，三極管的參數(包括穿透電流ICEO、電流放大系數、發(fā)射結的正向壓降UBE等)都會隨著環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，從而使已設置好的靜態(tài)工作點Q發(fā)生較大的移動，嚴重時將使波形產生失真，如圖1.37所示。第43頁，共53頁。第44頁，共53頁。環(huán)境溫度T上升時，及ICEO都會隨之上升，整個輸出特性的曲線族將上移，曲線間隔加寬，在相同的偏流IB的情況下，IC增