第二章-晶體管

第二章

雙極型晶體管

BipolarJunctionTransistor縮寫B(tài)JT簡稱晶體管或三極管雙極型器件兩種載流子（多子、少子）ecb發(fā)射極基極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)N+PNcbeNPN(a)NPN管的原理結(jié)構(gòu)示意圖(b)電路符號2.1晶體管的結(jié)構(gòu)和類型basecollectoremitterecb基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)P+NPPNPcbe(a)PNP管的結(jié)構(gòu)示意圖(b)PNP的電路符號發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極基極集電極三個電極

發(fā)射極，基極，集電極管子符號的箭頭方向是指發(fā)射結(jié)正偏時的電流方向三個區(qū)

發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)兩個PN結(jié)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)

（1）發(fā)射區(qū)小，摻雜濃度大。

晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點（具有放大作用的內(nèi)部條件）：（3）集電區(qū)摻雜濃度低，集電結(jié)面積大。（2）基區(qū)摻雜濃度很低，且很薄。圖1晶體管的三種基本組態(tài)(a)cebiBiC輸出回路輸入回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共發(fā)射極(b)共集電極(c)共基極

晶體管在實際應(yīng)用時，通常將其中兩個端口分別用作輸入端和輸出端，第三個端口作為公共端。根據(jù)公共端的不同，晶體管有以下3中基本組態(tài)：2.2.1晶體管處于放大狀態(tài)的工作條件①內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)重摻雜、基區(qū)很薄、集電結(jié)面積大

②外部條件

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏

晶體管的基本功能是對信號進行放大，要使晶體管具有放大作用，除了滿足內(nèi)部條件，還必須滿足外部條件。2.2晶體管的電流放大作用即在滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求的前提下，三極管要實現(xiàn)放大，必須連接成如下形式：e區(qū)c區(qū)b區(qū)e結(jié)C結(jié)ecbNNPVBBVCCRbRc＋－VBE＋－VCB＋－VCE例：共發(fā)射極接法三極管在工作時要加上適當?shù)闹绷髌秒妷?。集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證VCB=VCE-VBE>0發(fā)射結(jié)正偏：放大狀態(tài)下的偏置要求NPN管UC＞UB＞UEUCUEUBPNP管UC＜UB＜UEUCUEUB三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（以NPN為例）

VCCeCecbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IENIEP（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。2.2.2晶體管的工作原理1.放大狀態(tài)下晶體管中載流子的運動三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE=IEN+IEP≈IEN三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE（2）在基區(qū)中①多數(shù)電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散；②少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復(fù)合，形成IB電流。IB復(fù)合IBE≈IBE三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE（2）在基區(qū)中①電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散；②少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復(fù)合，形成IB電流。IB（3）集電區(qū)收集大部分的電子，形成IC電流。ICICN≈ICNIBE三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE（2）在基區(qū)中①電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散；②少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復(fù)合，形成IB電流。IB（3）集電區(qū)收集大部分的電子，形成IC電流。IC另外，集電區(qū)的少子形成反向飽和電流ICBOICBOICNIBECUceNPNbUBBRB圖2晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流RCC15VcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN圖2晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流①在發(fā)射結(jié)處發(fā)射結(jié)正偏，擴散運動﹥漂移運動。發(fā)射區(qū)和基區(qū)多子（電子和空穴）的相互注入。但發(fā)射區(qū)（e區(qū)）高摻雜，向P區(qū)的多子擴散（電子）為主（IEn）,另有P區(qū)向N區(qū)的多子（空穴）擴散，故相互注入是不對稱的。擴散(IEP)可忽略。以上構(gòu)成了發(fā)射結(jié)電流的主體。②在基區(qū)內(nèi)基區(qū)很薄。一部分(N區(qū)擴散到P區(qū)的）不平衡載流子（電子）與基區(qū)內(nèi)的空穴（多子）的復(fù)合運動（復(fù)合電流IBN

）。大多數(shù)不平衡載流子連續(xù)擴散到集電結(jié)邊緣處。以上構(gòu)成了基極電流的主體。③在集電結(jié)處集電結(jié)反偏。故漂移運動＞擴散運動。集電結(jié)（自建電場）對非平衡載流子（電子）的強烈吸引作用(收集作用）形成ICN。另外有基區(qū)和集電區(qū)本身的少子漂移（電子和空穴），形成反向飽和漏電流ICBO

。非平衡載流子傳輸三步曲(以NPN為例)

①發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入（擴散運動）為主②基區(qū)的復(fù)合和繼續(xù)擴散③集電結(jié)對非平衡載流子的收集為主（漂移運動）

晶體管工作的內(nèi)部機理：-------“非平衡載流子”的傳輸

IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復(fù)合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)2.電流分配關(guān)系全面描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線。圖3晶體管特性曲線測試電路2.3晶體管伏安特性曲線及參數(shù)2.3.1晶體管共發(fā)射極特性曲線1.共發(fā)射極輸入特性曲線uCE=0VuCE

1VuBE

/V圖4共射輸入特性曲線(1)當uCE=0V時，相當于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。(2)當0<uCE<1V時，集電結(jié)加的反向偏壓增大，集電極收集電子能力增強，基區(qū)復(fù)合減少，在同樣的uBE下IB減小，特性曲線右移。uCE=0VuCE

1VuBE

/V(3)

當uCE≥1V，輸入特性曲線幾乎重合在一起，uCE對輸入特性幾乎無影響

2.共發(fā)射極輸出特性曲線圖5共射輸出特性曲線uCE/V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)iB＝－ICBO放大區(qū)iC/mAuCE＝uBEIB＝40A

30A

20A

10A

0A

一、現(xiàn)以iB=40uA一條加以說明：uCE

/ViC

/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（1）當uCE=0V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2）當uCE增大時，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓很小，集電區(qū)收集電子的能力很弱iC主要由uCE決定uCE

↑→iC↑vCE

/ViC

/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（3）當uCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時，運動到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后uCE再增加，電流也沒有明顯得增加，特性曲線幾乎平行于與uCE軸iC幾乎僅僅決定于iB輸出特性曲線可分為3個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)（1）截止區(qū):發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓且集電結(jié)反向偏置，即且（2）放大區(qū):發(fā)射結(jié)正向偏置且結(jié)壓降大于開啟電壓,同時集電結(jié)反向偏置，即且理想情況下，均勻變化時，輸出特性曲線是一簇與橫軸平行的等距離直線b.恒流特性:當恒定時，a.受控特性：iC

受iB的控制即iC主要由iB決定，與輸出環(huán)路的外電路無關(guān)。uCE

變化對iC

的影響很小iB（3）飽和區(qū):發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)正向偏置，即臨界飽和：UCE=UBE，即UCB=0（C結(jié)零偏）。且不僅與有關(guān)，而且明顯隨增大而增大，此時 飽和時，c、e間的電壓稱為飽和壓降，記作UCE(sat)。（小功率Si管）

UCE(sat)=0.5V||0.3V(深飽和)；（小功率Ge管）UCE(sat)=0.2V||0.1V(深飽和)。 三個電極間的電壓很小，各極電流主要由外電路決定。以上3個區(qū)域?qū)?yīng)于晶體管的3種工作狀態(tài)：

截止狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。

在模擬電子技術(shù)中，晶體管主要工作在放大狀態(tài)，用于模擬信號處理（放大、運算、處理、發(fā)生）；

在數(shù)字電子技術(shù)中，晶體管主要工作于飽和和截止狀態(tài)（即開關(guān)狀態(tài)），實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理。晶體管工作狀態(tài)舉例例1現(xiàn)測得放大電路中兩只管子兩個電極的電流如圖所示。分別求另一電極的電流，標出其實際方向，并在圓圈中畫出管子，且分別求出它們的電流放大系數(shù)β。

【解答】在T1中，β=1mA/10μA=100，故IE=(β+1)×10=1010μA=1.01mA。在T2中，β=（5.1mA－100μA）/100μA=50，故IC=β×100=5000μA=5mA。例2測得放大電路中六只晶體管的直流電位如圖2.3.9所示。在圓圈中畫出管子，并分別說明它們是硅管還是鍺管。3.溫度對晶體管特性曲線的影響T↑，uBE↓：T↑，ICBO↑：T↑，β

↑：2.3.2晶體管的主要參數(shù)1.共射電流放大系數(shù)（1）

共射直流放大系數(shù)反映靜態(tài)時集電極電流與基極電流之比。（2）

共射交流放大系數(shù)反映動態(tài)時的電流放大特性。由于ICBO、ICEO

很小，因此在以后的計算中，不必區(qū)分。一、電流放大系數(shù)（2）共基交流放大系數(shù)（1）共基直流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO

很小，因此在以后的計算中，不必區(qū)分。2.共基電流放大系數(shù)二、極間反向電流1ICBO發(fā)射極開路時，集電極—基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。2ICEO基極開路時，集電極—發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。3IEBO集電極開路時，發(fā)射極—基極間的反向電流。三、晶體管的極限參數(shù)

1.擊穿電壓U(BR)CBO指發(fā)射極開路時，集電極—基極間的反向擊穿電壓。U(BR)CEO指基極開路時，集電極—發(fā)射極間的反向擊穿電壓。U(BR)EBO指集電極開路時，發(fā)射極—基極間的反向擊穿電壓。普通晶體管該電壓值比較小，只有幾伏。

2.集電極最大允許電流ICMICM一般指β下降到正常值的2/3時所對應(yīng)的集電極電流。當iC>ICM時，雖然管子不致于損壞，但β值已經(jīng)明顯減小。3集電極最大允許耗散功率PCM※

PCM

表示集電極上允許損耗功率的最大值。超過此值就會使管子性能變壞或燒毀。

PCM=IC·UCE圖7共射極放大電路2.4.1放大電路的組成2.4晶體管放大電路的放大原理需要放大的信號Ui為交流小信號VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合適的IB。VCC：使UCE≥UBE，同時作為負載的能源。Rc：將ΔiC轉(zhuǎn)換成ΔuCE(uo)。放大時靜態(tài)工作狀態(tài)：

（當ui=0時）基極電源VBB使晶體管b-e間電壓UBE>UBE(on)

集電極電源VCC應(yīng)足夠高，使晶體管的集電結(jié)反向偏置，以保證晶體管工作在放大狀態(tài)；集電極電流IC=βIB

c-e間電壓UCE=VCC-ICRC

靜態(tài)時放大電路只有直流分量。放大時動態(tài)工作狀態(tài)：（當ui不為0時）輸入回路中，靜態(tài)基礎(chǔ)上產(chǎn)生動態(tài)的基極電流ib；輸出回路中，產(chǎn)生動態(tài)電流ic；集電極電阻RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，使得管壓降產(chǎn)生變化管壓降uce的變化量就是輸出動態(tài)電壓uO

若電路參數(shù)選擇得當，uO的幅度將比ui大得多，且波形形狀相同，從而達到放大的目的動態(tài)信號作用時：動態(tài)時電路中的信號為交直流分量的疊加。對各種物理量的表示方法作如下規(guī)定：直流量：字母大寫，下標大寫，如：IB、IC、UBE、UCE。交流量：字母小寫，下標小寫，如：ib、ic、ube、uce。交流量的有效值：字母大寫，下標小寫，如：Ib、Ic、Ube、Uce。瞬時值（直流量與交流量的疊加量）：字母小寫，下標大寫，如：iB、iC、uBE、uCE。輸入電壓ui為零，即直流電源單獨作用時晶體管各極的電流、b-e間的電壓、管壓降稱為靜態(tài)工作點Q，記作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。2.4.2靜態(tài)工作點的作用圖8沒有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點假設(shè)沒有基極電源，靜態(tài)時將輸入端短路，IBQ=0，則ICQ=0，UCE=UCC，因而晶體管處于截止狀態(tài)；當加入輸入電壓ui時，uBE＝ui，由于輸入信號為交流小信號，通常其峰值小于發(fā)射結(jié)的開啟電壓UBE(on)，無法使發(fā)射結(jié)正偏，則在信號的整個周期內(nèi)晶體管始終工作在截止狀態(tài)，因而輸出電壓為0；即使ui的幅值足夠大，晶體管也只可能在信號正半周大于發(fā)射結(jié)的開啟電壓UBE(on)的時間間隔內(nèi)導(dǎo)通，所以輸出電壓必然嚴重失真。設(shè)置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的基礎(chǔ)

對于放大電路最基本的要求：不失真，能夠放大。圖9共射極放大器的電壓、電流波形2.4.3基本共射放大電路的放大原理利用晶體管的電流放大作用，電流的變化轉(zhuǎn)換并依靠Rc將成電壓的變化

2.4.4基本放大電路的組成原則

（2）動態(tài)信號能夠作用于晶體管的輸入回路（基極-發(fā)射極回路），在負載上能夠獲得放大了的動態(tài)信號。

（3）必須設(shè)置合理的信號通路。當加入信號源和負載時，一方面不能破壞已設(shè)置好的靜態(tài)工作點，一方面盡可能減小信號通路中的損耗。（4）對實用放大電路的要求：共地、直流電源種類盡可能少、負載上無直流分量。（1）必須將晶體管偏置在放大狀態(tài)，并且要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點：合適的直流電源、合適的電路參數(shù)。輸入信號、輸出信號、直流電源均有一端接在“地”端圖11

阻容耦合共射放大電路圖10

直接耦合共射放大電路常用連接方式耦合電容C1，C2輸入電容C1的作用隔離直流電源對信號源的影響，且能有效地將信號源提供的信號傳送到基極。輸出電容C2的作用隔離直流電源對負載的影響，能把放大的交流信號有效地傳送到負載。畫直流通路的原則：①C開路②L短路畫交流通路的原則：①C短路③直流電源視為短路②L開路

2.4.5直流通路和交流通路在分析放大電路時，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則。求解靜態(tài)工作點利用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時利用交流通路1.直流通路：直流電源單獨作用時，直流電流通過的路徑③信號源視為短路，但保留其內(nèi)阻2.交流通路：輸入信號作用下，交流電流通過的路徑圖12共射放大器的交、直流通路RBUCCRC

(a)直流通路(b)交流通路RCUoUs＋－RsRBRL＋－IiIo2.5

放大電路的靜態(tài)分析

2.5.1由直流通路分析法估算靜態(tài)工作點ICQ=

IBQ

UCEQ=UCC－ICQRC

2.5.2由圖解分析法確定靜態(tài)工作點 直流圖解分析是在晶體管特性曲線上，用作圖的方法確定出直流工作點，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。一、用輸入特性求解IBQ、UBEQRBUCCRC輸入特性曲線與輸入回路的交點Q為靜態(tài)工作點輸入回路方程UCC=IB×RB+UBE由于輸入特性曲線不易準確測得，所以IBQ、UBEQ一般不用圖解法確定，而用估算法。

UBEQ=0.7（硅管）或0.3（鍺管）輸出特性曲線與輸出回路方程的交點為靜態(tài)工作點。RBUCCRC直流負載線iB＝IBQuCE0NQMiCUCEQUCCICQUCCRC輸出回路方程：二、用輸出特性求解ICQ、UCEQ例3在下圖電路中，若RB=560kΩ,RC=3kΩ,UCC=12V，試用圖解法確定直流工作點。RBUCCRCIBQICQ＋－UCEQ(a)直流通路輸出回路方程：UCC=UCEQ+ICQ×RC解:取UBEQ=0.7V，由估算法可得在輸出特性上找兩個特殊點：當uCE=0時，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M點；當iC=0時，uCE=UCC=12V，得N點。由圖中Q點的坐標可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。

(b)Q點與RB、RC的關(guān)系uCE/V21012012340μA30μA20μA10μAiC/mA4684MNQ①②RBQ3Q2Q4RCRBQ1RCUCC=UCEQ+ICQ×RCRBUCCRCIBQICQ＋－UCEQRB改變，Q點將沿著直流負載線移動。Rc改變，Q點將沿著IBQ對應(yīng)的輸出特性曲線移動。總結(jié)——輸出特性曲線方程，由晶體管的特性決定——直流負載線方程，由電路特性決定靜態(tài)工作點為下面兩條曲線的交點：

2.5.3晶體管工作狀態(tài)的判斷方法RBBBRERCUCC若UBB≤UBE(on)且UBB＜UCC，則晶體管截止1、首先判斷晶體管是否截止：此時：IBQ=ICQ=IEQ=0，UBEQ=UBB，UCEQ=UCC。

2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：若UBB>UBE(on)，則發(fā)射結(jié)正偏，下面關(guān)鍵是判斷集電結(jié)是正偏還是反偏?！?/p>

UBB-UBE(on)=IBQRB+(1+β)IBQRE則晶體管處于放大狀態(tài)；則晶體管處于飽和狀態(tài)；∴)ECRR+()1()(CQCCCEQEQBQCQEBonBEBBBQIUUIIIRRUUI-=?=++-=bb假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)RBBBRERC