第三章半导体三极管及放大电路基础

第三章半导体三极管及放大电路基础 教学内容：本章首先讨论了半导体三极管(BJT)的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。随后着重讨论了BJT放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三种基本放大电路。还介绍了BJT的静态、动态分析，图解法和微变等效电路法，并把其作为分析放大电路的基本方法。然后就是工作点的稳定和多级放大电路。

教学要求： 本章需重点掌握三极管的模型与特性；并能熟练进行基本放大电路静态工作点的确定，估算法和微变等效电路法的掌握，以及输入电阻、输出电阻、电压放大倍数的计算。

3.1 半导体三极管 3.2 共射极放大电路 3.3 放大电路的性能指标 3.4 放大电路的静态分析 3.5 放大电路的动态分析 3.6 放大电路的工作点稳定情况 3.7 共集电极电路和共基极电路 3.8 多级放大电路

3.1 半导体BJT BJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件。 BJT有两种类型：NPN型和 PNP型。其内部特点是发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。外部放大条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。

3.1.1 BJT的结构 当两块不同类型的半导体结合在一起时，它们的交界处就会形成PN结，因此BJT有两个PN 结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的 PN结称为集电结，两个PN 结通过很薄的基区联系着。同样，PNP型与 NPN型相似，特性几乎相同，只不过各点极端的电压极性和电流流向不同而已。

N P (a)NPN (b)PNP 集电极c N P 基区发射极e 集电极c c c c c 集电结集电区 P N 基极b 基极b b b b b 发射区发射结 e e 发射极e e e 图3.1.1 NPN型三极管的结构示意图及其在电路中的符号晶体管3个区有如下特点：（1）发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度（2）基区很薄，一般为1μm至几μm。（3）集电结面积大于发射结面积。

3.1.2 BJT的电流放大原理 通过改变加在晶体管三个极上的电压可以改变两个PN结的偏置电压，从而使晶体管有三种工作状态：当发射结和集电结均反偏时，处于截至状态；当发射结正偏、集电结反偏时，处于放大状态；当发射结和集电结均正偏时，处于饱和状态。当晶体管处于放大状态时，能将基极的小电流放大为集电极的大电流，现以NPN型晶体管为例分析其放大原理。 1. BJT内部载流子的运动为使发射区发射电子，集电区收集电子，必须具备的条件是:发射结加正向电压(正向偏置 )，集电结加反向电压(反向偏置)，在这些外加电压的条件下，管内载流子的传输将发生下列过程，如图2-2所示:

IC c ICBO ICN N RC IB IBN + b P VCc － RB + VBB N － e IE 图3.1.2三极管内部载流子的运动情况

(1)发射区向基区注入电子 由于发射结外加正向电压，发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，同时基区的多子-空穴越过发射结进入发射区。因为基区很薄，掺杂浓度又较低，所以空穴数目较少，因此由空穴形成的电流可以忽略。故可认为主要有发射区电子形成发射极电流E ，其方向与电子流动方向相反。 (2)电子在基区中的扩散和复合电子到达基区后，由于基区中空穴浓度低，只有很少一部分电子与基区中的空穴复合。复合掉的空穴由外电源补充，这样就形成了较小的电流IBN， IBN的方向由外电源流入基区。剩下的大部分电子扩散到集电结。

(3) 集电区收集扩散过来的电子 由于集电结处于反偏状态，扩散到集电结的电子很快漂移到集电区，形成电流ICN。由于集电结反偏，使集电区的多子电子和基区的少子空穴不能向对方扩散；而集电区中的少子空穴和基区中的少子电子可以漂移到对方，形成反向饱和电流ICBO，ICBO值很小，但由于它是由少子形成的，容易受温度的影响，对三极管性能影响较大。ICN的方向由外电源流入集电区（与扩散到集电结的电子漂移到集电区的方向相反），ICBO的方向从集电区流向基区。经以上分析和图2-2可知，由ICN与ICBO构成集电极电流IC。IBN和ICBO构成基极电流IB。根据KCL（Kirchhoff’s Current Law,基尔霍夫电路定律）得出电流分配关系如下：

2.各级电流之间的关系 我们定义为共射直流电流放大系数则将带入上式得令则上式中称作穿透电流，或集电极-发射极极间反向饱和电流

一般为计算方便而忽略，那么 值一般远大于1。IC与IE值相差不大，但它们都远大于IB值。由此可见当UBE有微小变化即IB有微小变化时，IE和IC有较大变化，这种情况称为电流放大。实用电路中，晶体管主要用于放大动态信号。衡量三极管放大能力的指标是共射交流放大系数，其定义为一般在放大状态下，和差别较小，可以认为两者近似相等，故在以后的分析中取，其值为几十到一百左右。

3. 放大作用分析 (1) BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为此要满足两个条件: a.(内部)：要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区浓度要很小; b.(外部)：发射结要正向偏置、集电结要反向偏置。 (2) BJT内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流 B给定了，输出电流 c 和输出电压便基本确定了。 IE主要是由发射区扩散到基区的电子而产生的；IB主要是由发射区扩散过来的电子在基区与空穴复合而产生的；IC主要是由发射区注入基区的电子漂移到集电区而形成的。

4.截止状态和饱和状态 1）当发射结和集电结均反偏时，处于截至状态：当发射结反偏或零偏时，发射区不再发射电子，三极管内部只有由少子形成的电流ICBO ，通常认为IB≈0，IC ≈0。三极管的这种状态叫截止。 2）当发射结和集电结均正偏时，处于饱和状态：发射结正偏可形成发射极电流IE，而集电结正偏或零偏则失去了收集电子的能力，无论IB增大多少，IC值都不再增大，这种状态称作饱和状态。

3.1.3 BJT的特性曲线（共射） 共发射极电路以发射极作为共同端，以基极为输入端，集电极为输出端，如图所示。图3.1.3 共射极放大电路

在低频电压放大电路中以共发射极的使用方法居多，故以共射接法来分析BJT的特性曲线。BJT的特性曲线是指各电极电压与电流在低频电压放大电路中以共发射极的使用方法居多，故以共射接法来分析BJT的特性曲线。BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是内部载流子运动的外部表现。 1.输入特性曲线输入特性是指UCE一定时，输入回路中iB与uBE之间的关系，即 iB= f(BE)| CE=常数

1）当uCE=0时，相当于发射结与集电结并联起来，此时输入特性与二极管伏案特性相似。 2）当uCE增大时，集电极收集电子的能力增强，使得在基区要获得相同的iB值（ IB主要是由发射区扩散过来的电子在基区与空穴复合而产生的），所需的电压uBE相应增大，即曲线随uCE增大而右移。 3）当uCE＞1V后，各曲线已经很接近了，因为集电结反偏后，其收集电子的能力已强大至基本不再增加，从而iB也不再明显减小，故只用一条曲线代替所有uCE＞1V的曲线。

实际上VCE>1V以后的输入特性与VCE=1V的特性曲线非常接近实际上VCE>1V以后的输入特性与VCE=1V的特性曲线非常接近由图可知，特性比较平坦的部分随着VCE的增加略向上倾斜。 iB/μA ic /mA 饱和区 100μA 100 4 80μA 80 3 uCE≥1V 60μA 放 60 2 uCE=0 大 40μA 40 20μA 区 1 uBE /v 20 iB=0μA 6 4 2 8 10 0.4 0.8 0.2 uCE /v 0.6 （a）输入特性（b）输出特性截止区图3.1.4 三极管的特性曲线

2.输出特性曲线 输出特性是指iB一定时，输出回路中iC与uCE之间的关系，即: iC= f(CE)| iB=常数每条曲线可分为上升、转折、平坦三个阶段。上升曲线很陡。这是由于uCE值很小，集电区收集电子的能力不够，因此iC受uCE的影响。当uCE略有增加时，iC增加较大。转折段iC随uCE变化缓慢。这是由于uCE≥1V后，集电区收集电子的能力基本恢复正常，iB一定，则基区扩散到集电结附近的电子数目一定，大部分电子已被集电区收集，再增大uCE， iC的增大趋势减缓。平坦段较平直，iC基本不随uCE的增加而增加。由于uCE增大到一定程度后，集电区把从基区扩散过来的电子全都收集到集电区，再增大，扩散来的电子数目也不会增多，即ic值不随uCE增加，只与iB有关，在这个区域内，β近似为常数。

输出特性曲线可分为3个区：放大区、截止区、饱和区，分别对应三极管的3种工作状态：输出特性曲线可分为3个区：放大区、截止区、饱和区，分别对应三极管的3种工作状态： (1)饱和区：曲线上拐点左面的区域（uCE ＞uBE，即uC ＞uB），在此区域内iC≠βiB ， iC不受iB的控制三极管无放大作用。一般把输出特性直线上升和弯曲部分划为饱和区。 (2)放大区：BJT 输出特性的平坦部分，接近于恒流特性，它符合iC= iB的规律， iC大小只受iB控制。 (3)截止区： iB ≤0的部分，iC≈0，晶体管处于截止状态。

3.1.4 三极管的微变等效电路 由输入输出特性曲线得知，三极管是一个非线性器件，在输入输入大幅度交流信号时，会出现由于器件非线性变化特性而引起的非线性失真。若输入信号幅度很小即“微变”时，三极管的电压和电流的变化范围很小。我们可以把微小范围内的曲线近似为直线，那么，三极管电压与电流之间的伏案关系基本是线性的。所以，可以用一个线性电路等效代替在微小工作范围内的三极管。等效原则是：线性电路引出端的电压和电流的伏安关系与三极管3个电极的电压和电流的伏安关系相同。我们把这个线性电路称为三极管的微变等效电路。由输入特性曲线可知，在工作点附近的较小的工作段可认为是直线，△ube与△ ib有线性关系。我们用一个等效电阻rbe来表示输入回路中电压与电流的关系，即

ib iC ic c ib + UBE — + uCE － + Uce － rbe + UBE — βib b e 由输出特性曲线可知，在放大区，曲线几乎是水平的，可以认为ic与uCE无关，只与iB的大小有关。所以输出回路可用电流控制的受控电流源iC=βiB来等效。三极管的微变等效电路如图3.1.5所示。图3.1.5 三极管的微变等效电路

应该指出，微变等效电路只能用于交流信号的分析计算，不能用来分析直流电量的计算问题。应该指出，微变等效电路只能用于交流信号的分析计算，不能用来分析直流电量的计算问题。 rbe的确定：经推证：式中IE是发射极直流电流，rbe是等效电路中的交流电阻。公式体现的是工作点对动态的影响。由于微变等效电路没有考虑PN结的电容效应，所以只适用于信号频率较低的情况。

例3.1如图所示，晶体管各极电位如图中标注，试判断晶体管处于何种工作状态（饱和、放大、截止或已损坏），若处于放大或饱和状态，请判断是硅管还是锗管。例3.1如图所示，晶体管各极电位如图中标注，试判断晶体管处于何种工作状态（饱和、放大、截止或已损坏），若处于放大或饱和状态，请判断是硅管还是锗管。

解：判断晶体管的工作状态主要是分析其两个PN结的偏置状态；而判断锗管或硅管主要是看其导通时发射结的压降，若|UBE|=0.7V左右则为硅管， |UBE|=0.2V左右则为锗管。（a）NPN型管， UBE=0.1-（-0.2）=0.3V，锗管，发射结正偏；UBC=0.1-6=-5.9V，集电结反偏；故该管工作在放大状态。（b）PNP型管， UEB=1-0.3=0.7V，硅管，发射结正偏；UCB=-2-0.3=-2.3V，集电结反偏；故该管工作在放大状态。（c）NPN型管， UBE=-3-（-2）=-1V，发射结反偏；UBC=-3-0=-3V，集电结反偏；故该管工作在截止状态。

（b）PNP型管， UEB=6-5.3=0.7V，硅管，发射结正偏；UCB=5.5-5.3=0.2V，集电结正偏；故该管工作在饱和状态。（c）NPN型管， UBE=4-4=0V，发射结压降为0；UBC=4-4=0V，集电结压降也为0；则该管可能因被击穿而损坏；也可能因电路连线问题而使之截止。

3.1.4 BJT的主要参数 1. 电流放大系数共射极放大电路：直流：交流：共基极放大电路：直流：交流：在通常情况下，直流与交流放大系数接近，故可混用。

例 3.2 已知某三极管，；当IB增加到时， IC变成。求：，， ，  。解：

例 3.3已知如图所示输出特性，各点 电流如下：（1）计算Q1，Q2，Q4各点直流例3.3 输出特性（2）由Q1 ~Q2两点的增量电流，计算交流 （3）由Q3 ~Q4两点的增量电流，计算交流

解：（1）在Q1点 Q2点 Q4点（2）由Q1 ~Q2两点，计算交流 例3.3 输出特性由Q3 ~Q4两点，计算交流

2.极间反向电流 (1)集电极-基极反向饱和电流CBO 表示发射极开路，c、b间加上一定反向电压时的反向电流，且它仅决定与温度和少数载流子的浓度。 (2)集电极-发射极反向饱和电流CEO 表示基极开路，c、e间加上一定反向电压时的集电极电流；此电流又称为穿透电流。 CEO=CBO+ CBO= (1+ )CBO 硅管的反向电流很小，锗管的较大。作为判断管子质量的重要依据

3.极限参数 (1) 集电极最大允许电流CM: 集电极电流iC的一个很大范围内，BJT的值基本不变，但当iC超过一定值后，将明显下降，且BJT可能有损坏的危险，该电流值即为ICM。 (2) 集电极最大允许功率损耗PCM：表示集电结上允许损耗功率的最大值。(PCM=iCCE) (3) 反向击穿电压 a.V(BR)EBO 指集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压。 b.V(BR)CBO 指发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。 c.V(BR)CEO 指基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。实质上就是发射结本身的击穿电压

3.2 共射极放大电路 一. 电路元件作用图3.2.1 基本共发射极交流放大电路

以共发电路为例，图3.2.1电路中各元件作用： 晶体管T——在交流信号激励下，把直流电源UCC 的能量转化为输出交流电压。集电极负载电阻RC——电源UCC经RC把电压加在集电极上，保证CB结反偏；同时RC还将集电极电流的变化转化为电压的变化。基极偏置电阻RB——基极电源UBB经RB把电压加在基极上，保证BE结正偏。耦合电容（C1，C2）——隔断放大电路与信号源及负载之间的直流通路，而对交流信号又应畅通无阻（交流耦合作用）。

二.偏置方法 1. 为什么需要直流偏置？放大电路在加交流激励信号以前，就应该首先给管子各电极加上正确的直流电压，以保证放大的外部条件： EB结正向偏置 CB结反向偏置在正确的偏压下，管子基极就会有相应的直流电流（称为基极直流工作点电流，或称偏置电流）。晶体管放大器为什么一定需要偏置电流？可用图3.2.2简单电路原理图说明之。

图3.2.2 放大器的直流偏置 在加交流信号以前，如果没有基极偏置电压，即UBEQ=0，则IB=0，IC≈0；加上交流信号ui以后，基极电流波形对应图3.2.2(b)中①的情况，可见iB是脉冲波，于是iC，uO波形也是脉冲波形，输出产生严重失真。若基极加上正向偏压UBEQ，产生相应的偏置电流IBQ，波形不再失真，如图(b)所示。

图3.2.3 直流工作点可见，直流偏置保证晶体管在交流信号一个周期内均处于放大状态。电路不产生放大失真。晶体管在直流工作状态（静态）下的电压和电流称为静态工作点，用符号Q表示，即ICQ，IBQ，UBEQ，UCEQ。如图3.2.3所示。 2. 交流信号激励下，管内电压电流的波形加上交流（正弦）信号以后，各电极电压与电流既包含直流又包含交流成份。其波形如图3.2.4所示。

图3.2.4 放大状态下的电压、电流波形 由图可见，加在晶体三极管发射结上的电压为如果Uim足够小，基极电流

当三极管工作在放大区，且忽略ICEO时，集电极电流当三极管工作在放大区，且忽略ICEO时，集电极电流式中相应集电极上的电压uCE为式中，UCEQ = UCC - ICQRC为集电极上的静态工作点电压。输出负载电阻RL上的电压

上式右边第二项是RC上的交流电压输出。 为统一起见，我们对符号及其相应含义作如下规定（以电压为例）： UBE —— 直流电压 ube —— 交流电压瞬时值 uBE —— 直流电压叠加交流电压（总电压瞬时值） Ube —— 正弦交流电压有效值 3. 偏置方法分为简单偏置与分压式偏置两种。 ①. 简单偏置图3.2.3就是简单偏置电路。该电路的缺点是需要两个偏置电源。

图3.2.5 简单偏置电路（NPN管） 为了简化起见，可以合为一个电源，如图3.2.5（a）所示。（b）是习惯画法。如果是PNP管，则应改为负电源供电，如图3.2.6所示。图3.2.6 PNP管简单偏置电路

(2)分压式偏置 +UCC +UCC RC RC RC RB1 RB1 ICQ I1 ICQ RBQ + + IEQ I2 RB2 UB UE RB2 CE UBEQ _ _ UbEQ (b) (a) 图3.2.7 分压式偏置电路图3.2.7(a)其特点是基极上有直流电压UB，它由UCC经RB1与RB2分压获得。

T℃ IC IE UE UBEQ IC IBQ 因此 UBEQ= UB - UE 基极偏压的大小,由所需基极偏置电流 (以及相应 ) 决定,它一般在下列范围内: (锗三极管) (硅三极管) 图3.2.7（b）直流工作点的热稳定性要比图3.2.7（a）好，原因解释如下：设由于温度T℃上升，导致ICQ有增加趋势，图3.2.7（b）电路中RE的作用，将使ICQ变化减小，上述稳定过程表示如下:

3.3 放大电路的性能指标 各种放大器均可统一表示为如图所示的组成框图。图中，US ， RS代表输入信号电压源的等效电动势和内阻。RL为放大器负载。图中所标注的电压和电流均为交流有效值，方向为假定正方向。衡量放大器放大性能的主要指标是增益、输入电阻、输出电阻、频率失真和非线性失真等。图3.3.1 放大器的组成框图

1. 输入电阻：定义 ，它是从输入端向电路看进去的交流等效电阻（信号源内阻RS不计入输入电阻内），输入电阻越大，放大电路向信号源索取的电流越大，放大电路获得信号能力就越强。 2. 输出电阻：在输入电压为0，将信号源US短路（如为电流源应开路），输出端加电压U0，如产生电流I0，则定义，其值越小，电路带负载能力越强。 3. 增益包括电压增益（又称电压放大倍数），电流增益（又称电流放大倍数）以及功率增益（功率放大倍数） ui 图3.3.2 放大器输出电阻

(1). 电压增益 ①. 定义称为外观电压增益（简称电压增益） ②. 定义称为源电压增益。两者之间关系是：图3.3.3 电压增益

(2). 电流增益 ①. 外观电流增益（简称电流增益） ②. 源电流增益两者关系：图3.3.4 电流增益

(3). 功率增益 图3.3.5 功率增益 (4). 电压增益的一般表达式任何放大电路（不管采用什么连接方式，不管是单级或多级），在图3.3.6中我们用四端网络框图来表示。图3.3.6 一般放大系统

该系统的电流增益 ，输入阻抗为Ri，则该电路系统的电压增益如果放大系统是同相放大器，Au取正号，正号可以省去；如果是反相放大器，应取负号。同时，注意 Ai 与 Ri 应该相互对应。 4. 频率响应它表示放大器的增益与信号频率之间的关系。由于放大电路一般含有电抗元件，因而放大器对于不同频率的输入信号具有不同的放大能力。这样，相应的增益应是频率的复函数，即

图 3.3.7 频率响应曲线 式中，A（w）是增益的幅值，jA(w)是增益的相角，图3.3.7是相应的曲线。幅值随w变化的特性A()称为幅频特性；相角随变化的特性A()称为相频特性。两者统称为放大器的频率特性（或频率响应），由图3.3.7（a）可见，信号频率太高或太低A()均要降低。 A0称为中频增益，A()降为时，对应的频率fL及fH分别称为下限频率及上限频率，放大器的频带宽（通频带）度定义为:

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