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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. 参考学习网站： ① 大连职业技术学院 —— http://jpk.dlvtc.edu.cn/mndz/ ② 华中科技大学 ——http://202.114.4.28/jpkc/dzjsjc2003/index.htm. 3.1 半导体三极管. 3.1.1 三极管的结构及类型. 外形结构. 1. 三极管的分类 按照 频率 分：高频管、低频管 按照 功率 分：小、中、大功率管 按照 材料 分：硅管、锗管等. 晶体三极管的结构 ——BJT 由两个 PN 结组成. 发射结. 集电结. 集电区. 集电极.

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第三章 半导体三极管 及放大电路基础

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  1. 第三章 半导体三极管 及放大电路基础 参考学习网站： ①大连职业技术学院—— http://jpk.dlvtc.edu.cn/mndz/ ②华中科技大学——http://202.114.4.28/jpkc/dzjsjc2003/index.htm

  2. 3.1半导体三极管 3.1.1三极管的结构及类型 外形结构 1.三极管的分类 按照频率分：高频管、低频管 按照功率分：小、中、大功率管 按照材料分：硅管、锗管等

  3. 晶体三极管的结构 ——BJT由两个PN结组成 发射结 集电结 集电区 集电极 基区 发射极 发射区 基极

  4. C 集电极 N P B N 基极 E 发射极 特征 集电区：面积最大。掺杂浓度较基区高，较发射区低。 基区：较薄，掺杂浓度低。 发射区：面积较大，掺杂浓度最高。

  5. PNP型 发射极 集电极 N P N P P N 基极 E E C C C C IC B B IC B B IB IB IE IE E E 2种结构的对比 NPN型 集电极 发射极 基极 符号： PNP型三极管 NPN型三极管

  6. RC IC 发射结正向偏置 C IB B 集电结反向偏置 UCC E NPN管： UBE>0 UBC<0 即 VC>VB>VE PNP管： UBE<0 UBC>0 即VC<VB<VE 输出电路 输入电路 RB IE UBB c c b b e e 3.1.2晶体三极管的电流分配及放大作用(重点) 晶体管具有电流放大作用的外 部条件：

  7. IC N 发射结正向偏置 集电结反向偏置 IB P RC RB VCC VEE N IE 1.三极管内的载流子运动过程 空穴与电子复合。相当于 VEE从b区拉走电子，形成IB 电子流向电源VCC正极，形成IC ICN ICBO ③ C区收集电子 ② 电子在B区的扩散与复合 IBN ① E区向基区扩散电子 IEN IEP 电源负极向E区补充电子形成发射极电流IE

  8. 当基极——发射极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。当基极——发射极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。 2.电流分配 BJT内2种载流子参与导电，不是1种载流子行为。 1 由于基区很薄且掺杂浓度小,C极收集的电子流是E极发射的总电子流的一部分。即： iE=iB+iC , iC=αiE , iB=(1-α)iE 、β为2种电流增益。

  9. 电流分配图 IBn IEn 图 3 - 5 三极管电流分配

  10. 三极管的三种连接方式： 共发射极接法：发射极作为公共端； 共集电极接法：集电极作为公共端； 共基极接法：基极作为公共端。 不论是什么连接、哪一种类型的管子，要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏（外部条件）。且发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，基区很薄（内部条件）。

  11. 3.三极管的交流信号放大作用原理 (重点、难点) 内部条件：发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，基区很薄。 外部条件：要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。 ~ ~ ~ ~ 交流信号i控制iE，控制iC，控制负载的电压 =iCRLo。然后得到电压增益AV。

  12. IB = f (vBE ) vC E =常数 IB/ µA IC ＋ RC IB UCE≥1V UCE ＋ - UBE UCC RB IE 材料不同，死区电压Vth不同 - UB O /V UBE 3.1.3 特性曲线 1.共射连接电路的输入特性曲线 ——相当于发射结的正向I——V。 UCE>0V增加，吸引电子能力增强，更多电子进入C极，导致IB减小。 UCE=0 UCE=常数

  13. IC ＋ RC IB UCE ＋ - UBE UCC RB IE - UB O 2.共射连接电路的晶体管输出特性曲线 vCE增加时,基区有效宽度减小,载流子在基区的复合机会减少。在iB不变时,iC随vCE略有增加. iC = f (vCE ) | iB = 常数 IC IB=60µA IB增加 IB=40µA IB减小 IB= 20µA UCE

  14. iB = f (vBE ) vCB = 常数 2.共基连接电路的输入/输出特性曲线 iC = f (vCB ) | iE = 常数 vCB增加时,集电结反偏电压增加,收集电子能力增强,iE随vCB略有增加. vCB为”—”时,集电结正偏电压增加,阻挡电子到C极,iC随—vCB急剧下降.

  15. ICBO 共射电流增益 C B 共基交流电流增益α=iC / iE 直流电流增益:β=IC / IB 共基直流电流增益α=IC / IE E 交流电流增益:β=△iC / △iB 极间反向饱和电流 ICEO µA µA C B E 3.1.4.主要参数 集电极基极间反向饱和电流 ICBO 集电极发射极间穿透电流 ICEO 此2个电流是衡量BJT质量的重要参数。 ICEO=(1+β)ICBO

  16. 极限参数 集电极最大允许电流 ICM IC/mA 过流区 反向击穿电压： U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CEO ICM PCM=ICUCE 集电极最大允许耗散功率 PCM 安全工作区 过损区 过压区 使用时不允许超 过这些极限参数。 O U(BR)CEO UCE/V

  17. ICBO A ①.集-基极反向截止电流ICBO E极开路，ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。

  18. ICEO= IBE+ICBO  IBE ICBO IBE ②. 集-射极反向截止电流ICEO 集电结反偏有ICBO ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 C N B P N 根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。 ICBO进入N区，相当于IBE。 E

  19. ③.集电极最大电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。 5.集-射极反向击穿电压 当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。

  20. IC ICM UCE U(BR)CEO ④. 集电极最大允许功耗PCM 安全工作区 • 集电极电流IC • 流过三极管， • 所发出的焦耳 • 热为： ICUCE=PCM PC =ICUCE • 必定导致结温 • 上升，所以PC • 有限制。 PCPCM

  21. 晶体管输出特性曲线分三个工作区 IC / mA 80 4 60 3 饱 和 区 放大区 40 2 IB= 20 µA 1 0 截止区 O 4 6 8 VCES 2 UCE/V 放大区：VBE0.60.7V，VCEVCES； 饱和区： VCEVCES； 截止区： VBE 0.60.7V

  22. 3.2 基本共射放大电路 B C E → iC（b iB） → u BE → iB → uCE（Vcc-iC×Rc） → 电压放大倍数： 3.2.1 共射放大电路三 极管的放大原理 条件：发射结正偏；集电结反偏。 放大原理： 位相相反

  23. +V （+12V） CC R I C C C + R b B T E U V I CE BB B U BE - 符号说明 叠加 直流 交流

  24. +VCC 放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。 RC C2 C1 T Rb RL VBB uo 输出 ui 输入 参考点 3.2.2. 结构及各元件的作用

  25. +VCC C1 使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。 RC C2 T Rb RL VBB 基极电源与基极电阻 共射放大电路组成

  26. +VCC 集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。 RC C2 C1 T Rb RL VBB

  27. 共射放大电路 +VCC 集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。 RC C2 C1 T Rb RL VBB

  28. 作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。 +VCC 耦合电容： 电解电容，有极性， 大小为10F~50F RC C2 C1 T + + Rb RL VBB uo ui

  29. 单电源供电

  30. 3.3 图解分析法 +VCC IC0 RC Rb C2 IC 由于电源的存在，IB0 C1 IB T RL ui=0时 IE=IB+IC 无信号输入时 3.3.1静态工作点 ——输入信号Ui=0时电路在直流工作状态——静态。

  31. 静态工作点 +VCC RC Rb IC C2 C1 IB ( IC,UCE ) T (IB,UBE) RL UCE UBE

  32. IC IB Q Q IB IB IC UBE UCE UCE UBE (IB,UBE)和( IC,UCE )分别对应于输入/输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。 放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。 为什么要设置静态工作点？

  33. +VCC +VCC RC Rb RC Rb C2 C1 开路 开路 RL 2. 静态工作点的估算 1. 画出放大电路的直流通路 直流通路的画法：将交流电压源短路，将电容开路 直流通道

  34. 2. 近似估算静态工作点 （ IB、UBE、IC、UCE） （1）估算IB (UBE(Si) 0.7V) +VCC RC Rb IB UBE Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。

  35. （2）估算UCE、IC IC= IB +VCC IC RC Rb UCE

  36. 例：用估算法计算静态工作点。 已知：VCC=12V，RC=4K， Rb=300K ，=37.5。 解： UBE0.7 V +VCC RC Rb  请比较电路中IB和IC的数量级。 P84. 图3.2.2 (b)

  37. 2. 用图解法分析放大器的静态工作点 (1) 放大电路分成非线性(含BJT)与线性2部分

  38. (2) 作出非线性部分的V——I输出特性线 IC Q IB 静态IC VCC UCE 静态VCE VCE=VCC–ICRC (3)直流负载线: (4) 由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q。

  39. 二. 用图解法分析放大器的动态工作情况 1. 交流放大原理（设输出空载） IC IB 静态工作点 ib ic ib Q VBE VCE ？ uCE怎么变化 假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 ui 。 ui

  40. iC ic uCE =AvuBE也沿着负载线变化。 uCE uO=uCE与ui反相！ uCE

  41. iC +VCC RC Rb C2 － ＋ － C1 ＋ uCE uo iB ui 各点波形 uo比ui幅度放大且相位相反

  42. +VCC 置零 RC Rb C2 C1 短路 短路 RL uo ui 2. 动态——放大器的交流通路(P123-125例4.3.1) 交流通路——分析动态工作情况 交流通路的画法：将直流电压源短路，电流源开路，将电容短路。 输入信号ui的电路 1/C0

  43. RL RC uo ui Rb 交流通道

  44. 3.交流负载线 输出端接入负载RL：不影响Q， 影响动态！ +VCC RC Rb C2 C1 RL

  45. ic uce RL RC uo ui Rb 交流负载线 uce=-ic（RC//RL） = -ic RL′ 其中：

  46. uce=-ic（RC//RL）= -ic RL 或ic=（-1/ RL） uce 这就是说，交流负载线的斜率为： 交流量ic和uce有如下关系： 交流负载线的作法： ①斜 率为-1/R'L 。（ R'L= RL∥Rc） ②经过Q点。

  47. IC Q VCC UCE 交流负载线的作法 交流负载线 ①斜 率为-1/R'L 。 （ R'L= RL∥Rc） 直流负载线 IB ②经过Q点。 注意： （1）交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。 （2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。

  48. iC ib uCE 4．非线性失真与Q的关系 （1）合适的静态工作点 Q 可输出的最大不失真信号 Q点过高或过高结果如何? uo

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