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第四章 半导体三极管及其应用

第四章 半导体三极管及其应用. 半导体三极管 放大电路的图解分析法 放大电路的小信号模型分析法 三种组态放大电路 多级放大电路 共集电极和共基极电路 放大电路的频率响应. §4.1 双极型三极管. 半导体三极管的结构 三极管内部的电流分配与控制 三极管各电极的电流关系 三极管的共射极特性曲线 半导体三极管的参数 三极管的型号 三极管应用. +. 4.1.1 半导体三极管 (BJT) 的结构. BJT 是双极结型晶体管 Bipolar Junction Transistor 的简写. 外形. 集成 BJT 剖面. 符号（ NPN 型）.

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第四章 半导体三极管及其应用

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  1. 第四章 半导体三极管及其应用 • 半导体三极管 • 放大电路的图解分析法 • 放大电路的小信号模型分析法 • 三种组态放大电路 • 多级放大电路 • 共集电极和共基极电路 • 放大电路的频率响应

  2. §4.1 双极型三极管 • 半导体三极管的结构 • 三极管内部的电流分配与控制 • 三极管各电极的电流关系 • 三极管的共射极特性曲线 • 半导体三极管的参数 • 三极管的型号 • 三极管应用

  3. + 4.1.1 半导体三极管(BJT)的结构 • BJT是双极结型晶体管Bipolar Junction Transistor的简写 外形 集成BJT剖面 符号（NPN型） 结构示意图

  4. 集 电 结 Jc 发 射 结 Je 发 射 区 集 电 区 集 电 极 C 发 射 极 E 基 区 基极B BJT 结构 集 电 结 Jc 发 射 结 Je 集 电 区 集 电 极 C 发 射 极 E 发 射 区 基 区 基极B

  5. BJT 结构 • 三个电极 • 发射极，基极，集电极 • 发射极箭头方向是指实际电流方向 • 三个区 • 发射区(高掺杂)，基区(很窄)，集电区 • 两个PN结 • 发射结(eb结),集电结(cb结) • 晶体管具有的能力 • 电流控制（current control） • 电流放大（current amplify）

  6. + BJT 结构 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上: • 发射区的掺杂浓度大，发射载流子 • 集电区掺杂浓度低，且集电结面积大，收集载流子 • 基区得很薄，控制载流子分配，其厚度一般在几个微米至几十个微米。

  7. BJT的三种组态 CB (Common Base)：共基极，基极为公共电极 CE (Common Emitter)：共发射极，发射极为公共电极 CC(Common Collector)：共集电极，集电极为公共电极

  8. 反偏 IC + IB RC NPN Rb Vo VCC IE VBB _ 正偏 4.1.2三极管内部的电流分配与控制 • 三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 • 放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压 以NPN型BJT为例 什么组态？

  9. VCC VBB 非平衡载流子 电流分配与控制 • 发射结正偏，集电结反偏时三极管中载流子的运动： • 发射区向基区 • 注入电子 • 在VBB作用下，发射 • 区向基区注入电子 • 形成IEN，基区空穴 • 向发射区扩散形成 • IEP。 • IEN >> IEP方向相同

  10. VCC VBB 电流分配与控制 2. 电子在基区复合和扩散 发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。 3. 集电结收集电子 由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。

  11. VCC VBB 电流分配与控制 4.集电极的反向电流 集电结收集到的电子包括两部分： 发射区扩散到基区的电子——ICN 基区的少数载流子——ICBO 收集载流子

  12. VCC VBB 电流分配与控制 IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP IEN=ICN+ IBN 且有ICN>>IBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBN－ICBO IE =IC+IB

  13. 电流分配与控制 • 使晶体管具有电流分配与控制能力的两个重要条件 • ①内部条件 • 发射区高掺杂(故管子e、 c极不能互换) • 基区很薄(几个m) • ②外部条件 • 发射结(eb结)正偏 • 集电结(cb结)反偏 • 晶体管工作的内部机理： -------“非平衡载流子”的传输 • 非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例) • ①发射区向基区的多子注入(扩散运动）为主 • ②基区的 复合 和 继续扩散 • ③集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）

  14. 称为共基极直流电流放大系数。 表示集电极收集到的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1，一般为0.98~0.999 。 IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= IC+ IB+ICBO 4.1.3 三极管各电极的电流关系 集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系定义:

  15. 式中： 称为共发射极接法直流电流放大倍数。 电流放大系数 在忽略ICBO情况下， IC、 IE和IB之间的关系可近似表示为：

  16. iC c iB是输入电流 vBE是输入电压 加在B、E电极之间 + + iB b 输入回路 RC + vCE Rb vO iC是输出电流 vCE是输出电压 从C、E两电极取出 vBE iE 输出回路 VBB VCC + vi - e _ _ _ 4.1.4 三极管的共射极特性曲线 共发射极接法三极管的特性曲线： 输入特性曲线—— iB=f(vBE)vCE=const 输出特性曲线——iC=f(vCE)iB=const

  17. b e c 1. 输入特性曲线 输入特性曲线—— iB=f(vBE)vCE=const 表示vCE为常数时，iB与vBE间关系。 由于受集电结电压的影响，输入特性与一个单独的PN结的伏安特性曲线有所不同。 (1)VCE=0时：b、e间加正向电压， JC和JE都正偏，JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性。 VCE=0V： 两个PN结并联

  18. b e c 输入特性曲线 (2) VCE>1V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏， JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只有小部分与基区多子形成电流IB。所以在相同的VBE下，IB要比VCE=0V时小。 VCE>1V： iB比VCE=0V时小，且vCE增大，曲线略有右移，到一定程度则不再变化。这是管子的基区调制效应。 (3) VCE介于0~1V之间时， JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着VCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。 0<VCE<1V: VCE iB

  19. iC VCE=VBE 100uA 饱 80uA 6 和 放 60uA 区 大 4 40uA 区 20uA 2 0uA ICBO 截止区 vCE 0 4 10 12 2 6 8 2. 输出特性曲线 输出特性曲线—— iC=f(vCE)iB=const 表示iB一定时，iC与vCE之间的变化关系。 • 放大区：JE正偏， • JC反偏，对应一个IB，IC基本不随VCE增大，IC= IB。 • 处于放大区的三极管相当于电流控制电流源。 • 截止区：对应IBICBO的区域， JC和JE都反偏， IB ≈0，IC ≈0

  20. ic VCE=VBE 100uA 饱 80uA 6 和 放 60uA 区 大 4 40uA 区 20uA 2 0uA ICBO 截止区 vCE 0 4 10 12 2 6 8 输出特性曲线 • (3)饱和区： 对应于 VCE≤VBE (VCB≤0)的区域，集电结处于零偏或正偏，吸引电 子的能力较弱。VCE增加，集电结吸引电子能力增强，IC增大。 • JC和JE都正偏， • VCES约等于0.3V， • IC< IB 饱和时c、e间电压记为VCES，深度饱和时VCES约等于0.3V。 饱和时的三极管c、e间相当于一个压控电阻。

  21. 输出特性曲线总结 自学：共基极连接的I-V特性 • 饱和区 • eb结正偏，cb结正偏或反偏电压很小 • iC受vCE显著控制的区域 • 该区域内vCE的数值较小，管子完全导通 • 相当一个开关“闭合（Turn on）”。 • 放大区 • eb结 正偏，cb结 反偏 。 • iC平行于vCE轴的区域，曲 线基本平行等距--恒流特性 • vCE的数值大于0.7V • 截止区 • eb结和cb结 均为反偏。 • iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方 • 管子不通，相当于一个“开关”打开（Turn off）。

  22. 3. 温度对三极管特性的影响 自学：共基极连接的I-V特性 温度升高使： （1）输入特性曲线左移 （2）ICBO增大，输出特性曲线上移 （3）增大

  23. 三极管工作情况总结 三极管处于放大状态时，三个极上的 电流关系： 电位关系： 锗管：VB=VE+0.2V VB=VE+0.2V

  24. 放大 饱和 截止 例4.1.1：判断三极管的工作状态 测量得到三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。

  25. 例4.1.2：判断三极管的工作状态 用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态，设β=100，求IE和VCE。

  26. 4.1.5 三极管的型号 中国国家标准（GB—249—74）规定的中国半导体器件型号命名方法 3DG110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管

  27. a.共基极直流电流放大系数 =(IC-ICBO)/IE= IB/1+ IB= /1+  2.1.6 半导体三极管的参数 • 管子参数 是衡量晶体管质量好坏和选择管子的主要依据。 • 半导体三极管的参数分为三大类: • 直流参数 • 交流参数 • 极限参数 1. 直流参数 ①直流电流放大系数

  28. b.共射极直流电流放大系数： =（IC－ICEO）/IB≈IC / IB  vCE=const 在放大区基本不变 共发射极输出特性曲线上，可通过垂直于X轴的直线 vCE=const来求取 =IC / IB IC较小时和IC较大时， 有所减小， iC/mA iC/mA vCE/V iB/uA 三极管的直流参数

  29. b.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO之间的关系： ICEO=（1+ ）ICBO iC/mA vCE/V 三极管的直流参数 ②极间反向电流 a.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。 相当于基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0时曲线所对应的Y坐标的数值。 硅管比锗管小。 此值与本征激发有关。 取决于温度特性（少子特性）。

  30. iC/mA vCE/V 三极管的交流参数 2.交流参数 ①交流电流放大系数 a.共发射极交流电流放大系数  =IC/IBvCE=const 在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。

  31. 当ICBO和ICEO很小时， ≈、 ≈，可以不加区分。 三极管的交流参数 b.共基极交流电流放大系数α=IC/IEVCB=const ②特征频率fT和截至频率f 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。 当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。 当下降到原来大小的0.707倍时所对应的频率称为截至频率，用f表示。

  32. iC/mA vCE/V 三极管的极限参数 (3)极限参数 ①集电极最大允许电流ICM 如图所示，当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。  值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。 当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。

  33. 三极管的极限参数 ②集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCB≈ICVCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。 在计算时往往用VCE取代VCB。

  34. 三极管的极限参数 ③反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。BR--Breakdown a. V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。 b. V(BR) EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。 c. V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

  35. 三极管的极限参数 V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间短路 V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR) EBO

  36. iC/mA vCE/V 三极管的安全工作区 三个极限参数PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，所限定的区域称为晶体管安全工作区。

  37. P I VR VR VR I f 参 数 C M C M CBO CEO EBO C BO T mW mA V V V A μ MHz 型 号 125 125 20 12 6 8 3AX31D ≤ *≥ 3BX31C 125 125 40 24 ≤ 6 *≥ 8 3CG101C 100 30 45 0.1 100 3DG123C 500 50 40 30 0.35 3DD101D 5A 5A 300 250 4 ≤ 2mA 3DK100B 100 30 25 15 ≤ 0.1 300 3DKG23 250W 30A 400 325 8 注：*为 f 三极管的参数

  38. 作业 4.1.1 4.1.2 4.2.3 4.3.1

  39. vi 5K 5V 10V c t + 10K b vO vO + 10V vi e _ _ t 4.1.7 三极管应用 例如：三极管用作可控开关 (=50) vi=5V时，iB=(5-0.7)/10K=0.43mA ICS=10V/5K=2mA< iB=22mA 三极管饱和，vO=0V; vi=0V时，三极管截止, vO=10V。

  40. §4.2 基本共射极放大电路电路分析 • 基本共射放大电路 • 基本共射放大电路 • 直流通路与交流通路 • 放大电路的图解分析法 • 静态分析 • 动态分析 • 放大电路的小信号模型分析法 • 微变等效电路 • 指标计算 • 基本放大电路的三种组态

  41. + 电路组成: • 三极管T • VCC：几~ 几十伏 • RC：几K~几十K • VBB：为发射结提供正偏 • Rb：几十K~几千K • 硅管VBE≈0.7V • 锗管VBE≈0.2V • Cb1， Cb2：耦合电容或隔直电容 • vi：输入信号； vo：输出信号 • 公共地或共同端，电路中每一点的电位实际上都是该点与公共端之间的电位差。图中各电压和电流的极性是参考极性。 + Cb2 RC c Cb1 b RL + T vo + Rs VCC e Rb vi vs VBB _ _ 4.2.1 基本共射放大电路

  42. + + Cb2 RC c Cb1 b RL + T vo + Rs VCC e Rb vi vs VBB _ _ 基本共射放大电路 • 核心元件 • 晶体管是放大器的“心脏” • 起放大作用 • 电路的构成要保证两个基本方面条件： • 直流条件 • 通过电源和偏置保证 • VCC，Rc，VBB，Rb • 这是放大器的外部条件（静态） • 交流条件 • 通过信号和传输回路保证 • Cb1， Cb2：耦合电容或隔直电容 • vs：输入信号； vo：输出信号 • 这是放大器的工作目的（动态）

  43. 基本共射放大电路 • 两种状态 • 静态 （由电源引起）---- “直流是条件” • 动态 （由信号源引起）----交流是目的 • “两种通路”（交、直流分开看） • 直流通路 • 交流通路

  44. 静态与动态 静态：只考虑直流信号，即vi=0，各点电位不变 （直流工作状态，是条件）。 动态：只考虑交流信号，即vi不为0，各点电位变化 （交流工作状态，是目的）。 放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。

  45. 直流通路与交流通路 • 直流通路 • 电路中只有直流量通过 • 如何得到直流电路？ • 电容开路 • 电感短路 • 交流通路 • 交流量（信号）通过的电路 • 如何得到交流电路？ • 电容短路 • 电感开路 • 电流源两端开路（内阻大） • 电压源两端短路（内阻小）

  46. + + Cb2 RC c Cb1 VCC b + RL T vo + Rb RC Rs Cb2 VCC e Rb + vi vs Cb1 + VBB _ _ + RL T vo + Rs _ vi vs _ 基本共射放大电路

  47. VCC VCC 电容相当于开路，电感相当于短路 Rb RC + Rb RC Cb2 T + + RL T RC vo Cb1 + vo - vi Rb T RL _ _ v + vi i 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 直流通路与交流通路 从C、B、E向外看，有直流负载电阻， Rc、Rb 从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻， Rc//RL和偏置电阻Rb

  48. 信号表示（对IC、VBE、VCE等意义相同）：IB表示直流量信号表示（对IC、VBE、VCE等意义相同）：IB表示直流量 Ib表示交流有效值 Ib表示复数量 iB表示交直流混合量 ib表示交流小信号 IB表示直流变化量 iB表示iB的变化量 信号表示

  49. 用不同符号表示的物理量 • 静态值：主字母大写，脚标大写，如 IC • 交流（瞬时值）：主字母小写，脚标小写，如vbe • 交流有效值：主字母大写，脚标小写，如Ic • 总瞬时值：主字母小写，脚标大写 • 总瞬时值=直流分量±交流分量 如：vBE=VBE±vbe

  50. VBE vbe t t vBE t 用不同符号表示的物理量 • 总瞬时值与直流分量、交流分量之间的关系（图）

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