三极管及其应用

电子竞赛培训（模拟电子）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放大电路工作点稳定共集电极和共基极电路放大电路的频率响应放大电路的瞬态响应电子竞赛培训（模拟电子）§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三极管应用电子竞赛培训（模拟电子）1.1半导体三极管的结构双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。e-b间的PN结称为发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结(Jc)中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。双极型三极管的符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。9012、9014、80509013、9015、8550电子竞赛培训（模拟电子）半导体三极管的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，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。电子竞赛培训（模拟电子）1.2三极管内部的电流分配与控制双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压，如图所示。现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo电子竞赛培训（模拟电子）电流分配与控制在发射结正偏，集电结反偏条件下，三极管中载流子的运动：(1)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。IENIEP方向相同VBBVCC电子竞赛培训（模拟电子）电流分配与控制(2)电子在基区复合和扩散由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。VBBVCC电子竞赛培训（模拟电子）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——ICBOVBBVCC电子竞赛培训（模拟电子）电流分配与控制IE=IEN+IEP且有IENIEPIEN=ICN+IBN且有IENIBN，ICNIBNIC=ICN+ICBOIB=IEP+IBN－ICBOIE=IC+IBVBBVCC电子竞赛培训（模拟电子）1.3三极管各电极的电流关系(1)三种组态双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见下图共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；电子竞赛培训（模拟电子）(2)三极管的电流放大系数对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:ECN/II称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流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。由此可得:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBOCEOBCBOBIIII11IC电子竞赛培训（模拟电子）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：BCEBEBCIIIIIIβI1BCEBEBCIIIIIII1BCCEOBCIIIII很小时当定义ααβ1=式中：称为共发射极接法直流电流放大倍数。CBOCBOCEOIβαII)+1(=-1=电子竞赛培训（模拟电子）1.4三极管的共射极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共发射极接法三极管的特性曲线：这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。RCRbVccBBV+_VoiBiCiE+_vBE+_vCEbce电子竞赛培训（模拟电子）信号表示信号表示（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表示交流变化量IB表示直流变化量iB表示iB的变化量电子竞赛培训（模拟电子）1.输入特性曲线i(uA)B100204060800.20.40v(V)BEV=0VCEV=0.5VCEV1VCEVCE一定时，iB与vBE之间的变化关系：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。在讨论输入特性曲线时，设vCE=const(常数)。CEV)(BEBvfi(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结并联电子竞赛培训（模拟电子）输入特性曲线i(uA)B100204060800.20.40v(V)BEV=0VCEV=0.5VCEV1VCE(3)VCE1V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。VCE1V：iB比VCE=0V时小(2)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。0VCE1V:VCEiB电子竞赛培训（模拟电子）2.输出特性曲线表示IB一定时，iC与vCE之间的变化关系。BI)(CECvfi放大区饱和区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0(1)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一个电流控制电流源。(2)截止区：对应IB0的区域，JC和JE都反偏，IB=IC=0电子竞赛培训（模拟电子）输出特性曲线(3)饱和区对应于vCEvBE的区域，集电结处于正偏，吸引电子的能力较弱。随着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。放大区饱和区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0电子竞赛培训（模拟电子）输出特性曲线总结饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7V左右(硅管)。动画2-2电子竞赛培训（模拟电子）三极管工作情况总结状态发射结集电结IC截止反偏或零偏反偏0放大正偏反偏IB饱和正偏正偏IB三极管处于放大状态时，三个极上的电流关系：电位关系：BCEBEBCIIIIIII1NPNPNPc最高最低b中VB=VE+0.7V中VB=VE-0.7Ve最低最高电子竞赛培训（模拟电子）3.温度对三极管特性的影响温度升高使：（1）输入特性曲线左移（2）ICBO增大，输出特性曲线上移（3）增大电子竞赛培训（模拟电子）1.5半导体三极管的参数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a.共基极直流电流放大系数=IC/IE=IB/1+IB=/1+电子竞赛培训（模拟电子）三极管的直流参数在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC/IB，如下左图所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见下右图。b.共射极直流电流放大系数：=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=constβ电子竞赛培训（模拟电子）三极管的直流参数b.集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO之间的关系：ICEO=（1+）ICBO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,如图所示。②极间反向电流a.集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO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。电子竞赛培训（模拟电子）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。或在图上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图所示。电子竞赛培训（模拟电子）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当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。②特征频率fT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。电子竞赛培训（模拟电子）三极管的极限参数如图所示，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。至于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。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。(3)极限参数①集电极最大允许电流ICM电子竞赛培训（模拟电子）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。电子竞赛培训（模拟电子）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，其测试时的原理电路如图所示。BR代表击穿之意，是Breakdown的字头。几个击穿电压在大小上有如下关系：V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO电子竞赛培训（模拟电子）三极管的极限参数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。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。电子竞赛培训（模拟电子）三极管的安全工作区由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，见下图。电子竞赛培训（模拟电子）三极管的参数参数型号PCMmWICMmAVRCBOVVRCEOVVREBOVICBOμAfTMHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5A5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DKG23250W30A4003258注：*为f电子