第2章 双极型晶体管及其特性

第2章双极型晶体管及其放大电路第2章双极型晶体管及其放大电路2–1双极型晶体管的工作原理2–2晶体管伏安特性曲线及参数2–3晶体管工作状态分析及偏置电路2–4放大器的组成及其性能指标2–5放大器图解分析法2–6放大器的交流等效电路分析法2–7共集电极放大器和共基极放大器2–8放大器的级联第2章双极型晶体管及其放大电路2–1双极型晶体管的工作原理双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。晶体管的原理结构如图2–1(a)所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型—P型—N型结构，所以称为NPN管。第2章双极型晶体管及其放大电路P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区ec(b)N＋衬底N型外延PN＋cebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN图2–1(a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图第2章双极型晶体管及其放大电路2–1–1放大状态下晶体管中载流子的传输过程当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用图2--2说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。第2章双极型晶体管及其放大电路图2–2晶体管内载流子的运动和各极电流cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN第2章双极型晶体管及其放大电路一、发射区向基区注入电子由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEPIEN，可忽略不计。因此，发射极电流IE≈IEN，其方向与电子注入方向相反。第2章双极型晶体管及其放大电路二、电子在基区中边扩散边复合，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。第2章双极型晶体管及其放大电路三、扩散到集电结的电子被集电区收集由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC、IB的另一部分电流。第2章双极型晶体管及其放大电路2–1–2由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：CBOCNCCBOCNBCNBNENEIIIIIIIIII(2–1a)(2–1b)(2–1c)第2章双极型晶体管及其放大电路式(2–1)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。第2章双极型晶体管及其放大电路为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为CBOBCBOCBNCNIIIIII(2–2)其含义是：基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去。值一般在20~200之间。第2章双极型晶体管及其放大电路确定了值之后，由式(2–1)、(2–2)可得CEBCEOBCBOBECEOBCBOBCIIIIIIIIIIIII)1()1()1()1((2–3a)(2–3b)(2–3c)式中：CBOCEOII)1((2–4)称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有BEBCIIII)1((2–5a)(2–5b)式(2–5)是今后电路分析中常用的关系式。第2章双极型晶体管及其放大电路为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为ECBOCENCNIIIII(2–6)显然，1，一般约为0.97~0.99。由式(2–6)、(2–1)，不难求得BCEECBOEBECBOECIIIIIIIIIII)1()1((2–7a)(2–7c)(2–7b)第2章双极型晶体管及其放大电路由于,都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由,的定义可得11BNBNBNCNENCNENCNEEECNECNENCNIIIIIIIIIIIIIIII(2–8)(2–9)第2章双极型晶体管及其放大电路2–1–3晶体管的放大作用现在用图2–2来说明晶体管的放大作用。若在图中UBB上叠加一幅度为100mV的正弦电压Δui，则正向发射结电压会引起相应的变化。由于e结正向电流与所加电压呈指数关系，所以发射极会产生一个较大的注入电流ΔiE，例如为1mA。第2章双极型晶体管及其放大电路2–2晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解晶体管的导电特性非常有用。晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中，有图2–3所示的三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。第2章双极型晶体管及其放大电路(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE图2–3(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极第2章双极型晶体管及其放大电路2–2–1晶体管共发射极特性曲线因为有两个回路，所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图2–4电路逐点测出。一、共发射极输出特性曲线测量电路如图2–4所示。iB为参变量时，iC与uCE，即常数BiCECufi)(第2章双极型晶体管及其放大电路μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－图2–4共发射极特性曲线测量电路第2章双极型晶体管及其放大电路典型的共射输出特性曲线如图2–5所示。由图可见，输出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分别讨论如下。1e结为正偏，c结为反偏的工作区域为放大区。由图2–5可以看出，第2章双极型晶体管及其放大电路uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBE图2–5共射输出特性曲线第2章双极型晶体管及其放大电路(1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔIB时，iC就会有很大的变化量ΔIC。为此，用共发射极交流电流放大系数β来表示这种控制能力。β定义为常数EuBCII(2–10)反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。第2章双极型晶体管及其放大电路(2)uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为，iB一定而uCE增大时，曲线略有上翘(iC略有增大)。这是因为uCE增大，c结反向电压增大，使c结展宽，所以有效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会减少，即iB要减小。而要保持iB不变，所以iC将略有增大。这种现象称为基区宽度调制效应，或简称基调效应。从另一方面看，由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时，集电极。第2章双极型晶体管及其放大电路2e结和c结均处于正偏的区域为饱和区。通常把uCE=uBE(即c结零偏)的情况称为临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。第2章双极型晶体管及其放大电路二、共发射极输入特性曲线测量电路见图2–4。共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即典型的共发射极输入特性曲线如图2–6所示。常数CEuBEBufi)(第2章双极型晶体管及其放大电路iB/μAuBE/V060900.50.70.930UCE＝0UCE≥1图2–6共发射极输入特性曲线第2章双极型晶体管及其放大电路(1)在uCE≥1V的条件下，当uBEUBE(on)时，iB≈0。UBE(on)为晶体管的导通电压或死区电压，硅管约为0.5~0.6V，锗管约为0.1V。当uBEUBE(on)时，随着uBE的增大，iB开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。(2)当uCE=0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移，见图2–6。第2章双极型晶体管及其放大电路(3)当uCE在0~1V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0uCE≤UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些。(4)当uBE0时，晶体管截止，iB为反向电流。若反向电压超过某一值时，e结也会发生反向击穿。第2章双极型晶体管及其放大电路三、温度对晶体管特性曲线的影响温度对晶体管的uBE、ICBO和β有不容忽视的影响。其中，uBE、ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即温度每升高1℃，uBE减小2~2.5mV；温度每升高10℃，ICBO增大一倍。温度对β的影响表现为，β随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1℃，β值增大0.5%~1%(即Δβ/βT≈(0.5~1)%/℃)。第2章双极型晶体管及其放大电路一、电流放大系数1共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β和β分别由式(2–2)、(2–10)定义，其数值可以从输出特性曲线上求出。2共基极直流电流放大系数和交流电流放大系数由式(2–6)定义，而α定义为，uCB为常数时，集电极电流变化量ΔIC与发射极电流变化量ΔIE之比，即常数BuECII(2–11)第2章双极型晶体管及其放大电路由于ICBO、ICEO都很小，在数值上β≈,α≈应当指出，β值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，β值较小。只有在iC不大、不小的中间值范围内，β值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意β值的测试条件。尤其是大功率管更第2章双极型晶体管及其放大电路二、1ICBOICBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。2ICEOICEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。3IEBOIEBO指集电极开路时，发射极—基极间的反向第2章双极型晶体管及其放大电路三、结电容包括发射结电容Ce(或Cb′e)和集电结电容Cc(或Cb′e)。结电容影响晶体管的频率特性。关于晶体管的频率特性参数，详见第五章。第2章双极型晶体管及其放大电路四、1U(BR)CBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向击穿电压。U(BR)CEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBO。U(BR)EBO指集电极开路时，发射极—基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。第2章双极型晶体管及其放大电路2集电极最大允许电流ICMβ与iC的大小有关，随着iC的增大，β值会减小。ICM一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当iCICM时，虽然管子不致于损坏，但β值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时，iC不应超过ICM。第2章双极型晶体管及其放大电路3集电极最大允许耗散功率PCM晶体管工作在放大状态时