模电 教案 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§3.1半导体BJT一、BJT（BipolarJunctionTransistor)：是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。二、BJT（晶体管）分类：1、按频率分：高频管；低频管2、按功率分：大功率管；中功率管；小功率管3、按材料分：硅管；锗管4、按结构分：NPN型：虽然发射区和集电区都是N型半导体，但发射区比集电区掺的杂质多，面积小。PNP型：三、BJT的电流分配与放大作用：1、BJT的放大作用：1）外部条件：发射结要正向偏置，集电结要反向偏置。2）内部条件：发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小。2、BJT内部载流子的传输过程：1）发射区向基区注入电子；2）电子在基区中的扩散与复合，基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。3）集电区收集扩散过来的电子。3、电流分配关系：4、放大作用：输入信号VI是首先通过发射结的电压变化改变输入电流IE的，再利用IE的变化去控制IC，而表征NJT电流控制作用的参数就是电流放大系数。例：RL=1k,vI=20mV,iE=0.98mA=0.98,则iC=0.98mA5、共射级连接方式：1）连接方式：共基极：输入端为发射极，输出端为集电极，基极为输入、输出回路的共同端。共发射极：输入端为基极，输出端为集电极，发射级为输入、输出回路的共同端。共集电极：输入端为基极，输出端为发射极，集电极输入、输出回路的共同端。2）原理：3）共射极电路与共基极电路的异同：共射极电路：以iB为输入控制电流；优点是信号源消耗的功率很小。放大过程是IC与Ib的关系。共基极电路：以iE为输入控制电流，电流放大系数为，只有电压放大。例：RL=1k,vI=20mV,iE=0.98mA=0.98,则iC=0.98mA四、BJT的特性曲线（V—I之间的关系曲线）：1、共射级电路的特性曲线：1）输入特性：Vce=C,Vbe与iB的关系曲线，iB=f(vBE)|uce=c.Uce=o(v),vce=1(v)当uce=1(v)时，集电结加了反向电压，集电结吸引电子的能力加强，发射区进入基区的电子更多地流向集电区，因此对应于相同的vBE，流向基极的电流iB比原来Uce=o时减小了，特性曲线也就相应地向右移动了。Uce1V之后，只要vBE保持不变，发射区到基区的电子一定，而vce=1时已将绝大部分电子拉到集电结束，以至Uce再增加，iB也不再明显减小，故vce1与vce=1几乎重合。2）输出特性：iB=C，uce与ic的关系曲线，ic=f(Vce)|iB=c。输入特性输出特性五、BJT的主要参数：1、共发射极接法的电流放大系数：1）直流电流放大系数，反映静态（直流工作状态）。2）交流放大系数，反映动态（交流工作状态）时的电流放大特性。3）在BJT的输出特性曲线间距基本相等并忽略ICEO情况下，则和是相等的。一般在工作电流不十分大的情况下，可以认为，故常混用。ICEO---穿透电流：从集电区穿过基区流至发射区的电流。BCFEIIh)(bcfeiih)(值太小放大作用差，但太大也易使管子性能不稳定，一般放大电路采用=30~80的BJT为宜。2、共基极接法的电流放大系数（）11）可混用，和（),(3、极间反向电流：1）集电极---基极反向饱和电流ICBO：表示发射极开路，C、b间加上一定反向电压时的反向电流。（它由温度和少数载流子的浓度所决定），ICBO较小，小功率硅管的ICBO1µA，锗管10µA。2）集电极---发射极反向饱和电流ICEO：表示基极开路，c、e间加上一定反向电压时的集电极电流。ICEO---穿透电流，ICEO=ICBO+ICBO=（1+）ICBO。4、极限参数：1）集电极最大允许电流ICM：是指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。2）集电极最大允许功率损耗PCM：集电结上允许损耗功率的最大值。3）反向击穿电压：V（BR）EBO：集电极开路时发射极---基极间的反向击穿电压。V（BR）CBO：B（BR）CEO§3.2共射极放大电路一、各元件的作用及取值范围：1、Cb1、Cb2---隔直电容（耦合电容），隔直流。隔断信号源与放大电路，放大电路与负载之间的直流通路（几µF~几十µF)，常用电解电容（有大电容且小体积），一定要注意极性。2、Rb---基极偏置电阻，为三极管提供一个大小合适的基极直流电流（偏流），Q（几十k~几百k），若Rb=0，ib、ic不变，ui不能放大。RC---集电极负载电阻（集电极电阻），将BJT的ic变化转变为uce的变化，（几K~几十K）图3.2.1共射极基本放大电路若RC=0，则ic变，uce不变。3、BJT起电流放大：4、电源---保证集电结加反向电压（反向偏置），发射结加正向电压（正向偏置）（几伏~几十伏）。5、ic,iB以流入BJT为正，iE则以流出为正（NPN）。二、工作原理：1、共发射极放大电路的输出电压u0与输入电压ui的相位差是180°。2、即具有电压放大，又具有电流放大。三、放大作用的实质就是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。§3.3图解分析法一、静态工作点（Q）1、直流工作状态（静止状态，静态），输入信号Vi=0的状态。2、动态Vi03、估算Q（共射电路）：IB、IC、VCE（计算法）4、图解法求Q：1）把放大电路分成非线性和线性两个部分。2）作出电路非线性部分的V---I特性----（BJT）的输出特性。3）作出线性部分的V---I特性---直流负载线。VCE=VCC-ICRC。4）由电路的线性与非线性两部分V—I特性的交点确定Q点。二、动态工作情况分析：1、输入正弦信号：2、交流负载线：接入RL：对Q无影响，交流通路，交流负载电阻RL’=RC//RL。直流负载线：由斜率为-1/RC定出的负载线（由直流通路决定）交流负载线：由斜率为-1/RC’定出的负载线（由交流通路决定）。交点为Q，Vi=0，Q选中点，选低截止失真，选高饱和失真。3、BJT的三个工作区域：饱和区；放大区；截止。§3.4小信号模型分析法BJT小信号建模的指导思想：把非线性问题转化为线性化问题来处理的方法。BJT小信号建模方法：1）已知网络的特性方程，按此方程画出小信号模型。2）从网络所代表的BJT的物理机构出发加以分析，再用电阻、电容、电感等电路元件来模拟其物理过程，从而得出模型。一、BJT的小信号建模：Z参数---输出端开路阻抗参数，由于BJT的输出阻抗高，测量不易准确。Y参数---输入端短路导纳参数，由于BJT的输入阻抗低，测量不易准确。H参数---混合参数，低频时用得较广泛。物理意义明确，测量条件容易实现，低频范围内为实数。1、BJTH参数的引入：2、H参数小信号模型：1)小信号模型的引出及讨论：Vbe=hieib+hrevce；hieib表示输入电流ib在hie上的电压降，hrevce表示输出电压vce对输入回路的反作用，用一个电压源来代表。a、ic=hfeib+hoevce;它是从电路分析的角度虚拟出来的，不是BJT本身的，它只代表BJT的电流控制作用，用电流源表示：ib=0(vbe=0),它不存在，它是受控电源。Hfeib由基极电流ib引起的ic’=hfeib：电流由集电极流向发射极，它是由ib决定（电压—共同端为负，电流以流向电极的方向为正方向）。它是由于输出电压加在输出电阻1/hoe上引起的电流。b、放大电路在工作时放大的对象是变化量，所以在小信号模型中所讨论的电压、电流也都是变化量。不有用来求Q，但它反映了Q附近的工作情况，某一时间的V和总总值。2）模型的简化：对于共射极接法的BJT的小信号模型，H参数的数量级一般为：对于低频放大电路：hrevcevbe,Rc(Rl)1/hoe,hre和hoe可忽略，工程上习惯用rbe代替hie并用代替hfe，用ur代替hre用rce代替1/hoe，当Rc(Rl)/rre0.1时，则利用简化模型来分析误差不会超过10%。3、H参数的确定：1）、采用H参数测试仪；2）利用BJT特性图示仪测量和rbe。Rbe也可用公式rbe=rb+(1+)re估算；rb为基区体电阻，对于低频小功率管，rb约为200；re---发射结电阻；Vr/IE(1+)re是re折算到基极回路的等效电阻。二、用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路：1、画出小信号等效电路：1）用H参数小信号模型表示BJT。2）固定不变的电压源（VCC和VCb1,vcb2)都认为是交流短路。固定不变的电流（IB，IC）都不予考虑，其他元件都照原位画出。3）采用相量表示电压和电流。2、求电压增益：3、计算输入电阻和输出电阻：1）计算输入电阻：2）计算输出电阻：结论：希望放大电路的输入电阻高一些为好，特别是在信号源内阻RS较大的场合，可避免信号过多地衰减，特别是输入级。对输出级，希望RO越小越好，从而可提高带负载的能力。三、图解法与小信号模型法的比较：1）图解法求Q；2）小信号模型法求Vi较小或BJT在线性范围内工作时；3）Vi幅度大，BJT在非线性部分时，用图解法。