半导体三极管及放大电路基础-模电讲义讲义

3-1半导体三极管（BJT）3.1.1BJT的结构简介在一块半导体基片上制作两个相关的PN结而成的BJT(晶体管)PNP型和NPN型。小、中、大功率管，低、高频管.3半导体三极管及放大电路基础制造时满足内部条件:发射区参杂浓度高,基区和集电区参杂低,基区薄,集电区面积比发射区大。发射极箭头方向表示晶体管的发射结正向偏置时，管子发射极电流的实际流向。晶体管有两个结：发射结和集电结。3个区：发射区、基区、集电区。3个极：发射极、基极、集电极。3.1.2BJT的电流分配及放大作用1.内部载流子的传输过程晶体管的放大作用是通过内部载流子的传输和控制作用实现的，即发射区向基区注入载流子，基区传输和控制载流子，集电区收集载流子。为此，必须满足内部及外部条件。内部条件：发射区掺杂多，载流子浓度高；基区掺杂少载流子浓度低而且薄；集电结面积大。外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。图3.1.4表示NPN管的一种接法，叫做共基连接，其中VCCVEE，并满足上述两个条件。以图3.1.4(a)为例说明内部载流子的传输过程。ICBO(1)发射区向基区注入电子过程发射结正向偏置，扩散大于漂移，形成发射极电流IE。(2)复合与扩散过程大部分电子扩散到集电结，只有很少一部分电子与基区中的空穴复合，形成基极复合电流IBN。（这里为使基区空穴浓度不变，复合掉的空穴由电源VEE补充）(3)收集过程由于集电结反向偏置，扩散到集电结的电子很快漂移到集电区，形成集电极电流ICN。此外，集电结两边原来的少数载流子，在集电结反偏下，漂移形成反向饱和电流ICBO，其值很小。ICBO2.电流分配关系发射极的总电流与发射结的电压成指数关系(3.1.1)共基电流放大系数,(3.1.2)(3.1.3)由此可导出(3.1.4)称为共射电流放大系数，一般为几十至几百。CiBiEiECii990980.~.BEv)(/1TBEVvESEeIiEiBi)(11BCii3.放大作用则输出变化电压电压增益)(mVvvII20mAiCiE98.0VRCiovL9801980..)(mAiE1kRL1980,.49020980..IoVvvA综上所述，可以归纳下面两点：（1）BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为了保证这一传输过程，必须满足外部和内部条件。内部条件:发射区的杂质浓度远大于基区，基区厚度小。外部条件:发射结要正向偏置，集电结反向偏置。BBCEBECi)(iiiiii1,（2）BJT各电极间的电流之间有确定的分配关系只要输入电流给定了，输出电流和输出电压便基本确定了。它是通过电流的控制作用来实现放大的，表征这种控制作用的参数是电流放大系数和。4.共射极连接方式构成放大电路时,晶体管3个电极中，一个作为放大电路输入端,一个作为输出端,另一个作为输入、输出回路公共端。根据输入、输出回路公共端的不同，BJT放大电路有3种基本接法(或组态)：共射、共集、共基。共基：e—入，c—出，b—公共;共射：b—入，c—出，e—公共;共集：b—入，e—出，c—公共特点(1)具有电流放大作用输入变化信号引起的相应基极电流和集电极电流的变化量的比值为(2)具有电压放大作用(3)反相放大输出电压vo与输入电压vi反相,即相位相差180º。1BiCiILCIoVvRivvA3.1.3特性曲线常数CEvBEBvfi)(常数BiCECvfi)(3.1.4主要参数1.电流放大系数和2.极间反向电流其值很小,但与温度有关。3.极限参数CBOCEOCBOIII)(1CEOBRCMCMVPI)(,,作业3.1.13.1.23.1.33.1.43.2共射极放大电路(4)电源、电路参数的选择，应保证电路有一个合适的静态工作点。放大电路的构成原则:(1)电源VCC的极性应保证T的发射结正向偏置，集电结反向偏置而处于放大状态。(2)输入回路的接法，使输入信号vi加到放大电路的输入端并能产生相应的变化电流ib。(3)输出回路的接法，使输出信号vo几乎无衰减地加到负载上。放大电路的主要性能指标第一类指标为输入信号幅值一定，频率一定时的指标，适用于低频小信号的场合。1.放大倍数(增益)放大倍数又叫增益，是衡量放大电路放大能力的指标。定义为输出与输入变化量之比。有４种，常用的有：电压放大倍数电流放大倍数ioVVVAioIIIA2.输入电阻它是衡量放大电路对信号源影响程度的指标。其值越大，放大电路从信号源索取的电流越小，对信号源影响就越小。3.输出电阻其值越小，接入负载RL后，Ｖo下降越小。带负载能力越强。iiiIVR0SLVRTToIVR,osocoIVR第二类指标为输入信号Vs幅值一定，频率改变时的指标。适用于输入为小信号，但频率变化范围较宽的场合。4.频率响应及带宽1)用分贝表示增益电压增益=20lgdB电流增益=20lgdB2)频率响应及带宽放大电路存在电抗性元件，放大倍数要随信号频率变化。在中间一段频率范围内，放大倍数基本不变。叫做中频放大倍数，记作Avm。放大倍数下降到0.707Avm(3dB)所对应的高、低频率，分别叫做上限截止频率fH及下限截止频率fL,，见下图。VAIA带宽为通常有故有对于直接耦合(直流放大)放大电路的下限截止频率为零,其频率响应如图1.2.8所示。LHffBWLHffHfBW3）频率失真第三类指标为输入信号频率不变，幅值改变时的指标，适用于输入低频但输出幅值较大的场合。5.非线性失真系数其值越小，失真越小。6.最大输出幅值它是指输入信号增加，输出波形的非线性失真系数达到额定值时的输出电压Vomax(或电流Ｉomax)，一般指有效值。也有用峰峰值表示的。%100122okokVV作业3.2.13.2.23.3图解分析法3.3.1静态工作情况分析当放大电路没有输入信号(vi=0)时,电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态时，三极管各电极的直流电压和电流的值，在管子的特性曲线上确定一点，称为静态工作点Q。当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，电路处于动态工作情况，简称动态。放大电路分析一般分为静态分析和动态分析。1.近似估算Q点例3.3.1电路如图所示,试近似估算它的Q点。CCBEBbVVIRCCCCCEIRVV解：1）画电路的直流通路2）利用VBE=Von，IC=IB这一静态时,工程上适用的晶体管的直流模型，由电路的直流通路列方程：基射回路集电极回路BCbCCbBECCBIIRVRVVI直流通路有非线性和线性两部分非线性部分V-I特性由输入、输出特性曲线来描述。线性部分，可列出V-I特性电路方程为BEbBCCVRIVCCCCCEIRVV2.用图解法确定Q点图解法是以三极管的的特性曲线为基础，在特性曲线图上用作图的方法来分析放大电路的工作状态或求解电路性能指标的一种方法。ARVIbCCB40在输出特性上作出上述方程表示的直线——称为直流负载线。直流负载线与输出特性（）的交点——Q点。由作图结果可得AIB40VVmAIAICECB65140.3.3.2动态工作情况分析1.接入正弦信号的工作情况1)根据vi在输入特性上求iB2）根据iB在输出特性上求iC、vCE由上分析，可得如下结论：(1)没有输入信号电压时,三极管的各电极电流及极间电压均为直流,当加上输入信号电压后,都是在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量,即(2)vCE中的交流分量(交流输出vce)的幅度远比vi大,且同为正弦波电压,具有电压放大作用。(3)vO(vce)与vi的相位相反,称为反相,共射放大电路为反相放大电路。ceCECEcCCbBBvVviIiiIi2.交流负载线放大电路接上负载会对放大电路的动态工作情况有影响。交流通路—仅考虑输入交流信号作用时的电流通路。画交流通路的原则：隔直电容短接，直流电压源短路。kRRRCLL2//交流负载线—考虑负载电阻时，电路动态工作点移动的轨迹。由交流通路，有而得LCLCCECEceCECEcCCcLceRiRIVvvVviIiiRv此方程代表的直线——交流负载线最大不失真输出幅度CESCEVVCECCVVVom=V'cc–VCEQ=3V3.BJT的三个工作区域(1)放大区当发射结正向偏置，集电结反向偏置，对应特性曲线比较平坦部分。此时iC=iB，iC受iB控制。(2)饱和区当发射结正偏，集电结也正偏，iC≠IＢ，三极管失去了放大作用,vCE0.3Ｖ(3)截止区当发射结反偏，集电结也反偏，在输出特性上iB≤0的区域为截止区。iB=0时，iC=ICEO0。饱和失真和截止失真BJT三种工作状态的判断(常利用测量BJT各电极电位来判断它的工作状态)以NPN为例：放大：饱和：截止：发射结正向导通电压：硅管为0.7V;锗管为0.2V.EBCVVVVVVVVVCEEBCB3.0;,EBCVVV截止失真饱和失真例3.3.2试分析图示电路对正弦交流信号有无放大作用,并简述理由(设各电容的容抗可忽略).解:(1)画直流通路,判断BJT是否工作在放大状态及电路参已知时估算静态工作点并判断位置是否恰当;例3.3.2电路图电路的直流通路判断结果：发射结没加正向偏压,BJT为截止状态。不能放大。(2)画交流通路,判断输入交流信号能否加到BJT发射结及放大的集电极电流能否送到电路的负载上产生输出交流电压；例3.3.3测量某硅BJT各电极对地的电压如下,试判别管子工作在什么区域?(1)(2)解:(1)由知所以该管处于放大区域。(2)由知所以该管处于临介饱和区域。VVVVVVEBC07.06VVVVVVEBC4.566VVVVVVEBC07.06VVVVVBEEBC7.0,VVVVVVEBC4.566VVVVVBEEBC6.0,作业3.3.13.3.23.3.43.3.53.3.63.3.83.4小信号模型分析法对于低频小信号放大电路主要需计算的性能指标为电压放大倍数AV，输入电阻Ri，输出电阻Ro。常采用的方法是小信号模型分析法（微变等效电路法）。低频小信号时，放大电分析变成了线性电路的求解,这就是小信号建模的指导思想。常用小信号模型是BJT的H参数模型。3.4.1BJT的小信号建模1.BJTH参数的引出共射接法时，晶体管的输入、输出特性为式中微变量间的关系为),(),(CEBCCEBBEvifivifvceCEQCEbeBEQBEcCQCbBQBvVvvVviIiiIiCEICECBVBCCCEICEBEBVBBEBEdvvidiiididvvvdiivdvBQCEQBQCEQ由于dvBE代表vBE的变化部分，即输入的正弦信号vbe。同理diB=ib，diC=ic，dvCE=vce，于是有ceoebfeccerebiebevhihivhihvCEQVBBEieivhCEQVBCfeiihBQICEBErevvhBQICECoevih输出交流短路的输入电阻rbe（）；输出交流短路的电流传输系数（无量纲）；输入端交流开路时的反向电压传输比r（无量纲）输入端交流开路时的输出电导1/rce（S）；2.H参数模型受控电流源大小受基极交流电流控制(ib)，方向与基极电流一致。模型的对象是变化量小信号模型的参数是在Q点求出来。3.H参数的确定需确定的参数是和rbe。一般很易测得，rbe可用下式近似估算：)()()1(200)1(mAImVVrrrETeb