半导体三极管及放大电路基础

重点：两种基本放大电路（CE、CC）的分析方法及各自特点。难点：1.三极管载流子的传输规律；2.静态工作点与波形失真；3.多级放大电路的分析。重点难点3.1半导体三极管（BJT）3.2共射极放大电路3.3图解分析法3.4小信号模型分析法3.5放大电路的工作点稳定问题3.6共集电极电路和共基极电路3.1.1BJT的结构简介3.1半导体三极管（BJT）3.1.2BJT的电流分配与放大原理3.1.3BJT的特性曲线3.1.4BJT的主要参数3.1.1BJT的结构简介半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区三极管符号结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图3.1.2BJT的电流分配与放大原理1.内部载流子的传输过程三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子（以NPN为例）以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。载流子的传输过程IC=InC+ICBOIE=IB+ICPNPebcIEIB’INCICBOIBIC工作原理载流子的传输规律1.发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流2.空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流IB’3.集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流INC同时由于集电结反偏，少子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO，影响IB和IC可得电流之间的分配关系IB=IB’-ICBOIC=INC+ICBOIE=IB+IC共基极电路2.电流分配关系发射极注入电流传输到集电极的电流设EnCII即根据传输过程可知IC=InC+ICBO通常ICICBOECII则有为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般=0.90.99IE=IB+IC载流子的传输过程1又设根据BCEOCIII则是另一个电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般1IE=IB+ICIC=InC+ICBOEnCII且令BCCEOCIIII时，当ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）2.电流分配关系3.三极管的三种组态共集电极接法，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；BJT的三种组态IE=(1+β)IBRLecb1k图03.1.05共基极放大电路4.放大作用若vI=20mV使当则电压放大倍数4920mVV98.0IOVvvAVEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iBiE=-1mA，iC=iE=-0.98mA，vO=-iC•RL=0.98V，=0.98时，+-bceRL1k共射极放大电路图03.1.06共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvI=20mV设若则电压放大倍数4920mVV98.0IOVvvAiB=20uAvO=-iC•RL=-0.98V，=0.98mA98.01BBCiii使4.放大作用综上所述，三极管的放大作用，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。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。3.1.2BJT的电流分配与放大原理vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEiB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）(3)输入特性曲线的三个部分①死区②非线性区③线性区1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，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。iC=f(vCE)iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:3.1.3BJT的特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。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。3.1.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1.电流放大系数(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const3.1.4BJT的主要参数1.电流放大系数(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO2.极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。3.1.4BJT的主要参数即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。+bce-uAIe=0VCCICBO+bce-VCCICEOuA(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=ICVCE3.极限参数3.1.4BJT的主要参数(3)反向击穿电压V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO3.极限参数3.1.4BJT的主要参数由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。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区（思考题）3.1BJT1.既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？3.BJT是电流控制器件，还是电压控制器件？end4.放大电路输出端增加的能量是从哪里来的？小结晶体三极管是电流控制元件，通过控制基极电流或射极电流可以控制集电极电流。要使三极管正常工作并有放大作用，管子的发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、，极间反向电流Icbo、Iceo，极限参数ICM、PCM和BUCEO。放大电路的构成：①有源器件，如晶体管。②要保证有源器件能正常工作，既要有合适的静态工作点，又要使变化的信号能输入、放大、输出并基本不失真。习题：3.1.13.1.33.2.13.2共射极放大电路电路组成简化电路及习惯画法简单工作原理放大电路的静态和动态直流通路和交流通路3.2共射极放大电路1.电路组成输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）2.简化电路及习惯画法习惯画法共射极基本放大电路3.2共射极放大电路3.简单工作原理Vi=0Vi=Vsint3.2共射极放大电路电容的阻抗：设Cb1=10uF，f=1kHz。161010102121163b1b1Cb1fCCjZ4.放大电路的静态和动态静态：输入信号为零（vi=0或ii=0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、IC、和VCE（或IBQ、ICQ、和VCEQ）表示。#放大电路为什么要建立正确的静态？3.2共射极放大电路3.2共射极放大电路工作点合适工作点偏低3.2共射极放大电路5.直流通路和交流通路直流通路耦合电容：通交流、隔直流直流电源：内阻为零直流电源和耦合电容对交流相当于短路共射极放大电路end（思考题）vavbVEvattvbvatVEtvbvatVEtvb交流通路TVBBCbRcRb(a)TVCCCb1RcCb2(b)(c)T-VCCCb1RcCb2RbT+VCCCb1RcCb2Rb(d)(f)TVCCCb1RcCb2VBBRbT-VCCCb1RcCb2(e)3.21.下列a~f电路哪些具有放大作用？end3.3图解分析法用近似估算法求静态工作点用图解分析法确定静态工作点交流通路及交流负载线输入交流信号时的图解分析BJT的三个工作区3.3.1静态工作情况分析3.3.2动态工作情况分析共射极放大电路3.3.1静态工作情况分析1.用近似估算法求静态工作点bBECCBRVVI根据直流通路可知：采用该方法，必须已知三极管的值。一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。直流通路+-BCIβIcCCCCERIVV采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。共射极放大电路2.用图解分析法确定静态工作点首先，画出直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-3.3.1静态工作情况分析3.3图解分析法直流通路IBVBE+-ICVCE+-列输入回路方程：VBE=VCC－IBRb列输出回路方程（直流负载线）：VCE=VCC－ICRc在输入特性曲线上，作出直线VBE=VCC－IBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－ICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。vCEiC斜率-1RcRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQICQIBQRcVCCVCCvCEiC3.3.2动态工作情况分析由交流通路得纯交流负载线：共射极放大电路交流通路icvce+-vce=-ic(Rc//RL)因为交流负载线必过Q点，即vCE=vce+VCEQic=iC-ICQ同时，令RL=Rc//RL1.交流通路及交流负载线则交流负载线为vCE=VCEQ-(iC-ICQ)RL令iC=0得：vCE=VCEQ+ICQRL3.3图解分析法斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1Rc斜率1Rc//RLQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC由vCE的值过输出特性曲线上的Q点做直线，该直线即为交流负载线。R'L=RL∥Rc，是交流负载电阻。交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。3.3图解分析法2.输入交流信号时的图解分析3.3.2动态工作情况分析共射极放大电路QIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQ`Q``IBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQ`Q``IBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uA204060QICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线QQ`Q``ICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线20uA40uA60uAQQ`Q``ICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线20uA40uA