模电 半导体三极管和场效应管

第5章半导体三极管和场效应管及其应用5.1.1基本结构和类型BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP型5.1半导体三极管的基本结构一、结构基极PNPBCEB发射极集电极二、类型PNP型和NPN型；硅管和锗管；大功率管和小功率管；高频管和低频管。BECNNP基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高发射结集电结集电极基极发射极BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。5.1.2三极管的电流放大作用BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的多数电子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。一、载流子传输过程发射、复合、收集IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPVBBRBVCCIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE二、各极电流关系IE=IB+ICICIBICE与IBE之比称为直流电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII三、电流放大系数BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管5.1.3三极管的共射特性曲线实验线路VBBVCC一、输入特性UCE1ViB(A)uBE(V)20406080导通压降：硅管UBE0.5~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。constuBEBCEufi|)(constICECBufi|)(二、输出特性iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，ICIB，UCE0.3V称为饱和区。iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，ICIB，UCE0.3V(3)截止区：发射结和集电结都是反偏(或零偏)UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB=-2V时：ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEmA2612maxCCCCCESCCCRVRUVIIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICICmax(=2mA)，Q位于放大区。ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEUSB=2V时：9mA01070702..RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBCUSB=5V时:例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？Q位于饱和区，此时IC和IB已不是倍的关系。mA061070705..RUUIBBESBBcmaxBII5m0.3mA061.050mA2cmaxcIIICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBE+3V+9V+3.6V-5V-10V-5.3V5.1.4三极管的主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：BCII___工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：BIIC1.电流放大倍数___例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。5.3704.05.1___BCII4004.006.05.13.2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：=2.集电极反向饱和电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。nA数量级3.集电极-发射极反向饱和电流ICEO(也称穿透电流)ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6.集电极最大允许功耗PCM•集电极电流IC流过三极管，集电极的功耗为：PC=ICUCEPCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区过损耗区已知:ICM=20mA,PCM=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE=10V时，ICmA当UCE=1V，则ICmA当IC=2mA，则UCEV102020PCPCM温度对三极管参数的影响（1）对β的影响：三极管的β随温度的升高将增大，温度每上升l℃，β值约增大0.5～1％，其结果是在相同的IB情况下，集电极电流IC随温度上升而增大。（2）对反向饱和电流ICEO的影响：ICEO是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，ICEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃，ICEO将增加一倍。由于硅管的ICEO很小，所以，温度对硅管ICEO的影响不大。（3）对发射结电压ube的影响：和二极管的正向特性一样，温度上升1℃，ube将下降2～2.5mV。使用中应采取相应的措施克服温度的影响。5.2共射极电压放大器5.2.1电路的组成１、三极管T的作用：用于电流放大。3、Rc作为集电极负载电阻，并将集电极电流的变化转换为电压变化输出。4、基极电源VBB和基极电阻Rb：使三极管发射结正偏。2、Vcc为集电极回路电源，为输出信号提供能量，使三极管集电结反偏。５、隔直、耦合电容Cb1,Cb2:隔直通交，隔离信号源和负载对三极管的静态偏置的影响，并让交流信号顺利通过。共射极基本放大电路的工作过程QCICEVCi重要概念：静态工作点交直流共存信号传输过程放大的实质CCVV12Bi共射极放大电路的简化EBCCVVV5.2.2放大电路的图解分析法1、静态工作点的确定我们把放大电路未加入交流输入信号uS时的状态称为静态，此时电路的电压（电流）值称为静态值，可用IBQ、ICQ、UCEQ表示。这些值在特性曲线上确定一点，这一点就称为Q点。1）近似估算Q点bBEQCCBQRVVIcCQCCCEQRIVUBQCQII5.37A40mA5.1V6（1）作出电路的V-I特性（2）作出直流负载线AiCECBvfi40)(CCCCCERiVu（3）交点确定Q点（UCEQ，ICQ）2）用图解法确定Q点令iC=0，得uCE=VCC令uCE=0，得iC=VCC/RCCCVCCCRVQCQICEQV直流负载线2.动态工作情况图解分析1、放大电路在接入正弦信号时的工作情况（1）根据ui在输入特性曲线上求iB（2）根据iB在输出特性曲线上求iC和vCE2、交流负载线电路原理图交流等效电路图LCLCCLLRRRRRRR//'（1）画交流通路（2）计算交流负载电阻的阻值接入负载电阻RL以后的交流分析可见，交流负载线要比直流负载线更陡一些。交流负载线与直流负载线都要经过Q点。CLRR'CLRR1'1（3）画交流负载线只要作过Q（UCEQ，ICQ）和uCEM（uCEM，0）的直线即可ICQ=1.5mA，RL′=2k，VRIUuLCQCEQCEM936LCLCCLLRRRRRRR//'LCLCQCEQCERiRIUuQ点太低,太小，输出电压电流产生截止失真,上峰切掉截止失真Q点太高,太大，输出电压电流产生饱和失真,下峰切掉饱和失真合适的静态工作点是电路实现不失真放大的必要条件opvcpi值得思考的几个问题：1、若电路的静态工作点移到Q’点，静态参数如何变？最大不失真输出电压=？Q’2、若输入电压足够大，工作点在Q和Q’点，输出电压失真情况一样吗？为什么？3、为了获得最大不失真电压，Q点应如何设置？饱和压降VCESOPv→ⅠBQ↓ⅠCQUCEQ+-UBEQ+-5.2.3微变等效电路分析法1、直流分析:Q点的估算假设=0.7VQQQ根据又因为所以得及2、晶体管的微变等效电路当放大电路的输入信号较小(微变),并且Q点选择恰当时,可以把晶体管等效为线性电路,即微变等效电路。利用晶体管的微变等效电路进行电路分析的方法就是微变等效电路分析法。晶体管在低频工作时的微变等效电路为:其中没有特别说明时,取值为300欧姆注意公式中的各个量的单位3、交流分析:(1)画交流通路三个原则:①晶体管画成微变等效电路②电容的交流容抗很小,对交流信号看成短路③直流电源的电压是恒定不变的,它的两端交流电压为0,对交流信号也看成短路becbce其中c(2)计算电压放大倍数前面的负号表示输出电压与输入电压反相(3)计算输入电阻与输出电阻根据戴维南定理,当计算时应当令US=0,因此ib＝0,受控电流源也就等于0,当作开路,这样(4)计算源电压放大倍数其例题求：1.静态工作点。2.电压增益AU、输入电阻Ri、输出电阻R0。3.若输出电压的波形出现如下失真，是截止还是饱和失真？应调节哪个元件？如何调节？解：1.IcVCE2.思路：微变等效电路AU、Ri、R0beLiurRUUA'0103945.0)2.6//9.3(43)(945.0945.0//470//krRRbebiCRR0（1）确定Q点bBECCBRVVIBCIICCCCCERIVV求出Q点附近的微变等效参数)()()1(200mAImVVΩrEQTbe例题：原理电路如图所示)(CBCEQIIII画微变等效电路的步骤：①将电源和电容器视为短路；用BJT的微变等效电路代替原电路中的BJT符号②③标出各支路和节点之间的电流、电压（2）画放大电路的微变等效电路（3）求解0RRAiV、、①求AV根据定义：iVVVA0由图可得：bebirIV'//LcLCcoRIRRIVbebLciVrIRIVVA'0beLrR'?0SVSVVAVbebSbebArRRrR////SVSVVA0SbebSbebiVrRRrRV////②计算输入电阻Ri根据定义：TTiIVRbRTIIIbbeTbTrVRVbebTTirRIVR//③计算输出电阻R0根据定义：0SVTToIVRcTTRVIcTToRIVR试分析图题所示各电路对正弦交流信号有无放大作用，并简述理由（设各电容的容抗可以忽略）练习放大电路具有放大作用的条件是什么？