2019年第二章晶体三极管.ppt

2.2晶体三极管的其它工作模式2.4晶体三极管伏安特性曲线2.3埃伯尔斯—莫尔模型2.7晶体三极管的应用原理2.1放大模式下晶体三极管的工作原理第2章晶体三极管2.5晶体三极管小信号电路模型2.6晶体三极管电路分析方法三极管结构示意图和符号(a)NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP概述三极管结构及电路符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极bcbe符号NNPPN三极管结构示意图和符号(b)PNP型三极管三种工作模式发射结正偏，集电结反偏。•放大模式：发射结正偏，集电结正偏。•饱和模式：发射结反偏，集电结反偏。•截止模式：注意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。三极管内部结构特点1）发射区高掺杂。2）基区很薄。3）集电结面积大。becRcRbIEIB1.发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。2.1放大模式下三极管工作原理2.1.1内部载流子传输过程becIEIBRcRb三极管中载流子运动过程3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。IC另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBOPNN+-+-+V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE=IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB=IEp+IBB-ICBO=IEp+(IEn-ICn)-ICBO=IE-IC发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。注意：NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+-+--+-+IEICIBIEICIB观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。2.1.2电流传输方程三极管的三种连接方式——三种组态BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB（共发射极）（共基极）（共集电极）放大电路的组态是针对交流信号而言的。共基极直流电流传输方程BCEBTICIE直流电流传输系数：ECECBOCIIIII直流电流传输方程：CBOECIII共发射极直流电流传输方程ECBETICIB1CBOCEO)1(IICEOBCIII直流电流传输方程：其中：CBEIIICBOECIII的物理含义：ECnECn/1/1IIII表示，受发射结电压控制的复合电流IBB，对集电极正向受控电流ICn的控制能力。若忽略ICBO，则：BCCnECnIIIIIECBETICIB可见，为共发射极电流放大系数。BBCnCnECnIIIIIICEO的物理含义：穿透电流：ICEO指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0CEOBCIII直流电流传输方程：三极管特性——具有正向受控作用即三极管输出的集电极电流IC，主要通过受正向发射结电压控制的IB控制，而与反向集电结电压VCE近似无关。三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：2.1.3放大模式下三极管的模型数学模型（指数模型）TBETBEe)1e(SEBSEVVVVCIIIIIS指发射结反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值，它不同于二极管的反向饱和电流IS。EBSSII式中：放大模式直流简化电路模型电路模型VBE+-ECBEICIBIBECBETICIB共发射极直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)为发射结导通电压，工程上一般取：硅管VBE(on)=0.7V锗管VBE(on)=0.25V三极管参数的温度特性温度每升高1C，∆/增大（0.51）%，即：温度每升高1C，VBE(on)减小（22.5）mV,即：温度每升高10C，ICBO增大一倍，即：101CBO2CBO122)()(TTTITI005.0(TC/)01.02(BE(on)TVC/mV)5.2PNN+V1V2R2R12.2晶体三极管的其它工作模式2.2.1饱和模式(E结正偏，C结正偏)-+IFFIF+-IRRIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE结论：三极管失去正向受控作用。饱和模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极通常，饱和压降VCE(sat)硅管VCE(sat)0.3V锗管VCE(sat)0.1V电路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。2.2.2截止模式(E结反偏，C结反偏)若忽略反向饱和电流，三极管IB0，IC0。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。ECBETICIB共发射极电路模型VBE+-ECBEICIB截止模式直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC0IB0PNN+V1V2R2R1-+IFFIF+-IRRIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE2.3埃伯尔斯—莫尔模型埃伯尔斯—莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。IE=IF-RIRIC=FIF-IR)1e(TBEEBSFVVII)1e(TBCCBSRVVII其中伯尔斯—莫尔模型IE=IF-RIRIC=FIF-IR)1e(TBEEBSFVVII)1e(TBCCBSRVVII其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB2.4晶体三极管伏安特性曲线伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。IB=f1E(VBE)VCE=常数IC=f2E(VCE)IB=常数共发射极输入特性：输出特性：+-TVCEIBVBEIC+-输入特性曲线VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO+ICBOVCE一定：类似二极管伏安特性。VCE增加：正向特性曲线略右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基区宽度调制效应注：VCE0.3V后，曲线移动可忽略不计。因此当VBE一定时：VCEVCB复合机会IB曲线右移。输出特性曲线饱和区（VBE0.7V，VCE0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结正偏，集电结正偏。IC不受IB控制，而受VCE影响。VCE略增，IC显著增加。输出特性曲线可划分为四个区域：饱和区、放大区、截止区、击穿区。放大区（VBE0.7V，VCE0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点条件发射结正偏集电结反偏VCE曲线略上翘具有正向受控作用满足IC=IB+ICEO说明IC/mAVCE/V0VA上翘程度—取决于厄尔利电压VA上翘原因—基区宽度调制效应（VCEIC略）在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的)1(eACESCTBEVVIIVV修正方程：基宽WB越小调制效应对IC影响越大则VA越小。与IC的关系：IC0在IC一定范围内近似为常数。IC过小使IB造成。IC过大发射效率造成。考虑上述因素，IB等量增加时，ICVCE0输出曲线不再等间隔平行上移。截止区（VBE0.5V，VCE0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。IC0，IB0近似为IB≤0以下区域严格说，截止区应是IE=0即IB=-ICBO以下的区域。因为IB在0-ICBO时，仍满足CBOBC)1(III击穿区特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随IB的增大而减小。注意：IB=0时，击穿电压为V(BR)CEOIE=0时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBOV(BR)CEOIC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=0)V(BR)CBO三极管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM最大允许集电极电流ICM（若ICICM造成）反向击穿电压V(BR)CEO（若VCEV(BR)CEO管子击穿）VCEV(BR)CEO最大允许集电极耗散功率PCM（PC=ICVCE，若PCPCM烧管）PCPCM要求ICICM放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。2.5晶体三极管小信号电路模型三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是混合Π型小信号电路模型。混合Π型电路模型的引出基区体电阻发射结电阻与电容集电结电阻与电容反映三极管正向受控作用的电流源由基区宽度调制效应引起的输出电阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce混合Π型小信号电路模型若忽略rbc影响，整理即可得出混Π电路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混Π电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic小信号电路参数rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。CQQEEBBEQBEB26)1()1(Iriviiivreeb跨导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导。CQeEBEECQEBC5.38Irviiivigmrce三极管输出电阻，数值较大。RLrce时，常忽略。CQAQCCEIVivrce简化的低频混Π电路模型由于ebebe)1()1(rrrgm因此，等效电路中的gmvbe，也可用ib表示。bbmmirigvgebebcbeTiCiBrbebcegmvbeibic=ib注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在Q点上各交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。2.6晶体三极管电路分析方法直流分析法分析指标：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：图解法、估算法交流分析法分析指标：Av、Ri、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。2.6.1直流分析法图解法即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。优点：便于直接观察Q点位置是否合适，输出信号波形是否会产生失真。（1）由电路输入特性确定IBQ写出管外输入回路直流负载线方程(VBEIB)。图解法分析步骤：在输入特性曲线上作直流负载线。找出对应交点，得IBQ与VBE