模拟电子技术第二章(1)

第二章双极型晶体管及其放大电路BipolarJunctionTransistor缩写BJT简称晶体管或三极管双极型器件两种载流子（多子、少子）ecb发射极基极集电极发射结集电结基区发射区集电区N+PNcbeNPNPNPcbe(a)NPN管的原理结构示意图(b)电路符号2-1双极型晶体管的工作原理basecollectoremitterP集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区ec(b)N＋衬底N型外延PN＋cebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN(c)平面管结构剖面图图2-1晶体管的结构与符号解释三个电极发射极，基极，集电极发射极箭头方向是指发射结正偏时的电流方向三个区发射区(重掺杂)，基区(很薄)，集电区（结面积大）两个PN结发射结(eb结),集电结(cb结)晶体管处于放大状态的工作条件①内部条件发射区重掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个m)集电结面积大②外部条件发射结(eb结)正偏集电结(cb结)反偏2-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程CUceNPNbUBBRB图2―2晶体管内载流子的运动和各极电流RCC15VcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN2-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程图2―2晶体管内载流子的运动和各极电流动画演示内部机理晶体管工作的内部机理：-------“非平衡载流子”的传输①在发射结处以NPN为例。eb结正偏，扩散运动﹥漂移运动。发射区和基区多子（电子和空穴）的相互注入。但发射区（e区）高掺杂，向P区的多子扩散（电子）为主（IEn）,另有P区向N区的多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。扩散(IEP)可忽略。以上构成了发射结电流的主体。②在基区内基区很薄。一部分(N区扩散到P区的）不平衡载流子（电子）与基区内的空穴（多子）的复合运动（复合电流IBN）。大多数不平衡载流子连续扩散到cb结边缘处。以上构成了基极电流（IBN）的主体。③在集电结处集电结反偏。故漂移运动＞扩散运动。集电结（自建电场）对非平衡载流子（电子）的强烈吸引作用(收集作用）形成ICN。另外有基区和集电区本身的少子漂移（电子和空穴），形成反向饱和漏电流ICBO。非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例)①发射区向基区的多子注入(扩散运动）为主②基区的复合和继续扩散③集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）偏置要求对NPN管要求UC＞UB＞UEUCUEUB偏置要求对PNP管要求UC＜UB＜UEUCUEUB2-1-2电流分配关系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶体管主要功能:电流控制（currentcontrol）电流放大（currentamplify）一、直流电流放大系数：一般共射极CBOBCBOCBNCNIIIIII含义：基区每复合一个电子，就有β个电子扩散到集电区去。IBNIICNEN共基极1ECBOCENCNIIIII一般1EEECNECNIIIIII11CNCNCNBNCNENCNIIIIIII两者关系：IBNIICNEN二、IC、IE、IB、三者关系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN若忽略ICBO，IEP,则2―2晶体管伏安特性曲线及参数全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。图2―3晶体管的三种基本接法（组态）(a)cebiBiC输出回路输入回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极2―2―1一、共发射极输出特性曲线μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－测量电路共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压uCE的关系曲线(以iB为参变量)常数BiCECufi)(图2―5共射输出特性曲线uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0AcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN动画演示1.放大区发射结正偏，集电结反偏（2）uCE变化对IC的影响很小（恒流特性）（1）iB对iC的控制作用很强。用交流电流放大倍数来描述：常数CEuBCII在数值上近似等于β问题：特性图中β=？即IC主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。基区宽度调制效应(厄尔利效应)cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEuCE↑→c结反向电压↑→c结宽度↑→基区宽度↓→基区中电子与空穴复合的机会↓iC↑→uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBE基调效应表明：输出交流电阻rCE=ΔuCE/ΔiC∞QUCEQUA(厄尔利电压)CQACQCEQAceIUIUUrICQ2.饱和区发射结和集电结均处于正向偏置。由于集电结正偏，不利于集电极收集电子，ICN比放大区的ICN小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1（1）iB一定时，饱和区iC比放大区的小（2）UCE一定时iB增大，iC基本不变（饱和区）临界饱和：UCE=UBE，即UCB=0（C结零偏）。uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。（小功率Si管）UCE(sat)=0.3V；（小功率Ge管）UCE(sat)=0.1V。三个电极间的电压很小，管子完全导通，相当一个开关“闭合（Turnon）”。uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBE3.截止区发射结和集电结均处于反向偏置,三个电极均为反向电流，所以数值很小。管子不通，相当于一个“开关”打开（Turnoff）。iB=-iCBO（此时iE=0）以下称为截止区。工程上认为：iB=0以下即为截止区。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO二、共发射极输入特性曲线常数CEuBEBufi)(μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1iB/μAuBE/V060900.50.70.930UCE＝0UCE≥1图2―6共发射极输入特性曲线（1）0UCE1时，随着UCE增加，曲线右移，特别在0UCEUCE(SAT),即工作在饱和区时，移动量将更大一些。（2）UCE1时，进入放大区，曲线近似重合。iB/μAuBE/V060900.50.70.930UCE＝0UCE≥1三、温度对晶体管特性曲线的影响T↑，uBE↓：CmVmVTuBE)/5.2~2(T↑，ICBO↑：1012122TTCBOCBOIIT↑，β↑：C/)~.(T1502-2-2晶体管的主要参数1、电流放大系数1.共射直流放大系数反映静态时集电极电流与基极电流之比。2.共射交流放大系数反映动态时的电流放大特性。由于ICBO、ICEO很小，因此在以后的计算中，不必区分。4.共基交流放大系数3.共基直流放大系数常数BuECII由于ICBO、ICEO很小，因此在以后的计算中，不必区分。2极间反向电流极间反向电流是指管子各电极之间的反向漏电流参数。①C、B间反向饱和漏电流ICBO发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。②管子C、E间反向饱和漏电流1IICBOCEO基极开路时，集电极—发射极间的反向电流③管子反向饱和漏电流硅管比锗管小。此值与本征激发有关。取决于温度特性（少子特性）。3、结电容发射结电容Ce集电结电容Cc4.极限参数使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。3DG6C规格号序号高频小功率NPN型硅材料三极管U(BR)CBO=115V,U(BR)CEO=60V，U(BR)EBO=8V。（1）反向击穿电压UUUEBO)BR(CEO)BR(CBO)BR(（2）集电极最大允许电流ICM留有一定的余量。ICM指β下降到额定值的2/3时的IC值。ICM（3）集电极最大允许功耗PCM＝CECCuiPCECMCuPiuCE工作区iC0安全ICMU(BR)CEOPCM图2―7晶体管的安全工作区功耗线2―3晶体管工作状态分析及偏置电路应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在饱和区或截止区。因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是晶体管应用的一个关键。2―3―1由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的一个点。静态工作点（简称Q点）：静态工作电压、电流。在下标再加个Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ(a)输入特性近似图2―8晶体管伏安特性曲线的折线近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB＝0(b)输出特性近似饱和区放大区截止区(a)ebc(b)ebcβIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat)图2―9(a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型例1晶体管电路如图2―10(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，β=100，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k(b)直流等效电路图2―10晶体管直流电路分析eRBUBE(on)bIBQβIBQcICQUCCRC＋－UCEQUBB解因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图2―9(b)的模型代替晶体管，便得到图2--10(b)所示的直流等效电路。由图可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIImRUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202.010002.02707.06)(故有(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k例2：若UBB从零增加，说明晶体管的工作区间以及IBQ、ICQ、UCEQ的变化情况？当UBB从0~0.7V之间时，两个结都反偏，管子进入截止区。IBQ=ICQ≈0。UCEQ≈UCC。分析：(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当UBB继续增大，发射结正偏，集电结发偏，管子进入放大区。随着IBQ的增大，ICQ=βIBQ也增大。UCEQ=UCC-ICQ×RC不断下降。(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当UBB增大到UCEQUBEQ时，集电结正偏，管子进入饱和区。此时，IBQ的增加，不能引起ICQ的增加。UCEQ≈UCE（sat）≈0，ICQ≈UCC/RC。2―3―2RBUBBUEERERCUCC(a)电路UBB-UEE≤UBE(on)且UBB＜UCC，则晶体管截止1、首先判断晶体管是否截止：此时：IB=IC=IE=0，UBE=UBB-UEE，UCE=UCC-UEE。RBUBBUEERERCUCC(a)电路2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：若UBB-UEEUBE(on)则发射