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第三章半导体三极管及其基本放大电路§3.0引言20世纪40年代,由Bardeen,Brattain和Schockley在贝尔实验室开发的硅晶体管,在20世纪50年代和60年代掀起了第一次电子革命.这项成果导致了1958年集成电路的开发及在电子电路中应用广泛的晶体管运算放大器的产生.本章介绍的三极管属于双极型器件,是两类晶体管中的第一种类型.下面将详细讨论其物理结构、工作原理及其在放大电路中的应用.§3.1双极型晶体管(BipolarJunctionTransistor)一、结构、分类、符号PNPebc发射区基区集电区(发射结)JeJc(集电结)bec图3.1becJc(集电结)NPNebc(发射结)Je发射区基区集电区§3.1BJT图3.2几种BJT的外形结构特点:1、基区很薄(10－6m),且轻掺杂(1015cm－3);2、发射区重掺杂(1019cm－3);3、集电区面积大,且掺杂较轻(1017cm－3).BJT的结构特点是决定其能进行信号放大的内部物质基础.§3.1BJT二、BJT的电流分配与电流放大作用1、BJT内部载流子的传输过程─见图3.3所示.BJT放大所必须具备的外部条件是:Je正偏,Jc反偏.①发射区发射电子,形成射极电流IE;②电子在基区复合,形成基极电流IB;③集电区收集电子,形成集电极电流IC.IE=IC+IB≈(1+β)IB(3—1)IC=βIB+ICEO≈βIB(3—2)IC=αIE+ICBO≈αIE(3—3)§3.1BJTIB=IEp+(IEn－ICn1)－ICBOIC=ICn1+ICn2+ICp=ICn1+ICBOICBO+VBB－RBRC+VCC－NPNECBJeIEnIcn1Icn2IcpICBOJcIEpIBIEIC图3.3IE=IC+IBIE=IEp+IEnIC=αIE+ICBO≈αIEIC=ICn1+ICBOICn1ICα=≈(3—4)IEIEIC=α(IB+IC)+ICBOα1IC=IB+ICBO1－α1－α§3.1BJTα1IC=IB+ICBO1－α1－ααβ=(3—5)1－α1ICEO=ICBO1－α=(1+β)ICBO(3—6)IC=βIB+ICEO≈βIBIE=IC+IB≈(1+β)IB2.α、β、ICBO、ICEO的物理含义共基极直流电流放大倍数.α＜1,α→1.ICn1ICα=≈IEIE§3.1BJTαβ=1－αICn1α=IEIB=IEp+(IEn－ICn1)－ICBO=IE－ICn1－ICBOIC－ICBOICβ=≈IB－ICBOIBβ共射极直流电流放大倍数.β＞1.αβ=1－αβα=(3—8)1+β图3.4ICBO受温度影响较大ceb+VCC－ICBO(3—7)§3.1BJT+VBE－+VCB－+VCC－ICEO图3.5ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO3.电流分配关系IE=IES(e－1)≈IESe(3—9)VBEVTVBEVTIC=βIBIC=αIE三、BJT的特性曲线§3.1BJT1、输入特性─共射接法iB=f(vBE)vCE=CE+vCE－iC+vBE－iBBC(a)vCE≥1V(b)vCE=0VvBE/V0iB/μA图3.6EBCWBNPN(c)基区宽度调制效应§3.1BJT2、输出特性─共射接法iC=f(vCE)iB=C图3.7OvBE1vBE2vBE3vBE4vCEVAiCA图3.8VCEIC≈Ise1－(3—10)VAVBEVT20μA60μAiB=100μA80μA40μA放大区iC/mA0vCE/V饱和区ICEOV(BR)CEO截止区击穿区054321§3.1BJT(1)放大区Je正偏,Jc反偏.IC=βIB+ICEO≈βIBVCEIC(b)IC(a)βIC↑IC↓β↓图3.9§3.1BJT(2)截止区Je、Jc均反偏.工程上规定IB=0(IC=ICEO≈0)以下的区域称为截止区;严格说来,截止区应是IE=0以下的区域.(IC=ICBO,IB=－ICBO)(3)饱和区Je、Jc均正偏.VBE(sat)≈0.7V;VCE(sat)≈0.3V(4)击穿区VCE↑→VCB↑→Jc─雪崩击穿V(BR)CEOIB↑→V(BR)CEO↓IC≠βIBIC＜βIB§3.1BJT四、BJT的主要参数1、表征放大能力的参数ICβ=IB共射极直流电流放大系数(hFE).△iCβ=(3—11)△iB共射极交流电流放大系数(hfe).在小信号条件下,β≈β.ICα=IE共基极直流电流放大系数.§3.1BJT共基极直流电流放大系数.△iCα=(3—12)△iEαβ=1－αβα=(3—14)1+βαβ=(3—13)1－αβα=1+β2、表征稳定性的参数─极间反向电流ICBO:集电极─基极反向饱和电流.ICEO:集电极─发射极反向饱和电流.(穿透电流)3、表征安全工作区域的参数§3.1BJT(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许耗散功率PCM(3)反向击穿电压VBR(EBO):集电极开路时,发射极─基极间的反向击穿电压.VBR(CBO):发射极开路时,集电极─基极间的反向击穿电压.VBR(CEO):基极开路时,集电极─发射极间的反向击穿电压.VBR(CBO)＞VBR(CEO)V(BR)CEOPCMVCE/V安全工作区图3.10OIC/mAICM§3.1BJT4、温度特性△VBE/△T=－(2～2.5)mV/oC;△β/(βT)=(0.5～1)%/oC;ICBO(T2)=ICBO(T1)×2T2－T1105、结电容发射结电容Cb′e,集电结电容Cb′c.五、BJT的电路模型1、直流等效电路模型(放大区)§3.1BJT(a)b+VCC－+VBB－eIERcICRbIBcIB+VCC－+VBB－c(b)RcICRbbeβIB+VBE－图3.11VBB－VBEIB=RbIC=βIBVCE=VCC－ICRc2、交流小信号等效电路模型(放大区)§3.1BJT+vCE－iC+vBE－iBbce(a)+hrevce－hie1/hoehfeib+vce－ic+vbe－ibbce(b)rbeβib+vce－ic+vbe－ibbce(c)图3.12iB=IBQ+ibvBE=VBEQ+vbeiC=ICQ+icvCE=VCEQ+vcevBE=f1(iB,vCE)iC=f2(iB,vCE)vBEvBEvBE=f1(iB,vCE)=f1(IBQ,VCEQ)+ib+vce+…iBQvCEQVBEQvbe§3.1BJTiCiCiC=f2(iB,vCE)=f2(IBQ,VCEQ)+ib+vce+…iBQvCEQICQicvBEvBEvbe=ib+vce=hieib+hrevce≈hieibiBQvCEQiCiCic=ib+vce=hfeib+hoevce≈hfeibiBQvCEQvbeichiehrehfehoeibvce=hie(Ω)hrehfehoe(S)hehiehrehfehoe=rbeμTβ1/rce==103Ω10－3～10－410210－3S(3—15)(3—16)(3—17)§3.1BJTierb′e′b′rbb′bee′re′ibVT(mV)rbe=rbb′+(1+β)(3—18)IEQ(mA)1iEIESeIEQ==IESe==rb′e′vBEQvBEVTVTvBEVTvBE=VBEQVBEQVTrbe=Vbe·Ib·re′≈0Vbe·Ibrbb′+Ierb′e′·≈·图3.13§3.1BJT六、BJT的基本应用1、电流源OiI0v(b)OiviBQvCE(sat)(d)i=I0+v－(a)Rc+VCC－+v=vCE－iCiB(c)图3.142、开关图3.15所示为BJT反相器电路,BJT在截止区和饱和区之§3.1BJT间切换.负载可以是电动机,发光二极管或其他电子设备.+vBE－VCC+vCE－图3.15iCiB负载vIvO3、放大器§3.2放大器概述放大器(Amplifier)是应用最广泛的一种功能电路.大多数模拟电子系统都应用了不同类型的放大电路.一、放大的概念放大器的作用是将输入信号进行不失真的放大,使输出信号强度(功率、电压或电流)大于输入信号强度,且不失真地重现输入信号波形.放大器实际上是一种能量控制装置.它利用三极管(或场效应管)的放大和控制作用,将直流电源的能量转换为放大了的交流输出能量.§3.2放大器概述DC电压源信号源放大器负载高信号功率CD播放器扬声器DC功率低信号功率图3.16来自特定信源的时变信号在能被利用之前常常需要放大.(举例说明)§3.2放大器概述二、放大器的主要性能指标+Vo－+Vi－·IiIo信号源放大器负载RiRo···+Vs－·RsRL图3.171、输入电阻·ViRi=(3—19)Ii·§3.2放大器概述2、输出电阻·VTRo=(Vs=0或Is=0)(3—20)IT···3、增益(放大倍数)VoIoIoVoAV=AI=AG=AR=(3—21)ViIiViIi·············电压增益=20lg│AV│dB·电流增益=20lg│AI│dB放大器的四种模型§3.2放大器概述(a)电压放大器+AVOVi－·+Vs－RiRL+Vo－RoRs+Vi－····RLAV=AVORo＜＜RL→AV≈AVO(3—22)Ro+RL····Ri＞＞Rs(Ri→∞)Ro＜＜RL(Ro→0)·VoVoViRiAVS===AVRi＞＞Rs→AVS≈AV(3—23)VsViVsRs+Ri·········§3.2放大器概述(b)电流放大器IsRiRLIoRsAISIiIiRo·····Ri＜＜Rs(Ri→0)Ro＞＞RL(Ro→∞)·RsIi=IsRi＜＜Rs→Ii≈Is(3—25)Rs+Ri···RoAI=AISRo＞＞RL→AI≈AIS(3—24)Ro+RL····§3.2放大器概述(c)互阻放大器Ri＜＜Rs(Ri→0)Ro＜＜RL(Ro→0)·+Vo－Ro+AROIi－RiRLRsIsIi····(d)互导放大器Ri＞＞Rs(Ri→∞)Ro＞＞RL(Ro→∞)·+Vs－图3.18RiRLRs+Vi－AGSViRo····Io§3.2放大器概述BW=fH－fL(3—26)3dB图3.19O20lg│AV│dB3dBfHfLf/Hz带宽·4、带宽5、非线性失真系数γ=(3—27)Vo1∞∑V2okk=2§3.2放大器概述三、基本放大器的组成1、三极管的三种基本接法b图3.20ebcicibc(a)ieibbeiciece(c)(b)2、基本共发射极放大器§3.2放大器概述++Cb1RL+vo－T+vs－RcRbVCC+vi－(a)Cb2Rs+vs－Ce+Cb1ReTRLRb2Rs+vo－RcRb1VCC+vi－(b)Cb2++图3.213、各元件的作用§3.2放大器概述T:放大电路的核心元件.具有电流放大作用.直流电源VCC:为三极管提供放大的外部条件;并为放大器提供能量来源.基极偏置电阻Rb:为三极管提供合适的基极偏置电流IBQ.集电极负载电阻Rc:将ic→vce,以实现电压放大.同时,Rc也起直流负载的作用.耦合电容Cb1、Cb2:“通交隔直”,一般用电解电容,连接时注意电容的极性.负载电阻RL:放大电路的外接负载,它可以是耳机、扬声器或其他执行机构,也可以是后级放大电路的输入电阻.§3.2放大器概述四、放大器的直流通路和交流通路1、直流通路的画法:将电容作开路处理,电感作短路处理.2、交流通路的画法:将电容及直流电源作短路处理.3、放大器中电压、电流的符号规定名称总电压或总电流直流量交流量基本关系式瞬时值有效值基极电流iBIBQibIbiB=IBQ+ib集电极电流iCICQicIciC=ICQ+ic基─射电压vBEVBEQvbeVbevBE=VBEQ+vbe集─射电压vCEVCEQvceVcevCE=VCEQ+vce表3-1§3.2放大器概述(a)TRcRbVCCIBQICQ+VCEQ－TRL+vi－ic+vs－Rs+vo－RcRbib(b)ICQRb2IBQTRcRb1VCCRe+VCEQ－RLT+vi－+vs－Rs+v