第二章-晶体管.ppt

1、第二章 双极型晶体管,Bipolar Junction Transistor 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）,e,c,b,发射极,基极,集电极,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,N+,P,N,(a)NPN管的原理结构示意图,(b)电路符号,2.1 晶体管的结构和类型,base,collector,emitter,e,c,b,基区,发射区,集电区,P+,N,P,(a)PNP管的结构示意图,(b)PNP的电路符号,发射结,集电结,发射极,基极,集电极,三个电极 发射极，基极，集电极管子符号的箭头方向是指发射结正偏时的电流方向三个区 发射区，基区，集电区两个P

2、N结发射结，集电结,（1）发射区小，掺杂浓度大。,晶体管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）：,（3）集电区掺杂浓度低，集电结面积大。,（2）基区掺杂浓度很低，且很薄。,图1 晶体管的三种基本组态,(a)共发射极,(b)共集电极,(c)共基极,晶体管在实际应用时，通常将其中两个端口分别用作输入端和输出端，第三个端口作为公共端。根据公共端的不同，晶体管有以下3中基本组态：,2.2.1 晶体管处于放大状态的工作条件,内部条件发射区重掺杂、基区很薄、集电结面积大外部条件 发射结正偏集电结反偏,晶体管的基本功能是对信号进行放大，要使晶体管具有放大作用，除了满足内部条件，还必须满足外部条件。,2.2

3、 晶体管的电流放大作用,即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，必须连接成如下形式：,放大状态下的偏置要求,NPN管 UC UB UE,UC,UE,UB,PNP管 UC UB UE,UC,UE,UB,三极管内部载流子运动分为三个过程：（以NPN为例）,VCC,IEN,IEP,2.2.2 晶体管的工作原理,1.放大状态下晶体管中载流子的运动,三极管内部载流子运动分为三个过程：,VCC,IE,=IEN+IEP,IEN,三极管内部载流子运动分为三个过程：,（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。,VCC,IE,IB,复合,IBE,IBE,三极管内部载流子运动分为三个过程：,（1）

4、发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。,VCC,IE,（2）在基区中,电子继续向集电结扩散；,少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。,IB,（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。,IC,ICN,ICN,IBE,三极管内部载流子运动分为三个过程：,（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。,VCC,IE,（2）在基区中,电子继续向集电结扩散；,少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。,IB,（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。,IC,另外，集电区的少子形成反向饱和电流ICBO,ICBO,ICN,IBE,C,U,图2 晶体管内载流子的运动和各极电流,图2 晶体管内

5、载流子的运动和各极电流,在发射结处,发射结正偏，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。,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集电结边缘处。以上构成了基极电流的主体。,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

6、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),发射区向基区的多子注入（扩散运动）为主基区的复合和继续扩散集电结对非平衡载流子的收集为主（漂移运动）,晶体管工作的内部机理：-“非平衡载流子”的传输,IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,2.电流分配关系,全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。,图3 晶体管特性曲线测试电路,2.3 晶体管伏安特性曲线及参数,2.3.1 晶体管共发射极特性曲线,1.共发射极输入特性曲线,图4 共射输入特性曲线,(1

7、)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,(2)当0uCE1V时，集电结加的反向偏压增大，集电极收集电子能力增强，基区复合减少，在同样的uBE下 IB减小，特性曲线右移。,(3)当uCE1V，输入特性曲线几乎重合在一起，uCE对输入特性几乎无影响,2.共发射极输出特性曲线,图5 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,一、,现以iB=40uA一条加以说明：,（1）当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2）当uCE增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，集电区收集电子的能力很弱,iC主要由uCE决定u

8、CE iC,iC几乎仅仅决定于iB,输出特性曲线可分为3个区域：截止区、放大区、饱和区,（1）截止区:发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置，即,且,（2）放大区:发射结正向偏置且结压降大于开启电压,同时集电结反向偏置，即,且,理想情况下，均匀变化时，输出特性曲线是一簇与横轴平行的等距离直线,b.恒流特性:当 恒定时，,a.受控特性：iC 受iB的控制,即iC主要由iB决定，与输出环路的外电路无关。,uCE 变化对 iC 的影响很小,iB,（3）饱和区:发射结正向偏置且集电结正向偏置，即,临界饱和：UCE=UBE，即UCB=0（C结零偏）。,且,不仅与 有关，而且明显随 增大而增大，,此时,饱

9、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)=0.5V|0.3V(深饱和)；（小功率Ge管）UCE(sat)=0.2V|0.1V(深饱和)。,三个电极间的电压很小，各极电流主要由外电路决定。,以上3个区域对应于晶体管的3种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。在模拟电子技术中，晶体管主要工作在放大状态，用于模拟信号处理（放大、运算、处理、发生）；在数字电子技术中，晶体管主要工作于饱和和截止状态（即开关状态），实现各种数字信号处理。,晶体管工作状态举例,例1 现测得放大电路中两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在

10、圆圈中画出管子，且分别求出它们的电流放大系数。,【解答】在T1中，=1mA/10A=100，故IE=(+1)10=1010A=1.01 mA。在T2中，=（5.1 mA100A）/100A=50，故 IC=100=5000A=5 mA。,例2 测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图2.3.9所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,3.温度对晶体管特性曲线的影响,T，uBE：,T，ICBO：,T，：,2.3.2 晶体管的主要参数,1.共射电流放大系数,（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、I

11、CEO 很小，因此,在以后的计算中，不必区分。,一、电流放大系数,（2）共基交流放大系数,（1）共基直流放大系数,由于ICBO、ICEO 很小，因此,在以后的计算中，不必区分。,2.共基电流放大系数,二、极间反向电流,1 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 ICEO,基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。,3 IEBO,集电极开路时，发射极基极间的反向电流。,三、晶体管的极限参数,1.击穿电压,U(BR)CBO指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。,U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。,U(BR)EBO

12、指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。,2.集电极最大允许电流ICM,ICM一般指下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当iC ICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。,3 集电极最大允许耗散功率PCM,PCM 表示集电极上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。,PCM=ICUCE,图7 共射极放大电路,2.4.1 放大电路的组成,2.4 晶体管放大电路的放大原理,需要放大的信号Ui为交流小信号,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。,VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。,Rc：将iC转换成uCE(uo)

13、。,放大时静态工作状态：（当ui=0时）,基极电源VBB使晶体管b-e间电压UBEUBE(on)集电极电源VCC应足够高，使晶体管的集电结反向偏置，以保证晶体管工作在放大状态；集电极电流IC=IB c-e间电压UCE=VCC-ICRC,静态时放大电路只有直流分量。,放大时动态工作状态：（当ui不为0时）,输入回路中，静态基础上产生动态的基极电流ib；输出回路中，产生动态电流ic；集电极电阻RC将集电极电流的变化转化为电压的变化，使得管压降产生变化管压降uce的变化量就是输出动态电压uO 若电路参数选择得当，uO的幅度将比ui大得多，且波形形状相同，从而达到放大的目的,动态信号作用时：,动态时电

14、路中的信号为交直流分量的叠加。,对各种物理量的表示方法作如下规定：直流量：字母大写，下标大写，如：IB、IC、UBE、UCE。交流量：字母小写，下标小写，如：ib、ic、ube、uce。交流量的有效值：字母大写，下标小写，如：Ib、Ic、Ube、Uce。瞬时值（直流量与交流量的叠加量）：字母小写，下标大写，如：iB、iC、uBE、uCE。,输入电压ui为零，即直流电源单独作用时晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。,2.4.2 静态工作点的作用,图8 没有设置合适的静态工作点,假设没有基极电源，静态时将输入端短路，IBQ=0

15、，则ICQ=0，UCE=UCC，因而晶体管处于截止状态；,当加入输入电压ui时，uBEui，由于输入信号为交流小信号，通常其峰值小于发射结的开启电压UBE(on)，无法使发射结正偏，则在信号的整个周期内晶体管始终工作在截止状态，因而输出电压为0；,即使ui的幅值足够大，晶体管也只可能在信号正半周大于发射结的开启电压UBE(on)的时间间隔内导通，所以输出电压必然严重失真。,设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础,对于放大电路最基本的要求：不失真，能够放大。,图9 共射极放大器的电压、电流波形,2.4.3 基本共射放大电路的放大原理,利用晶体管的电流放大作用，,电流的变化转换,并依靠Rc将,

16、成电压的变化,2.4.4 基本放大电路的组成原则,（2）动态信号能够作用于晶体管的输入回路（基极-发射极回路），在负载上能够获得放大了的动态信号。,（3）必须设置合理的信号通路。当加入信号源和负载时，一方面不能破坏已设置好的静态工作点，一方面尽可能减小信号通路中的损耗。,（4）对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,（1）必须将晶体管偏置在放大状态，并且要设置合适的静态工作点：合适的直流电源、合适的电路参数。,输入信号、输出信号、直流电源均有一端接在“地”端,图 11 阻容耦合 共射放大电路,图10 直接耦合 共射放大电路,常用连接方式,耦合电容 C1，C2输入电

17、容C1的作用隔离直流电源对信号源的影响，且能有效地将信号源提供的信号传送到基极。输出电容C2的作用隔离直流电源对负载的影响，能把放大的交流信号有效地传送到负载。,画直流通路的原则：,C开路,L短路,画交流通路的原则：,C短路,直流电源视为短路,L开路,2.4.5 直流通路和交流通路,在分析放大电路时，应遵循“先静态，后动态”的原则。求解静态工作点利用直流通路，求解动态参数时利用交流通路,1.直流通路：直流电源单独作用时，直流电流通过的路径,信号源视为短路，但保留其内阻,2.交流通路：输入信号作用下，交流电流通过的路径,图12 共射放大器的交、直流通路,(a)直流通路,(b)交流通路,2.5 放

18、大电路的静态分析,2.5.1 由直流通路分析法估算静态工作点,ICQ=IBQ,UCEQ=UCCICQRC,2.5.2 由图解分析法确定静态工作点,直流图解分析是在晶体管特性曲线上，用作图的方法确定出直流工作点，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。,一、用输入特性求解IBQ、UBEQ,输入特性曲线与输入回路的交点Q为静态工作点,输入回路方程UCC=IBRB+UBE,由于输入特性曲线不易准确测得，所以IBQ、UBEQ一般不用图解法确定，而用估算法。UBEQ=0.7（硅管）或0.3（锗管）,输出特性曲线与输出回路方程的交点为静态工作点。,直流负载线,输出回路方程：,二、用输出特性求解ICQ、UC

19、EQ,例3 在下图电路中，若RB=560k,RC=3k,UCC=12V，试用图解法确定直流工作点。,(a)直流通路,输出回路方程：UCC=UCEQ+ICQRC,解:取UBEQ=0.7V，由估算法可得,在输出特性上找两个特殊点：,当uCE=0时，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M点；,当iC=0时，uCE=UCC=12V，得N点。,由图中Q点的坐标可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。,(b)Q点与RB、RC的关系,u,C,E,/,V,2,10,12,0,1,2,3,40,A,30,A,20,A,10,A,i,C,/,m,A,4,6,8,4,M,N,Q,R,B,Q,3,Q,2,Q,4,R

20、,C,R,B,Q,1,R,C,UCC=UCEQ+ICQRC,RB改变，Q点将沿着直流负载线移动。,Rc改变，Q点将沿着IBQ对应的输出特性曲线移动。,总 结,输出特性曲线方程，由晶体管的特性决定,直流负载线方程，由电路特性决定,静态工作点为下面两条曲线的交点：,2.5.3 晶体管工作状态的判断方法,若UBBUBE(on)且UBBUCC，则晶体管截止,1、首先判断晶体管是否截止：,此时：IBQ=ICQ=IEQ=0，UBEQ=UBB，UCEQ=UCC。,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：,若UBBUBE(on)，则发射结正偏，下面关键是判断集电结是正偏还是反偏。,UBB-UBE(on)=

21、IBQRB+(1+)IBQRE,则晶体管处于放大状态；,则晶体管处于饱和状态；,(,),1,(,),(,CQ,CC,CEQ,EQ,BQ,CQ,E,B,on,BE,BB,BQ,I,U,U,I,I,I,R,R,U,U,I,-,=,=,+,+,-,=,b,b,假设晶体管处于放大状态,晶体管处于饱和状态时：,UCEQ,为饱和区压降平均值,例4 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图14(a),(b)所示。已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。,图14(a)电路,=50,解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui=3V时，晶体管导

22、通且有,假设管子工作在放大区，则,得出的结论与假设不符，因此管子进入因此管子进入饱和状态。,则,uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,uo波形如c图所示。,补充例题1电路,补充例题1 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。,1.先判断晶体管是否处于截止状态：,晶体管不处于截止状态；,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：,UBB-UBE(on)=IBQRB+(1+)IBQRE,晶体管处于放大状态；,补充例题2电路,补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。,1.先判断晶体管是否处于截止状态：,晶体管不处于截止状态；,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：,UBB-UBE(on)=IBQRB,晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；,