第二章-晶体管.ppt

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第二章双极型晶体管,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）,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PN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UCUBUE,UC,UE,UB,PNP管UCUBUE,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）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,IEIBICIE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）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uCEiC,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=1.01mA。

在T2中，=（5.1mA100A）/100A=50，故IC=100=5000A=5mA。

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、ICEO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,1ICBO,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。

2ICEO,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。

3IEBO,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iCICM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UBEUon，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）。

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=IBc-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，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,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、UCEQ,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,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）=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；,