半導(dǎo)體三極管及其電路分析

1、第二章 半導(dǎo)體三極管及其電路分析第二章 半導(dǎo)體三極管及其電路分析11.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)、特性與參數(shù)1一、三極管的結(jié)構(gòu)類型與工作原理1二、三極管的伏安特性曲線5三、三極管的主要參數(shù)81.2.2三極管放大電路的組成原理101.2.3電壓傳輸特性和靜態(tài)工作點(diǎn)131.2.4三極管的放大與開關(guān)應(yīng)用舉例161.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)、特性與參數(shù)一、三極管的結(jié)構(gòu)類型與工作原理半導(dǎo)體三極管又稱為晶體管、三極管、雙極型晶體管、BJT 。它由2個(gè)背靠背的PN結(jié)組成，分為 NPN型、PNP型。由制造的材料又分為硅三極管、鍺三極管。NPN型三極管：c：collector 集電極；b：base 基極；e：em

2、itter 發(fā)射極采用平面管制造工藝，在N型底層上形成兩個(gè)PN結(jié)。工藝特點(diǎn)：三個(gè)區(qū)，二個(gè)結(jié)，引出三根電極雜質(zhì)濃度(e區(qū)摻雜濃度最高，b區(qū)較高，c 區(qū)最低)；面積大小( c區(qū)最大， e區(qū)大， b區(qū)窄)。PNP型三極管：在P型底層上形成兩個(gè)PN結(jié)。NPN管的工作原理：為使NPN管正常放大時(shí)的條件：射結(jié)正偏(VBE0)，集電結(jié)反偏(VCB0)。發(fā)射區(qū)向基區(qū)大量發(fā)射電子(多子)， 進(jìn)入基區(qū)的電子成為基區(qū)的少子，其中小部分與基區(qū)的多子( 空穴)復(fù)合，形成IB電流，絕大部分繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散并達(dá)到集電結(jié)邊緣。 因集電結(jié)反偏，這些少子將非常容易漂移到集電區(qū)，形成集電集電流的一部分ICN。 而基區(qū)和集電區(qū)本身的

3、少子也要漂移到對(duì)方，形成反向飽和電流ICBO。，晶體管的四種工作狀態(tài)： 1.發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏：放大工作狀態(tài) 用在模擬電子電路2.發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏：截止工作狀態(tài)3.發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏：飽和工作狀態(tài) 用在開關(guān)電路中4.發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏：倒置工作狀態(tài) 較少應(yīng)用三種基本組態(tài)：集電極不能作為輸入端，基極不能作為輸出端。1.共基組態(tài)(CB)輸入：發(fā)射極端：基極公共(此處接地) 。 輸出：集電極。 VBE0，發(fā)射結(jié)正偏，VCB0(VCCVBB)，集電結(jié)反偏。所以三極管工作在放大狀態(tài)。發(fā)射極組態(tài)(CE)：共集電極組態(tài)(CC)：共基組態(tài)時(shí)電流關(guān)系(放大狀態(tài))：，稱為共基極直流電流放大系數(shù)，

4、0.980.998。ICBO稱為集電結(jié)反向飽和電流，其值很小，常可忽略。其中穿透電流，。當(dāng)時(shí)，。稱為共射極直流電流放大系數(shù), 穿透電流ICEO ，其值較小，也?？珊雎?。 所以有和之間的關(guān)系：共集組態(tài)時(shí)電流關(guān)系(放大狀態(tài))：無(wú)論哪種組態(tài)，輸入電流對(duì)輸出電流都具有控制作用，因此三極管是一種電流控制器件(CCCS)。并且共射和共集組態(tài)還具有電流放大作用。二、三極管的伏安特性曲線1. 共射極輸入特性基極電流iB與發(fā)射結(jié)電壓VBE之間的關(guān)系：電路及三極管典型特性曲線：與二極管的正向特性相似，但當(dāng)C-E間的電壓增加時(shí)，特性曲線右移，當(dāng)VCE1后，輸入伏安特性曲線基本不變。2. 共射極輸出特性集電極電流iC

5、與集-射間電壓VCE之間的關(guān)系：飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。當(dāng)集電結(jié)零偏(VCB=0)時(shí)稱為臨界飽和。VCES稱飽和壓降，ICS稱集電極飽和電流，IBS稱基極臨界飽和電流。當(dāng)iBIBS時(shí)，三極管進(jìn)入深飽和， 晶體三極管進(jìn)入飽和后，管子就不具備有放大能力了。飽和區(qū)模型：臨界飽和：VCES0.7V，深度飽和：VCES0.3V放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特征是IC僅受iB控制，與VCE的大小基本無(wú)關(guān)。PNP型三極管： 三、三極管的主要參數(shù)1. 電流放大倍數(shù)共射極直流電流放大倍數(shù)：共射極交流電流放大倍數(shù)：， ，典型值為50200。共基極直流電流放大倍數(shù)：共射極交流電流放大倍數(shù)：， 典型值為0.

6、980.998。2. 極間反向電流集電結(jié)反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時(shí)的反向飽和電流(nA級(jí))。與單個(gè)PN結(jié)的反向電流一樣，主要取決于溫度和少子濃度。穿透電流ICEO是指基極開路，集電極與發(fā)射極之間加反向電壓時(shí)，從集電極穿過(guò)基區(qū)流入發(fā)射極的反向飽和電流。(f27)ICEO是衡量三極管性能穩(wěn)定與否的重要參數(shù)之一，其值愈小愈好。ICBO和ICEO與溫度密切相關(guān)。3. 極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM，當(dāng)iC超過(guò)ICM時(shí)，電流放大倍數(shù)將顯著下降。集電極最大允許功耗PCM， PCM表示集電結(jié)上允許的耗散功率的最大值。主要由管子所允許的溫升及散熱條件決定。當(dāng)超過(guò)PCM時(shí)

7、，管子可能燒毀。反向擊穿電壓超過(guò)反向擊穿電壓時(shí)，管子將發(fā)生擊穿。反向擊穿電壓的大小不僅與管子本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。4. 安全工作區(qū)與溫度穩(wěn)定性安全工作區(qū)： 由三極管的三個(gè)極限參數(shù)：PCM、ICM和V(BR)CEO，在輸出特性曲線上可畫出安全工作區(qū) 。溫度穩(wěn)定性：輸入特性：溫度上升時(shí)，發(fā)射結(jié)電壓下降(負(fù)溫度特性),溫度系數(shù)約為-2.5mV/。輸出特性：溫度上升時(shí)，輸出特性曲線上移，間距增大。1.2.2三極管放大電路的組成原理一、放大電路的組成與各元件的作用Rb和Rc：提供適合偏置-發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。C1、C2是隔直(耦合)電容，隔直流通交流。共射放大電路Vs ，Rs：信號(hào)源

8、電壓與內(nèi)阻； RL：負(fù)載電阻，將集電極電流的變化ic轉(zhuǎn)換為集電極與發(fā)射極間的電壓變化VCE 二、放大電路的基本工作原理靜態(tài)(Vi=0,假設(shè)工作在放大狀態(tài)) 分析，又稱直流分析，計(jì)算三極管的電流和極間電壓值，應(yīng)采用直流通路(電容開路)。基極電流：IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb集電極電流：IC=ICQ=IBQ 集-射間電壓：VCE=VCEQ=VCC-ICQRc 動(dòng)態(tài)(vi0)分析：，其中。放大電路對(duì)信號(hào)的放大作用是利用三極管的電流控制作用來(lái)實(shí)現(xiàn) ，其實(shí)質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換器。三、構(gòu)成放大電路的基本原則放大電路必須有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)：直流電源的極性與三極管的類型相配合，電阻的設(shè)置要與電源相配

9、合，以確保器件工作在放大區(qū)。輸入信號(hào)能有效地加到放大器件的輸入端，使三極管輸入端的電流或電壓跟隨輸入信號(hào)成比例變化，經(jīng)三極管放大后的輸出信號(hào)(如ic=*ib)應(yīng)能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載上的輸出電壓信號(hào)。1.2.3電壓傳輸特性和靜態(tài)工作點(diǎn)一、單管放大電路的電壓傳輸特性圖解分析法： 輸出回路方程：輸出特性曲線：AB段：截止區(qū)，對(duì)應(yīng)于輸出特性曲線中iB0的部分。BCDEFG段：放大區(qū)GHI段：飽和區(qū) 作為放大應(yīng)用時(shí)：Q點(diǎn)應(yīng)置于E處(放大區(qū)中心)。若Q點(diǎn)設(shè)置C處，易引起載止失真。若Q點(diǎn)設(shè)置F處，易引起飽和失真。用于開關(guān)控制場(chǎng)合：工作在截止區(qū)和飽和區(qū)上二、單管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)(公式法計(jì)算)單電源固定偏置電路

10、：選擇合適的Rb，Rc，使電路工作在放大狀態(tài)。工作點(diǎn)穩(wěn)定的偏置電路：該方法為近似估算法。分壓式偏置電路： 穩(wěn)定工作點(diǎn)的另一種解釋：溫度TICIEVE(=IERe)(VB固定) ，則 IC IB VBE (=VB-VE)。在靜態(tài)情況下，溫度上升引起IC增加，由于基極電位VB基本固定，該電流增量通過(guò)Re產(chǎn)生負(fù)反饋，迫使IC自動(dòng)下降,使Q點(diǎn)保持穩(wěn)定。Re愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，穩(wěn)定性也愈好。但Re過(guò)大，輸出的動(dòng)態(tài)范圍(VCE)變小，易引起失真。Rb1、Rb2愈小，VB愈穩(wěn)定。但它們過(guò)小將使放大能力下降。工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮電阻阻值的影響。經(jīng)驗(yàn)公式：I1=(510)IBQ，VEQ=IEQRe=0.2VCC(或VEQ=13V)。1.2.4三極管的放大與開關(guān)應(yīng)用舉例一、用作放大器第一步:進(jìn)行靜態(tài)分析，求靜態(tài)工作點(diǎn)； 第二步:動(dòng)態(tài)分析，求放大倍數(shù)等動(dòng)態(tài)值；下面用作圖法進(jìn)行分析：靜態(tài)分析（Vi0時(shí)）求。方法：寫出輸入回路負(fù)