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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PN結(jié)。工藝特點:三個區(qū),二個結(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PN結(jié)。NPN管的工作原理:為使NPN管正常放大時的條件: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)擴散并達到集電結(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,??珊雎浴F渲写┩鸽娏?,。當(dāng)時,。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)時電流關(guān)系(放大狀態(tài)):無論哪種組態(tài),輸入電流對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,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,三極管進入深飽和, 晶體三極管進入飽和后,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的反向飽和電流(nA級)。與單個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,從集電極穿過基區(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ICM時,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PCM時
7、,管子可能燒毀。反向擊穿電壓超過反向擊穿電壓時,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,發(fā)射結(jié)電壓下降(負溫度特性),溫度系數(shù)約為-2.5mV/。輸出特性:溫度上升時,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:信號源
8、電壓與內(nèi)阻; RL:負載電阻,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)?;鶚O電流:IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb集電極電流:IC=ICQ=IBQ 集-射間電壓:VCE=VCEQ=VCC-ICQRc 動態(tài)(vi0)分析:,其中。放大電路對信號的放大作用是利用三極管的電流控制作用來實現(xiàn) ,其實質(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: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成比例變化,經(jīng)三極管放大后的輸出信號(如ic=*ib)應(yīng)能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d上的輸出電壓信號。1.2.3電壓傳輸特性和靜態(tài)工作點一、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:Q點應(yīng)置于E處(放大區(qū)中心)。若Q點設(shè)置C處,易引起載止失真。若Q點設(shè)置F處,易引起飽和失真。用于開關(guān)控制場合: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(公式法計算)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Re產(chǎn)生負反饋,迫使IC自動下降,使Q點保持穩(wěn)定。Re愈大,負反饋作用愈強,穩(wěn)定性也愈好。但Re過大,輸出的動態(tài)范圍(VCE)變小,易引起失真。Rb1、Rb2愈小,VB愈穩(wěn)定。但它們過小將使放大能力下降。工程設(shè)計時,應(yīng)綜合考慮電阻阻值的影響。經(jīng)驗公式: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:進行靜態(tài)分析,求靜態(tài)工作點; 第二步:動態(tài)分析,求放大倍數(shù)等動態(tài)值;下面用作圖法進行分析:靜態(tài)分析(Vi0時)求。方法:寫出輸入回路負
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