第2章：晶體三極管

第二章晶體三極管第二章晶體三極管

BJT(BipolarJunctionTransistor)2.0

概述2.2晶體三極管的其它工作模式及其電路模型2.4晶體三極管伏安特性曲線2.3

埃伯爾斯—莫爾模型2.7晶體三極管的應(yīng)用原理2.1放大模式下晶體三極管的工作原理及電路模型2.5晶體三極管小信號電路模型2.6晶體三極管電路分析方法第二章晶體三極管2.0概述晶體三極管又稱雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor:BJT）。

一、三極管的種類很多：按材料分：硅三極管和鍺三極管；無論那種類型的三極管，都是由兩個靠得近且背靠背（Back-to-Back）排列的PN結(jié)組成。按排列方式不同，三極管分為NPN和PNP管。按功率分：小功率、中功率和大功率管等按結(jié)構(gòu)分：NPN型管和PNP型管；按頻率分：高頻管和低頻管；第二章晶體三極管N+NP集電結(jié)Jc發(fā)射結(jié)Je發(fā)射極e集電極c基極b發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P+發(fā)射區(qū)N基區(qū)P集電區(qū)發(fā)射極e基極b集電極c三極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號NPN管PNP管三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn):發(fā)射區(qū)高摻雜;基區(qū)很薄;集電結(jié)面積大結(jié)構(gòu)示意圖：電路符號：：第二章晶體三極管從結(jié)構(gòu)看：從電路符號看：無論是NPN還是PNP管，都有兩個PN結(jié)，三個區(qū)，三個電極。除了發(fā)射極上的箭頭方向不同外，其他都相同，但箭頭方向都是由P指向N，即PN結(jié)的正向電流方向。三、三極管的工作狀態(tài)及其外部工作條件發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏：放大模式發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏：飽和模式發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏：截止模式（最常用）（用于開關(guān)電路中）第二章晶體三極管總結(jié):

在放大電路中三極管主要工作于放大狀態(tài)，即要求，發(fā)射結(jié)正偏(正偏壓降近似等于其PN結(jié)的導(dǎo)通壓降），集電結(jié)反偏（反偏壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其導(dǎo)通電壓才行）。對NPN管各極電位間要求：對PNP管各極電位間要求：Ve<Vb<

VcVe>Vb>Vc2.1工作在放大狀態(tài)下的三極管IEnIBpICBOIBnICnIEICIB常用Icn和IE的比值來衡量管子的質(zhì)量且令Je正偏，以擴(kuò)散運(yùn)動為主Jc反偏，以漂移運(yùn)動為主第二章晶體三極管β表示，受發(fā)射結(jié)電壓控制的基極電流IB對集電極電流IC的控制能力。第二章晶體三極管三極管特性——具有正向受控作用在放大狀態(tài)下的三極管輸出的集電極電流IC

，主要受正向發(fā)射結(jié)電壓VBE的控制，而與反向集電結(jié)電壓VCE近似無關(guān)。注意：NPN型管與PNP型管工作原理相似，但由于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，結(jié)果導(dǎo)致各極電流方向相反，加在各極上的電壓極性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+

-+

--+-+IEICIBIEICIB第二章晶體三極管發(fā)射結(jié)正偏：保證發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子。發(fā)射區(qū)摻雜濃度>>基區(qū)：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子，提高發(fā)射效率。基區(qū)的作用：將發(fā)射到基區(qū)的多子，自發(fā)射結(jié)傳輸?shù)郊娊Y(jié)邊界。基區(qū)很?。嚎蓽p少多子傳輸過程中在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會，保證絕大部分載流子擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的載流子全部漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流。第二章晶體三極管2.1.2放大模式下三極管的模型三極管的正向受控作用，服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系式：數(shù)學(xué)模型（指數(shù)模型）IS指發(fā)射結(jié)反向飽和電流IEBS轉(zhuǎn)化到集電極上的電流值，它不同于二極管的反向飽和電流IS。式中：第二章晶體三極管

放大模式直流簡化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIBIB直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓，工程上一般?。汗韫躒BE(on)=0.7V鍺管VBE(on)=0.25V第二章晶體三極管

三極管參數(shù)的溫度特性

溫度每升高1C，?/

增大（0.51）%，

溫度每升高1C，VBE(on)

減?。?2.5）mV

溫度每升高10C，ICBO

增大一倍因而溫度對三極管的影響集中體現(xiàn)在對集電極電流的影響。第二章晶體三極管2.2晶體三極管的其它工作模式2.2.1飽和模式(發(fā)射結(jié)Je正偏，集電結(jié)Jc正偏)

三極管失去正向受控作用。即三極管的集電極電流IC不再受基極電流IB控制。

飽和模式直流簡化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)通常，飽和壓降VCE(sat)

硅管VCE(sat)0.3V鍺管VCE(sat)0.1V

若忽略飽和壓降，三極管輸出端近似短路。即三極管工作于飽和模式時，相當(dāng)于開關(guān)閉合。第二章晶體三極管2.2.2

截止模式(JE結(jié)反偏，JC結(jié)反偏)若忽略反向飽和電流，三極管IB0，IC

0。即三極管工作于截止模式時，相當(dāng)于開關(guān)斷開。電路模型VBE+-ECBEICIB截止模式直流簡化電路模型直流簡化電路模型ECBEIC0IB0第二章晶體三極管直流分析步驟：確定三極管工作模式(以NPN為例)。用相應(yīng)簡化電路模型替代三極管。分析電路直流工作點(diǎn)。只要VBE

VBE(on)

（發(fā)射結(jié)反偏）截止模式假定放大模式，估算VCE:若VＣE

>VCE(sat)

放大模式若VＣE＜VCE(sat)

飽和模式第二章晶體三極管例1已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，試

判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因?yàn)閂CEQ>0.3V，所以三極管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V第二章晶體三極管例2若將上例電路中的電阻RB

改為10k，試重新

判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因?yàn)閂CEQ<0.3V，所以三極管工作在飽和模式。第二章晶體三極管例3已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，試

判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：所以三極管工作在截止模式。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+-VBBRBBRC+-VCC<VBE(on)作業(yè)Page92~932-142-15第二章晶體三極管2.3埃伯爾斯—莫爾模型埃伯爾斯—莫爾模型是三極管通用模型，它適用于任何工作模式。IE=IF-RIRIC=FIF-IR

其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB放大模式直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-飽和模式直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)截止模式直流簡化電路模型ECBEIC0IB0第二章晶體三極管觀察輸入信號作用在那個電極上，輸出信號從那個電極取出，此外的另一個電極即為組態(tài)形式。三極管的三種連接方式——三種組態(tài)BCEBTicieECBETicibCEBCTieib（共發(fā)射極）（共基極）（共集電極）放大電路的組態(tài)是針對交流信號而言的。第二章晶體三極管2.4晶體三極管伏安特性曲線（可由圖示儀直接測出）伏安特性曲線是三極管通用的曲線模型，它適用于任何工作模式。(三極管有三種組態(tài)，以共發(fā)射極為例）IB=f1E(VBE)VCE=常數(shù)IC=f2E(VCE)IB=常數(shù)共發(fā)射極輸入特性：輸出特性：+-TVCEIBVBEIC+-第二章晶體三極管

輸入特性曲線VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE一定：類似二極管伏安特性。

VCE增加：正向特性曲線略右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)注：VCE>0.3V后，曲線移動可忽略不計(jì)。因此當(dāng)VBE一定時：VCEVCB復(fù)合機(jī)會

IB

曲線右移。第二章晶體三極管輸出特性曲線飽和區(qū)VCE/VIB=40A30A20A10A0輸出特性曲線可劃分四個區(qū)域：條件：特點(diǎn)：放大區(qū)條件：特點(diǎn)：截止區(qū)條件：特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏I(xiàn)C受VCE影響，不受IB

控制，VCE略增，IC顯著增加。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C受IB控制，不受

VCE控制。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C

0，IB

0。擊穿區(qū)：0反向擊穿電壓V(BR)CEOIC/mA飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。V(BR)CEO第二章晶體三極管IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。IC不受IB控制，而受VCE影響。VCE略增，IC顯著增加。飽和區(qū)（VBE0.7V，VCE<0.3V）第二章晶體三極管

放大區(qū)（VBE0.7V，

VCE>0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特點(diǎn)條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏VCE曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC=IB+ICEO說明IC/mAVCE/V0VA上翹程度—取決于厄爾利電壓VA上翹原因—基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（VCEIC略）在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時，電流IC的修正方程：基寬WB越小調(diào)制效應(yīng)對IC影響越大則VA越小。與IC的關(guān)系：IC0在IC一定范圍內(nèi)近似為常數(shù)?？紤]上述因素，IB等量增加時，ICVCE0輸出曲線不再等間隔平行上移。第二章晶體三極管第二章晶體三極管

截止區(qū)（VBE0.5V，

VCE

0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC0，IB0近似為IB≤0以下區(qū)域

嚴(yán)格說，截止區(qū)應(yīng)是IE=0即IB=-ICBO以下的區(qū)域。第二章晶體三極管

擊穿區(qū)特點(diǎn)：VCE增大到一定值時，集電結(jié)反向擊穿，IC急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿電壓，隨IB的增大而減小。注意：IB=

0時，擊穿電壓為V(BR)CEOIE=

0時，擊穿電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEOIC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第二章晶體三極管三極管安全工作區(qū)ICVCE0V(BR)CEOICMPCM

最大允許集電極電流ICM（若IC>ICM造成

）

反向擊穿電壓V(BR)CEO（若VCE>V(BR)CEO

管子擊穿）VCE<V(BR)CEO

最大允許集電極耗散功率PCM（PC=ICVCE，若PC>PCM燒管）PC<PCM

要求ICICM第二章晶體三極管2.5晶體三極管小信號電路模型放大電路小信號運(yùn)用時，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，特性曲線的非線性可忽略不計(jì)，近似用一段直線來代替，從而獲得一線性化的電路模型，即小信號（或微變）電路模型。三極管作為四端網(wǎng)絡(luò)，選擇不同的自變量，可以形成多種電路模型。最常用的是混合Π型小信號電路模型。第二章晶體三極管混合Π型電路模型的引出基區(qū)體電阻發(fā)射結(jié)電阻與電容集電結(jié)電阻與電容反映三極管正向受控作用的電流源由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce第二章晶體三極管混合Π型小信號電路模型若忽略rbc影響，整理即可得出混Π電路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic電路低頻工作時，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混Π電路模型簡化為：rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶體三極管小信號電路參數(shù)

rbb基區(qū)體電阻，其值較小，約幾十歐，常忽略不計(jì)。

rbe三極管輸入電阻，約千歐數(shù)量級。rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶體三極管小信號電路參數(shù)跨導(dǎo)gm表示三極管具有正向受控作用的增量電導(dǎo)。

rce三極管輸出電阻，數(shù)值較大。RL<<rce

時，常忽略。rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶體三極管簡化低頻混合Π型小信號電路模型rbercerbbbcegmvbe

=ibbibic等效電路中的gmvbe，也可用ib表示。rbebceibibicrcerbebceibibic注意：小信號電路模型只能用來分析疊加在Q點(diǎn)上各交流量之間的相互關(guān)系，不能分析直流參量。2.6晶體三極管電路分析方法第二章晶體三極管由于交流信號均疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上，且交流信號幅度很小，因此對工作在放大模式下的電路進(jìn)行分析時，應(yīng)先進(jìn)行直流分析，后進(jìn)行交流分析。直流分析法分析指標(biāo)：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：圖解法、估算法

交流分析法分析指標(biāo)：Av

、Ri、Ro分析方法：圖解法、微變等效電路法

第二章晶體三極管2.6.1

直流分析法即分析交流輸入信號為零時，放大電路中直流電壓與直流電流的數(shù)值。（對應(yīng)通路：直流通路）圖解法即利用三極管的輸入、輸出特性曲線與管外電路所確定的負(fù)載線，通過作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知三極管特性曲線和管外電路元件參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：便于直接觀察Q點(diǎn)位置是否合適，輸出信號波形是否會產(chǎn)生失真。第二章晶體三極管例4：已知電路參數(shù)和三極管輸入、輸出特性曲線，

試求IBQ、ICQ、VCEQ。Q

輸入回路直流負(fù)載線方程

VBE=VBB-IBRBVBBVBB/RBVBEQIBQ+-IBVBBIC-+VCCRBRC+-VBE+-VCE

輸出回路直流負(fù)載線方程

VCE=VCC-ICRCICVCE0VBEIB0IB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第二章晶體三極管圖解法分析步驟：（1）由電路輸入特性確定IBQ

寫出管外輸入回路直流負(fù)載線方程(VBEIB)。在輸入特性曲線上作直流負(fù)載線。找出對應(yīng)交點(diǎn)，得IBQ與VBEQ。（2）由電路輸出特性確定ICQ與VCEQ

寫出管外輸出回路直流負(fù)載線方程(VCEIC)。在輸出特性曲線上作直流負(fù)載線。找出負(fù)載線與特性曲線中IB=IBQ曲線的交點(diǎn)，即Q點(diǎn)，得到ICQ與VCEQ。第二章晶體三極管工程近似法--估算法即利用直流通路，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。直流通路是指輸入信號為零，耦合及旁路電容開路時對應(yīng)的電路。直流分析步驟：確定三極管工作模式(以NPN為例)。用相應(yīng)簡化電路模型替代三極管。分析電路直流工作點(diǎn)。只要VBE

VBE(on)

（發(fā)射結(jié)反偏）截止模式假定放大模式，估算VCE:若VＣE

>VCE(sat)

放大模式若VＣE＜VCE(sat)

飽和模式第二章晶體三極管例1已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，試

判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因?yàn)閂CEQ>0.3V，所以三極管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V第二章晶體三極管例2若將上例電路中的電阻RB

改為10k，試重新

判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因?yàn)閂CEQ<0.3V，所以三極管工作在飽和模式。第二章晶體三極管例3已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，試

判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：所以三極管工作在截止模式。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+-VBBRBBRC+-VCC<VBE(on)第二章晶體三極管2.6.2

交流分析法小信號等效電路法(微變等效電路法)分析電路加交流輸入信號后，疊加在Q點(diǎn)上的電壓與電流變化量之間的關(guān)系。在交流通路基礎(chǔ)上，將三極管用小信號電路模型代替得到的線性等效電路即小信號等效電路。利用該等效電路分析Av

、Ri、Ro的方法即小信號等效電路法。交流通路:

即交流信號流通的路徑。它是將直流電源短路、耦合、旁路電容短路時對應(yīng)的電路。第二章晶體三極管小信號等效電路法分析步驟：畫交流通路(直流電源置零，耦合、旁路電容短路)。

用小信號電路模型代替三極管，得小信號等效電路。利用小信號等效電路分析交流指標(biāo)。計(jì)算微變參數(shù)gm、rbe。注意:小信號等效電路只能用來分析交流量的變化規(guī)律及動態(tài)性能指標(biāo)，不能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。第二章晶體三極管例5

已知IEQ=1mA,=100,vi

=20sint(mV),

試畫出圖示電路的交流通路及交流等效電路,并計(jì)算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k第二章晶體三極管例6

輸入正弦信號時，畫各極電壓與電流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2圖解法viibicRBRC+-RL+-vo第二章晶體三極管圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)(方法同前)。畫交流負(fù)載線。畫波形，分析性能。過Q點(diǎn)、作斜率為-1/RL的直線即交流負(fù)載線。其中RL=RC//

RL分析步驟:圖解法直觀、實(shí)用，容易看出Q點(diǎn)設(shè)置是否合適，波形是否產(chǎn)生失真，但不適合分析含有電抗元件的復(fù)雜電路。同時在輸入信號過小時作圖精確度降低。QiCtICQtvCE0VCEQibQ點(diǎn)在中點(diǎn)，動態(tài)范圍最大，輸出波形不易失真。Q點(diǎn)波動對輸出波形的影響：Q點(diǎn)升高，不失真動態(tài)范圍減小，輸出易飽和失真(底部失真)。Q點(diǎn)降低，不失真動態(tài)范圍減小，輸出易截止失真(頂部失真)。QibibiCvCE0Qvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第二章晶體三極管tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2viibicRBRC+-RL+-vo消除飽和失真降低Q點(diǎn):增大RB，減小IBQ減小RC:負(fù)載線變徒,輸出動態(tài)范圍增加。消除截止失真升高Q點(diǎn):減小RB，增大IBQiCvCE0i