半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管第1頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第1節(jié)半導(dǎo)體三極管圖2-1幾種半導(dǎo)體三極管的外形第2頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體三極管實(shí)物圖第3頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.1晶體三極管的工作原理一、晶體三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向第4頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

無(wú)論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個(gè)區(qū):

發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū),并相應(yīng)地引出三個(gè)電極：發(fā)射極（Emitter）

、基極（Base）和集電極（Collector）

。同時(shí),在三個(gè)區(qū)的兩兩交界處,形成兩個(gè)PN結(jié)：分別稱(chēng)為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。三極管的三種連接方式：becIBIEIC(a)共基極beIBIEIC(b)共發(fā)射極cbeIBIEIC(c)共集電極c第5頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、三極管的電流分配和放大原理

實(shí)驗(yàn)電路示意圖

圖2–4三極管中載流子的傳輸過(guò)程第6頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輸入回路輸出回路實(shí)驗(yàn)電路接線圖第7頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三極管電流關(guān)系的一組典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96實(shí)驗(yàn)表明：Ie=

IC+IB；Ie和

IC比Ib大數(shù)十至數(shù)百倍，基本成比例關(guān)系，ＩＣ＝βＩＢ，這是三極管的電流放大與控制作用；

IB=0，IC=ICEO，是由集電區(qū)穿過(guò)基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的穿透電流；具備放大作用的條件是：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第8頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、三極管的特性曲線三極管共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路輸入回路輸出回路第9頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.輸入特性

當(dāng)ＵＣＥ不變時(shí),輸入回路中的電流ＩＢ與電壓ＵＢＥ之間的關(guān)系曲線稱(chēng)為輸入特性,即與二極管類(lèi)似UCE=0VIB/mAUBE/V00.20.40.6UCE>1V第10頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.輸出特性當(dāng)ＩＢ不變時(shí),輸出回路中的電流ＩＣ與電壓ＵＣＥ之間的關(guān)系曲線稱(chēng)為輸出特性,即第11頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(1)截止區(qū)。

一般將ＩＢ≤０的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū),在圖中為ＩＢ＝０的一條曲線的以下部分。此時(shí)ＩＣ也近似為零。由于各極電流都基本上等于零,因而此時(shí)三極管沒(méi)有放大作用。其實(shí)ＩＢ＝０時(shí),ＩＣ并不等于零,而是等于穿透電流ICEO。一般硅三極管的穿透電流小于１μA,在特性曲線上無(wú)法表示出來(lái)。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí),發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子,則三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。所以,在截止區(qū),三極管的兩個(gè)結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)。對(duì)ＮＰＮ三極管,ＵＢＥ＜０,ＵBC＜０。

第12頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)放大區(qū)。

此時(shí)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用,集電結(jié)反向運(yùn)用。在曲線上是比較平坦的部分,表示當(dāng)ＩＢ一定時(shí),ＩＣ的值基本上不隨ＵCE而變化。在這個(gè)區(qū)域內(nèi),當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化量ΔＩＢ時(shí),相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量ΔＩＣ,此時(shí)二者的關(guān)系為

ΔＩＣ＝βΔＩＢ該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。對(duì)于ＮＰＮ三極管,工作在放大區(qū)時(shí)ＵＢＥ≥０.７V,而ＵＢＣ＜０。第13頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

曲線靠近縱軸附近,各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)域,不同ＩＢ值的各條特性曲線幾乎重疊在一起,即當(dāng)ＵＣＥ較小時(shí),管子的集電極電流ＩＣ基本上不隨基極電流ＩＢ而變化,這種現(xiàn)象稱(chēng)為飽和。此時(shí)三極管失去了放大作用,

ＩＣ＝βＩＢ或ΔＩＣ＝βΔＩＢ關(guān)系不成立。一般認(rèn)為ＵCE＝ＵBE,即ＵCB＝０時(shí),三極管處于臨界飽和狀態(tài),當(dāng)ＵCE＜ＵBE時(shí)稱(chēng)為過(guò)飽和。三極管飽和時(shí)的管壓降用ＵCES表示。在深度飽和時(shí),小功率管管壓降通常小于０.３V。三極管工作在飽和區(qū)時(shí),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)。對(duì)NPN三極管,ＵＢＥ＞０,ＵＢＣ＞０。

(3)飽和區(qū)。

第14頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、三極管的主要參數(shù)(1)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β。β體現(xiàn)共射極接法之下的電流放大作用。(2)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β。忽略穿透電流ICEO1.電流放大系數(shù)第15頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.極間反向電流mA(a)ICBOICBOmAICEO(b)ICEO第16頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3極限參數(shù)(1)集電極最大允許電流ＩＣＭ。

β與IC關(guān)系曲線集電極ＩＣ電流超過(guò)一定值時(shí)，β要下降。當(dāng)β值下降到正常值的2/3時(shí)，對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ＩＣＭ。ＩＣＭ2/3第17頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)集電極最大允許功率損耗ＰＣＭ。當(dāng)三極管工作時(shí),管子兩端電壓為ＵＣＥ,集電極電流為ＩＣ,因此集電極損耗的功率為：4.反向擊穿電壓Ｕ(BR)CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí),集電極-基極間的反向擊穿電壓。Ｕ(BR)CEO——基極開(kāi)路時(shí),集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。Ｕ(BR)CEO——集電極開(kāi)路時(shí),發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓,此電壓一般較小,僅有幾伏左右。上述電壓一般存在如下關(guān)系：

第18頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度對(duì)參數(shù)的影響（1）溫度對(duì)UBE的影響：溫度升高，三極管輸入特性曲線左移；（2）溫度對(duì)ICBO的影響：溫度升高，三極管輸出特性曲線上移；這是因?yàn)槿龢O管反向電流ICBO與ICEO增大的緣故。（3）溫度對(duì)β的影響：溫度升高，三極管的β增大。IB/mAUBE/V00.20.40.6三極管的三種連接方式：becIBIEIC(a)共基極beIBIEIC(b)共發(fā)射極cbeIBIEIC(c)共集電極c第19頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一組成：基本放大電路一般是指由一個(gè)三極管與相應(yīng)元件組成的三種基本組態(tài)放大電路。作用：1.

放大電路主要用于放大微弱信號(hào)，輸出電壓或電流在幅度上得到了放大，輸出信號(hào)的能量得到了加強(qiáng)。2.輸出信號(hào)的能量實(shí)際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過(guò)三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號(hào)能量，提供給負(fù)載。第2節(jié)共射極放大電路

第20頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、放大電路的組成放大電路的結(jié)構(gòu)示意框圖實(shí)際放大電路1電路元件及組成（1）三極管T：放大電路的核心部件。（2）直流電源VCC為電路提供能源,保證三極管發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。

（3）偏置電阻Rb

為基極提供合適的偏置電流。（4）

集電極電阻Rc其作用是將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變?nèi)A。（5）耦合電容C1、C2其作用是隔直流、通交流。*

公共參考端：符號(hào)“⊥”為接地符號(hào),是電路中的零參考電位。第21頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2放大電路基本概念(1)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

靜態(tài)——

時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)，也稱(chēng)直流工作狀態(tài)。

放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動(dòng)態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。

動(dòng)態(tài)——

時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)，也稱(chēng)交流工作狀態(tài)。第22頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

直流通道

即能通過(guò)直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻，Rc

、Rb

。

能通過(guò)交流的電路通道。如從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻，

Rc//RL和偏置電阻Rb

。若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過(guò)直流電源時(shí)，沒(méi)有壓降。設(shè)C1、C2足夠大，對(duì)信號(hào)而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。(2)直流通道和交流通道(a)直流通道(b)交流通道直流電源和耦合電容對(duì)交流相當(dāng)于短路交流通道第23頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1直流分析—靜態(tài)工作點(diǎn)直流分析即靜態(tài)（ui=0）分析。靜態(tài)分析的目的是通過(guò)直流通路分析放大電路中三極管的工作狀態(tài)。靜態(tài)分析有計(jì)算法和圖解分析法兩種。二、放大過(guò)程.原理第24頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（1）靜態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算分析法

IB、IC和VCE這些量代表的工作狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示。在測(cè)試基本放大電路時(shí)，往往測(cè)量三個(gè)電極對(duì)地的電位VB、VE和VC即可確定三極管的靜態(tài)工作狀態(tài)。根據(jù)直流通道可對(duì)放大電路的靜態(tài)進(jìn)行計(jì)算第25頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析法直流負(fù)載線直流負(fù)載方程：VCE=VCC－ICRc輸入回路方程：VBE=VCC－IBRb第26頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）放大過(guò)程.原理

輸入信號(hào)通過(guò)耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)于是有下列過(guò)程：三極管放大作用

變化的通過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓妮敵龅?7頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、交流分析（動(dòng)態(tài)分析--性能指標(biāo)分析）

動(dòng)態(tài)是指放大電路輸入信號(hào)不為零時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)放大電路加入交流信號(hào)ui時(shí),電路中各電極的電壓、電流都是由直流量和交流量疊加而成的。（1）交流負(fù)載線放大電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)圖解分析A

通過(guò)輸出特性曲線上的Q點(diǎn)做一條直線，其斜率為-1/R‘L

B

R’L=RL∥Rc，是交流負(fù)載電阻C

交流負(fù)載線是有交流輸入信號(hào)時(shí)Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡D

交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相交Q點(diǎn)第28頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一通過(guò)圖解分析可得如下結(jié)論：

1.vivBEiBiCvCE|-vo|

2.vo與vi相位相反；3.可測(cè)出電路的電壓放大倍數(shù)4.可確定最大不失真輸出幅度(2)交流工作狀態(tài)的圖解分析第29頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一波形的失真飽和失真截止失真

由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。

由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的截止區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。(3)最大不失真輸出幅度注意：對(duì)于PNP管，由于是負(fù)電源供電，失真的表現(xiàn)形式，與NPN管正好相反。第30頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輸出回路等校為一個(gè)受控電源輸入回路等效為一個(gè)電阻三、放大電路的工程估算--動(dòng)態(tài)計(jì)算分析法（1）三極管的微變等效電路uucecbeibicbibceuceicibubebrbeeiibubeucecbecbibrbe第31頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

三極管集(電)-(發(fā))射極間的等效：當(dāng)三極管工作于放大區(qū)時(shí),ic的大小只受ib控制,而與uCE無(wú)關(guān),即實(shí)現(xiàn)了三極管的受控恒流特性,ic=βib。所以,當(dāng)輸入回路的ib給定時(shí),三極管輸出回路的集電極與發(fā)射極之間,可用一個(gè)大小為βib的理想受控電流源來(lái)等效,如圖3－10(c)所示。

根據(jù)三極管輸入回路結(jié)構(gòu)分析,rbe的數(shù)值可以用下列公式計(jì)算:第32頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）放大電路的微變等效電路把交流通路中的三極管，用微變等效電路代換，可得到放大電路的微變等效電路。1）畫(huà)出放大電路的交流通路。2）用三極管的微變等效電路代替交流通路中的三極管如圖所示。第33頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(b)考慮信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)的等效電路第34頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）共射放大電路基本動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算

1）電壓放大倍數(shù)（a）求有載電壓放大倍數(shù)Au。

式中“-”表示輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位反相。(b）求空載電壓放大倍數(shù)Au′。即不接負(fù)載RL,RL→∞,第35頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）輸入電阻ri當(dāng)Rb>>rbe時(shí)3）輸出電阻ro在圖3-11中,根據(jù)戴維南定理可得：第36頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4）源電壓放大倍數(shù)考慮信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)所畫(huà)出的微變等效電路,可以得出考慮信號(hào)源內(nèi)時(shí)的源電壓放大倍數(shù)Aus

稱(chēng)Aus為源電壓放大倍數(shù)。

第37頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)、其他組態(tài)放大電路＋－USbReC1＋＋V＋C2RL－＋UCC＋－Ui.ecRb.UoRS共集電極放大電路一.共集電極放大電路ReUCCRbICQUCEIEQUBEIBQ(a)直流通路＋－USbReV＋－Ui.ecRbRL＋－Uo.RS(b)交流通路RbrbeebIb．Uo.bIc.ReIe.RLUSUi.RSc(c)微變等效電路第38頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一共集電極電路分析:1.靜態(tài)分析由圖（a）的直流通路可得出：即得：

ReUCCRbICQUCEIEQUBEIBQ(a)直流通路第39頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.動(dòng)態(tài)分析（1）電壓放大倍數(shù)可由圖（c）所示的微變等效電路得出。

所以：

因?yàn)椋?/p>

RbrbeebIb．Uo.bIc.ReIe.RLUSUi.RSc(c)微變等效電路第40頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

由于式中的（1+β）R′L>>rbe，因而略小于1，又由于輸出、輸入同相位，輸出跟隨輸入，且從發(fā)射極輸出，故又稱(chēng)射極輸出器或射極跟隨器，簡(jiǎn)稱(chēng)射隨器（2）輸入電阻ri可由微變等效電路得出，由

ri=Rb//［rbe+（1+β）R′L］可見(jiàn)，共集電極電路的輸入電阻很高，可達(dá)幾十千歐到幾百千歐。（3）輸出電阻ro可由圖的等效電路來(lái)求得。將信號(hào)源短路，保留其內(nèi)阻，在輸出端去掉RL，加一交流電壓，產(chǎn)生電流，則：第41頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

通常

式中

所以

故

由上式可見(jiàn)，射極輸出器的輸出電阻很小，若把它等效成一個(gè)電壓源，則具有恒壓輸出特性。計(jì)算ro等效電路

第42頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）射極輸出器的特點(diǎn)及應(yīng)用雖然射極輸出器的電壓放大倍數(shù)略小于1，但輸出電流是基極電流的（1+β）倍。它不但具有電流放大和功率放大的作用，而且具有輸入電阻高、輸出電阻低的特點(diǎn)。射極輸出器輸入電阻高，向信號(hào)源汲取的電流小，對(duì)信號(hào)源影響也小，因而一般用它作輸入級(jí)。又由于它的輸出電阻小，負(fù)載能力強(qiáng)，當(dāng)放大器接入的負(fù)載變化時(shí)，可保持輸出電壓穩(wěn)定，適用于多級(jí)。同時(shí)它還可作為中間隔離級(jí)。在多級(jí)共射極放大電路耦合中，往往存在著前級(jí)輸出電阻大，后級(jí)輸入電阻小而造成的耦合中的信號(hào)損失，使得放大倍數(shù)下降。利用射極輸出器輸入電阻大、輸出電阻小的特點(diǎn)，可與輸入電阻小的共射極電路配合，將其接入兩級(jí)共射極放大電路之間，在隔離前后級(jí)的同時(shí)，起到阻抗匹配的作用。

第43頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CC＋ReRB22Cb1＋RcUCCRLRSUS－－＋RB1－Ui.eVcUo.b.二.共基極放大電路1.靜態(tài)分析在共基極放大電路中，如果忽略IBQ對(duì)Rb1、Rb2分壓電路中電流的分流作用，則：第44頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一共基極放大電路之交流通路..IeIc＋ReRcRLRSUS－－Ui.VcUo.＋ebIb.－＋Re＋－rorbecRc＋eriri′bIb．Ic.bUo.RLUSRSUi.＋－Ib.Io.ro′－共基極放大電路之微變等效電路

第45頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.

動(dòng)態(tài)分析（1）放大倍數(shù)。利用圖的微變等效電路，可得式中

Re＋－rorbecRc＋eriri′bIb．Ic.bUo.RLUSRSUi.＋－Ib.Io.ro′－***共基極放大電路的電壓放大倍數(shù)在數(shù)值上與共射極電路相同，但共基極放大電路的輸入與輸出是同相位的第46頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）輸入電阻ri

當(dāng)考慮Re時(shí)，

Re＋－rorbecRc＋eriri′bIb．Ic.bUo.RLUSRSUi.＋－Ib.Io.ro′－（c）微變等效電路

（3）輸出電阻：ro≈Rc3.

共基極放大電路的特點(diǎn)及應(yīng)用

共基極放大電路的特點(diǎn)是輸入電阻很小，電壓放大倍數(shù)較高。這類(lèi)電路主要用于高頻電壓放大電路。當(dāng)不考慮Re的并聯(lián)支路時(shí)，第47頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三極管放大