第19講雙極型晶體管

1、電工電子技術電工電子技術 1.6 1.6 雙極型晶體管雙極型晶體管 半導體三極管半導體三極管是組成放大電路的核心元件，是組成放大電路的核心元件，根 據(jù) 工 作 原 理 的 不 同 分 為根 據(jù) 工 作 原 理 的 不 同 分 為 雙 極 型雙 極 型 晶 體 管晶 體 管（Bipolar Junction Transister ,簡稱簡稱BJT）和和場場效應晶體管效應晶體管（Field-Effect Transistor，簡稱，簡稱FET）兩大類。兩大類。 雙極型晶體管工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載雙極型晶體管工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與導電，而場效應晶體管工作時只有流子都參與導電，而場效

2、應晶體管工作時只有一種載流子參與導電。前者習慣稱為一種載流子參與導電。前者習慣稱為三極管三極管或或晶體管晶體管，后者稱為后者稱為場效應管場效應管。 1. 1.結構示意圖及有關術語結構示意圖及有關術語 BJT BJT管是由兩個管是由兩個PNPN結構成的電子元件，其結構如圖所示結構成的電子元件，其結構如圖所示c collectorollectore emittermitterb baseasec ce eb bN NP PP P+ +PNPPNP型電路符號型電路符號NPNNPN型電路符號型電路符號即即發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū) 、基區(qū)、基區(qū)BJTBJT管有三個摻雜區(qū)，管有三個摻雜區(qū)，及集電區(qū)，及集電區(qū)，分別為分

3、別為發(fā)射結發(fā)射結e ej j 和和集電結集電結c cj j。由各區(qū)引出電極分別命名為由各區(qū)引出電極分別命名為發(fā)射極發(fā)射極e e、 基極基極b b 和和集電極集電極c c。根據(jù)各區(qū)的半導體材料的不同，還可如此排列，根據(jù)各區(qū)的半導體材料的不同，還可如此排列，兩個兩個PNPN結，結， 于是三極管就于是三極管就NPN型和型和PNP型之分，其電路符號分別為：型之分，其電路符號分別為：b bc ce eb bc ce eV（T）V（T）P PN NN N+ +1.6.1 雙極型晶體管的結構雙極型晶體管的結構1.6.2 1.6.2 三極管的電流放大（控制）作用三極管的電流放大（控制）作用以以NPN管共發(fā)射極

4、接法為例管共發(fā)射極接法為例一、電流放大的概念一、電流放大的概念VCCRCIC UCECEBUBE輸出輸出回路回路輸入輸入回路回路公共端公共端VBBRBIBIE TVCCVBB調節(jié)調節(jié)RB，觀察，觀察IB、IC及及IE的變化。的變化。（2）IC IEIB（3）IB很小的變化引起很小的變化引起IC很大的變化，很大的變化，即即IC受受IB控制控制二、電流控制原理二、電流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN電子空穴電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子空穴電子電子電子發(fā)射區(qū)向基發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子區(qū)

5、擴散電子電源負極向發(fā)射電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流發(fā)射極電流I IE E電子在基區(qū)的電子在基區(qū)的擴散與復合擴散與復合集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子電子流向電源正電子流向電源正極形成極形成I IC CEB正極拉走電子，正極拉走電子，補充被復合的空補充被復合的空穴，形成穴，形成IB綜上所述，三極管具有電流控制作用必須滿足以下所有條件：綜上所述，三極管具有電流控制作用必須滿足以下所有條件：1、外部條件、外部條件發(fā)射結正向偏置發(fā)射結正向偏置,集電結反向偏置。集電結反向偏置。對于對于NPN型三極管應滿足型三極管應滿足: UBE 0UBC VB VE對于對于PNP型三極管應滿足型三極

6、管應滿足: UEB 0UCB 0即即 VC VB VE 2、內部條件、內部條件（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。BECNNPEBRBECRC三、電流關系三、電流關系（1 1）電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)傳輸?shù)郊妳^(qū)的電子數(shù)發(fā)射區(qū)發(fā)射出的電子數(shù)ECEIIICE= IE （2）電流方程）電流方程T作為廣義節(jié)點作為廣義節(jié)點 c點點 IC=ICE + ICBO （2） b點點 IB =IBEICBO （3） 發(fā)射結發(fā)射結 IBE =IEICE （4） IE =IB + IC （1） +-+-REBECIC

7、IEIBEICEICBOIBIE 0.90.99。（3 3）I IC C與與I IE E的關系的關系又又 I IC CI ICBOCBO 把把I ICECE= = I IE E代入代入（2 2）得得 I IC C= = I IE E+ I+ ICBOCBO+-+-REBECICIEIBEICEICBOIBIE所以所以:ECII共基直流電流放大系數(shù)共基直流電流放大系數(shù)（3 3）I IC C與與I IE E的關系的關系+-+-REBECICIEIBEICEICBOIBIEBCEIIIBCEOBCIIII CBOCEO11II IC = IB 的特點稱為三極管的放大作用。但必須強調的是，的特點稱為三

8、極管的放大作用。但必須強調的是，這種放大這種放大并非能量放大并非能量放大，其實質為，其實質為小電流控制大電流小電流控制大電流?？梢?。可見三極管屬電流控制電流（三極管屬電流控制電流（）元件。）元件。 1共射直流電共射直流電流放大系數(shù)流放大系數(shù)1.6.3 1.6.3 三極管的特性曲線三極管的特性曲線1. 1. 三極管的連接組態(tài)三極管的連接組態(tài)在介紹特性曲線之前，先介紹三極管連接組態(tài)問題。在介紹特性曲線之前，先介紹三極管連接組態(tài)問題。 所謂三極管的連接，就是將三極管接成二端口網(wǎng)絡，即所謂三極管的連接，就是將三極管接成二端口網(wǎng)絡，即將三極管的任意一個電極作為輸入與輸出的公共端，另外兩將三極管的任意一個

9、電極作為輸入與輸出的公共端，另外兩個電極分別置于輸入和輸出。個電極分別置于輸入和輸出。b bc ce ee e共射極（共射極（CE）b bb bc ce e共基極（共基極（CB）b be ec cc c共集電極（共集電極（CC） 根據(jù)公共端的不同，三極管的連接有三種組態(tài)，即根據(jù)公共端的不同，三極管的連接有三種組態(tài)，即 在實際應用中，在實際應用中， u uCECE 1 1的的所有情況所有情況用一條曲線代替。用一條曲線代替。這是因為這是因為u uCECE1 1時，其收集能力已經(jīng)相當強，幾乎能收集發(fā)時，其收集能力已經(jīng)相當強，幾乎能收集發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的全部電子。換句話說，當射區(qū)發(fā)射過來的全部電子。換句

10、話說，當u uBEBE保持不變的情保持不變的情況下，況下，u uCECE11時的所有曲線幾乎重合時的所有曲線幾乎重合。 2.2.共射極的特性曲線共射極的特性曲線（1)1)輸入特性輸入特性U UCECE11U UCECE=0=0i iB B/A/Au uBEBE/V/V0.40.40.80.820204040606080800 0常數(shù)）（CEUBEBufi1TBEVuSEEeIi 與正向偏置的二極管電流方程相似，發(fā)射極的電流與發(fā)射與正向偏置的二極管電流方程相似，發(fā)射極的電流與發(fā)射結的電壓結的電壓uBE成指數(shù)關系，同時因為成指數(shù)關系，同時因為iC=iB ， iE iC ，所以發(fā)所以發(fā)射極電流射極電

11、流iE與發(fā)射結電壓與發(fā)射結電壓uBE也成指數(shù)關系，即也成指數(shù)關系，即 三極管的特性曲線是其各極電壓和電流之間關三極管的特性曲線是其各極電壓和電流之間關系的曲線。從使用三極管的角度來說，了解其特性系的曲線。從使用三極管的角度來說，了解其特性曲線比了解其內部載流子運動顯得更為重要。曲線比了解其內部載流子運動顯得更為重要。+-UBEBCEIBIB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 減小減小IB = 20AIB = 常數(shù)常數(shù)IC = f (UCE )(2)(2)輸出特性輸出特性現(xiàn)以現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。一條加以說明。 （1）當）當uCE=0 V時，因集電極無收集作用，時

12、，因集電極無收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 當當uCE 1V后，后，收集電子的能力足夠強。收集電子的能力足夠強。這時，發(fā)射到基區(qū)的電這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形子都被集電極收集，形成成iC。所以。所以uCE再增加，再增加，iC基本保持不變基本保持不變,呈現(xiàn)呈現(xiàn)恒恒流流特性。特性。同理，可作出同理，可作出iB=其它值的曲線。其它值的曲線。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB1V輸出特性曲線有三個特點：輸出特性曲線有三個特點：IC / mAUCE /V0三極管輸出特性上的三個工作區(qū)域三極管輸出特

13、性上的三個工作區(qū)域 IB= 0 A20A40 A截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)60 A80 A放放大大區(qū)區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)iC受受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內uCE0.7 V。 此時發(fā)射結正偏，集電結也正偏。此時發(fā)射結正偏，集電結也正偏。截止區(qū)截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。的曲線的下方。 此時，發(fā)射結反偏，集電結反偏。此時，發(fā)射結反偏，集電結反偏。放大區(qū)放大區(qū) 曲線基本平行等曲線基本平行等 距。距。 此時，發(fā)此時，發(fā) 射結正偏，集電射結正偏，集電 結反偏。結反偏。 該區(qū)中有：該區(qū)中有：CBIIiCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uAB

14、I=40uABI=60uABI=80uABI=100uA飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)CBii晶體管的三種工作狀態(tài)晶體管的三種工作狀態(tài) 三極管的工作狀態(tài)取決于兩個三極管的工作狀態(tài)取決于兩個PNPN結的偏置狀態(tài)。結的偏置狀態(tài)。共有四種組合共有四種組合 發(fā)射結偏置發(fā)射結偏置集電結偏置集電結偏置工作狀態(tài)工作狀態(tài)作用作用 正偏正偏 反偏反偏放大狀態(tài)放大狀態(tài)放大放大 正偏正偏 正偏正偏飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)開關合開關合 反偏反偏 反偏反偏截止狀態(tài)截止狀態(tài)開關斷開關斷 反偏反偏 正偏正偏倒置狀態(tài)倒置狀態(tài)3.3.三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù) BCII_ BCII 53704051BC.II 400400

15、605132BC .II 在輸出特性上求在輸出特性上求 ， ICBO A+EC AICEOIB=0+ICEO = （1+）ICBOICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)ICUCEO過損耗區(qū)過損耗區(qū)4. 4. 溫度對晶體管特性的影響溫度對晶體管特性的影響對輸入特性的影響對晶體管輸出特性的影響三極管的簡化小信號模型三極管的簡化小信號模型 建立小信號模型的意義建立小信號模型的意義 由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。分析非常困難。 雖然雖然圖解分析法圖解分析法具有直觀、形象的優(yōu)點，但是它不具有直觀、形象的優(yōu)點，但是它不能用來分析三

16、極管放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動能用來分析三極管放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動態(tài)性能指標，也不能用于分析工作頻率較高時的電路工態(tài)性能指標，也不能用于分析工作頻率較高時的電路工作狀態(tài)。作狀態(tài)。 因此為了簡化放大電路的分析和設計過程，需要建因此為了簡化放大電路的分析和設計過程，需要建立小信號模型，將非線性器件在靜態(tài)工作點附近做線性立小信號模型，將非線性器件在靜態(tài)工作點附近做線性化處理。化處理。1.6.4 1.6.4 三極管的簡化小信號模型三極管的簡化小信號模型b bc ce ee e0.40.4i iB B/A/Au uBEBE0.80.820204040606080800 0Q Q 所謂小

17、信號模型，是指信號在所謂小信號模型，是指信號在某工作點某工作點Q Q附近微附近微小范圍內變化時的線性化等效模型。小范圍內變化時的線性化等效模型。I IB B=40A=40Au ucecei ic c三極管的簡化小信號模型三極管的簡化小信號模型),(CEB1BEvvif 用小信號交流分量表示用小信號交流分量表示vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce 對于對于BJT雙口網(wǎng)絡，已知輸入雙口網(wǎng)絡，已知輸入輸出特性曲線如下：輸出特性曲線如下：iB=f(vBE) vCE=constiC=f(vCE) iB=const可以寫成：可以寫成：),(CEB2Cvifi BJT雙口網(wǎng)絡雙口網(wǎng)絡因此小信號