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(xiàn)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(hào)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(chēng)雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor:BJT）。

一、三極管的種類(lèi)很多：按材料分：硅三極管和鍺三極管；無(wú)論那種類(lèi)型的三極管，都是由兩個(gè)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(hào)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(hào)：：第二章晶體三極管從結(jié)構(gòu)看：從電路符號(hào)看：無(wú)論是NPN還是PNP管，都有兩個(gè)PN結(jié)，三個(gè)區(qū)，三個(gè)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(kāi)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(duì)NPN管各極電位間要求：對(duì)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(lái)衡量管子的質(zhì)量且令Je正偏，以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主Jc反偏，以漂移運(yùn)動(dòng)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(duì)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(wú)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?；鶇^(qū)很薄：可減少多子傳輸過(guò)程中在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，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(jiǎn)化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIBIB直流簡(jiǎn)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(duì)三極管的影響集中體現(xiàn)在對(duì)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(jiǎn)化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流簡(jiǎn)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(shí)，相當(dāng)于開(kāi)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(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。電路模型VBE+-ECBEICIB截止模式直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-飽和模式直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)截止模式直流簡(jiǎn)化電路模型ECBEIC0IB0第二章晶體三極管觀察輸入信號(hào)作用在那個(gè)電極上，輸出信號(hào)從那個(gè)電極取出，此外的另一個(gè)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(duì)交流信號(hào)而言的。第二章晶體三極管2.4晶體三極管伏安特性曲線(xiàn)（可由圖示儀直接測(cè)出）伏安特性曲線(xiàn)是三極管通用的曲線(xiàn)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(xiàn)VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE一定：類(lèi)似二極管伏安特性。

VCE增加：正向特性曲線(xiàn)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(xiàn)移動(dòng)可忽略不計(jì)。因此當(dāng)VBE一定時(shí)：VCEVCB復(fù)合機(jī)會(huì)

IB

曲線(xiàn)右移。第二章晶體三極管輸出特性曲線(xiàn)飽和區(qū)VCE/VIB=40A30A20A10A0輸出特性曲線(xiàn)可劃分四個(gè)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(xiàn)略上翹具有正向受控作用滿(mǎn)足IC=IB+ICEO說(shuō)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(shí)，電流IC的修正方程：基寬WB越小調(diào)制效應(yīng)對(duì)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)。考慮上述因素，IB等量增加時(shí)，ICVCE0輸出曲線(xiàn)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(shuō)，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(shí)，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(shí)，擊穿電壓為V(BR)CEOIE=

0時(shí)，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(hào)電路模型放大電路小信號(hào)運(yùn)用時(shí)，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性可忽略不計(jì)，近似用一段直線(xiàn)來(lái)代替，從而獲得一線(xiàn)性化的電路模型，即小信號(hào)（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(hào)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(hào)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(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混Π電路模型簡(jiǎn)化為：rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶體三極管小信號(hào)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(jí)。rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶體三極管小信號(hào)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(shí)，常忽略。rbercerbbbcegmvbebibic第二章晶體三極管簡(jiǎn)化低頻混合Π型小信號(hào)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(hào)電路模型只能用來(lái)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(hào)均疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上，且交流信號(hào)幅度很小，因此對(duì)工作在放大模式下的電路進(jìn)行分析時(shí)，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(hào)為零時(shí)，放大電路中直流電壓與直流電流的數(shù)值。（對(duì)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(xiàn)與管外電路所確定的負(fù)載線(xiàn)，通過(guò)作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知三極管特性曲線(xiàn)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(hào)波形是否會(huì)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(xiàn)，

試求IBQ、ICQ、VCEQ。Q

輸入回路直流負(fù)載線(xiàn)方程

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

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

寫(xiě)出管外輸出回路直流負(fù)載線(xiàn)方程(VCEIC)。在輸出特性曲線(xiàn)上作直流負(fù)載線(xiàn)。找出負(fù)載線(xiàn)與特性曲線(xiàn)中IB=IBQ曲線(xiàn)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(hào)為零，耦合及旁路電容開(kāi)路時(shí)對(duì)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(jiǎn)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(hào)等效電路法(微變等效電路法)分析電路加交流輸入信號(hào)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(hào)電路模型代替得到的線(xiàn)性等效電路即小信號(hào)等效電路。利用該等效電路分析Av

、Ri、Ro的方法即小信號(hào)等效電路法。交流通路:

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

用小信號(hào)電路模型代替三極管，得小信號(hào)等效電路。利用小信號(hào)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(hào)等效電路只能用來(lái)分析交流量的變化規(guī)律及動(dòng)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(huà)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(hào)時(shí)，畫(huà)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(huà)交流負(fù)載線(xiàn)。畫(huà)波形，分析性能。過(guò)Q點(diǎn)、作斜率為-1/RL的直線(xiàn)即交流負(fù)載線(xiàn)。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(shí)在輸入信號(hào)過(guò)小時(shí)作圖精確度降低。QiCtICQtvCE0VCEQibQ點(diǎn)在中點(diǎn)，動(dòng)態(tài)范圍最大，輸出波形不易失真。Q點(diǎn)波動(dòng)對(duì)輸出波形的影響：Q點(diǎn)升高，不失真動(dòng)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(dòng)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(xiàn)變徒,輸出動(dòng)態(tài)范圍增加。消除截止失真升高Q點(diǎn):減小RB，增大IBQiCvCE0i