第3章-半导体三极管及其放大电路1分解.ppt
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1、3半导体三极管及其半导体三极管及其放放 大大 电电 路路3/10/20231第3章本章学习要点本章学习要点v1.半导体三极管半导体三极管(BJT)的结构、工作原理、的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。特性曲线和主要参数。v2.着重讨论着重讨论BJT放大电路的三种组态,即:放大电路的三种组态,即:a.共发射极放大电路共发射极放大电路b.共集电极放大电路共集电极放大电路c.和共基极放大电路。和共基极放大电路。3/10/20232第3章从共发射极电路入手,推及其他两种电路。从共发射极电路入手,推及其他两种电路。分析放大电路的基本方法:分析放大电路的基本方法:a.图解法图解法b.小信号模型法小信号模
2、型法(微变等效电路分析法微变等效电路分析法)3/10/20233第3章v分析的步骤:分析的步骤:a.首先是电路的静态工作点首先是电路的静态工作点(Q点点),b.然后分析其动态技术指标。然后分析其动态技术指标。v对于电压放大电路来说,主要的技术指标对于电压放大电路来说,主要的技术指标有:电压增益、输入阻抗、输出阻抗和频响有:电压增益、输入阻抗、输出阻抗和频响带宽,这在第一章已作过简要的介绍。带宽,这在第一章已作过简要的介绍。3/10/20234第3章v单极型器件单极型器件场效应管场效应管(FET)及其放大电路将及其放大电路将在第在第4章讨论。章讨论。v由于集成电路制造工艺的迅速发展,从使用由于集
3、成电路制造工艺的迅速发展,从使用的角度来考虑,电子设计主要是选用集成电的角度来考虑,电子设计主要是选用集成电路构件来作系统设计,但是分立元件电路是路构件来作系统设计,但是分立元件电路是基础,这里仍然予以足够的重视。基础,这里仍然予以足够的重视。3/10/20235第3章3.1半导体半导体BJTv3.1.1BJT的结构简介的结构简介vBJT通常称为晶体三极管,简称为三极管或通常称为晶体三极管,简称为三极管或晶体管。晶体管。v1.分类:分类:按频率分:有高频管、低频管;按频率分:有高频管、低频管;按功率分:有大、中、小功率管;按功率分:有大、中、小功率管;按材料分:有硅管、锗管。按材料分:有硅管、
4、锗管。v其外型如图其外型如图3.1.1所示所示(实物对照实物对照)。3/10/20236第3章3/10/20237第3章2.BJT 的结构的结构v组成:组成:BJT有两个有两个PNJ,三个接触,三个接触电极,三根引线及其外壳组成。电极,三根引线及其外壳组成。3/10/20238第3章v(2)BJT的制造工艺特点:的制造工艺特点:a.e区掺杂浓度最高,以有效的发射载流区掺杂浓度最高,以有效的发射载流子;子;b.b区掺杂浓度最低且最薄,以有效的传区掺杂浓度最低且最薄,以有效的传输载流子;输载流子;c.c区掺杂浓度适中,面积最大,以有效区掺杂浓度适中,面积最大,以有效的收集载流子。的收集载流子。3/
5、10/20239第3章(3)NPN型型BJT的结构的结构v如图如图3.1.2所示。所示。(4)PNP型型BJT的结构的结构v如图如图3.1.3所示。所示。转转133/10/202310第3章3/10/202311第3章3/10/202312第3章3.1.2BJT的电流分配关系与放大作用的电流分配关系与放大作用v1.BJT内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程(运动规律运动规律)(观看课件观看课件)v为了使为了使BJTe区能有效的发射载流子、区能有效的发射载流子、c区有效区有效的收集载流子,必须具备的条件:的收集载流子,必须具备的条件:发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结反偏3/10/2023
6、13第3章vBJT内部载流子的内部载流子的传输过程分三步传输过程分三步(如图如图3.1.4所示所示):(1)发射区向基区注入载流子发射区向基区注入载流子(2)载流子在基区的扩散与复合载流子在基区的扩散与复合(3)集电区收集载流子集电区收集载流子v有上分析可知,有上分析可知,BJT内部有两种载流子参与内部有两种载流子参与导电,故称之为导电,故称之为双极型晶体管双极型晶体管。转转163/10/202314第3章3/10/202315第3章2.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系IEIC+IB IC I B+I CEO IB ICEO(1+)ICBOv以上式子,也适用于三极管纯交流电流或交以上式
7、子,也适用于三极管纯交流电流或交直流共存的情况,即:直流共存的情况,即:3/10/202316第3章v纯交流时:纯交流时:i ei c+i bi ci bv交直流共存时:交直流共存时:i EiC+iB(ie+IE)(ic+IC)+(ib+IB)(ic+IC)(ib+IB)+(1+)ICBO3/10/202317第3章 3.放大作用放大作用v晶体管最基本的一种应用,就是把微弱的电晶体管最基本的一种应用,就是把微弱的电信号加以放大。简单的放大电路如图信号加以放大。简单的放大电路如图3.1.53.1.5所示。所示。v输入电压:输入电压:v I2020mVv晶体管晶体管eJ电压:电压:vEB VEE+
8、vIve极电流:极电流:iEIE+iEvc极电流:极电流:iCIC+iCv输出电压:输出电压:voiC R L转转203/10/202318第3章3/10/202319第3章 综上所述:综上所述:v(1)要使晶体管具有放大作用必须保要使晶体管具有放大作用必须保证:证:a.内部条件:内部条件:e区的掺杂浓度要远大区的掺杂浓度要远大于于b区的掺杂浓度,且区的掺杂浓度,且b区的厚度要很薄。区的厚度要很薄。b.外部条件:外部条件:eJ正偏,正偏,cJ反偏。反偏。3/10/202320第3章v(2)当晶体管制成之后,晶体管各极之间的当晶体管制成之后,晶体管各极之间的电流关系是确定的:电流关系是确定的:I
9、EIC+IB IC I B+I CEO IB 或或 i EiC+iB3/10/202321第3章4.共发射极连接方式共发射极连接方式v(1)三种连接方式:三种连接方式:v以三极管的某一个极为公共端可组成三种基以三极管的某一个极为公共端可组成三种基本放大电路,即:共基极、共发射极、共集本放大电路,即:共基极、共发射极、共集电极放大电路,如下图所示。电极放大电路,如下图所示。3/10/202322第3章3/10/202323第3章(2)共发射极放大电路共发射极放大电路v如图如图3.1.6所示。由图可以看出,在输入端加所示。由图可以看出,在输入端加入一个待放大的信号入一个待放大的信号v I时,则有:
10、时,则有:vBEVBE+v I,iBIB+iB,iCIC+iC,iEI E+iE。转转263/10/202324第3章3/10/202325第3章v共射极电路与共基极电路的异同:共射极电路与共基极电路的异同:v相同之处:放大信号的物理本质是相同的。相同之处:放大信号的物理本质是相同的。v(1)共射极电路的输入电流是共射极电路的输入电流是 iB,共基极,共基极电路的输入电流是电路的输入电流是iE,iB作为输入控制电流作为输入控制电流时信号源消耗功率小。时信号源消耗功率小。v(2)对于共射极电路,研究放大过程主要对于共射极电路,研究放大过程主要是分析集电极电流是分析集电极电流(输出电流输出电流)与
11、基极电流与基极电流(输入电流输入电流)之间的关系。之间的关系。3/10/202326第3章v(3)因为因为1,iB,故共发射极放大电路不但能放大电压,故共发射极放大电路不但能放大电压,而且还能放大电流。而且还能放大电流。v共发射极放大电路是目前应用最广泛的共发射极放大电路是目前应用最广泛的一种组态。一种组态。3/10/202327第3章3.1.3BJT的特性曲线v晶体管特性曲线的获得有两种方法:晶体管特性曲线的获得有两种方法:v一是通过实验测量电路和求点描迹的方法,一是通过实验测量电路和求点描迹的方法,在平面坐标上画出输入输出特性曲线;在平面坐标上画出输入输出特性曲线;v另一种方法是利用专用的
12、晶体管特性图示另一种方法是利用专用的晶体管特性图示仪在示波管上显示出来。仪在示波管上显示出来。3/10/202328第3章1.共发射极放大电路的特性曲线共发射极放大电路的特性曲线v(1)输入特性曲线输入特性曲线v输入特性曲线是描述当输入特性曲线是描述当vCE为某常数时,为某常数时,iB与与vBE之间的关系曲线。其函数关系可表示为:之间的关系曲线。其函数关系可表示为:NPN型管的输入特性曲线如图型管的输入特性曲线如图3.1.7(a)所示。所示。3/10/202329第3章3/10/202330第3章特点:特点:va.vCE0的一条曲线与二极管的正向特性相的一条曲线与二极管的正向特性相似。似。v原
13、因是:原因是:vCE0时,集射短路,相当于两个时,集射短路,相当于两个二极管并联,二极管并联,iB与与vBE 的关系曲线就成了两个的关系曲线就成了两个二极管并联的二极管并联的VI 特性曲线。特性曲线。vb.vCE 0且逐渐增大时,曲线右移;当且逐渐增大时,曲线右移;当vCE 1V以后,各条曲线重合。以后,各条曲线重合。3/10/202331第3章原因:原因:v右移:右移:vCE,eJ变宽,变宽,b区宽度区宽度b区载流区载流子数子数 复合复合 iB,要保持,要保持iB的原值,的原值,必须使必须使vBE。所以曲线右移。所以曲线右移。v重合:当重合:当vCE 1V以后,以后,b区注入的载流子绝区注入
14、的载流子绝大部分被大部分被cJ收集,收集,vBE再再,iB无明显无明显。曲。曲线几乎重合。线几乎重合。3/10/202332第3章vc.晶体管晶体管BE间的门限电压:间的门限电压:硅管:硅管:0.5V左右,锗管:左右,锗管:0.1V左右。左右。vd.晶体管晶体管BE间的工作电压:间的工作电压:硅管:硅管:0.7V左右,锗管:左右,锗管:0.2V左右。左右。3/10/202333第3章v(2)输出特性曲线输出特性曲线v输出特性曲线是描述当输出特性曲线是描述当 iB为某常数时,为某常数时,vCE与与iC之间的关系曲线。其函数关系可表示为之间的关系曲线。其函数关系可表示为:NPN型管的输入特性曲线如
15、图型管的输入特性曲线如图3.1.7(b)所示。所示。3/10/202334第3章 特点:特点:va.当当vCE 0.5V后,后,iC 基本不受基本不受vCE的控制的控制作用,作用,iC基本不变。基本不变。v原因:此时,原因:此时,vCE 已足够大,已足够大,J内的总场强可内的总场强可把把e区注入到区注入到b区的大部分非平衡载流子全部区的大部分非平衡载流子全部拉到拉到c区,形成区,形成iC;另外,因为;另外,因为iB一定,一定,b区的区的非平衡载流子数目一定,所以,随着非平衡载流子数目一定,所以,随着vCE 的增的增大,大,iC基本恒定不变。基本恒定不变。3/10/202336第3章2.共基极放
16、大电路的特性曲线共基极放大电路的特性曲线(略略)v3.1.4BJT的主要参数的主要参数v1.电流放大系数电流放大系数va.直流共发电流放大系数:直流共发电流放大系数:ICIBvb.交流共发电流放大系数:交流共发电流放大系数:iCi Bv也就是也就是h参数中的参数中的hf e,由于,由于和和 相差不大,相差不大,通常认为通常认为 3/10/202337第3章vc.直流共基电流放大系数:直流共基电流放大系数:ICIEvd.交流共基电流放大系数:交流共基电流放大系数:iCi Eve.共基与共发电流放大系数的关系:共基与共发电流放大系数的关系:(1),(1)(1),(1)3/10/202338第3章v
17、2.极间反向电流极间反向电流v(1)集电极基极反向饱和电流集电极基极反向饱和电流 ICBOv ICBO:表示发射极开路时,:表示发射极开路时,c、b之间加上之间加上一定反向电压时的反向电流。如图一定反向电压时的反向电流。如图3.1.9所所示,为其测量电路。示,为其测量电路。vICBO一般很小,常温下,小功率硅管约为一般很小,常温下,小功率硅管约为1A,锗管约为,锗管约为10A,ICBO随温度的升高随温度的升高而增大,在温度变化范围大的工作环境中,而增大,在温度变化范围大的工作环境中,应选用硅管。应选用硅管。3/10/202339第3章3/10/202340第3章v(2)集电极发射极反向饱和电流
18、集电极发射极反向饱和电流 ICEO(又称之为穿透电流)又称之为穿透电流)v ICEO:表示基极开路时,:表示基极开路时,c、e之间加上一定之间加上一定反向电压时的集电极电流。如图反向电压时的集电极电流。如图3.1.10所示,所示,为其测量电路。为其测量电路。ICEOICBOICBO(1)ICBO3/10/202341第3章3/10/202342第3章v通常把通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据,作为判断管子质量的重要依据,常温下,小功率硅管约为常温下,小功率硅管约为A级,锗管约为级,锗管约为mA级,和级,和ICBO一样,一样,ICEO也随温度的升高而也随温度的升高而增大,在温度变化范围大的
19、工作环境中,应增大,在温度变化范围大的工作环境中,应选用硅管。选用硅管。3/10/202343第3章v3.极限参数极限参数v(1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICMvICM 是指是指BJT 的参数变化不超过允许值时集的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当集电极电流超过此电极允许的最大电流。当集电极电流超过此值时,管子的性能将显著下降,甚至烧坏管值时,管子的性能将显著下降,甚至烧坏管子。子。3/10/202344第3章v(2)集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗(功耗功耗)PCMvPCM:表示集电结上允许功率损耗的最大值。:表示集电结上允许功率损耗的最大值。当集电结上
20、的功耗超过此值时,管子的性能当集电结上的功耗超过此值时,管子的性能变坏或烧坏管子。因为变坏或烧坏管子。因为PCMiC vCE3/10/202345第3章v由上式可在输出特性曲线上画出管子的允许由上式可在输出特性曲线上画出管子的允许功率损耗线,如图功率损耗线,如图3.1.11所示。所示。PCM与环境温与环境温度有关,温度越高,度有关,温度越高,PCM值越小。值越小。v硅管的上限温度达硅管的上限温度达150oC;锗管则低的多,;锗管则低的多,约约70oC。3/10/202346第3章转转953/10/202347第3章v(3)反向击穿电压反向击穿电压V(BR)EBO是指集电极开路时发射极是指集电极
21、开路时发射极-基极基极之间的反向电压。之间的反向电压。V(BR)CBO是指发射极开路时集电极是指发射极开路时集电极-基极基极之间的反向电压。它决定于集电结的雪崩击之间的反向电压。它决定于集电结的雪崩击穿电压,其数值较高。穿电压,其数值较高。3/10/202348第3章vV(BR)CEO是指基电极开路时集电极是指基电极开路时集电极-发射极之间的反向电压。该电压与发射极之间的反向电压。该电压与BJT的穿透电流的穿透电流 ICEO直接相联系,一般直接相联系,一般V(BR)CEOV(BR)CEO,原因,原因是基极电阻是基极电阻Rb对发射结有分流作用,延缓了对发射结有分流作用,延缓了集电结雪崩击穿的产生
22、。集电结击穿电压的集电结雪崩击穿的产生。集电结击穿电压的测量如图测量如图3.1.12所示。所示。vBJT 电击穿后可以恢复,但出现热击穿将损电击穿后可以恢复,但出现热击穿将损坏管子。坏管子。3/10/202350第3章3.2共射极放大电路共射极放大电路v.放大电路基本组成放大电路基本组成v如图如图3.2.1所示。所示。v看看CAI课件课件(基本放大电路的工作原理基本放大电路的工作原理)。3/10/202351第3章3/10/202352第3章v(1)双电源电路组成双电源电路组成vT:三极管,作用:电流放大元件;:三极管,作用:电流放大元件;vVBB:基极电源,:基极电源,Rb:基极偏置电阻,给
23、发射:基极偏置电阻,给发射结提供正向偏置;结提供正向偏置;vVCC:集电极电源,:集电极电源,Rc:集电极负载电阻,给:集电极负载电阻,给集电结结提供反向偏置,同时集电结结提供反向偏置,同时Rc的另一个作的另一个作用是:把用是:把T放大的电流信号转换为电压信号,放大的电流信号转换为电压信号,以电压的形式输出。以电压的形式输出。vCb1、Cb2:输入输出耦合电容。起隔直流通:输入输出耦合电容。起隔直流通交流的功能。交流的功能。3/10/202353第3章v(2)单电源电路单电源电路v对于图对于图3.2.1为双电源电路为双电源电路(仅供分析时用仅供分析时用),实际应用中大都采用图实际应用中大都采用
24、图3.2.2(a)所示的单电源所示的单电源电路,即选取电路,即选取VBBVCC,只用,只用VCC一个电源,一个电源,只要合理选取只要合理选取Rb的值即可。的值即可。转转563/10/202354第3章转转61转转663/10/202355第3章v(3)静态工作点:放大电路当交流输入信号静态工作点:放大电路当交流输入信号vi=0时,电路中三极管各极之间的直流电压时,电路中三极管各极之间的直流电压及各极直流电流值,称之为静态工作点。通及各极直流电流值,称之为静态工作点。通常用常用IB、IC、VCE、VBE等四个参数表示,一等四个参数表示,一般般VBE为已知为已知(0.7V或或0.2V),电路计算只
25、计算,电路计算只计算IB、IC、VCE三个量。对于图三个量。对于图3.2.1其工作点计其工作点计算如下;算如下;3/10/202356第3章IC IB,vCEVCCICRc对于图对于图3.2.2(a)所示电路,其静态工作点计所示电路,其静态工作点计算如下:算如下:IC IB,vCEVCCICRc3/10/202357第3章v(4)放大原理放大原理va.放大过程放大过程v可用下列过程描述:可用下列过程描述:vi vBE iB iC vCE vo C1 T T Rc C2 交流交流(脉动脉动 脉动脉动 脉动脉动 脉动脉动)交流交流3/10/202358第3章vb.放大作用的实质:放大作用的实质:利
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