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1、,第二章 晶体三极管基础,（学时数：10）,2.1双极型晶体三极管2.1.1 BJT的工作原理 2.1.2 BJT的静态特性曲线 2.1.3 BJT主要参数 2.1.4 BJT小信号模型2.2结型场效应管 2.2.1 JFET的结构和工作原理 2.2.2 JFET的特性曲线及参数 2.2.3 JFET的小信号模型2.3金属氧化物半导体场效应管2.3.1 N沟道增强型MOSFET工作原理 2.3.2 N沟道耗尽型MOSFET工作原理 2.3.3 MOSFET小信号模型 2.3.4 场效应晶体管与双极型晶体管的比较,2.1 双极型晶体三极管BJT,按工作频率分：高频管、低频管,按功率分：小、中、大
2、功率管,按材料分：硅管、锗管,按结构分：NPN型、PNP型,BJT的类型：,一、BJT的结构和工作原理,1、什么叫电流放大？为什么BJT具有电流放大作用？,2、如何构建外部电路使BJT实现电流放大的功能？,4、BJT有几种工作状态？如何判断电路中BJT的工作状态？,3、BJT处于放大状态时三个电极的电位关系和电流关系是怎样的？如何判断管子的类型以及各管脚对应的电极？,BJT是由两个PN结构成的三端器件，有两种基本类型:NPN型和PNP型。,+,+,两者除了电源极性不同外，工作原理都是相同的，NPN管性能优于PNP管，应用更广泛，故重点讨论NPN管。,（一）BJT的结构和符号,基区,发射区,集电
3、区,发射极,基极,集电极,注意区分两者的符号,箭头方向表示电流的实际方向,BJT结构特点：,（1）发射区高掺杂；,（2）基区很薄，一般在几微米至几十微米；且掺杂浓度很低；,（3）集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大.,管芯结构剖面图,发射区,基区,集电区,+,是BJT具有电流放大作用的内部原因。,要使BJT实现放大功能，还必须构建外部电路，给BJT加上适当的直流偏置，让它处于放大状态。,（二）BJT的三种基本组态：,共射极组态，用CE表示；,共基极组态，用CB表示；,共集电极组态，用CC表示。,（三）BJT的偏置方式与工作状态,识别管脚和判断管型的依据,发射结正偏，集电结反偏,发射结、集电结都正
4、偏,发射结、集电结都反偏,发射结反偏，集电结正偏,例题：测得放大电路中的某只晶体管三个管脚的电位如图所示：试判断各个管脚对应的电极，晶体管的结构类型及材料。,1、基极电位UB居中（可先识别基极）；,3、NPN管各极的电位关系：UCUBUE；,PNP管各极的电位关系：UCUBUE；,B,C,E,该管为PNP型硅管。,2、发射结正偏压降:|UBE|=0.7（0.6）V（硅管）|UBE|=0.3（0.2）V（锗管）,可识别发射极（所剩者即为集电极）；并判断管子材料；,可识别管子类型（NPN/PNP）。,1、基极电位UB居中（可先识别基极）；,3、NPN管各极的电位关系：UCUBUE；,PNP管各极的
5、电位关系：UCUBUE；,2、发射结正向压降:|UBE|=0.7（0.6）V（硅管）|UBE|=0.3（0.2）V（锗管）,B,C,E,NPN型硅管。,例题：测得放大电路中的某只晶体管三个管脚的电位如图所示：试判断各个管脚对应的电极，晶体管的结构类型及材料。,可识别发射极（所剩者即为集电极）；并判断管子材料；,可识别管子类型（NPN/PNP）。,（四）放大偏置时BJT内部载流子的传输过程,给NPN型BJT加适当的偏置：发射结正偏，集电结反偏。,1、发射区向基区注入大量电子,2、电子在基区的复合和继续扩散,IEn,IEP,发射结正偏,因浓度差，发射区的大量电子经发射结扩散注入基区，形成电子流,基
6、区空穴扩散注入发射区,从发射区扩散到基区的电子成为基区的非平衡少子，极少数电子与基区的空穴复合，形成复合电流,绝大部分电子继续扩散到达集电结附近。,IB1,IEn,集电结反偏,3、集电区收集发射区扩散过来的电子,ICBO,在外电场作用下，由发射区扩散在集电结附近的非平衡少子漂移到集电区,ICn,基区的电子漂移到集电区集电区的空穴漂移到基区,ICn,ICBO,（扩散）,IEP,（漂移）,（五）放大偏置时BJT各极电流的关系：,IE=IEn+IEP IEn；,IC=ICn+ICBOICn；,IB=IB1+IEP-ICBO,1、各极电流的构成：,2、各极电流之间的关系：,IE=IC+IB；,IE 与
7、 IC的关系：,对于给定的晶体管，集电极收集的电子流是发射极发射的电子流的一部分，两者的比值在一定的电流范围内是一个常数，用,（五）放大偏置时BJT各极电流的关系：,IE=IEn+IEP IEn；,IC=ICn+ICBOICn；,IB=IB1+IEP-ICBO,1、各极电流的构成：,2、各极电流之间的关系：,IE=IC+IB；,IE 与 IC的关系：,IC 与 IB的关系：,定义：,共射直流电流放大倍数,说明：BJT具有电流放大作用；,IC受IB控制，BJT为电流控制器件。,基本上为常数，,因此放大偏置的BJT中IE、IC和 IB近似成比例关系。,练习：测得某放大电路中BJT的两个电极的电流如
8、下，请标出各管脚对应的电极，剩余电极的电流方向和大小。,B,C,E,1、发射结正偏电压UBE对各极电流的作用正向控制作用。,发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流：,（六）BJT的结偏置电压与各极电流的关系,两者是指数关系。,BJT各个电极的电流IE、IC、IB与发射结正偏电压UBE都是指数关系。,2、集电结反偏电压uCB对各极电流的影响基区宽调效应。,集电结宽度,基区有效宽度,这种由集电结反偏电压变化引起基区宽度变化，从而影响各极电流的现象称为基区宽度调制效应，简称基区宽调效应或厄利（Early）效应。,空穴复合机会,uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控制作用大，但
9、它的存在使BJT的电流受控关系复杂化，使之成为所谓的“双向受控元件”，由此带来分析的复杂化，并有可导致放大器因“内反馈”而性能变坏。,3、共射BJT的大信号方程,考虑基区宽调效应，经修正后放大状态BJT的大信号方程：,厄利电压,（七）BJT的截止和饱和工作状态,1、截止状态：,发射结和集电结都反偏,晶体管的电流只有反向饱和电流成分。,忽略反向饱和电流，则截止状态下的晶体管各极电流等于0，其等效模型为：,2、饱和状态：,发射结和集电结都正偏,正偏PN结的导通电压较小，在大信号状态下可以忽略，其等效模型为：,练习：测得晶体管无信号输入时，各个电极对“地”电压如下：判断管子工作状态（放大、截止、饱和
10、、倒置、损坏）,（a）,发射结反偏，集电结反偏，,截止状态。,（b）,发射结正偏，集电结反偏，,放大状态。,（c）,发射结反偏，集电结正偏，,倒置状态。,（d）,发射结正偏，集电结正偏，,饱和状态。,（e）,发射结正偏，集电结反偏，,放大状态。,（f）,发射结正偏，集电结正偏，,饱和状态。,（g）,发射结正偏，集电结反偏，,放大状态。,（h）,发射结正偏，UBE0.7V，,损坏。,练习：测得晶体管无信号输入时，各个电极对“地”电压如下：判断管子工作状态（放大、截止、饱和、倒置、损坏）,二、BJT的特性曲线（以共射BJT为例）,BJT输入端口和输出端口的伏安特性，是BJT内部载流子运动的外部表现
11、。,（一）输入特性曲线：,iB=f(uBE)uCE=常数,UCE=1V,10,uBE不变，uCE uCB iC,iB,处于放大状态的BJT，uCE1V，,曲线特点：,1、iB与uBE近似为指数关系，与二极 管正向特性相似。,2、uCE增大，曲线右移（厄利效应）。,3、当uCE1V后，特性曲线基本重合。,输入特性曲线就用uCE1V的曲线表示。,（二）输出特性曲线：,放大区,1、放大区：,(发射结正偏，集电结反偏),uCEuCB iB,iC。,iB，倾斜的程度会增大。,iC iB,特性曲线平坦，近似为直线。,特性曲线间隔均匀，iC 随iB 近似的成正比例变化。,由于厄利效应，特性曲线随uCE的增大
12、略向上倾斜。,iC=f(uCE)iB=常数,2、截止区：,发射结电压小于开启电压而集电结反偏。,iB=0；iC ICEO,各极电流近似为0，没有放大作用。,3、饱和区：,（uCE uBE,发射结和集电结都正偏）,临界饱和：,集电结零偏，,uCE=uBE或uCB=0,临界饱和时，仍有iC iB。,进入饱和区后，iC随uCE的减小而明显下降。,uCE减小使集电结反偏电压减小，收集电子的能力下降，所以集电极电流变小。,各曲线几乎重合，iC不再 随iB 成比例地变化:iC iB。,饱和压降UCES：,UCES随iC的增大而略有增大。,典型值：UCES=0.3V。,4、击穿区：,uCE增大到一定值后，i
13、C急剧增大，集电结反向击穿。,（三）温度对BJT特性曲线的影响,T 输入特性曲线左移，（22.5)mV/C,T，（0.5%1%)/C,T ICBO,iC，,输出特性曲线上移,三、BJT的主要特性参数,1、电流增益（电流放大倍数）：,共射直流电 流放大倍数,共基直流电 流放大倍数,共射交流电 流放大倍数,共基交流电 流放大倍数,一般在电流不是很大的情况，可以认为：,今后不再区分直流还是交流，统一用和表示。,2、极间反向电流：,（1）集电结反向饱和电流 ICBO：,（2）集电极穿透电流ICEO：,IB=-ICBO，IC=ICBO,ICEO=（1+）ICBO(P34),与单个PN结的反向饱和电流一样
14、。,ICBO的值很小，但受温度影响很大，易使管子工作不稳定，应尽量减小。,此电流从集电区穿越基区流至发射区，故叫穿透电流，它不是单纯的PN结反向电流。,ICBO和ICEO都是衡量BJT温度稳定性的重要参数，因ICEO大，容易测量，所以常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。,ICBO和ICEO越小，说明其质量越好。,集电极最大允许电流ICmax,使BJT的值明显减小的集电极电流。,集电极最大允许功率损耗PCmax,管子的功率损耗为：,反向击穿电压：,BUCBO：发射极开路时集电极基极间的反向击穿电压。,PCmaxpC的平均值不允许超过的极限值。,BUCEO：基极开路时集电极发射极间的反向击穿电
15、压。,BUEBO：集电极开路时发射极基极间的反向击穿电压。,BUEBOBUCEO BUCBO,常用作选取BJT集电极电源电压的依据。,3、极限参数：,共射截止频率f：,特征频率fT：（BJT最重要的频率参数）,=1时对应的频率(BJT丧失电流放大能力)，与结电容有关。,f,应用BJT时，工作频率应远小于fT。,由于结电容的影响，频率较高时BJT的值会随频率而变化：,时对应的频率。,0BJT的直流电流放大系数。,4、BJT的频率参数：,这是一个放大电路，,这个电路交直流并存。,直流电路：保证BJT工作在放大状态；,交流信号源：uS为待放大的信号。,问题：如何求解支路电流 iB,iC,iE？,如何
16、求解BJT的极间电压 uBE,uCE？,解决方法：,问题：直流电路中BJT如何处理？,交流电路中BJT如何处理？,UBE0.7V,IC=IB,（隐含条件）,用BJT的交流小信号模型代替BJT。,这个小信号模型是怎么来的？它的参数怎么计算？,四、BJT的交流小信号模型及参数,ib,IB、UBE、IC、UCE,电路如图所示，静态偏置(uS=0)时，各极电压和电流为：,建模的指导思想：如果工作点设置适当，且信号电压很小，就可以把BJT小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把BJT这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。这种方法是把非线性问题线性化的工程处理方法。,建模方法：通常有两种方
17、法，一种是从BJT的物理机构出发加以分析，再用电阻、电容、电感等电路元件来模拟其物理过程，从而得出模型；另一种则是将BJT看成双口网络，写出端口的V-A特性方程，然后按此方程画出小信号模型。,静态工作点,（一）BJT的混合等效电路及参数,1、混合型等效电路及参数意义（P42),（1）三区的体电阻,rbb,ree,b,rcc,低频管：几百欧姆,高频管：几十欧姆,rbb：基区体电阻,rcc：集电区体电阻,ree：发射区体电阻,因两者截面积大且掺杂浓度高，所以体电阻很小，通常可以忽略。,基区薄且掺杂低，所以体电阻最大。,ube,考虑基区体电阻后，实际加在发射结的电压为ube,rbb,ree,b,rc
18、c,（2）基区复合电阻：rbe,反映发射结电压ube对ib的控制作用。,rbe是发射结动态电阻re折合到基极回路的等效电阻。,发射结动态电阻,rbb,ree,b,rcc,（3）BJT的跨导：gm,反映发射结电压ube对集电极电流ic的控制能力。,室温下：,rbb,ree,b,rcc,（5）集电结反偏动态电阻：rbc,（4）集-射极间电阻：rce,反映Early效应对iC和iB的影响。,uCE,iC,UA,（几十千欧以上）,UA：厄利电压，一般大于100V。,（100k10M）,rbb,ree,b,rcc,（6）结电容,Cbe：发射结等效电容,因发射结正偏，所以有,Cbc：集电结等效电容,（21
19、0pF）,因集电结反偏，所以有,（100500pF）,反映PN结的电容效应。,2、混合型等效电路中模型参数的确定,（1）模型的组成,正向控制和传输效应：,基区宽度调制效应：,结电容效应：,体电阻效应：,（2）模型反映了BJT的四个物理效应,因rcc、ree很小，通常都可忽略。,（3）模型参数的确定方法,rbb一般会给出，若没有给出，可用200300 代入，或忽略。,CbC 一般会给出；,rce为几十千欧到几百千欧，若不给，可认为rce。,若给出条件可计算：,（1）混模型的适用场合,3、混合型等效电路模型的简化,混模型可用于低频和高频。,要求：,（2）简化的低频混模型,低频时，Cbe和Cbc容抗
20、很大，可视为开路；,rbc很大，通常视为开路。,当负载电阻较小时，rce也可视为开路。,（二）BJT的H参数等效模型,1、共射BJTH参数的引出,自变量取：iB,uCE;,应变量取：uBE,iC,输入、输出端口的VA关系分别为：,对上两式取全微分，得：,在小信号作用下，可用交流量表示微变量，得:,hie、hre、hfe、hoe称为共射BJT的H参数。,2、共射H参数的物理意义,输出交流短路时的输入阻抗。,物理意义：BJT输入特性曲线在Q点的切线斜率的倒数，表示uBE对的iB控制作用。,物理意义：反映了uCE通过厄利效应对iB的影响。,（2）,输入端交流开路时的反向电压传输系数。,（3）,输出交
21、流短路时的正向电流放大倍数。,物理意义：反映了ib对iC的正向控制作用。,（4）,输入端交流开路时的输出导纳。,物理意义：反映了uCE通过厄利效应对iC的影响。,3、由端口伏安方程构造H参数模型,4、简化的H参数模型,H参数数量级：,5、混合模型与H参数模型的关系,BJT的小信号模型,该模型适用于BJT的三种基本组态！,BJT小结：,1、结构和符号,2、工作状态,3、特性曲线,4、主要参数,5、交流小信号模型,能判断工作状态吗？,能设置工作状态吗？,能识别管脚、判断管型吗？,能画出模型吗？,会计算模型中的参数吗？,能画出曲线吗？,曲线如何分区及各工作区的特点？,由曲线可以获取哪些参数？,不同状
22、态下三个电极的电流关系？,1：BJT工作于放大状态的条件,(1)器件内部条件：在制造工艺上要求发射区掺杂浓度很高；基区很薄 且杂质浓度极低；集电区面积大。,3、BJT有几种工作状态？如何判断BJT的工作状态？,2：BJT处于放大状态时三个电极的电位关系和电流关系是怎样的？如何判断管子的类型以及各管脚对应的电极？,(2)外部电路条件：偏置电路使发射结正偏、集电结反偏。,(1)电位关系：,(2)电流关系：,IE=IC+IB；,BJT主要有放大、截止、饱和、倒置四种工作状态，利用结的偏置情况来判断BJT 的工作状态。,4、结偏压对各极电流的影响：,uBE的正向控制作用，与各极电流为指数关系；uCB通过厄利效应影响：iB和iC,BJT的输出特性曲线可分为几个区域，各工作区有何特点？,放大区,击穿区,BJT的低频混合参数等效电路。,
