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1、第二章,晶体三极管,参考书籍：谢嘉奎电子线路线性部分,晶体三极管又称双极型晶体管(BJT)，一般由两个背靠背的PN结构成，根据这两个PN结的排列方式不同，三极管分为NPN型和PNP型两种。,晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，它的主要特性与其工作模式有关。,晶体三极管有三种工作模式：,放大模式 饱和模式 截止模式,2.2 放大模式下的工作原理,放大模式是指晶体管工作在发射结正偏、集电结反偏的模式。这时它呈现的主要特 性是正向受控作用，即三极管的集电极电 流和发射极电流只受正偏发射结电压的控 制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。这种作用是实现放大器的基础。,三极管的放大作用和载流子的运动,
2、以 NPN 型三极管为例讨论,图三极管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求：,1.发射区高掺杂。,2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3.集电结面积大。,三极管中载流子运动过程,1.发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2.复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。,
3、多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,图 三极管中载流子的运动,三极管中载流子运动过程,3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,图 三极管中载流子的运动,三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC=ICn+ICBO,IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp,一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大。而二者之比称共基直流电流放大系数，即,一般可达 0.95 0.99,三个极的电流之间满
4、足节点电流定律，即,IE=IC+IB,代入(1)式，得,上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称穿透电流。,当 ICEO IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得,共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。一般 值约为几十 几百。,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1.任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB IC IE,IC IE。,2.当 IB 有微小变化时，IC 较大。说明三极管具有电流放大作用。,3.共射交流电流放大系数,共基交流电流放大系数,4.在表的第一列数据中，IE=0 时，IC=0.001 mA=ICBO，ICBO 称为集电结反向饱和电流。
5、,在表的第二列数据中，I B=0，IC=0.01 mA=ICEO，称为穿透电流。,根据 和 的定义，以及三极管中三个电流的关系，可得,故 与 两个参数之间满足以下关系：,直流参数 与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与，与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。,2.2.2.三极管的电流放大作用,从三极管中载流子的运动情况可知，我们只要在制造上将基区做得很薄，掺杂浓度又低，那么从发射区扩散过来的电子将绝大部分越过基区流向集电极，形成集电极电流IC，只有很小一部分流向基极形成基极电流IB，三极管在制成以后，IC和IB的比例基本保持一定。因此我们可以通过改变IB的大小控
6、制IC，这就是所谓的三极管的电流放大作用。,2.3 晶体三极管的伏安特性曲线,晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。在晶体管的三种基本接法中，我们主要讨论应用最广的共发射极伏安特性曲线。,2.3.1 输入特性曲线族,共发射极输入特性曲线是指VCE为参变量，输入电流IB与输入电压VBE之间的关系曲线，即,1）VCE=0V，相当于集电极和发射极短路，类似于PN结伏安特性曲线。,2）VCE增大，曲线将右移。（基区宽度调制效应）,VBE一定时，随着VCE的增大，IB相应减小，即特性
7、曲线右移。,3）当VCE增大到一定值（如1V)后，iB基本不变。,2.3.2 输出特性曲线族,输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压VCE同集电极电流Ic的关系。,1.截止区,晶体管工作在截止模式下，有：VBEVon，VCEVBE 所以：IB=0，IC ICEO 结论：发射结反向偏置时，晶体管是截止的。,2.放大区,晶体管工作在放大模式下，VBEVon,VCEVBE，此时特性曲线表现为近似水平的部分，而且变化均匀：IC的大小受IB的控制；IcIB；具强的电流放大作用。随着VCE的增加，曲线有些上翘。,理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性曲线是一族与横轴
8、平行的等距离线。,3.饱和区,条件：VBEVon，VBCVBE特点：此时曲线簇靠近纵轴附近，各条曲线的上升部分十分密集，几乎重叠在一起，可以看出：当IB改变时，IC基本上不会随之而改变。,关于晶体管的饱和程度：一般认为，当 VCE=VBE 时的状态为临界状态（VCB=0）,饱和模式下晶体管的模型可近似用两个导通电压表示，分别为 和,对于硅管，一般取,共发射极连接时,2.3.3 晶体三极管的饱和模式,当三极管的发射结和集电结均加正偏时，它工作在饱和模式。和 将同时受到两个结正偏电压的控制，不再具有放大模式下的正向受控作用。,2.3.4 晶体三极管的截止模式,三极管工作在截止模式时，发射结与集电结
9、均反偏。,若忽略两个结的反向饱和电流，则可近似认为晶体三极管的各级电流均为零。,其简化模型可用两段开路线表示：,2.6三极管的主要参数,三极管的连接方式,图 NPN 三极管的电流放大关系,一、电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个：,1.共射电流放大系数,2.共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,3.共基电流放大系数,4.共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，,和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,二、反向饱和电流,1.集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,(a)ICBO测量电路,(b)I
10、CEO测量电路,小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。,当 b 开路时，c 和 e 之间的电流。,值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。,图 反向饱和电流的测量电路,三、极限参数,1.集电极最大允许电流 ICM,当 IC 过大时，三极管的 值要减小。在 IC=ICM 时，值下降到额定值的三分之二。,2.集电极最大允许耗散功率 PCM,将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。,ICUCE PCM 为安全工作区,ICUCE PCM 为过损耗区,图 三极管的安全工作区,3.极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电
11、压。,U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。,图 三极管的安全工作区,2.7PNP 型三极管,放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。,图 三极管外加电源的极性,2.7温度对晶体三极管特性的影响,由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。主要表现在以下三个方面：,(2)温度对VBE的影响：输入特性曲线随温度升高向左移，这样在IB不变时，VB
12、E将减小。VBE随温度变化的规律与二极管正向导通电压一样，即：温度每升高1，VBE减小22.5mV。,(1)温度对ICBO的影响：ICBO是集电结的反向饱和电流，它随温度变化的规律是：温度每升高10，ICBO约增大一倍。,(3)温度对的影响：晶体管的电流放大系数随温度升高而增大，变化规律是：每升高1，值增大0.51%。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。,总之：温度对VBE、ICBO和的影响反映在管子上的集电极电流Ic上，它们都是使Ic随温度升高而增大，这样造成的后果将在后面的放大电路的稳定性及反馈中详细讨论。,（1）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。（2）为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，外加的电源的极性应使三极管的发射结处于正向偏置状态，集电结则处于反向偏置状态。,晶体管三极管的工作特点,（3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。（4）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如、rbe等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大电路的基本分析方法是图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。,
