第2章 放大器基本原理 第2節(jié) 三極管

1、1 1、三極管的結(jié)構(gòu)、三極管的結(jié)構(gòu)2 2、三極管的電流分配及放大原理、三極管的電流分配及放大原理3 3、三極管的特性曲線、三極管的特性曲線4 4、三極管的主要參數(shù)、三極管的主要參數(shù) 三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。 其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)，其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)， 也用也用作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。 是半導(dǎo)體基本元器件之一，是電子電路的核心元件。是半導(dǎo)體基本元器件之一，是電子電路的核心元件。 1947年年12月

2、月23日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室里，日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室里，3位科學(xué)家位科學(xué)家巴巴丁博士、布喇頓博士和肖克萊博士丁博士、布喇頓博士和肖克萊博士在進(jìn)行用半導(dǎo)體晶體把在進(jìn)行用半導(dǎo)體晶體把聲音信號(hào)放大的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在他們發(fā)明的器件中通過(guò)的聲音信號(hào)放大的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在他們發(fā)明的器件中通過(guò)的一部分微量電流，竟然可以控制另一部分流過(guò)的大得多的一部分微量電流，竟然可以控制另一部分流過(guò)的大得多的電流，因而產(chǎn)生了放大效應(yīng)。電流，因而產(chǎn)生了放大效應(yīng)。 這個(gè)器件，就是在科技史上具有劃時(shí)代意義的成果這個(gè)器件，就是在科技史上具有劃時(shí)代意義的成果晶晶體管。因它是在圣誕節(jié)前夕發(fā)明的，而且對(duì)人們未來(lái)的生體管。因它是在圣誕節(jié)前夕發(fā)明的，

3、而且對(duì)人們未來(lái)的生活發(fā)生如此巨大的影響，所以被稱為活發(fā)生如此巨大的影響，所以被稱為“獻(xiàn)給世界的圣誕節(jié)獻(xiàn)給世界的圣誕節(jié)禮物禮物”。 這這3位科學(xué)家因此共同榮獲了位科學(xué)家因此共同榮獲了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 晶體管促進(jìn)并帶來(lái)了晶體管促進(jìn)并帶來(lái)了“固態(tài)革命固態(tài)革命”，進(jìn)而推動(dòng)了全球范圍，進(jìn)而推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時(shí)、普遍地首內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時(shí)、普遍地首先在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。先在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集成電路以及大規(guī)模集成電徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集

4、成電路以及大規(guī)模集成電路應(yīng)運(yùn)而生，這樣制造像高速電子計(jì)算機(jī)之類的高精密裝路應(yīng)運(yùn)而生，這樣制造像高速電子計(jì)算機(jī)之類的高精密裝置就變成了現(xiàn)實(shí)。置就變成了現(xiàn)實(shí)。約翰約翰巴丁巴丁 (John Bardeen) 美國(guó)物理學(xué)家，電氣工程師。一位美國(guó)物理學(xué)家，電氣工程師。一位兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)碌牡弥?。兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)碌牡弥鳌?956年同年同WH布喇頓和布喇頓和W肖克萊因發(fā)明晶體管獲得諾貝爾物肖克萊因發(fā)明晶體管獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理學(xué)獎(jiǎng)。1972年，同年，同LN庫(kù)珀和庫(kù)珀和JR施里弗因提出低溫超導(dǎo)理論獲得諾施里弗因提出低溫超導(dǎo)理論獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。肖克萊（肖克萊（William

5、Bradford Shockley， 1910年年1989年）美國(guó)物理學(xué)家。年）美國(guó)物理學(xué)家。 1936年年獲麻省理工學(xué)院博士學(xué)位。獲麻省理工學(xué)院博士學(xué)位?！熬w管之父晶體管之父”。在在20世紀(jì)世紀(jì)50、60年代對(duì)晶體管商業(yè)化的推年代對(duì)晶體管商業(yè)化的推動(dòng)，促進(jìn)了動(dòng)，促進(jìn)了“硅谷硅谷”成為電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的溫成為電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的溫床。床。三極管分類三極管分類按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：NPNNPN型和型和PNPPNP型管；型管；按工作頻率分：按工作頻率分：低頻和高頻管；低頻和高頻管；按功率分：按功率分：小功率和大功率管；小功率和大功率管；按用途分：按用途分：普通管和開關(guān)管；普通管和開關(guān)管；按半導(dǎo)體材料

6、分：按半導(dǎo)體材料分：鍺管和硅管等等。鍺管和硅管等等。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管1 1、 三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)工藝：在工藝：在 N N 型硅片型硅片( (集電區(qū)集電區(qū)) )氧化膜上刻一個(gè)窗口，將硼雜質(zhì)氧化膜上刻一個(gè)窗口，將硼雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成進(jìn)行擴(kuò)散形成 P P 型型( (基區(qū)基區(qū)) )，基區(qū)做的很?。ㄎ⒚咨踔良{米數(shù)，基區(qū)做的很薄（微米甚至納米數(shù)量級(jí)）且雜質(zhì)濃度很低；再在量級(jí)）且雜質(zhì)濃度很低；再在 P P 型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進(jìn)型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散，形成行擴(kuò)散，形成N N型的發(fā)射區(qū)，型的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)和集電區(qū)和

7、集電區(qū)。再引出三個(gè)電極。再引出三個(gè)電極。*結(jié)構(gòu)示意如下圖所示結(jié)構(gòu)示意如下圖所示 三極管的結(jié)構(gòu)示意圖三極管的結(jié)構(gòu)示意圖C (Collector)PNNB(Base) E (Emitter)集電極集電極發(fā)射極發(fā)射極基極基極NPP集電結(jié)集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū) 三極管三極管的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)集電區(qū)集電區(qū)三極管的符號(hào)三極管的符號(hào)多子濃度很高多子濃度很高很薄，很薄，多子濃度低多子濃度低面積大面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。結(jié)。 * 發(fā)射結(jié)正向偏置發(fā)射結(jié)正向偏置 * 集電結(jié)反向偏置集電結(jié)反向偏置T 放大作用放大作用的外部條件的外部條件 1. 載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律：載

8、流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律： 發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子；發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子； 集電區(qū)：收集載流子；集電區(qū)：收集載流子； 基區(qū)：傳送和控制載流子?；鶇^(qū)：傳送和控制載流子。2、三極管的電流分配及放大原理、三極管的電流分配及放大原理l 將一個(gè)將一個(gè) NPN 型的三極管接成型的三極管接成共射極接法共射極接法的放的放大電路，如右圖。大電路，如右圖。 三極管共射極接法三極管共射極接法BEonCBCEBE0uUuuu（發(fā)射結(jié)正偏）放大的條件，即（集電結(jié)反偏） 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流少數(shù)載流子的

9、運(yùn)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)（電流很（電流很?。┬。┮虬l(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使擴(kuò)散到基因基區(qū)薄且多子濃度低，使擴(kuò)散到基區(qū)的電子（非平衡少子）中的極少數(shù)區(qū)的電子（非平衡少子）中的極少數(shù)與空穴復(fù)合與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng)三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng) 2. 電流分配關(guān)系電流分配關(guān)系BECEII (2) 據(jù)上述分析有：據(jù)上述分析有： (3) 三極管的電流放大倍數(shù)：三極管的電流放大倍數(shù)：

10、0CBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIIIIbcBCiiIICBOBEBIIICBOCECIIICEBEEIII (1) 根據(jù)基爾霍夫定律有：根據(jù)基爾霍夫定律有：電流分配示意圖電流分配示意圖 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流 I IB B復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流 I IC C漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)直流電流直流電流放大系數(shù)放大系數(shù)結(jié)論：結(jié)論： (1) (2) 體現(xiàn)了電流放大作用，故稱三極管為體現(xiàn)了電流放大作用，故稱三極管為電流控電流控制型元件制型元件。B

11、BBCE)(1IIIIIBCiiBCII (1) (1) 表述：表述：當(dāng)集當(dāng)集- -射極電壓射極電壓 U UCECE 為常數(shù)時(shí)，輸入電路為常數(shù)時(shí)，輸入電路( (基極電路基極電路) )中基極電流中基極電流 I IB B 與基與基射極電壓射極電壓U UBEBE 之間的之間的關(guān)系曲線，稱為輸入特性曲線。關(guān)系曲線，稱為輸入特性曲線。常數(shù)常數(shù)CE)(BEBUUfI測(cè)量三極管特性的電路測(cè)量三極管特性的電路3、三極管共發(fā)射極接法的特性曲線、三極管共發(fā)射極接法的特性曲線 3.1 輸入特性曲線輸入特性曲線l(2) 表達(dá)式：表達(dá)式： 實(shí)驗(yàn)電路：實(shí)驗(yàn)電路： 當(dāng)集當(dāng)集- -射極電壓射極電壓 U UCECE 為常數(shù)時(shí)，

12、為常數(shù)時(shí)，輸入電路輸入電路( (基極基極電路電路) )中基極電中基極電流流 I IB B 與基與基射射極電壓極電壓U UBEBE 之間之間的關(guān)系曲線，稱的關(guān)系曲線，稱為輸入特性曲線。為輸入特性曲線。常數(shù)常數(shù)CE)(BEBUUfI晶體管的共射輸入特性晶體管的共射輸入特性CE)(BEBUufi 為什么為什么UCE增大增大, 曲線會(huì)右移？曲線會(huì)右移？ 對(duì)于小功率晶體管，對(duì)于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線的一條輸入特性曲線可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。為什么像為什么像PN結(jié)的伏安特性？結(jié)的伏安特性？為什么為什么UCE增大到一定值以后，增大

13、到一定值以后，曲線右移就不明顯了？曲線右移就不明顯了？3.23.2輸入特性分析輸入特性分析當(dāng)當(dāng) U UCECE=0=0時(shí)，基極和發(fā)射時(shí)，基極和發(fā)射極之間相當(dāng)于極之間相當(dāng)于兩個(gè)兩個(gè) PN PN 結(jié)并聯(lián)結(jié)并聯(lián)。所以，當(dāng)。所以，當(dāng)b b、e e之間加正向電壓時(shí)，應(yīng)之間加正向電壓時(shí)，應(yīng)為為兩個(gè)二極管并聯(lián)兩個(gè)二極管并聯(lián)后的后的正向伏安特性。正向伏安特性。 當(dāng)當(dāng)U UCECE00時(shí)，這個(gè)電壓有利于時(shí)，這個(gè)電壓有利于將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子收集到將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子收集到集電極集電極。U UCECE U UBEBE，三極管處于放大狀態(tài)。，三極管處于放大狀態(tài)。 特性右移。特性右移。 U UCECE增大到一

14、定值時(shí)增大到一定值時(shí)(1V)(1V)，特性曲線不再明顯移動(dòng)，基本重合。，特性曲線不再明顯移動(dòng)，基本重合。( (因集電結(jié)已經(jīng)收集了大部分的非平衡少子因集電結(jié)已經(jīng)收集了大部分的非平衡少子) )CE)(BEBUufi 3.3 輸出特性B)(CECIufi 對(duì)應(yīng)于一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條就有一條iC隨隨uCE變化的曲線。變化的曲線。 為什么為什么uCE較小時(shí)較小時(shí)iC隨隨uCE變變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)BiCi常量CEBCUii1 1、截止區(qū)：、截止區(qū)：發(fā)射結(jié)電壓發(fā)射結(jié)電壓 開啟開啟電壓

15、，且集電結(jié)反偏電壓，且集電結(jié)反偏。I IB B=0=0，i iC CI ICEOCEO，i iC C002 2、放大區(qū)：、放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點(diǎn)：各條輸出特性曲線比較特點(diǎn)：各條輸出特性曲線比較平坦，且等間隔。平坦，且等間隔。集電極電流集電極電流和基極電流體現(xiàn)放大作用和基極電流體現(xiàn)放大作用。 3 3、飽和區(qū)：、飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。特點(diǎn)：特點(diǎn)：I IC C基本上不隨基本上不隨I IB B而變化，在飽和區(qū)三極管失去放大作用。而變化，在飽和區(qū)三極管失去放大作用。當(dāng)當(dāng) U UCECE= =U UBEBE，即，即U UCBCB=0

16、=0 時(shí)，稱時(shí)，稱臨界飽和臨界飽和，U UCECE U UBEBE時(shí)稱為時(shí)稱為過(guò)飽和過(guò)飽和。3.4 3.4 輸出特性分析（輸出特性分析（NPN NPN 管為例）管為例）CB II可以發(fā)射電子，但無(wú)法收集，可以發(fā)射電子，但無(wú)法收集，因?yàn)榧娊Y(jié)不處于反向偏置因?yàn)榧娊Y(jié)不處于反向偏置B)(CECIufi 小結(jié)：晶體管的三個(gè)工作區(qū)域小結(jié)：晶體管的三個(gè)工作區(qū)域狀態(tài)狀態(tài)uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE飽和飽和 UoniB uBE 練習(xí)練習(xí): : 電路中三極管（均為電路中三極管（均為NPN硅管硅管)各電極的對(duì)地電各電極的對(duì)地電位如圖所示，試判斷各三極管分別工作于什么位

17、如圖所示，試判斷各三極管分別工作于什么狀態(tài)狀態(tài).3V1V1.2V( a )3.3V3V3.7V( b )3V0V0.7V( c )放大放大飽和飽和截止截止 若兩個(gè)若兩個(gè)PNPN結(jié)的結(jié)的P P區(qū)直接對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，區(qū)直接對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，將沒有電流放大作用將沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)個(gè)PNPN結(jié)結(jié)演變?yōu)槿龢O管，演變?yōu)槿龢O管，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)摻雜濃發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)摻雜濃度較低且很薄，度較低且很薄，是三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)是三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。鍵。 晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅決

18、定于輸入回路的電流幾乎僅僅決定于輸入回路的電流 iB，即，即可將輸出回可將輸出回路等效為電流路等效為電流 iB 控制的電流源控制的電流源iC 。4 4、三極管的主要參數(shù)、三極管的主要參數(shù)共射直流電流放大倍數(shù)：共射直流電流放大倍數(shù)：BCII_工作于動(dòng)態(tài)的三極管工作于動(dòng)態(tài)的三極管，信號(hào)是，信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流?；鶚O電流的變化量為的變化量為 I IB B，相應(yīng)的集電極電流變化為，相應(yīng)的集電極電流變化為 I IC C則交流電流放大倍數(shù)為：則交流電流放大倍數(shù)為：BIIC例：例：U UCECE=6V=6V時(shí)時(shí)：I IB B =40=40 A A時(shí)時(shí), ,I IC C

19、 =1.5mA=1.5mA；I IB B =60=60 A A時(shí)時(shí), ,I IC C =2.3mA=2.3mA。求求4004. 006. 05 . 13 . 2BCII解：解：電流放大系數(shù)太小則放大能力弱，太大易使管子性能不穩(wěn)定。電流放大系數(shù)太小則放大能力弱，太大易使管子性能不穩(wěn)定。一般一般大功率管為大功率管為10-3010-30，小功率管為小功率管為60-30060-300為宜。為宜。 （2 2）集電極發(fā)射極間的穿透電流）集電極發(fā)射極間的穿透電流I ICEOCEO基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流穿透電流 其大小與溫度有關(guān)。其大小與溫度有關(guān)。 CBO

20、CEO)1 (II4.24.2 反向飽和電流反向飽和電流（1 1）集電極基極間反向飽和電流）集電極基極間反向飽和電流I ICBOCBO 發(fā)射極開路時(shí)，在集電結(jié)上加反向電壓，發(fā)射極開路時(shí)，在集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。實(shí)際上就是得到反向電流。實(shí)際上就是PNPN結(jié)的反向電結(jié)的反向電流。它流。它與溫度與溫度有關(guān)。有關(guān)。鍺管：鍺管：I I CBO CBO為微安數(shù)量級(jí)，硅管：為微安數(shù)量級(jí)，硅管：I I CBO CBO為納安數(shù)量級(jí)為納安數(shù)量級(jí)。+ICBOecbICEO選擇管子時(shí)，選擇管子時(shí)，I ICBOCBO和和 I ICEOCEO 越小越好越小越好4.3 4.3 極限參數(shù)極限參數(shù)1 1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流I ICMCM三極管工作時(shí)，集電極電流三極管工作時(shí)，集電極電流I IC C上上升到一定程度會(huì)導(dǎo)致三極管升到一定程度會(huì)導(dǎo)致三極管 值下值下降降。I IC C超過(guò)超過(guò)I ICMCM， 明顯下降。明顯下降。2 2）集電極最大允許耗散功率）集電極最大允許耗散功率P PCMCMP PCMCMi iC Cu uCECE= =常數(shù)常數(shù)3 3）極間反向擊穿電壓）極間反向擊穿電壓管子管子某一電極開路某一電極開路時(shí)，其余兩個(gè)時(shí)，其余兩個(gè)電極之間所允許加的電極之間所允許加的最高反向電最高反向電壓壓。當(dāng)電壓越過(guò)此值時(shí)，管子將。當(dāng)電壓越過(guò)此