電子技術(shù)02晶體三極管

1、三極管基本結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)三極管基本結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)三極管典型封裝形式三極管典型封裝形式2.1 放大模式下晶體三極管的工作原理放大模式下晶體三極管的工作原理2.1.1 內(nèi)部載流子傳輸過程內(nèi)部載流子傳輸過程 當(dāng)NPN型晶體管工作在放大模式，即發(fā)射結(jié)加正偏，集電結(jié)加反偏時(shí)：IIIEEnEpIEn: 發(fā)射區(qū)中多子自由電子通過發(fā)射結(jié)到基區(qū)的電子電流IEp: 基區(qū)中多子空穴通過發(fā)射結(jié)到發(fā)射區(qū)的空穴電流CBOCn1CpCn2Cn1CIIIIIIICp: 集電區(qū)中少子空穴通過集電結(jié)而形成的空穴電流ICn1: 基區(qū)中到達(dá)集電結(jié)邊界的非平衡少子電子通過集電結(jié)的電子電流ICn2: 基區(qū)中少子電子通過集電結(jié)而形成的電子

2、電流集電結(jié)反向飽和電流:兩個(gè)結(jié)共同流入基極的電流:三極管三個(gè)極的電流關(guān)系:BCEIII綜上：只有發(fā)射區(qū)中多子自由電子通過發(fā)射結(jié)電流IEn轉(zhuǎn)化為集電結(jié)電流ICn1，成為產(chǎn)生上述正向受控作用的載流子，大小只受正偏發(fā)射結(jié)電壓控制；其他載流子流為寄生電流。減小寄生電流：發(fā)射結(jié)為不對(duì)稱結(jié)，發(fā)射區(qū)攙雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)；基區(qū)寬度??；集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)。BEEnCn1EEnECn1IIIIIICpCn2CBOIIICBOCn1EnEpB)(IIIIIE : 發(fā)射區(qū)發(fā)射效率，表示能夠轉(zhuǎn)化為集電極電流的有用成分IEn在IE中占的百分比 B : 基區(qū)傳輸效率，表示受控集電極電流ICn1在IEn中占的百分比 共基極電

3、流放大系數(shù):(表示IE轉(zhuǎn)化為ICn1的能力)2.1.2 電流傳輸方程電流傳輸方程晶體三極管的三種連接方式：共發(fā)共基共集一、共基極一、共基極CBOECBOCn1CIIIII由ICBO很小，則ECII二、共發(fā)射極二、共發(fā)射極CBOBC111IIICBOECIIIBCEIII1CEOBCBOBC )1 (IIIII: 共發(fā)射極電流放大系數(shù)ICEO: 穿透電流，為基極開路時(shí)(IB=0)的集電極電流。 BC II引入?yún)?shù)CBOCEO)1 (II引入?yún)?shù)ECn1IICBOCn1EnEpB)(IIIIICBOBCn1EIIIICn1ECn11III 的物理含義的物理含義CBOCCn1IIICBOBCBOCI

4、III: 表示IB中受發(fā)射結(jié)電壓控制的電流成分（IB+ICBO)對(duì)集電極正向受控成分ICn1=(ICICBO)的控制能力，若忽略ICBO，則表示IB對(duì)IC的控制能力。 ICEO的物理含義的物理含義發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管仍然工作在放大模式?；鶚O開路時(shí)，IB=0，IB中的受控電流成分IEp+IEnICn1=ICBO，其值被放大 倍，再加上集電結(jié)本身的ICBO，則CBOCBOCBOCEO)1 (IIIIICEO一般也很小，可以忽略不計(jì)。三、共集電極三、共集電極CEOBCIIIBCEIIICEOBCBOBE)1 ( )(1 (IIIIIB)1 (I電流傳輸方程小結(jié)：電流傳輸方程小結(jié)：ECIIB

5、CIIBE)1 (II2.2 晶體三極管模型晶體三極管模型2.2.1 埃伯爾斯莫爾模型埃伯爾斯莫爾模型 ) 1e () 1e (TBCTBECBSREBSFVVVVIIII) 1e () 1e () 1e () 1e (TBCTBETBCTBECBSEBSFRFFCCBSREBSRRFEVVVVVVVVIIIIIIIIII) 1e ()1 () 1e ()1 (TBCTBECBSREBSFCEBVVVVIIIII當(dāng)發(fā)射結(jié)加正偏，集電結(jié)加反偏，晶體三極管工作在放大模式時(shí): TBETBEVEBSVEBSFEe) 1e (VVIIIITBETBETBEVSVEBSVEBSEEFFFCee) 1e (

6、VVVIIIIIII當(dāng)晶體三極管兩個(gè)結(jié)均加正偏，IF和IR都較大,晶體三極管工作在飽和模式, IC和IE將同時(shí)受到兩個(gè)結(jié)正偏電壓的控制，三極管失去正向受控作用 。且隨著集電結(jié)正偏電壓VBC的增大，IR增大，導(dǎo)致IC和IE迅速減小，同時(shí)IB迅速增加，當(dāng)晶體三極管兩個(gè)結(jié)均加反偏，晶體三極管工作在截止模式時(shí)，IC0，IE0，因而 IB 0 放大模式截止模式飽和模式2.2.2 晶體三極管的共發(fā)等效電路模型晶體三極管的共發(fā)等效電路模型 一、大信號(hào)電路模型一、大信號(hào)電路模型TBEe1SCEBVVIIII1. 三極管工作在放大模式：VBE(on)為發(fā)射結(jié)的正向?qū)妷?，本教材中取其值?.7V。 2. 三極

7、管工作在飽和模式：V4 . 0V7 . 0BC(on)BC(sat)BE(on)BE(sat)VVVVVCE(sat) = 0.3 V 3. 三極管工作在截止模式：二、小信號(hào)電路模型二、小信號(hào)電路模型TCQTEQeembembbembbem1)1 (VIVIrrgrgivgivgTCQBESBECbecmBEQBETBEBEQBEeVIvIvivigVVVvVV三極管既可以看作電流控制電流器件，也可以看作電壓控制電流器件。gm表示vbe對(duì)ic的正向受控作用的增量電導(dǎo)，稱為晶體管的互導(dǎo)或跨導(dǎo)根據(jù)等效模型推導(dǎo)：根據(jù)定義推導(dǎo)：計(jì)及基極引線電阻和基區(qū)體電阻 rbb在高頻工作時(shí)，還必須考慮結(jié)電容的影響

8、PNP 管和NPN管的小信號(hào)電路模型是一樣的 2.2.3 晶體三極管的伏安特性曲線晶體三極管的伏安特性曲線常數(shù)CE)(BE1EBvvfi常數(shù)BE)(CE2ECvvfi共發(fā)射極連接: 輸入特性曲線輸出特性曲線一、輸入特性曲線一、輸入特性曲線基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：VCE增大，集電極上反偏電壓增大，導(dǎo)致集電結(jié)阻擋層寬度增大，結(jié)果使基區(qū)實(shí)際寬度WB減小，使得由發(fā)射區(qū)注入的非平衡少子電子在向集電結(jié)擴(kuò)散過程中與基區(qū)空穴復(fù)合減少，導(dǎo)致IB變小。曲線形狀與晶體二極管伏安特性曲線類似二、輸出特性曲線二、輸出特性曲線1. 放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

9、。CEOBCIii由于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，隨著vCE增大，基區(qū)復(fù)合減少，和 都略有增大，引起曲線略有上翹。VA為厄爾利電壓, 此時(shí)從內(nèi)部物理過程來說，|VA|與基區(qū)寬度有關(guān)，基區(qū)寬度越小，基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)對(duì)iC的影響越大，| VA |也就相應(yīng)越小。小功率管的VA值約為50100 V 。)1 (eACESCTBEVvIiVv三極管的集電極電流iC不僅受控于輸入電壓vBE，同時(shí)受控于輸出電壓vCE。放大區(qū)中，當(dāng)輸入電壓vBE確定后， iC隨vCE的變化幾乎是線性的。因此，基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)對(duì)三極管小信號(hào)電路模型的影響可以用一只連接于CE之間的線性電阻rce來等效。 CQACQACQCEQACCEce|

10、IVIVIVVivr計(jì)及基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時(shí)的混合型電路模型 2. 截止區(qū)工程上一般規(guī)定iB0，即iC=ICEO以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。3. 飽和區(qū)該區(qū)域內(nèi)iC受vCE顯著控制，vCE的數(shù)值較小，一般vCE0.3V(硅管)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。4. 擊穿區(qū)當(dāng)vCE增大，加在集電極上的反偏電壓也相應(yīng)增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，集電結(jié)被反向擊穿，造成iC劇增，主要為雪崩擊穿。 當(dāng)iE=0,即iC=ICBO,iB=ICBO時(shí)，擊穿電壓最大為V(BR)CBO. 當(dāng)iB=0, iC=ICEO時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CEO。三、極限參數(shù)三、極限參數(shù)q 集電極最大允許電流ICMq

11、集電極最大允許功率損耗PCMq反向擊穿電壓V(BR)CEO 明顯下降時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大允許集電極電流。在集電極最高工作溫度限制下，三極管所能承受的最大允許集電極耗散功率防止管子被擊穿所允許的最大vCE的值2.2.4 晶體三極管的頻率參數(shù)晶體三極管的頻率參數(shù))j (j)j ()(jebcbebmcvCvgi)(j1)(j )(j1/)(j)j (cbebebebbcbebebbebCCrriCCrivj1)j1 ()(j1)j()j ()j ()j (Zebmcbebebebcbmjcebc0)(rgCCrrCgiiv,cbmZCg,1)(1ebebcbebebCrCCrj1)j (Z 的頻率特性：

12、的頻率特性：21)( 的幅頻特性：的幅頻特性： 為轉(zhuǎn)折點(diǎn)角頻率時(shí)，()下降為低頻時(shí)的0.707倍(3dB)， 時(shí)，下降為1， 為特征角頻率TT時(shí)，,)(ebecbebecbebmcbebebT1)()(1CrCCrCCgCCr)(T/j1)1/(j1)1/()j (1)j ()j ( 的頻率特性：的頻率特性：ebecbebecbebeb1)(1)(1)1 (CrCCrCCrT)(的上限角頻率：頻率參數(shù)的關(guān)系：頻率參數(shù)的關(guān)系：2.3 三極管電路分析方法三極管電路分析方法2.3.1 圖解分析法圖解分析法將如圖所示的電路分成三部分：晶體三極管輸入端管外電路輸出端管外電路)(BEBBBBBBEvfiR

13、ivVv)(CECCCCCCEvfiRiVv在晶體三極管伏安特性曲線上作描述管外電路的負(fù)載線，它們的交點(diǎn)便是所求的電量。輸入回路：輸出回路：一、直流分析一、直流分析v = 0，相應(yīng)的輸入、輸出回路管外電路方程分別為 VVI RBEBBBBCCCCCERIVV分別在三極管輸入、輸出特性曲線 上作管外電路方程代表的輸入、輸出負(fù)載線，交點(diǎn)即為直流工作點(diǎn)。二、交流分析二、交流分析為減小失真，應(yīng)限制輸入信號(hào)v的幅度。 2.3.2 等效電路分析法等效電路分析法例例1 在下圖(a)所示電路中，已知100， (1) 試求晶體三極管的各極電壓和電流值； (2) 將RC增大到20k，試求IB和IC值； (3) R

14、C仍為5.8k，而將RB減小到10k，試求IB和IC。 假設(shè)晶體三極管工作在放大模式，將晶體三極管用放大模式下的大信號(hào)等效電路模型表示，如圖(b)所示。 解解: (1)A, 10A 10 10100V 7 . 0V 7 . 153BonBEBBBRVVImA 1A 10A 1010035BCII0.3VV 2 . 6 108 . 5A 10V 1233CCCCCERIVV,假設(shè)成立，計(jì)算有效一、直流分析一、直流分析(2)同樣先假設(shè)晶體三極管工作在放大模式，輸入回路與(1)一樣，得到IB = 10A，IC = 1mA，則 0.3VV 8 1020A 10V 1233CCCCCERIVV假設(shè)不成立

15、，三極管需要采用飽和模式下的等效電路模型，重新計(jì)算得到 例1中飽和模式等效電路 IB = 10AmA 59. 0 1020V 3 . 0V 123CCE(sat)CCCRVVI(3)同樣先假設(shè)晶體三極管工作在放大模式，采用與(1)中一樣的方法求得IB = 100A，IC = 10mA，VCE 46 V0.3V，故假設(shè)不成立，三極管需要采用飽和模式下的等效電路模型，重新計(jì)算得到IB = 100A， IC = 2mA。直流分析時(shí)，輸入回路只需要考慮三極管的VBE(on) ，增加RC或減小RB(或增大VBB)，都可使晶體三極管自放大模式進(jìn)入飽和模式 。例例2試求下圖(a)所示電路中晶體三極管的各極電

16、壓和電流值。已知100。 先將電路轉(zhuǎn)化為(b)所示電路，再通過戴維寧定理將電路等效為(c)所示電路。 解解:V 2B2B1B2CCBBRRRVVk 67.16/B2B1B2B1B2B1BRRRRRRRA 78k 67.16V 7 . 0V 2BBE(on)BBBRVVImA 8 . 7A 78100BCIIV 2 . 4 1010A 8 . 7V 1233CCCCCERIVV例例3試求下圖(a)所示電路中晶體三極管的各極電壓和電流值。已知100。 解解:(a) (b) 與例2一樣，先通過戴維寧定理將電路等效為(b)所示電路，VBB2 V，RB16.67 k。 輸入回路直流方程 ：EEBE(on

17、)BBBBRIVRIVBE)1 (IIA11)1 (EBBE(on)BBBRRVVImA, 1 . 1BCIIV 6 . 7CECCCCERRIVVEEBE(on)BBBBRIVRIV也可以直接先求IE：)1/(EB IImA1 . 1)1/(EBBE(on)BBERRVVImA 1 . 1EECIII試求下圖所示電路各極交流電流和電壓值。已知ICQ=1mA， v=20sint(mV)，=100，VA=100V。二、交流分析二、交流分析例例4分析方法：先根據(jù)直流工作點(diǎn)求三極管的各個(gè)小信號(hào)參數(shù)，并在電路的交流通路中用小信號(hào)電路模型取代晶體三極管 ，再求解交流電流和電壓值。解解:k63. 2)1

18、(ee brrmS4 .381mergk100|CQAceIVr)A( sin6 . 2e bBbtrRvi(mV) sin9 . 6e bbbetrivA)( sin 250Ccecee bmctRrrvgi(V) sin 45. 1CccetRiv2.4 三極管應(yīng)用原理三極管應(yīng)用原理2.4.1 電流源電流源理想電流源：理想電流源：三極管組成的電流源：三極管組成的電流源：2.4.2 放大器放大器一、放大器的組成一、放大器的組成基本放大器由4部分構(gòu)成：晶體三極管偏置電路信號(hào)源負(fù)載二、放大器的直流通路和交流通路二、放大器的直流通路和交流通路 交流通路：隔直流電容和旁路電容短路，扼流圈等大電感開路

19、， 獨(dú)立的直流電壓源短路，獨(dú)立的直流電流源開路。 直流通路：隔直流電容和旁路電容開路，電感短路。實(shí)際放大器電路 直流通路 交流通路 三、放大器的偏置電路三、放大器的偏置電路 基本要求：一是提供放大管所需的靜態(tài)工作點(diǎn)Q；二是靜態(tài)工作點(diǎn)在外界因素變化或變換管子時(shí)，力求維持不變。Q點(diǎn): 放大電路產(chǎn)生截止失真；Q點(diǎn): 放大電路產(chǎn)生飽和失真。三極管溫度特性：三極管溫度特性：三極管的VBE(on)、 和ICBO 三個(gè)參數(shù)受溫度影響很大，導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)隨著溫度而改變。溫度每升高1C， 的相對(duì)值就會(huì)增加1%，而VBE(on)減少2.5mV，這樣會(huì)導(dǎo)致集電極輸出電流ICQ隨溫度上升很快，靜態(tài)工作點(diǎn)移向飽和區(qū)，

20、而ICQ又主要取決于和IBQ 。BQCBOBQCQ)1 (IIII穩(wěn)定輸出電流的方法：穩(wěn)定輸出電流的方法：對(duì)于給定的偏置電路，靜態(tài)工作點(diǎn)及其穩(wěn)定性主要取決于ICQ及其穩(wěn)定性，一個(gè)高熱穩(wěn)定性的偏置電路實(shí)際上就是能夠穩(wěn)定ICQ的電路?？梢酝ㄟ^檢測(cè)輸出電流的變化，同時(shí)用檢測(cè)信號(hào)來控制輸入回路電流IBQ的方式實(shí)現(xiàn)ICQ的穩(wěn)定，。一、RB1和RB2作為VCC的分壓電路，提供T管的偏置電壓；二、在發(fā)射極上接入RE,可以在當(dāng)溫度升高，引起ICQ增大時(shí)，由于在RE上的壓降相應(yīng)增大，VBEQ減小，導(dǎo)致IBQ減小，從而阻止ICQ的增大，反之亦然。(也可以通過將RE等效到輸入回路中分析)三、分壓式偏置電路之所以能夠有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)就在于反饋電阻RE對(duì)ICQ的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。分壓式偏置電路：分壓式偏置電路：2.4.3 跨導(dǎo)線性電路跨導(dǎo)線性電路利用工作在放大模式下三極管呈現(xiàn)指數(shù)律伏安特性，將偶數(shù)個(gè)三極管的發(fā)射結(jié)接成閉合電路，其中一半按順時(shí)針方向，另一半按逆時(shí)針方