晶體管地輸入輸出特性曲線詳解.

1、晶體管的輸入輸出特性曲線詳解屆 別 系 別 專 業(yè) 班 級 姓 名 指導(dǎo)老師零一二年十月晶體管的輸入輸出特性曲線詳解學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師：摘要：晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用， 是電子電路的核心元件。根據(jù)晶體管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，晶體管可以分為：NPN型晶體管和PNP 型晶體管。依據(jù)晶體管兩個(gè)PN結(jié)的偏置情況，晶體管的工作狀態(tài)有 放大、飽和、截止和倒置四種。晶體管的性能可以有三個(gè)電極之間的 電壓和電流關(guān)系來反映，通常稱為伏安特性。生產(chǎn)廠家還給出了各種管子型號的參數(shù)也能表示晶體管的性能。利用晶體管制成的放大電路的可以是把微弱的信號放大到負(fù)載所需的數(shù) 值晶體管是一種半導(dǎo)體器件，放大

2、器或電控開關(guān)常用。晶體管是規(guī) 范操作電腦，手機(jī)，和所有其他現(xiàn)代電子電路的基本構(gòu)建塊。由于其響應(yīng)速度快，準(zhǔn)確性，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能， 包括放大，開關(guān)，穩(wěn)壓，信號調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨(dú)立包裝或在 一個(gè)非常小的的區(qū)域，可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部 分。關(guān)鍵字：晶體管、輸入輸出曲線、放大電路的靜態(tài)分析和動態(tài)分析?！綤eywords The transistor, the input/outputcurve,amplifying circuit static analysis and dynamic analysis.一、晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，

3、具有電流放大作用，是 電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很 近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)， 兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，如圖1-1 （a）、（b）所示。從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，發(fā)射極，基極，集電 極，各用“ E”（或“ e”）、“B”（或“ b ”）、“C”（或 “c”）表示。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電極?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大， PNP型三 極管發(fā)射區(qū)”發(fā)射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極 箭頭向里;NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射

4、"的是自由電子，其移動方向與 電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指 向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和錯(cuò)晶體三極 管都有PNP型和NPN型兩種類型。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的錯(cuò)管多為PNP型（3A系列），硅管多為NPN型（3D系列）。c集電區(qū)?/集電結(jié)Bo發(fā)射結(jié)It射區(qū)E集電區(qū)集電結(jié)Bo-; PjT i- J 基區(qū)N>Bo 發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)Co彳ToE(n) PNF 型(b) NPN 型圖1-1晶體管的結(jié)構(gòu)和圖形符號二、晶體管的工作原理晶體管在電路中工作時(shí)，根據(jù)兩個(gè)PN結(jié)的偏置情況不同，可以由四種工作狀態(tài)：放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)、倒置狀態(tài)。(1)

5、發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置一放大狀態(tài)上- 工尸嚀-八/ 11ReIb(b)電路圖圖1.2(a),(b)分別是硅晶體管的發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏 置的原理圖和電路圖。由于發(fā)射區(qū)和基區(qū)不是同類的參雜半導(dǎo)體，所以擴(kuò)散到基區(qū)的多子在基區(qū)屬于少子。稱為非平衡少數(shù)載流子。集電結(jié)反向偏置有利于少子漂移，因此大部分非平衡少數(shù)載流子在經(jīng)集電 結(jié)漂移到集電區(qū)。另外，集電結(jié)反向偏置也有利于基區(qū)和集電區(qū)中自 身的少數(shù)載流子互相漂移，形成反向飽和電流Icbo,其值較小，而且與 集電結(jié)反向偏置電壓達(dá)大小無關(guān)。通常令I(lǐng)cbo=0時(shí)的集電極電流Ic與發(fā)射極電流Ie之比為即a=l c/I e |icbo=o當(dāng)考慮到IC

6、BO后，各電極之間的關(guān)系如下：Ic= ocIe+I cboIe= l c+I bIb=(1- oc)Ie-I cbo當(dāng)考慮反向飽和電流時(shí)，各電流之間的關(guān)系如下Ie=I c+I b集電極電流Ic與基極電流Ib之比為共射極直流電流放大系數(shù)，記作B, 即：3=1 C /I Ba、B二者之間的關(guān)系為：a= 3/ 3+13= a/ a-1從以上分析可知，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子中，只有很小部分與基區(qū)的電子復(fù)合而形成基極電流I B，絕大部分能通過基區(qū)并被集電區(qū)收集而形成集電極電流Ic.因此，集電極電流Ic就會比基極電流Ib大得多，這就是晶體管的電流放大作用。如前所述，晶 體管的基區(qū)之所以做得很薄，并且摻雜

7、濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)，就是 為了使集電極電流比基極電流大得多，從而實(shí)現(xiàn)晶體管的電流放 大作用。晶體管的電流放大作用實(shí)質(zhì)上是電流控制作用，是用一個(gè)較 小的基極電流去控制一個(gè)較大的集電極電流，這個(gè)較大的集電極 電流是由直流電源 Ec提供的，并不是晶體管本身把一個(gè)小的電流 放大成了一個(gè)大的電流，這一點(diǎn)須用能量守恒的觀點(diǎn)去分析。所 以晶體管是一種電流控制元件。(2) 發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)正向偏置一飽和狀態(tài)當(dāng)Vcc降低到使Ucb等于零或小于零的時(shí)，集電結(jié)將處于零偏或正偏。這時(shí)從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的多子，除了一部分能量大的 非平衡少數(shù)載流子可以進(jìn)入集電區(qū)外，有較多的非平衡少數(shù)載流 子在基區(qū)復(fù)合。集電極回路的最

8、大電流還要受電阻RC的限制，其值為Is= Vcc/Rc，稱Is為集電極短路電流。在這種偏置狀 態(tài)下，Ic達(dá)到Ics后，即使增加IB , Ic不再隨其的增大而增大，好像飽和了，故稱這種偏置狀態(tài)為飽和狀態(tài)。(3) 發(fā)射結(jié)反向偏置、集電結(jié)反向偏置一截止?fàn)顟B(tài)RBIeUbe圖1.3圖1.3是硅晶體管的發(fā)射結(jié)反向偏置、集電結(jié)反向偏置的電路圖 當(dāng)Ube=0時(shí)，發(fā)射結(jié)已經(jīng)沒有多子擴(kuò)散了，發(fā)射極電流幾乎為零，集電結(jié)流過的反向飽和電流，lc=l cbo,Ib=-I CBO,基極失去了對集電極電流的控制作用，管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，無放大作用。(4) 發(fā)射結(jié)反向偏置、集電結(jié)正向偏置一倒置狀態(tài)圖1.4是硅晶體管的發(fā)射結(jié)反向

9、偏置、集電結(jié)正向偏置的電路圖。 與放大狀態(tài)相比，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的偏執(zhí)狀態(tài)被對換，這時(shí)管子的工 作狀態(tài)稱為倒置狀態(tài)。由于集電區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的摻雜濃 度，集電結(jié)正向偏置后，由集電區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的多子較少，另外，發(fā) 射結(jié)的結(jié)面積小于集電結(jié)，其收集基區(qū)的非平衡少數(shù)載流子的能力較 差，所以管子工作于倒置狀態(tài)時(shí)，其電流放大系數(shù)比放大狀態(tài)時(shí)的小 得多。二、晶體管共射極接法的伏安特性曲線晶體管的性能可以有三個(gè)電極之間的電壓和電流關(guān)系來反映，通 常稱為伏安特性。晶體管雖然只有三個(gè)電極，但是在使用時(shí)總是有一 個(gè)電極作為輸入和輸出回路的公共端， 一個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)變量，可 有多種曲線表示他們之間的關(guān)系，我們

10、常用兩組曲線族來表示晶體管 的特性。其中最常用的晶體管伏安特性是共射極伏安特性。共射極伏安特性包括輸入特性和輸出特性。最常用的是共發(fā)射極接法的輸入特性曲線和輸出特性曲線，實(shí)驗(yàn)測繪是得到特性曲線的方法之一。特性曲線的測量電路見圖1.51. 共射極輸入特性反映晶體管輸入回路基極一發(fā)射極間電壓U EB與基極電流iB之間的伏安特性稱為共射極輸入特性。由于這一關(guān)系也受輸入回路電壓U CE的影響，所以其定義為lb=f （ Ueb）|UCE=常數(shù)共射極輸入特性常用一簇曲線來表示，稱為共射極輸入特性曲線。如圖1.6圖1.6由曲線可知：(1) 晶體管的輸入特性曲線，也有死區(qū)。硅管的死區(qū)電壓大約為0.5v, 錯(cuò)管

11、的死區(qū)電壓大約為0.1v。在相同的UEB下UCE從0增大時(shí)，iB將減小。這是因?yàn)閁CE=O時(shí)， Je與Jc均正偏，iB為兩個(gè)正向偏置PN結(jié)的電流之和；當(dāng)uce增 大時(shí)Jc從正向偏置逐漸往反向偏執(zhí)過度，有越來越多的非平衡少 劉子到達(dá)集電區(qū)，使iB減小。 當(dāng)UCE繼續(xù)增大，使Jc反向偏置后，受UCE的影響減小，不同UCE 值時(shí)的輸入特性曲線幾乎重合在一起，這時(shí)由于基區(qū)很薄在JC反 向偏置時(shí)，絕大多數(shù)非平很少數(shù)載流子幾乎都可以漂移到極電 區(qū)，形成IC所以當(dāng)繼續(xù)增大UCE時(shí)，對輸入特性曲線幾乎不產(chǎn)生影響。2共射極輸出特性以iB為參變量的ic與uce關(guān)系稱為共射極輸出特性，其定義為lc=f(Uce)|i

12、 b=常數(shù)其共射極輸出特性曲線如圖1.7所示。10()I / ./ m少飽和區(qū)4：10化弍310 大！©區(qū) 2«PASX6912 . .lUCE(V)'圖1.7由圖可見，晶體管的輸入特性曲線將晶體管分為三個(gè)工作區(qū)， 它們是：（1）飽和區(qū)只輸出特性曲線幾乎垂直上升部分與縱軸之間的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，不同iB值的輸出特性曲線幾乎重合，ic不受iB的控 制，只隨UCE增大而增大。（2 ）截止區(qū) 對與iB= ICBO的輸出特性曲線與橫軸之間的區(qū)域。 在此區(qū)域內(nèi)，ic幾乎為零，三極管沒有放大能力。(3)放大區(qū)指飽和區(qū)域截止區(qū)之間的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)管子工作與放大狀態(tài)。在這一區(qū)域內(nèi)

13、，ic還受UCE的影響。當(dāng)iB 一定以后， 隨UCE增大，ic略有增加。這是因?yàn)楫?dāng) Uce越大時(shí)Jc反向偏置電壓 越大，集電結(jié)越寬，使基區(qū)變得更薄，發(fā)射區(qū)多子擴(kuò)散到基區(qū)后，與 基區(qū)多子復(fù)合的機(jī)會少，若要保持iB不變，就會有更多的多子從發(fā)射 區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)，ic將增加，這種情況稱為基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)。三、晶體管的主要電參數(shù)晶體管除了可以用伏安特性曲線來表示管子性能外，生產(chǎn)廠家還給 出了各種管子型號的參數(shù)。晶極管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)(a) 共基極直流電流放大系數(shù)-其定意為：=I C/I E | ICBO=0(b) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，稱為晶體管共射接法時(shí)的靜態(tài)(直流)電流放大系數(shù)。(2/血，稱為晶

14、體管共射接法時(shí)的動態(tài)(交流)電流放大系數(shù)。(3廠與B兩者的含意是不同的，但兩者的數(shù)值較為接近，今后I 在進(jìn)行估算時(shí)，可認(rèn)為 歹二B。?集電極一基極間反向飽和電流Icbo它是指發(fā)射極開路時(shí)，流過集電極與基極的電流。(d)集電極一發(fā)射極間反向飽和電流Iceo它是指基極開路時(shí)，流 過集電極與發(fā)射極的電流。由于這一電流從集電極貫穿基區(qū)流至發(fā)射極，所以又被稱為穿透電流。2、交流參數(shù)(1) 交流電流放大系數(shù)B (或hfe )這是指共發(fā)射極接法，集電極輸 出電流的變化量厶Ic與基極輸入電流的變化量 lb之比，即：滬" 4b當(dāng)IC較小時(shí)，B隨IC增大而增大；當(dāng)IC增大到某一范圍時(shí)，B幾 乎不變；但當(dāng)

15、Ic過大時(shí)，B隨IC繼續(xù)增大而減小。B與Ic的關(guān)系如圖 1.8中曲線所示ic圖1.8一般電晶體的B大約在10-200之間，如果B太小，電流放大作用差, 如果B太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。(2) 共基極交流放大系數(shù)a (或hfb )這是指共基接法時(shí)，集電極輸出電流的變化是4 Ic與發(fā)射極電流的變化量4 Ie之比，即：a= 4c/ 4e因?yàn)?c<AIe,故a<1。高頻三極管的a> 0.90就可以使用a與B之間的關(guān)系：a=俘(1+ B)滬 a/ (1- a)F/ ( 1- a)(3 )截止頻率f B、f a當(dāng)B下降到低頻時(shí)0.707倍的頻率，就什發(fā)射 極的截止頻率f

16、 B;當(dāng)a下降到低頻時(shí)的0.707倍的頻率，就什基極的 截止頻率f aO f B、f a是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的 關(guān)系為：f1- a) f a(4 )特征頻率fT因?yàn)轭l率f上升時(shí)，B就下降，當(dāng)B下降到1時(shí)，對 應(yīng)的fT是全面地反映電晶體的高頻放大性能的重要參數(shù)。3、極限參數(shù)(1 )集電極最大允許電流1cm當(dāng)集電極電流Ic增加到某一數(shù)值，引 起B(yǎng)值下降到額定值的2/3或1/2，這時(shí)的Ic值稱為Icm。所以當(dāng)Ic 超過Icm時(shí)，雖然不致使管子損壞，但B值顯著下降，影響放大品質(zhì)。(2) 集電極-基極擊穿電壓Bvcbo當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向 擊穿電壓稱為Bvebo。(3) 發(fā)射極

17、-基極反向擊穿電壓Bvebo當(dāng)集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié) 的反向擊穿電壓稱為Bvebo。(4) 集電極 發(fā)射極擊穿電壓 Bvceo當(dāng)基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時(shí)如果Vce>BVceo，管子就會被擊穿。(5) 集電極最大允許耗散功率 Pcm集電流過Ic,溫度要升高，管 子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時(shí)的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實(shí)際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce xic.使用時(shí)慶使 Pcv Pcm。PCM與散熱條件有關(guān)，增加散熱片可提高Pcm。在輸出特性曲線上，把凡是該點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的Uce與Ic乘積等于PCM的那些點(diǎn)連成線，可得一條

18、曲線。稱為等功耗線，如圖1.9Zc/mAKTER1CE05圖1.9四、共射極放大電路的組成和工作原理放大電路的主要作用是把微弱的信號放大到負(fù)載所需的數(shù)值。圖1,10是共射極放大電路的組成。被測放大電路|R。Rl正弦波信號源AuoU i:直流電源流電圖 1.10放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換，在輸入信號的作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)載從電源獲得的能量大于信號源所提供的能量。1、性能指標(biāo)（1）放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù) AUo8電流放大倍數(shù)AiIi（2） 輸入電阻：從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻，Ri 5，放I i大電路輸入

19、電阻的大小要視需要而設(shè)計(jì)。（3）輸出電阻：從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻，Ro （業(yè)1）Rl，U O放大電路輸出電阻的大小要視需要而設(shè)計(jì)。Ro越小，放大電路帶負(fù)載能力愈強(qiáng)（4 ）通頻帶：衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。fbw fH fL(5 )最大輸出功率Pom與效率n21.電路組成放大電路組成原則: 1>44-9»+J.11 +T鳳LB4-尸k1tlaooknlr iv7 rv0圖 1.11由圖1.11放大電路組成可得(1) .提供直流電源，為電路提供能源。(2) .電源的極性和大小應(yīng)保證 BJT基極與發(fā)射極之間處于正向偏置；而集電極與基極之間處于反向偏置，從而使BJ

20、T工作在放大區(qū)(3) .電阻取值與電源配合，使放大管有合適的靜態(tài)點(diǎn)。(4) .輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路。(5) .當(dāng)負(fù)載接入時(shí)，必須保證放大管輸出回路的動態(tài)電流能夠作用 于負(fù)載，從而使負(fù)載獲得比輸入信號大得多的信號電流或信號電壓。共射極基本放大電路的電壓放大作用是利用了BJT的電流控制作用，并依靠Rc將放大后的電流的變化轉(zhuǎn)為電壓變化來實(shí)現(xiàn)的。3.放大電路的靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)：輸入信號為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。動態(tài)：輸入信號不為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。電路處于靜態(tài)時(shí)，三極管個(gè)電極的電壓、電流在特性曲線上確定為一 點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，常稱為 Q點(diǎn)。一般用I

21、B、lc、和VCE （或IBQ、 Icq、和口 Vceq ） 表示。對于放大電路來說其最基本要求，一是不失真，二是能夠放大。 只有在信號的整個(gè)周期內(nèi)BJT始終工作在放大狀態(tài)，輸出信號才不會 產(chǎn)生失真。靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合適能實(shí)現(xiàn)線性放大；靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏高會產(chǎn) 生飽和失真；靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏低會產(chǎn)生截止失真。Q點(diǎn)不僅影響電 路是否會產(chǎn)生失真，而且影響著放大電路幾乎所有的動態(tài)系數(shù)。放大電路的分析方法1直流通路和交流通路根據(jù)疊加原理可將電路中的信號分解為：直流信號和交流信號。 直流信號通過直流通路求解，交流信號通過交流通路求解。直流通路：當(dāng)沒加輸入信號時(shí)，電路在直流電源作用下，直流電流流 經(jīng)的通路。直流

22、通路用于確定靜態(tài)工作點(diǎn)。直流通路畫法：電容視為開路；電感線圈視為短路；信號源視 為短路，但保留其內(nèi)阻。交流通路:在輸入信號作用下交流信號流經(jīng)的通路。交流通路用于計(jì) 算電路的動態(tài)性能指標(biāo)。交流通路畫法：容量大的電容視為短路；直流電源視為短路。.圖解分析法2. 用近似估算法求靜態(tài)工作點(diǎn)：采用該方法，必須已知三極管的B值。根據(jù)直流通路：硅管 Vbe=0.7V，錯(cuò)管Vbe=0.2VIb ； Ic Ib； Vce Vcc IcRc3. 用圖解分析法確定靜態(tài)工作點(diǎn)（Q點(diǎn)）: 采用該方法分析靜態(tài)工作點(diǎn)，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。首先，畫出直流通路；在輸入特性曲線上，作出直線Vbe =VcC|BRb

23、, 兩線的交點(diǎn)即是Q點(diǎn)，得到Ibq。在輸出特性曲線上，作出直流負(fù)載線Vce=Vcc IcRc,與Ibq曲線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)，從而得到Vceq和Icq。圖1.12即為所示斜率，倫d 丿 J* E/V圖 1.124. 動態(tài)工作情況分析(1) .交流通路及交流負(fù)載線過輸出特性曲線上的Q點(diǎn)做一條斜率為-1/( R /RJ直線，該直線即為 交流負(fù)載線。交流負(fù)載線是有交流輸入信號時(shí) Q點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。R'l= Rl/Rc,是交流負(fù)載電阻。(2) .輸入交流信號時(shí)的圖解分析由圖1.13通過圖解分析，可得如下結(jié)論：a. Vi VbE iB ic Vce | Vo |b. Vo與Vi相位相反；C.可以測量出放大電路的電壓放大倍數(shù)；d.可以確定最大不失真輸出幅度。t ric/mA3. BJT的三個(gè)工作區(qū)飽和區(qū)特點(diǎn)：ic不再隨iB的增加而線性增加，截止區(qū)特點(diǎn)：iB = 0，ic = Iceo當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)時(shí)，將產(chǎn)生非線性失真1.波形的失真 飽和失真：由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的飽和區(qū)而引起的非 線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。截止失真：由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的截止區(qū)而引起的非 線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。2 .放大電路的動態(tài)范圍放大電路要想獲得大的不