晶體管的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)班級姓名指導老師晶體管的輸入輸出特性曲線詳解學生姓名：指導老師：摘要：晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。根據(jù)晶體管的結構進行分類，晶體管可以分為：NPN©晶體管和PNP型晶體管。依據(jù)晶體管兩個PN結的偏置情況，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電極之間的電壓和電流關系來反映，通常稱為伏安特性。生產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載所需的數(shù)值晶體管是一種半導體器件，放大器或電控開關常用。晶體管是規(guī)范操

2、作電腦，手機，和所有其他現(xiàn)代電子電路的基本構建塊。由于其響應速度快，準確性，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，穩(wěn)壓，信號調制和振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區(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KeywordsThetransistor,theinput/outputcurve,amplifyingcircuitstaticanalysisanddynamicanalysis.一、晶體管的基本結構晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片

3、上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把正塊半導體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PN所口NPNM種，如圖1-1（a）、（b）所示。從三個區(qū)引出相應的電極，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結叫發(fā)射結，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結叫集電極。基區(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質濃度大，PN理三極管發(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”的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，

4、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結在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和錯晶體三極管都有PN國和NPNS兩種類型。當前國內生產的錯管多為PNP型（3A系列），硅管多為NPN型（3D系列）。集電區(qū)惠溫電結基有?射結發(fā)射區(qū)OE集電區(qū)kTBo/基區(qū)集電結發(fā)射結發(fā)射區(qū)(3)PNP型(b)NPN型圖1-1晶體管的結構和圖形符號二、晶體管的工作原理晶體管在電路中工作時，根據(jù)兩個PN結的偏置情況不同，可以由四種工作狀態(tài)：放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止狀態(tài)、倒置狀態(tài)。(1)發(fā)射結正向偏置、集電結反向偏置一放大狀態(tài)_lcn=A：目向士即叵=-dc1W1=1-REVee卜ccIRc|(a)原理圖

5、Ie9一產，一bEZEIhA-jCUB(b)電路圖圖1.2(a),(b)分別是硅晶體管的發(fā)射結正向偏置、集電結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體，所以擴散到基區(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)載流子在經集電結漂移到集電區(qū)。另外，集電結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，而且與集電結反向偏置電壓達大小無關。通常令Icb=0時的集電極電流IC與發(fā)射極電流Ie之比為即%=|c/IE|ICBO=O當考慮到ICBO后，各電極之間的關系如下：IC=aIe+ICBO

6、IE=|c+IBIB=(1-a)1E-ICBO當考慮反向飽和電流時，各電流之間的關系如下IE=|C+IB集電極電流Ic與基極電流|B之比為共射極直流電流放大系數(shù)，記作B,即：B=IC/IB%、B二者之間的關系為：%=B/(3+1B二%/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)的電子復合而形成基極電流IB,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，并且摻雜濃度遠低于發(fā)射區(qū)，就是為了使集電極電流比基極電流大得多，從而實現(xiàn)晶體管的電流放大作用。晶體管

7、的電流放大作用實質上是電流控制作用，是用一個較小的基極電流去控制一個較大的集電極電流，這個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小的電流放大成了一個大的電流，這一點須用能量守恒的觀點去分析。所以晶體管是一種電流控制元件。(2)發(fā)射結正向偏置、集電結正向偏置一飽和狀態(tài)當Vcc降低到使UCB等于零或小于零的時，集電結將處于零偏或正偏。這時從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的多子，除了一部分能量大的非平衡少數(shù)載流子可以進入集電區(qū)外，有較多的非平衡少數(shù)載流子在基區(qū)復合。集電極回路的最大電流還要受電阻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達到Ics后

8、，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)射結反向偏置、集電結反向偏置一截止狀態(tài)工VbbubeQ圖1.3圖1.3是硅晶體管的發(fā)射結反向偏置、集電結反向偏置的電路圖,當UBe=0時，發(fā)射結已經沒有多子擴散了，發(fā)射極電流幾乎為零，集電結流過的反向飽和電流，IC=ICBqIb=-ICBO,基極失去了對集電極電流的控制作用，管子進入截止狀態(tài)，無放大作用(4)發(fā)射結反向偏置、集電結正向偏置一倒置狀態(tài)工_圖1.4圖1.4是硅晶體管的發(fā)射結反向偏置、集電結正向偏置的電路圖。與放大狀態(tài)相比，發(fā)射結與集電結的偏執(zhí)狀態(tài)被對換，這時管子的工作狀態(tài)稱為倒置狀態(tài)。由于集電

9、區(qū)的摻雜濃度遠低于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，集電結正向偏置后，由集電區(qū)擴散到基區(qū)的多子較少，另外,發(fā)射結的結面積小于集電結，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，其電流放大系數(shù)比放大狀態(tài)時的小得多。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電極之間的電壓和電流關系來反映，通常稱為伏安特性。晶體管雖然只有三個電極，但是在使用時總是有一個電極作為輸入和輸出回路的公共端，一個端口網(wǎng)絡有四個變量，可有多種曲線表示他們之間的關系，我們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

10、的輸入特性曲線和輸出特性曲線，實驗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15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UEB與基極電流iB之間的伏安特性稱為共射極輸入特性。由于這一關系也受輸入回路電壓UCE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/mAU.20.4U.b58C；,/st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,錯管的死區(qū)電壓大約為0.1v。(2)在相同的Ueb下UCE從0增大時，iB將減小。這是因為Uce=0時，Je與J

11、c均正偏，iB為兩個正向偏置PN結的電流之和；當Uce增大時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集電區(qū)，使iB減小。(3)當Uce繼續(xù)增大，使Jc反向偏置后，受Uce的影響減小，不同Uce值時的輸入特性曲線幾乎重合在一起，這時由于基區(qū)很薄在Jc反向偏置時，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所以當繼續(xù)增大Uce時，對輸入特性曲線幾乎不產生影響2共射極輸出特性以iB為參變量的ic與UCE關系稱為共射極輸出特性，其定義為Ic=f(Uce)|iB=常數(shù)其共射極輸出特性曲線如圖1.7所示假止區(qū)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工作區(qū)，它

12、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，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，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)域內管子工作與放大狀態(tài)。在這一區(qū)域內，ic還受Uce的影響。當iB一定以后，隨Uce增大，ic略有增加。這是因為當Uce越大時Jc反向偏置電壓越大，集電結越寬，使基區(qū)變得更薄，發(fā)射區(qū)多子擴散到基區(qū)后，與基區(qū)多子復合的機會少，若要保持iB不變，就會有更多的多子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)，ic將增加，這

13、種情況稱為基區(qū)調寬效應。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)一其定意為：1=Ic/IEIIcBO=0(b)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)BI目.土(1) 。，稱為晶體管共射接法時的靜態(tài)(直流)電流放大系數(shù)。(2) £,稱為晶體管共射接法時的動態(tài)(交流)電流放大系數(shù)。(3)耳與(3兩者的含意是不同的，但兩者的數(shù)值較為接近，今后在進行估算時，可認為'=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，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

14、電流ICEO它是指基極開路時，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)（3（或hfe）這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量Ic與基極輸入電流的變化量Ib之比，即：B=AIc/AIb當Ic較小時，B隨Ic增大而增大；當Ic增大到某一范圍時，B幾乎不變；但當Ic過大時，B隨IC繼續(xù)增大而減小。B與Ic的關系如圖1.8中曲線所示COIcic圖1.8一般電晶體的（3大約在10-200之間，如果（3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)（或hfb）這是指共基接

15、法時，集電極輸出電流的變化是Ic與發(fā)射極電流的變化量Ie之比，即：%=Ic/AIe因為IcczMe,故<1。高頻三極管的0c>0.90就可以使用%與B之間的關系：=3/(1+B)3=a/(1-%)21/(1-%)(3)截止頻率f(3、f%當B下降到低頻時0.707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率f(3；當%下降到低頻時的0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率f%of(3、f%是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關系為：f3(1-%)fa(4)特征頻率fT因為頻率f上升時，(3就下降，當B下降到1時，對應的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

16、允許電流Icm當集電極電流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,這時的1c值稱為Icm。所以當1c超過Icm時，雖然不致使管子損壞，但B值顯著下降，影響放大品質。(2)集電極-基極擊穿電壓Bvcbo當發(fā)射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為Bvebo。(3)發(fā)射極-基極反向擊穿電壓Bvebo當集電極開路時，發(fā)射結的反向擊穿電壓稱為Bvebo。(4)集電極-發(fā)射極擊穿電壓Bvceo當基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時如果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1c,溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許

17、值時的最大集電極耗散功率稱為Pcm。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=UceXIc.使用時慶使Pc<Pcm。PCM與散熱條件有關，增加散熱片可提高Pcm。在輸出特性曲線上，把凡是該點坐標對應的Uce與Ic乘積等于PCM的那些點連成線，可得一條曲線。稱為等功耗線，如圖1.9Zc/mAA由穿區(qū)fBR)CEO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。被測放大電路士直流盛源rkJZZL”山PJ圖1.10放大的概念和放大電路的主要性能指標放大電路放大的本質是能量的控制和轉換，在輸入信號的作

18、用下，通過放大電路將直流電源的能量轉換成負載所獲得的能量，使負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(1)放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)Av=UO電流放大倍數(shù)Ai=IoIi(2)輸入電阻：從放大電路輸入端看進去的等效電阻，R=Ui,放Ii大電路輸入電阻的大小要視需要而設計。(3)輸出電阻：從放大電路輸出端看進去的等效電阻，R"(£-1)R,Uo放大電路輸出電阻的大小要視需要而設計。R越小，放大電路帶負載能力愈強。(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)最大輸出功率與效率刀。21.電路組成放大電路組成原則：圖1.11由圖1.11放

19、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BJT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。(4) .輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路。(5) .當負載接入時，必須保證放大管輸出回路的動態(tài)電流能夠作用于負載，從而使負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為電壓變化來實現(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，電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)

20、。動態(tài)：輸入信號不為零時，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，三極管個電極的電壓、電流在特性曲線上確定為一點，稱為靜態(tài)工作點，常稱為Q點。一般用Ib、Ic、和Vce(或Ibq、Icq、和Vceq)表不。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。只有在信號的整個周期內BJT始終工作在放大狀態(tài)，輸出信號才不會產生失真。靜態(tài)工作點設置合適能實現(xiàn)線性放大；靜態(tài)工作點設置偏高會產生飽和失真；靜態(tài)工作點設置偏低會產生截止失真。Q點不僅影響電路是否會產生失真，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

21、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：當沒加輸入信號時，電路在直流電源作用下，直流電流流經的通路。直流通路用于確定靜態(tài)工作點。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，但保留其內阻。交流通路：在輸入信號作用下交流信號流經的通路。交流通路用于計算電路的動態(tài)性能指標。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：采用該方法，必須已知三極管的值。根據(jù)直流通路：硅管Vbe=0.7V,錯管Vbe=0.2VVcc-VbeRIcIb；Vce=Vcc-IcRc3 .用圖解分析法確定靜態(tài)工作點（Q點）：采用

22、該方法分析靜態(tài)工作點，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=VccIbR,兩線的交點即是Q點，得到Ibq。在輸出特性曲線上，作出直流負載線Vce=VccIcRc,與Ibq曲線的交點即為Q點,從而得到Vceq和Icq。圖1.12即為所不"圖1.124 .動態(tài)工作情況分析斜率(1) .交流通路及交流負載線過輸出特性曲線上的Q點做一條斜率為-1/(、/Rc)直線，該直線即為交流負載線。交流負載線是有交流輸入信號時Q點的運動軌跡。R'l=RL/Rc,是交流負載電阻。(2) .輸入交流信號時的圖解分析由圖1.13通過圖解分析，可得如下結

23、論：a.vTVbeTiBTicT%ET|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'lic/mA交流負載線-VcEQ-tic/mA截止區(qū)vce/V3. BJT的三個工作區(qū)飽和區(qū)特點：ic不再隨iB的增加而線性增加，截止區(qū)特點:iB=0,ic=Iceo當工作點進入飽和區(qū)或截止區(qū)時，將產生非線性失真1 .波形的失真飽和失真：由于放大電路的工作點達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。2.放大電路的動態(tài)范圍截止失真：由于放大電路的工作點達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。放大電路要想獲得大的不失真輸