三极管的三大应用

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第三章 半导体三极管及其应用

§3.1 双极型三极管

3.1.1 半导体三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。

双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。

3.1.2 三极管内部的电流分配与控制

双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压，如图所示。

在发射结正偏，集电结反偏条件下，三极管中载流子的运动：

(1)在VBB作用下，发射区向基区注入电子形成IEN，基区空穴向发射区扩散形成IEP。

(2) 电子在基区复合和扩散，由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。

(3) 集电结收集电子，由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。

(4) 集电极的反向电流，集电结收集到的电子包括两部分：发射区扩散到基区的电子——ICN，基区的少数载流子——ICBO

IE=IEN+IEP 且有 IEN>>IEP

IEN=ICN+IBN 且有 IEN>>IBN ，ICN>>IBN

IC=ICN+ICBO IB=IEP+IBN－ICBO IE=IC+IB

3.1.3 三极管各电极的电流关系

(1)三种组态

双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见下图

共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；

共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。

(2)三极管的电流放大系数

对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:

称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以的值小于1, 但接近1，一般为0.98~0.999 。由此可得:

在忽略ICBO情况下， IC 、 IE 和IB之间的关系可近似表示为：

3.1.4 三极管的共射极特性曲线

信号表示

信号表示（对IC 、VBE 、VCE 等意义相同）：IB 表示直流量／Ib 表示交流有效值／Ib 表示复数量／iB 表示交直流混合量／ib 表示交流变化量

1. 输入特性曲线

(1) VCE=0时：b、e间加正向电压， JC和JE都正偏， JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性。VCE=0V： 两个PN结并联

(2) VCE>1V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏， JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只有小部分与基区多子形成电流IB。所以在相同的VBE下，IB要比VCE=0V时小。VCE>1V： iB比VCE=0V时小

(3) VCE介于0~1V之间时，JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着VCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。0<VCE<1V: VCE增加，iB减小

2. 输出特性曲线

3) 饱和区：对应于VCE<VBE的区域，集电结处于正偏，吸引电子的能力较弱。随着VCE增加，集电结吸引电子能力增强，iC增大。JC和JE都正偏，VCES约等于0.3V，饱和时c、e间电压记为VCES，深度饱和时VCES约等于0.3V。饱和时的三极管c、e间相当于一个压控电阻。

3. 温度对三极管特性的影响

温度升高使：（1）输入特性曲线左移

（2）ICBO增大，输出特性曲线上移

（3）β增大

3.1.5 半导体三极管的参数

半导体三极管的参数分为三大类: 直流参数，交流参数，极限参数

3.1.6 三极管的型号

3.1.7 三极管应用

三极管工作情况总结

例3.1.1：判断三极管的工作状态

例3.1.2：判断三极管的工作状态

§3.2 基本共射极放大电路电路分析

3.2.1 基本共射放大电路

1. 放大电路概念：基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。

a.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。

b.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。

2. 电路组成:

(1)三极管T

(2)VCC：为JC提供反偏电压，一般几~ 几十伏

(3)RC：将IC的变化转换为Vo的变化，一般几K~几十K。VCE=VCC-ICRC RC ，VCC 同属集电极回路。

(4)VBB：为发射结提供正偏。

(6)Cb1，Cb2：耦合电容或隔直电容，其作用是通交流隔直流。

(7)Vi：输入信号

(8)Vo：输出信号

(9)公共地或共同端，电路中每一点的电位实际上都是该点与公共端之间的电位差。图中各电压的极性是参考极性，电流的参考方向如图所示。

3. 共射电路放大原理

4. 放大电路的主要技术指标

放大倍数／输入电阻Ri／输出电阻Ro／通频带

（1）放大倍数

(2) 输入电阻 Ri

(3) 输出电阻Ro

(4) 通频带

问题1：放大电路的输出电阻小，对放大电路输出电压的稳定性是否有利？

问题2：有一个放大电路的输入信号的频率成分为100 Hz~10 kHz，那么放大电路的通频带应如何选择？如果放大电路的通频带比输入信号的频带窄，那么输出信号将发生什么变化？

3.2.2 放大电路的图解分析法

1. 直流通路与交流通路

静态：只考虑直流信号，即Vi=0，各点电位不变（直流工作状态）。

动态：只考虑交流信号，即Vi不为0，各点电位变化（交流工作状态）。

直流通路：电路中无变化量，电容相当于开路，电感相当于短路。

交流通路：电路中电容短路，电感开路，直流电源对公共端短路。

放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。

直流通路

交流通路

2. 静态分析

例3.2.1：电路及参数如图，求Q点值

例3.2.2：电路及参数如图，求Q点值

(2) 静态工作点的图解分析

讨论：电路参数变化对Q点的影响

3. 动态分析

截止失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。

饱和失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。

交流负载线

最大不失真输出：放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要

输出功率和功率三角形

3.2.3 放大电路的小信号模型分析法

图解法的适用范围：信号频率低、幅度 较大的情况。

如果电路中输入信号很小，可把三极管特性曲线在小范围内用直线代替，从而把放大电路当作线性电路处理——微变等效电路。

1.三极管可以用一个模型来代替。

2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。

3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。

1. h参数等效电路

2. 三极管共射h参数等效电路

3.

参数的物理含义

三极管共射简化h参数等效电路

3.2.3 基本共射电路分析计算

1. 计算电压放大倍数Av

2. 计算输入电阻 Ri

例3.2.3：求Av ，R i，Ro

例3.2.4

§3.3 基本放大电路的三种组态

组态一：共射电路

组态二：共集电极电路

共集电极组态基本放大电路如图所示。

(1)直流分析

(2)交流分析

放大倍数／输入电阻／输出电阻

组态三：共基极放大电路

共基组态放大电路如图

交流、直流通路

微变等效电路

共基极组态基本放大电路的微变等效电路

性能指标

三种组态电路比较

§3.4 基本放大电路的频率响应

频率失真：幅度失真和相位失真(p20-21图1.2.9)

3.4.1 RC电路的频率响应

2. RC高通滤波电路

3.4.2 三极管的高频等效模型

三极管的频率参数fβ和fT

高频等效模型的单向化

在简化混合π型模型中，因存在Cb’c ，对求解不便，可通过单向化处理加以变换。

密勒定理

高频等效模型的单向化

3.4.3 基本共射电路的频率响应

高频段等效电路

高频段频响波特图

低频段等效电路

全频段总电压放大倍数

全频段放大倍数波特图

放大电路的增益带宽积

§3.5 多级放大电路

3.5.1 多级放大电路

3.5.2 直接耦合多级放大电路

直接耦合多级放大电路动态分析

3.5.3 阻容耦合多级放大电路

3.5.4 变压器耦合多级放大电路

3.5.5 多级放大电路的频率响应

本章总结

例题1 共基电路

例题2 共集电路

例题3 共射电路

例题4 共射电路低频响应

例题5 多级放大电路1

例题6 多级放大电路2

双极型晶体管又称三极管，通常简称为晶体管。两种不同极性的载流子（电子与空穴）同时参与导电，故称为双极型晶体管（BJT）。BJT是英文Biopolar Junction Transistor的缩写。在大多数电子设备中都可以见到他的身影。一、基本结构晶体管是由两个PN结构成的，根据PN结材料的不同可分为硅管和锗管，当前国内生产的硅管多为NPN（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）。三极管实际上是在一块半导体基片上制作两个距离很近的PN结。这两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分为基极（b），两侧部分为集电极（c)和发射极（e),排列方式有NPN和PNP两种，如图所示常见三极管的实物外形及结构根据功率不同，晶体管可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管，小功率晶体管的功率一般小于0.3w，中功率晶体管的功率一般在0.3w~1w之间，大功率晶体管功率一般在1W以上，通常需要安装在散热片上。二、放大条件外部条件：对于NPN型管而言发射极加上正向电压（正向偏置），集电极加反向电压（反向）偏置，晶体管才能起到放大作用。VBB：保证发射结正向偏置Rb：限制基极电流Vcc：保证集电结反向偏置Rc：将集电极电流的变化转化成电压的变化。内部条件：扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC，IE=IB+IC。三、主要参数1.电流放大系数 [公式][公式]2.集-基极反向截止电流 [公式]3.集-射极反向截止电流 [公式]4.集电极最大允许电流[公式]5.集-射集反向击穿电压 [公式]6.集电极最大允许耗散功率 [公式]

单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电路如图所示。

单结晶体管的特性：

从图1可以看出，两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻：

rbb=rb1+rb2

式中：rb1----第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。

若在两面三刀基极b2、b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：

VA=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb

式中：η----称为分压比，其值一般在0.3---0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图2

（1）当Ve＜η Vbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。

（2）当Ve≥η Vbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7伏），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηVbb

（3）随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。

（4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。

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