半导体三极管及其应用课件.ppt
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- 半导体 三极管 及其 应用 课件
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1、第三章第三章 半导体三极管及其应用半导体三极管及其应用n半导体三极管半导体三极管n放大电路的图解分析法放大电路的图解分析法n放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法n放大电路工作点稳定放大电路工作点稳定n共集电极和共基极电路共集电极和共基极电路n放大电路的频率响应放大电路的频率响应n放大电路的瞬态响应放大电路的瞬态响应3.1 双极型三极管双极型三极管n半导体三极管的结构n三极管内部的电流分配与控制n三极管各电极的电流关系n三极管的共射极特性曲线n半导体三极管的参数n三极管的型号n三极管应用3.1.1 3.1.1 半导体三极管的结构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
2、图所示。双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型它有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。e-b间的PN结称为发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结(Jc)中间部分称为基区,连上电极称为基极,用B或b表示(Base);一侧称为发射区,电极称为发射极,用E或e表示(Emitter);另一侧称为集电区和集电极,用C或c表示(Collector)。双极型三极管的符号中,发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。半导体三极管的结构半导体三极管的结构 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
3、几十个微米。3.1.2 三极管内部的电流分配与控制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。现以 NPN型三极管的放大状态为例,来说明三极管内部的电流关系。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo电流分配与控制电流分配与控制 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)发射区向基发射区向基区注入电子:区注入电子: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。IEN IEP方向相同VBBVCC电流分配与控制电流分配与控制(2)电子在基区
4、复合和扩散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。VBBVCC电流分配与控制电流分配与控制(4)集电极的反向电流集电极的反向电流 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ICBOVBBVCC电流分配与控制电流分配与控制 IE=IEN+IEP 且有IENIEP IEN=ICN+IBN 且有IEN IBN ,ICNIBN
5、IC=ICN+ICBO IB=IEP+IBNICBOIE=IC+IBVBBVCC3.1.3 3.1.3 三极管各电极的电流关系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。共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示;(2)(2)三极管的电流放大系数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:ECN/II 称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达
6、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0.980.999。由此可得:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBOCEOBCBOBIIII11IC电流放大系数电流放大系数在忽略ICBO情况下,IC、IE 和IB之间的关系可近似表示为:BCEBEBCIIIIIII 1 BCEBEBCIIIIIII 1 BCCEOBCIIIII 很小时当定义1=式中:称为共发射极接法直流电流放大倍数。CBOCBOCEOIII)+1(=-1=3.1.4 3.1.4 三极管的共射极特性曲线三极管的共射极特性曲线
7、 输入特性曲线 iB=f(vBE)vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE)iB=const共发射极接法三极管的特性曲线:这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流,vBE是输入电压,加在B、E两电极之间。iC是输出电流,vCE是输出电压,从C、E两电极取出。RCRbVccBBV+_VoiBiCiE+_vBE+_vCEbce信号表示信号表示信号表示(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 IB 表示直流变化量 iB 表示iB的变化量1.1.输入特性曲线输入特性曲线i (uA
8、)B100204060800.2 0.40v (V)BEV =0VCEV =0.5VCEV 1VCEVCE一定时,iB与vBE之间的变化关系:由于受集电结电压的影响,输入特性与一个单独的PN结的伏安特性曲线有所不同。在讨论输入特性曲线时,设vCE=const(常数)。CEV)(BEBvfi(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:两个两个PN结并联结并联输入特性曲线输入特性曲线i (uA)B100204060800.2 0.40v (V)BEV =0VCEV =0.5VCEV 1VCE(2)VCE
9、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。VCE1V:iB比比VCE=0V时小时小(3)VCE介于01V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。0VCE1V:VCE iB 2.输出特性曲线输出特性曲线表示IB一定时,iC与vCE之间的变化关系。BI)(CECvfi 放放大大区区饱饱和和区区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE
10、=VBE0(1)放大区放大区JE正偏,正偏,JC反偏反偏,对应一个IB,iC基本不随vCE增大,IC=IB。处于放大区的三极管相当于一个电流控制电流源。(2)截止区:对应IB0的区域,JC和和JE都反偏,都反偏,IB=IC=0输出特性曲线输出特性曲线(3)饱和区对应于vCEvBE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和和JE都正偏,都正偏,VCES约等于约等于0.3V,IC IB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。放放大大区区饱饱和和区区截止区0uA100uA80
11、uA60uA40uA20uAICBOvCEic64224681012VCE=VBE0输出特性曲线总结输出特性曲线总结饱和区iC受vCE显著控制的区域,该区域内vCE的 数值较小,一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小。截止区iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。此时,发射结反偏,集电结反偏。放大区iC平行于vCE轴的区域,曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏,电压大于0.7 V左右(硅管)。动画2-2三极管工作情况总结三极管工作情况总结状状态态发发射射结结集集电电结结IC截止反偏或零偏反偏0放大正偏反偏 IB饱和正偏正偏 IB三极管处于放大状态
12、时,三个极上的 电流关系:电位关系:BCEBEBCIIIIIII 1 NPNPNPc最高最低b中VB=VE+0.7V中VB=VE-0.7Ve最低最高3.温度对三极管特性的影响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)增大2.1.5 半导体三极管的参数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1.直流参数 直流电流放大系数 a.共基极直流电流放大系数 =IC/IE=IB/1+IB=/1+三极管的三极管的直流参数直流参数 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上,通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来
13、求取IC/IB,如下左图所示。在IC较小时和IC较大时,会有所减小,这一关系见下右图。b.共射极直流电流放大系数:=(ICICEO)/IBIC/IB vCE=const三极管的三极管的直流参数直流参数b.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO之间的关系:ICEO=(1+)ICBO相当于基极开路时,集电极和发射极间的反向饱和电流,即输出特性曲线IB=0时曲线所对应的Y坐标的数值,如图所示。极间反向电流a.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极,O是Open的字头,代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。三极管的三极管的交流交流参数参数2
14、.交流参数交流电流放大系数 a.共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const在放大区 值基本不变,可在共射接法输出特性曲线上通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。或在图上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图所示。三极管的三极管的交流交流参数参数 b.共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时,、,可以不加区分。特征频率特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关。由于结电容的影响,当信号频率增加时,三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率,用fT表示。三极管的三极管的极限极限参数参数 如图所示,当集电极电流增加
15、时,就要下降,当值下降到线性放大区值的7030时,所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少,不同型号的三极管,不同的厂家的规定有所差别。可见,当ICICM时,并不表示三极管会损坏。(3)极限参数集电极最大允许电流ICM三极管的三极管的极限极限参数参数集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗,PCM=ICVCBICVCE,因发射结正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。三极管的三极管的极限极限参数参数反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力,其测试时的原理电路如图所示。BR代表击穿之意,是Brea
16、kdown的字头。几个击穿电压在大小上有如下关系:V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR)EBO三极管的三极管的极限极限参数参数 a.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标 CB代表集电极和基极,O代表第三个电 极E开路。b.V(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。c.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻,V(BR)CES表示BE间是短路的。三极管的安全工作区三极管的安全工作区由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区,见下图。三极管的参数三极
17、管的参数参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126*83BX31C 125 125 40 246*83CG101C3CG101C 100 30 450.1 1003DG123C3DG123C 500 50 40 300.353DD101D3DD101D 5A 5A 300 25042mA3DK100B3DK100B 100 30 25 150.1 3003DKG23 250W 30A 400 325 8注:*为 f 3.1.6 3.1.6 三极管的型号三极管的型号国家标准对半
18、导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B 第二位:A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管 第三位:X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管3.1.7 三极管应用三极管应用Vi=5V时,IB=(5-0.7)/10K=0.43mAICS=10V/5K=2mAVBE时:ceRbRCVCCb+_ _+_ _VBBCb2+Tvi
19、voCb1基本共射放大电路基本共射放大电路(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。(6)Cb1,Cb2:耦合电容或隔 直电容,其作用是通交流 隔直流。ceRbRCVCCb+_ _+_ _VBBCb2+TvivoCb1基本共射放大电路基本共射放大电路RL:负载电阻ceRbRCVCCb+_ _+_ _VBBCb2+TvivoCb1RLT+vivoRLTCb1VCCCb2+_ _+_ _RbRC3.共射电路共射电路放大原理放大原理+vivoCb1VCCCb2+_ _+_
20、 _RbRC12V300K4K=40vi 变化 iB 变化 iC 变化 vCE 变化 vo 变化Cb1iC=iBvCE=VCC-iCRCVR-IVVmAII uARVICCCCCEBCbCCB6.56.1 40 oCCCECBivVRivmAiuAimVv8.02.0514.4.放大电路的主要技术指标放大电路的主要技术指标(1)(1)放大倍数放大倍数(2)(2)输入电阻输入电阻Ri(3)(3)输出电阻输出电阻Ro(4)(4)通频带通频带(1)(1)放大倍数放大倍数 放大电路的输出信号的电压和电流幅度得到了放大,所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有:通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义
21、式中各有关量如图所示。io/VVAv电压放大倍数:io/IIAi电流放大倍数:iiooio/IVIVPPAp功率放大倍数:(2)(2)输入电阻输入电阻 Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。Ri大,放大电路从信号源吸取的电流小,反之则大。Ri的定义:iiiIVR(3)(3)输出电阻输出电阻Ro(a)从假想的 求Ro (b)从负载特性曲线求RooV输出电阻是表明放大电路带负载的能力,Ro大表明放大电路带负载的能力差,反之则强。Ro的定义:0,.o.ooSL=VRIVR则:Ro=Vo/Io=(VoVo)/Io =(VoVo)RL/Vo =(Vo/Vo)1 RL。,开路时的输出为、
22、,测得时,在带根据图oooL)b(VIVR输出电阻输出电阻Ro注意:放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数,只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。(4)(4)通频带通频带 放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的 1/时,即:200HL7.02)()(AAfAfA相应的频率:fL称为下限频率fH称为上限频率问题问题问题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 Hz10 kHz,那么放大电路的通频带应 如何选择?如果
23、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放大电路的图解分析法n直流通路与交流通路直流通路与交流通路n静态分析静态分析n近似估算法n图解分析n电路参数变化对Q点的影响n动态分析动态分析n截止失真n饱和失真n交流负载线n最大不失真输出n输出功率和功率三角形1.直流通路与交流通路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)。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
24、区分静态和动态,正确地区分直流通道和交流通道。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)。直流通路直流通路TRRVb1b2bCCCCC+vovi电容Cb1和Cb2断开TRRVbCCC直流通路 即能通过直流的通道。从C、B、E向外看,有直流负载电阻,Rc、Rb。交流通路交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio+vovi直流电源和耦合电容对交流相当于短路TRRbC+_+_vovi若直流电源内阻为零,交流电流流过直流电源时,没有压降。设C1、C2 足够大,对信号而言,其上的交流压降近似为零。在交流通道中,可将直流电源和耦合电容短路。交流通路:能通过交流的电路通道。从C、B
25、、E向外看,有等效的交流负载电阻,Rc/RL和偏置电阻Rb。2.静态分析静态分析(1)静态工作点的近似估算法静态工作点的近似估算法 已知硅管导通时VBE0.7V,锗管VBE 0.2V以及=40,根据直流通路则有:VRIVVmAIIARVVICCQCCCEQBQCQbBECCBQ6.5=6.1=40=-Q:(40uA,1.6mA,5.6V)RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流电路固定偏流电路RbRCvoviCb1Cb2VCC+Re0.5K330K4K15V=50例例3.2.1:电路及参数如图,求:电路及参数如图,求Q点值点值直流通路RbRCVCC330K4K15V=50Re0.5K例例
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