第4章双极型晶体管工作原理ppt课件.ppt

4.4 双极性晶体管,双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。常见的晶体管其外形如图示。,晶体管的结构及电路符号,为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构： .发射区相对基区要重掺杂； .基区要很窄（2微米以下）； .集电结面积要大于发射结面积。,例如：3DG6 即为硅NPN型高频小功率管。 3AX18即为锗PNP型低频小功率管。,晶体管类型,4.4.1晶体管的工作原理,当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。,.发射区向基区注入电子,.电子在基区中边扩散边复合,. 电子被集电区收集,根据电荷守衡有 ICN+IBN=IEN,IEP IEN ， 发射极电流IEIEN。,形成基区复合电流IBN ,为基极电流IB的主要部分,形成集电区收集电流ICN , 为集电极电流IC的主要部分。,一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程,通过对管内载流子传输的讨论可以看出，在晶体管中，窄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起。从而把正偏下发射结的正向电流几呼全部地传输到反偏的集电结回路中去。这是晶体管能实现放大功能的关键所在。,. 集电结少子漂移集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。,二. 电流分配关系,由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：,可见，在放大状态下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,1.为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为,其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。 值一般在20200之间。,确定了 值之后，可得,这是今后电路分析中常用的关系式。,由于ICBO极小，在忽略其影响时，晶体管三个电极上的电流近似有：,根据上式，不难求得,2.为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为,显然， 1，一般约为0.970.99。,由于 和 都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由 、 的定义可得,三. 晶体管的放大作用,4.4.2晶体管伏安特性曲线及参数,晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中有共发射极、共集电极和共基极三种基本接法，如图所示。,共发射极,共集电极,共基极,其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。,晶体管共发射极特性曲线,晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图示电路逐点测出。,实测的共射输出特性曲线如图下所示:,一、共发射极输出特性曲线 共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即,临界饱和线,uCE = uBE,共发射极输出特性曲线,在输出特性曲线上可分为三个工作区，分别对应于晶体管的三种工作种状态，即放大、截止和饱和状态。,特点： .基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量IB时，iC就会有很大的变化量IC。,反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。,1. 放大区,条件：e 结正偏（IB 0），c 结反偏（uCEuBE）。,uCE = uBE,为此，定义共发射极交流电流放大系数：, . uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为iB一定而uCE增大时，曲线仅略有上翘（iC略有增大）。,由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时， 集电极电流具有恒流特性。,原因： 基区宽度调制效应（Early效应） 或简称基调效应,临界饱和线,iC不受iB控制，表现为不同iB的曲线在饱和区汇集。,2. 饱和区, 管子饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。其值很小，深饱和时约为0.30.5V。,条件： e结正偏，c结正偏（uCEuBE即临界饱和线的左侧）。,特点：,. iB一定时， iC的数值比放大时小；,由于c结正偏，不利于集电 区收集电子，同时造成基区复合电流增大。因此：,. uCE一定而 iB增大时，iC基本不变。,3. 截止区,当iB=0时，iC= ICEO =(1+ ) ICBO 。这时e结仍有正向受控作用，但对小功率管，ICEO很小，可以认为iB0时，管子截止。反映在特性上，即为iB0的曲线基本重合在水平轴上。,对大功率管，由于ICEO很大，此时，为确保管子截止，e结必须反偏。,条件：e结和c结均处于反偏。,特点：三个电极上的电流均为反向电流，相当极间开路。,二、共发射极输入特性曲线 共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即,(2). 在uCE1V的条件下，正向特性存在导通或死区电压UBE(on),UBE(on),输入特性曲线有如下特点：,(1). uCE增大时曲线基本重合。,UBE(on) 0.6V，硅管， UBE(on) 0.1V，锗管,(3). 当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移。,(4)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0 uCE UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些。,(5)当uBE0时，晶体管截止，iB为反向电流。若反向电压超过某一值时，e结也会发生反向击穿。,综上所述，晶体管是一种非线性导电器件，有三个工作区，对应三种不同的工作状态： .放大状态（iB0，uCEuBE，即e结正偏，c 结反偏） 特点：.iC受iB控制，即IC= IB或IC= IB . IB一定时，iC具有恒流特性。 .饱和状态（ iB0，uCE uBE，即e结、c结均正偏） 特点：. iC不受iB控制，即 .三个电极间的电压很小，相当短路，各极电 流主要由外电 路决定。 .截止状态（ iB0，uCEuBE，即e结、c 结均反偏） 特点：. iCiBiE0 。 . 三个电极间相当开路，各极电位主要由外电 路决定。,IC IB 或,IC IB,晶体管的三种工作状态，在实际中各有应用：,需要指出，使e结反偏而c 结正偏时，这种状态通常称为反向放大（或倒置）状态，在模拟电路中这种工作方式很少采用。,当管子饱和时，相当开关闭合；当管子截止时，相当开关打开。,在构成放大器时，晶体管应工作在放大状态；,用作电子开关时，则要求工作在饱和、截止状态。 即c极端和e极端之间等效为一受b极控制的 开关，如图所示。,晶体管的主要参数,一、电流放大系数 1.共射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 2.共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 ,所以在以后的计算中，不再加以区分。,应当指出，值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大不小的中间值范围内，值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。,二、极间反向电流 1. ICBO ICBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向电 流，称为集电极反向饱和电流。 2. ICEO ICEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向电 流，称为集电极穿透电流。 3. IEBO IEBO指集电极开路时，发射极-基极间的反向电流。,三、结电容 结电容包括发射结电容Ce(或Cbe)和集电结电容Cc(或Cbc)。结电容影响晶体管的频率特性。,四、晶体管的极限参数 1. 击穿电压 U(BR)CBO指e极开路时，c-b极间的反向击穿电压。 U(BR)CEO指b极开路时，c-e极间的反向击穿电压。 U(BR)CEOU(BR)CBO U(BR)EBO指c极开路时，e-b极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。, 2. 集电极最大允许电流ICM 与iC的大小有关，随着iC的增大，值会减小。 ICM一般指下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当iC ICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时， iC不应超过ICM 。,3. 集电极最大允许耗散功率PCM,PCM与管芯的大小、材料、散热条件及环境温度等因素有关。PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如下图所示。,晶体管工作在放大状态时，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此有一个功耗限额。,PC =ICUCE,击穿电压U(BR)CEO,PCM =ICUCE,为了确保管子有效安全工作，使用时不应超出这一工作区。,最大电流ICM,五. 温度对晶体管参数的影响 温度对晶体管的uBE、ICBO和有不容忽视的影响。其中，uBE 、ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即 温度每升高1， uBE减小（2 2.5）mV； 温度每升高10， ICBO增大一倍。,温度对uBE、ICBO和的影响，其结果反映在输出特性曲线上，表现为温度升高曲线上移且间隔增大。,温度对的影响表现为，随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1，值增大0.5%1%(即/T(0.51)%/)。,晶体管工作状态及放大状态下管型、电极的判别,一. 工作状态判别：,放大状态,饱和状态,截止状态,放大状态,举例 判别图示中晶体管的工作状态,二. 晶体管工作在放大状态下管型、电极的判别 1.根据放大管的电极电流判别 规律：电流从e极流出，从b、c极流入，则为NPN管； 电流从e极流入，从b、c极流出，则为PNP管；,举例 判别图示中晶体管的管型、电极并确定值。,e,e,e,b,b,b,c,c,c,PNP型,NPN型,NPN型,=4.9/0.1=49,=1.98/0.02=99,=3/0.05=60,2.根据放大管的电极电位判别 规律：e 结电压为0.7V时为硅管，0.3V时为锗管； c 极电位最高、e 极电位最低，则为NPN管； c 极电位最低、e 极电位最高，则为PNP管；,e,e,e,e,b,b,b,b,c,c,c,c,硅 PNP,硅 NPN,锗 NPN,锗 PNP,举例 判别图示中晶体管的管材、管型和电极。,4.4.3晶体管工作状态分析,由晶体管的伏安特性曲线可知，晶体管是一种复杂的非线性器件。在直流工作时，其非线性主要表现为三种截然不同的工作状态，即放大、截止和饱和。 在实际应用中，根据实现的功能不同，可通过外电路将晶体管偏置在某一规定的状态。 因此，在晶体管应用电路的分析中，一个首要问题，便是晶体管工作状态分析以及直流电路计算。,iB,u,BE,Q,Q,由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间电压将对应于伏安特性曲线上一个点的坐标，这个点我们称为直流(或静态)工作点，简称Q点。,一. 晶体管的直流模型,Q,因此，对晶体管各极直流电流和极间电压的计算通常又称为工作点的计算。,饱和状态UBE=UBE（on）UCE=UCE(sat),放大状态UBE=UBE(on)IC= IB,截止状态IB=0，IC=0,晶体管的三种工作状态，可以分别用上述三个简单电路模型等效，从而简化晶体管直流电路的计算。举例如下：,模型,模型,例1 晶体管电路如下图所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ、ICQ和UCEQ。,解：放大状态下的直流等效电路：,二. 晶体管工作状态分析,晶体管是否截止的判别方法:,可见，晶体管是否截止，是根据外电路所确定的各极电位，通过判断而不是计算得出的。,将晶体管接入直流电路，在通常情况下，围绕晶体管可将电路化为图示的一般形式。,由图可知，若 UBBUEE+UBE(on)且UBB UCC 。 因IB=0或e结反偏， c结也反偏，故晶体管截止。,此时 IB=IC=IE=0 UBE= UBBUEE，UCE=UCCUEE,若UBBUEE+UBE(on)，则晶体管导通。是放大还饱和导通？,借助上式的结果，现在可对电路中的晶体管是处于放大还是饱和作出判别。,？ 放大还是饱和的判别,UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,现假定为放大导通，则直流等效电路：,若UCEQ UBE(ON)（硅管为0.7V锗管为0.3V），则放 大导通的假定成立，即晶体管处于放大状态；,若UCEQUBE(ON)，则晶体管处于饱和状态。,方法1 按假定为放大导通求出的UCEQ，可作如下判断：,根据该IB(sat) 值，与前式算出的IBQ比较可作如下判断： 若IBQ IB(sat) ，晶体管处于放大状态； 若IBQ IB(sat) ， 则晶体管处于饱和状态。,方法2 假定晶体管临界饱和，此时的最大集电极电流 IC(sat)为,按以上方法判别，若晶体管处于放大状态，则由式,算出的结果有效，即为晶体管的直流工作点。,若晶体管处于饱和状态，则上式不再适用。此时按饱和状态下的模型，得出如下管子饱和状态时的直流等效电路：,由图可列出如下方程组,UBB UEE=IBQRB+UBE(on)+(IBQ+ICQ)RE UCCUEE=ICQRC+UCE(sat)+(IBQ+ICQ)RE,显然，求解IBQ和ICQ将是很繁琐的。,如果晶体管是浅饱和，即IBQ不大，即IEQ ICQ，则ICQ的近似值可按下式估算：,例2 判别下列电路中晶体管的工作状态,截止状态,截止状态,截止状态,放大状态,饱和状态,饱和状态,例3 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图 (a)，(b)所示。已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。,解 当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时， ICQ=0，uo=UCEQ=UCC=5V。,当ui =3V时，晶体管导通且有,那么晶体管是放大导通，还是饱和导通？,方法2：集电极临界饱和电流为,所以晶体管处于饱和。此时 ICQ=IC(sat)=1.4mA ，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,因为,方法1：,因为,所以晶体管处于饱和状态,通过本例题可以看出，在实际电路分析中，由于晶体管的直流模型很简单，一旦其工作状态确定，则直流等效电路可不必画出，而等效的涵义将在计算式中反映出来。,4.4.5晶体管应用电路举例,一、对数和反对数运算电路,晶体管的电流方程图中，UO = - UBE = - UTln(IC / IS)，又IC = UI / R，所以这样就实现了对数运算。,图中，输出电压UO = ICR = - ISR exp(- UBE / UT)，而输入电压UI = - UBE，因此,从而实现了UO和UI之间的反对数 (指数) 运算。,二、 值测量电路,图示电路用以测量晶体管的共发射极电流放大倍数 。因为IC = (U1 - U2) / R1，IB = UO / R2，所以,据此可以根据电压表的读数UO，结合预设电压U1和U2以及电阻R1和R2计算 。,三、恒流源电路,如图所示，稳压二极管DZ的稳定电压UZ = 6 V。UZ通过集成运放A传递到电阻R2上端，于是有IO = IC IE = UZ / R2 = 20 mA。,作业 p64 2-2, 2-3, 2-4, 2-7(只求复合管的等效) 2-8,本节课的主要内容,2-3晶体管工作状态分析及偏置电路,一.晶体管的直流电路模型,二.晶体管工作状态分析,三.放大状态下的直流偏置电路,饱和状态UBE=UBE（on）UCE=UCE(sat),放大状态UBE=UBE(on)IC= IB,截止状态IB=0，IC=0,模型,模型,晶体管的直流电路模型,若UBBUBE(on) 则晶体管导通。,假定为放大导通,UBBUBE(on)且UBB UCC 晶体管截止。,若UCEQ UBE(ON) 放大导通；,若UCEQUBE(ON) 饱和导通。,方法1：,方法2：,若IBQ IB(sat) 饱和导通。,若IBQ IB(sat) 放大导通；,若UBBUEE+UBE(on)，则晶体管导通。是放大还是饱和导通？,UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,现假定为放大导通，则直流等效电路：,UBBUEE+UBE(on)且UBB UCC 晶体管截止。,若UCEQ UBE(ON) 晶体管放大导通；,若UCEQUBE(ON) 则晶体管饱和道通。,例题 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图 (a)，(b)所示。已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。,解 当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时， ICQ=0，uo=UCEQ=UCC=5V。,当ui =3V时，晶体管导通且有,那么晶体管是放大导通，还是饱和导通？,方法2：集电极临界饱和电流为,所以晶体管处于饱和。此时 ICQ=IC(sat)=1.4mA ，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,因为,方法1：,因为,所以晶体管处于饱和状态,通过本例题可以看出，在实际电路分析中，由于晶体管的直流模型很简单，一旦其工作状态确定，则直流等效电路可不必画出，而等效的涵义将在计算式中反映出来。,一. 放大状态下晶体管中载流子的传输过程,二.电流分配关系,复 习 小 结,综上所述，晶体管是一种非线性导电器件，有三个工作区，对应三种不同的工作状态： .放大状态（iB0，uCEuBE，即e结正偏，c 结反偏） 特点：.iC受iB控制，即IC= IB或IC= IB . IB一定时，iC具有恒流特性。 .饱和状态（ iB0，uCE uBE，即e结、c结均正偏） 特点：. iC不受iB控制，即 .三个电极间的电压很小，相当短路，各极电 流主要由外电 路决定。 .截止状态（ iB0，uCEuBE，即e结、c 结均反偏） 特点：. iCiBiE0 。 . 三个电极间相当开路，各极电位主要由外电 路决定。,IC IB 或,IC IB,晶体管共发射极伏安特性曲线,UBE(on),.放大区（iB0，uCEuBE， 即e结正偏，c 结反偏）,.饱和区（ iB0，uCE uBE，即e结、c结均正偏）,.截止区（ iB0，uCEuBE，即e结、c 结均反偏）,.放大状态 特点：.iC受iB控制，即IC= IB或IC= IB . IB一定时，iC具有恒流特性。 .饱和状态 特点：. iC不受iB控制，即 .三个电极间的电压很小， UBE=0.7V, UCE=0.5V,相当短路，各极电流主要由外电路决定。 .截止状态 特点：. iCiBiE0 。 . 三个电极间相当开路，各极电位主要由外电 路决定。,三种工作状态的特点：,IC IB 或,IC IB,