电子线路第二章第一节三极管.ppt
电子线路,线性部分（第四版）,新疆大学信息科学与工程学院电子系,课件制作：地里木拉提.吐尔逊 许 植,第二章 晶体三极管,第二章 前言第一节 放大模式下晶体三极管的工作原理第二节 晶体三极管的其它工作模式第三节 埃伯尔斯-莫尔模型第四节 晶体三极管的伏安特性曲线第五节 晶体三极管的小信号电路模型第六节 晶体三极管电路分析法第七节 晶体三极管应用原理,第二章 晶体三极管,前言 晶体三极管是一种具有正向受控作用的半导体器件，它的内部有两个背靠背排列的PN结(不能用两个二极管对接而成)。按结构划分，三极管有NPN型与PNP型两种。,NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。,2.1 教学要求,1、掌握晶体三极管放大模式下的电流分配关系式2、熟悉三极管放大、饱和、截止三种模式的工作条件及性能特点3、熟悉三极管的数学模型、直流简化电路模型，共E电路曲线模型及小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合4、熟悉三极管放大电路的三种分析方法：估算法；图解法及小信号等效电路法。能熟练利用估算法判断三极管的工作模式5、本章2.3节、2.7、2.8根据教学需要，可作为扩展内容。,2.2 基本内容,晶体三极管的内部结构特点:发射区高掺加基区很薄集电结面积大2.2.1 放大模式下电流分配基本关系式2.2.2 三极管的通用模型-伏安特性曲线,2.2.3 三极管的简化模型1、放大模式下三极管的模型数学模型（指数模型）直流简化电路模型交流小信号电路模型2、饱和与截止模式下三极管的模型,2.2.4 三极管电路分析方法 先进行直流分析，后进行交流分析1、直流分析方法分析IBQ、ICQ、VCEQ可采用图解法或估算法2、交流分析方法分析Av、Ri、R0可采用图解法与小信号等效电路方法2.2.5 放大器的构成 电路都是以三端器件（三极管、场效应管）为核心，再配以合适的管外电路而组成,1、结构：,它的基本组成部分，是两个靠得很紧，而且是背对背的PN结。,第一节 放大模式下晶体三极管的工作原理,根据杂质半导体的排列方式不同，晶体三极管有两种不同的类型，并且只有两种类型。,即 NPN型与 PNP型,NPN型电路符号,PNP型电路符号,晶体三极管的主要特性与它的工作状态有关：,（1）、放大状态：定义为发射结外加正偏电压，集电结外加反偏电压。这种作用是实现放大器的基础。,（2）、饱和状态：定义为发射结外加正偏电压，集电结外加正偏电压。,（3）、截止状态：定义为发射结外加反偏电压，集电结外加反偏电压。这两种模式呈现受控开关特性，实现开关电路的基础。,2、晶体三极管的主要特性：,第一节 放大模式下晶体三极管,的工作原理,1、内部载流子传输过程：,晶体三极管的两个PN结是通过基区产生耦合作用，连接在一起的。,以NPN型晶体三极管为例：,分析：晶体三极管处于放大模式下，载流子传输过程。,（1）、发射区向基区注入载流子的过程：,发射结正偏后，形成的正向扩散电流，是由发射区和基区得多子通过PN结而形成。,即 IEn+IEp 方向由P区指向N区,式中 IEn,为电子电流；,IEp,为空穴电流。,为满足电中性条件：,必须通过外电路向发射区补充电子，因此，外电路的电流为,IE=IEn+IEp,（IE 的方向为发射极流出）,（2）、集电结收集电子的过程：,由发射区向基区注入电子为基区的非平衡少子，在浓度梯度的影响下，边扩散、边复合，向集电结边界运动。并且，在集电结反偏电场的作用下，快速通过PN结，进入集电区形成电子电流。,与其有关的载流子流有：,ICn1,由基区非平衡少子电子，在外电场作用下，形成的漂移电子电流。,ICp,由集电区中热平衡少子空穴，在外电场作用下，形成的漂移空穴电流。,ICn2,由基区中热平衡少子电子，在外电场作用下，形成的漂移电子电流。,总的载流子电流为：,ICn1+ICp+ICn2,ICn1+ICp+ICn2,其中,令 ICp+ICn2=ICBO,ICBO 是集电结本身的反向饱和电流,为满足电中性条件，必须通过外电路向集电区补充空穴，因此，外电路的电流为,IC=ICn1+ICp+ICn2=ICn1+ICBO,IC 的方向为集电极流入,（3）、电子在基区扩散和复合的过程：,IEp,由基区热平衡多子空穴，在外电场作用下，扩散到发射区形成的空穴电流。,IEn ICn1,由基区非平衡少子在向集电结扩散过程而被复合形成的复合电流。,ICp、ICn2,由基区与集电区中的热平衡少子，在外电场用下，形成漂移电子电流及空穴电流。,总结两个PN结，共同形成流入基区的载流子电流为,IEp+(IEn ICn1)(ICp+ICn2),为满足电中性条件，必须通过外电路向基区补充空穴，因此，外电路的电流为：,IB=IEp+(IEn ICn1)(ICp+ICn2),=IEp+(IEn ICn1)ICBO,IB 的方向为基极流入,综合前面的分析有：,IE=IEn+IEp,IC=ICn1+ICp+ICn2=ICn1+ICBO,IB=,IEp+(IEn ICn1)ICBO,IC+IB=ICn1+ICBO+IEp+(IEn ICn1)ICBO,=IEn+IEp=IE,即,IE=IC+IB,由此，可以看出晶体三极管的三个电极的电流，满足上述的节点方程。,讨论：,（1）、只有发射区中的多子，自由电子通过发射结,基区,集电结,集电区。,即,将IEn 转化为 ICn1，并且ICn1 的大小只受发射结的电压VBE 的控制。,当 VBE,IEn,ICn1 时，,ICn1 的大小几乎不受集电结反偏电压的控制。,（2）、其它载流子电流，只能分别产生两个结的电流，而不会转化另一个结的电流。它们对正向控制作用来说都是无用的。称为晶体三极管的寄生 电流。,（3）、对晶体三极管来说要减小寄生电流。以保证受控载流子的传输效率，即提高放大性能。,通过上面的分析可知，在制造晶体三极管时，必须满足下列条件：,（1）、发射结为不对称结。,（2）、基区的宽度很窄。,（3）、集电结的面积大于发射结的面积。,2、电流的传输方程：,电流的传输方程：是指晶体三极管在上述正向受控过程中，各极电流之间的关系式。,共基极组态,共发射极组态,共集电极组态,（1）、各极电流之间的关系式：,根据内部载流子传输过程分析可知，ICn1 是由IEn 转化得到的：,设、,为转化系数（或称为转化能力）。,定义为：,IEn IEp、故 IEn IE,已知 IC=ICn1+ICBO,(共基极连接时，电流传输方程),所以,因为,通常 ICBO 很小，尤其是硅材料制作的硅管，一般可以忽略。,方程可近似为：,称为共基极电流传输系数。,已知,代入,得：,所以,令,则方程可写为：,令,则,（共发射极连接时，电流传输方程）,称为共发射极电流放大系数，其值大于1,ICEO 是基极开路时（IB=0）的集电极电流，称为穿透电流。通常很小,所以上式可简化为,已知：,代入,得：,共集电极连接时，电流传输方程：,通常ICEO 很小，可忽略，则,将,代入,故,表示晶体三极管的基极电流IB 对集电极电流IC 的控制能力。,实际上表示为，IB 中受发射结电压控制的电流成分（IB+ICBO）对集电极正向受控电流成分（ICn1=IC ICBO）的控制能力。通常ICBO 很小，则可忽略。,表明共发射极连接时，晶体三极管具有电流放大作用。但其值有较大的离散性。,（b）、ICEO 的物理含义,ICEO 是基极开路（即 IB=0）时，由集电极直通到发射极的电流。,根据图可得：,集电结上外加反偏电压，发射结外加正偏电压。晶体三极管仍工作在放大模式，具有放大模式，即 放大作用。,当 IB=0 时,IEp+(IEn ICn1)=ICBO,所以,ICEO 远大于ICBO，不过在常温下ICEO 也很小，可以忽略。,3、一般模型：,（1）、指数模型,电流传输方程,共B,共E,共C,则不论采用哪种方式连接，其输出电流与输入电流之间的关系是线性的。,实际上，控制电流IE 或 IB 是受发射结电压 VBE 控制的。VBE 为发射结正向偏置电压，因此，IE 应该服从下面的指数关系。,式中 IEBS 为发射结的反向饱和电流。,则 相应的集电极电流IC 可近似的表示,式中,（2）、简化电路模型：,晶体三极管实质上，是输出电流受输入发射结电压控制的非线性器件。当共E连接时，如图所示,电流关系：,电路可等效为：,晶体三极管共发射极连接时的电路模型,在工程分析时，可忽略二极管的正向导通电阻，电路又可等效为：,晶体三极管的参数：,均为温度敏感参数。,在工程分析时，可近似认为：,每升高1,即,每升高1 VBE(on)减小（22.5）mV,每升高10 ICBO 增大一 倍，,即,
