电子线路第二章.ppt
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1、第二章 晶体三极管,2.0 引言 2.1 放大模式下晶体三极管工作原理 2.2 晶体三极管的其它工作模式 2.3 埃伯尔斯莫尔模型 2.4 晶体三极管的伏安特性曲线 2.5 晶体三极管的小信号电路模型 2.6 晶体三极管电路分析方法 2.7 晶体三极管应用原理,引言,组成:,三个区:发射区、集电区、基区;三个极:发射极E、集电极C、基极B;两个结:发射结、集电结;,一、晶体管的结构及符号,是两个靠得很紧,而且是背对背的PN结。,结构:,晶体三极管是带正电的空穴和带负电的电子均参与导电,故又称为双极型晶体管。因为晶体管具有两个PN结,由于两个PN结的相互影响,使得晶体管对外加信号具有放大作用,这
2、一点三极管和二极管截然不同。,2.0 引 言,E,C,B,集电结 CB结,发射结 EB结,集电极,基极,发射极,集电区,基区,发射区,三个区:发射区、集电区、基区;,NPN晶体管示意图,三个极:发射极E、集电极C、基极B;,两个结:发射结、集电结。,2.0 引 言,即 NPN型与 PNP型,电路符号(a),电路符号(b),NPN型结构示意图(a),PNP型结构示意图(b),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。,2.0 引 言,二、晶体三极管的主要特性:,晶体三极管的主要特性与它的工作状态有关:,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。,
3、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。,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。,主要特性:正向受控作用,是实现放大器的基础。,主要特性:受控开关特性,是实现开关电路的基础。,2.1 放大模式下晶体管的工作原理,内部载流子的传输,发射区向基区注入载流子的过程,电子在基区扩散和复合的过程,集电结收集电子的过程,电流的传输方程,各极电流之间的关系式:,和ICEO 的物理含义,晶体管一般模型,指数模型,简化电路模型,一、晶体管内载流子的传输过程,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,
4、载流子传输过程。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,电子流,IE,(1)发射区向基区注入载流子的过程:,穴也要注入发射区,,发射结正偏后,N区的电子源源不断注入基区,,管内载流子传输过程,基区的空,正向扩散电流,即 IEn+IEp 方向由P区指向N区。,空穴流,由发射区和基区的多子通过PN结而形成,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),2.1 放大模式晶体管的工作原理,(2)电子在基区扩散和复合的过程:,扩散过程中又会与基区空穴复合,复合掉的空穴有外电源补充,形成基极电流IB;,由于发射区向基区注入大量电子,基
5、区电子浓度增大,于是电子不断的向集电结扩散。,由此可见,IB是电子在基区与空穴复合的电流。,IB,复合,2.1 放大模式晶体管的工作原理,漂移,ICBO,(3)集电结收集电子的过程:,集电结加较大的反偏,结电场很强,由基区扩散到集电结边缘的电子,迅速漂移越过集电结进入集电区。,流子也要经集电结漂移,构成反向饱和电流ICBO。,形成从外电路,流进集电区的集电极电流IC;,另一方面,集电结两边的少数载,2.1 放大模式晶体管的工作原理,(4)运动过程的载流子电流的关系:,ICp,ICn2,ICBO,ICn1,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
6、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。,集电结总的载流子电流为:,ICn1+ICp+ICn2;,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。,令 ICp+ICn2=ICBO。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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,由基区非平衡少子电子复合掉热平衡多子空穴的复合电流。,IEp,2.1 放大模式晶体管的工作原理,ICn1,IEn,总结两个PN结,共同
7、形成流入基区的载流子电流为,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 的方向为基极流入。,IEp+(IEn ICn1)(ICp+ICn2),IB=IEp+(IEn ICn1)(ICp+ICn2),=IEp+(IEn ICn1)ICBO,2.1 放大模式晶体管的工作原理,综上所述可得:,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,2.1 放大模式晶体管的工作原理,2.1
8、 放大模式晶体管的工作原理,分析讨论:,(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。,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。,即:将IEn 转化为ICn1,,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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:,(
9、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。,二、电流的传输方程,电流传输方程是指晶体三极管在上述正向受控(放大)过程中各极电流之间的关系。,晶体管为三端器件,作为四端网络时,必定有一个极作为输出与输入端口的公共端点,如下图所示。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,共发射极组态,共集电极组态,2.1 放大模式晶体管的工作原理,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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:,(因 IEnIEp,故 IEnIE)。,已知:IC=ICn1+
10、ICBO,(共基极连接时,电流传输方程),所以:,因 ICnIE,,通常ICBO很小,尤其是硅材料制作的硅管,一般可忽略。,方程可近似为:,称为共基极电流传输系数。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,所以,已知:IE=IC+IB,令,则方程可为:,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,*,将此式,2.1 放大模式晶体管的工作原理,将,得:,(共集电极连接时,电流传输方程),通常ICEO 很小,可忽略,则,已知:IE=IC+IB,*,代入此式,(共集电极连接时,电
11、流传输方程),(共发射极连接时,电流传输方程),(共基极连接时,电流传输方程),电流的传输方程,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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=ICICBO)的控制能力。通常ICBO 很小,则可忽略。,的物理含义:,2.1 放大模式晶体管的工作原理,例如,时,,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。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,ICEO 的物理含义,ICEO 是基极开路(即 IB=0)时,由集电极直
12、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。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,当IB=0 时,,IEp+(IEn ICn1)=ICBO,所以,ICEO 远大于ICBO,在常温下ICEO 也很小,可以忽略。,三、一般模型,2.1 放大模式晶体管的工作原理,指数模型,电流传输方程,共B 组态,共E 组态,共C组态,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。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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
13、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 可近似的表示为:,式中,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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连接时电路如图所示。,电流关系:,+VCE-,+VBE-,电路可等效为:,共发射极连接时模型,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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:,共发射极连接时模型,简化电路模型,2.1 放大模式晶体管的工作原理,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,增大,(0.51)%,即,每升高1 VBE(o
14、n)减小(22.5)mV,每升高10 ICBO 增大一 倍,,即,2.2 晶体三极管的其它工作模式,放大模式,截止模式,饱和模式,一、饱和模式,当两个PN结均加正向偏置电压。,晶体三极管内部载流子传输过程:,2.2 晶体三极管的其它工作模式,可分解为两个方向相反的传输过程的叠加。即正向传输和反向传输。,正向传输,2.2 晶体三极管的其它工作模式,发射结产生的正向偏置电流为IF,现将它转移到集电极,则为,假设发射结正偏置,集电结零偏。,反向传输,2.2 晶体三极管的其它工作模式,集电结正偏产生的反向传输电流为IR,转移到发射极的电流为,假设发射结零偏置,集电结正偏置。,2.2 晶体三极管的其它工
15、作模式,与 分别为共基极连接时,正向电流传输系数和反向电流传输系数。,综合分析:,由此可见,在饱和模式下,IE和IC将同时受到两个结正偏电压的控制作用,已不再具有放大模式下的正向受控作用。,2.2 晶体三极管的其它工作模式,若VBC,IE、IC,IR,由于,增加了IR 的空穴电流成分,IB,IR,因此,IC与IE之间或IC与IB之间均不满足放大状态下的电流传输方程。,在饱和模式下,可近似的用两导通电压表示。即,VBE(sat)与 VBC(sat)称为饱和导通电压。,对硅管一般取,VBE(sat)VBE(on)=0.7V,VBC(sat)VBC(on)=0.4V,当共发射极连接时(如图):,VC
16、E=VCB+VBE=VBE-VBC=0.7V 0.4V=0.3V,当晶体三极管处于饱和状态时,其饱和压降为:VCE(sat)=0.3V,2.2 晶体三极管的其它工作模式,饱和模式下共发射极连接时的简化电路模型(如图):,(对小功率晶体三极管而言),二、截止模式,晶体三极管发射结、集电结均反偏。,若忽略它们的反向饱和电流,则可近似认为晶体三极管的各极电流为零。,2.2 晶体三极管的其它工作模式,截止模式下共发射极连接时的,简化电路模型(如图):,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,埃伯尔斯莫尔模型:是晶体三极管的通用模型,适用于各种工作模式。,设晶体三极管处于饱和模式时,两个结均加正偏。,由前节可知:,I
17、F 为发射结正偏电流;,IR 为集电结正偏电流。,它们与结电压之间均满足指数关系:,将其代入右式:,则可得晶体三极管的 IE 与 IC。,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,则晶体三极管的 IE 与 IC 可分别表示为:,根据上式,画出相应的电路模型:,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,同理将 代入,得:,令:,所以,同理:,式中,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,根据方程组,可画出相对应的电路模型:,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,虽然是在晶体三极管工作在饱和模式下推导出来的,实际上它是用于各种工作模式下的通用模型。,例如 发射极正偏,集电结反偏。晶体三极管处在放大模式:
18、,选用(b)图模型,当集电结反偏时,通过的电流为反向饱和电流 ICBO,其值很小,可以忽略。,即,此式为共基极连接时电流传输方程。,埃伯尔斯莫尔模型应用,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,选用(a)图 模型,当发射结正偏、集电结反偏时IR=-ICBS,其值很小可忽略。,即:,当两个结均加反偏时:晶体三极管,则有:IR=-ICBS,IF=-IEBS。,工作在截止模式。,所以,由于ICBS与IEBS均很小可忽略。,故 IC=0、IE=0,因而 IB=0。,2.4 晶体三极管的伏安特性,引 言,输出特性曲线族,极 限 参 数,输入特性曲线族,2.4 晶体三极管的伏安特性,晶体三极管的理想伏安特性曲线,可以根
19、据埃伯尔斯莫尔方程直接画出来。,理想伏安特性曲线:,是不考虑中性区所固有的体电阻、制造工艺上的离散性以及其它的寄生影响等因素。,如果考虑到这些影响,则实际的伏安特性曲线将偏离理想伏安特性曲线。一般都采用实验方法逐点描绘出来或用晶体三极管测试仪直接侧得。,一、引言,2.4 晶体三极管的伏安特性,以共发射极为例:,由电路可知:,有四个变量 IB、VBE、IC、VCE。,输入特性曲线族,输出特性曲线族,或,在某些应用场合下,还需要其它形式的特性曲线,这些特性曲线都可以从上述的输入和输出特性曲线转换得到。,例如转移特性曲线族,电流放大特性曲线族,2.4 晶体三极管的伏安特性,二、输入特性曲线族,实际测
20、量得到的输入特性曲线族。,2.4 晶体三极管的伏安特性,基区宽度调制效应:,2.4 晶体三极管的伏安特性,三、输出特性曲线族,实际测量得到的输出特性曲线族。,放大区,击穿区,根据外加电压大小的不同,整个曲线族可划分为四个区:放大区、截止区、饱和区、击穿区。,2.4 晶体三极管的伏安特性,1、放大区:,晶体三极管工作在放大模式,即 发射结正偏,集电结反偏。,IC 与 IB 之间满足直流传输方程,即,特点:,(1)若设 为常数,当IB等量增加时,输出特性曲线也将等间隔的平行上移。由于基区宽度调制效应,当VCE 增大时,基区复合减小,导致 和相应的 略有增大。,因此,每一条以IB为参变量的曲线都随V
21、CE 增大而略有上翘。,2.4 晶体三极管的伏安特性,(2)若取VBE 为参变量,作特性曲线:,VA称为厄尔利电压,其值的大小可用来表示输出特性曲线的上翘程度。VA越大,上翘程度就越小。,考虑厄尔,应该加以修正为:,利电压的影响,则,2.4 晶体三极管的伏安特性,2、截止区:,晶体三极管工作在截止模式,即发射结反偏,集电结反偏。,工程上可规定 IB=0(相应地 IC=ICEO)以下的区域称为截止区。,特点:,(1)VCE 很大,其值接近偏置电压。,(2)严格的说,截止区应该是 IE=0 以下的区域。,当 IE=0 时 IC=ICBO,IB=-ICBO。,2.4 晶体三极管的伏安特性,3、饱和区
22、:,晶体三极管工作在饱和模式,即 发射结正偏,集电结正偏。,特点:,(1)VCE 很小,其值小于0.3V。(仅适合小功率管),(2)IC 与 IB 之间不满足直流传输方程,并且有IC IB,(3)在工程上,一般忽略IB的影响,并以VCE=0.3V 作为放 大区和饱和区的分界线,(4)由于存在着体电阻和引线电阻,电流越大,在其上产生 的压降就越大,相应曲线开始饱和的VCE 也就越大,因 此,大功率管开始饱和的VCE 大于小功率管。,(5)如果VCE继续减小,并且延伸到负值方向,IC变为负值,晶体三极管便进入反向工作区。,2.4 晶体三极管的伏安特性,2.4 晶体三极管的伏安特性,4、击穿区:,随
23、着VCE增大,加在集电结上反偏电压VCB相应增大,当VCE增大到一定值时,集电结发生反向击穿,使电流IC剧增。,特点:,(1)集电结是轻掺杂的,产生的反向击穿主要是雪崩 击穿,击穿电压较大。,(2)在基区宽度很小的三极管中,会发生特有的穿通 击穿。即 VCE增大,VCB相应增大,导致集电结宽 度增宽,直到集电结与发射结相遇,基区消失。,(3)集电极反向击穿电压随IB增大而减小(碰撞机会增加)。,当IE=0,即IC=ICBO,IB=-ICBO时,击穿电压最大用V(BR)CBO 表示。,V(BR)CBO V(BR)CEO,当基极开路,即IB=0,IC=ICBO时,击穿电压为V(BR)CEO。,2.
24、4 晶体三极管的伏安特性,四、极限参数,ICM 最大允许集电极电流。,V(BR)CEO 集电极反向击穿电压。,PCM 最大允许集电极耗散功率。,2.5 晶体三极管的小信号电路,小信号电路模型,小信号电路模型导出,h参数的物理意义,输入电阻rbe的计算,2.5 晶体三极管的小信号电路,当叠加在Q点上的各交流量足够小时,它们之间的关系可近似用线性函数描述,则相应等效的线性电路,就是晶体三极管的小信号电路模型。,设在晶体三极管各极直流电压和电流上叠加一增量电压和电流(即交流量)。,以共发射极组态为例:,根据电路图有,iB=IBQ+ib,vBE=VBEQ+vbe,iC=ICQ+ic,vCE=VCEQ+
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