1、第二章第二章 双极型晶体管双极型晶体管及其放大电路及其放大电路vBipolar Junction Transistor 缩写 BJT简称晶体管晶体管或三极管三极管v双极型双极型 器件两种载流子两种载流子（多子、少子多子、少子）cbeNPNPNPcbe(a) NPN管的原理结构示意图管的原理结构示意图(b) 电路符号电路符号2.1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理base collector emitterecb发射极发射极基极基极集电极集电极基区基区发射结发射结集电结集电结发射区发射区集电区集电区N+PN发射极发射极箭头方向箭头方向是指发射结正偏时的电流方向是指发射结正偏时的电流方
2、向2.1.1 结构结构P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区ec(b)N衬底N型外延PNcebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN图图2.1.2 平面管结构剖面图平面管结构剖面图发射区发射区(重掺杂重掺杂)，基区，基区(很薄很薄)，集电区（，集电区（结面积大结面积大）ecb发射极发射极基极基极集电极集电极基区基区发射结发射结集电结集电结发射区发射区集电区集电区N+PN晶体管具有信号放大作用的条件晶体管具有信号放大作用的条件内部条件内部条件发射区重掺杂发射区重掺杂(故管子故管子e、 c极不能互换极不能互换)基区很薄基区很薄(几个几个 m)集
3、电结面积大集电结面积大外部条件外部条件 发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏cbeNPNUC UB UE UC UB UE PNPcbec区区b区区e区区NNPBBUCCURBRCebc 2.1.2 双极性晶体管的工作原理双极性晶体管的工作原理图图2.1.3 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流以以NPN为例。为例。 一、放大状态下晶体管中载流子的运动一、放大状态下晶体管中载流子的运动 （1）因为发射结正偏，所以发）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子射区向基区注入电子 ，形成了扩，形成了扩散电流散电流IEN 。同时从基区向发射区。同时从基区向发射区也有空穴的扩
4、散运动，形成的电也有空穴的扩散运动，形成的电流为流为IEP。但其数量小，可忽略但其数量小，可忽略。 所以发射极电流所以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注）发射区的电子注入基区后，变成了少数载入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成复合掉，形成IBN。大部分。大部分到达了集电区的边缘。到达了集电区的边缘。NNPBBVCCVRbRCebcBIIENEPIIECNICINNPBBVCCVRbRCebcBIIENEPIIE（3）因为集电结）因为集电结反偏，收集扩散到反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，集电区边缘的电子，形成电流形成电流ICN 。 另
5、外，集电结区另外，集电结区和基区本身的少和基区本身的少子形成漂移电流子形成漂移电流ICBO。CBOIcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN图图22 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流非平衡载流子传输三步曲非平衡载流子传输三步曲发射区向基区的发射区向基区的多子多子注入注入 ( (扩散运动）扩散运动）为为主；主；cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN集电结对非平衡载流子的集电结对非平衡载流子的收集作用收集作用（漂移漂移为主）。为主）。基区的基区的 复合复合 和和 继续继续扩散；扩散；二
6、二 电流分配关系电流分配关系CBOBNBIII CNBNENEIIII CBOCNCIII CBEIII bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶体管主要功能晶体管主要功能:电流放大（电流放大（current amplify）ceIENPNIBbIBNIENICNICBOICENCNII BNCNII 定义直流电流放大系数：定义直流电流放大系数：共基极共基极1 ECBOCENCNIIIII 一般一般99.097.0 ceIENPNIBICBObIBNIENICNIC共射极共射极CBOBCBOCBNCNIIIIII 一般一般20020
7、 的物理意义：基区每复合一个电子，就有的物理意义：基区每复合一个电子，就有个电子扩散到集电区去。个电子扩散到集电区去。 CBOBCBOCBNCNIIIIII ceIENPNIBICBObIBNIENICNIC CBOBCIII 1当当IB=0时，时， CBOCEOCIII 1ICEO=0时称为穿透电流。时称为穿透电流。IC、 IE、 IB、三者关系：、三者关系： 若忽略若忽略 ICBO，IEP , 则则,BCII ,ECII ceIENPNIBICBObIBNIENICNICCBEIII 1ENENENCNENCNBNCNIIIIIIII 11CNCNCNBNCNENCNIIIIIII:的关系
8、的关系和和 2.2 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。图图2.2.1晶体管的三种基本接法（晶体管的三种基本接法（组态组态）(a)cebiBiC输出输出回路回路输入输入回路回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共发射极；共发射极；(b)共集电极；共集电极；(c)共基极共基极 AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE测量电路测量电路共发射极输出特性曲线：输出电流共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压与输出电压uCE的关系曲线的关系曲线(以以iB为参变量为参变量)常数BiCECufi)(
9、图图2.2.3 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/ V5101501234iC/ mA动画演示动画演示IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBbIEPIC1IBNIENICN 2.2.1 共发射极输出特性曲线共发射极输出特性曲线图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/ V5101501234iC/ mA10 A 饱饱和和区区放放大大区区集电结零偏集电结零偏cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO临界饱和点临界饱和点图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/ V5101501234iC/ mAIB40 A 30 A 20 A 10 A
10、 0 A cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO当当 IB=0时时, IC=ICEO 称为称为穿透电流。穿透电流。CBOCNCBOCIIII1图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/ V5101501234BIi CBOiC/ mAIB40 A 30 A 20 A 10 A 0 A cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/ V5101501234饱饱和和区区截止区截止区放放大大区区iC/ mAIB40 A 30 A 20 A 10 A 0 A uCEuBEcIC
11、eIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbICNIEBOBIi CBOuCE/ V5101501234饱饱和和区区截止区截止区iBICBO放放大大区区iC/ mAuCEuBEIB40 A 30 A 20 A 10 A 0 A 1. 放大区放大区发射结正偏，发射结正偏， 集电结反偏集电结反偏（1）iB 对对iC 的控制作用很强。的控制作用很强。用交流电流放大倍数用交流电流放大倍数来描述：来描述：在数值上近似等于在数值上近似等于 常数CEuBCII问题：问题：图图2.2.3中中=？=100uCE/ V5101501234饱饱和和区区截止区截止区iBICBO放放大大区区iC/ mAuCEu
12、BEIB40 A 30 A 20 A 10 A 0 A （2）uCE 变化对变化对 IC 的影的影响很小（响很小（恒流特性恒流特性）即即IC主要由主要由IB决定，决定，与输出环路的外电路无关。与输出环路的外电路无关。基区宽度调制效应基区宽度调制效应(厄尔利效应厄尔利效应) uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBEuCE c结反向电压结反向电压 c结宽度结宽度 基区宽度基区宽度 基区中电子与空穴复合的机会基区中电子与空穴复合的机会 iC cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO基调效应表
13、明：输出交流电阻基调效应表明：输出交流电阻rCE=uCE/iCCQACQCEQAceIUIUUr（1） i B 一定时，饱和区一定时，饱和区i C 比放大区的小比放大区的小（2）U CE一定时一定时, i B 增大，增大，i C 基基 本不变（饱和区）本不变（饱和区）临界饱和：临界饱和：UCE = UBE，即，即UCB=0（C结零偏）。结零偏）。uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBEIcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC12. 饱和区饱和区饱和时，饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记
14、作间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。（小功率（小功率Si管）管） UCE(sat) = 0.3V；（小功率（小功率Ge管）管） UCE(sat) = 0.1V。三个电极间的电压很小，管子完全导通，三个电极间的电压很小，管子完全导通， 相相当一个开关当一个开关“闭合（闭合（Turn on）”。uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE3. 截止区截止区发射结和集电结均处发射结和集电结均处于反向偏置于反向偏置,三个电极三个电极均为反向电流，所以均为反向电流，所以数值很小。数值很小。 管子不通，相当于一管子不通，相当于
15、一个个“开关开关”打开打开（Turn off）。）。i B = -i CBO （此时（此时i E =0 ）以下称为截止区。）以下称为截止区。工程上认为：工程上认为：i B =0 以下即为截止区。以下即为截止区。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbICNIBEO 二、共发射极输入特性曲线二、共发射极输入特性曲线常数CEuBEBufi)(AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1图图26 共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线
16、 （1）0 UCE 1 时，随着时，随着 UCE 增加，曲线右移，增加，曲线右移，特别在特别在 0 UCE1 时，进入放大区，曲线近似重时，进入放大区，曲线近似重合。合。 iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE12.2.3 温度对晶体管特性的影响温度对晶体管特性的影响T ，uBE：CmVmVTuBE)/5 . 22(T ， ICBO ：1012122TTCBOCBOIIT ， ：C/).(T1502-2-2 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 1、电流放大系数、电流放大系数1. 共射直流放大系数共射直流放大系数反映静态时集电极电流与基极电流之比。反映静态时集电极电流与
17、基极电流之比。2. 共射交流放大系数共射交流放大系数反映动态时的电流放大特性。一般反映动态时的电流放大特性。一般在以后的计算中，不必区分。在以后的计算中，不必区分。4.共基交流放大系数共基交流放大系数 3.共基直流放大系数共基直流放大系数常数BuECII在以后的计算中，不必区分。在以后的计算中，不必区分。二、反向饱和电流二、反向饱和电流是指管子各电极之间的反向漏电流参数。是指管子各电极之间的反向漏电流参数。ICBO发射极开路时，集电极发射极开路时，集电极基极间的反向电流，基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。称为集电极反向饱和电流。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNI
18、ENICNICBOICBO的下标的下标CB代表集电极和代表集电极和基极，基极，O是是Open的字头，代的字头，代表第三个电极表第三个电极E开路。它相开路。它相当于集电结的反向饱和电流。当于集电结的反向饱和电流。 管子管子C、E间反向饱和漏电流间反向饱和漏电流1IICBOCEO基极开路时，集电极基极开路时，集电极发射极间的反向电流，发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。称为集电极穿透电流。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO即输出特性曲线即输出特性曲线IB=0那条曲那条曲线所对应的线所对应的Y坐标的数值。坐标的数值。 管子管子B、E间反向饱和漏电流间反向
19、饱和漏电流集电极开路时，基极集电极开路时，基极发射极间的反向电流。发射极间的反向电流。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbICNIEBO三、极限参数三、极限参数使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。使用时可能损坏。 反向击穿电压表示三极管电反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。极间承受反向电压的能力。1、反向击穿电压、反向击穿电压三极管击穿电压的测试电路三极管击穿电压的测试电路UUUEBOBRCEOBRCBOBR)()()( 例如：例如：U(BR)CBO =115V,U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=
20、8V。值与值与IC的关系的关系在输出特性曲线上决定在输出特性曲线上决定2、最大允许集电极电流、最大允许集电极电流ICMICM 指指下降到额定值的下降到额定值的2/3时时 的的IC值。值。3、集电极最大允许功耗、集电极最大允许功耗PCM 图图27 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区 uCE工作区iC0安全ICMU(BR)CEOPCM功耗线功耗线过流区过流区过压区过压区过耗区过耗区例题：例题：ICM=20mA,PCM=100mAU(BR)CEO=20V则当则当UCE=10V时，时，IC_mAUCE=1V时，时，IC_mAIC=2mA时，时，UCEUBE(on),则发射结正偏，下面关键是判断集则发
21、射结正偏，下面关键是判断集电结是正偏还是反偏。电结是正偏还是反偏。方法：假设法。方法：假设法。RBUBBRERCUCC(a)电路电路RBBBRCUCCREUBE(on)IB UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE则晶体管处于放大状态；则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；则晶体管处于饱和状态；)(onBECEQUU若RBBBRCUCCREUBE(on)IB)(onBECEQUU若EBonBEBBBQRRUUI)1()( VRIUUmIImRUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(UCEQ=UCC-I
22、CQ(RC+RE) (c)饱和状态下的等效电路饱和状态下的等效电路RBUBBRCUCCREUBE(on)UCE(sat)ICQ=IC(sat)临界临界 UCEQ=UCE(sat)=0.3V。RBUBBRERCUCC(a)电路电路 若工作在饱和状态下，静态工作点的求解可若工作在饱和状态下，静态工作点的求解可近似为：近似为：ECBE(on)CCC(SAT)RRUUI 临界例例2 晶体管电路及其输入电压晶体管电路及其输入电压ui的波形如图的波形如图2-12(a),(b)所示。已知所示。已知=50，试求，试求ui分别在分别在0V和和3V时的输出电压时的输出电压uo。R33kUCC5VRB39kuiuo
23、图图2.4.6 解解:当当ui=0时，时，UBE=0，则晶体管截止。此时，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当当ui =3V时，晶体管发射结导通，且时，晶体管发射结导通，且mA.RUuIB)on(BEiBQ06039703 例例2 晶体管电路及其输入电压晶体管电路及其输入电压ui的波形如图的波形如图2-12(a),(b)所示。已知所示。已知=50，试求，试求ui分别在分别在0V和和3V时的输出电压时的输出电压uo。R33kUCC5VRB39kuiuo图图2.4.6 假设晶体管工作在放大区，则：假设晶体管工作在放大区，则：VRIUUmAIICCQCCCEQBQCQ7
24、. 04335306. 050因此晶体管处于饱和状态。因此晶体管处于饱和状态。 例例2 晶体管电路及其输入电压晶体管电路及其输入电压ui的波形如图的波形如图2-12(a),(b)所示。已知所示。已知=50，试求，试求ui分别在分别在0V和和3V时的输出电压时的输出电压uo。R33kUCC5VRB39kuiuouo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。mA.RUUIIC)on(BECC)sat(CCQ413705 临界临界则：则：例例2 晶体管电路如图所示。已知晶体管电路如图所示。已知=50，试求，试求ui分别在分别在0V和和3V时的输出电压时的输出电压uo。R33kUCC5VRB39kuiu
25、o补充例题补充例题1电路电路补充例题补充例题1、 晶体管电路如下图所示。已知晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：先判断晶体管是否处于截止状态：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶体管不处于晶体管不处于截止状态截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：mARRUUIEBOnBEBBBQ2)(1072. 01015007 . 05)1 (mAIIBQCQ72. 01072. 01002VRRIUUECCQCCC
26、EQ10372. 012)()(onBECEQUU晶体管处于放大状态；晶体管处于放大状态；补充例题补充例题2电路电路补充例题补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRCUCC500K50K2K 12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：先判断晶体管是否处于截止状态：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶体管不处于晶体管不处于截止状态截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRBmARUUIBOnBEBBBQ2)
27、(106 . 8507 . 050CEQU晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；mAIIBQCQ6 . 8106 . 81002VRIUUCCQCCCEQ2 . 526 . 8122.4.4 放大状态下的直流偏置电路放大状态下的直流偏置电路电路形式简单电路形式简单 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。 一、固定偏流电路一、固定偏流电路图图2.4.7固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC单电源供电。单电源供电。UEE=0，UBB由由
28、UCC提供提供 只要合理选择只要合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于的阻值，晶体管将处于放大状态。放大状态。图图2.4.7固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC缺点：工作点稳定性差；（缺点：工作点稳定性差；（IBQ固定，当固定，当、ICBO等变化等变化ICQ、UCEQ的变化的变化工作点产生较大工作点产生较大的漂移的漂移使管子进入饱和或截止区）使管子进入饱和或截止区） BCCBonBECCBQRURUUI)(,IIBQCQCCQCCCEQRIUU优点：电路结构简单。优点：电路结构简单。电流负反馈型偏置电路电流负反馈型偏置电路RBUCCRCRE在固定偏置电路的发射极加一个在固定偏置电路的发射极加
29、一个RE电阻电阻 图图2.4.7 固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC二、分压式直流负反馈偏置电路二、分压式直流负反馈偏置电路若若 ICQUBEQ(= UBQ -UEQ)RBUCCRCRE负反馈机制负反馈机制IEQ UEQ(=IEQRE)IBQ ICQ(a)电路电路RB1UCCRCRERB2为了稳定为了稳定UBQ，引入了电阻，引入了电阻RB2。 (a)电路电路RB1UCCRCRERB2CCBBBBQURRRU212 EonBEBBEQCQRUUII )(ECCQCCCEQRRIUU CQBQII 例例2.4.3 电路如图电路如图215(a)所示。已知所示。已知UCC=28V, RB1=90k
30、,RB2=10k,RC=6.8,RE=1.2k，试，试=60, =150计算工作点计算工作点Q。(a)电路电路RB1UCCRCRERB2 解：解： (a)电路电路RB1UCCRCRERB2=60, UCC=28V, RB1=90k,RB2=10k,RC=6.8,RE=1.2kVURRRUCCBBBBB8 . 228109010212 mAIIEQBQ029. 06175. 1)1( VRRIUUECCQCCCEQ24.14)2 . 18 . 6(72. 128)( mARUUIEonBEBQEQ75. 12 . 17 . 08 . 2)(mAIIEQCQ72. 11(a)电路电路RB1UCCR
31、CRERB2 为确保为确保UB固定固定，要求，要求RB1、RB2的取值愈小愈好。的取值愈小愈好。但是但是RB1、RB2过小，将过小，将增大电源增大电源UCC的无谓损耗，的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选因此要二者兼顾。通常选取取1I锗管）锗管）硅管）硅管）()2010()105(BQBQIIVURIBEQECQ)52()105( 例例 2.4.4 2.4.4 设计图设计图2.4.82.4.8分压式电流负反馈偏置分压式电流负反馈偏置电路的电路的R RB1B1、R RB2B2和和R RE E的元件值。设的元件值。设U UCCCC=15V=15V。晶。晶体管的体管的 =200=200，根据电路所选晶
32、体管的频率特，根据电路所选晶体管的频率特性，要求性，要求I ICQCQ取取1mA1mA。 解解 根据式根据式2.4.162.4.16取取I ICQCQR RE E=2V=2V，根据已知条件，根据已知条件I ICQCQ=1mA=1mA，可得可得R RE E=2k=2k。如果如果U UBEQBEQ=0.7V=0.7V，则，则U UBQBQ=U=UEQEQ+0.7V=2.7V+0.7V=2.7V由于基极电位是由由于基极电位是由R RB1B1和和R RB2B2对对U UCCCC进行分压之后的电位进行分压之后的电位，所以，如果取，所以，如果取R RB2B2上的压降为上的压降为2.7V2.7V，R RB1
33、B1上的压降为上的压降为12.3V12.3V（=15V-2.7V=15V-2.7V）即可。）即可。另外，流过晶体管的基极电流另外，流过晶体管的基极电流I IBQBQ=I=ICQCQ/ / =1mA/200=0.005mA=1mA/200=0.005mA。根据式根据式2.4.152.4.15，取，取I I1 1=10I=10IBQBQ=0.05mA=0.05mA。则则kmAVRB5405. 06 . 22kmAVRB24605. 03 .121 和但是这个但是这个R RB1B1和和R RB2B2在一般系列（如在一般系列（如E24E24系列）的电阻系列）的电阻中是没有的，所以不改变中是没有的，所以不改变R RB1B1和和R RB2B2的比值（比值一的比值（比值一改变，改变，U UB B的值就变了），可以选取的值就变了），可以选取R RB1B1=200k=200k，R RB2B2=43k=43k。
