双极型晶体管及其基本放大电路

双极型晶体管及其基本放大电路 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望23.1 双极型晶体管本章主要内容本章主要内容n3.1 双极型晶体管双极型晶体管n3.2 BJT基本放大电路及分析方法基本放大电路及分析方法 n3.3 三种组态放大器的中频特性三种组态放大器的中频特性 n3.4 单级共发放大器的频率特性单级共发放大器的频率特性 n3.5 多级放大电路多级放大电路University of Science and Technology of ChinaUniversity of Science and Technology of China3.1 双极型晶体管双极型晶体管2023年年6月月30日日43.1 双极型晶体管1.BJT的结构的结构n内部结构内部结构53.1 双极型晶体管1.BJT的结构的结构n两种类型两种类型NPN型晶体管型晶体管PNP型晶体管型晶体管结构上的区别：各区采用的半导体材料极性相反结构上的区别：各区采用的半导体材料极性相反n结构要素结构要素三区：发射区、基区、集电区三区：发射区、基区、集电区三极：发射极、基极、集电极三极：发射极、基极、集电极两结：发射结、集电结两结：发射结、集电结63.1 双极型晶体管1.BJT的结构的结构n注意注意发射区高掺杂，多数载流子浓度大发射区高掺杂，多数载流子浓度大 集电区区域大，所以承受的功率也大集电区区域大，所以承受的功率也大 基区很薄，作为过渡区，其掺杂浓度最低基区很薄，作为过渡区，其掺杂浓度最低73.1 双极型晶体管1.BJT的结构的结构n电路符号电路符号发射极的箭头可区分出发射极与集电极，其方向可区发射极的箭头可区分出发射极与集电极，其方向可区分分NPN管和管和PNP管，箭头的方向表示发射结正偏方向，管，箭头的方向表示发射结正偏方向，也是线性工作时的电流方向也是线性工作时的电流方向 83.1 双极型晶体管2.放大工作原理放大工作原理n放大工作条件放大工作条件发射结正向偏置，集电结反向偏置件发射结正向偏置，集电结反向偏置件n放大工作原理放大工作原理93.1 双极型晶体管2.放大工作原理放大工作原理n集电极电流集电极电流第一部分：发射区注入的自由电子是形成集电极电流第一部分：发射区注入的自由电子是形成集电极电流的主要来源的主要来源n 表示发射区能够到达集电区多子的比例，称为共表示发射区能够到达集电区多子的比例，称为共基组态的直流电流放大系数基组态的直流电流放大系数第二部分：由于集电结反偏，集电区和基区中少数载第二部分：由于集电结反偏，集电区和基区中少数载流子的漂移运动形成反向饱和电流流子的漂移运动形成反向饱和电流ICBO集电极总电流集电极总电流103.1 双极型晶体管2.放大工作原理放大工作原理n基极电流基极电流第一部分：发射区注入到基区的自由电子流中仅很小第一部分：发射区注入到基区的自由电子流中仅很小一部分与基区中的空穴复合，形成基极复合电流一部分与基区中的空穴复合，形成基极复合电流第二部分：集电极的反向饱和电流第二部分：集电极的反向饱和电流ICBO基极总电流基极总电流n发射极电流发射极电流113.1 双极型晶体管2.放大工作原理放大工作原理n考虑考虑n得到两个基本的电流关系得到两个基本的电流关系 n另外另外123.1 双极型晶体管2.放大工作原理放大工作原理n忽略忽略ICBO时各极电流之间的关系时各极电流之间的关系133.1 双极型晶体管2.放大工作原理放大工作原理n几点说明几点说明143.1 双极型晶体管3.数学模型数学模型nEbers-Moll模型模型BJT的理想模型或直流大信号分析模型的理想模型或直流大信号分析模型n基本思路基本思路将发射结和集电结视作两个背靠背的将发射结和集电结视作两个背靠背的PN结二极管，并结二极管，并采用受控电流源表达两者之间的相互影响，其中，受采用受控电流源表达两者之间的相互影响，其中，受控电流反映了穿透基区的多子形成的电流控电流反映了穿透基区的多子形成的电流153.1 双极型晶体管3.数学模型数学模型nEbers-Moll模型模型163.1 双极型晶体管3.数学模型数学模型173.1 双极型晶体管3.数学模型数学模型n说明说明在在Ebers-Moll模型中，晶体管的两个端电压模型中，晶体管的两个端电压VBE和和VBC可正可负，故可正可负，故Ebers-Moll方程可以描述晶体管的所有方程可以描述晶体管的所有工作状态工作状态183.1 双极型晶体管3.数学模型数学模型n放大状态放大状态忽略反向饱和电流，则处于放大状态的晶体管，其发忽略反向饱和电流，则处于放大状态的晶体管，其发射结可近似为正向偏置的射结可近似为正向偏置的PN结二极管，而集电极电流结二极管，而集电极电流受发射极电流的线性控制受发射极电流的线性控制193.1 双极型晶体管3.数学模型数学模型n饱和状态饱和状态该方程无法进行线性简化，仍为非线性方程该方程无法进行线性简化，仍为非线性方程n截止状态截止状态忽略反向饱和电流，则处于截止状态的晶体管，发射忽略反向饱和电流，则处于截止状态的晶体管，发射极和集电极相当于开路极和集电极相当于开路203.1 双极型晶体管4.伏安特性伏安特性n（1）共基组态）共基组态n（2）共发组态）共发组态213.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态n共基组态共基组态输入端口：发射极与基极构成输入端口：发射极与基极构成输出端口：集电极与基极构成输出端口：集电极与基极构成n与二极管伏安特性的比较与二极管伏安特性的比较二极管：一个端口两个变量，一个自变量一个因变量二极管：一个端口两个变量，一个自变量一个因变量三极管：两个端口四个变量，两个自变量两个因变量三极管：两个端口四个变量，两个自变量两个因变量223.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态n输入端伏安特性输入端伏安特性n说明说明根据根据VCB的不同取值，输入端伏安特性曲线将以一组曲的不同取值，输入端伏安特性曲线将以一组曲线族的形式存在线族的形式存在233.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态243.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态n伏安特性曲线伏安特性曲线n说明说明当当VCB1V时，可近似认为输入端伏安特性曲线重合为时，可近似认为输入端伏安特性曲线重合为一条曲线一条曲线253.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态n输出端伏安特性输出端伏安特性n说明说明由于由于PN结正偏，结正偏，VEB可调范围很小，曲线不明确，故采可调范围很小，曲线不明确，故采用发射极电流用发射极电流IE来作为控制量来作为控制量根据根据IE的不同取值，输出端伏安特性曲线将以一组曲线的不同取值，输出端伏安特性曲线将以一组曲线族的形式存在族的形式存在263.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态由由 得得273.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态对比以前结果对比以前结果 得出得出283.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态n伏安特性曲线伏安特性曲线293.1 双极型晶体管（1）共基组态）共基组态n三种工作区的分割条件三种工作区的分割条件303.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态n共发组态共发组态输入端口：基极与发射极构成输入端口：基极与发射极构成输出端口：集电极与发射极构成输出端口：集电极与发射极构成313.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态n输入端伏安特性输入端伏安特性n说明说明根据根据VCE的不同取值，输入端伏安特性曲线将以一组曲的不同取值，输入端伏安特性曲线将以一组曲线族的形式存在线族的形式存在323.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态333.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态343.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态n伏安特性曲线伏安特性曲线353.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态n输出端伏安特性输出端伏安特性363.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态373.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态n伏安特性曲线伏安特性曲线383.1 双极型晶体管（2）共发组态）共发组态n三种工作区的分割条件三种工作区的分割条件393.1 双极型晶体管5.主要参数主要参数n（1）电流放大系数）电流放大系数n（2）反向饱和电流）反向饱和电流n（3）极限参数）极限参数n（4）频率参数）频率参数n（5）结电容与体电阻）结电容与体电阻403.1 双极型晶体管（1）电流放大系数）电流放大系数n电流放大系数电流放大系数413.1 双极型晶体管（1）电流放大系数）电流放大系数关系关系以后交直流可以混用，不加区别以后交直流可以混用，不加区别 423.1 双极型晶体管（2）反向饱和电流）反向饱和电流n本征激发产生的少数载流子，受温度影响严重本征激发产生的少数载流子，受温度影响严重n一般不予考虑一般不予考虑 433.1 双极型晶体管（3）极限参数）极限参数n极限参数极限参数极限参数是指晶体管能够正常使用时的最大的电压，极限参数是指晶体管能够正常使用时的最大的电压，电流和功率值电流和功率值443.1 双极型晶体管（3）极限参数）极限参数n耗散功率耗散功率也即集电极最大允许耗散功率，是指晶体管参数变化也即集电极最大允许耗散功率，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率n说明说明晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过 值，否则值，否则会造成晶体管因过载而损坏会造成晶体管因过载而损坏耗散功率可作为区分小功率晶体管、中功率晶体管、耗散功率可作为区分小功率晶体管、中功率晶体管、大功率晶体管的指标大功率晶体管的指标453.1 双极型晶体管（3）极限参数）极限参数n集电极最大电流集电极最大电流集电极最大电流是指晶体管集电极所允许通过的最大集电极最大电流是指晶体管集电极所允许通过的最大电流电流n说明说明当晶体管的集电极电流超过当晶体管的集电极电流超过 时，晶体管的时，晶体管的值等参值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏463.1 双极型晶体管（3）极限参数）极限参数n最大反向电压最大反向电压最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压工作电压包括集电极包括集电极-发射极反向击穿电压、集电极发射极反向击穿电压、集电极-基极反向击基极反向击穿电压和发射极穿电压和发射极-基极反向击穿电压基极反向击穿电压 n集电极集电极-发射极反向击穿电压发射极反向击穿电压该电压是指当晶体管基极开路时，其集电极与发射极该电压是指当晶体管基极开路时，其集电极与发射极之间的最大允许反向电压，一般用之间的最大允许反向电压，一般用BVCEO表示表示473.1 双极型晶体管（4）频率参数）频率参数n频率特性频率特性由于结电容的存在，晶体管的电流放大系数与工作频由于结电容的存在，晶体管的电流放大系数与工作频率有关，电流放大系数是频率的函数率有关，电流放大系数是频率的函数483.1 双极型晶体管（4）频率参数）频率参数定义几个参数定义几个参数n低频时，共基、共发电流放大倍数低频时，共基、共发电流放大倍数 493.1 双极型晶体管（4）频率参数）频率参数n共基截止频率共基截止频率503.1 双极型晶体管（4）频率参数）频率参数n共发截止频率共发截止频率513.1 双极型晶体管（4）频率参数）频率参数n特征频率特征频率T T晶体管的特征频率即晶体管的特征频率即值降为值降为1时晶体管的工作频率，时晶体管的工作频率，此时晶体管失去电流放大能力时的频率，一般用此时晶体管失去电流放大能力时的频率，一般用T T表表示示523.1 双极型晶体管（5）结电容与体电阻）结电容与体电阻n结电容结电容扩散电容扩散电容 和势垒电容和势垒电容n前者为发射结电容，后者为集电结电容，大小关系前者为发射结电容，后者为集电结电容，大小关系？n基区体电阻基区体电阻rb基区体电阻是反映了基区宽度、掺杂浓度的参数，并基区体电阻是反映了基区宽度、掺杂浓度的参数，并反映了基区复合电流的大小，用反映了基区复合电流的大小，用rb表示，一般在百欧量表示，一般在百欧量级级