模电第2章-晶体管-课件

模电第2章-晶体管第二章第二章双极型晶体管及双极型晶体管及其放大电路其放大电路电路的基本形式及它们之间的联系电路的基本形式及它们之间的联系抽样数据电路抽样数据电路模拟电路模拟电路数字电路数字电路抽样电路抽样电路编码器编码器滤波器滤波器解码器解码器模拟信号输入模拟信号输入模拟信号输出模拟信号输出抽样信号抽样信号数字信号数字信号双极型晶体管的结构、工作原理、双极型晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。特性曲线和主要参数。双极型模拟集成电路中常用的基双极型模拟集成电路中常用的基本单元电路的组成、工作原理、本单元电路的组成、工作原理、性能指标和分析计算方法：性能指标和分析计算方法：三种基本组态放大电路三种基本组态放大电路电流源电路电流源电路差放电路差放电路功率放大电路功率放大电路多级放大电路多级放大电路内容提要内容提要双极型晶体三极管，简称晶体管，双极型晶体三极管，简称晶体管，常称三极管常称三极管，具有三个电极。，具有三个电极。称为双极型的原因：参与导电的称为双极型的原因：参与导电的有有空穴空穴和和电子电子两种载流子。两种载流子。由于由由于由两个两个PN结结构成，所以称为构成，所以称为双极型晶体管。双极型晶体管。特点：具有特点：具有对信号进行放大对信号进行放大的作用的作用从结构来看，可以分为从结构来看，可以分为NPN与与PNP两种类型，其工作原理类似。两种类型，其工作原理类似。分类：按材料，按频率，按功率。分类：按材料，按频率，按功率。第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管概概 述述e b c第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管三极管示意图三极管示意图2.1.1 工作原理工作原理集电区集电区基区基区发射区发射区N NP PN N集电极集电极C C基极基极B B发射极发射极E E高掺杂浓度高掺杂浓度与基区的接与基区的接触面积触面积较大较大集电结集电结发射结发射结NPN型三极管的结构型三极管的结构NPN管的电路符号管的电路符号2.1.1 工工作作原原理理一一.结构特点结构特点薄、薄、低低掺杂浓度掺杂浓度P PN NP P集电区集电区基区基区发射区发射区集电极集电极C C基极基极B B发射极发射极E E集电结集电结发射结发射结PNP型三极管的结构型三极管的结构PNP管的电路符号管的电路符号一一.结构特点结构特点2.1.1 工工作作原原理理集电区集电区基区基区发射区发射区N NP PN N集电极集电极C C基极基极B B发射极发射极E E薄、薄、低低掺杂浓度掺杂浓度高高掺杂浓度掺杂浓度与基区的接与基区的接触面积触面积较大较大集电结集电结发射结发射结从组成结从组成结构上来看，构上来看，三极管由三极管由两个背靠两个背靠背的背的PNPN结结构成构成那么，能那么，能否反过来否反过来用两个用两个PNPN结或者二结或者二极管构成极管构成三极管？三极管？2.1.1 工工作作原原理理一一.结构特点结构特点 内部内部：发射区杂质浓度高；基区很薄且杂：发射区杂质浓度高；基区很薄且杂质浓度很低；集电区面积大。质浓度很低；集电区面积大。外部外部：发射结加：发射结加正向正向电压；集电结加电压；集电结加反向反向电压。电压。二二.放大状态工作条件放大状态工作条件2.1.1 工工作作原原理理发射区发射区基区基区集电区集电区1.1.发射过程发射过程2.2.复合和扩复合和扩散过程散过程3.3.收集过程收集过程2.1.1 工工作作原原理理二二.内部载流子的运动内部载流子的运动NNP1）发射区向基区注入电流）发射区向基区注入电流 IEN。进入进入P区的区的电子少部分电子少部分与基区的空与基区的空穴复合，形穴复合，形成电流成电流IBN，多数扩散，多数扩散到集电结。到集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IEN。2）基区部分电子空穴复合，形成复合电流）基区部分电子空穴复合，形成复合电流 IBN。3）大量基区的非平衡少子）大量基区的非平衡少子电子被集电区收集，形成电流电子被集电区收集，形成电流 ICN。二二.内部载流子的运动内部载流子的运动2.1.1 工工作作原原理理NNP电流分电流分配配 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由自由电子和空穴电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。参与导电，故称为双极型三极管。或或BJT(Bipolar Junction Transistor)。二二.内部载流子的运动内部载流子的运动2.1.1 工工作作原原理理载流子载流子三三.电流分配电流分配2.1.1 工工作作原原理理晶体管的正向控制作用是通过载流晶体管的正向控制作用是通过载流子的运动过程而实现的：发射结正偏子的运动过程而实现的：发射结正偏电压控制电压控制 (和和 )，(其中其中 )通过通过注入、扩散、收集而转化为注入、扩散、收集而转化为 ，正是，正是这种正向控制作用使晶体管具有了放这种正向控制作用使晶体管具有了放大作用。大作用。2.1.1 工工作作原原理理四四.三种基本连接方法三种基本连接方法共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。2.1.1 工工作作原原理理共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示。表示。四四.三种基本连接方法三种基本连接方法2.1.1 工工作作原原理理共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示。表示。四四.三种基本连接方法三种基本连接方法公共端公共端2.1.1 工工作作原原理理五五.电流传输关系电流传输关系1、共基电流放大系数、共基电流放大系数共基极直流电共基极直流电流放大系数流放大系数共基极直流电共基极直流电流传输方程流传输方程2.1.1 工工作作原原理理五五.电流传输关系电流传输关系1、共基电流放大系数、共基电流放大系数共基极直流电共基极直流电流传输方程流传输方程通常通常 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，而与外加电压无关，一般取值为而与外加电压无关，一般取值为0.95-0.990.95-0.99公共端公共端：穿透电流：穿透电流：共发射极直流电流放大系共发射极直流电流放大系数数，一般为几十几百。，一般为几十几百。忽略忽略 后，后，2.1.1 工工作作原原理理五五.电流传输关系电流传输关系2、共射电流放大系数、共射电流放大系数公共端公共端共集电极电流传输方共集电极电流传输方程。程。无论哪种连接方式，输入电流对无论哪种连接方式，输入电流对输出电流皆有控制作用，这是能输出电流皆有控制作用，这是能够实现信号放大的机理。够实现信号放大的机理。五五.电流传输关系电流传输关系3、共集电流放大系数、共集电流放大系数2.1.1 工工作作原原理理三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用2.1.1 工工作作原原理理三极管各极电流关系示例三极管各极电流关系示例静态特性曲线：指各极电压与电静态特性曲线：指各极电压与电流之间的关系曲线。是晶体管内流之间的关系曲线。是晶体管内部载流子运动的外部表现，故也部载流子运动的外部表现，故也称称外部特性。外部特性。对于不同的组态对于不同的组态(共集、共基、共共集、共基、共射射)来说，均可以有：来说，均可以有：用于描述输入电压与电流关系的用于描述输入电压与电流关系的输入特性曲线输入特性曲线(族族)。用于描述输出电压与电流关系的用于描述输出电压与电流关系的输出特性曲线输出特性曲线(族族)。特性曲线具有一定的离散性。特性曲线具有一定的离散性。第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管2.1.1 晶体管的静态特性曲线晶体管的静态特性曲线当维持当维持 恒定恒定(作作为参变量为参变量)时，基极时，基极电流电流 (输入电流输入电流)随随 (输入电压输入电压)的的变化曲线称为共发变化曲线称为共发射极输入特性曲线射极输入特性曲线当当 取不同的值时，可以画出取不同的值时，可以画出一族一族输入特性曲线。输入特性曲线。2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线一一.共射输入特性曲线共射输入特性曲线实验线路实验线路输出特性输出特性集电结进入反偏状态，开集电结进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减始收集电子，基区复合减小。特性曲线右移小。特性曲线右移输入电路相当于两个并联输入电路相当于两个并联的的PNPN结结2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线一一.共射输入特性曲线共射输入特性曲线理想情况理想情况vCE 1V输入特性输入特性iB(A)vBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降：硅管硅管vBE 0.60.7V,锗管锗管vBE 0.20.3V。vCE=0VvCE=0.5V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.2V。2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线一一.共射输入特性曲线共射输入特性曲线产生区别的原因在于基区调宽效应产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE增大，复合减小，增大，复合减小，iB减小。减小。2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线产生区别的原因在于基区调宽效应产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE增大，复合减小，增大，复合减小，iB减小。减小。一一.共射输入特性曲线共射输入特性曲线以输入电压以输入电压 或电或电流流 为参变量，集为参变量，集电极电流电极电流 (输出电输出电流流)随随 (输出电压输出电压)的变化曲线为共发的变化曲线为共发射极输出特性曲线射极输出特性曲线以输入电压为以输入电压为参变量时：参变量时：以输入电流为以输入电流为参变量时：参变量时：2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线输出特性输出特性iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足iC=iB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当vCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，iC只与只与iB有关，有关，iC=iB。试验电路试验电路特点特点二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中vCE vBE,集集电结正偏电结正偏，iBiC，vCE较小较小,称为称为饱和区。饱和区。例3特点特点2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线vCE=vBE2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:iB0,iCICEO,vBEiC，vCE 0.3V(3)截止区：截止区：vBE 死区电压，死区电压，iB0，iCICEO 0 输出特性输出特性即：即：,且且 IC=IB2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线考虑到基区宽度调制效应和集电结反向考虑到基区宽度调制效应和集电结反向击穿效应，输出特性如下：击穿效应，输出特性如下：2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线输出特性斜率的倒数为晶体管的输出输出特性斜率的倒数为晶体管的输出电阻：电阻：关于关于 和和 的关系的关系关于晶体管的反向应用关于晶体管的反向应用二二.共射输出特性曲线共射输出特性曲线2.1.2晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线与二极管的伏安特性曲线类似，如果与二极管的伏安特性曲线类似，如果保持输入电流不变，当温度升高时，保持输入电流不变，当温度升高时，晶体管的输入特性曲线左移。晶体管的输入特性曲线左移。第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管2.1.3 温度对晶体管特性的影响温度对晶体管特性的影响(v)iB(A)1008060402000.4 0.7 vBE0o10o不同温度下的输入特性曲线不同温度下的输入特性曲线100o与二极管伏安特性曲线类似，温度与二极管伏安特性曲线类似，温度升高时，反向饱和电流和反向穿透升高时，反向饱和电流和反向穿透电流亦升高。电流亦升高。温度升高时，温度升高时，值增大值增大.第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管2.1.3 温度对晶体管特性的影响温度对晶体管特性的影响30AA20AA10AA 25度；度；45度度iB相同相同不同温度下的输出特性曲线不同温度下的输出特性曲线（mA）iCVCE 0AA1、共、共发射极射极直流直流电流放大倍数电流放大倍数第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管2.1.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数一一.电流放大系数电流放大系数交流交流（短路）电流放大系数（短路）电流放大系数2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数1、共、共发射极射极一一.电流放大系数电流放大系数手册中常用手册中常用hfe表示。表示。例：例：VCE=6V时时：iB=40 A,iC=1.5 mA；iB=60 A,iC=2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：2、共基极、共基极直流直流电流放大倍数电流放大倍数交流交流电流放大系数电流放大系数2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数一一.电流放大系数电流放大系数1、集集电极极基极基极反向反向电流：流：ICBO发射极开路射极开路时的集的集电结反向漂移反向漂移电流，流，一般很小。一般很小。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数二二.极间反向电流极间反向电流2、集集电极极发射极射极电流流ICEO硅硅管比锗管的管比锗管的反向反向电流小流小，故温度稳定性，故温度稳定性比锗管好比锗管好。基极开路基极开路时的集的集电极极电流。流。ICEO=（1+）ICBO 即输出特性曲线即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应那条曲线所对应的的Y坐标的数值。坐标的数值。ICEO也称为集电极发也称为集电极发射极间射极间穿透电流穿透电流。ICEO2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数二二.极间反向电流极间反向电流3、发射极射极基极基极反向反向电流流IEBO集集电极开路极开路时的的发射射结反向反向饱和和电流。流。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数二二.极间反向电流极间反向电流1、集电极最大允许电流、集电极最大允许电流 ICM三极管工作时不允许超过的最大集电极电流，三极管工作时不允许超过的最大集电极电流，如果超过，不但会使其性能变坏，而且可能如果超过，不但会使其性能变坏，而且可能损坏管子。损坏管子。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数三三.极限参数极限参数一般取一般取 下降至最高值的下降至最高值的2/32/3时所对应的集电时所对应的集电极电流极电流为为ICM。2、反向击穿电压、反向击穿电压V(BR）CBO 发射极开路时的集电极基极间的反向击穿电发射极开路时的集电极基极间的反向击穿电压。一般比较高，从几十伏到几千伏不等。压。一般比较高，从几十伏到几千伏不等。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数三三.极限参数极限参数V（BR）CEO 基极开路时的集电极发射极间的击穿电压。基极开路时的集电极发射极间的击穿电压。比比V(BR）CBO低。低。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数三三.极限参数极限参数2、反向击穿电压、反向击穿电压V（BR）EBO 集电极开路时的发射极基极间的反向击穿电集电极开路时的发射极基极间的反向击穿电压。该电压一般比较低，约压。该电压一般比较低，约510V左右。左右。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数三三.极限参数极限参数2、反向击穿电压、反向击穿电压基射间接反基射间接反偏压偏压基射间短接基射间短接基射间接电基射间接电阻阻基射间开路基射间开路射极开路射极开路各击穿电压的关系各击穿电压的关系3、最大集电极允许功耗、最大集电极允许功耗 PCMPCM=iCvCE；与散热条件有关。硅管的最高结温小于与散热条件有关。硅管的最高结温小于150C，一般工作在低于，一般工作在低于80度以内。度以内。2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数三三.极限参数极限参数晶体管的安全工作范围由以上三者共晶体管的安全工作范围由以上三者共同决定。同决定。iCvCEiCvCE=PCMICMV(BR)CEO安全工作区安全工作区三极管的安全工作范围三极管的安全工作范围过压区过压区过功率区过功率区过流区过流区2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数三三.极限参数极限参数2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数四四.高频参数高频参数使使 和和 下降为下降为 和和 时时的频率的频率 和和 称为晶体管的共基截称为晶体管的共基截止频率和共射截止频率。止频率和共射截止频率。交流工作时，由于存在结电容，所以交流工作时，由于存在结电容，所以频率愈高，电流放大倍数频率愈高，电流放大倍数愈小，当愈小，当=1时时的输入信号频率即的输入信号频率即fT。2、特征频率、特征频率fT2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数四四.高频参数高频参数请自行阅读课本请自行阅读课本2.1.4晶晶体体管管的的主主要要参参数数五五.硅管与锗管的比较硅管与锗管的比较单个元件的参数精度不高，且受温单个元件的参数精度不高，且受温度影响较大，但参数对称性及温度对度影响较大，但参数对称性及温度对称性较好。批量间差异较大。称性较好。批量间差异较大。集成电路工艺制造出的电阻阻值受集成电路工艺制造出的电阻阻值受限，应尽量避免使用高阻值电阻。常限，应尽量避免使用高阻值电阻。常使用有源器件代替电阻，特别是大电使用有源器件代替电阻，特别是大电阻。阻。不适于制造几十皮法以上的电容，不适于制造几十皮法以上的电容，电路中应尽量避免采用或少用电容。电路中应尽量避免采用或少用电容。低频工作时无电感元件。低频工作时无电感元件。寄生参量影响严重。寄生参量影响严重。第第第第一一一一节节节节 双双双双极极极极型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管2.1.5 集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点（NPN管管，c极电位高于极电位高于e极，否则反向应用极，否则反向应用,很小很小)例题例题1、由电极电位判断三极管的工作状态。由电极电位判断三极管的工作状态。在电路中，测得下述在电路中，测得下述6组三极管三个极的电位：组三极管三个极的电位：1）NPN管：管：(1)1V 0.3V 3V (2)0.3V 0.7V 1V (3)2V 5V 1V解解：(1)b1V;e 0.3V;c 3V(硅管，放大）硅管，放大）(2)e0.3V c0.7V b1V(硅管，饱和硅管，饱和)(3)e2V c5V b1V(硅管硅管,截止）截止）(锗管锗管,截止）截止）2）PNP管：管：(1)-0.2V 0V -0.1V (2)-3V -0.2V 0V (3)1V 1.2V -2V解：解：(1)b-0.2V e 0V c-0.1V（锗管（锗管 饱和）饱和）(2)c-3V b-0.2V e0V （锗管（锗管 放大）放大）(3)b 1V e 1.2V c -2V（锗管（锗管 放大）放大）（PNP管管，c极电位低于极电位低于e极，否则反向应用极，否则反向应用,很很小小)2、晶体管三个电极的电流方向如图晶体管三个电极的电流方向如图2。已知：已知：I1=-1.2mA,I2=-0.03mA，I3=1.23mA。确定晶体管类型、标出各电极并近似确定确定晶体管类型、标出各电极并近似确定 及及。解：解：b、c极的电流方向总是一致的，极的电流方向总是一致的，是是e极，管子是极，管子是PNP型，型，c,b图图2+5V例例3:图中管子的图中管子的=100，RB=50K,Rc=1K,管子工作在什么状态？管子工作在什么状态？此时此时VCE=?RB多大时，多大时，管子工作管子工作在放大状态？在放大状态？解：解：be结加结加正偏正偏，管子，管子导通导通，故其工作在，故其工作在放大放大或或饱和饱和。管子工作在管子工作在饱和饱和状态状态;VCE=0.3v管子工作在管子工作在饱和饱和状态状态VCE不能为负不能为负，管管子工作在子工作在饱和饱和状态状态要使管子工作在要使管子工作在放大放大状态，需状态，需减小减小IB即即增大增大RB。输出特性例：例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k 当当VBB=-2V，2V，5V时，时，晶体管分别工作在哪个区？晶体管分别工作在哪个区？当当VBB=-2V时：时：BE结反偏结反偏ICVCEIBVCCRBVBBCBERCVBEIB=0，IC=0最大饱和电流最大饱和电流ICmax：管子工作在截止区管子工作在截止区 VBB=2V时：时：BE结正偏结正偏IC ICmax(=2mA)，管子工作在放管子工作在放大区大区。ICUCEIBVCCRBVBBCBERCVBEVBB=5V时：时：BE结正偏结正偏管子工作在饱和区，管子工作在饱和区，此时此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。返回返回