电子线路第二章-PPT课件

埃伯尔斯 其中I — 莫尔模型虽然是在饱和模式下推导出来得，但实际上适 IR分别是发射结和集电结的正偏电流 ，它们与结电压 F和 服从指数 关系，其与正偏二极管伏安关系方程一样，相当于两个正 用于各种各种工作模式下的通用模型，如发射结正偏集电结反偏时， 偏二极管，而 RIR和FIF 分别是发射结和集电结的反向传输电流， 晶体管工作在放大模式，由 P-51图（B）所示模型可见，集电结反 相当于两个受控电流源，故其电路模型如下图（ 偏，通过电流为反向饱和电流 ICBO[ P-50的(1)式为负值 A）所示，消去上 ]，其值很小 面IE方程的IR和 可忽略，从而 II = 方程的 F IE +IIF 得： 这与共基极连接时的电流传输方程 C C CBO 一样 而由 P-51 图（ A）所示模型可见，集电结反偏， I = – I ------(1) ，其 IE= （1R F)IF + R IC = IEBO [EXP（VBE/VT）-1] + R R IC CBS 值很小可忽略，从而得 P46-1 所示得指数模型，其他情况同学自己推 IC= F IE - （1- R F)I = R F IE - ICBO [EXP（VBC/VT）-1] -------(2) 导。 其中, IEBO = （1- R F) IEBS ， ICBO = （1- R F) ICBS 由改造后得方程得电路模型如下图（B）所示。
IE
集电结
N
ICN1
ICP IC
N+
IEN
P
IEP R1 IB
ICN2
}I
CBO
R2
集电结：反偏，通过集电结的电流主要是漂移电流，有： ICN1 发射区注入基区的电子少部分与基区空穴复合，大部分漂 移至集电区形成漂移电流ICN1 ，这个电流大小基本与反偏电压 无关，但由于基区掺杂浓度很低，且基区宽度很薄，一般μm 数量级，所以ICN1与IEN接近，两者仅相差一个复合电流，这样 ICN1同IEN一样受发射结正偏电压控制（见PN结伏安关系方程） ICN2 基区中的热平衡少子自由电子漂移至集电区形成的漂移电 流，非常小，且基本与反偏电压大小无关。
第二章 晶体三极管 两个背靠背排列且靠的很近的PN结组成三极管（当然不能等同 于两个二极管， 在具体构造上有其特殊性，简讲一下），有NPN和 PNP两种，其结构和电路符号为：
N
P
N
P
N
P
C B B
C
E
NPN PNP
E
N
P
N
P
N
P
双极型三极管（对应下一章单极型三极管即场效应管）和晶体二 极管一样都是非线性器件，但在主要特性上有区别：二极管具有 单向导电性，而三极管具有正向受控作用，即若发射结正偏、集 电结反偏，则其发射结电流和集电结电流基本上只受正偏发射结 电压的控制，而几乎不受反偏集电结电压的控制 用此特点可组 成各种放大电路和功能电路，除放大模式外，晶体三极管还具有 饱和模式和截止模式，这两种模式用于开关电路。
二、截止模式： 在这种工作模式下，三极管的两个结均反偏，若忽略它们的 反向饱和电流，则三极管各极电流近似为零。在共发射极连 接时，其简化 电路模型可用两段断路线表示，如下图所示。
2.3 埃伯尔斯—莫尔模型 该模型是晶体三极管的通用模型，适用于各种工作模式。 前一节讲饱和模式时，当三极管两个结均加正偏电压时，晶体 三极管的发射极电流 IE= IF — RIR 集电极电流 IC = FIF —IR
三、晶体三极管模型： 有数学模型、简化电路模型、通用模型、小信号（交流）模型、 伏安特性曲线模型，本节先讲前两种。 1. 数学模型（指数模型）：三极管工作在放大模式下，三个极的 电流大小受正偏电压VBE的控制，而各电流之间的关系是线性的 （由上述电流传输方程可见），通过三极管发射结的伏安关系 可得： IE=IEBS[EXP（VBE/VT）-1] IEBSEXP（VBE/VT） （P46-1） 上式中IEBS为发射结的反向饱和电流，其详细推导见教材第三版。 由传输方程得IC IE = IEBSEXP（VBE/VT） ----------（P46-2） = ISEXP（VBE/VT） IB IE / （1+ ） IC / IS EXP（V /V ）
二、电流传输方程
三极管是三端器件 ，具体使用时是作为四端网络接入电路，有
输入输出两对端子，必然有一个极作为输入输出端口的公共端 点，那一极作为公共端点称为共什么极，如下三种连接方式：
共基极
共发射极
共集电极
共基极
共发射极
共集电极 发射区发射效率
1. 共基极： 基区传输效率 定义 =ICN1 / IE = （IEN / IE ）（ICN1 / IEN）=12 这样 IC= ICN1 +ICBO= IE + ICBO -------------（P44.1） 上式是共基极连接时输出电流IC受输入电流IE控制的传输方程。 称为共基极电流传输系数，表示IE转化为ICN1的能力，其值恒 小于1，但十分接近于1。而ICBO很小，对硅管其值为 （10-9---10-16)A，可忽 略。上式可简化为 IC IE
ICBO

正向传输电流
基区复合电流

IC
IB
表示集电极电流受基 极电流控制得能力
远大于1（ =0.99, =99）, 说明在共发射极连接时，三极管具 有电流放大作用，但该参数离散性较大。再看ICEO 它是 基极 开路（ IB =0）时的集电极电流，当基极开路时，发 射结仍然正偏， 集电结仍然反偏，通过集电结电流ICBO必然通过发射结， （IB 中的 正向受控部分IEP+IEN – ICN1 = ICBO ），其值被放大了倍，这样通过 集电结电流为ICEO = （1+ ） ICBO ，其值远大于ICBO
3.
集电结面积大于发射结，保证扩散集电结边界处的非平衡少子 全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。 最后：发射结正偏电压控制IE和IB，IE中的IEN通过注入、扩散、 收 集而转化为IC，这种转化过程几乎不受集电结反偏电压大小 的影响。但反偏电压必须存在，否则这个过程是无法完成的。 那么，为什么要制作具有这样特点的三极管呢？或者具有 这样特点的三极管有什么作用呢？其实通过上述三极管特点的 描述，不难发现实际上是制作了一个受控电流源，集电结电流 大小不受集电结两端电压的控制，而只受发射结电压的控制， 这正是受控电流源的性质，这样在发射结外加小的电压 变化量， 在集电结上就可得到电流变化量，且该电流变化量不受集电结 电压 影响也就是不受集电结负载影响，若将该电流变化量加在 较大的负载上，即 可得到较大的电压变化量，从而实现了电压 放大。而二极管正偏时，外加正向电压变化虽可产生电流变化， 但该电流变化如直接加到负载上，该电流变化必然受到负载影 响，不能产生大的电压变化。
饱和模式下，三极管相当于两个正向偏置的二极管，可近似用 两个导通电压来表示，称为饱和导通电压VBE（sat）和VBC（sat） ， 其数值稍大于放大模式下的导通电压，近似分析时，可不加以 区别，统一用导通电压表示。如动画图所示。 由于集电结是低掺杂的（内建电位差与掺杂浓度成正比）， 故其导通电压低于发射结导通电压，一般取： VBE（sat） VBE（on） =0.7V VBC（sat）VBC（on） =0.4V 这样，共发射极连接时VCE（sat） = 0.7V—0.4V = 0.3V
本章主要内容简介（略）。
2.1 晶体三极管工作原理 一、内部载流子传输过程：（以NPN三极管为例） 发射结：正偏，通过发射结的电流主要是扩散电流，有IEN（发射区 电子扩散 注入基区）和IEP（基区空穴扩散注入发射区）即 IE= IEN + IEP 由于发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度 （几十倍到上百倍），所以IEN 》IEP IEN是IE 的主要组成 部分，其大小主要受发射结正偏电压控制。 发射结
2. 共发射极： 由于 IE = IB十 IC 将其代入（ P44. 1）式得
IC
1

IB
1
十
1

ICBO
令 = /（1- ）
和 ICEO=ICBO /（1- ）
则得 IC= IB+（1+ ） ICBO = IB+ ICEO ------------（P45.1）
上式反映了共发射极连接时，输出电流IC受输入电流IB控制的传输 方程， 称为共发射极电流放大倍数，其值大于1， ICEO是 基极 开路（ IB =0） 时的集电极电流，称为穿透电流。通常ICEO很小 ， 式（P45.1）可简化 为 IC IB
3. 共集电极： 将 IC = IE –IB 代入式（P45.1）得 IE =（1+ ）IB +ICEO （1+ ） IB 上式反映了共集电极连接时，输出电流IE受输入 电流IB控制的传输方程。 4. 和ICEO的物理意义： ICN1 ICN1 IC – ICBO 根据式（P45.1）可得： = IB + IEP+IEN – ICN1 IEN – ICN1
IE
N+
RIR
IF
P
N
FIF
IC
IR
R1
IB
R2
可见，在饱和模式下， IE和IC将同时受两个结正偏电压的控制， 已不在具 有放大模式下的正向受控作用，且随着VBC的增加， IE 和IC将迅速减小。
+ +
VBE（sat） VCE（sat） 而由于基区复合电流的增加和空穴电流的增加，基极电流 IB将大 于放大模式下的数值。 -
IE
N+
IEN
P
N
ICN1 ICP
IC
IEP
ICN2
}I
CBO
R1
IB
R2
通过上述讨论可见，三极管内部载流子的运行过程主要包括：发射 区多子自由电子通过发射结注入、基区扩散和复合、集电区收集三 个环节，在这个过程中将发射结电流IEN转化为集电结电流ICN1 ，这 个载流子流大小仅受正偏电压控制而几乎不受反偏电压控制。其他 载流子流只能分别产生很小的两个结的电流，不会转化为另一个结 的电流。它们对于正向受控作用来 说是无用的，是三极管的寄生电 流。为了减小寄生电流，保证正向受控载流子流的传输，在制造三 极管时必须满足以下条件： 1. 发射结为不对称结：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度（几 十倍到上百倍）， 使 IEN 》IEP IEN是IE 的主要组成部分，减 少无用成分IEP 2. 基区宽度很薄，一般μm数量级，保证发射区扩散过来的自由 电子在向集电结扩散过程中仅有小部分被复合掉，绝大部分能 到达集电结。否则，若基区宽度大，发射区扩散过来的自由电 子在向集电结扩散过程中大部分被复合掉，不能到达集电结， 如同两个彼此独立的二极管失去了三极管的正向受控作用。
发射结
IE
集电结
N
ICN1
ICP IC
N+
IEN
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P
IEP R1 IB
ICN2
}I
CBO
R2
ICP 集电区中的热平衡少子空穴漂移至基区形成的漂移电流，非
常小，且基本与反偏电压大小无关。
IC = ICN1十ICN2十ICP = ICN1十ICBO ICBO = ICN2十ICP
IC 中的主要成分ICN1受发射结正偏电压控制，即IC的大小基本 只受发射结正偏电压控制，而集电结本身的热平衡少子形成 的漂移电流ICBO又称反向饱和电流基本不受发射结正偏电压

BE T
2. 简化电路模型：三极管发射结相当于一个正偏二极管，集电结 相当于一个受控电流源（受发射结正偏电压）控制，而发射结 正偏电压决定IE和IB得大小，故受控电流源也可看成是受IE或IB
IB
IC
IB
IC
IB
VBE（on）
IB
（A）
（B）
右边的（B）图是将二极管用其简化电路模型代替，并忽略正向 导通电阻另外需要强调的是，ICBO，IS，VBE（on）均是温度敏感 参数。 每升高10C， / 增大（0.5--1)% 每升高10C， VBE（on）减小（2--2.5）mV 每升高100C , ICBO增大一倍 具体计算结果参见教材P54例题。
控制，也基本与反偏电压大小无关，是集电结寄生电流。
IE
N+
IEN
P
N
ICN1 ICP
IC
IEP R1 IB
ICN2
}I
CBO
R2
基极电流： IEP 基区空穴扩散注入发射区 IEN – ICN1 复合电流，是IEN转化为ICN1 过程中，在基区形成的 复合电流。 ICBO 集电结本身的热平衡少子形成的漂移电流ICBO又称反向饱 和 电流基本不受发射结正偏电压控制。 IB = （IEN – ICN1）十IEP – ICBO = IE – IC
2.2 晶体三极管其他工作模式 三极管另外两种工作模式是饱和模式和截止模式。 一、饱和模式：三极管的发射结和集电结均加正向电压，其内部载 流子运行过程简介如下： 正向传输过程：假设发射结正偏、集电结零偏，发射结产生的 正偏电流IF经基区复合、传输、集电结漂移转化成集电极电 流FIF 。
IE
N+
IF
P
N
FIF
IC
R1
IB
R2
反向传输过程：假设发射结零偏、集电结正偏，集电结产生的 正偏电流IR经基区复合、传输、发射结漂移转化成发射极电 流RIR 。 因此，合成的发射极电流 IE= IF — RIR （方 向为流出发射极） 合成的集电极电流 IC = FIF —IR （方向为流入集电极）
晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的各端电流与两个结电压之间的关系可由埃伯尔莫尔模型及前面讲的各种模型描述外也可采用晶体三极管的伏安特性曲线来描述由于三极管是三端器件作为四端网络共有四个变量因此有输入端伏安特性曲线以输出端电压或电流为参变量和输出端伏安特性曲线以输入端电压或电流为参变量两组曲线族来描述晶体三极管的伏安特性而三极管在使用时有三种连接方式每一种连接方式都有其各自的输入输出端特性曲线现只以共发射极为例来介绍三极管的伏安特性曲线其他两种可参考教材第三版或自己分析实验室中有专用的晶体管伏安特性测试仪用来测量晶体管的伏安特性和各种参数