半导体三极管及放大电路基础

半导体三极管及放大电路基础Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#第二章半导体三极管及放大电路基础第一节学习要求第二节半导体三极管第三节共射极放大电路第四节图解分析法第五节小信号模型分析法第六节放大电路的工作点稳定问题第七节共集电极电路第八节放大电路的频率响应概述第九节本章小结第一节学习要求（1）掌握基本放大电路的两种基本分析方法--图解法与微变等效电路法。

会用图解法分析电路参数对电路静态工作点的影响和分析波形失真等；会用微变等效电路法估算电压增益、电路输入、输出阻抗等动态指标。

（2）熟悉基本放大电路的三种组态及特点；掌握工作点稳定电路的工作原理。

（3）掌握频率响应的概念。

了解共发射极电路频率特性的分析方法和上、下限截止频率的概念。

第二节半导体三极管（BJT）BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。

本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和参数。

一、BJT的结构简介BJT又常称为晶体管，它的种类很多。

按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同，又可分成NPN型和PNP型等等。

但从它们的外形来看，BJT都有三个电极，如图所示。

图是NPN型BJT的示意图。

它是由两个 PN结的三层半导体制成的。

中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米)，两边各为一块N型半导体。

从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。

虽然发射区和集电区都是N 型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。

在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大，这从图也可看到，因此它们并不是对称的。

二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。

在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子由于发射结外加正向电压V EE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流I E，其方向与电子流动方向相反，如图所示。

（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。

因此，电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源V EE的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。

电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。

这样就形成了基极电流I B，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。

也就是说，注人基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。

所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。

（3）集电区收集电子集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。

使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流I C。

与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区，形成很小的反向饱和电流I CB0。

2、电流分配关系与正向偏置的二极管电流类似，发射极电流i E与v BE成指数关系：集电极电流i C是i E的一部分，即：式中β称为BJT的电流放大系数三、BJT的特性曲线１.共射极电路的特性曲线（1）输入特性V CE=0V时，b、e间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。

V CE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极，只有小部分与空穴复合形成I B。

v CE>1V以后，I C增加很少，因此I B的变化量也很少，可以忽略v CE对I B的影响，即输入特性曲线都重合。

注意:发射结开始导通的电压v BE：~(硅管)，~(锗管) （2）输出特性曲线对于一确定的i B值，i C随V CE的变化形成一条曲线，给出多个不同的i B值，就产生一个曲线族。

如图所示。

① I B = 0V， I C=I CEO BJT截止，无放大作用，因此对应I B=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图所示。

② I B﹥0 ， V CE<1V ，i C随I B的变化不遵循的规律，而且i C随V CE的变化也是非线性的，所以该区域称为饱和区。

③ I B﹥0、V CE≥1V，i C随i B的变化情况为：或在这个区域中I C几乎不随V CE变化，对应于每一个I B 值的特性曲线都几乎与水平轴平行，因此该区域称为线性区或放大区。

四、BJT的主要参数BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的，它是选用BJT的依据。

了解这些参数的意义，对于合理使用和充分利用BJT达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。

1.流放大系数BJT在共射极接法时的电流放大系数，根据工作状态的不同，在直流和交流两种情况下分别用符号和表示。

其中上式表明:BJT集电极的直流电流 I C与基极的直流电流I B的比值，就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数，有时用h FE来代表。

但是，BJT常常工作在有信号输人的情况下，这时基极电流产生一个变化量，相应的集电极电流变化量为，则与之比称为BJT的交流电流放大系数，记作即2.极间反向电流（1）集电极-基极反向饱和电流I CBO。

表示发射极开路，c、b间加上一定的反向电压时的电流。

（2）集电极-发射极反向饱和电流（穿透电流）I CEO。

表示基极开路，c、e间加上一定的反向电压时的集电极电流。

3.极限参数（1）集电极最大允许电流I CM。

表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。

当电流超过I CM时，三极管的性能将显着下降，甚至有烧坏管子的可能。

（2）集电极最大允许功耗P CM。

表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值。

超过此值时，三极管的性能将变坏或烧毁。

（3）反向击穿电压V（BR）CEO。

表示基极开路，c、e 间的反向击穿电压。

4、晶体管的选择（1）依使用条件选P CM在安全区工作的管子，并给予适当的散热要求。

（2）要注意工作时反向击穿电压，特别是V CE不应超过 V（BR）CEO。

（3）要注意工作时的最大集电极电流I C不应超过I CM。

（4）要依使用要求：是小功率还是大功率，低频、高频还是超高频，工作电源的极性，β值大小要求。

返回第三节共射极放大电路在实践中，放大电路的用途是非常广泛的，它能够利用BJT的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值，例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。

声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用BJT的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器 (喇叭)还原成为放大了的声音。

为了了解放大器的工作原理，先从最基本的放大电路开始讨论。

一、共射极基本放大电路的组成在图所示的单管放大电路中，采用NPN型硅BJT，V CC是集电极回路的直流电源 (一般在几伏到几十伏的范围)，它的负端接发射极,正端通过电阻R接集电极，以保证集电结为反向偏置；R是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围)，它的作用是将BJT的集电极电流i C的变化转变为集电极电压V CE的变化。

V BB是基极回路的直流电源,它的负端接发射极，正端通过基极电阻R b接基极，以保证发射结为正向偏置，并通过基极电阻 R b(一般在几千欧至几百千欧的范围) (一般在几十千欧至几百千欧的范围)，由V BB供给基极一个合适的基极电流对于硅管，V BE约为左右，对于锗管，V BE约为左右，而V BB一般在几伏至几十伏的范围内(常取V BB=V CC)，即V BB＞＞V BE，所以近似有由上式可见，这个电路的偏流I B决定于V B，和R b的大小，V BB和R b经确定后，偏流I B就是固定的，所以这种电路称为固定偏流电路。

R b又称为基极偏且电阻。

电容C b1和C b2称为隔直电容或耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围)，它们在电路中的作用是"传送交流，隔离直流"。

值得指出的是，放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的，即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流，从而将直流电源V CC的能量转化为所需要的形式供给负载。

因此，放大作用实质上是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件。

同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。

二、共射极基本放大电路的工作过程待放大的输人电压v i从电路的A、O两点(称为放大电路的输入端)输入，放大电路的输出电压V o由B、O两点(称为放大电路的输出端)输出。

输入端的交流电压v i通过电容C b，加到BJT的发射结，从而引起基极电流i B相应的变化。

i B的变化使集电极电流i C随之变化。

i C的变化量在集电极电阻R C上产生压降。

集电极电压v CE =V CC 一i CRC，当i C的瞬时值增加时，v CE就要减小，所以v CE的变化恰与i C相反。

v CE中的变化量经过电容C b，传送到输出端成为输出电压V o。

如果电路参数选择适当，v0的幅度将比v i大得多，从而达到放大的目的，对应的电流、电压波形示于图中。

在半导体电路中，常把输人电压、输出电压以及直流电源V cc和V BB的共同端点(0点)称为"地"，用符号"⊥"表示(注意，实际上这一点并不真正接到大地上)，并以地端作为零电位点 (参考电位点)。

这样，电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压(即电位差)。

例如V c就是指集电极对地的电压。

这些概念和术语，前面已作过初步的介绍，但这里所讨论的放大电路要复杂得多。

三、共射极放大电路的简化为了分析方便，我们规定:电压的正方向是以共同端 (0点) 为负端，其他各点为正端。

图中所标出的"十"、"一"号分别表示各电压的假定正方向；而电流的假定正方向如图中的箭头所示，即i c、i b以流入电极为正；i E则以流出电极为正。

图中表示电流、电压的符号的意义如下：V BE、I B－（大写符号，大写下标）表示直流值。