华中科技大学《模拟电子技术》课程PPT——Ch 4.1

4.1 半导体三极管
4.1.1 BJT的结构简介 4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 4.1.3 BJT的V-I 特性曲线 4.1.4 BJT的主要参数
1
4.1.1 BJT的结构简介
(a) 小功率管
(b) 大功率管
(c) 中功率管
2
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.1 BJT的结构简介
半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类 型：NPN型和PNP型。
发射区 集电区 集电极，用C或c 表示（Collector）
发射极，用E或e 表示（Emitter）
集电结(Jc) 基区 发射结(Je) 三极管符号
3 Lec 04-1
基极，用B或b 表示（Base）
华中科技大学电信系
张林
4.1.1 BJT的结构简介
华中科技大学电信系 张林
14
Lec 04-1
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它 的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极 而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓 度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
iC
0
vCB
0
vCB
7
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
1. 内部载流子的传输过程
N P N
N P N ICN
e
ICBO
c
IC Rc
e
IE Re
IEN IBN
c
ICBO IC Rc
b
IB
VCC
VEE
b
IB
VCC
iC
改变发射结正偏电压，则有不 同的iB和iE,从而导致不同的iC。
ICBO
μA
b
+
c e
VCC IE=0
23
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
2. 极间反向电流 (2) 集电极发射极间的反向饱 和电流ICEO ICEO=（1+ β ）ICBO
即输出特性曲线 IB=0那条曲线所对应的 Y坐标的数值。 ICEO也 称为集电极发射极间穿 透电流。
b
IB
VCC
通常 IC >> ICBO
则有 α ≈
Iபைடு நூலகம் IE
α 为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度 有关，与外加电压无关。一般α =0.9∼0.99。
由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双 极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。
iC
0
vCB
0
vCB
8
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
1. 内部载流子的传输过程
N P N
N P N ICN
e
ICBO
c
IC Rc
e
IE Re
IEN IBN
c
ICBO IC Rc
b
IB
VCC
VEE
b
IB
VCC
iE
发射结正偏电压与发 射极电流的关系就是 PN结正向特性。
12
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
4. 放大作用
+ ΔvI IE +ΔiE e b IB +ΔiB c IC +ΔiC + ΔvO VEE VCC 共基极放大电路 RL 1kΩ
VEB +ΔvEB
若 ΔvI = 20mV 使 ΔiE = -1 mA，
当 α = 0.98 时，
2. 输出特性曲线
N P
VCC
e
IE Re
IEN IBN
N ICN
N
P
c
ICBO IC Rc
e
IE
IEN IBN
N ICN
Rc
c
ICBO IC
VEE
b
IB
VCC
VBB
Rb
b
IB
iC
vCE= vCB - vBE vCE= 0V时，集
iC
电结正偏，无收 集载流子能力
0 vCB 0 vCE
18
Lec 04-1
vBE - e VBB
b +
vCE
VCC
vBE
16 Lec 04-1
共射极放大电路
张林
华中科技大学电信系
4.1.3 BJT的I－V 特性曲线
1. 输入特性曲线
(3) 输入特性曲线的三个部分 ①死区 ②非线性区 ③线性区 vBE
iB
17
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.3 BJT的I－V 特性曲线
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
1. 电流放大系数 (2) 共发射极交流电流放大系数β β =ΔIC/ΔIB⏐vCE=const
iC
vCE
21
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
1. 电流放大系数
(3) 共基极直流电流放大系数
α
α =（IC－ICBO）/IE≈IC/IE
19 Lec 04-1
域，曲线基本平行等距。此 时，发射结正偏，集电结反 偏。
张林
华中科技大学电信系
4.1.4 BJT的主要参数
1. 电流放大系数
(1)共发射极直流电流放大系数 β
I C − I CEO I C β= ≈ IB IB
iC
vCE = const
β
iC
iC
vCE
iB
20
Lec 04-1
28
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
end
β 是另一个电流放大系数。同样，它也只与管
子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。 一般 β >> 1 。
11 Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
3. 三极管的三种组态
BJT的三种组态
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。
华中科技大学电信系
张林
4.1.3 BJT的I－V 特性曲线
2. 输出特性曲线 iC=f(vCE)⏐ iB=const
输出特性曲线的三个区域: 饱和区：iC明显受vCE控制的区 域，该区域内，一般vCE＜0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集
电结正偏或反偏电压很小。
放大区：iC平行于vCE轴的区 截止区：iC接近零的区域，相 当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损 耗区、过电流区和击穿区。 iC
过流区
击穿区
vCE
输出特性曲线上的过损耗区和击穿区
27 Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
1. 既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相串 联以构成一只BJT，试说明其理由。 2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？ 3. 放大电路输出端增加的能量是从哪里来的？
iC
0
vBE
0
vCB
9
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
2. 电流分配关系
IE=IB+ IC IC= ICN+ ICBO
e
IE Re VEE N IEN IBN ICBO P N ICN
c
IC Rc
传输到集电极的电流 设 α= 发射极注入电流
I CN 即 α= IE
15
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.3 BJT的I－V 特性曲线
1. 输入特性曲线 （以共射极放大电路为例） iB=f(vBE)⏐ vCE=const
(1) 类似发射结的正向伏安特性曲线。 (2)当vCE=0V时，集电结正偏，无收集载流子能力， IB相对较大。 (3) 当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状态，收集载流 iB 子能力增强，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。 vCE = 0V vCE ≥ 1V iB c+ iC
(3) 反向击穿电压
• V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。 • V(BR) EBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。 • V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。 几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR) EBO
26 Lec 04-1
5
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
1. 内部载流子的传输过程 （以NPN为例）
N P N
N P N
e
ICBO
c
IC Rc
e
c
b
IB
VCC
b
iD
iC= -iD vCB= -vD
0
iC
vD
0
vCB
6
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
+ ΔvI VBB IE +ΔiE IB +ΔiB c b + VBE +ΔvBE e IC +ΔiC RL 1kΩ + ΔvO VCC
则 ΔiC = β ⋅ Δi B
=
α
1 −α = 0.98mA
⋅ ΔiB
ΔvO = -ΔiC• RL = -0.98 V， 电压放大倍数
共射极放大电路
ΔvO − 0.98V AV = = = −49 Δv I 20mV
1. 内部载流子的传输过程
N P N
N P N ICN
e
ICBO
c
IC Rc
e
IE Re
IEN IBN
c
ICBO IC Rc
b
IB
VCC
VEE
b
IB
VCC
iC
发射结正偏，发射区向基区注入 载流子，基区有了大量与原基区 少数载流子相同极性的载流子。 从而集电区收集到大量载流子， 形成较大的集电极电流。
ICEO
24 Lec 04-1
b
c e
ICEO
mA +
VCC
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
3. 极限参数
(1) 集电极最大允许电流ICM
iC
iB
(2) 集电极最大允许功率损耗PCM
PCM= ICVCE
25
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
3. 极限参数
10 Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
2. 电流分配关系 α 又设 β = 1−α
根据 且令 IE=IB+ IC IC= ICN+ ICBO
I nC α= IE
ICEO= (1+ β ) ICBO （穿透电流）
I C − I CEO 则 β= IB
IC 当 I C >> I CEO 时， β ≈ IB
则 ΔiC = α ΔiE = -0.98 mA， ΔvO = -ΔiC• RL = 0.98 V， ΔvO 0.98V = = 49 电压放大倍数 AV = Δv I 20mV
13 Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
4. 放大作用
若 ΔvI = 20mV 使 ΔiB = 20 µA 设 α = 0.98
结构特点：
• 发射区的掺杂浓度最高； • 集电区掺杂浓度低于发 射区，且面积大； • 基区很薄，一般在几个 微米至几十个微米，且 掺杂浓度最低。
管芯结构剖面示意图
4
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过 载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏 各区域作用 发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子
(4) 共基极交流电流放大系数α
α=ΔIC/ΔIE⏐ VCB=const
当ICBO和ICEO很小时，α ≈α、 β ≈β，可以不 加区分。
22
Lec 04-1
华中科技大学电信系
张林
4.1.4 BJT的主要参数
2. 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。