双极型晶体管及其基本放大电路(精)

说明
根据VCB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
§3.1 双极型晶体管
22
（1）共基组态
当VCB 0时：
IE IES eVBE VT 1 R ICS eVBC VT 1 IE IES e 1 VEB VT
当VCB 1V时：
ICEO IB 0
0
截止区
VCE
§3.1 双极型晶体管
37
（2）共发组态
三种工作区的分割条件
放大区 VI BCE0VBE 饱和区 VI BCE0VBE
截止区

IB IC

0 0
§3.1 双极型晶体管
38
5. 主要参数
（1）电流放大系数 （2）反向饱和电流 （3）极限参数 （4）频率参数 （5）结电容与体电阻
IE IES eVBE VT 1 R ICS eVBC VT 1 IE IES eVEB VT 1 R ICS
§3.1 双极型晶体管
23
（1）共基组态
伏安特性曲线
IE
VCB 1V
VCB 0
说明
VEB
当VCB>1V时，可近似认ห้องสมุดไป่ตู้输入端伏安特性曲线重合为 一条曲线
§3.1 双极型晶体管
25
（1）共基组态
现只有IC和VEB、VCB的关系，以下推导 IC和I E、VCB的关系
由 IE IF RIR 得 IF IE RIR
代入I
的公式，得到
C
IC F IF IR F (IE R IR ) I R F I E (1 F R )IR
I IC
E IF
F I
R ICS IF F ICS F I
F
§3.1 双极型晶体管
18
3. 数学模型
饱和状态
该方程无法进行线性简化，仍为非线性方程
I E

I eVBE ES
VT
R ICS eVBC
VT
IC
ICS eVBC
VT
F IES eVBE

0 0
§3.1 双极型晶体管
29
（2）共发组态
共发组态
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
B
VBE
C
VCE
E
§3.1 双极型晶体管
30
（2）共发组态
输入端伏安特性
VBE
IB B
IC C
VCE
IB f VBE ,VCE VCE C
E
说明
根据VCE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

IE IC

IF RIR IR FIF
16
3. 数学模型
Ebers Moll方程：
IE IES eVBE VT 1 R ICS eVBC VT 1
IC ICS eVBC VT 1 F I ES eVBE VT 1
§3.1 双极型晶体管
24
（1）共基组态
输出端伏安特性
IE E
IC C
VEB
VCB
B
IC f VEB ,VCB f VEB C IE ,VCB IE C
说明
由于PN结正偏，VEB可调范围很小，曲线不明确，故 采用发射极电流IE来作为控制量
根据IE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
发射极 E
发射结
基极 集电结 B
PP P NN PP
集电极 C
§3.1 双极型晶体管
发射区 基区 集电区
PNP型晶体管
4
1.BJT的结构
两种类型
NPN型晶体管 PNP型晶体管 结构上的区别：各区采用的半导体材料极性相反
结构要素
三区：发射区、基区、集电区 三极：发射极、基极、集电极 两结：发射结、集电结
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第三章 双极型晶体管及 其基本放大电路
lugh@ustc.edu.cn 2020年3月5日
本章主要内容
§3.1 双极型晶体管 §3.2 BJT基本放大电路及分析方法 §3.3 三种组态放大器的中频特性 §3.4 单级共发放大器的频率特性 §3.5 多级放大电路
Ebers-Moll模型
BJT的理想模型或直流大信号分析模型
基本思路
将发射结和集电结视作两个背靠背的PN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 控电流反映了穿透基区的多子形成的电流
§3.1 双极型晶体管
14
3. 数学模型
Ebers-Moll模型
RIR
F IF
ICS
§3.1 双极型晶体管
33
（2）共发组态
伏安特性曲线
IB
VCE 0
VCE 1V
0
VBE
§3.1 双极型晶体管
34
（2）共发组态
输出端伏安特性
IB B
VBE
IC C
VCE
E
IC f VBE ,VCE f VBE C IB ,VCE IB C
§3.1 双极型晶体管
§3.1 双极型晶体管
27
（1）共基组态
伏安特性曲线
IC
饱和 工作区
放大工作区
ICBO
截止区
IE2 IE1 IE1 0 IE 0
VCB
§3.1 双极型晶体管
28
（1）共基组态
三种工作区的分割条件
放大区 VI ECB00
饱和区
VCB 0 IE 0
截止区 II CE
NPN
ICBO I 'B IB
C IC
B
§3.1 双极型晶体管
8
2. 放大工作原理
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
I
' C
IE , 0.9

1
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
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ICBO
§3.1 双极型晶体管
31
（2）共发组态
建立IB与端电压VBE ,VCE的关系式：
IB IE IC 1F IF 1R IR
1F IES eVBE VT 1 1R ICS eVBC VT 1
VCE
§3.1 双极型晶体管
2
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§3.1 双极型晶体管
lugh@ustc.edu.cn 2020年3月5日
1.BJT的结构
内部结构
发射极 E
发射结 基极 B
集电结
集电极
N N P P NN
C
NPN型晶体管
发射区 基区 集电区
C B
E
NPN型晶体管
E
PNP型晶体管
发射极的箭头可区分出发射极与集电极，其方向可区 分NPN管和PNP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
§3.1 双极型晶体管
7
2. 放大工作原理
放大工作条件
发射结正向偏置，集电结反向偏置件
放大工作原理
I
' C
IE E
NPN
35
（2）共发组态
建立IC与IB ,VCE的关系式：
IB IE IC 1 F IF 1 R IR

IC IR F IF

IC
F
IB
1R IR
1F
IR
F 1F
IB
1 RF 1F
IR
IR ICS eVBC VT 1
说明
在Ebers-Moll模型中，晶体管的两个端电压VBE和VBC 可正可负，故Ebers-Moll方程可以描述晶体管的所有 工作状态
§3.1 双极型晶体管
17
3. 数学模型
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 射结可近似为正向偏置的PN结二极管，而集电极电流 受发射极电流的线性控制
§3.1 双极型晶体管
26
（1）共基组态
当VCB 26mV时， I R ICS
IC F I E (1 F R )ICS
对比以前结果 IC I E Icbo
得出 (1 F R )ICS Icbo
IC F I E Icbo (eVCBVT 1)
集电极总电流
IC

I
' C
ICBO
IE

ICBO
§3.1 双极型晶体管
9
2. 放大工作原理
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 一部分与基区中的空穴复合，形成基极复合电流
I 'B 1 IE
第二部分：集电极的反向饱和电流ICBO
基极总电流 IB I 'B ICBO 1 IE ICBO
发射极电流
IE IB IC
§3.1 双极型晶体管
10
2. 放大工作原理
考虑 Icbo 得到两个基本的电流关系
I
C

IC 'Icbo
IE

I c bo
I B I B 'Icbo (1 )I E Icbo
另外


IC

1
IB

1
I c bo

I c bo
IB (1 )Icbo IB Iceo
§3.1 双极型晶体管
11
2. 放大工作原理
忽略ICBO时各极电流之间的关系

I
C
IC
IE IB
§3.1 双极型晶体管
12
2. 放大工作原理
几点说明
§3.1 双极型晶体管
13
3. 数学模型
输入端口：发射极与基极构成 输出端口：集电极与基极构成
E
C
VEB
VCB
B
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 三极管：两个端口四个变量，两个自变量两个因变量
§3.1 双极型晶体管
21
（1）共基组态
输入端伏安特性
IE E
VEB
B
IC C
VCB
IE f VEB ,VCB VCB C
VT
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 极和集电极相当于开路
IE IES R ICS 0

IC

ICS
F IES
0
§3.1 双极型晶体管
19
4. 伏安特性
（1）共基组态 （2）共发组态
§3.1 双极型晶体管
20
（1）共基组态
共基组态
VBE +VCB
VBC =VBE -VCE
VBE
VBE VCE
IB (1 F )IES (e VT 1) (1 R )ICS (e VT 1)
§3.1 双极型晶体管
32
（2）共发组态
当VCE 1V时：
IB
1
1 F
I ES
eVBE VT 1 1 R
IB
＝iC ，交流定义 Q iB
关系 1
1
以后交直流可以混用，不加区别
§3.1 双极型晶体管
41
（2）反向饱和电流
本征激发产生的少数载流子，受温度影响严重 一般不予考虑
IC

F IB
1 RF 1F
ICS
e 1 VBE VCE VT
F IB 1 F ICBO e 1 VBE VCE VT
§3.1 双极型晶体管
36
（2）共发组态
伏安特性曲线
VCE VBE
IC
饱和
工作区
放大工作IB区2 IB1 IB1 0
E IE
IC C
IF
IR
IB
B
VBE
VBC
§3.1 双极型晶体管
15
3. 数学模型
RIR
F IF
E IE IF
IB
B
IC C IR
VBE
VBC
§3.1 双极型晶体管
二极管数学方程：
IF IES eVBE VT 1
I R ICS eVBC VT 1
节点电流方程：
§3.1 双极型晶体管
39
（1）电流放大系数
电流放大系数




IC

＝
I
C
I E
Icbo IC ，直流
IE
IE
＝iC ，交流定义 Q iE
§3.1 双极型晶体管
40
（1）电流放大系数




IC

＝
I
C
I B
Iceo IC ，直流
IB
§3.1 双极型晶体管
5
1.BJT的结构
发射极 E
发射结
基极 B
集电结
N N P P NN
集电极 C
发射区 基区
集电区
注意
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 基区很薄，作为过渡区，其掺杂浓度最低
§3.1 双极型晶体管
6
1.BJT的结构
电路符号
C
B