半导体三极管及放大电路基础知识讲解

半导体三极管及放大电路基础知识讲解

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固问题

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〕把握差不多放大电路的两种差不多分析方法--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阻碍和分析波形失真等； 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〕熟悉差不多放大电路的三种组态及特点；把握工作点稳固电路的工作原理。

〔3〕把握频率响应的概念。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结之间的相互阻碍， 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什么缘故具有电流放大作用那个核心问题，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，它的种类专门多。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；依照结构不同， 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3.1所示。

图3.1是NPN型BJT的示意图。 它是由两个 PN结的三层半导体制成的。中间是一块专门薄的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确实是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。尽管发射区和集电区差不多上N型半导体，然而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3.1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工作于放大状态的差不多条件：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VEE，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IE，其方向与电子流淌方向相反，如图3.2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存起来， 右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结邻近浓度最高，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VEE的正端那么不断从基区拉走电子， 看起来不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等， 使基区的空穴浓度差不多坚持不变。如此就形成了基极电流IB， 因此基极电流确实是电子在基区与空穴复合的电流。 也确实是说， 注人基区的电子有一部分未到达集电结， 如复合越多， 那么到达集电结的电子越少， 对放大是不利的。

因此为了减小复合，常把基区做得专门薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度专门低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量专门少， 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，其集电结的内电场专门强，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专门难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有专门强的吸引力， 使电子专门快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流IC。 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， 形成专门小的反向饱和电流ICB0 。

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iE与vBE成指数关系：

集电极电流iC是iE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

VCE=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。

VCE≥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IB。 vCE>1V以后，IC增加专门少，因此IB的变化量也专门少，能够忽略vCE对IB的阻碍，即输入特性曲线都重合。

注意:发射结开始导通的电压vBE：0.6V~0.7V(硅管)，0.1~0.3V(锗管)

〔2〕输出特性曲线

关于一确定的iB值，iC随VCE的变化形成一条曲线，给出多个不同的iB值，就产生一个曲线族。如图3.6所示。

① IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，无放大作用，因此对应IB=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示。

② IB﹥0 ， VCE<1V ，iC随IB的变化不遵循的规律，而且iC随VCE的变化也是非线性的，因此该区域称为饱和区。

③ IB﹥0、VCE≥1V，iC随iB的变化情形为： 或

在那个区域中IC几乎不随VCE变化，对应于每一个IB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的要紧参数

BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范畴的，它是选用BJT的依据。了解这些参数的意义，关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，依照工作状态的不同，在直流和交流两种情形下分别用符号 和表示。其中

上式说明:BJT集电极的直流电流 IC与基极的直流电流IB的比值， 确实是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数， 有时用hFE来代表 。

然而，BJT常常工作在有信号输人的情形下，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，那么与之比称为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ICBO。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〕ICEO。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〕集电极最大承诺电流ICM。表示BJT的参数变化不超过承诺值时集电极承诺的最大电流。当电流超过ICM时，三极管的性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。

〔2〕集电极最大承诺功耗PCM。表示BJT的集电结承诺损耗功率的最大值。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PCM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 ， 专门是VCE不应超过 V〔BR〕CEO。

〔3〕要注意工作时的最大集电极电流IC不应超过ICM。

〔4〕要依使用要求：是小功率依旧大功率， 低频、高频依旧超高频，工作电源的极性，β值大小要求。

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第三节 共射极放大电路

在实践中，放大电路的用途是专门广泛的，它能够利用BJT的电流操纵作用把柔弱的电信号增强到所要求的数值， 例如常见的扩音机确实是一个把柔弱的声音变大的放大电路。 声音先通过话筒变成柔弱的电信号，通过放大器，利用BJT的操纵作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后通过扬声器 (喇叭)还原成为放大了的声音。

为了了解放大器的工作原理，先从最差不多的放大电路开始讨论。

一、共射极差不多放大电路的组成

在图3.7所示的单管放大电路中， 采纳NPN型硅BJT，VCC是集电极回路的直流电源 (一样在几伏到几十伏的范畴)， 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(一样在几千欧至几十千欧的范畴)，它的作用是将BJT的集电极电流iC的变化转变为集电极电压VCE的变化。VBB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Rb接基极，以保证发射结为正向偏置，并通过基极电阻 Rb(一样在几千欧至几百千欧的范畴) (一样在几十千欧至几百千欧的范畴)，由VBB供给基极一个合适的基极电流

关于硅管，VBE约为0.7V左右， 关于锗管，VBE约为0.2V左右，而VBB一样在几伏至几十伏的范畴内(常取VBB=VCC)，即VBB＞＞VBE，因此近似有

由上式可见，那个电路的偏流IB决定于VB，和Rb的大小，VBB和Rb经确定后，偏流IB确实是固定的，因此这种电路称为固定偏流电路。Rb又称为基极偏且电阻。

电容Cb1和Cb2称为隔直电容或耦合电容(一样在几微法到几十微法的范畴)，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的基极对集电极的操纵作用来实现的， 即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去操纵流过集电极电路的电流， 从而将直流电源VCC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操纵作用；放大器是一种能量操纵部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。

二、共射极差不多放大电路的工作过程

待放大的输人电压vi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Vo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vi 通过电容Cb，加到BJT的发射结，从而引起基极电流iB相应的变化。iB的变化使集电极电流iC随之变化。iC的变 化量在集电极电阻RC上产生压降。集电极电压vCE =VCC 一iCRC，当iC的瞬时值增加时，vCE 就要减小，因此vCE 的变化恰与iC 相反。vCE 中的变化量通过电容Cb ，传送到输出端成为输出电压Vo 。假如