半导体三极管及放大电路

半导体三极管及放大电路

基本要求

· 熟练掌握：放大电路的组成原则；共射、共集和共基组态放大电路工作原理；静态工作点；用小

信号模型分析法分析增益、输入电阻和输出电阻；多级放大电路的工作原理，增益的计算

· 正确理解：图解分析法；放大电路的频率响应 · 一般了解：频率失真

难点重点

1．半导体三极管内部载流子的传输过程

（1）发射区向基区注入电子

由于发射结外加正向电压，发射结的内电场被削弱，有利于该结两边半导体中多子的扩散。流过发射

极的电流由两部分组成：一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区，成为集区中的非平衡少子

而形成的电子电流ＩEN，二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区，成为发射区的非平衡少子而形

成的空穴电流ＩEP。由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度，因此，与电子电流相比，空穴的

电流是很小的，即

ＩE=ＩEN+ＩEP（而ＩEN>>ＩEP）

（2）非平衡载流子在基区内的扩散与复合

由发射区注入基区的电子，使基区内少子的浓度发生了变化，即靠近发射结的区域内少子浓度最高，

以后逐渐降低，因而形成了一定的浓度梯度。于是，由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩

散。另一方面，由于基区很薄，且掺杂浓度很低，因而在扩散过程中，只有很少的一部分会与基区中的多

子（空穴）相复合，大部分将到达集电结。

（3）集电区收集载流子

保密 由于集电结外加反向电压，集电结的内电场被加强，有利于该结两边少子的漂移。流过集电极的电流

ＩC，除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ＩCN2和集电区中的热平衡少子空

穴通过集电结形成的空穴电流ＩCP所组成的反向饱和电流ＩCBO以外，还包括由发射区注入到基区的非平

衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界，而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到

集电区所形成的正向电子传输电流ＩCN1，因此

ＩC=ＩCN1+ＩCN2+ＩCP=ＩCN1+ＩCBO

式中ＩCBO＝ＩCN2+ＩCP

基极电流由以下几部分组成：通过发射结的空穴电流ＩEP，通过集电结的反向饱和电流ＩCBO以及Ｉ

EN转化为ＩCN1过程中在基区的复合电流（ＩEN-ＩCN1），即

ＩB=ＩEP+（ＩEN-ＩCN1）-ＩCBO

3.1半导体三极管

1．半导体三极管的结构

（1）半导体三极管从结构上可分为NPN型和PNP型两大类，它们均由三个掺杂区和两个背靠背的PN结构

成，但两类三极管的电压极性和电流方向相反。

（2）三个电极：基极 b、集电极 c、和发射极 e。从后面工作原理的介绍中可以看到，发射极和集电极

的命名是因为它们要分别发射与接收载流子。

（3）内部结构特点：发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；基区很薄，且掺杂浓度最低。

（4）三个区作用：发射区发射载流子、基区传输和控制载流子、集电区收集载流子。

2．电流的分配和控制作用

（1）条件

内部条件：三极管的结构。外部条件：发射结正偏、集电结反偏。

对NPN型：Ｖc> ＶB> ＶE Si管：ＶBE=0.7V Ge管：ＶBE=0.2V

对PNP型：Ｖc< ＶB< ＶE Si管：ＶBE=-0.7V Ge管：ＶBE=-0.2V

（2）内部载流子的传输过程（参阅难点重点）

（3）电流分配关系

在众多的载流子流中间，仅有发射区的多子通过发射结注入、基区扩散和复合以及集电区收集三个环

节，转化为正向受控作用的载流子流Ic，其它载流子流只能分别产生两个结的电流，属于寄生电流。

为了表示发射极电流转化为受控集电极电流Ic的能力，引入参数α，称为共基极电流传输系数。其

定义为

α=Ｉc／ＩE

令β＝α／（１－α），称为共射极电流传输系数。

3．各极电流之间的关系 ＩE＝Ｉc＋ＩB 保密（1）共基接法 (ＩE对Ｉc 的 控制作用)

Ｉc＝αＩE +ＩCBO

ＩB＝（1-α）ＩE -ＩCBO

（2）共射接法 (ＩB对Ｉc 的 控制作用)

Ｉc＝βＩB +ＩCEO

ＩE＝（1+α）ＩB +ＩCEO

ＩCEO＝（1+β）ＩCBO

4．共射极电路的特性曲线(以NPN型管为例)

（1）输入特性曲线 ＩB=f(ＶBE，ＶCE )

输入特性曲线是指当ＶCE为某一常数时，ＩB和BE之间的关系。

特点：ＶCE=0的输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线类似；随着ＶCE增大，输入特性曲线右

移；继续增大ＶCE，输入特性曲线右移很少。

在工程上，常用ＶCE=1时的输入特性曲线近似代替ＶCE>1V时的输入特性曲线簇。

（2）输出特性曲线

输出特性曲线是指当ＩB为某一常数时，ＩC和ＶCE之间的关系，可分为三个区：

截止区：发射结反偏，集电结反偏，发射区不能发射载流子，ＩB≈0，ＩC≈0。

放大区：发射结正偏，集电结反偏。其特点是：ＶBE≈0.7V(或0.2V)，ＩB>0，ＩC与ＩB成线性关系,几

乎与

ＶCE无关。

饱和区：发射结正偏，集电结正偏，随着集电结反偏电压的逐渐减小（并转化为正向偏压），集电结的空

间电荷

区变窄，内电场减弱，集电结收集载流子的能量降低，ＩC不再随着ＩB作线性变化，出

现发射极发射有

余，而集电极收集不足现象。其特点是：ＶCE很小，在估算小功率管时，对硅管可取

0.3V（锗0.1V）。

对PNP型管，由于电压和电流极性相反，所以特性在第三象限。

4．主要参数

电流放大倍数，集电极最大允许电流ＩCM，集电极耗散功率PCM，反向击穿电压Ｖ（BR）CEO等

保密3.2共射极放电电路

1．放大的原理和本质（以共发射极放大电路为例）

交流电压ｖi通过电容Ｃ1加到三极管的基极，从而使基极和发射极两端的电压发生了变化：

由ＶBE→ＶBE ＋ｖi，

由于PN结的正向特性很陡，因此ｖBE的微小变化就能引起ｉE发生很大的变化：

由ＩE→ＩE+ △ＩE，

由于三级管内电流分配是一定的，因此ｉB和ｉC作相同的变化，其中ＩC→ＩC +△ＩC。

ｉC流过电阻Ｒc，则Ｒc上的电压也就发生变化：

由ＶRc→ＶRc +△ＶRc。

由于ｖCE=ＶCC-ｖRc，因此当电阻Ｒc上的电压随输入信号变化时，ｖCE也就随之变化，由ＶCE→Ｖ

CE+△ＶCE，ｖCE中的变化部分经电容Ｃ2传送到输出端成为输出电压ｖo。如果电路参数选择合适，我们

就能得到比△ｖi大得多的△ｖo。

所以，放大作用实质上是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。

2．放大电路的特点

交直流共存和非线性失真

3．放大电路的组成原则

正确的外加电压极性、合适的直流基础、通畅的交流信号传输路径

4．放大电路的两种工作状态

（1）静态：输入为0，ＩB、ＩC、ＶCE都是直流量。

（2）动态：输入不为0，电路中电流和电压都是直流分量和交流分量的叠加。保证在直流基础上实现

不失真放

大。

5．放大电路的分析步骤

（1）先进行静态分析：用放大电路的直流通路。

直流通路：直流信号的通路。放大电路中各电容开路即可得到。

（2）在静态分析的基础上进行动态分析：用放大电路的交流通路。

交流通路：交流信号的通路。放大电路中各电容短接，直流电源交流短接即可得到。

3.3图解分析法 保密1．静态分析

（1）先分析输入回路

首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。在线性部分，其端特性方程

为

ＶBE＝ＶCC－ＩB*ＲB

将相应的负载线画在三极管的输入特性曲线上，其交点便是所求的（ＩBQ，ＶBQ）。

（2）再分析输出回路

用同样的方法，可得到输出回路的负载线方程（直流负载方程）为

ＶCE＝ＶCC－ＩC*ＲC

将相应的负载线（直流负载线，斜率为1/Rc）画在三极管的输出特性曲线上，找到与ＩB=ＩBQ相对应的

输出特性曲线，其交点便是所求的（ＩCQ，ＶCEQ）。

2．动态分析（参阅难点重点）

交流负载线：是放大电路有信号时工作点的轨迹，反映交、直共存情况。其特点为过静态工作点Q、

斜率为

1/（Rc//RL）。

3．放大电路的非线性失真及最大不失真输出电压

（1）饱和失真：静态工作点偏高，管子工作进入饱和区（NPN管，输出波形削底；PNP管，输出波形削

顶）

（2）截止失真：静态工作点偏低，管子工作进入截止区（NPN管，输出波形削顶；PNP管，输出波形削

底）

观看动画

（3）最大不失真输出电压Vom

如图 Vom1=VCE-VCES 且因为ICEO趋于0 ， Vom2=ＩCQ*（ＲC//ＲL）

所以Vom为Vom1及Vom2中较小者，以保证输出波形不失真。

保密4．图解分析法的特点

图解分析法的最大特点是可以直观、全面地了解放大电路的工作情况，并能帮助我们理解电路参数对

工作点的影响，并能大致估算动态工作范围，另外还可帮助我们建立一些基本概念，如交直流共存、非线

性失真等。

图解分析法实例（工作点移动对输出波形的影响），观看动画。

3.4小信号模型分析法

指导思想：在一定条件下，把半导体三极管所构成的非线性电路转化为线性电路。

1．半导体三极管的小信号模型

（1）三极管小信号模型的引出，是把三级管作为一个线性有源双口网络，列出输入和输出回路电压和电

流的关系，然后利用取全微分或泰勒展开的方法得到Ｈ参数小信号模型。

（2）关于小信号模型的讨论：

①小信号模型中的各参数，如ｒbe、β均为微变量，其值与静态工作点的位置有关，并非常数。

②受控电流源的大中、流向取决于ｉb

③小信号模型适用的对象是变化量，因此电路符号不允许出现反映直流量或瞬时总量的大下标符号。

2．用H参数小信号模型分析共射基本放大电路

（1）画出小信号等效电路

方法：先画出放大电路的交流通路（电容及电源交流短接），然后将三极管用小信号模型代替。

（2）求电压放大倍数

（3）求输入电阻

（4）求输出电阻

以下给出了一共射基本放大电路的分析过程，观看动画。

3.5放大电路的工作点稳定问题

偏置电路：一是提供放大电路所需的合适的静态工作点；二是在环境温度、电源电压等外界因素变化时，

保持静态工作点的稳定。

1．温度对放大电路静态工作点的影响

Ｔ↑→VBE↓、β↑、ＩCBO↑→ＩC↑

静态工作点变化，可能导致放大电路输出波形失真。

2．稳定静态工作点方法：在放大电路中引电流负反馈（常用射极偏置电路）、采用补偿法。

3．射极偏置电路

稳定静态工作点的过程：（1）利用Ｒb1和Ｒb2组成的分压器以固定基极电位；（2）利用Ｒe产生

的压降反馈到输入回路，改变ＶBE，从而改变ＩC。 保密