【正文】 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路第 2章 雙極型晶體管及其放大電路 2–1 雙極型晶體管的工作原理 2–2 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)2–3 晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路2–4 放大器的組成及其性能指標(biāo) ?2–5 放大器圖解分析法 ?2–6 放大器的交流等效電路分析法 ?2–7 共集電極放大器和共基極放大器 ?2–8 放大器的級(jí)聯(lián) 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2–1 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的器件。它有三個(gè)電極，所以又稱為半導(dǎo)體三極管 、晶體三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體管。 晶體管的原理結(jié)構(gòu)如圖 2–1(a)所示。由圖可見，組成晶體管的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體是 N型 — P型 — N型結(jié)構(gòu)，所以稱為 NPN管。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路圖 2–1晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào) ?(a)NPN管的示意圖； (b)電路符號(hào)； (c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2–1–1放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程 ?當(dāng)晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)情況可用圖 22說明。我們按傳輸順序分以下幾個(gè)過程進(jìn)行描述。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路圖 2–2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流第 2章 雙極型晶體管及其放大電路一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ?由于 e結(jié)正偏，因而結(jié)兩側(cè)多子的擴(kuò)散占優(yōu)勢，這時(shí)發(fā)射區(qū)電子源源不斷地越過 e結(jié)注入到基區(qū)，形成電子注入電流 IEN。 與此同時(shí)，基區(qū)空穴也向發(fā)射區(qū)注入，形成空穴注入電流 IEP。 因?yàn)榘l(fā)射區(qū)相對(duì)基區(qū)是重?fù)诫s，基區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的電子濃度，所以滿足IEPIEN， 可忽略不計(jì)。因此，發(fā)射極 電流 IE≈IEN，其方向與電子注入方向相反。 ? 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路二、電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合 ?? 注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)中的非平衡少子，它在 e結(jié)處濃度最大，而在 c結(jié)處濃度最小 (因 c結(jié)反偏，電子濃度近似為零 )。因此，在基區(qū)中形成了非平衡電子的濃度差。在該濃度差作用下，注入基區(qū)的電子將繼續(xù)向 c結(jié)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，非平衡電子會(huì)與基區(qū)中的空穴相遇，使部分電子因復(fù)合而失去。但由于基區(qū)很薄且空穴濃度又低，所以被復(fù)合的電子數(shù)極少，而絕大部分電子都能擴(kuò)散到 c結(jié)邊沿。基區(qū)中與電子復(fù)合的空穴由基極電 源提供，形成基區(qū)復(fù)合電流 IBN， 它是基極電流 IB的主要部分。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路三、擴(kuò)散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集 ?由于集電結(jié)反偏，在結(jié)內(nèi)形成了較強(qiáng)的電場，因而，使擴(kuò)散到 c結(jié)邊沿的電子在該電場作用下漂移到集電區(qū)，形成集電區(qū)的收集電流 ICN。 該電流是構(gòu)成集電極電流 IC的主要部分。另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在 c結(jié)反向電壓作用下，向?qū)Ψ狡菩纬?c結(jié)反向飽和電流ICBO， 并流過集電極和基極支路，構(gòu)成 IC 、 IB的另一部分電流。 ?第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2–1–2電流分配關(guān)系 ?由以上分析可知，晶體管三個(gè)電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系：(2–1a) (2–1b)? (2–1c)第 2章 雙極型晶體管及其放大電路式 (2–1)表明，在 e結(jié)正偏、 c結(jié)反偏的條件下，晶體管三個(gè)電極上的電流不是孤立的，它們能夠反映非平衡少子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系。這一比例關(guān)系主要由基區(qū)寬度、摻雜濃度等因素決定，管子做好后就基本確定了。反之，一旦知道了這個(gè)比例關(guān)系 ，就不難得到晶體管三個(gè)電極電流之間的關(guān)系，從而為定量分析晶體管電路提供方便。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流 ICN與基區(qū)復(fù)合電流IBN之間的比例關(guān)系 ，定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 為 (2–2)其含義是：基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子，則有 個(gè)電子擴(kuò)散到集電區(qū)去。 值 一般在 20~200?之間。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路確定了 值之后，由式 (2–1)、 (2–2)可得(2–3a)(2–3b)(2–3c)式中： (2–4)稱為穿透電流。因 ICBO很小，在忽略其影響時(shí)，則有(2–5a)(2–5b)式 (2–5)是今后電路分析中常用的關(guān)系式。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流 ICN與射極注入電流IEN的比例關(guān)系，定義共基極直流電流放大系數(shù) 為(2–6)顯然， 1， 一般約為 ~。由式 (2–6)、 (2–1)，不難求得(2–7a)(2–7c)(2–7b)第 2章 雙極型晶體管及其放大電路由于 ,都是反映晶體管基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系，只是選取的參考量不同，所以兩者之間必有內(nèi)在聯(lián)系。由 ,的定義可得 (2–8)(2–9)第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2–1–3 晶體管的放大作用 ?現(xiàn)在用圖 2–2來說明晶體管的放大作用。若在圖中UBB上疊加一幅度為 100mV的正弦電壓 Δui， 則正向發(fā)射結(jié)電壓會(huì)引起相應(yīng)的變化。由于 e結(jié)正向電流與所加電壓呈指數(shù)關(guān)系，所以發(fā)射極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的注入電流 ΔiE， 例如為 1mA。第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2–2 晶體管伏安特性曲線及參數(shù) ?晶體管伏安特性曲線是描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線，它對(duì)于了解晶體管的導(dǎo)電特性非常有用。晶體管有三個(gè)電極，通常用其中兩個(gè)分別作輸入、輸出端，第三個(gè)作公共端，這樣可以構(gòu)成輸入和輸出兩個(gè)回路。實(shí)際中，有圖 2–3所示的三種基本接法 (組態(tài) )，分別稱為共發(fā)射極、共集電極和共基極接法。其中，共發(fā)射極接法更具代表 性，所以我們主要討論共發(fā)射極伏安特性曲線。 ? 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路圖 2–3晶體管的三種基本接法 ?(a)共發(fā)射極； (b)共集電極； (c)共基極 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2–2–1 晶體管共發(fā)射極特性曲線 ?因?yàn)橛袃蓚€(gè)回路，所以晶體管特性曲線包括輸入和輸出兩組特性曲線。這兩組曲線可以在晶體管特性圖示儀的屏幕上直接顯示出來，也可以用圖 2–4電路逐點(diǎn)測出。 ?一、共發(fā)射極輸出特性曲線 ?測量電路如圖 2–4所示。共射輸出特性 ? 曲線是以iB為參變量時(shí)， iC與 uCE間的關(guān)系曲 ? 線，即第 2章 雙極型晶體管及其放大電路圖 2–4共發(fā)射極特性曲線測量電路 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路典型的共射輸出特性曲線如圖 2–5所示。由圖可見，輸出特性可以劃分為三個(gè)區(qū) 域，對(duì)應(yīng)于三種工作狀態(tài)?，F(xiàn)分別討論如下。 1? 放大區(qū) ?e結(jié)為正偏， c結(jié)為反偏的工作區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。由圖 2–5可以看出，在放大區(qū)有 以下兩個(gè)特點(diǎn)： ? 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路圖 2–5共射輸出特性曲線第 2章 雙極型晶體管及其放大電路(1)基極電流 iB對(duì)集電極電流 iC有很強(qiáng)的控制作用，即 iB有很小的變化量 ΔIB時(shí) ， iC就會(huì)有很大的變化量 ΔIC。 為此，用共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) β來表示這種控制能力。 β定義為(2–10)反映在特性曲線上，為兩條不同 IB曲線的間隔 。? 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路(2)uCE變化對(duì) IC的影響很小。在特性曲線上表現(xiàn)為， iB一定而 uCE增大時(shí)，曲線略有上翹 (iC略有增大 )。這是因?yàn)?uCE增大 ， c結(jié)反向電壓增大，使 c結(jié)展寬，所以有效基區(qū)寬度變窄，這樣基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)減少，即 iB要 減小。而要保持 iB不變，所以 iC將 略有增大。這種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，或簡稱基調(diào)效應(yīng)。從另一方面看，由于基調(diào)效應(yīng)很微弱， uCE在很大范圍內(nèi)變化時(shí) IC基本不變。因此， 當(dāng) IB一定時(shí)，集電極電流具有恒流 ? 特性。 ? 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路2? 飽和區(qū) ?e結(jié)和 c結(jié)均處于正偏的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。通常把uCE=uBE(即 c結(jié)零 偏 )的情況稱為臨界飽和，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軌跡為臨界飽和線。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路二、共發(fā)射極輸入特性曲線 ?測量電路見圖 2–4。共射輸入特性曲線是以 uCE為參變量時(shí)， iB與 uBE間的關(guān)系曲線，即 典型的共發(fā)射極輸入特性曲線如圖 2–6所示。 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路圖 2–6共發(fā)射極輸入特性曲線 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路(1)在 uCE≥1V的條件下，當(dāng) uBEUBE(on)時(shí)， iB≈0。 UBE(on)為晶體管的導(dǎo)通電壓或死區(qū)電壓，硅管約為~， 鍺管約為 。 當(dāng) uBE UBE(on)時(shí)，隨著 uBE的 增大， iB開始按指數(shù)規(guī)律增加，而后近似按直線上升。 (2)當(dāng) uCE=0時(shí)，晶體管相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的二極管，所以 b,e間加正向電 壓時(shí)， iB很大。對(duì)應(yīng)的曲線明顯左移，見圖 2–6。 ? 第 2章 雙極型晶體管及其放大電路(3)當(dāng) uCE在 0~1V之間時(shí)，隨著 uCE的 增加，曲線右移。特別在 0uCE ≤UCE(sat)的范圍內(nèi)，即工作在飽和區(qū)時(shí)，移動(dòng)量會(huì)更大些。 ?(4)當(dāng) uBE0時(shí)，晶體管截止， iB為反向電流。若反向電壓超過某一值時(shí)， e結(jié)也會(huì)發(fā)生反向擊穿。 ?第 2章 雙極型晶體管及其放大電路三、溫度對(duì)晶體管特性曲線的影響 ?溫度對(duì)晶體管的 uBE、 ICBO和 β有不容忽視的影響。其中， uBE 、 ICBO隨溫度變化的規(guī)律與 PN結(jié)相同，即溫度每升高 1℃ ， uBE減小 2~； 溫度每升高 10℃， ICBO增大一倍。溫度對(duì) β的影響表現(xiàn)為， β隨溫度的升高而增大，變化規(guī)律是：溫度每升高 1℃ ， ? β值增大 %~1%(即 Δβ/βT≈(~1)%/℃ )。 ?第 2章 雙極型晶體管及其放大電路一、電流放大系數(shù) ?1共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大系數(shù) β?和 β分別由式 (2–2)、 (2–10)定義，其數(shù)值可以從輸出特性曲線上求出。2 共基極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大系數(shù) ?由式 (2–6)定義，而 α定義為， uCB為常數(shù)時(shí)，集電極電流變化量 ΔIC與發(fā)射極電流變化量 ΔIE之比，即(2–11)第 2章 雙極型晶體管及其放大電路由于 ICBO、 ICEO都很小，在數(shù)值上 β≈,α≈ 所以在以后的計(jì)算中，不再加以區(qū)分。 ? 應(yīng)當(dāng)指出， β值與測量條件有關(guān)。一般來說，在 iC很大或很小時(shí)， β值較小。只有在 iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)， β值才比較大，且基本不隨 iC而 變化。因此，在查手冊(cè)時(shí)應(yīng)注意 β值的測試條件。尤其是大功率管更應(yīng)強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。 ?第 2章 雙極型晶體管及其放大電路二、極間反向電流 ? 1 ICBO?ICBO指發(fā)射極開路時(shí)，集電極 — 基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。 ?2 ICEO?ICEO指基極開路時(shí)，集電極 — 發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。 ?3 IEBO?16