半导体三极管及放大电路基础

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1、第三章半导体三极管及放大电路基础教学内容：本章首先讨论了半导体三极管(BJT)的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。随后着重讨论了BJT放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三种基本放大电路。还介绍了BJT的静态、动态分析，图解法和微变等效电路法，并把其作为分析放大电路的基本方法。然后就是工作点的稳定和多级放大电路。教学要求：本章需重点掌握三极管的模型与特性；并能熟练进行基本放大电路静态工作点的确定，估算法和微变等效电路法的掌握，以及输入电阻、输出电阻、电压放大倍数的计算。3.1半导体三极管3.2共射极放大电路3.3放大电路

2、的性能指标3.4放大电路的静态分析3.5放大电路的动态分析3.6放大电路的工作点稳定情况3.7共集电极电路和共基极电路3.8多级放大电路3.1半导体BJTBJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件。BJT有两种类型：NPN型和PNP型。其内部特点是发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。外部放大条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。3.1.1BJT的结构当两块不同类型的半导体结合在一起时，它们的交界处就会形成PN结，因此BJT有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电

3、结，两个PN结通过很薄的基区联系着。同样，PNP型与NPN型相似，特性几乎相同，只不过各点极端的电压极性和电流流向不同而已。图3.1.1NPN型三极管的结构示意图及其在电路中的符号(a)NPN(b)PNP基极bbceceb集电区发射区发射结集电结基极bccbeeb基区发射极e集电极cNP发射极e集电极cPNNP晶体管3个区有如下特点：（1）发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度（2）基区很薄，一般为1μm至几μm。（3）集电结面积大于发射结面积。3.1.2BJT的电流放大原理通过改变加在晶体管三个极上的电压可以改变两个PN结的偏置电压

4、，从而使晶体管有三种工作状态：当发射结和集电结均反偏时，处于截至状态；当发射结正偏、集电结反偏时，处于放大状态；当发射结和集电结均正偏时，处于饱和状态。当晶体管处于放大状态时，能将基极的小电流放大为集电极的大电流，现以NPN型晶体管为例分析其放大原理。1.BJT内部载流子的运动为使发射区发射电子，集电区收集电子，必须具备的条件是:发射结加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)，在这些外加电压的条件下，管内载流子的传输将发生下列过程，如图2-2所示:图3.1.2三极管内部载流子的运动情况－+－+RCcbeICIEIBVCcV

5、BBRBICBOICNIBNNPN(1)发射区向基区注入电子由于发射结外加正向电压，发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，同时基区的多子-空穴越过发射结进入发射区。因为基区很薄，掺杂浓度又较低，所以空穴数目较少，因此由空穴形成的电流可以忽略。故可认为主要有发射区电子形成发射极电流E，其方向与电子流动方向相反。(2)电子在基区中的扩散和复合电子到达基区后，由于基区中空穴浓度低，只有很少一部分电子与基区中的空穴复合。复合掉的空穴由外电源补充，这样就形成了较小的电流IBN，IBN的方向由外电源流入基区。剩下的大部分电子扩散到集电

6、结。(3)集电区收集扩散过来的电子由于集电结处于反偏状态，扩散到集电结的电子很快漂移到集电区，形成电流ICN。由于集电结反偏，使集电区的多子电子和基区的少子空穴不能向对方扩散；而集电区中的少子空穴和基区中的少子电子可以漂移到对方，形成反向饱和电流ICBO，ICBO值很小，但由于它是由少子形成的，容易受温度的影响，对三极管性能影响较大。ICN的方向由外电源流入集电区（与扩散到集电结的电子漂移到集电区的方向相反），ICBO的方向从集电区流向基区。经以上分析和图2-2可知，由ICN与ICBO构成集电极电流IC。IBN和ICBO构成基极电流I

7、B。根据KCL（Kirchhoff’sCurrentLaw,基尔霍夫电路定律）得出电流分配关系如下：我们定义为共射直流电流放大系数则将带入上式得令则上式中称作穿透电流，或集电极-发射极极间反向饱和电流2.各级电流之间的关系一般为计算方便而忽略，那么值一般远大于1。IC与IE值相差不大，但它们都远大于IB值。由此可见当UBE有微小变化即IB有微小变化时，IE和IC有较大变化，这种情况称为电流放大。实用电路中，晶体管主要用于放大动态信号。衡量三极管放大能力的指标是共射交流放大系数，其定义为一般在放大状态下，和差别较小，可以认为两者近似相等

8、，故在以后的分析中取，其值为几十到一百左右。3.放大作用分析(1)BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为此要满足两个条件:a.(内部)：要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度