1、第二章第二章 雙極型晶體管雙極型晶體管 及其放大電路及其放大電路vBipolar Junction Transistor 縮寫 BJT簡稱晶體管晶體管或三極管三極管v雙極型雙極型 器件兩種載流子兩種載流子（多子、少子多子、少子）ecb發射極發射極基極基極集電極集電極發射結發射結集電結集電結基區基區發射區發射區集電區集電區N+PNcbeNPNPNPcbe(a) NPN管的原理結構示意圖管的原理結構示意圖(b) 電路符號電路符號2-1 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理base collector emitterP集電極基極發射極集電結發射結發射區集電區(a)NPNcebPNPcebb基

2、區ec(b)N襯底N型外延PNcebSiO2絕緣層集電結基區發射區發射結集電區(c)NN(c)平面管結構剖面圖圖圖2-1 晶體管的結構與符號晶體管的結構與符號 解釋解釋v三個電極三個電極 發射極，基極，集電極發射極，基極，集電極發射極發射極箭頭方向箭頭方向是指發射結正偏時的電流方向是指發射結正偏時的電流方向v三個區三個區 發射區發射區(重摻雜重摻雜)，基區，基區(很薄很薄)，集電區（，集電區（結面積大結面積大）v兩個兩個PN結結發射結發射結(eb結結),集電結集電結(cb結結)晶體管處于放大狀態的工作條件晶體管處于放大狀態的工作條件內部條件內部條件發射區重摻雜發射區重摻雜(故管子故管子e、 c

3、極不能互換極不能互換)基區很薄基區很薄(幾個幾個 m)集電結面積大集電結面積大外部條件外部條件 發射結發射結(eb結結)正偏正偏集電結集電結(cb結結)反偏反偏 2-1-1 放大狀態下晶體管中載流子的傳輸過程放大狀態下晶體管中載流子的傳輸過程CUceNPNbUBBRB圖圖22 晶體管內載流子的運動和各極電流晶體管內載流子的運動和各極電流RCC15VcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 2-1-1 放大狀態下晶體管中載流子的傳輸過程放大狀態下晶體管中載流子的傳輸過程圖圖22 晶體管內載流子的運動和各極電流晶體管內載流子的運動和各極電流動畫演示動畫演示

4、內部機理內部機理v晶體管工作的內部機理：晶體管工作的內部機理：-“非平衡載流子非平衡載流子”的傳輸的傳輸在發射結處在發射結處v以以NPN為例。為例。veb結正偏結正偏，擴散運動擴散運動漂移運動漂移運動。v發射區和基區發射區和基區多子多子（電子和空穴）的相互（電子和空穴）的相互注注入入。但。但發射區發射區（e e區）高摻雜區）高摻雜，向，向P區的區的多子多子擴散（電子）擴散（電子）為主（為主（IEn）,另有另有P區向區向N區的區的多子（空穴）擴散，故相互注入是不對稱的。多子（空穴）擴散，故相互注入是不對稱的。擴散擴散(IEP)可忽略。可忽略。v以上構成了以上構成了發射結電流的主體發射結電流的主體

5、。在基區內在基區內v基區很薄基區很薄。v一部分一部分 (N區擴散到區擴散到P區的）區的）不平衡載流不平衡載流子（電子）子（電子）與基區內的空穴（多子）的與基區內的空穴（多子）的復合復合運動（運動（復合電流復合電流I IBNBN ）。）。v大多數不平衡載流子連續擴散到大多數不平衡載流子連續擴散到cb結邊結邊緣處。緣處。v以上構成了以上構成了基極電流（基極電流（ I IBNBN）的主體。的主體。在集電結處在集電結處v集電結反偏集電結反偏。v故故 漂移運動擴散運動漂移運動擴散運動。v集電結（集電結（自建電場自建電場）對非平衡載流子）對非平衡載流子（電子）的強烈吸引作用（電子）的強烈吸引作用(收集作用

6、收集作用）形）形成成ICN。v另外有基區和集電區本身的另外有基區和集電區本身的少子漂移少子漂移（電子和空穴）（電子和空穴），形成，形成反向飽和漏電流反向飽和漏電流ICBO 。非平衡載流子傳輸三步曲非平衡載流子傳輸三步曲(以以NPN為例為例) 發射區向基區的發射區向基區的多子注入多子注入 (擴散運擴散運動）動）為主為主基區的基區的 復合復合 和和 繼續擴散繼續擴散集電結對非平衡載流子的集電結對非平衡載流子的收集作用收集作用（漂移漂移為主）為主）偏置要求偏置要求v 對對 NPNNPN管管 要求要求 UC UB UE UC UEUB偏置要求偏置要求v 對對 PNPPNP管管 要求要求 UC UB U

7、E UC UEUB2-1-2 電流分配關系電流分配關系CBOBNBIIICNBNENEIIIICBOCNCIIICBEIIIbceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶體管主要功能晶體管主要功能:電流控制（電流控制（current control）電流放大（電流放大（current amplify） 一、直流電流放大系數：一、直流電流放大系數：一般一般20020共射極共射極CBOBCBOCBNCNIIIIII含義：基區每復合一個電子，就有含義：基區每復合一個電子，就有個電個電子擴散到集電區去。子擴散到集電區去。IBNIICNEN共基極共

8、基極1ECBOCENCNIIIII一般一般99.097.01EEECNECNIIIIII11CNCNCNBNCNENCNIIIIIII兩者關系：兩者關系：IBNIICNEN二、二、IC、 IE、 IB、三者關系三者關系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 若忽略若忽略 ICBO，IEP , 則則,BCII,ECII22 晶體管伏安特性曲線及參數晶體管伏安特性曲線及參數全面描述晶體管各極電流與極間電壓關系的曲線。全面描述晶體管各極電流與極間電壓關系的曲線。圖圖23晶體管的三種基本接法（晶體管的三種基本接法（組態組態）(a)cebiBiC輸出輸出回路

9、回路輸入輸入回路回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共發射極；共發射極；(b)共集電極；共集電極；(c)共基極共基極 221 晶體管共發射極特性曲線晶體管共發射極特性曲線一、共發射極輸出特性曲線一、共發射極輸出特性曲線AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE測量電路測量電路共發射極輸出特性曲線：輸出電流共發射極輸出特性曲線：輸出電流iC與輸出電壓與輸出電壓uCE的關系曲線的關系曲線(以以iB為參變量為參變量)常數BiCECufi)(圖圖25 共射輸出特性曲線共射輸出特性曲線uCE/V5101501234飽和區截止區iBICBO放大區iC/mAuCEuBEIB40 A30

10、 A20 A10 A0 AcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN動畫演示動畫演示1. 放大區放大區發射結正偏，發射結正偏， 集電結反偏集電結反偏（2）uCE 變化對變化對 IC 的影響很小（的影響很小（恒流特性恒流特性）（1）iB 對對iC 的控制作用很強。的控制作用很強。用交流電流放大倍數來描述：用交流電流放大倍數來描述：常數CEuBCII在數值上近似等于在數值上近似等于 問題：問題：特性圖中特性圖中= =？即即IC主要由主要由IB決定，與輸出環路的外電路無關。決定，與輸出環路的外電路無關。基區寬度調制效應基區寬度調制效應(厄爾利效應厄爾利效應)

11、cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE/V5101501234飽和區截止區IB40A30A20A10A0AiBICBO放大區iC/mAuCEuBEuCE c結反向電壓結反向電壓 c結寬度結寬度 基區寬度基區寬度 基區中電子與空穴復合的機會基區中電子與空穴復合的機會 iC uCE/V5101501234飽和區截止區IB40A30A20A10A0AiBICBO放大區iC/mAuCEuBE基調效應表明：輸出交流電阻基調效應表明：輸出交流電阻rCE=uCE/iCQUCEQUA(厄爾利電壓厄爾利電壓)CQACQCEQAceIUIUUrICQ2. 飽和區飽

12、和區 發射結和集電結均發射結和集電結均處于正向偏置。處于正向偏置。由于集電結正偏，由于集電結正偏，不利于集電極收集電不利于集電極收集電子，子，ICN比放大區的比放大區的ICN小。小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1（1） i B 一定時，飽和區一定時，飽和區i C 比放大區的小比放大區的小（2）U CE一定時一定時 i B 增大，增大，i C 基基 本不變（飽和區）本不變（飽和區）臨界飽和：臨界飽和：UCE = UBE，即，即UCB=0（C結零偏）。結零偏）。uCE/V5101501234飽和區截止區IB40A30A20A10A0AiBICBO放大區i

13、C/mAuCEuBEIcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1飽和時，飽和時，c、e間的電壓稱為飽和壓降，記作間的電壓稱為飽和壓降，記作UCE(sat)。（小功率（小功率Si管）管） UCE(sat) = 0.3V；（小功率（小功率Ge管）管） UCE(sat) = 0.1V。三個電極間的電壓很小，三個電極間的電壓很小，管子完全導通，管子完全導通， 相相當一個開關當一個開關“閉合（閉合（Turn on）”。uCE/V5101501234飽和區截止區IB40A30A20A10A0AiBICBO放大區iC/mAuCEuBE3. 截止區截止區發射結和集電結均處發射結和

14、集電結均處于反向偏置于反向偏置,三個電極三個電極均為反向電流，所以均為反向電流，所以數值很小。數值很小。 管子不通，相當于一管子不通，相當于一個個“開關開關”打開打開（Turn off）。）。i B = -i CBO （此時（此時i E =0 ）以下稱為截止區。）以下稱為截止區。工程上認為：工程上認為：i B =0 以下即為截止區。以下即為截止區。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO 二、共發射極輸入特性曲線二、共發射極輸入特性曲線常數CEuBEBufi)(AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCEcICeIENPNIBRCUCCUBBR

15、BIbIBNIEPIENICNC1iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1圖圖26 共發射極輸入特性曲線共發射極輸入特性曲線 （1）0 UCE 1 時，隨著時，隨著 UCE 增加，曲線右移，增加，曲線右移，特別在特別在 0 UCE1 時，進入放大區，曲線近似重時，進入放大區，曲線近似重合。合。 iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1三、溫度對晶體管特性曲線的影響三、溫度對晶體管特性曲線的影響T ，uBE：CmVmVTuBE)/5 . 22(T ， ICBO ：1012122TTCBOCBOIIT ， ：C/).(T1502-2-2 晶體

16、管的主要參數晶體管的主要參數 1、電流放大系數、電流放大系數1. 共射直流放大系數共射直流放大系數反映靜態時集電極電流與基極電流之比。反映靜態時集電極電流與基極電流之比。2. 共射交流放大系數共射交流放大系數反映動態時的電流放大特性。反映動態時的電流放大特性。由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在以后的計算中，不必區分。在以后的計算中，不必區分。4.共基交流放大系數共基交流放大系數 3.共基直流放大系數共基直流放大系數常數BuECII由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在以后的計算中，不必區分。在以后的計算中，不必區分。2 極間反向電流極間反向電流v極間反向電流極間反向

17、電流 是指管子各電極之是指管子各電極之間的間的反向漏電流反向漏電流參數參數。C、B間反向飽和漏電流間反向飽和漏電流v ICBO發射極開路時，集電極發射極開路時，集電極基極間的反向基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。電流，稱為集電極反向飽和電流。 管子管子C、E間反向飽和漏電流間反向飽和漏電流1IICBOCEO基極開路時，集電極基極開路時，集電極發射極間的反向電流發射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。，稱為集電極穿透電流。管子反向飽和漏電流管子反向飽和漏電流v硅管比鍺管小。硅管比鍺管小。v此值與此值與本征激發本征激發有關。有關。v取決于取決于溫度特性（少子特性）。溫度特性（少子特性）。3

18、、 結電容結電容發射結電容發射結電容Ce 集電結電容集電結電容Cc 4.極限參數極限參數v使用時不應超過管子的極限參數使用時不應超過管子的極限參數值。否則使用時可能損壞。值。否則使用時可能損壞。 3 D G 6 C 規格號規格號 序號序號 高頻小功率高頻小功率 NPN型硅材料型硅材料 三極管三極管U(BR)CBO =115V,U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V。（1）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓UUUEBO)BR(CEO)BR(CBO)BR(（2）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流vICM 留有一定的余量。留有一定的余量。vICM 指指下降到額定值的下降到額定值的2/3時時

19、的的IC值。值。ICM（3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCMv CECCuiPCECMCuPi uCE工作區iC0安全ICMU(BR)CEOPCM圖圖27 晶體管的安全工作區晶體管的安全工作區 功耗線功耗線23 晶體管工作狀態分析及偏置電路晶體管工作狀態分析及偏置電路應用晶體管時，首先要將晶體管設置在合應用晶體管時，首先要將晶體管設置在合適的工作區間，如進行語音放大需將晶體管設置適的工作區間，如進行語音放大需將晶體管設置在放大區，如應用在數字電路，則晶體管工作在在放大區，如應用在數字電路，則晶體管工作在飽和區或截止區。飽和區或截止區。 因此，如何設置和分析晶體管的工作狀態是因此，如

20、何設置和分析晶體管的工作狀態是晶體管應用的一個關鍵。晶體管應用的一個關鍵。 231 晶體管的直流模型晶體管的直流模型由外電路偏置的晶體管，其各極直流電由外電路偏置的晶體管，其各極直流電流和極間直流電壓所對應的伏安特性曲線上的流和極間直流電壓所對應的伏安特性曲線上的一個點。一個點。 靜態工作點（簡稱靜態工作點（簡稱Q點）：點）：靜態工作電壓、電流。在下標再加個靜態工作電壓、電流。在下標再加個Q表表示，如示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ (a) 輸入特性近似輸入特性近似 圖圖28晶體管伏安特性曲線的折線近似晶體管伏安特性曲線的折線近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)I

21、B 0(b) 輸出特性近似輸出特性近似飽和區飽和區放大區放大區截止區截止區(a)ebc(b)ebcIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat) 圖圖29晶體管三種狀態的直流模型晶體管三種狀態的直流模型(a)截止狀態模型；截止狀態模型；(b)放大狀態模型；放大狀態模型；(c)飽和狀態模型飽和狀態模型 例例1 晶體管電路如圖晶體管電路如圖210(a)所示。若已知晶所示。若已知晶體管工作在放大狀態，體管工作在放大狀態，=100，試計算晶體管的，試計算晶體管的IBQ，ICQ和和UCEQ。(a) 電路電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k (b)直流等效電

22、路直流等效電路圖圖210晶體管直流電路分析晶體管直流電路分析eRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB 解解 因為因為UBB使使e結正偏，結正偏，UCC使使c結反偏，所以結反偏，所以晶體管可以工作在放大狀態。這時用圖晶體管可以工作在放大狀態。這時用圖29(b)的的模型代替晶體管，便得到圖模型代替晶體管，便得到圖2-10(b)所示的直流所示的直流等效電路。由圖可知等效電路。由圖可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIImRUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(故有故有(a) 電路電路ICQUCE

23、Q270kRBUBBIBQUCC12VRC3k例例2：若：若UBB從零增加，說明晶體管的工作區間以從零增加，說明晶體管的工作區間以及及IBQ、ICQ、UCEQ的變化情況？的變化情況？ 當當UBB從從00.7V之間時，之間時，兩個結都反偏，管子進入兩個結都反偏，管子進入截止區。截止區。IBQ=ICQ0。UCEQUCC。 分析：分析：(a) 電路電路ICQUCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k當當UBB繼續增大，發射結正偏，集電結發偏，管繼續增大，發射結正偏，集電結發偏，管子進入放大區。隨著子進入放大區。隨著IBQ的增大，的增大，ICQ=IBQ也增大。也增大。UCEQ=UCC- IC

24、QRC不斷下降。不斷下降。 (a) 電路電路ICQUCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k當當UBB增大到增大到UCEQUBE(on)則發射結正偏，下面關鍵則發射結正偏，下面關鍵是判斷集電結是是判斷集電結是 正偏還正偏還是反偏。是反偏。若假定為放大狀態：則直流等效電路如圖若假定為放大狀態：則直流等效電路如圖2-11(b)所示，所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)IB圖圖2-11(b) 放大狀態下的等效電路放大狀態下的等效電路 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE)()1 ()(ECCQEECCCEQEQBQCQEBOnBEEEBBB

25、QRRIUUUIIIRRUUUI)(onBECEQUU若方法方法1：則晶體管處于放大狀態；則晶體管處于放大狀態；則晶體管處于飽和狀態；則晶體管處于飽和狀態；)(onBECEQUU若ECOnBEEECCsatCRRUUUI)()()()(satCsatBII)(satBBQII若)(satBBQII若方法方法2：則晶體管處于放大狀態；則晶體管處于放大狀態；則晶體管處于飽和狀態；則晶體管處于飽和狀態； 圖圖211晶體管直流分析的一般性電路晶體管直流分析的一般性電路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)飽和狀態下的等效電路飽和狀態下的等效電路UCE(sat)ECQBQsatCECCQEE

26、CCECQBQonBEBBQEEBBRIIURIUURIIURIUU)()()()(晶體管處于飽和狀態時：晶體管處于飽和狀態時：例例2 晶體管電路及其輸入電壓晶體管電路及其輸入電壓ui的波形如圖的波形如圖2-12(a),(b)所示。已知所示。已知=50，試求，試求ui作用下輸出電作用下輸出電壓壓uo的值，并畫出波形圖。的值，并畫出波形圖。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a)電路電路03tui/ /V(b) ui波形圖波形圖 解解:當當ui=0時，時，UBE=0，則晶體管截止。此時，則晶體管截止。此時，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。當。當ui =3V時，晶體管導時，晶體管導通

27、且有通且有m028. 0504 . 1Im06. 0I)sat(CBQ 而集電極臨界飽和電流為而集電極臨界飽和電流為 因為因為 m06. 0397 . 03RUuIB)on(BEiBQm4 . 137 . 05RUUIC)on(BECC)sat(C所以晶體管處于飽和。所以晶體管處于飽和。ICQIC(sat)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形如圖波形如圖(c)所示。所示。05tuo/ /V0.3(c) uo波形圖波形圖03tui/ /V(b) ui波形圖波形圖補充例題補充例題1電路電路補充例題補充例題1 晶體管電路如下圖所示。已知晶體管電路如下圖所示。已知=100

28、，試判斷晶體管的工作狀態。，試判斷晶體管的工作狀態。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V1.先判斷晶體管是否處于截止狀態：先判斷晶體管是否處于截止狀態：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶體管不處于晶體管不處于截止狀態截止狀態；2.再判斷晶體管是處于放大狀態還是飽和狀態：再判斷晶體管是處于放大狀態還是飽和狀態： UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQREmARRUUIEBOnBEBBBQ2)(1072. 01015007 . 05)1 ()(onBECEQUU晶體管處于放大狀態；晶體管處于放大狀態；mAIIBQCQ72. 01072. 01002VRRIUU

29、ECCQCCCEQ10372. 012)(補充例題補充例題2電路電路補充例題補充例題2 晶體管電路如下圖所示。已知晶體管電路如下圖所示。已知=100，試判斷晶體管的工作狀態。，試判斷晶體管的工作狀態。5VRBUBBRCUCC50K2K 12V1.先判斷晶體管是否處于截止狀態：先判斷晶體管是否處于截止狀態：CCBBonBEBBUUUU且,)(晶體管不處于晶體管不處于截止狀態截止狀態；2.再判斷晶體管是處于放大狀態還是飽和狀態：再判斷晶體管是處于放大狀態還是飽和狀態： UBB - UBE(on) =IBQRBmARUUIBOnBEBBBQ2)(106 . 8507 . 050CEQU晶體管不可能處

30、于放大區，而應工作在飽和區；晶體管不可能處于放大區，而應工作在飽和區；mAIIBQCQ6 . 8106 . 81002VRIUUCCQCCCEQ2 . 526 . 812 233 放大狀態下的偏置電路放大狀態下的偏置電路電路形式簡單電路形式簡單 偏置下的工作點在環境溫度變化或更換管子偏置下的工作點在環境溫度變化或更換管子時，應力求保持穩定，應始終保持在放大區。時，應力求保持穩定，應始終保持在放大區。對信號的傳輸損耗應盡可能小對信號的傳輸損耗應盡可能小 一、固定偏流電路一、固定偏流電路圖圖213固定偏流電路固定偏流電路RBUCCRC單電源供電。單電源供電。UEE=0，UBB由由UCC提供提供 只

31、要合理選擇只要合理選擇RB，RC的阻值，晶體管將處于的阻值，晶體管將處于放大狀態。放大狀態。圖圖213固定偏流電路固定偏流電路RBUCCRC缺點：工作點穩定性差；（缺點：工作點穩定性差；（IBQ固定，當固定，當、ICBO等變化等變化ICQ、UCEQ的變化的變化工作點產生較大工作點產生較大的漂移的漂移使管子進入飽和或截止區）使管子進入飽和或截止區） BCCBonBECCBQRURUUI)(,IIBQCQCCQCCCEQRIUU優點：電路結構簡單。優點：電路結構簡單。二、電流負反饋型偏置電路二、電流負反饋型偏置電路 圖圖214 電流負反饋型偏置電路電流負反饋型偏置電路RBUCCRCRE在固定偏置電路的發射極加一個在固定偏置電路的發射極加一個RE電阻電阻 若若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE) EB)on(BECCBQR)(RUUI1ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ)RBUCCRCRE負反饋機制負反饋機制工作點計算式：工作點計算式：BQCQIIECCQCCCEQRRIUU三、分壓式偏置電路三、分壓