第 3 章

第3章 半导体三极管及放大电路基础授课教师：邢晓敏

① 图解法→求Q点 （IBQ、ICQ、VCEQ） ② 小信号模型分析法 →求AV、Ri、RO 本章主要内容 • 半导体三极管（BJT）的结构、工作原理、特性曲线和主要参数【※】； • 共射极放大电路的结构、工作原理和改进电路； • 放大电路的两种分析方法【※※※】为必须掌握的基础知识！

本章主要内容 • 放大电路工作点稳定问题及常用稳定工作点的电路【※】； • 介绍共基极放大电路和共集电极放大电路，并将三种组态的放大电路进行比较【※】； • 放大电路的频率响应（这部分内容推导过程不要求必须掌握，记住最终结果会求fH和fL即可【※】）

目录 3.1半导体BJT 3.2共射极放大电路 3.3图解分析法 3.4小信号模型分析法 3.5放大电路的工作点稳定问题 3.6共集电极电路和共基极电路 3.7放大电路的频率响应返回

3.1 半导体BJT • 半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT）。 • BJT是由两个PN结组成的。返回

硅管高频管 ③ 按半导体材料分 ① 按频率分锗管低频管大功率管 NPN型 ② 按功率分 ④ 按结构不同分中功率管小功率管 PNP型一.BJT的结构简介【分类】（参见教材P67下）

代表符号: NPN型【参见教材P68图3.1.2】集电极 c 【Collector】 N 集电区集电结（Jc） b P 基区基极 N 发射区【Base】发射结（Je） e 【Emitter】箭头方向：由P区→N区发射极

集电极 c 代表符号: P 集电区集电结（Jc） b N 基区基极 P 发射区发射结（Je） e 发射极 PNP型【参见教材P69图3.1.3】箭头方向：由P区→N区

① 发射区：高杂质掺杂浓度； ② 基区：很薄（通常为几微米～几十微米），低掺杂浓度； ③ 集电区： • 掺杂浓度要比发射区低；比如：NPN型三极管剖面图 • 结面积比发射区大；【参见教材P68图3.1.2(b)】结构制作要求：

晶体管的几种常见外形

几种常见三极管实物图 大功率三极管功率三极管普通塑封三极管

表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号表示器件的种类： X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管 A锗PNP管、B锗NPN管 C硅PNP管、D硅NPN管表示材料：三极管半导体三极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 3DG110B

c c • 对其内部结构要求： N b b P N e e 二.BJT的电流分配与放大作用为实现放大，必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求。 ①发射区进行高掺杂，因而其中的多数载流子浓度很高。 ②基区很薄，且掺杂比较少，则基区中多子的浓度很低。

c c N • 从外部条件来看： b b P N e e 二.BJT的电流分配与放大作用为实现放大，必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求。要求外加电源电压的极性必须满足： ①发射结正向偏置 ②集电结反向偏置

三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。 ＋ c ＋ N c区 Rc VCB • 发射结正偏： Jc b － b区 P 由VBB保证 VCE ＋ Je Rb VCC • 集电结反偏： N e区 VBE VBB 由VCC、VBB保证－－ e VCB=VCE - VBE > 0 例：共发射极接法即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，必须连接成如下形式：

（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。 c N Rc Jc P b Je Rb N VBB e 例：共发射极接法三极管内部载流子运动分为三个过程： • BJT内部载流子的传输过程【参见教材P69】 IEN VCC IEP

（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。 c N Rc Jc P b Je Rb N VBB e 例：共发射极接法三极管内部载流子运动分为三个过程： • BJT内部载流子的传输过程【参见教材P69】 VCC IE =IEN+IEP ≈IEN

c （2）在基区中 N Rc ①电子继续向集电结扩散； Jc P b Je Rb ②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。 N VBB e 例：共发射极接法三极管内部载流子运动分为三个过程： • BJT内部载流子的传输过程【参见教材P69】（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。 IB ≈IBE 复合 IBE VCC IE

c N Rc Jc P b Je Rb N VBB e 例：共发射极接法三极管内部载流子运动分为三个过程： • BJT内部载流子的传输过程【参见教材P69】（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。 IC ≈ICN （2）在基区中 ICN ①电子继续向集电结扩散； IB ②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。 IBE （3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。 VCC IE

c N Rc Jc P b Je Rb N VBB e 例：共发射极接法三极管内部载流子运动分为三个过程： • BJT内部载流子的传输过程【参见教材P69】（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。 IC ICBO （2）在基区中 ICN ①电子继续向集电结扩散； IB ②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。 IBE （3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。 VCC IE 另外，集电区的少子形成反向饱和电流ICBO

实际上： c IE=IEN+IEP ≈IEN N Rc Jc P IC=ICN+ICBO ≈ICN b Je Rb N 由KCL，有： VBB e IB+ICBO=IBE IB=IBE-ICBO ≈IBE 例：共发射极接法三极管内部载流子运动分为三个过程： • BJT内部载流子的传输过程动画演示 IC ICBO ICN IB IBE VCC IE

电流分配关系 由载流子的传输过程可知，由于电子在基区的复合，发射区注入到基区的电子并非全部到达集电极，管子制成后，复合所占的比例就定了。也就是由发射区注入的电子传输到集电结所占的百分比是一定的，这个百分比用α表示，称为共基极电流放大系数。

IC c ICBO N Rc IB Jc P b Je IC Rb N VCC IB VBB IE e 可简化为 IE 例：共发射极接法将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：

IE=IC+IB IC≈αIE IB=IE-IC=IE-αIE=(1-α)IE 故集电极与基极电流的关系为： IC =β IB IE 将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：共射电流放大倍数

注： • α和β是两种电流放大系数，它们的值主要取决于基区、集电区和发射区的杂质浓度以及器件的几何结构。 • 基极电流是电子在基区与空穴复合的电流，复合过程对α和β的值有影响。

利用BJT组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，BJT可以有三种连接方式（称三种组态）：利用BJT组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，BJT可以有三种连接方式（称三种组态）： ① 共基极接法 ② 共发射极接法（最为常用！） ③ 共集电极接法

三.BJT的特性曲线 • BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。 • 由于BJT也是非线性元件，它有三个电极，故要通过它的伏安特性曲线来对它进行描述，但它的伏安特性并不向二极管那样简单。 • 工程上最常用的是BJT的输入特性和输出特性曲线。

输入特性： 输出特性： iC=IC+ΔiC + c + iB=IB+ΔiB b vCE RL ΔvO + e - vBE - - ΔvI iE=IE+ΔiE 以共射放大电路为例：输出回路输入回路

共射极电路特性曲线的实验线路 毫安表微安表

输入特性曲线 简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB与vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=常数。 vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响。

iB /μA vBE /V BJT共射接法的输入特性曲线分三部分： ① 死区【参见教材P74图3.1.7(a)】 vCE=1V ② 非线性区 25℃ ③ 线性区 vCE>1V vCE=0V 记住： ③ ①当vCE>1时，各条特性曲线基本重合。 ② ① ②当vCE增大时特性曲线相应的右移。

iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE/V 25℃ BJT共射接法的输出特性曲线输出特性曲线【参见教材P74图3.1.7(b)】它是以iB为参变量的一族特性曲线。

（2）当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如：（2）当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如： vCE<1V vBE=0.7V iC /mA =80μA =60μA vCB= vCE-vBE≤0.7V =40μA 集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定：vCE↑→ic↑ =20μA vCE /V 25℃ 现以iB=40uA一条加以说明：（1）当vCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。

（3）当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，如：（3）当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，如： vCE≥1V vCB≥0.7V 运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显得增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域。 iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE /V 25℃ 现以iB=40uA一条加以说明：同理，可作出iB=其他值的曲线。

iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE /V 25℃ 输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。

iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE /V 25℃ 输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时Je反偏，Jc反偏。

iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE /V 25℃ 输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时Je反偏，Jc反偏。模电着重讨论的就是该放大区！放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时Je正偏，Jc反偏。电压大于0.7V左右（硅管）。

iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE /V 25℃ 当vCE大于一定的数值时，IC只与IB有关,满足IC=βIB关系，该区域称为线性区（即放大区）。

四.BJT的主要参数 【关于“主要参数”这部分详细内容请同学们自己看书P76！】 α——共基电流放大系数 • 电流放大系数 α的值小于1，但接近于1。 β ——共射电流放大系数 β的值远大于1，通常在20～200范围内。 α与β的关系：

硅管：I CBO为纳安数量级 ICBO的值很小锗管：I CBO为微安数量级极间反向电流 O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于单个集电结的反向饱和电流。因此，它只决定于温度和少子的浓度。（1）ICBO：集电极－基极反向饱和电流

iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA vCE /V （2）ICEO：集电极－发射极反向饱和电流由于这个电流从集电区穿过基区流至发射区，所以又叫穿透电流。点击右面按钮查看ICEO形成过程分析 ICEO与ICBO的关系： ICEO=ICBO+βICBO ICEO =(1+β)ICBO

极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。【参见P80图3.1.11】

极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。（2）集电极最大允许功率损耗PCM 【参见P80图3.1.11】表示集电极上允许损耗功率的最大值。过流区 PCM=iCvCE 过压区

（3）反向击穿电压 V(BR)CBO>V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO

注：电子系统在绝大多数情况下必须和物理系统相结合，才能构成完整的实用系统。 3.2 共射极放大电路一．电子系统与信号什么是电子系统？所谓“电子系统”，通常是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。【见教材P1】返回

电子系统 非电信号电信号相应传感器想一想：楼道里的照明灯应该有哪些传感器？信号及其频谱（1）信号信号是信息的载体。【见教材P4】如：声音信号、图象信号等等。为一般化起见，常把传感器作为信号源处理。

（2）信号源的等效电路【见教材P5图1.1.4】 • 电压源 • 电流源 Rs 电子系统电子系统等效 + Ri Rs Ri - 当Rs《Ri时更适用；当Rs》Ri时更适用；

（3）频谱 在信号处理时，正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试。

（3）频谱 在信号处理时，正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试。正弦波信号：v(t)=Vmsin(ωt+θ) 当ω＝0时，V=Vmsinθ，为直流电压信号。当Vm、ω、θ都为已知常数时，信号中不再含任何未知信息，可见正弦波是最简单的信号。

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