半导体三极管及放大电路基础DOC

第二章 半导体三极管及放大电路基础

第一节 学习要求
第二节 半导体三极管
第三节 共射极放大电路
第四节 图解分析法
第五节 小信号模型分析法
第六节 放大电路的工作点稳定问题
第七节 共集电极电路
第八节 放大电路的频率响应概述
第九节 本章小结

第一节 学习要求

（1）掌握基本放大电路的两种基本分析方法--图解法与微变等效电路法。 会用图解法分析电路参数对电路静态工作点的影响和分析波形失真等； 会用微变等效电路法估算电压增益、电路输入、输出阻抗等动态指标。

（2）熟悉基本放大电路的三种组态及特点；掌握工作点稳定电路的工作原理。

（3）掌握频率响应的概念。了解共发射极电路频率特性的分析方法和上、下限截止频率的概念。

第二节 半导体三极管（BJT）

　　BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响， 使BJT表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和参数。　　　　　　　　　　　　　　

一、BJT的结构简介　　　

　　BJT又常称为晶体管，它的种类很多。按照频率分，有高频管、低频管； 按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同， 又可分成NPN型和PNP型等等。但从它们的外形来看，BJT都有三个电极，如图3.1所示。

　　　

　　图3.1是NPN型BJT的示意图。 它是由两个 PN结的三层半导成的。中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米)，两边各为一块N型半导体。从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。在几何尺寸上， 集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。

二、BJT的电流分配与放大作用

1、BJT内部载流子的传输过程　　

　　BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。

　　在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（1）发射极注入电子 　

　　由于发射结外加正向电压V_EE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区， 形成发射极电流I_E，其方向与电子流动方向相反，如图3.2所示。

　　　

（2）电子在基区中的扩散与复合　　　　　　

　　由发射区来的电子注入基区后， 就在基区靠近发射结的边界积累起来， 右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此， 电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源V_EE的正端则不断从基区拉走电子， 好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等， 使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流I_B， 所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。 也就是说， 注人基区的电子有一部分未到达集电结， 如复合越多， 则到达集电结的电子越少， 对放大是不利的。 所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少， 大部分都能到达集电结。

（3）集电区收集电子　　　　　　　　

　　集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力， 使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流I_C。 与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区， 形成很小的反向饱和电流I_CB0 。　

2、电流分配关系

与正向偏置的二极管电流类似，发射极电流i_E与v_BE成指数关系：　 　
　 　　　

集电极电流i_C是i_E的一部分，即：

式中β称为BJT的电流放大系数

三、BJT的特性曲线

　　１.共射极电路的特性曲线　　　　　　

（1）输入特性　　　

　　V_CE=0V时，b、e间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。

　　V_CE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极，只有小部分与空穴复合形成I_B。 v_CE>1V以后，I_C增加很少，因此I_B的变化量也很少，可以忽略v_CE对I_B的影响，即输入特性曲线都重合。

　　

注意:发射结开始导通的电压v_BE：0.6V~0.7V(硅管)，0.1~0.3V(锗管)

（2）输出特性曲线　

　　对于一确定的i_B值，i_C随V_CE的变化形成一条曲线，给出多个不同的i_B值，就产生一个曲线族。如图3.6所示。

　　

　　① I_B = 0V， I_C=I_CEO BJT截止，无放大作用，因此对应I_B=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示。

　　② I_B﹥0 ， V_CE<1V ，i_C随I_B的变化不遵循的规律，而且i_C随V_CE的变化也是非线性的，所以该区域称为饱和区。

　　③ I_B﹥0、V_CE≥1V，i_C随i_B的变化情况为： 或
　　在这个区域中I_C几乎不随V_CE变化，对应于每一个I_B值的特性曲线都几乎与水平轴平行，因此该区域称为线性区或放大区。

四、BJT的主要参数

　 BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的，它是选用BJT的依据。了解这些参数的意义，对于合理使用和充分利用BJT达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。

1.流放大系数

　　BJT在共射极接法时的电流放大系数，根据工作状态的不同，在直流和交流两种情况下分别用符号 和表示。其中

　　上式表明:BJT集电极的直流电流 I_C与基极的直流电流I_B的比值， 就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数， 有时用h_FE来代表　。

　　但是，BJT常常工作在有信号输人的情况下，这时基极电流产生一个变化量，相应的集电极电流变化量为，则与之比称为BJT的交流电流放大系数，记作即

2.极间反向电流

　　（1）集电极-基极反向饱和电流I_CBO。表示发射极开路，c、b间加上一定的反向电压时的电流。

　　（2）集电极-发射极反向饱和电流（穿透电流）I_CEO。表示基极开路，c、e间加上一定的反向电压时的集电极电流。

3.极限参数

　　（1）集电极最大允许电流I_CM。表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过I_CM时，三极管的性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。

　　（2）集电极最大允许功耗P_CM。表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值。超过此值时，三极管的性能将变坏或烧毁。

　　（3）反向击穿电压V_（BR）CEO。 表示基极开路，c、e间的反向击穿电压。

4、晶体管的选择　　

　　（1）依使用条件选P_CM在安全区工作的管子， 并给予适当的散热要求。

　　（2）要注意工作时反向击穿电压 ， 特别是V_CE不应超过 V_（BR）CEO。

　　（3）要注意工作时的最大集电极电流I_C不应超过I_CM。

　　（4）要依使用要求：是小功率还是大功率， 低频、高频还是超高频，工作电源的极性，β值大小要求。

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第三节　共射极放大电路

　　在实践中，放大电路的用途是非常广泛的，它能够利用BJT的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值， 例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。 声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用BJT的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器 (喇叭)还原成为放大了的声音。

　　为了了大器的工作原理，先从最基本的放大电路开始讨论。

一、共射极基本放大电路的组成

　
　　在图3.7所示的单管放大电路中， 采用NPN型硅BJT，V_CC是集电极回路的直流电源 (一般在几伏到几十伏的范围)， 它的负端接发射极,正端通过电阻R接集电极， 以保证集电结为反向偏置；R是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围)，它的作用是将BJT的集电极电流i_C的变化转变为集电极电压V_CE的变化。V_BB是基极回路的直流电源,它的负端接发射极， 正端通过基极电阻R_b接基极，以保证发射结为正向偏置，并通过基极电阻 R_b(一般在几千欧至几百千欧的范围) (一般在几十千欧至几百千欧的范围)，由V_BB供给基极一个合适的基极电流

　　对于硅管，V_BE约为0.7V左右， 对于锗管，V_BE约为0.2V左右，而V_BB一般在几伏至几十伏的范围内(常取V_BB=V_CC)，即V_BB＞＞V_BE，所以近似有
　　由上式可见，这个电路的偏流I_B决定于V_B，和R_b的大小，V_BB和R_b经确定后，偏流I_B就是固定的，所以这种电路称为固定偏流电路。R_b又称为基极偏且电阻。

　　电容C_b1和C_b2称为隔直电容或耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围)，它们在电路中的作用是"传送交流，隔离直流"。

　　值得指出的是， 放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的， 即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流， 从而将直流电源V_CC的能量转化为所需要的形式供给负载。 因此， 放大作用实质上是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　

二、共射极基本放大电路的工作过程

　　
　　待放大的输人电压v_i从电路的A、O两点(称为放大电路的输入端)输入，放大电路的输出电压V_o由B、O两点(称为放大电路的输出端)输出。输入端的交流电压v_i 通过电容C_b，加到BJT的发射结，从而引起基极电流i_B相应的变化。i_B的变化使集电极电流i_C随之变化。i_C的变 化量在集电极电阻R_C上产生压降。集电极电压v_CE =V_CC 一i_CRC，当i_C的瞬时值增加时，v_CE 就要减小，所以v_CE 的变化恰与i_C 相反。v_CE 中的变化量经过电容C_b ，传送到输出端成为输出电压V_o 。如果电路参数选择适当，v₀ 的幅度将比v_i 大得多，从而达到放大的目的，对应的电流、电压波形示于图3.8中。

　　在半导体电路中，常把输人电压、输出电压以及直流电源V_cc 和V_BB 的共同端点(0点)称为"地"，用符号"⊥"表示(注意，实际上这一点并不真正接到大地上)，并以地端作为零电位点 (参考电位点)。这样，电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压(即电位差)。例如V_c就是指集电极对地的电压。这些概念和术语，前面已作过初步的介绍，但这里所讨论的放大电路要复杂得多。　　　　　

三、共射极放大电路的简化

　　为了分析方便，我们规定:电压的正方向是以共同端 (0点) 为负端，其他各点为正端。 图3.9中所标出的"十"、"一"号分别表示各电压的假定正方向；而电流的假定正方向如图中的箭头所示，即i_c、i_b 以流入电极为正；i_E则以流出电极为正。图中表示电流、电压的符号的意义如下：

　　V_BE 、I_B －（大写符号，大写下标）表示直流值。

　　v_be 、i_b －（小写符号，小写下标）表示瞬时值。

　　v_BE 、i_B －（小写符号，大写下标）表示交直流量之和。

　　V_be 、I_b －（大写符号，小写下标）表示交流有效值。

　　图3.9是简化后共射极放大电路， 它是工程实际中用得较广泛的一种电路组态。为了简化电路， 一般选取V_CC =V_BB ，如图3.9所示。左图是右图的习惯画法。

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第四节　图解分析法

一、静态工作情况分析

　　我们把放大电路未加入信号V_S时的状态称为静态，此时电路的电压（电流）值称为静态值，可用I_BQ、I_CQ、V_CEQ表示。 这些值在特性曲线上确定一点，这一点就称为Q点。

　　当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。

　　对于静态工作情况，可以近似地进行估算，也可用图解法求解。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.近似估算Q点

　　这里以图3.10所示电路为例估算电路的Q点。

　　（1）画出电路的直流通路如图3.10所示。画直流通路时，要将耦合电容C_b1、C_b2当成开路；　

　　（2）由V_CC、R_b和三极管T构成的基极回路可得：

　　　 　　　　

　　（3）利用I_C=βI_B 的关系，可以求得I_CQ

　　（4）从V_CC、R_c和三极管T构成的集电极回路可得：

2、用图解法确定Q点　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　（1）作出电路非线性部分（包括由厂家提供或从手册中获得特性曲线和确定其偏流的V_CC、R_b）的V-I特性如图3.11所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　

　　（2）作出线性部分的V-I特性--直流负载线

　　根据：V_CEQ=V_CC-I_CR_C

　　令i_C=0，得v_CE=V_CC
　　
　　令v_CE=0，得i_C=V_CC/R_C

　　画出由（V_CC，0）和（0，V_CC/R_c）两点决定的直线，显然这是一条斜率为-1/R_c的直线。由于讨论的是静态工作情况，电路中的电压、电流值都是直流量，所以上述直线称为直流负载线。

　　（3）由电路的线性与非线性两部分V-I特性的交点确定Q点（V_CEQ，I_CQ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

二、动态工作情况分析

1、放大电路在接入正弦信号时的工作情况

　　当接入正弦信号时，电路将处在动态工作情况， 可以根据输入信号电压v_i通过图解确定输出电压v_o，从而可以得出v_i与v_o之间的相位关系和动态范围。 图解的步骤是先根据输入信号电压v_i在输入特性上画出i_B的波形， 然后根据i_B的变化在输出特性上画出i_c和v_BE 的波形。

(1)根据v_i在输入特性上求i_B

　　设放大电路的输入电压正弦波， 当它加到放大电路的输入端后，BJT的基极和发射极之间的电压v_BE就是在原有直流电压V_BE的基础上叠加了一个交流量v_i(v_be)，根据vBE的变化规律， 便可从输入特性画出对应的i_B的波形图，如图3.12所示。由图上可读出对应于峰值为0.02V的输入电压，基极电流i_B将在60μA与20μA之间变动。

（2）根据i_B在输出特性曲线上求i_C和v_BE

　　因为放大电路的直流负载线是不变的， 当i_B在60μA与20μA之间变动时， 直流负载线与输出特性的交点也会随之而变， 对应于i_B=60μA 的一条输出特性与直流负载线的交点是Q'点， 对应于i_B=20μA的一条输出特性与直流负载线的交点是0''点，所以放大电路只能在负载线的Q'0''段上工作，即放大电路的工作点随着i_B的变动将沿着直流负载线在 Q'与0''点之间移动，因此，直线段 Q'0'' 是工作点移动的轨迹，通常称为动态工作范围。

　　由图可见，在v_i的正半周， v_i先由40μA增大到60μA，放大电路的工作点将由Q点移到Q'点，相应的i_C和I_C增到最大值， 而v_CE由原来的V_CE减小到最小值；然后i_B由60μA减小到40μA，放大电路的工作点将由 Q'回到 Q，相应的i_C也由最大值回到I_C， 而v_CE则由最小值回到V_CE。在的负半周， 其变化规律恰好相反， 放大电路的工作点先由 Q 移到Q"，再由Q"回到Q点。

　　这样，就可在坐标平面上画出对应的i_B、i_C和v_CE的波形图，如图3.12所示，v_CE中的交流量v_ce的波形就是输出电压v₀的波形。

　　综上分析，可总结如下几点：

　　 ① 没有输入信号电压时， BJT 各电极都是恒定的电流和电压(I_B、I_C、V_CE)，当在放大电路输入端加入输入信号电压后，i_B、i