1、第 2 章 半导体三极管 (Semiconductor Diode) 2.1 双极型三极管 教学要求： 1.掌握晶体三极管的工作原理； 2.理解晶体三极管的输入、输出特性曲线； 3.了解晶体三极管的主要参数。 一、 晶体三极管 (Semiconductor Transistor) 利用特殊工艺将两个 PN 结结合在一起就构成了双极型三极管。 1.结构和符号：结构特点： e 区掺杂浓度最高， b 区薄，掺杂浓度最底； c 区面积最大。 分类： 构成材料：硅管、锗管 结 构： PNP、 NPN 使用频率：低频管、高频管 功 率：小功率管、中功率管、大功率管 2.电流放大原理 放大条件 内部条件：
2、e 区掺杂浓度最高， b 区薄，掺杂浓度最底； c 区面积最大。 外部条件：发射结（ e 结）加正向偏置电压，集电结（ c 结）加反向偏置电压。 电位条件： NPN 型： Vc Vb Ve ； PNP 型： Vc Vb Ve 电压数值： UBE ：硅 0.5-0.8V, 锗 0.1-0.3V UCB：几伏 十几伏 UCE： UCE UCB UBE 几 伏 + 几 伏 三极管内部（ NPN 型为例） 1) 发射区不断向基区注入多子（电子），形成发射极电流 I 。 E 2)向发射区扩散的基区多子（空穴）因数量小被忽略。这样，到达基区的电子多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。少数与空穴复合，形成
3、IBN 。基区空穴来源主要来自基极电源提供 (IB)和集电区少子漂移 (ICBO)。即 IBN IB + ICBO， IB = IBN ICBO 3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC， I C = ICN + ICBO 。 （ 4）三极管各极电流之间的分配关系 IB = I BN - ICBO， IC= I CN + ICBO 当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即： 二、晶体三极管的特性曲线 1.输入特性曲线： 由输入回路可写出三极管的输入特性的函数式为 iB=f(uBE)， uCE=常数。实测的某 NPN 型硅三极管的输入特性曲线
4、如下图 (b)所示，由图可见曲线形状与二极管的伏安特性相类似，不过，它与 uCE 有关， uCE=1V 的输入特性曲线比 uCE=0V 的曲线向右移动了一段距离，即 uCE 增大曲线向右移，但当 uCE 1V 后，曲线右移距离很小，可以近似认为与 uCE=1V 时的曲线重合，所以下图 (b)中只画出两条曲线，在实际使用中， uCE 总是大于 1V 的。由图可见，只有 uBE 大于 0 5V(该电压称为死区电压 )后， iB 才随 uBE 的增大迅速增大，正常工作时管压降 uBE 约为 0.6 0.8V，通常取 0.7V，称之为导通电压 uBE(on)。对锗管，死区电压约为 0.1V，正常工作时
5、管压降 uBE 的值约为 0.2 0.3V，导通电压 uBE(on)0.2V 。 2.输出特性曲线 输出回路的输出特性方程为： iC=f(uCE)， iB=常数 ；晶体三极管的输出特性曲线分为截止、饱和和放大三个区，每区各有其特点： 截止区： IB 0， IC=ICEO 0，此时两个 PN 结均反向偏置。 放大区： IC= IB+ICEO ， 此时发射结正向偏置，集电结反向偏置，特性曲线比较平坦且等间距。 Ic 受 IB 控制， IB 一定时， Ic 不随 UCE 而变化。 饱和区： uCE U(BR)CEOU(BR)EBO 2.3 三极管电路的基本分析方法 教学要求 1.掌握三极管电路的直流
6、电路画法及分析方法； 2.掌握三极管电路的交流电路画法及分析方法； 3.熟悉三极管小信号等效电路的分析方法。 一、 概述 三极管为非线型器件，对含有这些器件的电路进行分析时，可采用适当的近似方法，按线性 电路来处理。利用叠加定理可对电路中的交、直流成分分别进行分析。 直流分析（静态分析）： 只研究在直流电源作用下，电路中各直流量的大小称为直流分析 (或称为静态分析 )，由此而确定的各极直流电压和电流称为直流工作点 (或称静态工作点 )参量。 交流分析（动态分析）： 当外电路接入交流信号后，为了确定叠加在静态工作点上的各交流量而进行的分析，称为交流分析 (或称为动态分析 )。 方法：图解法： 在
7、输入、输出特性图上画交、直流负载线，求静态工作点“ Q” ，分析动态波形及失真等。 微变等效电路法 根据发射结导通压降估算 “ Q” 。再用等效电路法分析计算小信号交流通路的电路动态参数。 电量参数的表示： BB， B 表示主要符号，大写表示该电量是与时间无关的量(直流、平均值、有效值 )，小写表示该电量是随时间而变化的量 (瞬时值 )。 B 为下标符号，大写表示直流量或总电量 (总最大值，总瞬时值 )；小写表示交流分量。 二、直流分析 1.图解分析法：在三极管的特性曲线上用作图的方法求得电路中各直流电流、电压量大小的方法，称为图解分析法。 晶体三极管电路如下图 (a)所示，三极管的输入、输出
8、特性曲线分别示于下图(b)、 (c)中。 2.工程近似分析法 三、交流分析 1.动态图解分析：三极管电路动态工作时的电流、电压、可利用三极管特性曲线，通过作图来求得。现通过例题来说明动态图解分析过程。 例 .三极管电路如下图 (a)所示，交流电压 ui通过电容 C 加到三极管的基极，设 C 对交流 信号的容抗为零；三极管采用硅管，其输入、输出特性曲线如下图 b)所示。已知 ui=10sin t(mV)，试用图解法求该电路各交流电压和电流值。 解： (1)输入回路图解 先令 ui=0，由图 (a)可得 IBQ=（ VBB-UBE(on)） /RB（ 6V-0.7V） /176/=0.03m/=3
9、0/ 由此可在图 (b)的输入特性曲线上确定基极回路的静态工作点 Q。若输入交流信号 ui，它在基极回路与直流电压UBEQ相叠加，使得三极管 B、 E极之间的电压 uBE 在原有直流电压 UBEQ 的基础上，按 ui 的变化规律而变 化，即 uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsin t，其 波形如图 (b)中 所示。根据 uBE的变化 (2)输出回路的图解 根据 VCC 及 RC 值可在上图 (b)所示输出特性曲线中作出直流负载线 NM，它与 iB= IBQ=30 A 的输出特性曲线相交于 Q 点， Q 点便是集电极回路的直流工作点。由图可知，其对应的 ICQ=3mA、 UCEQ=3V。
10、随着基极电流的变化，负载线 MN 与输出特性曲线簇的交点也随之变化。按基极电流 iB 在不同时间的数值，找出相应的输出特性曲线及其与负载线 MN 的交点，便可画出集电极电流 iC 和 C、 E 极间电压 uCE 的波形，如上图 (b)中 、 所示，由图可知，输出电流 iC 和输出电压 uCE 都在原来静态直流的基础上叠加了一交流量。由于输出特性曲线间距近似相等，故 ic 与 ib 成正比，因此，有 iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsin t， uCE=UCEQ+uce=UCEQ+Ucemsin( t-180) ，式中， uce=-icRC， Ucem=IcmRC。 由上图 (b)可读出 iC
11、 的瞬时值在 2 4mA 之间变动， ic 的幅度 Icm=1mA；而 uCE 的瞬时值在 2 4V 之间变动， uce 的幅度 Ucem=1V。可见， Ucem Uim，电路实现了交流电压放大作用。此外，可看出 uce 波形与 ui 波形的相位相差 180( 即反相关系 )。 2.小信号等效电路分析法（微变等效）输入信号过小时，用图解法进行交流分析误差较大，通常采用微变等效电路来分析。 （ 1） 晶体三极管电路小信号等效电路分析方法 晶体三极管 H（ Hybrid）参数小信号电路模型等效依据：交流信号很 小时，三极管的动态参数呈线性变化，此时，三极管各极交流电 压、电流的关系近似为线性关系。
12、 rbe（ hie） 三极管输出端交流短路时的输入电阻。其值与三极管的静态工作点 Q 有关。 rbb 三极管基区体电阻。 对于低频小功率管 rbb约为 200/。 输入端口：从输入端看进去，相当于电阻 r 。 be 输出端口：从输出端看进去，相当于一个受 ib 控制的电流源。 ic= ib， 相当于 H 参数模型中的 Hfe 。 晶体三极管电路的交流分析 分析步骤： A. 分析直流电路，求出 “ Q” 点上各直流电压和电流，计算 rbe； B.画出电路的交流通路，并在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。 C.利用叠加定理分析计算 “ Q” 点上各极的交流量。 （ 2）场效应管电路小信号等效电
13、路分析法 2.4 三极管的测试与应用 教学要求 1.悉晶体三极管的外形及引脚识别方法； 2.用万用表检测半导体三极管性能的方法； 3.握三极管应用电路的测试方法。 一、三极管使用的基本知识 (一 )外型及引脚排列 （二）晶体三极管的检测方法 1.用万用表检测晶体三极管的方法 基极判别：将万用表置于 R1K 挡，用红黑表笔搭接三极管的任意两管脚，如测得阻值大于几百千 欧，将红黑表 极为集电极；如果万用表指针偏转较小，则与红表笔相连的极为集电极。 2.使用指针式万用表应注意的事项： R 1 k 挡进行测量； 红表笔是 (表内 )负极，黑表笔是 (表内 )正极。 测量时手不要接触引脚。 3.数字万用
14、表的使用 接用电阻挡的 挡，分别测量判断两个结的好坏；插入三极管挡 (h )，测量 b 值或 FE 判断管型及管脚。 注意事项：（ 1）红表笔是 (表内电源 )正极；黑表笔是 (表内电源 )负极。 （ 2） NPN 和 PNP 管分别按 EBC 排列插入不同的孔。 （ 3）需要准确测量 b （三）晶体三极管的选用 1.根据电路工作频率选择高、低频管。 2.根据电路实际工作要求选择管耗 PCM、最大集电极电流 ICM 、反向击穿电压 U(BR)CEO 及电 源电压 VCC。 要保证： PCM PCm， ICM Cm ， U(BR)CEO VCC 3.三极管 b 值的选择，在 40 100 之间为
15、好， 9013、 9014 等低噪声、高 b 的管子不受此 限制。 4.选用管子的穿透电流 I 越小越好，硅管比锗管的小。 三极管的工作原理（详细、通俗易懂、图文并茂） 2010-07-26 16:31:13| 分类： 模拟电路 |举报 |字号 订阅 一、很多初学者都会认为三极管是两个 PN 结的简单凑合（如图 1）。这种想法是错误的，两个二极管的组合不能形成一个三极管。我们以 NPN 型三极管为例（见图 2 ），两个 PN 结共用了一个 P 区 基区，基区做得极薄，只有几微米到几十微米，正是靠着它把两个 PN 结有机地结合成一个不可分割的整体，它们之间存在着相互联系和相互影响，使三极管完全不
16、同于两个单独的 PN 结的特性。三极管在外加电压的作用下，形成基极电流、集电极电流和发射极电流，成为电流放大器件。 二、三极管的电流放大作用与其物理结构有关，三极管内部进行的物理过程是十分复杂的，初学者暂时不必去深入探讨。从应用的角度来讲，可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后，它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了（见图 3 ），用式子来表示就是 和 称为三极管的电流分配系数，其中 值大家比较熟悉，都管它叫电流放大系数。三个电流中，有一个电流发生变化，另外两个电流也会随着按比例地变化。例如，基极电流的变化量 I b 10 A ， 50 ，根据 I c I b 的关系式，集电极电
17、流的变化量 I c 5010 500 A ，实现了电流放大。 三、三极管自身并不能把小电流变成大电流，它仅仅起着一种控制作用，控制着电路里的电源，按确定的比例向三极管提供 I b 、 I c 和 I e 这三个电流。为了容易理解，我们还是用水流比喻电流（见图 4 ）。这是粗、细两根水管，粗的管子内装有闸门，这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流，粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大，闸门就开得越大，相应地流过粗 管子的水就越多，这就体现出“ 以小控制大，以弱控制强 ” 的道理。由图可见，细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极 b 、集
18、电极 c 和发射极 e 就对应着图 4 中的细管、粗管和粗细交汇的管子。电路见图 5 ，若给三极管外加一定的电压，就会产生电流 I b 、 I c 和 I e 。调节电位器 RP 改变基极电流 I b ， I c 也随之变化。由于 I c I b ，所以很小的 I b 控制着比它大 倍的 I c 。 I c 不是由三极管产生的，是由电源 V CC 在 I b 的 控制下提供的，所以说三极管起着能量转换作用。 四、如图 5，假设三极管的 =100 ， RP=200K，此时的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic= I b=2mA 当 RP=0 时， Ib=6v/100k=0.06
19、mA， Ic= I b=2mA。以上两种状态都符合 Ic= I b，我们说，三极管处于 “放大区 “。假设 RP=0,Rb=1k,此时， Ib=6v/1k=6mA 按Ic= I b 计算， Ic应等于 600mA，而实际上，由于图中 300 欧姆限流电阻（ Rc）的存在，实际上 Ic=(6v/300)20mA ,此时， Ic I b，而且， Ic不再受 Ib控制，即处于 “饱和区 “，当 RP 和 Rb大到一定程度，使 Ube死区电压 (硅管约 0.5V，锗管约 0.3）此时 be 结处于不导通状态， Ib=0，则 Ic=0，处于 “截止区 “。 五、单纯从 “ 放大 ” 的角度来看，我们希望
20、 值越大越好。可是，三极管接成共发射极放大电路（图 6 ）时，从管子的集电极 c 到发射极 e 总会产生一有害的漏电流，称为穿透电流 I ceo ，它的大小与 值近似成正比， 值越大， I ceo 就越大。 I ceo 这种寄生电 流不受 I b 控制，却成为集电极电流 I c 的一部分， I c I b I ceo 。值得注意的是， I ceo 跟温度有密切的关系，温度升高， I ceo 急剧变大，破坏了放大电路工作的稳定性。所以，选择三极管时，并不是 越大越好，一般取硅管 为 40 150 ，锗管取 40 80 。 六、在常温下，锗管的穿透电流比较大，一般由几十微安到几百微安，硅管的穿透电
21、流就比较小，一般只有零点几微安到几微安。 I ceo 虽然不大，却与温度有着密切的关系，它们遵循着 所谓的 “ 加倍规则 ” ，这就是温度每升高 10 ， I ceo 约增大一倍。例如，某锗管在常温 20 时， I ceo 为 20 A ，在使用中管芯温度上升到 50 ， I ceo 就增大到 160 A 左右。测量 I ceo 的电路很简单（图 7 ），三极管的基极开路，在集电极与发射极之间接入电源 V CC （ 6V ），串联在电路中的电流表（可用万用表中的 0.1mA 挡）所指示的电流值就是 I ceo 。 七、严格地说，三极管的 值不是一个不变的常数。在实际使用中，调整三极管的集电极
22、电流 I ， 值会随着发生变化（图 8 ）。一般说来，在 I c 很小（例如几十微安）或很大（即接近集电极最大允电流 I CM ）时， 值都比较小，在 1mA 以上相当宽的范围内，小功率管的 值都比较大，所以，同学们在调试放大电路时，要确定合适的工作电流 I c ，以获得最佳放大状态。另外， 值也和三极管的其它参数一样，跟温度有密切的关系。温度升高， 值相应变大。一般温度每升高 1 ， 值增加 0.5 1 。 八、三极管有一个极限参数叫集电极最大允许 电流，用 I CM 表示。 I CM 常称为三极管的额定电流，所以人们常常误认为超过了 I CM 值，由于过热会把管子烧坏。实际上，规定 I C
23、M 值是为避免集电极电流太大时引起 值下降过多。一般把 值降低到它的最大值一半左右时的集电极电流定为集电极最大允许电流 I CM 。 九、三极管的电流放大系数 值还与电路的工作频率有关。在一定的频率范围内，可以认为 值是不随频率变化的（图 9 ），可是当频率升高到超过某一数值后， 值就会明显下降。为了保证三极管在高频时仍然具有足够的放大能力，人们规定：当频率升高到使 值下降到低频（ 1000Hz ）值 0 的 0.707 倍时，所对应的频率称为 截止频率，用 f 表示。 f 就是三极管接成共发射极电路时所允许的最高工作频率。 三极管 截止频率 f 是在三极管接成共发射极放大电路时测定的。如果三
24、极管接成共基极电路，随着频率的升高，其电流放大系数 （ I c I e ）值下降到低频（ 1000Hz ）值 o 的 0.707 倍 时，所对应的频率称为 截止频率，用 f 表示（图 10 ）。 f 反映了三极管共基极运用时的频率限制。在三极管产品系列中，常根据 f 的大小划分低频管和高频管。国家规定， f 3MHz 的为低频管， f 3MHz 的为高频管。 当频率高于 f 值后，继续升高频率， 值将随之下降，直到 1 ，三极管就失去了放大能力。为此，人们规定：在高频条件下， 1 时所对应的频率，称为特征频率，用 f T 表示。 f T 常作为标志三极管频率特性好坏的重要参数 。在选择三极管时，应使管子的特征频率 f T 比实际工作频率高出 3 5 倍。 f 与 f 的物理意义是相同的，仅仅是放大电路连接方式不同。理论分析和实验都可以证明，同一只三极管的 f 值远比 f 值要小，它们之间的关系为 f （ 1 ） f 这就说明了共发射极电路的极限工作频率比共基极电路低得多。所以，高频放大和振荡电路大多采用共基极连接。 CEO
