第二章双极型晶体管及其放大电路
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第二章 双极型晶体管及其放大电路
0 U BE(on)
uBE
0 UCE(sat)
uCE b c iB e UCE(sat)
输入特性近似
输出特性近似
b
c
b
c iB e
放大状态模型
UBE(on) e
截止状态模型
βi B
UBE(on)
饱和状态模型
a.截止： UBE<UBE(ON) , iB≈0 , iC≈0 b.放大：UBE>UBE(ON) c.饱合：.UBE>UBE(ON)
∆i ∆iC =0 uCE一定 ∆ib
5
10
15
截止区
饱和压降: uces (or uce(sat))=0.3V 饱和: Saturation 4.击穿区：
三、温度对晶体管特性曲线的影响 温度对晶体管特性曲线的影响 uBE -(2~2.5)mv/℃ 2(T2-T1)/10 T iC 曲线上移 间隔加大(输出) 曲线左移 (输入)
双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极， 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极， 又称半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。 又称半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。
小功率管
大功率管
大功率达林顿晶体管
2907A PNP 双极性晶体管
100 GHz 铟磷 钐铟砷异质 铟磷/钐铟砷异质 结双极性晶体管的电子扫 描显微图片
条件：三极管特点（e区重掺杂；b区薄；c区面积大）＋e结正偏＋c结反偏 利用两个特殊结构的PN结，将e结扩散电流“转化”为c 结漂移电流，使c 极出现受be结电压控制的较大电流。 对比：与变压器（杠杆、放大镜）的区别 IC ≈
β ΙΒ
电流控制型器件
uBE
0 UCE(sat)
uCE b c iB e UCE(sat)
输入特性近似
输出特性近似
b
c
b
c iB e
放大状态模型
UBE(on) e
截止状态模型
βi B
UBE(on)
饱和状态模型
a.截止： UBE<UBE(ON) , iB≈0 , iC≈0 b.放大：UBE>UBE(ON) c.饱合：.UBE>UBE(ON)
∆i ∆iC =0 uCE一定 ∆ib
5
10
15
截止区
饱和压降: uces (or uce(sat))=0.3V 饱和: Saturation 4.击穿区：
三、温度对晶体管特性曲线的影响 温度对晶体管特性曲线的影响 uBE -(2~2.5)mv/℃ 2(T2-T1)/10 T iC 曲线上移 间隔加大(输出) 曲线左移 (输入)
双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极， 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极， 又称半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。 又称半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。
小功率管
大功率管
大功率达林顿晶体管
2907A PNP 双极性晶体管
100 GHz 铟磷 钐铟砷异质 铟磷/钐铟砷异质 结双极性晶体管的电子扫 描显微图片
条件：三极管特点（e区重掺杂；b区薄；c区面积大）＋e结正偏＋c结反偏 利用两个特殊结构的PN结，将e结扩散电流“转化”为c 结漂移电流，使c 极出现受be结电压控制的较大电流。 对比：与变压器（杠杆、放大镜）的区别 IC ≈
β ΙΒ
电流控制型器件
双极型晶体管及其放大电路
1
：共发射极直流电流放大 系数，一般为几十－几百
共集电极电流传输关系
共集电极 IE
E IE IC IB IC IB ICBO
B IB VBC
VEC
IC
IE (1 )IB ICEO (1 )IB
C 公共端
第 一 节 ： 双 极 型 晶 体 管
无论哪种连接方式，输入电流对 输出电流皆有正向控制作用，这 是能够实现信号放大的机理
个电极无交流信号输入时的电流大小及流
一 节
向如下图所示。求：
： 双
另一个电极电流，并标出实际方向
极
标出三个管脚各是什么管脚
型 晶
判断它们各是NPN型还是PNP型，并估算其 ,
体 管
0.1mA
0.1mA
5.1mA
4mA
晶体管的特性曲线
静态特性曲线：指各极电压与电流
第 一
之间的关系曲线。是晶体管内部载 流子运动的外部表现，故也称外部
型 晶
体
v4B' 0E vBE vCE 0.7V 40 0 WB' WvBBE /xV
管
vCE 10V
vBE / V
0 0.3 0.6 0.9
0 0.3 0.6 0.9
产生区别的原因在 于基区调宽效应
共发射极输出特性曲线-定义
B iB vBE
iC E
C vCE
以输入电压 vBE 或电 流 电极iB 电为流参变iC 量(输，出集电
节 ： 双
➢集成电路工艺制造出的电阻阻值受
极 型
限，应尽量避免使用高阻值电阻。常
晶 体
使用有源器件代替电阻，特别是大电 管
阻
➢无电感元件
➢不适于制造几十皮法以上的电容，
第2章双极型晶体管及其放大电路解读
PNP
e
(a) NPN管的原理结构示意图 (b) 电路符号
图2.1.1 晶体管的结构与符号
2020年11月17日星期二
模拟电子技术
7
集电 极
发射区 e
b
发射 结 集电 区
N＋
P
N型外 延 N＋衬底
绝S缘i O层 2
集电 结 基区
P
1.三区二结
c
结构特点
(c)
2.基区很薄（10-1μm～ 100μm）
2.5.2 放大电路的动态范围和非线性失真
2.5.3 晶体管的交流小信号模型 一、混合π型电路模型 二、低频H参数电路模型 2.5.4 等效电路法分析共射放大电路 2.5.5共射放大电路的设计实例
2020年11月17日星期二
模拟电子技术
4
2.6 共集放大电路
2.7共基放大电路
2.8 多级放大电路
2.8.1级间耦合方式
＋
iC mA
－
RB
iB
μA
＋＋
UCC
UBB
uBE V
V uCE
－－
图2.2.2共发射极特性曲线测量电路
2020年11月17日星期二
模拟电子技术
16
iC/mA
Saturation C结零偏压
uCE＝uBE
S
Active
C结反偏 C结正偏
0
Cutoff
E结零偏压
iB＝－ICBO
E结正偏
uCE/V E结反偏
b IBN
IB RB
IEP
P UCC N IEN
UBB
e IE
跨越两个PN节， 体现了放大作用。
2020年11月17日星期二
第二章_双极型晶体三极管(BJT)
IE = ICn + IBn
传输到集电极的电流 发射区注入的电流
ICn
Rb
IE
IC ICBO IC
EB
IE
IE
一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大
ICBO IB
b IBn
c
IC
ICn
IEn e IE 一般可达 0.95 ~ 0.99
Rc EC
13
（2） i与C 的i关B 系
输入
b
+
cUCE 输出
e
V 回路UCE
回路
V
UBE
电流，UCE是输出电压；
VCC
25
1、共射输入特性曲线
I B f (U BE ) UCE 常数
(1) UCE = 0 时的输入特性曲线
Rb IB b c
VBB
+e
UBE _
IB/A
UCE 0
类似为PN结正偏时的伏安特性曲线。
O
U BE / V
IE = IC + IB IC IE ICBO
IB＝IBn－ICBO
当IE=0时，IC=ICBO
IC ( IC IB ) ICBO
1
IC 1 IB 1 ICBO
IC IB (1 )ICBO
= IB ICEO
穿透电流。
其中：
1
共射直流电流放大 系数。
14
IC IB ICEO
• 直流参数
– 直流电流放大系数 和
– 极间反向电流 和ICBO ICEO
• 交流参数
– 交流电流放大系数 和
– 频率参数 和 f
fT
• 极限参数
集电极最大允许电流ICmax 集电极最大允许功耗PCmax 反向击穿电压
传输到集电极的电流 发射区注入的电流
ICn
Rb
IE
IC ICBO IC
EB
IE
IE
一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大
ICBO IB
b IBn
c
IC
ICn
IEn e IE 一般可达 0.95 ~ 0.99
Rc EC
13
（2） i与C 的i关B 系
输入
b
+
cUCE 输出
e
V 回路UCE
回路
V
UBE
电流，UCE是输出电压；
VCC
25
1、共射输入特性曲线
I B f (U BE ) UCE 常数
(1) UCE = 0 时的输入特性曲线
Rb IB b c
VBB
+e
UBE _
IB/A
UCE 0
类似为PN结正偏时的伏安特性曲线。
O
U BE / V
IE = IC + IB IC IE ICBO
IB＝IBn－ICBO
当IE=0时，IC=ICBO
IC ( IC IB ) ICBO
1
IC 1 IB 1 ICBO
IC IB (1 )ICBO
= IB ICEO
穿透电流。
其中：
1
共射直流电流放大 系数。
14
IC IB ICEO
• 直流参数
– 直流电流放大系数 和
– 极间反向电流 和ICBO ICEO
• 交流参数
– 交流电流放大系数 和
– 频率参数 和 f
fT
• 极限参数
集电极最大允许电流ICmax 集电极最大允许功耗PCmax 反向击穿电压
第二章-晶体管
（1）共基直流放大系数 IC
IE
（2）共基交流放大系数
IC
I E
由于ICBO、ICEO 很小，因此 在以后的计算中，不必区分。
二、极间反向电流
1 ICBO
发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集 电极反向饱和电流。
2 ICEO
基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集 电极穿透电流。
T
( 0.5 ~ 1) / C
2.3.2 晶体管的主要参数 一、电流放大系数
1.共射电流放大系数
（1） 共射直流放大系数 反映静态时集电极电流与基极电流之比。
（2） 共射交流放大系数 反映动态时的电流放大特性。
由于ICBO、ICEO 很小，因此 在以后的计算中，不必区分。
2. 共基电流放大系数
a. 受控特性：iC 受iB的控制
uCE＝uBE 4
放
IB＝40μ A
iC iB
饱 和3
30μ A
区
大 20μ A
iC iB
2
区
10μ A
1
b. 恒流特性:当 iB 恒定时，
0
uCE 变化对 iC 的影响很小
0μ A iB＝－ICBO
5
10
15
uCE/V
截止区
即iC主要由iB决定，与输出环路的外电路无关。
iC主要由uCE决定 uCE ↑→ iC ↑
iC /mA
=80μA =60μA =40μA
=20μA
25℃
uCE /V
（3）当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，运动 到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，
此后uCE再增加，电流也没有明显得增加，特 性曲线几乎平行于与uCE轴
微电子概论第二章微电子概论 第三节 双极型晶体管
1
1
iCBO ic
说明 > ，由于接近1，所以达
1
几十乃至上百。主要是由于输入端
由微弱的复合电流控制，而输出端
有大的漂移电流增强
➢穿透电流、注入效率与输运系数 (1) 穿透电流
iB
iCBO iCn
令 IC EO (1 ) IC B O
则 iC iB ICEO
当 iB=0 时， iC=ICEO
(2)注入效率
Rb
iB
iE
VBB
iE
称ICEO为穿透电流
发射区向基区注入电流的效率： = iEn/ie
(3)输运系数
基区向集电区电子输运的效率： = iCn/iEn 显然， = iCn/ie ≈
iC Rc
VCC
➢电压放大原理
N
共基极电压放大倍数GV及功率放大倍数GP
GV
iC RC iere
RC re
作业2
1. 已知：一只NPN型双极型晶体管共发射极 连接，测得其电压放大倍数为15，功率放 大倍数为930，基极电流Ib = 50 A，求解 以下问题：（1）画出电路图，并标出发射 极电流Ie、集电极电流Ic和基极电流Ib方向；
（2）求电流放大倍数；（3）求发射极电
流Ie、集电极电流Ic。
2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什 么？
iB′ ic iE iB
共发射极 大
大 大
共基极 大
大
iCn iCBO
iB iE
iE
iC Rc VCC
iC Rc
VCC iB VBB
➢电流增益关系
iE iC iB iE iB iCn iC iCn ICBO iB iB ICBO
第2章 双极型晶体管及其放大电路1
36
三、直流偏置、静态工作点、几种基本放大电路的概述
1. 总量＝直流＋交流
晶体管：非线性器件 工作状态：放大、截至、饱和 应处于放大的工作状态：直流偏置 在放大电路中，当有信号输入 时，交流量与直流量共存。 放大信号的变化量 总量＝直流＋交流 静态工作点 基本共射放大电路
符号大小写、交直流
37
小写：瞬时值
26
27
二、共发射极输入特性曲线
28
输入特性
UCE =0.5V UCE=0V
C N P N E
集电极
IB(µA)
80 60 40 死区电 压，硅管 0.5V，锗 20 管0.2V。 0.4 0.8
UCE ≥1V
B
基极
工作压降： 硅管UBE=0.7V, 锗管UBE=0.3V。
发射极
UBE(V)
例题6： (课后题P67)
91
例题6： (课后题P67)
88
放大管各极电流和极间电压的波形 在工作点处的直流量上叠加一 个交流量。因此，在分析放大 器时，可以将 Q 点的直流计算 和 Q点处的交流计算分开进行 总瞬时值: iB=IBQ+ib iC=ICQ+ic vCE=VCEQ+vce vBE=VBEQ+vi
书P42
89
例题6： (课后题P67)
90
IC(mA ) 此区域满 4 足IC=βIB 3 称为线性 区（放大 区）。 2 1 3 6 9
当UCE大于一 定的数值 100µA 时，IC只与IB 有关， 80µA IC=βIB。 60µA 40µA 20µA IB=0 12 UCE(V)
16
2. 饱和区: e 结和 c 结均处于正偏 uBE>uon 且 uCE<uBE uCE=uBE :临界饱和 uCE<uBE :进入饱和区 饱和压降UCE(sat)=0.3V 不同iB的曲线在饱和区汇集
第2章 双极型晶体管及其基本放大电路 参考答案
均很小。（1）若要求放大电路的最大不失真输出电压幅度尽可能大，则上偏置电阻 Rb1
应为多大？设晶体管的 ICEO 和UCES 皆为零，UBE = 0.7V 。（2）在上述条件下，求
Aɺu = ?
解：（1）Q 点在交流负载线的中点时输出幅度最大，由此可得
，解得 ， 。 UICCQERQL′≈=VUCCCEQ− ICQ (Rc +Re )
2.7 分压式稳定工作点共射放大电路如图 （ ） 2.6.4 a
所示，习题 2.7 图为晶体管输出特性及交直流负载线，
且负载电阻 RL = 6kΩ 。（1）确定 Rc 、Re 和VCC 的数值；
（ ）若 ， ，试确定 、 。 2 IRb2 = 370µA UBE = 0.7V
Rb1 Rb2
习题 2.7 图
解：UB
≈
Rb2 Rb1 + Rb2
VCC
=
12 30 +12
×12
≈
3.43V
I EQ
= UB − UBEQ Re1 + Re2
=
3.43 − 0.7 200 +1300
= 1.82mA
rbe
=
rbb′
+
(1 +
β)
26(mV) IEQ (mA)
=
80
+
61× 26 1.82
≈
0.95kΩ
Aɺ u
管 （ 其 极 限 参 数 ， ， ICM = 30mA
U(BR)CEO = 9V
）， ，取 。 ， PCM =100mW β = 20 UBE = −0.3V Rb = 24kΩ
Rc = 0.5kΩ ，−VCC = −12V 。试分析：（1）电路中的晶体
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模拟电子技术
5
2―8 放大器的级联 2―8―1级间耦合方式 2―8―2级联放大器的性能指标计算
2―8―3 组合放大器 一、CC―CE和CE―CC组合放大器 二、CE―CB组合放大器 作业
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
6
第二章 双极型晶体管及其放大电路
（1）掌握双极型晶体管的工作原理、特性和参数。
uBE
0 UCE(sat)
uCE
(a) 输入特性近似
(b) 输出特性近似
图2―8晶体管伏安特性曲线的折线近似
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b
cb
cb
c
IB
UBE(on)
βI B
UBE(on)
UCE(sat)
e
e
(a)
(b)
e (c)
图2―9 (a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型
2020年3月7日星期六
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7
2-1 双极型晶体管的工作原理
BJT(Bipolar Junction Transistor)，简称晶体管或三极管。
c
发射结
e
N
发射极 发射区
集电结
b
PN
c
基区 集电区 集电极
b
基极
b
NPN
e c
PNP
(a) NPN管的原理结构示意图
e
Base collector emitter
P UCC N IEN
UBB
e IE
2020年3月7日星期六
跨越两个PN节，体现了放大作用
模拟电子技术
13
一、直流电流放大系数
发射区发射效率
c
ICBO
ICN
IC N
RC
ICN
IE
ICN I EN I EN I E
BE
IC ICBO 基区传输效率
b IBN
P UCC
IE
反向击穿电压。 U(BR)CEO < U(BR)CBO。
2020年3月7日星期六
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31
U(BR)EBO指集电极开路时，发射极—基极间的 反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只
有几伏。
例如：3DG6(NPN)， U(BR)CBO =115V， U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V。
IC I CBO
I B ICBO
若忽略 ICBO , 则
IC ICBO
IE
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模拟电子技术
17
2―2 晶体管伏安特性曲线及参数
全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。
iB
b 输入 回路
iC
c
输出 回路
iB b
iE
e
iE
e
iC c
e
c
b
(a)共发射极
四、晶体管的极限参数
2―3 晶体管直流工作状态分析及偏置电路
2―3―1晶体管的直流模型
2―3―2晶体管直流工作状态分析
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
2
2―3―3 放大状态下的偏置电路 一、固定偏流电路 二、电流负反馈型偏置电路 三、分压式偏置电路
2―4放大器的组成及其性能指标 2―4―1 基本放大器的组成原则 2―4―2 直流通路和交流通路
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
10
2-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程
（发射结正偏，集电结反偏）
一、发射区向基区注入电子 二、电子在基区中边扩散边复合 三、扩散到集电结的电子被集电区收集
基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量 变引起质变的一个实例。
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
模拟电子技术
15
共射、共基直流电流放大系数 、 间关系
ICN IE IE ICN IE IE 1
ICN
ICN
IE (1 )ICN 1
1
1
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
16
二、IC、 IE、 IB、三者关系：
(b)共集电极
(c)共基极
(Common Emitter) (Common Collecter) (Common Base)
输入回路（接信号源，加入信号）；
输出回路（接负载，取出信号）；
图2―3晶体管的三种基本接法（组态）
2020年3月7日星期六
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18
2―2―1 晶体管共发射极特性曲线
一、共发射极输出特性曲线
IC I B (1 )ICBO
2020年3月7日星期六
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27
2-2-2 晶体管的主要参数
一、电流放大系数
1. 共射直流放大系数 反映静态时集电极电流与基极电流之比。 2. 共射交流放大系数 反映动态时的电流放大特性。
由于 IC IB (1 )ICBO IB ICEO，呈线性关系 因此 在以后的计算中，不必区分。
IB RB
一般
N
IEP
IEN
UBB
e IE
2020年3月7日星期六
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14
c IC
ICBO
ICN
N
RC
b IBN
IB RB
IEP
P UCC N IEN
UBB
e IE
ICN ICN
IE ICN IBN IEP IC I CBO
IB ICBO
一般
2020年3月7日星期六
25
二、共发射极输入特性曲线
（1）U CE = 0 时，晶体管相当于两个并联二极 管，i B 很大，曲线明显左移。
（2）0< UCE< 1 时，随着 UCE 增加，曲线右移， 特别在 0< UCE< UCE (SAT), 即工作在饱和区时，移 动量将更大一些。
（3） UCE >1 时，曲线近似重合。
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
26
三、温度对晶体管特性曲线的影响
T ↑，uBE↓： T ↑， ICBO ↑ ：
uBE (2mV ~ 2.5mV )/C T
T2 T1
ICBO2 ICBO12 10
T ↑， β ↑ ：
T
(0.5 ~ 1)
/
C
结
论
T ↑， IC ↑ ：
11
双极型三极管的电流传输关系.avi
IC
c
ICBO
ICN
N
b IB RB
UBB
IBN
IEP e
P
N IEN IE
RC
15V UCC
图2―2 晶体管内载流子的运动和各极电流
2020年3ห้องสมุดไป่ตู้7日星期六
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12
2-1-2 电流分配关系
IC
IC
c
ICBO
ICN
N
RC
IB
IE
b IBN
IB RB
IEP
b
IB RB
I EBO
UBB
e IE
P UCC（2）工程上认为：i B =0 以下即为截止区。因
N
为在i B =0 和i B =-i CBO
间，放大作用很弱
2020年3月7日星期六
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24
晶体管的工作状态总结
c结 e结 正偏
反偏
正偏
饱和 倒置放大
反偏
放大 截止
2020年3月7日星期六
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2020年3月7日星期六
模拟电子技术
3
2―4―3放大器的主要性能指标
一、放大倍数A
二、输入电阻 Ri 三、输出电阻Ro 四、非线性失真系数THD
五、线性失真
2―5 放大器图解分析法
2―5―1 直流图解分析
2―5―2 交流图解分析
2―5―3 直流工作点与放大器非线性失真的关系
2020年3月7日星期六
图2―7 晶体管的安全工作区
2020年3月7日星期六
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34
2―3 晶体管直流工作状态分析及偏置电路
将输入、输出特性曲线线性化 （即用若干直线段表示）
等效电路（模型） 静态：由电源引起的一种工作状态
2020年3月7日星期六
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35
2―3―1晶体管的直流模型
iB
iC
IB＝ 0
0 UBE(on)
(b) 电路符号
2020年3月7日星期六
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8
集电 极
发射区 e
b
发射 结 集电 区
N＋
P
N型外 延 N＋衬底
绝S缘i O层 2
集电 结 基区
c
(c)平面管(结c)构剖面图
图2-1 晶体管的结构与符号
2020年3月7日星期六
模拟电子技术
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结构特点
1.三区二结 2.基区很薄（几个微米至几十个微米） 3.e区重掺杂、 c区轻掺杂、 b区掺杂最轻 4.Sc结>Se结
UCE(sat) = 0.5V||0.3V（小功率Si管）； UCE(sat) = 0.2V||0.1V（小功率Ge管）。 饱和（saturation）
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3. 截止区（发射结和集电结均处于反向偏置） 三个电极均为反向电流，所以数值很小。