PDF《双极结型晶体管及其》

第3章CHAPTER3 双极结型晶体管及其 基本放大电路 本章首先讨论双极结型晶体管( B J T) 的结构、 工作原理、 特性曲线、 主要参数及电路模 型.

接着引入放大电路的基本概念, 包括放大电路的组成原则, 主要性能指标等.随后讨论 放大电路的常用分析方法― ― ―图解法和等效电路法, 重点讨论了 B J T 放大电路的三种基本 组态.最后介绍了多级放大电路的有关问题.由于本章所涉及的问题具有普遍性, 所以, 是 学习后续各章及其他电子电路的基础.

3 .

1 双极结型晶体管 双极结型晶体管( B i p o l a r J u n c t i o nT r a n s i s t o r , 用BJT表示) , 它是通过一定的工艺, 将 两个P N 结结合在一起的器件.由于P N 结之间的相互作用, 它表现出不同于单个P N 结的 特性, 从而使 P N 结的应用发生了质的飞跃.本节将围绕 B J T 具有电流放大作用这一核心 问题, 讨论其结构、 各极电流的形成、 特性曲线及参数等问题. 3. 1.

1 B J T的分类、 结构及符号 B J T 的种类很多.按频率分, 有高频管、 低频管;

按功率分, 有大功率管、 中功率管及小 功率管;

按材料分, 有硅管、 锗管;

按导电类型分, 有NPN管、 P N P管等.无论何种类型的 B J T, 从外形来看都有三个电极, 常见的 B J T 外形如图3. 1所示. 图3.

1 几种 B J T 的外形 B J T 的结构示意图和电路符号如图3. 2所示.由图可见, B J T 是由三层半导体制成的. N P N 型BJT由两个 N 区和中间很薄的一个P区组成.相反地, P N P型B J T 由两个P区和 中间很薄的一个 N 区组成.从三块半导体上各自接出一根引线就是B J T 的三个电极, 它们 分别叫做发射极 E( E m i t t e r ) 、 基极 B( B a s e ) 和集电极 C( C o l l e c t o r ) , 对应的三块半导体分别 称为发射区、 基区和集电区.三块半导体的交界面形成了两个 P N 结:发射区与基区交界处 的P N结称为发射结( J e) , 集电区与基区交界处的P N结称为集电结( J c) . 特别值得注意的是, 虽然发射区和集电区都是同种类型的半导体, 但器件不是电对称

3 8 图3.

2 B J T 的结构及符号 的, 这种不对称是因为三个区域的掺杂浓度明显不同, 其中, 发射区的掺杂浓度高于集电区, 基区的掺杂浓度最低.例如, 发射区、 集电区、 基区的掺杂浓度分别为1

0 1

9 c m-3 、

1 0

1 7 c m-3 、

1 0

1 5 c m-3 .此外, 在几何尺寸上, 基区很薄, 集电区的面积比发射区大.正是这种结构特点, 构成了 B J T 具有电流放大作用的物质基础. N P N 型BJT和PNP型 B J T 电路符号的区别在于发射极所标箭头的指向, 发射极箭头 的指向表明了 B J T 导通时发射极电流的实际流向. 实际 B J T 的结构要比图3. 2复杂得多, 图3. 3是集成电路中典型的 N P N 型BJT的结 构剖面图.图中, 衬底若用硅材料, 则为硅管;

若用锗材料, 则为锗管. 图3.

3 常用集成电路中 N P N 型BJT的结构剖面图 3. 1.

2 B J T的电流分配与放大作用 B J T 的电流放大作用是由内、 外两种因素决定的, 其内因就是3. 1. 1节中所述的结构特 点, 而外因是必须给 B J T 加合适的偏置电压, 即给发射结加正向偏置电压, 集电结加反向偏 置电压.

3 9 1. B J T内部载流子的传输过程 以NPN型BJT为例, 在发射结正偏, 集电结反偏的条件下, B J T 内部载流子的运动情 况可用图3. 4说明. 图3.

4 B J T 内部载流子的传输示意图

1 )发射区向基区注入电子 由于发射结J e 正偏, 所以J e 两侧多子的扩散占 优势, 因而发射区的电子源源不断地越过J e 注入到 基区, 形成电子注入电流I E N;

与此同时, 基区的空 穴也向发射区注入, 形成空穴注入电流I E P.由于发 射区相对于基区是重掺杂, 所以发射区电子的浓度 远大于基区 空穴浓度, 因而满足I E N ?I E P, 若忽略IEP, 发射极电流I E ≈I E N, 其方向与电子 注入方向相反.

2 )电子在基区边扩散边复合 注入基区的电子, 成为基区的非平衡少子, 它在 J e 处浓度最大, 而在J c 处浓度最小( J c 反偏, 其边界 处电子浓度近似为零) , 因此, 在基区形成了非平衡 电子的浓度差.在该浓度差的作用下, 由发射区注 入基区的电子将继续向J c 扩散.在扩散过程中, 非平衡电子会与基区中的多子空穴相遇, 使部分电子因复合而失去.但由于基区很薄且掺杂浓度又低, 所以在基区被复合掉的电子 数极少, 绝大部分电子都能扩散到J c 边沿.基区中与电子复合的空穴由基极电源提供, 形 成基区复合电流I B N, 它是基极电流I B 的主要部分.

3 )扩散到集电结的电子被集电区收集 由于集电结J c 反偏, 形成了较强的电场, 所以, 扩散到J c 边沿的电子在该电场作用下漂 移到集电区, 形成集电区的收集电流I C N.该电流是构成集电极电流I C 的主要部分.此外, 集电区和基区的少子在J c 反偏压的作用下, 向对方漂移形成J c 的反向饱和电流I C B O, 并流 过集电极和基极支路, 构成I B 和I C 的另一部分电流. 通过以上讨论可以看出, 在BJT中, 薄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起. 它能把发射结的正向电流几乎全部地传输到反偏的集电结回路中去.这正是 B J T 实现放 大作用的关键所在. 2. B J T的电流分配关系 由以上分析可知, B J T 三个电极的电流与内部载流子的传输形成的电流之间有如下 关系. I E =I E N +I E P =I B N +I C N +I E P ≈I B N +I C N I B =I E P +I B N -I C B O ≈I B N -I C B O I C =I C N +I ì ? í ? ? ? ? C B O (

3 -

1 a ) (

3 -

1 b ) (

3 -

1 c ) 式(

3 -

1 ) 表明:在J e 正偏, J c 反偏的条件下, B J T 三个电极上的电流不是孤立的, 它们能 反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系.这一比例关系主要由基区宽度、 掺杂浓度 等因素决定, B J T 做好后就基本确定了.一旦知道了这个比例关系, 就不难确定三个电极 电流之间的关系, 从而为定量分析 B J T 电路提供了方便.

4 0 为了反映扩散到集电区的电流I C N 与基区复合电流I B N 之间的比例关系, 定义共发射极 直流电流放大系数β - 为β-=ICNIBN=IC-I C B O I B +I C B O (

3 -

2 ) 其含义是:基区每复合一个电子, 则有β - 个电子扩散到集电区去.β - 值一般为2 0~

2 0 0. 确定了β - 值后, 由式(

3 -

1 ) 和式(

3 -

2 ) 可得 B J T 三个电极电流的表达式如下: I E =I B +I C I C =β - I B + ( 1+β - ) I C B O =β - I B +I C E O I E = ( 1+β - ) I B + ( 1+β - ) I C B O = ( 1+β - ) I B +I ì ? í ? ? ? ? C E O (

3 -

3 a ) (

3 -

3 b ) (

3 -

3 c ) 式中 I C E O = ( 1+β - ) I C B O (

3 -

4 ) 称为穿透电流.由于I C B O很小, 常忽略其影响, 所以有 I C ≈β - I B I E ≈ ( 1+β - ) I { B (

3 -

5 a ) (

3 -

5 b ) 式(

3 -

5 ) 是以后电路分析中常用的关系式. 为了反映扩散到集电区的电流I C N与发射极电流I E 之间的比例关系, 定义共基极直流 电流放大系数α - 为α-=ICNIE=IC-I C B O I E (

3 -

6 ) 它表征了发射极电流I E 转化为集电极电流I C 的能力.显然, α - I CM 时, 管子性能将显著下降, 甚至有烧坏管子的可能. B J T 线性应用时, I C 不应超过I CM .

2 )集电极最大允许耗散功率PCM B J T 工作在放大状态时, J c 承受着较高的反向电压, 同时流过较大的电流.因此在J c 上要消耗一定的功率, 从而导致J c 发热, 结温升高.当结温过高时, 管子的性能下降, 甚至 图3.

1 2 B J T 的安全工作区 会烧坏管子, 因此需要规定一个功耗限额.PCM 就是J c 上允许损耗功率的最大值.由PCM =VC E I C 可知, PCM 在输出特性曲线上为一条VC E与I C 乘积 为定 值的双曲线, 称为PCM 功耗线, 如图3.

1 2 所示.

3 )反向击穿电压 B J T 有两个 P N 结, 当所加的反向电压超过规 定值时, 也会发生反向击穿, 其击穿机理与二极管 相似, 但BJT的击穿电压不仅与管 子本身特性有 关, 而且还取决于外部电路的接法, 常用的有以下 几种. (

1 ) V( B R) E B O V( B R) E B O是指集电极开路时, 发射极 - 基极之间的反向击穿电压.它是发射 结本身的击穿电压.普通三极管的V( B R) E B O值比较小, 一般只有几伏. (

2 ) V( B R) C B O V( B R) C B O是指发射极开路时, 集电极 - 基极之间的反向击穿电压.它决定于 集电结的雪崩击穿电压, 其数值较高, 通常为几十伏, 有些管子可达几百伏甚至上千伏. (

3 ) V( B R) C E O V( B R) C E O是指基极开路时, 集电极 - 发射极之间的反向击穿电压.其大小 与BJT的穿透电流有直接的关系, 当管子的VC E 增加时, I C E O 明显增大, 导致集电结发生雪 崩击穿.在实际电路中, B J T 的发射极 - 基极之间常接有基极电阻 RB, 这时集电极 - 发射极 之间的反向击穿电压用V( B R) C E R表示, 其中, RB=0时的反向击穿电压用V( B R) C E S表示.由于 RB 对发射结有分流作用, 所以延缓了集电结雪崩击穿的产生. 上述几种击穿电压之间的关系为 V( B R) E B O<

V( B R) C E O<

V( B R) C E R<

V( B R) C E S<

V( B R) C B O 通常 将ICM 、 PCM 、 V( B R) C E O 三个参数所限定的区域称为BJT的安全工作区(SafeOperationA r e a ) , 如图3.

1 2 所示.为了确保管子正常、 安全工作, 使用时不应超出这个区域. 4.表征频率特性的参数― ― ―结电容 当BJT在高频应用时, 应考虑其结电容效应.B J T 的结电容包括发射结电容Cb ′ e和集 电结电容Cb ′ c.关于其详细讨论可参见第5章. 5.温度对 B J T参数的影响 严格来讲, 温度对B J T的所有参数几乎都有影响, 但受影响最大的是β、 I C B O和VB E( o n ). 温度每升高1℃, β值增大0. 5%~1%;

4 6 温度每升高1℃, VB E( o n )值减小2~2.

5 mV;

温度每升高1 0℃, I C B O值约增大一倍, 即I C B O( T2) = I C B O( T1) *2 ( T 2-T

1 ) /

1 0 . 3. 1.

5 B J T的模型 由BJT的伏安特性曲线可知, B J T 是一种复杂的非线性器件.其非线性主要表现为 三种截然不同的工作状态:放大、 截止和饱 和.在实际应用中, 根据电路所实现功能的不同, 通常要通过外电路将 B J T 偏置在某一特定状态. 因此, 在BJT应用电路的分析中, 关键问题就是如何根据实 际情况建立BJT的电路模型, 下面将详细讨论BJT的建模问题. 1.放大状态下 B J T的模型

1 )数学模型 当BJT被偏置在放大状态时, 其集电极电流i C 与基极电流i B 之间的关系是线性的, 所 以有人称 B J T 是电流控制器件.实际上, 从BJT内部载流子的传输过程来看, i E 是受发射 结电压v B E控制的, 且作为 P N 结, 它们之间服从以下指数关系: i E =I E B S( e v B E / V T -1 )≈I E B S e v B E / V T (

3 -

1 2 ) 式中, I E B S为发射结的反向饱和电流.相应的集电极电流i C 可近似表示为 i C =α i E ≈α IE B S e v B E / V T =I S e v B E / V T (

3 -

1 3 ) 式中 I S =α IE B S (

3 -

1 4 ) 为发射结的反向饱和电流I E B S转化到集电极上的电流值.当B J T 各区的掺杂浓度和基区宽 度一定时, 其值与发射结面积成正比.

2 )直流简化电路模型 当外电路 将BJT偏置在放大状态时, VB E =VB E( o n ), 并有基极电流I B 流入基极, 由图3. 7可知, 若忽略基区宽度调制效应, 集电极电流I C 具有恒流特性, 且受控于基极电流I B. 此时, C、 E间相当于接有一个大小为β - I B 的受控电流源, 相应的电路模型如图3.

1 3所示. 图3.

1 3 B J T 的直流放大 电路模型 图........