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模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第八節(jié):半導(dǎo)體BJT
3.1? 半導(dǎo)體BJT
3.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)
BJT是雙極結(jié)型晶體管Bipolar Junction Transistor的簡寫，又稱為半導(dǎo)體三極管。它有三個(gè)電極，常見的BJT外形如圖1所示，圖2是一種BJT的實(shí)物圖片。
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圖1 |
圖2 |
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根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，BJT一般可分成兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型BJT結(jié)構(gòu)示意圖、管芯剖面圖及表示符號(hào)如圖3所示。半導(dǎo)體的三個(gè)區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)；三個(gè)區(qū)域引出的三個(gè)電極分別叫做發(fā)射極e、基極b和集電極c；發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)與集電區(qū)間的PN結(jié)稱為集電極。
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圖3 |
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BJT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 發(fā)射區(qū)：雜質(zhì)濃度很高；基區(qū)：很薄且雜質(zhì)濃度很低；集電區(qū)：面積很大。???? 圖4是PNP型BJT結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)
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3.1.2 BJT的電流分配與放大作用
一、BJT的放大條件
BJT工作于放大狀態(tài)的條件：
1．器件內(nèi)部條件：在制造工藝上要求發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度低；集電區(qū)面積大，且摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)。
2．外部電路條件：要使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。以共基電路為例，外加電壓如下圖所示。圖中VBB使發(fā)射結(jié)正偏，VCC使集電極反偏。?
二、BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程
（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子
發(fā)射結(jié)外加正向電壓，使發(fā)射結(jié)勢(shì)壘減小,對(duì)多子的擴(kuò)散有利，這時(shí)發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷通過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE，其方向與電子流動(dòng)方向相反。與此同時(shí)，基區(qū)的多子空穴也要擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，但由于發(fā)射區(qū)摻雜濃度比基區(qū)高得多，與電子流相比，這部分空穴流可以忽略。
（2）電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合
由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散來的電子注入基區(qū)后，在基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的邊界積累起來，形成了一定的濃度梯度，靠近發(fā)射結(jié)附近濃度最高，離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)濃度越小。因此，電子就要向集電結(jié)的方向擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中又會(huì)與基區(qū)中的空穴復(fù)合，接在基區(qū)的電源正端則不斷從基區(qū)拉走電子，好像不斷補(bǔ)充基區(qū)空穴，使基區(qū)的空穴濃度基本維持不變。這樣就形成了基極電流IB，所以基極電流就是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合的電流。如復(fù)合越多，則到達(dá)集電結(jié)的電子越少，對(duì)放大是不利的。所以為了減小復(fù)合，常把基區(qū)做得很?。◣孜⒚祝?，并使基區(qū)摻入雜質(zhì)的濃度很低，因而，電子在擴(kuò)散過程中實(shí)際上與空穴復(fù)合的數(shù)量很少，大部分都能到達(dá)集電結(jié)，形成集電極電流。
（3）集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子
集電極所加反向電壓，使集電結(jié)勢(shì)壘很高，集電區(qū)的多子電子和基區(qū)的多子空穴很難通過集電結(jié)，但這個(gè)勢(shì)壘對(duì)基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強(qiáng)的吸引力，可使電子很快地漂移過集電結(jié)為集電區(qū)所收集，形成集電極電流IC。
另一方面，根據(jù)反向PN結(jié)的特性，當(dāng)集電結(jié)加反向電壓時(shí)，基區(qū)中少數(shù)載流子電子和集電區(qū)中少數(shù)載流子空穴在結(jié)電場(chǎng)作用下形成反向漂移電流，這部分電流決定于少數(shù)載流子濃度，稱為反向飽和電流ICBO，它的數(shù)值是很小的，這個(gè)電流不僅對(duì)放大沒有貢獻(xiàn)，而且受溫度影響很大，容易使管子工作不穩(wěn)定，所以在制造過程中要盡量設(shè)法減小ICBO。
由上分析可知，BJT內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電，所以稱為雙極型晶體管。
三、BJT放大狀態(tài)下的電流分配
1)根據(jù)BJT內(nèi)部載流子傳輸分析，則有：
IE = IEN + IEP = ICN + IBN + ICBO???? （1）
IC = ICN + ICBO?????????????????????（2）
????????
從外部看?????????????????? IE= IC + IB??????????????????????? (3)
? 
式中：IEN——發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散所形成的電子電流；
???????????? IEP——基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散所形成的空穴流；
???????????? IBN——基區(qū)內(nèi)復(fù)合運(yùn)動(dòng)所形成的電流；
??????????? ICN——基區(qū)少子漂移至集電區(qū)所形成的電流；
??????????? ICBO——少子在集電區(qū)與基區(qū)之間的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流；
IE——發(fā)射極電流，IB——基極電流，IC——集電極電流；
2)共基交流電流放大系數(shù):
?共基交流電流放大系數(shù)? 
????????
? ,一般有 
?????? IC= 
IE + ICBO?
當(dāng) 
有 
????????
3)共射放大系數(shù)??
共射直流電流放大系數(shù)???????????? 
?；
則可得?????????????????????????? 
其中 
共射交流電流放大系數(shù)????????????? 
一般有 
當(dāng)時(shí)有
????????????????????????????? 
?????? （4）?????????????????????? ??????????????????????
將式（4）代入式（3）有 
???????????????????????
總之，各極電流之間的關(guān)系為(忽略ICEO)
IC≈ 
??
四、BJT的放大原理
放大電路如圖1所示。電路中，輸入信號(hào)DvI通過改變vBE而改變iE，其變化量?? DiE將引起iC的變化，即產(chǎn)生DiC。DiC再通過集電極負(fù)載電阻Rc，把電流轉(zhuǎn)化為放大后的電壓，產(chǎn)生Dvo=DiCRc。由于Dvo? 大于DvI ，所以，該電路具有放大作用。
共基放大電路：?
?
|
?? |
|
圖1 |
????????????????????????????????
同理，根據(jù)bIB≈ IC電流分配關(guān)系可組成共射電如圖2所示。
放電路中，輸入信號(hào)DvI通過改變vBE而改變iB，其變化量?? DiB將引起iC的變化，即產(chǎn)生DiC。DiC再通過集電極負(fù)載電阻Rc，把電流轉(zhuǎn)化為放大后的電壓Dvo，Dvo=DiCRc。Dvo 大于Dv，電路具有放大作用。
圖2
根據(jù)BJT放大工作狀態(tài)下電流分配關(guān)系aIE≈ IC可組成一簡單放大電路如圖1發(fā)射結(jié)的外加電壓 vEB=VEE+DvI，由于外加電壓的變化，將使發(fā)射極電變化DiE（如DiE=1mA），由于IC=aIE，所以IC也產(chǎn)生相應(yīng)的變化DiC（當(dāng)a=0.98時(shí)，DiC=0.98mA），DiC通過接在集電極上的負(fù)載電阻RL（1kW）上產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓Dvo（Dvo=DiC′RL=0.98mA′1kW=0.98V），則從RL得到的變化電壓Dvo隨時(shí)間的變化規(guī)律和DvI相同，但幅度卻大了許多倍。所增大的倍數(shù)稱為電壓增益，即
? 該電路的發(fā)射極作為信號(hào)輸入端，以集電極作輸出端，基極作為輸入、輸出回路的共同端，稱為共基電路。
根據(jù)bIB≈ IC電流分配關(guān)系可組成共射電如圖2所示。
如在基極輸入端加入一個(gè)待放大的信號(hào)DvI，這樣，發(fā)射結(jié)電壓vBE就在原來VBB的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)DvI后，使DiB按DvI的規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的變化，DiC也將隨之而變。DiC在RL=1kW上得到電壓變化Dvo=–DiCRL。Dvo比DvI增大了許多倍。
該電路以基極為輸入端，集電極為輸出端，發(fā)射極作為輸入、輸出回路的共同端，稱為共發(fā)射極電路。
讀者可根據(jù)（1+b）IB=IC電流分配關(guān)系可畫出共集極電路。
3.1.3 BJT的共射極輸入特性
BJT的特性曲線是指各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是BJT內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中，了解BJT外部特性十分更為重要。
一、輸入特性曲線
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輸入特性是在vCE一定時(shí),vBE? 與iB之間的關(guān)系曲線，用函數(shù)關(guān)系表示為
用圖示儀對(duì)輸入特性進(jìn)行測(cè)量、顯示，或通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量可得輸入特性曲線。
比較vCE31V和vCE=0V的兩條輸入特性曲線可見，vCE=1V的一條特性向右移動(dòng)了一段距離，這是由于當(dāng)vCE=1V時(shí)，集電結(jié)加反向電壓后，集電結(jié)吸引電子的能力加強(qiáng)，使得從發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的電子更多地流向集電區(qū)，因此對(duì)應(yīng)相同的vBE，流向基極的電流iB比原來vCE=0時(shí)減小了，特性曲線也就相應(yīng)地向右移動(dòng)了。
嚴(yán)格地說，vCE不同，所得的輸入特性應(yīng)有所不同，但實(shí)際上vCE>1V以后的輸入特性與vCE31V的特性曲線非常接近。這是因?yàn)楫?dāng)vCE>1V以后，只要vBE保持不變，則從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子一定，而集電結(jié)所加的反向電壓大到1V以后已能把這些電子中的絕大部分拉到集電結(jié)了，以至vCE再增加，iB也不再明顯減小，故vCE>1V后的輸入特性基本重合。通常只要畫出vCE31V以后的任何一條輸入特性就可代表vCE>1V以后的各種情況了。
二、輸出特性曲線
輸出特性曲線是在基極電流iB一定的情況下，BJT的輸出回路中，集電極與發(fā)射極之間的電壓vCE與集電極電流iC之間的關(guān)系曲線。其函數(shù)式為
NPN型硅BJT的輸出特性如圖所示。由圖可見，在輸出特性的起始部分曲線很陡,當(dāng)vCE超過某一數(shù)值（約1V）后，特性曲線變得比較平坦，且間隔基本均勻。輸出特性是形狀基本相同的曲線族。
在輸出特性的起始部分曲線很陡，vCE略有增加時(shí)，iC增加很快，這是由于在vCE很小時(shí)（約1V以下），集電結(jié)的反向電壓很小，對(duì)到達(dá)基區(qū)的電子吸引力不夠，這時(shí)iC受vCE的影響很大。vCE稍有增加，iC隨vCE的增加而增加。
當(dāng)vCE超過某一數(shù)值（約1V）后，特性曲線變得比較平坦。這是由于vCE大于1V以后，集電結(jié)的電場(chǎng)已足夠強(qiáng)，它能將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子幾乎都收集到集電區(qū)，故vCE再增加，iC就增加不多了,曲線變的平坦。
改變iB的值，即可得到一組輸出特性曲線。由式iC=biB可知，在vCE大于零點(diǎn)幾伏以后，輸出特性是一組間隔基本均勻，比較平坦的平行直線。
三、BJT的三個(gè)工作區(qū)
根據(jù)工作條件的不同，BJT在輸出特性曲線上可劃分三個(gè)主要的工作區(qū)域，其的特點(diǎn)及條件如下：
1、截止區(qū)：
工作條件：發(fā)射極電壓小于導(dǎo)通電壓Vth，?對(duì)于共射電路有：vBE< Vth，vCE> vBE。
特點(diǎn)：IB=0，iC?0。
2、放大區(qū)
工作條件：發(fā)射結(jié)正向偏置且大于導(dǎo)通電壓、集電結(jié)反向偏置。對(duì)共射電路而言，vBE>Vth，vCE>vBE。于是導(dǎo)，
。iC的值與vCE無關(guān)，僅受IB控制。
特點(diǎn)：DiC=bDIB。????????????
3、飽和區(qū)：
工作條件： 
。（ICS是集電極最大電流，對(duì)于共射電路有
）
特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處與正向偏置，即vBE?>Vth，vCE>vBE?此時(shí)iC不僅與IB有關(guān)且與vCE有關(guān)，iC隨vCE的增加而增加。DiC≠bDIB，
。
3.1.4 BJT的主要參數(shù)
BJT的參數(shù)是用來表明其性能的優(yōu)劣和電流、電壓工作范圍的。它可作為我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)選用BJT的依據(jù)。
一、直流參數(shù)
1．共射直流電流放大系數(shù) （
）?????? 
，?
2．共基直流電流放大系數(shù)（ 
）????? 
3．極間反向電流ICBO和ICEO
ICBO是發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流，ICEO是基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極間的穿透電流， 
。
選用BJT時(shí)要選擇ICBO、ICEO盡可能小，
、
不要過大的管子。硅管的ICBO和ICEO比鍺管小，所以硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好。
二、交流參數(shù)
1．共射交流電流放大系數(shù)（b ）??????????? 
。
2．共基交流電流放大系數(shù)（a ）??????????? 
。
在近似分析時(shí)，可認(rèn)為
，
。
3．特征頻率fT：當(dāng)考慮BJT的結(jié)電容影響時(shí)，BJT的電流放大系數(shù)b 隨工作頻率f 的升高而下降。當(dāng)b下降為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率為特征頻率fT。
三、極限參數(shù)
1．集電極最大允許電流ICM
??????????? ICM是指BJT的參數(shù)變化不超過允許值時(shí)集電極允許的最大電流。
2．集電極最大允許功率損耗PCM
??????????? PCM表示集電結(jié)上允許損耗功率的最大值。超過此值就會(huì)使管子性能變壞或燒毀。
PCM= iCvCE ?
3．反向擊穿電壓
? ① V（BR）EBO
????????? V（BR）EBO是指集電極開路時(shí)發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓。
? ② V（BR）CBO
????????? V（BR）CBO是指發(fā)射極開路時(shí)集電極-基極間的反向擊穿電壓。
? ③ V（BR）CEO
????????? V（BR）CEO是指基極開路時(shí)集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。V（BR）CEO<< V（BR）CBO。
各擊穿電壓大小之間有如下的關(guān)系：
V（BR）CBO> V（BR）CES> V（BR）CER> V（BR）CEO
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