模拟电路网络课件 第八节:半导体BJT

模拟电路网络课件 第八节:半导体BJT

3.1  半导体BJT

3.1.1 BJT的结构

BJT是双极结型晶体管Bipolar Junction Transistor的简写，又称为半导体三极管。它有三个电极，常见的BJT外形如图1所示，图2是一种BJT的实物图片。

  

图1	图2

    

根据结构不同，BJT一般可分成两种类型：NPN型和PNP型。NPN型BJT结构示意图、管芯剖面图及表示符号如图3所示。半导体的三个区域分别称为发射区、基区和集电区；三个区域引出的三个电极分别叫做发射极e、基极b和集电极c；发射区与基区间的PN结称为发射结，基区与集电区间的PN结称为集电极。

图4

图3

BJT的结构特点 发射区：杂质浓度很高；基区：很薄且杂质浓度很低；集电区：面积很大。     图4是PNP型BJT结构示意图和符号

3.1.2 BJT的电流分配与放大作用

一、BJT的放大条件

BJT工作于放大状态的条件：

1．器件内部条件：在制造工艺上要求发射区掺杂浓度高，基区很薄且杂质浓度低；集电区面积大，且掺杂浓度低于发射区。

2．外部电路条件：要使发射结正向偏置，集电结反向偏置。以共基电路为例，外加电压如下图所示。图中VBB使发射结正偏，VCC使集电极反偏。 

　

二、BJT内部载流子的传输过程

（1）发射区向基区注入电子

发射结外加正向电压，使发射结势垒减小,对多子的扩散有利，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IE，其方向与电子流动方向相反。与此同时，基区的多子空穴也要扩散到发射区，但由于发射区掺杂浓度比基区高得多，与电子流相比，这部分空穴流可以忽略。

（2）电子在基区中的扩散与复合

由发射区扩散来的电子注入基区后，在基区靠近发射结的边界积累起来，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，接在基区的电源正端则不断从基区拉走电子，好像不断补充基区空穴，使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。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，形成集电极电流。

（3）集电区收集扩散过来的电子

集电极所加反向电压，使集电结势垒很高，集电区的多子电子和基区的多子空穴很难通过集电结，但这个势垒对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，可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IC。

另一方面，根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流，这部分电流决定于少数载流子浓度，称为反向饱和电流ICBO，它的数值是很小的，这个电流不仅对放大没有贡献，而且受温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要尽量设法减小ICBO。

由上分析可知，BJT内有两种载流子参与导电，所以称为双极型晶体管。

三、BJT放大状态下的电流分配

1)根据BJT内部载流子传输分析，则有：

IE = IEN + IEP = ICN + IBN + ICBO     （1）

IC = ICN + ICBO                     （2）

        

从外部看                   IE= IC + IB                        (3)

 

式中：IEN——发射区向基区扩散所形成的电子电流；

             IEP——基区向发射区扩散所形成的空穴流；

             IBN——基区内复合运动所形成的电流；

            ICN——基区少子漂移至集电区所形成的电流；

            ICBO——少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流；

IE——发射极电流，IB——基极电流，IC——集电极电流；

2)共基交流电流放大系数:

 共基交流电流放大系数          

    共基直流电流放大系数为      ,一般有

       IC= IE + ICBO 

当 有         

3)共射放大系数  

共射直流电流放大系数              ；

则可得                          

其中

共射交流电流放大系数             

一般有

当时有

                                     （4）                                             

将式（4）代入式（3）有                        

总之，各极电流之间的关系为(忽略ICEO)

IC≈

  

　

四、BJT的放大原理

放大电路如图1所示。电路中，输入信号DvI通过改变vBE而改变iE，其变化量   DiE将引起iC的变化，即产生DiC。DiC再通过集电极负载电阻Rc，把电流转化为放大后的电压，产生Dvo=DiCRc。由于Dvo  大于DvI ，所以，该电路具有放大作用。

共基放大电路： 

 

　

图1

                                

　

同理，根据bIB≈ IC电流分配关系可组成共射电如图2所示。

放电路中，输入信号DvI通过改变vBE而改变iB，其变化量   DiB将引起iC的变化，即产生DiC。DiC再通过集电极负载电阻Rc，把电流转化为放大后的电压Dvo，Dvo=DiCRc。Dvo 大于Dv，电路具有放大作用。

　

　

图2

根据BJT放大工作状态下电流分配关系aIE≈ IC可组成一简单放大电路如图1发射结的外加电压 vEB=VEE+DvI，由于外加电压的变化，将使发射极电变化DiE（如DiE=1mA），由于IC=aIE，所以IC也产生相应的变化DiC（当a=0.98时，DiC=0.98mA），DiC通过接在集电极上的负载电阻RL（1kW）上产生一个变化的电压Dvo（Dvo=DiC´RL=0.98mA´1kW=0.98V），则从RL得到的变化电压Dvo随时间的变化规律和DvI相同，但幅度却大了许多倍。所增大的倍数称为电压增益，即

  该电路的发射极作为信号输入端，以集电极作输出端，基极作为输入、输出回路的共同端，称为共基电路。

根据bIB≈ IC电流分配关系可组成共射电如图2所示。

如在基极输入端加入一个待放大的信号DvI，这样，发射结电压vBE就在原来VBB的基础上叠加了一个DvI后，使DiB按DvI的规律产生相应的变化，DiC也将随之而变。DiC在RL=1kW上得到电压变化Dvo=–DiCRL。Dvo比DvI增大了许多倍。

该电路以基极为输入端，集电极为输出端，发射极作为输入、输出回路的共同端，称为共发射极电路。

读者可根据（1+b）IB=IC电流分配关系可画出共集极电路。

3.1.3 BJT的共射极输入特性

BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。实际应用中，了解BJT外部特性十分更为重要。

一、输入特性曲线

                

输入特性是在vCE一定时,vBE  与iB之间的关系曲线，用函数关系表示为

用图示仪对输入特性进行测量、显示，或通过实验进行逐点测量可得输入特性曲线。

比较vCE³1V和vCE=0V的两条输入特性曲线可见，vCE=1V的一条特性向右移动了一段距离，这是由于当vCE=1V时，集电结加反向电压后，集电结吸引电子的能力加强，使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区，因此对应相同的vBE，流向基极的电流iB比原来vCE=0时减小了，特性曲线也就相应地向右移动了。

严格地说，vCE不同，所得的输入特性应有所不同，但实际上vCE>1V以后的输入特性与vCE³1V的特性曲线非常接近。这是因为当vCE>1V以后，只要vBE保持不变，则从发射区发射到基区的电子一定，而集电结所加的反向电压大到1V以后已能把这些电子中的绝大部分拉到集电结了，以至vCE再增加，iB也不再明显减小，故vCE>1V后的输入特性基本重合。通常只要画出vCE³1V以后的任何一条输入特性就可代表vCE>1V以后的各种情况了。

二、输出特性曲线

输出特性曲线是在基极电流iB一定的情况下，BJT的输出回路中，集电极与发射极之间的电压vCE与集电极电流iC之间的关系曲线。其函数式为

NPN型硅BJT的输出特性如图所示。由图可见，在输出特性的起始部分曲线很陡,当vCE超过某一数值（约1V）后，特性曲线变得比较平坦，且间隔基本均匀。输出特性是形状基本相同的曲线族。

在输出特性的起始部分曲线很陡，vCE略有增加时，iC增加很快，这是由于在vCE很小时（约1V以下），集电结的反向电压很小，对到达基区的电子吸引力不够，这时iC受vCE的影响很大。vCE稍有增加，iC随vCE的增加而增加。

当vCE超过某一数值（约1V）后，特性曲线变得比较平坦。这是由于vCE大于1V以后，集电结的电场已足够强，它能将发射区扩散到基区的电子几乎都收集到集电区，故vCE再增加，iC就增加不多了,曲线变的平坦。

改变iB的值，即可得到一组输出特性曲线。由式iC=biB可知，在vCE大于零点几伏以后，输出特性是一组间隔基本均匀，比较平坦的平行直线。

三、BJT的三个工作区

根据工作条件的不同，BJT在输出特性曲线上可划分三个主要的工作区域，其的特点及条件如下：

1、截止区：

工作条件：发射极电压小于导通电压Vth， 对于共射电路有：vBE< Vth，vCE> vBE。

特点：IB=0，iC»0。

2、放大区

工作条件：发射结正向偏置且大于导通电压、集电结反向偏置。对共射电路而言，vBE>Vth，vCE>vBE。于是导， 。iC的值与vCE无关，仅受IB控制。

特点：DiC=bDIB。            

3、饱和区：

工作条件： 。（ICS是集电极最大电流，对于共射电路有 ）

特点：发射结与集电结均处与正向偏置，即vBE >Vth，vCE>vBE 此时iC不仅与IB有关且与vCE有关，iC随vCE的增加而增加。DiC≠bDIB， 。

3.1.4 BJT的主要参数

BJT的参数是用来表明其性能的优劣和电流、电压工作范围的。它可作为我们在设计电路时选用BJT的依据。

一、直流参数

1．共射直流电流放大系数 （）       ， 

2．共基直流电流放大系数（ ）     

3．极间反向电流ICBO和ICEO

ICBO是发射极开路时，集电结的反向饱和电流，ICEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流， 。

选用BJT时要选择ICBO、ICEO尽可能小，、不要过大的管子。硅管的ICBO和ICEO比锗管小，所以硅管的温度稳定性比锗管好。

二、交流参数

1．共射交流电流放大系数（b ）            。

2．共基交流电流放大系数（a ）            。

在近似分析时，可认为 ， 。

3．特征频率fT：当考虑BJT的结电容影响时，BJT的电流放大系数b 随工作频率f 的升高而下降。当b下降为1时所对应的信号频率为特征频率fT。

三、极限参数

1．集电极最大允许电流ICM

            ICM是指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。

2．集电极最大允许功率损耗PCM

            PCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。

PCM= iCvCE  

3．反向击穿电压

  ① V（BR）EBO

          V（BR）EBO是指集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压。

  ② V（BR）CBO

          V（BR）CBO是指发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压。

  ③ V（BR）CEO

          V（BR）CEO是指基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压。V（BR）CEO<< V（BR）CBO。

各击穿电压大小之间有如下的关系：

V（BR）CBO> V（BR）CES> V（BR）CER> V（BR）CEO