模擬電路網絡課件 第八節:半導體BJT

3.1? 半導體BJT

3.1.1 BJT的結構

BJT是雙極結型晶體管Bipolar Junction Transistor的簡寫，又稱為半導體三極管。它有三個電極，常見的BJT外形如圖1所示，圖2是一種BJT的實物圖片。

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根據結構不同，BJT一般可分成兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型BJT結構示意圖、管芯剖面圖及表示符號如圖3所示。半導體的三個區域分別稱為發射區、基區和集電區；三個區域引出的三個電極分別叫做發射極e、基極b和集電極c；發射區與基區間的PN結稱為發射結，基區與集電區間的PN結稱為集電極。

3.1.2 BJT的電流分配與放大作用

一、BJT的放大條件

BJT工作于放大狀態的條件：

1．器件內部條件：在制造工藝上要求發射區摻雜濃度高，基區很薄且雜質濃度低；集電區面積大，且摻雜濃度低于發射區。

2．外部電路條件：要使發射結正向偏置，集電結反向偏置。以共基電路為例，外加電壓如下圖所示。圖中VBB使發射結正偏，VCC使集電極反偏。?

二、BJT內部載流子的傳輸過程

（1）發射區向基區注入電子

發射結外加正向電壓，使發射結勢壘減小,對多子的擴散有利，這時發射區的多數載流子電子不斷通過發射結擴散到基區，形成發射極電流IE，其方向與電子流動方向相反。與此同時，基區的多子空穴也要擴散到發射區，但由于發射區摻雜濃度比基區高得多，與電子流相比，這部分空穴流可以忽略。

（2）電子在基區中的擴散與復合

由發射區擴散來的電子注入基區后，在基區靠近發射結的邊界積累起來，形成了一定的濃度梯度，靠近發射結附近濃度最高，離發射結越遠濃度越小。因此，電子就要向集電結的方向擴散，在擴散過程中又會與基區中的空穴復合，接在基區的電源正端則不斷從基區拉走電子，好像不斷補充基區空穴，使基區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與空穴復合的電流。如復合越多，則到達集電結的電子越少，對放大是不利的。所以為了減小復合，常把基區做得很薄（幾微米），并使基區摻入雜質的濃度很低，因而，電子在擴散過程中實際上與空穴復合的數量很少，大部分都能到達集電結，形成集電極電流。

（3）集電區收集擴散過來的電子

集電極所加反向電壓，使集電結勢壘很高，集電區的多子電子和基區的多子空穴很難通過集電結，但這個勢壘對基區擴散到集電結邊緣的電子卻有很強的吸引力，可使電子很快地漂移過集電結為集電區所收集，形成集電極電流IC。

另一方面，根據反向PN結的特性，當集電結加反向電壓時，基區中少數載流子電子和集電區中少數載流子空穴在結電場作用下形成反向漂移電流，這部分電流決定于少數載流子濃度，稱為反向飽和電流ICBO，它的數值是很小的，這個電流不僅對放大沒有貢獻，而且受溫度影響很大，容易使管子工作不穩定，所以在制造過程中要盡量設法減小ICBO。

由上分析可知，BJT內有兩種載流子參與導電，所以稱為雙極型晶體管。

三、BJT放大狀態下的電流分配

1)根據BJT內部載流子傳輸分析，則有：

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

IC = ICN + ICBO?????????????????????（2）

????????

從外部看?????????????????? IE= IC + IB??????????????????????? (3)

?

式中：IEN——發射區向基區擴散所形成的電子電流；

???????????? IEP——基區向發射區擴散所形成的空穴流；

???????????? IBN——基區內復合運動所形成的電流；

??????????? ICN——基區少子漂移至集電區所形成的電流；

??????????? ICBO——少子在集電區與基區之間的漂移運動所形成的電流；

IE——發射極電流，IB——基極電流，IC——集電極電流；

2)共基交流電流放大系數:

?共基交流電流放大系數? ????????

??? 共基直流電流放大系數為 ?? ? ,一般有

?????? IC= IE + ICBO?

當 有 ????????

3)共射放大系數??

共射直流電流放大系數???????????? ?；

則可得??????????????????????????

其中

共射交流電流放大系數?????????????

一般有

當時有

????????????????????????????? ?????? （4）?????????????????????? ??????????????????????

將式（4）代入式（3）有 ???????????????????????

總之，各極電流之間的關系為(忽略ICEO)

IC≈

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四、BJT的放大原理

放大電路如圖1所示。電路中，輸入信號DvI通過改變vBE而改變iE，其變化量?? DiE將引起iC的變化，即產生DiC。DiC再通過集電極負載電阻Rc，把電流轉化為放大后的電壓，產生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：?

?

????????????????????????????????

同理，根據bIB≈ IC電流分配關系可組成共射電如圖2所示。

放電路中，輸入信號DvI通過改變vBE而改變iB，其變化量?? DiB將引起iC的變化，即產生DiC。DiC再通過集電極負載電阻Rc，把電流轉化為放大后的電壓Dvo，Dvo=DiCRc。Dvo 大于Dv，電路具有放大作用。

圖2

根據BJT放大工作狀態下電流分配關系aIE≈ IC可組成一簡單放大電路如圖1發射結的外加電壓 vEB=VEE+DvI，由于外加電壓的變化，將使發射極電變化DiE（如DiE=1mA），由于IC=aIE，所以IC也產生相應的變化DiC（當a=0.98時，DiC=0.98mA），DiC通過接在集電極上的負載電阻RL（1kW）上產生一個變化的電壓Dvo（Dvo=DiC′RL=0.98mA′1kW=0.98V），則從RL得到的變化電壓Dvo隨時間的變化規律和DvI相同，但幅度卻大了許多倍。所增大的倍數稱為電壓增益，即

? 該電路的發射極作為信號輸入端，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bIB≈ IC電流分配關系可組成共射電如圖2所示。

如在基極輸入端加入一個待放大的信號DvI，這樣，發射結電壓vBE就在原來VBB的基礎上疊加了一個DvI后，使DiB按DvI的規律產生相應的變化，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，發射極作為輸入、輸出回路的共同端，稱為共發射極電路。

讀者可根據（1+b）IB=IC電流分配關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系曲線，它是BJT內部載流子運動的外部表現。實際應用中，了解BJT外部特性十分更為重要。

一、輸入特性曲線

????????????????

輸入特性是在vCE一定時,vBE? 與iB之間的關系曲線，用函數關系表示為

用圖示儀對輸入特性進行測量、顯示，或通過實驗進行逐點測量可得輸入特性曲線。