三极管谁懂？

1．半导体三极管的结构
（1）半导体三极管从结构上可分为NPN型和PNP型两大类，它们均由三个掺杂区和两个背靠背的PN结构成，但两类三极管的电压极性和电流方向相反。
（2）三个电极：基极 b、集电极 c、和发射极 e。从后面工作原理的介绍中可以看到，发射极和集电极的命名是因为它们要分别发射与接收载流子。
（3）内部结构特点：发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；基区很薄，且掺杂浓度最低。
（4）三个区作用：发射区发射载流子、基区传输和控制载流子、集电区收集载流子。2．电流的分配和控制作用（1）条件
内部条件：三极管的结构。外部条件：发射结正偏、集电结反偏。
对NPN型：Vc> VB> VE Si管：VBE=0.7V Ge管：VBE=0.2V
对PNP型：Vc< VB< VE Si管：VBE=-0.7V Ge管：VBE=-0.2V
（2）内部载流子的传输过程（参阅难点重点）
（3）电流分配关系
在众多的载流子流中间，仅有发射区的多子通过发射结注入、基区扩散和复合以及集电区收集三个环节，转化为正向受控作用的载流子流Ic，其它载流子流只能分别产生两个结的电流，属于寄生电流。
为了表示发射极电流转化为受控集电极电流Ic的能力，引入参数α，称为共基极电流传输系数。其定义为α=Ic／IE令β＝α／（1－α），称为共射极电流传输系数。3．各极电流之间的关系 IE＝Ic＋IB （1）共基接法 (IE对Ic 的 控制作用)
Ic＝αIE +ICBO
IB＝（1-α）IE -ICBO （2）共射接法 (IB对Ic 的 控制作用)
Ic＝βIB +ICEO
IE＝（1+α）IB +ICEO
ICEO＝（1+β）ICBO 4．共射极电路的特性曲线(以NPN型管为例)
（1）输入特性曲线 IB=f(VBE，VCE )
输入特性曲线是指当VCE为某一常数时，IB和BE之间的关系。
特点：VCE=0的输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线类似；随着VCE增大，输入特性曲线右移；继续增大VCE，输入特性曲线右移很少。
在工程上，常用VCE=1时的输入特性曲线近似代替VCE>1V时的输入特性曲线簇。
（2）输出特性曲线
输出特性曲线是指当IB为某一常数时，IC和VCE之间的关系，可分为三个区： 截止区：发射结反偏，集电结反偏，发射区不能发射载流子，IB≈0，IC≈0。
放大区：发射结正偏，集电结反偏。其特点是：VBE≈0.7V(或0.2V)，IB>0，IC与IB成线性关系,几乎与
VCE无关。
饱和区：发射结正偏，集电结正偏，随着集电结反偏电压的逐渐减小（并转化为正向偏压），集电结的空间电荷
区变窄，内电场减弱，集电结收集载流子的能量降低，IC不再随着IB作线性变化，出现发射极发射有
余，而集电极收集不足现象。其特点是：VCE很小，在估算小功率管时，对硅管可取0.3V（锗0.1V）。
对PNP型管，由于电压和电流极性相反，所以特性在第三象限。4．主要参数
　电流放大倍数，集电极最大允许电流ICM，集电极耗散功率PCM，反向击穿电压V（BR）CEO等3.2共射极放电电路1．放大的原理和本质（以共发射极放大电路为例）
交流电压vi通过电容C1加到三极管的基极，从而使基极和发射极两端的电压发生了变化：由VBE→VBE ＋vi，由于PN结的正向特性很陡，因此vBE的微小变化就能引起iE发生很大的变化：由IE→IE+ △IE，由于三级管内电流分配是一定的，因此iB和iC作相同的变化，其中IC→IC +△IC。
iC流过电阻Rc，则Rc上的电压也就发生变化：由VRc→VRc +△VRc。由于vCE=VCC-vRc，因此当电阻Rc上的电压随输入信号变化时，vCE也就随之变化，由VCE→VCE+△VCE，vCE中的变化部分经电容C2传送到输出端成为输出电压vo。如果电路参数选择合适，我们就能得到比△vi大得多的△vo。
所以，放大作用实质上是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。2．放大电路的特点
　交直流共存和非线性失真3．放大电路的组成原则
正确的外加电压极性、合适的直流基础、通畅的交流信号传输路径4．放大电路的两种工作状态 （1）静态：输入为0，IB、IC、VCE都是直流量。 （2）动态：输入不为0，电路中电流和电压都是直流分量和交流分量的叠加。保证在直流基础上实现不失真放
大。5．放大电路的分析步骤 （1）先进行静态分析：用放大电路的直流通路。 直流通路：直流信号的通路。放大电路中各电容开路即可得到。 （2）在静态分析的基础上进行动态分析：用放大电路的交流通路。 交流通路：交流信号的通路。放大电路中各电容短接，直流电源交流短接即可得到 3.3图解分析法1．静态分析
（1）先分析输入回路
首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。在线性部分，其端特性方程为VBE＝VCC－IB*RB将相应的负载线画在三极管的输入特性曲线上，其交点便是所求的（IBQ，VBQ）。
（2）再分析输出回路
用同样的方法，可得到输出回路的负载线方程（直流负载方程）为VCE＝VCC－IC*RC将相应的负载线（直流负载线，斜率为1/Rc）画在三极管的输出特性曲线上，找到与IB=IBQ相对应的输出特性曲线，其交点便是所求的（ICQ，VCEQ）。2．动态分析（参阅难点重点）交流负载线：是放大电路有信号时工作点的轨迹，反映交、直共存情况。其特点为过静态工作点Q、斜率为
1/（Rc//RL）。3．放大电路的非线性失真及最大不失真输出电压
（1）饱和失真：静态工作点偏高，管子工作进入饱和区（NPN管，输出波形削底；PNP管，输出波形削顶）
（2）截止失真：静态工作点偏低，管子工作进入截止区（NPN管，输出波形削顶；PNP管，输出波形削底）
观看动画 （3）最大不失真输出电压Vom如图 Vom1=VCE-VCES 且因为ICEO趋于0 ， Vom2=ICQ*（RC//RL）
所以Vom为Vom1及Vom2中较小者，以保证输出波形不失真。 4．图解分析法的特点
图解分析法的最大特点是可以直观、全面地了解放大电路的工作情况，并能帮助我们理解电路参数对工作点的影响，并能大致估算动态工作范围，另外还可帮助我们建立一些基本概念，如交直流共存、非线性失真等。图解分析法实例（工作点移动对输出波形的影响） 3.4小信号模型分析法指导思想：在一定条件下，把半导体三极管所构成的非线性电路转化为线性电路。1．半导体三极管的小信号模型
（1）三极管小信号模型的引出，是把三级管作为一个线性有源双口网络，列出输入和输出回路电压和电流的关系，然后利用取全微分或泰勒展开的方法得到H参数小信号模型。
（2）关于小信号模型的讨论：
　①小信号模型中的各参数，如rbe、β均为微变量，其值与静态工作点的位置有关，并非常数。
　②受控电流源的大中、流向取决于ib
　③小信号模型适用的对象是变化量，因此电路符号不允许出现反映直流量或瞬时总量的大下标符号。2．用H参数小信号模型分析共射基本放大电路（1）画出小信号等效电路 方法：先画出放大电路的交流通路（电容及电源交流短接），然后将三极管用小信号模型代替。
（2）求电压放大倍数
（3）求输入电阻
（4）求输出电阻以下给出了一共射基本放大电路的分析过程，观看动画。3.5放大电路的工作点稳定问题偏置电路：一是提供放大电路所需的合适的静态工作点；二是在环境温度、电源电压等外界因素变化时，保持静态工作点的稳定。1．温度对放大电路静态工作点的影响T↑→VBE↓、β↑、ICBO↑→IC↑静态工作点变化，可能导致放大电路输出波形失真。2．稳定静态工作点方法：在放大电路中引电流负反馈（常用射极偏置电路）、采用补偿法。3．射极偏置电路
稳定静态工作点的过程：（1）利用Rb1和Rb2组成的分压器以固定基极电位；（2）利用Re产生的压降反馈到输入回路，改变VBE，从而改变IC。 3.6共射极电路、共集电极电路和共基极电路特点1．共射极电路
共射极电路又称反相放大电路，其特点为电压增益大，输出电压与输入电压反相，低频性能差，适用于低频、和多级放大电路的中间级。2．共集电极电路
共集电极电路又称射极输出器、电压跟随器，其特点是：电压增益小于1而又近似等于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低，常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。3．共基极电路
电路特点：输出电压与输入电压同相，输入电阻底，输出电阻高，常用于高频或宽频带电路。3.7放大电路的频率响应
1．频率响应的基本概念
（1）频率响应：放大电路对不同频率的稳态响应。
（2）频率失真：包括幅度失真和相位失真，均属于线性失真。2．RC低通电路的频率响应
（1）幅频响应：
（2）相频响应：
ψ=-argtg(f／fH) 3．RC高通电路的频率响应
RC高通电路与RC低通电路成对偶关系。4．波特图
为了能同时观察到低频和高频段幅频变化特性，在绘制幅频特性曲线时，通常横坐标和纵坐标均采用对数坐标形式，称之为波特图。5．放大电路存在频率响应的原因
放大电路存在容抗元件（例如外接的耦合电容、旁路电容和三极管的极间电容），使的放大电路对不同频率的输出不同。通常外接电容可以等效为RC高通电路，因而影响下限频率，而三极管的极间电容可以等效为RC低通电路，因而影响上限频率。 例1．半导体三极管为什么可以作为放大器件来使用，放大的原理是什么？试画出固定偏流式共发射极放大电路的电路图，并分析放大过程。答：放大的原理是利用小信号对大信号的控制作用，利用vBE的微小变化可以导致iC的大变化。固定偏流式共发射极放大电路的放大过程，参阅“内容提要——第2页”。例2．电路如图所示，设半导体三极管的β=80，试分析当开关K分别接通A、B、C三位置时，三级管各工作在输出特性曲线的哪个区域，并求出相应的集电极电流Ic。
解：（1）当开关K置A，在输入回路IB．Rb+VBE=Vcc，可得IB=Vcc/Rb=0.3mA假设工作在放大区，则IC=β．IB=24mA，VCE=Vcc-IC．Re< 0.7V，故假设不成立，三级管工作在放大区。此时，VCE=VCES=0.3V，IC=Vcc/Re=3mA
（2）当开关K置B，同样的方法可判断三级管工作在放大区，IC=β．IB=1.92mA
（3）当开关K置C，三级管工作在截止状态，IC=0例3.某固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线如图所示，试求：
（1）电源电压VCC、静态电流IB、IC和VCE。
（2）电阻Rb、Rc的值。
（3）输出电压的最大不失真幅度。
（4）要使该电路能不失真地放大，基极正弦电流的最大幅度是多少？
解： （1）直流负载线与横坐标的交点即VCC值,IB=20uA,Ic=1mA VCE=3V
（2）因为是固定偏听偏流放大电路,电路如图所示
Rb=VCC/IB=300KΩ Rc=(VCC-VCE)/IC=3KΩ
（3）由交流负载线和输出特性的交点可知,在输入信号的正半周,输出电压vCE从3V到0.8V,变化范围为2.2V，在输入信号的负半周,输出电压vCE从3V到4.6V,变化范围为1.6V。综合考虑，输出电压的最大不失真幅度为1.6V。
（4）同样的方法可判断输出基极电流的最大幅值是20μA. 例4.电路如图所示，已知三极管的β=100，VBE=-0.7V
（1）试计算该电路的Q点；
（2）画出简化的H参数小信号等效电路；
（3）求该电路的电压增益AV，输入电阻Ri,输出电阻Ro。
（4）若VO中的交流成分出现如图所示的失真现象，问是截止失真还是饱和失真？为消除此失真，应调节电路中的哪个元件，如何调整？
解：(1)IB=VCC/Rb=40μA
VCE=-(VCC-IC.RC)=-4V
(2)步骤：先分别从三极管的三个极（b、e、c）出发，根据电容和电源交流短接，画出放大电路的交流通路；再将三极管用小信号模型替代；并将电路中电量用瞬时值或相量符号表示，即得到放大电路的小信号等效电路。注意受控电流源的方向。（图略）
(3)rbe=200+(1+β)26mA/IEQ =857Ω
AV=-β(RC//RL)/rbe=-155.6
(4)因为vEB=-vi+VCb1=-vi+VEB
从输出波形可以看出，输出波形对应vs正半周出现失真，也即对应vEB减小部分出现失真，即为截止失真。减小Rb，提高静态工作点，可消除此失真。
说明：
分析这类问题时，要抓住两点：（1）发生饱和失真或截止失真与发射结的电压有关（对于NPN型管子，为vBE；对于PNP型管子为vEB），发射结电压过大（正半周），发生饱和失真；过小（负半周），发生截止失真。（2）利用放大电路交、直流共存的特点，找出发射结电压与输入信号之间的关系。这里，要利用耦合电容两端的电压不变（因为为大电容，在输入信号变化的范围内，其两端的电压认为近似不变），如上题式子中的VCb1=VEB。 例5.电路如图所示为一两级直接耦合放大电路，已知两三极管的电流放大倍数均为β，输入电阻为rbe，电路参数如图，计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。
解：本放大电路为一两级直接耦合放大电路，两极都是共集电极组态。计算其性能指标时，应注意级间的相互影响。（1）求电压放大倍数 AV=VO/Vi画出放大电路的小信号等效电路。AV1=VO1/Vi=（1+β）（Re1//RL1）/[rbe+（1+β）（Re1//RL1）]AV2=VO/VO1=（1+β）（Re2//RL）/[rbe+（1+β）（Re2//RL）]AV=VO/Vi=AV1*AV2其中：RL1为第一级放大电路的负载电阻，RL1=rbe+（1+β）（Re2//RL）（2）输入电阻RiRi=Vi/Ii=Rb1//[rbe+（1+β）（Re1//RL1）（3）输出电阻RoRo=Re2//[（rbe+Ro1）/（1+β）]其中：Ro1为第一级放大电路的输出电阻，Ro1=Re1//[（rbe+（Rb1//Rs））/（1+β）]难点重点1．半导体三极管内部载流子的传输过程
（1）发射区向基区注入电子由于发射结外加正向电压，发射结的内电场被削弱，有利于该结两边半导体中多子的扩散。流过发射极的电流由两部分组成：一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区，成为集区中的非平衡少子而形成的电子电流IEN，二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区，成为发射区的非平衡少子而形成的空穴电流IEP。由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度，因此，与电子电流相比，空穴的电流是很小的，即
IE=IEN+IEP（而IEN>>IEP）（2）非平衡载流子在基区内的扩散与复合由发射区注入基区的电子，使基区内少子的浓度发生了变化，即靠近发射结的区域内少子浓度最高，以后逐渐降低，因而形成了一定的浓度梯度。于是，由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。另一方面，由于基区很薄，且掺杂浓度很低，因而在扩散过程中，只有很少的一部分会与基区中的多子（空穴）相复合，大部分将到达集电结。（3）集电区收集载流子由于集电结外加反向电压，集电结的内电场被加强，有利于该结两边少子的漂移。流过集电极的电流IC，除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ICN2和集电区中的热平衡少子空穴通过集电结形成的空穴电流ICP所组成的反向饱和电流ICBO以外，还包括由发射区注入到基区的非平衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界，而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ICN1，因此IC=ICN1+ICN2+ICP=ICN1+ICBO
式中ICBO＝ICN2+ICP基极电流由以下几部分组成：通过发射结的空穴电流IEP，通过集电结的反向饱和电流ICBO以及IEN转化为ICN1过程中在基区的复合电流（IEN-ICN1），即IB=IEP+（IEN-ICN1）-ICBO