晶体管的输入输出特性曲线详解.docx

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晶体管的输入输出特性曲线详解

晶体管的输入

输出特性曲线详解

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二零一二年十月

晶体管的输入输出特性曲线详解

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指导老师：

摘要：

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。

根据晶体管的结构进行分类，晶体管可以分为：

NPN型晶体管和PNP型晶体管。

依据晶体管两个PN结的偏置情况，晶体管的工作状态有放大、饱和、截止和倒置四种。

晶体管的性能可以有三个电极之间的电压和电流关系来反映，通常称为伏安特性。

生产厂家还给出了各种管子型号的参数也能表示晶体管的性能。

利用晶体管制成的放大电路的可以是把微弱的信号放大到负载所需的数值

晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。

晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其他现代电子电路的基本构建块。

由于其响应速度快，准确性，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。

晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

关键字：

晶体管、输入输出曲线、放大电路的静态分析和动态分析。

【Keywords】Thetransistor,theinput/outputcurve,amplifyingcircuitstaticanalysisanddynamicanalysis.

　一、晶体管的基本结构

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图1-1（a）、（b）所示。

从三个区引出相应的电极，发射极，基极，集电极，各用“E”（或“e”）、“B”（或“b”）、“C”（或“c”）表示。

　　发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。

基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。

发射极箭头向外。

发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。

硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。

当前国内生产的锗管多为PNP型（3A系列），硅管多为NPN型（3D系列）。

图1-1晶体管的结构和图形符号

二、晶体管的工作原理

晶体管在电路中工作时，根据两个PN结的偏置情况不同，可以由四种工作状态：

放大状态、饱和状态、截止状态、倒置状态。

（1）发射结正向偏置、集电结反向偏置—放大状态

+

–

+

–

（a）原理图

（b）电路图

图1.2（a）,（b）分别是硅晶体管的发射结正向偏置、集电结反向偏置的原理图和电路图。

由于发射区和基区不是同类的参杂半导体，所以扩散到基区的多子在基区属于少子。

称为非平衡少数载流子。

集电结反向偏置有利于少子漂移，因此大部分非平衡少数载流子在经集电结漂移到集电区。

另外，集电结反向偏置也有利于基区和集电区中自身的少数载流子互相漂移，形成反向饱和电流ICBO,其值较小，而且与集电结反向偏置电压达大小无关。

通常令ICBO=0时的集电极电流IC与发射极电流IE之比为

即

α=IC/IE|ICBO=O

当考虑到ICBO后，各电极之间的关系如下：

IC=αIE+ICBO

IE=IC+IB

IB=（1-α）IE-ICBO

当考虑反向饱和电流时，各电流之间的关系如下

IE=IC+IB

集电极电流IC与基极电流IB之比为共射极直流电流放大系数，记作β，即：

β=IC/IB

α、β二者之间的关系为：

α=β/β+1

β=α/α-1

从以上分析可知，从发射区发射到基区的电子中，只有很小部分与基区的电子复合而形成基极电流IB，绝大部分能通过基区并被集电区收集而形成集电极电流IC.因此，集电极电流IC就会比基极电流IB大得多，这就是晶体管的电流放大作用。

如前所述，晶体管的基区之所以做得很薄，并且掺杂浓度远低于发射区，就是为了使集电极电流比基极电流大得多，从而实现晶体管的电流放大作用。

晶体管的电流放大作用实质上是电流控制作用，是用一个较小的基极电流去控制一个较大的集电极电流，这个较大的集电极电流是由直流电源EC提供的，并不是晶体管本身把一个小的电流放大成了一个大的电流，这一点须用能量守恒的观点去分析。

所以晶体管是一种电流控制元件。

（2）发射结正向偏置、集电结正向偏置—饱和状态

当VCC降低到使UCB等于零或小于零的时，集电结将处于零偏或正偏。

这时从发射区扩散到基区的多子，除了一部分能量大的非平衡少数载流子可以进入集电区外，有较多的非平衡少数载流子在基区复合。

集电极回路的最大电流还要受电阻RC的限制，其值为IS=Ｖｃｃ／Ｒｃ，称Ｉｓ为集电极短路电流。

在这种偏置状态下，Ｉｃ达到Ｉｃｓ后，即使增加ＩＢ，Ｉｃ不再随其的增大而增大，好像饱和了，故称这种偏置状态为饱和状态。

（3）发射结反向偏置、集电结反向偏置—截止状态

图1.3

图1.3是硅晶体管的发射结反向偏置、集电结反向偏置的电路图。

当UBE=0时，发射结已经没有多子扩散了，发射极电流几乎为零，集电结流过的反向饱和电流，IC=ICBO,IB=-ICBO,基极失去了对集电极电流的控制作用，管子进入截止状态，无放大作用。

（4）发射结反向偏置、集电结正向偏置—倒置状态

图1.4

图1.4是硅晶体管的发射结反向偏置、集电结正向偏置的电路图。

与放大状态相比，发射结与集电结的偏执状态被对换，这时管子的工作状态称为倒置状态。

由于集电区的掺杂浓度远低于发射区的掺杂浓度，集电结正向偏置后，由集电区扩散到基区的多子较少，另外，发射结的结面积小于集电结，其收集基区的非平衡少数载流子的能力较差，所以管子工作于倒置状态时，其电流放大系数比放大状态时的小得多。

二、晶体管共射极接法的伏安特性曲线

晶体管的性能可以有三个电极之间的电压和电流关系来反映，通常称为伏安特性。

晶体管虽然只有三个电极，但是在使用时总是有一个电极作为输入和输出回路的公共端，一个端口网络有四个变量，可有多种曲线表示他们之间的关系，我们常用两组曲线族来表示晶体管的特性。

其中最常用的晶体管伏安特性是共射极伏安特性。

共射极伏安特性包括输入特性和输出特性。

最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。

特性曲线的测量电路见图1.5。

μA

V

mA

V

EC

RB

IB

UCE

UBE

IC

EB

图1.5

1.共射极输入特性

反映晶体管输入回路基极—发射极间电压uEB与基极电流iB之间的伏安特性称为共射极输入特性。

由于这一关系也受输入回路电压uCE的影响，所以其定义为

Ib=f（Ueb）|UCE=常数

共射极输入特性常用一簇曲线来表示，称为共射极输入特性曲线。

如图1.6

图1.6

由曲线可知：

（1）晶体管的输入特性曲线，也有死区。

硅管的死区电压大约为0.5v，锗管的死区电压大约为0.1v。

（2）在相同的uEB下uCE从0增大时，iB将减小。

这是因为uCE=0时，JE与JC均正偏，iB为两个正向偏置PN结的电流之和；当uCE增大时JC从正向偏置逐渐往反向偏执过度，有越来越多的非平衡少刘子到达集电区，使iB减小。

（3）当uCE继续增大，使JC反向偏置后，受uCE的影响减小，不同uCE值时的输入特性曲线几乎重合在一起，这时由于基区很薄在JC反向偏置时，绝大多数非平很少数载流子几乎都可以漂移到极电区，形成IC所以当继续增大uCE时，对输入特性曲线几乎不产生影响。

2共射极输出特性

以iB为参变量的iC与uCE关系称为共射极输出特性，其定义为

Ic=f（Uce）|iB=常数

其共射极输出特性曲线如图1.7所示。

UCE（V）

3

6

9

12

图1.7

由图可见，晶体管的输入特性曲线将晶体管分为三个工作区，它们是：

（1）饱和区只输出特性曲线几乎垂直上升部分与纵轴之间的区域。

在此区域内，不同iB值的输出特性曲线几乎重合，iC不受iB的控制，只随uCE增大而增大。

（2）截止区对与iB=—ICBO的输出特性曲线与横轴之间的区域。

在此区域内，iC几乎为零，三极管没有放大能力。

（3）放大区指饱和区域截止区之间的区域。

在此区域内管子工作与放大状态。

在这一区域内，iC还受uCE的影响。

当iB一定以后，随uCE增大，iC略有增加。

这是因为当Uce越大时JC反向偏置电压越大，集电结越宽，使基区变得更薄，发射区多子扩散到基区后，与基区多子复合的机会少，若要保持iB不变，就会有更多的多子从发射区扩散到基区，iC将增加，这种情况称为基区调宽效应。

三、晶体管的主要电参数

晶体管除了可以用伏安特性曲线来表示管子性能外，，生产厂家还给出了各种管子型号的参数。

晶极管的主要参数

1、直流参数

（a）共基极直流电流放大系数

其定意为：

=IC/IE︱ICBO=0

（b）共发射极直流电流放大系数

（1）

，称为晶体管共射接法时的静态（直流）电流放大系数。

（2）

，称为晶体管共射接法时的动态（交流）电流放大系数。

（3）

与β两者的含意是不同的，但两者的数值较为接近，今后在进行估算时，可认为

=β。

©集电极—基极间反向饱和电流ICBO它是指发射极开路时，流过集电极与基极的电流。

（d）集电极—发射极间反向饱和电流ICEO它是指基极开路时，流过集电极与发射极的电流。

由于这一电流从集电极贯穿基区流至发射极，所以又被称为穿透电流。

2、交流参数

（1）交流电流放大系数β（或hfe）这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比，即：

β=△Ic/△Ib

当IC较小时，β随IC增大而增大；当IC增大到某一范围时，β几乎不变；但当IC过大时，β随IC继续增大而减小。

β与IC的关系如图1.8中曲线所示

β

Ic

iC

O

β

O

图1.8

一般电晶体的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。

（2）共基极交流放大系数α（或hfb）这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比，即：

α=△Ic/△Ie

因为△Ic＜△Ie，故α＜1。

高频三极管的α＞0.90就可以使用

α与β之间的关系：

α=β/（1+β）

β=α/（1-α）≈1/（1-α）

（3）截止频率fβ、fα当β下降到低频时0.707倍的频率，就什发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就什基极的截止频率fαofβ、fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：

fβ≈（1-α）fα

（4）特征频率fT因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。

3、极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM当集电极电流Ic增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的Ic值称为ICM。

所以当Ic超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大品质。

（2）集电极----基极击穿电压BVCBO当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。

（3）发射极-----基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO。

（4）集电极-----发射极击穿电压BVCEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果Vce＞BVceo，管子就会被击穿。

（5）集电极最大允许耗散功率PCM集电流过Ic，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。

管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=Uce×Ic.使用时庆使Pc＜PCM。

PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。

在输出特性曲线上，把凡是该点坐标对应的Uce与Ic乘积等于PCM的那些点连成线，可得一条曲线。

称为等功耗线，如图1.9

图1.9

四、共射极放大电路的组成和工作原理

放大电路的主要作用是把微弱的信号放大到负载所需的数值。

图1,10是共射极放大电路的组成 。

被测放大电路

+

−

直流电源

直流电源

+

−

+

+

−

−

图1.10

负载

正弦波信号源

放大的概念和放大电路的主要性能指标

放大电路放大的本质是能量的控制和转换，在输入信号的作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。

1、性能指标

（1）放大倍数：

电压放大倍数

电流放大倍数

（2）输入电阻：

从放大电路输入端看进去的等效电阻，

，放大电路输入电阻的大小要视需要而设计。

（3）输出电阻：

从放大电路输出端看进去的等效电阻，

，放大电路输出电阻的大小要视需要而设计。

RO越小，放大电路带负载能力愈强。

（4）通频带：

衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。

。

（5）最大输出功率

与效率η。

21.电路组成

放大电路组成原则：

图1.11

由图1.11放大电路组成可得

（1）．提供直流电源，为电路提供能源。

（2）．电源的极性和大小应保证BJT基极与发射极之间处于正向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置，从而使BJT工作在放大区。

（3）．电阻取值与电源配合，使放大管有合适的静态点。

（4）．输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。

（5）．当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。

共射极基本放大电路的电压放大作用是利用了BJT的电流控制作用，并依靠Rc将放大后的电流的变化转为电压变化来实现的。

3.放大电路的静态和动态

静态：

输入信号为零时，电路的工作状态，也称直流工作状态。

动态：

输入信号不为零时，电路的工作状态，也称交流工作状态。

电路处于静态时，三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。

一般用IB、IC、和VCE（或IBQ、ICQ、和VCEQ）表示。

对于放大电路来说其最基本要求，一是不失真，二是能够放大。

只有在信号的整个周期内BJT始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。

静态工作点设置合适能实现线性放大；静态工作点设置偏高会产生饱和失真；静态工作点设置偏低会产生截止失真。

Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着放大电路几乎所有的动态系数。

放大电路的分析方法

1直流通路和交流通路

根据叠加原理可将电路中的信号分解为：

直流信号和交流信号。

直流信号通过直流通路求解，交流信号通过交流通路求解。

直流通路:

当没加输入信号时，电路在直流电源作用下，直流电流流经的通路。

直流通路用于确定静态工作点。

直流通路画法：

①电容视为开路；②电感线圈视为短路；③信号源视为短路，但保留其内阻。

交流通路:

在输入信号作用下交流信号流经的通路。

交流通路用于计算电路的动态性能指标。

交流通路画法：

①容量大的电容视为短路；②直流电源视为短路。

..图解分析法

2.用近似估算法求静态工作点：

采用该方法，必须已知三极管的β值。

根据直流通路：

硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V

3.用图解分析法确定静态工作点（Q点）：

采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。

首先，画出直流通路；在输入特性曲线上，作出直线VBE=VCC－IBRb，两线的交点即是Q点，

得到IBQ。

在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－ICRC，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。

图1.12即为所示

图1.12

4.动态工作情况分析

（1）．交流通路及交流负载线

过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/（RL∥Rc）直线，该直线即为交流负载线。

交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。

R'L=RL∥Rc，是交流负载电阻。

（2）.输入交流信号时的图解分析

由图1.13通过图解分析，可得如下结论：

a.

b.vo与vi相位相反；

c.可以测量出放大电路的电压放大倍数；

d.可以确定最大不失真输出幅度。

3.BJT的三个工作区

饱和区特点：

iC不再随iB的增加而线性增加，

截止区特点：

iB=0，iC=ICEO

当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真

1.波形的失真

饱和失真：

由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。

对于NPN管，输出电压表现为底部失真。

截止失真：

由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。

对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。

2．放大电路的动态范围

放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：

工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中

间部位，即：

；要有合适的交流负载线。

3．输出功率和功率三角形

放大电路向电阻性负载提供的输出功率

在输出特性曲线上，正好是三角形DABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。

要想Po大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom和Iom都要大。

结束语

本论文介绍了晶体管的基本知识，对晶体管的输入输出曲线的进行了简要的分析，并介绍了放大原理，而且叙述了输入输出特性曲线的静态分析、动态分析和其主要参数的。

参考文献

杨拴科编著.模拟电子技术基础2011.12

沈尚贤主编.模拟电子学1983

Electronicsworkbench（user’sguide）.interactiveimagetechnologiesitd.canada.1996

致谢

在这次论文设计中，我非常感谢我的指导老师。

他严谨，细心，负责的态度深深影响了我，他总是向家长一样对我们进行引导，平时他总是给我们讲关于社会上的信息，鼓励我们积极向上，老师认真的态度是我有了很大的反思，是张老师使我明白了，既然要做一件事就应该尽心尽力的将其走好，不能抱着投机取巧，应付差事的态度去办事，否则你将一事无成。

再者在系统的设计和论文的写作做方面他总以专业标准严格要求我们。

从选题开始一直到最后论文的反复修改，润色，始终认真负责的给予我细致的指导。

正是我的老师无私帮助与热忱鼓舞，我的论文才得以顺利完成。

另外，我要感谢在这次论文设计中，其他老师和同学对我论文提出的诸多宝贵意见和建议。

通过这次论文设计我深刻体会到，我能顺利完成这次论文设计，于老师同学对我的信任，支持和帮助分不开，使我在学到更多专业知识的同时，学到了严谨的治学态度和互相帮助的团队精神。

最后，向所有支持和帮助我的同学表示由衷的感