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第3章 晶体三极管及其放大电路

第3章 晶体三极管及其放大电路

本章首先介绍晶体三极管结构、工作原理及特性曲线，在此基础上讨论基本放大电路的分析、静态工作点的稳定、多级放大电路的分析和计算，以及放大电路的频率特性等。重点讨论放大电路的静态和动态分析，即静态工作点和交流性能参数（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻）的计算。

3.1 晶体三极管

3.1.1 晶体三极管的分类及结构

晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。它是采用光刻、扩散等工艺在同一块半导体硅(锗)片上掺杂形成三个区、两个PN结，并引出三个电极。由两个N区夹一个P区结构的三极管称为NPN型晶体管；由两个P区夹一个N区结构的三极管称为PNP型晶体管。晶体管按照制造材料分为锗管和硅管；按照工作频率分为低频管和高频管；按照允许耗散的功率大小分为小功率管、中功率关和大功率管。常见外形如图3-1所示。

c集电极N集电区b基极图3-1 常用三极管的外形及管脚排列

c集电极P集电区b基极cb集电结NPN 管集电结 e b c ecP基区N发射区发射结P N基区P发射区发射结bN N ePNP管（a）e 发射极e 发射极（b）（c）（d）图3-2 三极管结构示意图及其符号（a） NPN管结构示意图（b） NPN管芯结构剖面示意图（c） PNP管结构示意图（d）三极管符号

三极管的结构示意图及其符号如图3-2所示。图3-2a所示为NPN型三极管，图3-2a所示为PNP型三极管。由图可见，两种三极管都有三个区：基区、集电区和发射区；两个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。其结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度远低于发射区且很薄，三极管符号中的箭头方向是表示发射极电流的实际流向。

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第3章 晶体三极管及其放大电路

尽管NPN型和PNP型三极管的结构不同，使用时外加电源也不同，但接成放大电路时工作原理是相似的，本章将以NPN管为例，讨论三极管放大电路的基本原理、分析和计算方法。 3.1.2三极管的工作原理

1. 三极管放大交流信号的外部条件

要使三极管正常放大交流信号，除了需要满足内部条件外，还需要满足外部条件：发射结外加正向电压（正偏压），集电结外加反向电压（反偏压），对于NPN管，UBE?0，UBC?0；对于PNP管，UBE?0，UBC?0。为此，可用两个电源UBB、UCC来实现正确偏置，如图3-3所示。 2. 晶体管内部载流子运动过程 ①发射区的电子向基区运动

如图3-3所示。由于发射结外加正向电压，多子的扩散运动增强，所以发射区的“多子”—自由电子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流IEN（电流的方向与电子运动方向相反）。同时电源向发射区补充电子，形成电流IE。而此时基区的多子—空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流IEP。但由于基区掺杂浓度低，空穴浓度小，IEP很小，可忽略不计，故IEN基本上等于发射极电流IE。

② 发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合

当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，且基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时，电源UBB不断向基区补充空穴，形成基区复合电流IBN。由于基区掺杂浓度低且薄，故复合的电子很少，亦即IBN很小。

③ 集电区收集发射区扩散过来的电子

由于集电结加反向电压，有利于“少子”的漂移运动，所以基区中扩散到集电结边缘的非平衡“少子”——电子，在电

场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流ICN。同时，集电区“少子”—空穴和基区本身的“少子”—电子，也要向对方做漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。ICBO的数值很小，一般可忽略。但由于ICBO是由“少子”形成的电流，称为集电结反向饱和电流，方向与ICN一致，该电流与外加电压关系不大，但受温度影响很大，易使三极管工作不稳定，所以在制造管子时应设法减少ICBO。

图3-3是将三极管连接成共发射极组态是内部载流子运动的示意图，由图可得

IBICBOICcICNNRcbIBNPNUCCRbUBBIEBIENIEe图3-3 三极管内部载流子运动示意图IE?IEN?IBN?ICN (3-1) IC?ICN?ICBO (3-2) IB?IBN?ICBO (3-3)

将式(3-2)、(3-3)代入(3-1)中，有

IE?(IB?ICBO)?(IC?ICBO)?IB?IC (3-4)

即发射极的电流等于基极电流与集电极电流之和。

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综上所述，三极管在发射结正偏电压、集电结反偏电压的作用下，形成IB、IC和IE，其中IC和IE主要由发射区的多数载流子从发射区运动到集电区而形成，IB主要是电子和空穴在基区复合形成的电流。可见三极管内部电流由两种载流子共同参与导电而形成，因此称之为“双极型三极管”。

3. 三极管的电流分配关系

三极管有三个电极，可视为一个二端口网络，其中两个电极构成输入端口、两个电极构成输出端口，输入、输出端口公用某一个电极。根据公共电极的不同，三极管组成的放大电路有3种连接方式，通常称为放大电路的三种组态，即共基极、共发射极和共集电极电路组态，如图3-4所示。无论是哪种连接方式，要使三极管有放大作用，都必须保证发射结正偏、集电结反偏，则三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化。

图3-4 晶体三极管的三种组态(a)共基极接法 (b)共发射极接法 (c)共集电极接法根据图3-4中晶体三极管的三种组态，可分别用三个电流放大系数来表示它们之间的关系。 ① 共基极直流电流放大系数?

将集电极电流IC与发射极电流IE之比称为共基极直流电流放大系数，即

??IC (3-5) IE?的值小于1但接近1，一般为0.95 ~ 0.99，即意味着IC≈IE。晶体三极管的基区越薄，掺杂浓

度越低，发射区发射到基区的电子复合的机会就越少，?的值就1越接近1。 由3-4式和3-5式可得

IC??IE (3-6)

IB?IE?IC?IE??IE?(1??)IE (3-7)

②共发射极直流电流放大系数?

将集电极电流IC与基极电流IB之比称为共发射极直流电流放大系数，即 ??IC (3-8) IBβ的值远大于1，一般在10～100左右，说明IC??IB。此值表征了三极管对直流电流的放大

能力。它也表示了基极电流对集电极电流的控制能力，就是以小的IB(μA)，控制大的IC(mA)。所以三极管是一个电流控制器件，利用这一性质可以实现放大作用.

由式(3-4)和(3-8)可得

IC??IB (3-9) IE?IB?IC?IB??IB?(1??)IB (3-10)

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③共集电极直流电流放大系数?

将发射极电流IE与基极电流IB之比称为共集电极直流电流放大系数，即 ??IE (3-11) IB由于IE??IB，故?的值也远大于1。

由3-4式和3-11式可得

IE???IB (3-12) IC?IE?IB??IB?IB?(??1)IB (3-13)

由此可得出β、?和?的三者关系为

??IC?IE??????1 (3-14) IB(1??)IE1??IC???1 (3-15) ??IE1???I(1??)IB1??E??1??? (3-16)

IBIB1????若考虑ICBO的影响，则由图3-4可得

IC?ICN?ICBO (3-17)

IB?IBN?ICBO (3-18)

实际上β值应为ICN和IBN之比，即 ??ICN (3-19) IBN综合3-17式、3-18式和3-19式可得

IC?ICN?ICBO??IBN?ICBO??(IB?ICBO)?ICBO??IB?(1??)ICBO

令ICEO?(1??)ICBO，则

IC??IB?ICEO (3-20)

ICEO称为三极管的反向穿透电流，它在数值上等于ICBO的(1??)倍。在温度变化时，ICEO对IC的影响较大，必要时须考虑ICEO的影响。在常温情况下，工程计算一般忽略ICEO。

3.1.3 三极管的放大作用

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icC1+RC2kC2Rb300 kRc2k?UCC++C2ibRb300 kT++Rs+us-ui+uBE+UBB-(a)uCE--C1Rsuo-+++T+UCC-+us-ui-uBEuCE-+uo--(b)图3-5 三极管放大电路原理图第3章 晶体三极管及其放大电路

在实际应用中利用三极管放大电路放大微弱信号，其原理电路如图3-5a所示，实际电路中常取UBB?UCC，于是有图3-5b所示习惯画法的共射极放大电路图。其中输入电压ui为微弱变化的电压信号，它引起三极管基极电流ib的变化。若输入交流电压ui变化量为?ui?40 mV，使ib变化?ib?20 μA，使集电极电流ic变化?ic????ib?2 mA，其中?(?100)称为共发射极交流电流放大系数(其数值和共发射极直流电流放大系数?接近，即在几十至上百倍之间)，则在集电极电阻Rc两端产生的交流电压为uo???ic?Rc??2?2?4 (V)，于是该放大器的电压放大系数

Au??uo2000????50。可见，输入一个微弱的基极电压ui，便可在Rc两端得到“放大”了的?ui40输出电压uo。如果各电阻选择的合适，则可得到放大的电压和相应的功率，这就是三极管的放大原理。

需要指出的是，放大电路实质上是放大器件的控制作用，三极管就是一个电流控制电流器件，由微弱的基极电流ib，控制较大的集电极电流? ib，放大作用是针对变化量而言的，放大的能量是由直流电源UCC供给。

3.1.4三极管的特性曲线及主要参数 3.1.4.1三极管的特性曲线

晶体三极管的特性曲线是指其各电极间电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线，它们是三极管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。这两组曲线可通过晶体管特性图示仪测得，也可通过实验的方法得到。图3-6所示是以共发射极放大电路为例的三极管特性测试电路示意图。 1. 输入特性曲线

对于图3-6所示测试电路，输入特性曲线是指在集射极电压uCE为一定值时，输入基极电流iB与输入基射极电压

C1iC+CbRCiBRb+uBE+-T++uCE--+-uiUBBUCCuo-图3-6 三极管特性测试电路示意图uBE之间的关系曲线，即

iB?f(uBE)uCE?常数 (3-21)

图3-7a是NPN型硅晶体三极管的输入特性曲线。实际上输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线很相似，也是存在死区电压。当uBE小于死区电压时，三极管截止，iB?0。一般硅晶体三极管的死区电压典型值为0.5V，锗晶体三极管的死区电压典型值为0.1V。当uBE大于死区电压时，基极电流随着uBE的增加迅速增大，此时三极管导通。在图中只给出两条曲线：uCE?0V和uCE?1V，并且

iB/μAuCE?0 ViC/mAICMuCE?uBE饱和区uCE?1 VB放大AC806040过功耗区uCE?1V的输入特性曲线右移了一段

距离。这是由于在uCE?0V时，集电结处于正向偏置，集电区没有收集电子的能力或很弱，此时发射区发射的电子

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iB?20μAvBE00.40.8区0截止区iB?08VU(BR)CEO(a)(a) 输入特性(b)uCE/V图3-7 三极管的特性曲线(b) 输出特性