双极型晶体管BJT

双极型晶体管的内部结构

在一块高纯度半导体(一般为高纯硅)基片上，以背靠背的形式单独制作两个串联在一起的PN结，这两个PN结共享一个公共的正极(P，对于NPN型晶体管)或负极(N，对于PNP型晶体管)。这两个PN结的融合产生了三层、双结、三端子器件，即双极结型晶体管（BJT）。如下图所示为NPN型晶体管的结构示意图，在掺杂浓度最高的E区引出一个端子成为发射极E，在掺杂浓度次低的C区引出一个引线端子成为集电极C，在掺杂浓度最低的B区引出一个引线端子成为基极B。

NPN三极管的内部结构

NPN和PNP型晶体管的内部物理结构

NPN和PNP型晶体管的近似结构

晶体管可以用下面的图来帮助理解，由图可知，要使晶体管工作，意味对应的二极管必须导通，而二极管的导通电压一般在0.5V及以上，所以在设计电路时，首要任务就是保证基极-发射极之间导通（两者间的电压必须大于0.5V），然后进行后续的电路设计。

NPN和PNP型晶体管的电路符号

图中标志的极性符号是晶体管工作在放大状态下的，

对于NPN管的三种状态对应的发射结和集电结条件：

截止状态：发射结反偏，即U_BE=U_B-U_E<0, 集电结反偏，U_BC=U_B-U_C<0；

放大区：发射结正偏，即U_BE=U_B-U_E>0, 集电结反偏，U_BC=U_B-U_C<0；U_C>U_B>U_E

饱和区：发射结正偏，即U_BE=U_B-U_E>0, 集电结正偏，U_BC=U_B-U_C>0；

对于PNP管的三种状态对应的发射结和集电结条件：

截止状态：发射结反偏，即U_BE=U_B-U_E>0, 集电结反偏，U_BC=U_B-U_C>0；

放大区：发射结正偏，即U_BE=U_B-U_E<0, 集电结反偏，U_BC=U_B-U_C>0, 即U_C<U_B<U_E

饱和区：发射结正偏，即U_BE=U_B-U_E<0, 集电结正偏，U_BC=U_B-U_C<0；

当三极管处于放大状态时，从晶体管内部看，由基极和发射极间的电流，来控制集电极与发射极间的电流；从晶体管的外部看，则表现为从基极输入的电流被放大而出现在集电极、发射极上，所以看起来输入信号被放大了。

晶体管从电源获取能量，对输入信号进行放大，并在输出端输出。

晶体管的外形图

 

原理

发射结加正偏电压V_BB使高掺杂的发射区的自由电子向基区扩散形成了发射极电流I_E，同时基区的少量空穴向发射区流动与少量电子复合形成基极电流I_B ，由于集电结加了反向偏压V_CC，而基区的空穴又比较少，只能和发射区流出的少量自由电子复合，因此大量的自由电子到达集电极，从而形成了集电极电流I_C 。I_E = I_B+I_C

，所以晶体管是电流(I_B)控制的器件。

 

晶体管的输入特性曲线iB=f(u_BE)|U_CE=常数

 

晶体管的输入特性曲线

晶体管的输出特性曲线iC=f(u_CE)|i_B=常数

晶体管的输出特性曲线

• 截止区：

发射结电压小于开启电压Uon且集电结反向偏置，对于共射电路，U_BE≤U_on且U_CE＞U_BE，此时I_B=0，而i_C≤I_CEO 。

• 放大区：

发射结正向偏置（U_BE大于发射结开启电压 U_on），且集电结反向偏置，对于共射电路U_BE＞U_on而且U_CE≥U_BE。此时，i_C几乎仅仅取决于I_B，而与U_CE无关，表现出I_B对i_C的控制作用，i_C=βI_B。

• 饱和区：

发射结与集电结均处于正向偏置，对于共射电路，U_BE＞U_on且U_CE小于U_BE，此时i_C不仅与I_B有关，而且明显随U_CE增大而增大，i_C小于βI_B。

双极型晶体管直流参数

共射直流电流系数β直： β_直=(I_C-I_CEO)/I_B，当I_C>>I_CEO时， β≈I_C/I_B；

共基直流电流放大系数α_直：当I_CBO可忽略时，α_直≈I_C=I_E；

极间反向电流

I_CBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流。I_CEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流，I_CEO=（1+β_直）I_CEO。同一型号的管子反向电流越小，性能越稳定。

选用管子时，β_直应选几十至一百多倍，I_CBO与I_CEO应尽量小。硅管比锗管的极间反向电流小2~3个数量级，因此温度稳定性也比锗管好。

双极型晶体管交流参数

交流参数是描述晶体管对于动态信号的性能指标。

• 共射交流电流放大系数β

β=(△ic/△ib)|U_CB=常量

• 共基交流电流放大系数为α

α=(△ic/△ie)|U_CB=常量，近似分析中可认为β≈β_直，α≈α_直

• 特征频率f_T

由于晶体管中PN结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数是所加信号频率的函数。信号频率高到一定程度时，集电极电流与基极电流之比不但数值下降，且产生相移。使β的值下降到1的信号频率称为特征频率f_T。

三极管放大电路的交流电压电流增益

放大倍数: 直接衡量放大电路放大能力的重要指标,其值为输出量Uo(或 I o )与输入量Ui( 或 I i )之比

输入电阻Ri

输入电阻Ri是放大电路输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压有效值Ui和输入电流有效值Ii之比,Ri越大,表明放大电路从信号源索取的电流越小,放大电路所得的输入电压Ui越接近信号源电压Us.

输出电阻Ro

任何放大电路的输出端都可以等效成一个有内阻的电压源,从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻Ro.

Ro越小,负载电阻RL变化时,Uo的变化越小,则放大电路的带负载能力越强.

通频带

通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力.由于放大电路中电容,电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在,在输入信号频率较低或较高时,放大倍数的数值会下降并产生相移.

在信号频率下降到一定程度时,放大倍数的数值明显下降,使放大倍数的数值等于0.707倍|Au|的频率(放大倍数下降3dB)称为下限截止频率f_L. 信号频率上升到一定程度,放大倍数数值也会减少,使放大倍数的数值等于0.707倍|Au|的频率称为上限截止频率f_H.

通频带   f_bW=f_H-f_L

通频带越宽,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强.当频率趋近于零或无穷大时,放大倍数的数值趋近于零.

非线性失真系数

放大器件均具有非线性特性,它们的线性放大范围有一定的限度,当输入信号幅度超过一定值后,输出电压就会产生非线性失真.输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D.

基波幅值为A1,谐波幅值为A2,A3,…,则

最大不失真输出电压

当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压.

最大输出功率和效率

在输出信号不失真的情况下,负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率P_om.此时,输出电压达到最大不失真输出电压.

直流电源能量的利用率称为效率ή,设电源消耗的功率为Pv,则效率ή等于最大输出功率P_om与Pv之比.

η = P_om/Pv

在测试上述指标参数时,对于 A、Ri 、Ro ,应给放大电路输入中频段小幅值信号;对于 f_L 、f_H 、f_bw ,应给放大电路输入小幅值频率范围宽的信号;对于Uom 、Pom 、η和D,应给放大电路输入中频段大幅值信号。