4.模拟电子技术笔记——半导体三极管

写在前面

这个是第四个模电笔记，我们讲半导体三极管

这一章的很多概念都很重要，并且有一些需要记忆的内容，要认真对待

笔记部分

1.半导体三极管的基本原理简述

1.1结构：

1.这个箭头是PN结正向导通方向

2.有两个类型，PNP和NPN

3.三个极：发射极（e）基极（b）集电极（c）

4.发射极参杂浓度最高，基极最薄，且参杂浓度最低，集电极参杂浓度低，但是面积大

5.实际结构还有一个“埋层”，参杂浓度较高

1.2 工作原理（以NPN为例）

发射结正偏，集电结反偏

如图：

我们先要规定一件事：图中黑色的点表示自由电子，大的箭头表示电流方向，白圈代表空穴。乍一看这个电路比较复杂，不知道是怎么来的，那么，我们“捂住”左边的电路部分，只看右边。显然，右侧的PN结，也就是集电结，它是反偏的。所以会有一个电流，也就是PN结中的漂移电流，在这里我们表示为 $I_{CBO}$ 。

现在，我们再加上左侧的电路，也就是发射结部分。显然，左侧PN结正偏。这就引出三极管最重要的特性：发射结正偏，集电结反偏。这时候，我们看这个黑点，也就是自由电子，它是由N向P的，在P中，部分自由电子会与P中的空穴结合，这个对于空穴来说，就相当于电流（带正电）从外往里进，这个也就是 $I_{B}$ 。而我们这个由于发射结导通所带来的电流我们称之为 $I_{E}$ 。那么如图，在最右侧的电流我们叫做 $I_{C}$ 。

以上这些是这个三极管在共基极组态的原理。我们根据这个图可以列出两个KCL方程：

$I_{C} = I_{CBO} + I_{CN}$ $I_{E} = I_{B} + I_{C}$

所以我们可以定义一个放大量 $\alpha$ ， $\alpha = \frac{I_{CN}}{I_{E}}$ 。

由于 $I_{C} >> I_{CBO}$ ,所以我们可以近似的得到 $\alpha = \frac{I_{C}}{I_{E}}$

但是为了将 $I_{C}$ 与 $I_{B}$ 相对应，我们又规定 $\beta$ = $\frac{I_{C}}{I_{B}}$ ,这个与 $\alpha$ 有一个换算关系：

$\beta = \frac{\alpha}{1-\alpha}$ 并且我定义一个 $I_{CEO} = (1+\beta)I_{CBO}$ (穿透电流)

1.3 三极管的三种组态

理论上来说，作为一个二端口网络，我们应该有6个组合方式，但是有一个原则：集电极不能做输入，基极不能做输出

我们先来看一下共基极组态的放大电路：

我们现在已知，这个 $\alpha$ 的范围一般在0.9～0.99，甚至都小于1，那么它是怎么放大的呢？

我们在信号放大时，是在工作点以上来进行放大，换句话说，我们看图，这个 $\delta v_{I}$ 就是我们的交流信号，他与 $V_{EE}$ 串联。 $V_{EE}$ 相当于抬高这个信号到工作点。由于这个小的 $\delta v_{i}$ 会导致电流增加，也就是图中的小的 $\delta I_{E}$ ，之后会带来小的 $\delta I_{C}$ 的变化。这个小的 $\delta I_{C}$ 的变化乘以右侧的大电阻 $R_{L}$ ，会导致这个 $\delta v_{O}$ 的明显增大。也就是说，这个放大的本质也就是控制，我的控制量的变化引起一个明显的输出的变化，并不能因为 $\alpha$ <1就说它不能起到放大作用。

综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：

（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。

（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置

1.4特性曲线

1.输入特性曲线

输入特性曲线，也就是 $I_{B}$ 随 $V_{BE}$ 的变化。由于发射结正偏，这个输入特性曲线就是正常二极管的特性曲线的正偏部分（以共射极放大电路为例）：

显然，我们刚才的情况并没有考虑到另一个变量，也就是 $V_{CE}$ 的变化。所以这个曲线是个曲线簇。这个曲线族的来源我们在这里说一下：由前面的讲解我们可以知道，这个 $V_{BE}$ 由恒压降模型可以得知，如果是硅做的话 $V_{BE} = 0.7V$ ，所以 $V_{CE} = V_{CB} + V_{BE}$ ,也就是说，如果 $V_{CE} = 0$ ，则：输入特性曲线是正常的PN结的曲线，如果 $V_{CE} \geq 1$ (实际上0.7就可以)，则 $V_{CB} > 0$ ,集电结反偏，收集电子能力增强，那么会“抢”走I流向 $I_{B}$ 的电子，从而导致曲线变缓。但是又由于这个集电极能“抢”的能力有一个极限，所以在 $V_{CE} > 1$ 后的曲线十分接近，所以我们通常用两条曲线表示输入曲线：一个是0V，一个是1V.

所以，输入特性曲线分三个部分：死区，非线性区和近似线性区

2.输出特性曲线

输出特性曲线是控制住 $I_{B}$ 来探究 $I_{C}$ 随 $V_{CE}$ 的变化。

（可以注意到，这个曲线实际上是微微向上倾斜的，因为这个所带来的误差很小，我们不去在意这个）

这三个区可以在图中很明显的看到，这个饱和区就是不能用的区域，放大区是能用的，截止区是 $V_{CE} = 0$ 的区域，这个区域，很显然，是不能用的，可以在三极管的原理图上自己可以看出来，就不再这里赘述了。

1.5主要参数

1.电流放大系数：

a. 共发射极直流放大系数 $\overline{\beta}$

b. 共发射极交流放大系数 $\beta$

c. 共基极直流放大系数 $\alpha$

d. 共基极交流放大系数 $\overline{\alpha}$

e.CB极间反向饱和电流 $I_{CBO}$

f.CE极间反向饱和电流 $I_{CEO}$

当 $I_{CBO}$ 和 $I_{CEO}$ 都很小时， $\beta \approx \overline{\beta}$ , $\alpha \approx \overline{\alpha}$ .

2.三个区域：

1.6 总结

内部机理看看就行，关注的是外部特性，两个特性曲线，他们的控制关系都是什么

2.基本放大电路构成及静态分析

2.1 信号放大的实现

1.发射极正偏，集电极反偏条件的建立——确定静态工作点（Q点）

在三极管中，我们要确定三个量： $I_{BQ},I_{CQ},V_{CEQ}$ ,我们默认 $V_{BEQ} = 0.7V$ ,那么就有： $I_{BQ} = \frac{V_{BB} - V_{BEQ}}{R_{b}}$ , $I_{CQ} = \beta I_{BQ}$ , $V_{CEQ} = V_{CC} - I_{CQ}R_{C}$

2. 动态工作过程

输入正弦信号v后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT 各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。这个我们在以后的内容会详细说明。

3.静态工作点对信号放大的影响

我们再看一下这个电路：

1.如果 $I_{BQ}$ 过大，则会导致 $I_{C}$ 比较大，输出电压 $V_{CE}$ 变小，则会导致：

反之，则会：

2. $R_{C}$ 对这个输出信号的影响的分析也可以推出上述的结论，这里就不在赘述

3.结论：1.静态偏置必须合适，使其工作在放大区

2.信号也可以被称为交流量

3.输出电压的幅值受 $V_{CC}$ 控制

2.2 BJT的静态偏置

2.2.1.要用到的三个“工具”

1.电路理论

2. $I_{B},I_{C}$

3.恒压降模型

2.2.2.几种静态偏置（很重要）

1.基极固定偏置电路

我们以共射极为例，如果我们令 $V_{BB}$ = $V_{CC}$ ，我们可以把左侧电阻与右侧的 $V_{CC}$ 接上，如图：

那么我们根据这个电路可以节省一个电源，并且也可以达到发射极正偏，集电极反偏的效果。那么，对于这个电路，我们可以这么分析Q点：

由前面的类似分析，我们可以把 $V_{BB}$ 全部换成 $V_{CC}$ ，得：

$I_{BQ} = \frac{V_{CC} - V_{BEQ}}{R_{b}} \\ I_{CQ} = \beta I_{BQ} \\ V_{CEQ} = V_{CC} - I_{CQ}R_C$

如果换成PNP型的：

也就是把上面的 $V_{CC}$ 换成 $-V_{CC}$ 。或者，我们也可以换成让发射极接高电平：

这里分析方法都类似，我们就不再赘述。

2.基极分压式偏置电路

这里的话我们的 $V_{BE}$ 就很好求了，就是分压，然后我们可以求出 $I_{EQ}$ ，然后 $I_{CQ} \approx I_{EQ}$ （因为在这里我们忽略了 $I_{BQ}$ ，由前面最早的KCL我们可以知道，如果忽略掉 $I_{BQ}$ ，这个约等于的关系成立。所以 $I_{CQ}$ 我们就知道了。那么显然 $V_{CEQ} = V_{CC} - I_{CQ}(R_{C}+R_E)$ ,最后我们再求一下 $I_{BQ}$ （虽然跟前面看起来有些矛盾，但在工程上这种估算，然后有返回去求这个被忽略掉的量是合理的），显然 $I_{BQ} = \frac{I_{CQ}}{\beta}$

3.双源射极偏置电路

我们对左下角的回路可以列一个KVL，有： $V_{BEQ} + I_{EQ}R_E + (-V_{EE}) = 0$ ,然后同样，我们将我们刚刚算出来的 $I_{EQ}$ 去约等于 $I_{CQ}$ ,之后我们就要求 $V_{CEQ}$ 了，显然， $V_{CQ} = V_{CC}-I_{CQ}R_C$ $V_{EQ} = -V_{EE} + I_{CQ}R_E$ 或者，E点电压值就等于 $-V_{BE}$ ，那么 $V_{CEQ} = V_{CQ} - V_{EQ}$ 。最后 $I_{BQ} = \frac{I_{CQ}}{\beta}$ .