Transcript 電子學ch4教案
第 4 章 雙極性接面電晶體 按一下以編輯母片標題樣式 ………………………………………………………… … • • • • • 4-1 雙極性電晶體之構造及特性 按一下以編輯母片 第二層 4-2 電晶體之工作原理 第三層 4-3 電晶體組態簡介 第四層 第五層 4-4 電晶體之放大作用 4-5 電晶體之開關作用 1 4-1 雙極性電晶體之構造及特性 按一下以編輯母片標題樣式 ………………………………………………………………………….… 1.電晶體的物理結構及電路符號 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 2 按一下以編輯母片標題樣式 (1) 電晶體的三個接腳 射極（ E ）：發射載子的電極。 按一下以編輯母片 集極（ C ）：收集載子的電極。 第二層基極（ B ）：控制載子多寡的電極。 • • • 第三層 • 第四層 (2) 分類 • 第五層 PNP型 NPN型 多數載子－電洞 少數載子－電子 多數載子－電子 少數載子－電洞 節目錄 3 2.電晶體的物理特性 按一下以編輯母片標題樣式 (1) 摻入雜質的濃度比： E B C (2) 製造寬度比：WC WE WB 按一下以編輯母片 (3) 射極（ E ）與集極（ C ）對調使用，則增益 第二層 下降，耐壓也會下降。 (4) 不可以使用兩個背對背二極體來取代電晶體 第三層 ，因為它不具放大作用。 • • • • 第四層 • 第五層 節目錄 4 4-2 電晶體之工作原理 按一下以編輯母片標題樣式 ………………………………………………………………………….… • • • • • 1.電晶體的偏壓接法 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 5 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • (1) 電晶體的二個PN接面 按一下以編輯母片 第二層 第三層 (2) 電晶體當放大器使用 第四層 第五層 JE ：射、基極的 PN接面 JC：集、基極的 PN接面 JE：施加順向偏壓 JC：施加逆向偏壓 節目錄 6 按一下以編輯母片標題樣式 E、B順偏 • • • • • (3) 工作原理 按一下以編輯母片 B、C逆偏 第二層 第三層 第四層 第五層 空乏區寬度縮小 多數載子自P→N大量 移動（ PNP電晶體） 多數載子流動為零 造成少數載子的流動 節目錄 7 按一下以編輯母片標題樣式 2.電晶體的電流放大作用 • • • • • (1) 應用克希荷夫電流定律 按一下以編輯母片 IE=IC+IB IC約占IE之90~99.8% 第二層 IB約占IE之0.2~10% 第三層 IC=IC多數+ICO少數 第四層 (2) 電晶體為電流控制元 件，即 第五層 IC=f (IB) (3) 欲提高電流放大率 射極雜質濃度增加 基極寬度WB變窄 節目錄 8 4-3 電晶體組態簡介 按一下以編輯母片標題樣式 ………………………………………………………………………….… • • • • • 1.電晶體放大器的種類 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 9 按一下以編輯母片標題樣式 (1) 電晶體E、B、C三隻腳，分別擔當輸入端、 輸出端及接地端任務。 共基極接地式放大器（ CB ） 按一下以編輯母片 (2) 種類 共射極接地式放大器（ CE ） 第二層 共集極接地式放大器（ CC ） • • • 第三層 (3) 電晶體放大器三個不同端點之區分 • 第四層 • 第五層 節目錄 10 4-4 電晶體之放大作用 按一下以編輯母片標題樣式 ………………………………………………………………………….… • • • • • 1.共基極組態 (1)共基極放大電路 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 11 按一下以編輯母片標題樣式 電流之符號，以流入電晶體者為正，流出 • • • • • 電晶體者為負。 A.PNP電晶體：IE為正，IB與IC為負。 按一下以編輯母片 B.NPN電晶體：IE為負，IB與IC為正。 第二層 共基極組態：訊號由E、B極輸入，C、B 第三層 極取出，B極為迴路所共有。 基極與其他電極的電壓分別為VEB與VCB。 第四層 A.PNP電晶體：VEB>0，VCB<0， 第五層 電壓VE> VB > VC。 B.NPN電晶體：VEB<0，VCB>0， 電壓VC> VB > VE。 節目錄 12 按一下以編輯母片標題樣式 (2) 輸出（集極）特性曲線 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 13 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 集極特性曲線：表示集極電流IC與VCB及IE之 按一下以編輯母片 間的關係。 第二層 三個工作區域 指IE=0之曲線上方及VCB=0的垂直 第三層 線右側。 第四層 A.作用區 電晶體的射、基極接面加上順向偏 第五層 壓，而集、基極接面為逆向偏壓。 電晶體是導通的，可以擔任放大工 作。 節目錄 14 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 指IE=0之曲線下方。 電晶體的射、基極接面及集、基 B.截止區 按一下以編輯母片 極接面皆為逆向偏壓。 第二層 電晶體是截止的，可當開關（ OFF ）使用。 第三層 指VCB的水平軸擴展到0V的左邊 第四層 部分。 第五層 C.飽和區 電晶體的射、基極接面及集、基 極接面皆為順向偏壓。 電晶體相當於短路，可當開關 （ ON）使用。 節目錄 15 (3) 輸入（射極）特性曲線 按一下以編輯母片標題樣式 射極特性曲線：表示當VCB為固定值時，VEB與IE的關係。 當VEB愈大時，IE隨VEB的增加而增加。 按一下以編輯母片 當VEB固定時，若 |VCB|愈大時，IE也愈大，其曲線愈往 第二層 左移，但影響甚少。 • • • 第三層 • 第四層 • 第五層 節目錄 16 按一下以編輯母片標題樣式 (4) 電流增益 • • • • • 公式 按一下以編輯母片 IC α 第二層 IE VCB 定值 的典型值在0.90~0.998之間（其值近於1， 但 第三層 小於1 ）。 第四層 考慮少數載子，則 IC= IE多數+ICO少數 第五層 ICO（或稱ICBO ）表示射極開路（ IE=0 ）時， 集、基極之間的洩漏電流。 節目錄 17 (5) 電路特性 按一下以編輯母片標題樣式 Ri甚小（約20~200Ω），Ro甚大（約100k~1MΩ）。 IC 電流增益 α I ，通常小於1，但近於1。 按一下以編輯母片 E Vo IC R o Ro 第二層 電壓增益 A v α( ) Vi IE R i Ri 第三層 功率增益 Ap=Av×Ai=Av× Ap(dB)=10 logAp Vo與Vi同相位。 第四層 用途：用於極高頻放大與振盪器。 • • • • • 第五層 節目錄 18 2.共射極組態 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • (1) 共射極放大電路 共射極組態：以射極 按一下以編輯母片 （ E ）擔任接地端， 第二層 訊號由B、E極輸入， C、E極取出。 第三層 射極與其他電極的 第四層 電壓為VBE與VCE 第五層 A.PNP電晶體： VBE<0、VCE<0。 B.NPN電晶體： VBE>0、VCE>0。 節目錄 19 按一下以編輯母片標題樣式 (2) 輸出（集極）特性曲線 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 20 按一下以編輯母片標題樣式 集極特性曲線：在一組輸入電流IB值之範圍 按一下以編輯母片 內，其VCE對IC的一組曲線。 三個工作區域 第二層 • • • 第三層 • 第四層 A.作用區 • 第五層 指IB=0之曲線上方以及VCE=VCE(sat) 的垂直線右側部分。 電晶體的B、E接面為順向偏壓， C、B接面則為逆向偏壓。 IC= IB+ICEO≒ IB 被用來作電流、電壓或功率放大 之用。 節目錄 21 在共射極組態中，當IB=0時， IE≠0，因為 ICEO ICBO 。 1 α 電晶體的B、E與C、B接面均為 按一下以編輯母片 B.截止區 逆向偏壓。 第二層 ICEO表示在基極開路（ IB=0 ）時， 集、射極間的洩漏電流。 第三層 電晶體是截止的，相當於開路， 第四層 可當開關（ OFF ）使用。 指VCE=VCE(sat)的左邊部分。 第五層 電晶體的B、E與C、B接面均為 C.飽和區 順向偏壓。 電晶體是飽和的，可當開關（ ON ）使用。 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 節目錄 22 (3)輸入（基極）特性曲線 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 當VBE愈大時，IB隨VBE的增加而增加。 輸出電壓VCE的變化不致造成特性曲線有大的遷移。 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 23 (4)電流增益 按一下以編輯母片標題樣式 公式 • • • • • IC A. β ac h fe 按一下以編輯母片 I B VCE 定值 第二層 直流的dc則使用 IC 第三層 B. βdc I h FE B 典型的值自20變到600 第四層 α 第五層 與之關係 β 1 α β α 1 β 節目錄 24 按一下以編輯母片標題樣式 I 與I 之關係 CEO • • • • • CBO ICEO=( +1)ICBO≒ ICBO 按一下以編輯母片 電晶體的三種區域判斷法（以共射極組態為例） 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 25 (5)電路特性 按一下以編輯母片標題樣式 中等的Ri（約為1k~5kΩ ）及 按一下以編輯母片 Ro（約為50kΩ ）。 Vo與Vi反相180°。 第二層 • • • 第三層 • 第四層 • 第五層 節目錄 26 順向電流轉移比（即電流增益） 按一下以編輯母片標題樣式 A. 直流增益 βdc β h FE • • • • • IC IB 按一下以編輯母片 IC B.交流增益 βac h fe 第二層 I B VCE constant 常數 電壓增益Av 第三層 V I ．R R A v o C o β． o 第四層 Vi IB．R i Ri 功率增益Ap 第五層 Ap=AvAi（是三種放大器中最高者） 用途：具有電流及電壓的雙重增益，是應 用最為廣泛的放大器。 節目錄 27 3.共集極組態 按一下以編輯母片標題樣式 (1)共集極放大電路 共集極組態：訊號由基極輸入，從射極取出， 按一下以編輯母片 集極是接地的（對交流訊號而言）。 第二層 它又稱射極隨耦器。 集極與其他電極的電壓為VBC與VEC 第三層 A.PNP電晶體電路：VBC>0，VEC>0。 第四層 B.NPN電晶體電路：VBC<0，VEC<0。 • • • • • 第五層 節目錄 28 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 29 (2)輸出（射極）特性曲線 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 (續) 節目錄 30 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 射極特性曲線：在一組IB值之範圍內，VEC對 IE的一組曲線。 按一下以編輯母片 三個工作區域 第二層 指IB=0之曲線上方及VEC=VEC(sat) 第三層 的垂直線右側部分。 電晶體的B、E接面為順向偏壓， A.作用區 第四層 而C、B接面則為逆向偏壓。 第五層 被用來電流放大或當作緩衝器之 用。 節目錄 31 I =0時，I ≠0。 按一下以編輯母片標題樣式 B • • • • • E 電晶體的B、E與C、B接面均為 逆向偏壓。 B.截止區 按一下以編輯母片 為了得到線性放大，此區域應該 第二層 避免使用。 電晶體是截止的，相當於開路， 第三層 可當開關（ OFF ）使用。 第四層 指VEC=VEC(sat)的左邊部分。 第五層 電晶體的B、E與C、B接面均為 C.飽和區 順向偏壓。 電晶體是飽和的，相當於短路， 可當開關（ ON ）使用。 節目錄 32 (3)輸入（基極）特性曲線 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • IB隨著|VBC|之增加而增加。 |VEC|的變化不致造成特性曲線有大的遷移。 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 33 (4)電路特性 按一下以編輯母片標題樣式 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 34 按一下以編輯母片標題樣式 Ri很高，Ro很低。 Io I E 電流增益 Ai 1 β 按一下以編輯母片 Ii I B 電壓增益 A v IE R E ≒1 第二層 VBE +IE R E 第三層 功率增益 A p A v Ai 1 (1 β) 1 β Vo與Vi同相位。 第四層 • • • • • 第五層 用途 適合高阻抗訊號源與低阻抗負 載間的阻抗匹配。 當作緩衝器。 節目錄 35 按一下以編輯母片標題樣式 (5)電晶體三種基本組態的特性比較 • • • • • 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 36 按一下以編輯母片標題樣式 (6)A 、A 、A 、R 、R 依大小次序，經整理為 i • • • • • v p i o 按一下以編輯母片 第二層 第三層 第四層 第五層 節目錄 37 4-5 電晶體之開關作用 按一下以編輯母片標題樣式 ………………………………………………………………………….… 1.截止狀態 (1)電晶體有三個工作區，當工作在截止區與飽和區 按一下以編輯母片 時，其功用有如一電子開關。 第二層 (2)當Vi=0V時， VBE=0V ，則IB=0A ， IE=IC=0A， 第三層 VCE(cut off)=VCC • • • • 第四層 • 第五層 節目錄 38 2.飽和狀態 按一下以編輯母片標題樣式 (1)當Vi=+VBB時， 則電晶體飽和。 • • • • • 按一下以編輯母片 VCC VCE(sat) (2)飽和電流 IC(sat) 第二層 RC VCC 第三層 VCE 0.2V≒0V IC(sat)≒ (3) RC 第四層 (4)產生飽合電流的最小基極電流為： 第五層 I IB(min) C(sat) β (5)電晶體飽和的必要條件是： I B I B(min) 節目錄 39