電工電子技術(shù)-9課件

第九章常用半導體器件第一節(jié)PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘诙?jié)半導體二極管第三節(jié)特殊二極管第四節(jié)晶體管第一節(jié)PN結(jié)及其單向?qū)щ娦园雽w基本知識PN結(jié)一、半導體的導電特點1.半導體材料物質(zhì)分為導體、半導體、絕緣體，半導體是4價元素。半導體材料的特點：半導體的導電能力受光和熱影響T°↑導電能力↑光照↑導電能力↑純凈的半導體摻入雜質(zhì)導電性會大大增強。+4純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。本征半導體中的載流子自由電子(－)空穴（+）2.本征半導體空穴與電子成對出現(xiàn)并可以復合。3.雜質(zhì)半導體N型半導體摻五價元素，如磷，自由電子數(shù)多于空穴數(shù)，自由電子數(shù)是多子。P型半導體摻三價元素，如硼，空穴數(shù)多于自由電子數(shù)，空穴是多子。4．擴散電流與漂移電流載流子由于濃度差異而形成運動所產(chǎn)生的電流叫擴散電流。在電場作用下，載流子定向運動而形成的電流叫漂移電流。

1.PN結(jié)的形成二、

PN結(jié)擴散運動空間電荷區(qū)削弱內(nèi)電場漂移運動內(nèi)電場動態(tài)平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P內(nèi)電場電荷區(qū)空間擴散運動漂移運動N外電場方向與內(nèi)電場方向相反

空間電荷區(qū)(耗盡層)變薄

擴散＞漂移導通電流很大,呈低阻態(tài)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕璓N內(nèi)電場外電場加正向電壓（正偏）P（+）N（－）－－－－－－－－外電場與內(nèi)電場相同耗盡層加厚

漂移＞擴散形成反向電流IR，很小。呈高阻態(tài)N－－－－－－－－－－－－－－－－P內(nèi)電場外電場加反向電壓（反偏）P（－）N（+）PN結(jié)正偏，導通；PN結(jié)反偏，截止第二節(jié)半導體二極管半導體二極管的伏安特性半導體二極管的主要參數(shù)一、半導體二極管的伏安特性+P區(qū)－－陽極N區(qū)－－陰極陽極陰極1.正向特性死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V

正向?qū)妷汗韫?.7V鍺管0.3Vi(mA)u(V)反向擊穿電壓死區(qū)GeSi2.

反向特性反向飽和電流很小，可視為開路，反向電壓過高，電流急增，二極管發(fā)生擊穿。導通電壓VD二、半導體二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF二極管允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓URM

保證二極管不被擊穿允許加的最大反向電壓。3.最大反向飽和電流IR室溫下，二極管加最高反向電壓時的反向電流，與溫度有關(guān)。例：如圖，E＝5V，二極管正向壓降忽略不計，畫出uo波形。EVDuiuO10ui(V)ωtui<EVD截止uo=Eui>EVD導通uo=ui5uOωt5利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪敵鲂盘柶鹣薹饔?。例：二極管組成電路如圖，設(shè)二極管導通電壓為0.3V，試求輸出電壓UF。+3VUF－12VR0VVD1VD23

>0>－12VVD1率先導通，UF＝3－0.3＝2.7VVD2截止解：第三節(jié)特殊二極管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。特點：電流變化大，電壓變化小。一、穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓管：１）加正向電壓時同二極管２）加反向電壓時使其擊穿后穩(wěn)壓i(mA)u(V)反向擊穿電壓VS１．穩(wěn)定電壓UZ 正常工作下，穩(wěn)壓管兩端電壓。同一型號的穩(wěn)壓管分散性較大。２．穩(wěn)定電流IZ正常工作下的參考電流。大小由限流電阻決定。３．動態(tài)電阻rZrZ=△U/△IrZ越小，穩(wěn)壓效果越好。二、穩(wěn)壓管參數(shù)例：如圖，已知UZ=10V，負載電壓UL（）（Ａ）5Ｖ（Ｂ）10Ｖ（Ｃ）15Ｖ（Ｄ）20Ｖ４．溫度系數(shù)αu溫度改變1°，穩(wěn)壓值改變的百分比。其值可正，可負。AVS20V15KΩ5KΩUL例：已知ui=6sinωt，UZ=3V，畫輸出波形。穩(wěn)壓管的工作條件（１）必須工作在反向擊穿狀態(tài)（２）電路中應有限流電阻，以保證反向電流不超過允許范圍。VSuiuO6ui(V)ωt3uOωt3第四節(jié)晶體管晶體管的基本結(jié)構(gòu)和類型晶體管的電流分配和放大原理晶體管的特性曲線晶體管的主要參數(shù)溫度對晶體管的影響一、晶體管的基本結(jié)構(gòu)和類型基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)基極集電極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型VTPNP型特點：發(fā)射區(qū)參雜濃度很大，基區(qū)薄且濃度低，集電結(jié)面積大。VT二、晶體管的電流分配和放大原理１．放大條件（１）內(nèi)部特點決定 發(fā)射區(qū)產(chǎn)生大量載流子基區(qū)傳送載流子集電區(qū)收集載流子（２）外部條件 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏IEICIBRBRCEBECNNP發(fā)射區(qū)電子發(fā)射結(jié)正偏利于發(fā)射區(qū)發(fā)射電子基區(qū)集電結(jié)反偏利于集電區(qū)收集電子集電區(qū)2.電流分配IBRBEBICRCECIE基極電流很小的變化，將引起集電極電流一個很大的變化。直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)1.輸入特性曲線三、三極管特性曲線IB＝f(UBE)︳UCE=常數(shù)IB(μA)UBE(V)UCE=0UCE≥1發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏，兩個二極管正向并聯(lián)。集電結(jié)反偏，IB減小UCE>1IB變化很小，與UCE=1曲線重合。2．輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)截止區(qū)IB≈0，IC≈0，UBE≤0發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)IC＝βIB發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。飽和區(qū)UCE≤UBE，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏。IC(mA)UCE(V)IB＝0IB＝20IB＝40IB＝60IB＝802．極間反向電流ICBO：發(fā)射極開路，基極與集電極間的反向飽和電流，受溫度影響大。ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。四、三極管主要參數(shù)1．

放大倍數(shù)集電極最大電流ICMIC<ICM集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓UCEO基極開路，加在集電極和發(fā)射極間的最大允許工作電壓。UCE<UCEO集電極最大允許功耗PCMICUCE<PCM3．極限參數(shù)五、溫度對晶體管的影響溫度對ICEO、ICBO的影響ICEO、ICBO隨溫度上升急劇增加，溫度每升高10°，ICBO約增加一倍。溫度對鍺管的影響比較大。溫度對β

的影響溫度增加，β

隨之增加。3.溫度對UBE

的影響溫度增加，UBE

隨之減少。例：有三只三極管，分別為鍺管β＝150，ICBO＝2μA；硅管β＝100，ICBO＝1μA；硅管β＝40，ICEO＝41μA；試從β和溫度穩(wěn)定性選擇一只最佳的管子。解：

β

值大，但ICBO也大，溫度穩(wěn)定性較差；

β

值較大，ICBO＝1μA，ICEO＝101μA；

β

值較小，ICEO＝41μA，ICBO＝1μA。、ICBO相等，但的β

較大，故較好。第十章基本放大電路第一節(jié)基本放大電路的組成第二節(jié)放大電路的圖解法第三節(jié)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定第四節(jié)微變等效電路法第五節(jié)共集電極放大電路第六節(jié)阻容耦合多級放大電路與功率放大電路○RSRBRCC1++

C2uSUBBUCCuO第一節(jié)基本放大電路的組成三極管---放大元件，起電流控制作用。電源UBB---給發(fā)射結(jié)提供正向電壓；UCC---給集電結(jié)提供反向電壓。RC---一方面給管子合適的電壓，另一方面它將集電極的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，實現(xiàn)電壓放大。電容---C1、C2耦合電容，其隔直通交的作用。電阻RB---

限制IB大??；○○○RSRBRC++uSuO＋UCC放大作用ui變化量Δui通過C1加至B極引起iB變化ΔiB，從而引起iC變化ΔiC、RC上壓降RCiC變化，則uCE=UCC－iCRC發(fā)生變化。iB↑→iC↑→uCE↓

當電路參數(shù)選擇適當，u0的幅度將比ui大，但兩者相位相反?！稹稹餜SRBRC++uSuO＋UCC放大電路放大交流信號的條件

給三極管提供電流放大的必要條件保證信號的暢通第二節(jié)放大電路的圖解法放大電路的靜態(tài)分析放大電路的動態(tài)分析非線性失真符號說明：iB=IB+ib

iC=IC+ic直流分量：IB、IC、IE、UCE交流分量：ib、ic、ie、uce總電流量：iB、iC、iE、uCEiE=IE+ie

uCE=UCE+uce直流通道 在Δui=0時所形成的直流通路稱為直流通道。 直流通道里只有直流量，此時稱放大電路為靜態(tài)。

畫法：視電容為開路，畫出電路其余部分?！稹稹餜SRBRC++uSuO＋UCC○○RBRC+UCCICIB一、放大電路的靜態(tài)分析○○RBRC+UCCICIB靜態(tài)工作點：電路處于靜態(tài)時的IB、UBE、UCE在三極管特性曲線上決定的一點Q，叫靜態(tài)工作點。1．靜態(tài)工作點的估算法對直流通道列寫電壓方程輸入回路：（硅=0.7V,鍺=0.3V）輸出回路：2.圖解法在輸出特性曲線上UCE=UCC－RCIC直線，其交點為Q。Q點在x、y軸上投影分別為UCE、IC，稱UCE=UCC－RCIC為直流負載線。IC（mA)UCE(V)IB=20μA4060801000UCCQ其斜率為ICUCE交流通道 只考慮交流信號形成的電路通道稱為交流通道。 此時視直流量短路，電路為動態(tài)。

畫法：視直流源、電容短路?！稹餜SRBRCuSuO二、放大電路的動態(tài)分析iB(μA)uBE(V)Q′ube=uiibicQ″QiC（mA)uCE(V)IB=20μA406080100QicQ″Q′uceuiiBIBiCICuCEUCE

信號是疊加在靜態(tài)基礎(chǔ)上的,輸出信號與輸入信號相位相反，相差180°。ubeuce＝ubeUBE三、非線性失真1．靜態(tài)工作點的設(shè)置 要使放大器能正常工作，必須設(shè)置一個合適的靜態(tài)工作點，否則將會引起非線性失真。非線性失真：截止失真、飽和失真、雙向失真。截止失真原因：Q點太低，放大器到了截止區(qū)改善：提高Q點，一般減少RB，增加IB，使IB≥IBM飽和失真：原因：工作點Q太高，使放大器工作到了飽和區(qū)。改善：降低Q，增大RB，減少IB.iC（mA)uCE(V)20406080100icuceuce截止現(xiàn)象：ib、ic負半周削除;uce正半周削除飽和現(xiàn)象：

ib不失真，ic正半周削除;uce負半周削除。為了防止失真，工作點最好使Q位于負載線中點，即UCE大約為UCC一半左右。icQQ″Q′QQ″Q′ibib三極管狀態(tài)判斷當UBE<0.5V時，VT截止IB≈IC=0當UBE>0.5V，當IB≥IBSBE、BC正偏，VT飽和當0<IB<IBS，VT放大○○RBRC+UCCICIBIBS=（UCC－0）/βRCUBEUCE第三節(jié)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定溫度對靜態(tài)工作點的影響分壓式偏置電路一、溫度對靜態(tài)工作點的影響 ↗溫度↑→ ↘ICBO↑β↑UBE↓IC↑↘→↗溫度上升，工作點Q上移，易發(fā)生飽和失真；溫度下降，工作點Q下移，易發(fā)生截止失真。二、分壓式偏置電路○RB1RB2RERc+Ucc～RsRLusC1C2CEIBI2I1RB1、RB2—偏置電阻，固定基極電位UB;RE—射極電阻，固定射極電流IE;CE—隔直通交電容。工作點估算工作點穩(wěn)定過程uBE(V)

iB

(μA)靠RE上壓降的變化穩(wěn)定工作點；加入RE后，電壓放大倍數(shù)下降，在RE兩端并聯(lián)電容CE。第四節(jié)微變等效電路法晶體管的微變等效電路共射放大電路的微變等效電路放大器的性能分析一、晶體管的微變等效電路1.微變等效電路將三極管等效為線性元件的電路。等效條件：信號變化范圍小。2．三極管微變等效電路輸入端－－三極管輸入電阻IB(μA)UBE(V)Q△UBE△IB輸出端－－輸出等效電阻IC(mA)UCE(V)－－受控電流源三極管ic=βib→受控電流源rbe

→電阻rce→開路BCEBErbeibicβib步驟a)做三極管等效電路，標注B、C、E三極；b)將三極管放大電路的UCC、C1、C2短路，將RB、RC等元件對號入座。二、共射放大電路的微變等效電路C○RBRC++uO＋UCCBCE○○uiuiRBRCRLrbeibicβibRLuO－uiRBRCRLrbeibicβibuO三、放大器的性能分析1.放大倍數(shù)rirO2.輸入電阻ri3.輸出電阻roro可在輸入電壓為零，負載開路的條件下求得。iiiO4.考慮信號源內(nèi)阻○RBRC++uO＋UCCRSuSuiRL～RSUSri·Ui·～例：電路如圖，β=40，計算放大倍數(shù)。(UBE=0)解：（1）確定Q（2）求rbe若上例中含RS=500Ω,則？（3）求○300K4k++uO+12V○○ui4k例：已知：RB1=40KΩ,RB2=20KΩ,RC=2.5KΩ,RE=2KΩ,Ucc=12V,UBE=0.7V,β=40,RL=5KΩ。試計算Q、Au、Ri、Ro?！餜B1RB2RERC+Ucc～RsRLUs解：解題步驟UB→UEIEIC←IBUCE↓UB=RB2

RB1+RB2·Ucc=20×1240+20=4VUE=UB－UBE=4－0.7=3.3VIE=UERE=3.32=1.65mAIC≈IE

=1.65mAIB=ICβ=1.6540=41μAUCE

≈Ucc－IC(RC+RE)=12－1.65×(2+2.5)=4.575VuiRB1RCRLibicrbeβibuORB2=0.946kΩ

第五節(jié)共集電極放大電路共集電極放大電路的分析共集電極放大電路的特點及應用一、共集電極放大電路（射隨器）的分析○RBRE++uO＋UCCRSuSuiRL～1、靜態(tài)分析2、動態(tài)分析作微變等效電路，C1、C2、UCC短路。RBRE

RL?b?crbeβibRSUS

·～?eUo·Ui

·1.放大倍數(shù)RBRERL?b?crbeβibRSUS·～?eUO·Ui·?i?RB2.輸入電阻riri越大，電源電阻RS分壓越小，對信號衰減越小。rirO3.輸出電阻roRBRE?b?Orbeβ?bRSUO·?RErO越小，帶負載后輸出電壓變化越小，帶負載能力越強。二、共集電極放大電路的特點及應用1.射隨器特點輸出電阻低輸出電壓與輸入電壓相同輸入電阻高多級放大電路的輸入級 輸入電阻高，減輕信號源負擔。輸出級 輸出電阻低，提高帶負載能力。中間級 ri相當于前一級負載電阻；rO相當于后一級信號源內(nèi)阻。2.射隨器的應用例：已知射隨器RS=2KΩ,RB=150KΩ,RE=2KΩ，RL＝2KΩ，UCC=+12V，β＝50，rbe=846Ω，求:靜態(tài)工作點Q、Au、Aus、ri。(UBE≈0)○RB1RB2RE2Rc+UccRLRE1例：已知：RB1=33KΩ,RB2=10KΩ,RC=3.3KΩ,RE1=200Ω,RE2=1.3KΩ,Ucc=12V,rbe=994Ω,β=50，RL=5.1KΩ。試計算Au、Ri、Ro。Ui·Uo·RE1RB2RB1rbeRLRCβ?b?b