《電工電子技術(shù)（第2版）》 課件 -孫彤 第7、8章 半導體二極管、半導體三極管及基本放大電路

第7章半導體二極管【學習目標】

1）掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

2）熟悉晶體二極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)?！灸芰δ繕恕?/p>

1）具有利用萬用表對晶體二極管的質(zhì)量及極性進行簡單判斷的能力。

2）對于包含晶體二極管的電路具有獨立分析和計算的能力。目錄7.1半導體的基本知識7.2半導體二極管7.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路7.1

半導體的基本知識

1.半導體的導電特性熱敏特性熱敏特性是指半導體的電阻率隨溫度升高而顯著減小的特性。光敏特性有的半導體材料在無光照時電阻率很高，而一旦受到光線照射后電阻率顯著下降。這種特性稱光敏特性。摻雜特性在純凈的半導體材料中摻入某種微量的元素后，其導電能力將猛增幾萬倍甚至百萬倍。這是半導體最顯著、最突出的特性。

2.本征半導體

本征半導體，就是純凈的、不含“雜質(zhì)”的、而且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導體。

1）本征半導體的結(jié)構(gòu)模型

硅單晶體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2）本征激發(fā)由于半導體材料中的價電子受共價鍵的束縛力較小，在一定的溫度下或在一定強度光的照射下，少數(shù)價電子可以獲得足夠的能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，這種物理現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

3.雜質(zhì)半導體

在本征半導體中有控制有選擇地摻入微量的有用雜質(zhì)，就能制成具有特定導電性能的雜質(zhì)半導體。

半導體以自由電子導電為主，稱為電子型半導體，簡稱N型半導體。在N型半導體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。1）N型半導體2）P型半導體半導體以空穴導電為主，稱為空穴型半導體，簡稱P型半導體。在P型半導體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

4.PN結(jié)的形成和特性1）PN結(jié)的形成

2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦詀）b）

PN結(jié)的單向?qū)щ娦詀）P接電源正極燈亮b）P接電源負極燈不亮

當給PN結(jié)加正向電壓（正向偏置），即外電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，如圖所示，這時在PN結(jié)中有大量的載流子運動，所以PN結(jié)呈低電阻狀態(tài)。PN結(jié)正向偏置

如果給PN結(jié)加反向電壓，即外電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)如圖所示。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，僅能形成很小的反向電流，PN結(jié)呈高電阻狀態(tài)PN結(jié)反向偏置7.2

半導體二極管

1.半導體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管是由PN結(jié)加上相應的電極引線和管殼做成的。P區(qū)引出的電極稱為正極（陽極），N區(qū)引出的電極稱為負極（陰極）。

【二極管的符號】2.半導體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指其兩端的電壓與流過它的電流之間的關(guān)系曲線，如圖所示。【二極管的伏安特性曲線】二極管的伏安特性

1）正向特性當外加正向電壓很小時，正向電流很小，幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值后，電流增長很快。這個電壓稱為死區(qū)電壓，一般硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.2V。二極管正向?qū)ê?，電流上升很快，但管壓降變化很小，硅管的正向壓降約為0.6_0.8V。2）反向特性在給二極管加反向電壓時，隨著反向電壓的增大，反向電流基本不變，且數(shù)值很小，稱為反向飽和電流。小功率硅管的反向電流一般小于0.1μA。當反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流將急劇增加，使二極管失去單向?qū)щ娦?，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，使用時應以避免。

3.二極管的主要參數(shù)

最大整流電流IFM

最大整流電流是指二極管長期工作，允許通過的最大正向平均電流。最高反向電壓URM

最高反向電壓是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向工作電壓。最大反向電流IRM

最大反向電流是指給二極管加最大反向電壓時的反向電流值。

在選用二極管時，要根據(jù)管子的參數(shù)去選擇，既要使管子能得到充分利用，又要保證管子能夠安全工作。7.3

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓二極管

1）穩(wěn)壓二極管簡介穩(wěn)壓二極管是一種特殊的二極管，當穩(wěn)壓二極管工作在擊穿狀態(tài)時微小的端電壓變化就會引起通過其中電流的急劇變化，利用這種特性在電路中與適當?shù)碾娮枧浜暇湍芷鸬椒€(wěn)定電壓的作用，故稱其為穩(wěn)壓二極管?！痉€(wěn)壓二極管的符號】2）穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性與普通二極管基本相似。如圖所示。

穩(wěn)壓二極管的伏安特性3）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

（a）穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓二極管在正常工作時管子兩端的電壓。

（b）穩(wěn)定電流IZ

穩(wěn)壓二極管在正常工作情況下的電流。（c）最大穩(wěn)定電流IZM

穩(wěn)壓二極管允許通過的最大反向電流。穩(wěn)壓二極管工作時的電流應小于這個電流，若超過這個值管子會因電流過大造成熱擊穿而損壞。

（d）動態(tài)電阻rZ

指穩(wěn)壓二極管在正常工作時，其電壓的變化量與相應電流變化量的比值，即，動態(tài)電阻rZ就越小，穩(wěn)壓性能也就越好。

（e）最大允許耗散功率PZM

管子不致發(fā)生熱擊穿而損壞的最大功率損耗，它等于最大穩(wěn)定電流與相應穩(wěn)定電壓的乘積。2.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1)穩(wěn)壓電路的工作原理如圖分析：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

（1）當負載電阻不變，輸入電壓Ui增大時，將引起輸出電壓U0（UZ）的增加，穩(wěn)壓二極管的電流IZ也會顯著增加，結(jié)果使電流IR增大，R上的壓降增加，負載電壓U0的數(shù)值有所減小。同理，如果Ui減小時，負載電壓U0也減小，因此IZ顯著減小，使IR減小，導致R上的壓降也減小，使U0的數(shù)值近似不變;

（2）假設(shè)輸入電壓Ui保持不變，負載電阻RL變小，U0因而下降。穩(wěn)壓二極管的電流IZ顯著減小，電流IR和電阻上的壓降UR就減小，使已經(jīng)降低的負載電壓U0回升而基本保持不變。2）穩(wěn)壓電路元件的選擇

根據(jù)負載的要求組成穩(wěn)壓電路時，主要是選擇穩(wěn)壓二極管DZ和限流電阻R。穩(wěn)壓管DZ的選擇主要從電路的輸出電壓值和負載電流的大小兩方面進行考慮。限流電阻R在電路中起到保護穩(wěn)壓管和調(diào)整電壓的作用，選擇時要從它的阻值和額定功率兩方面來考慮。第8章半導體三極管及基本放大電路

【學習目標】

1）了解三極管的結(jié)構(gòu)，掌握三極管電流分配和放大作用；

2）掌握三極管的輸入特性和輸出特性；

3）了解三極管的常用參數(shù)；

4）理解基本放大電路的組成和工作原理；

5）理解具有穩(wěn)定工作點的放大電路的工作原理?！灸芰δ繕恕?/p>

1）掌握三極管三種工作狀態(tài)的判斷；

2）掌握共射極單管放大電路的分析和計算；

3）掌握具有穩(wěn)定工作點放大電路的分析和計算；

4）會用萬用表對晶體二極管、三極管進行判別。目錄

8.1晶體管

8.2共發(fā)射極基本放大電路

8.3場效應晶體管

8.1

半導體三極管1.半導體三極管的結(jié)構(gòu)

半導體三極管又稱為晶體三極管。它是在硅（或鍺）上利用光刻、擴散等工藝制成。半導體三極管的分類：按結(jié)構(gòu)分，有NPN型三極管和PNP型三極管；按半導體的材料分，有硅三極管和鍺三極管；按功率大小分，有大、中、小功率管；按工作頻率分，有高頻管和低頻管；按作用分，有放大管和開關(guān)管等等。2.半導體三極管的電流分配與放大作用

要使三極管具有電流放大作用必須滿足發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置的外部條件。三極管在放大電路中的三種連接方式，即共基極、共發(fā)射極、共集電極。

放大電路的三種連接方式a）共發(fā)射極b）共基極c）共集電極NPN型三極管共射極放大電路如下圖所示，其中電源UBB和UCC保證了發(fā)射結(jié)正向偏置和集電結(jié)反向偏置。

三極管中載流子的運動1）載流子的運動（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子（2）電子在基區(qū)擴散和復合（3）電子被集電結(jié)收集三個電極的電流分別為：2）三極管的電流分配關(guān)系（1）電流IE、IC、IB間的關(guān)系：（2）集電極電流IC與基極電流IB的關(guān)系：3）三極管的放大作用

當發(fā)射結(jié)兩端電壓的變化引起了發(fā)射極電流的變化，集電極電流和基極電流也會發(fā)生變化，它們的變化量分別用△IC和△IB表示?！鱅C和△IB的比值稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，用β來表示，即:

三極管放大電路具有的電流、電壓放大作用，其能量都來自外加的直流電源，三極管本身是不能產(chǎn)生能量的，它只是起了“以小控大”的能量控制作用。3.晶體三極管的特性曲線1）輸入特性曲線

三極管的發(fā)射極輸入特性曲線是指uCE為一定值時，輸入電流

iB與輸入電壓uCE的關(guān)系曲線，函數(shù)表達式為：【三極管共發(fā)射極輸入特性曲線】三極管共發(fā)射極輸入特性曲線2）輸出特性曲線三極管的發(fā)射極輸出特性曲線是指iB為一定值時，輸出電流iC與輸出電壓uCE的關(guān)系曲線，函數(shù)表達式為：【三極管共發(fā)射極輸出特性曲線】

三極管共發(fā)射極輸出特性曲線三極管的輸出曲線可以劃分為三個區(qū)域：（1）截止區(qū)一般習慣上把iB=0的那條曲線以下的部分稱為截止區(qū)。（2）放大區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置的區(qū)域稱為放大區(qū)。（3）飽和區(qū)三極管發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均處于正向偏置。3）溫度對三極管特性的影響

溫度升高時，三極管的輸入特性曲線左移；三極管的β輸出曲線向上移動；三極管的會增大。在輸出曲線上表現(xiàn)為各條曲線間的距離隨溫度升高而增大。4.晶體三極管的參數(shù)1）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)指在共射電路中，無輸入信號時，在一定uCE下，三極管的集電極電流與基極電流的比值。當IC?ICEO時，直流電流放大系數(shù):

2）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β

指在電路中，在一定uCE下，集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值，即。三極管工作在輸出特性曲線的線性區(qū)時，可認為。3）集極－基極反向飽和電流ICBO

指發(fā)射極斷路時，集電極、基極間的反向飽和電流。4）集電極－發(fā)射極反向飽和電流ICEO

指基極斷路時，集電極、發(fā)射極間的穿透電流，它是ICEO的倍，即。5）集電極最大允許功耗PCM

這個參數(shù)決定于管子的溫升，使用時不能超過，而且要注意散熱條件。硅管最高允許結(jié)溫為150℃，鍺管最高允許結(jié)溫只能達到70℃。若一個管子PCM的已確定，則由可知臨界損耗時IC和UCE，在輸出特性上的關(guān)系為一雙曲線。6）集電極最大電流當集電極電流IC超過一定數(shù)值后，β會明顯下降，此值就稱為集電極最大電流ICM。7）反向擊穿電壓當基極開路時，集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓-U(BR)CEO，一般為幾十伏。當發(fā)射極開路時，集電極與基極之間所能承受的最高反向電壓-U(BR)CBO

，通常比-U(BR)CEO大些。當集電極開路時，發(fā)射極與基極之間所能承受的最高反向電壓-U(BR)CBO

，一般為5V左右。8.2共發(fā)射極基本放大電路

放大電路的實質(zhì)是，利用較小的能量去控制較大能量的能量控制裝置。1.共發(fā)射極基本放大電路的組成

三極管共發(fā)射極基本放大電路如圖所示。1）各元件的作用（1）晶體管（2）集電極電源VCC（3）集電極負載電阻RC

（4）基極電源和基極電阻Rb（5）耦合電容C1和C2

2）放大電路的組成原則（1）直流電源的設(shè)置應使三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。（2）元件的安排要保證信號能夠從放大電路的輸入端加到三極管上，經(jīng)過放大后又能從輸出端輸出。（3）元件參數(shù)的選擇要保證信號能不失真地放大，并滿足放大電路的性能指標。3）放大電路中電壓和電流的符號

為了便于分析，對電路中各極電流、電壓的符號作了統(tǒng)一規(guī)定：（1）直流量用大寫字母加大寫下標表示。如：IB、IC、IE、UCE。（2）交流量用小寫字母加小寫下標表示。如：ib、ic、uce。（3）交直流疊加的總電量小寫字母加大寫下標表示。如：ib、ic、uce

。（4）交流量的有效值大寫字母加小寫下標表示。如：Ib、ube。2.共發(fā)射極基本放大電路的靜態(tài)分析求靜態(tài)工作點：靜態(tài)工作點可通過放大電路的直流通路（直流電流流通的路徑）采用近似計算法求得。直流通路如下圖所示。

共射極基本放大電路的直流通路

一個放大電路的靜態(tài)工作點的設(shè)置是否合適，是放大電路能否正常工作的重要條件，是十分必要的。當靜態(tài)工作點設(shè)置不當和輸入信號幅度較大時,放大電路的工作范圍超出了三極管特性曲線的線性區(qū)，將造成非線性失真，，主要是截止失真和飽和失真。

輸入回路為，則有，其中UBE對于硅管為0.7V，鍺管0.3V。由于一般，所以。當VCC、R0選定后，IB即為固定的值，所以經(jīng)放大電路又稱為固定偏置式共射放大電路，還有輸出回路為，則有3.共發(fā)射極基本放大電路的動態(tài)分析

1）共發(fā)射極基本放大電路的放大原理uitOuoO

基本放大電路對正弦信號的放大

由于電路中基極電流、集電極電流、基極和發(fā)射極之間的電壓、集電極與發(fā)射極之間的電壓都是直流成份和交流成份的疊加。tOUBUBEQOOtIBIBQtOOtICICQtOtubibicOUCEOtUCEQtuceOtOtOtOtuBEiBiCuCE放大電路三極管各極電流電壓波形圖2）共發(fā)射極放大電路的動態(tài)分析（1）三極管H參數(shù)小信號電路模型a)三極管雙口網(wǎng)絡(luò)b)H參數(shù)簡化電路模型三極管H參數(shù)小信號電路模型rBE稱為三極管輸出端交流短路時的輸入電阻，其值與三極管的靜態(tài)工作點Q有關(guān)。

β是三極管輸出端交流短路時的電流放大系數(shù)。當uCE為常數(shù)時，集電極輸出iC電流的變化量△iC（即交流時ic）與輸入基極電流iB的變化量△iB（即ib）之比為常數(shù)，即：（2）三極管電路交流分析一般用放大電路的交流通路（交流電流流通的路徑）來研究交流量及放大電路的動態(tài)性能。電壓放大倍數(shù)AU的計算：

放大電路輸入電阻的計算：

放大電路輸出電阻的計算：4.具有穩(wěn)定工作點的放大電路

1）分壓式偏置電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

分壓式偏置電路適當選擇參數(shù)，使，基極電壓VBQ為：

穩(wěn)定工作點的過程可表示為：

2）靜態(tài)工作點的計算分壓式偏置電路先算ICQ，再算IBQ，再算VCEQ。即：3）動態(tài)分析下圖所示是分壓式偏置電路的微變等效電路。分壓式偏置電路的微變等效電路電壓放大倍數(shù)AU的計算：

放大電路輸入電阻的計算：

放大電路輸出電阻的計算：8.3場效應管

場效應管是一種由輸入電壓來控制其電流大小的半導體三極管，是一種電壓控制型器件。被廣泛應用于集成電路中。1.N溝道增強型絕緣柵型場效應原理和特性

1）結(jié)構(gòu)GDBSP型襯底tBS源極G柵極D漏極金屬鋁二氧化硅耗盡層NN溝道增強型絕緣柵型場效應管的結(jié)構(gòu)和符號2）原理如圖所示，它的特點是：當uGS=0，iD=0；uGS>UGS(th)，iD>0

N溝道增強型絕緣柵型場效應管導電溝道形成可見增強型絕緣柵場效應管的漏極電流iD是受柵極電壓uGS控制的，它必須在uGS為正且大于UGS(th)時才能工作。

3）特性曲線（1）轉(zhuǎn)移特性曲線

增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖a，當uGS=0時iD=0

；只有當uGS>UGS(th)時才能使iD>0

，UGS(th)稱為開啟電壓。在uGS≥UGS(th)時（對應于輸出特性曲線中的恒流區(qū)），iD

和uGS的關(guān)系為：，其中IDo是UGS=2UGS(th)時的ID值。（2）輸出特性曲線

如圖b,絕緣柵型場效應管的輸出特