电子技术0913

1、电子技术 基础 郝 坤 淮南职业技术学院 1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3 特殊二极管特殊二极管 4 双极型二极管双极型二极管 5 单极型三极管单极型三极管 2 半导体二极管半导体二极管 常用半导体器件常用半导体器件 一般情况下，本征半导体中的载流子浓度一般情况下，本征半导体中的载流子浓度 很小，其导电能力较弱，且受温度影响很很小，其导电能力较弱，且受温度影响很 大，不稳定，因此其用途还是很有限的。大，不稳定，因此其用途还是很有限的。 硅和锗硅和锗 的简化的简化 原子模原子模 型。型。 这是硅和锗构成的这是硅和锗构成的 共价键结构示意图共价键结构示意图 晶体结构中的晶体结构中的 共价键

2、具有很强的共价键具有很强的 结合力，在热力学结合力，在热力学 零度和没有外界能零度和没有外界能 量激发时，价电子量激发时，价电子 没有能力挣脱共价没有能力挣脱共价 键束缚，这时晶体键束缚，这时晶体 中几乎没有自由电中几乎没有自由电 子，因此不能导电子，因此不能导电 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键 中的价电子中的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为 ，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“” 。

3、空穴空穴 自由自由 电子电子 本征半导体中产生电子本征半导体中产生电子空穴对的现象称为空穴对的现象称为 显然在外电场的作用下，半导体中将出现两显然在外电场的作用下，半导体中将出现两 部分电流：一是自由电子作定向运动形成的部分电流：一是自由电子作定向运动形成的 ，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由 电子）递补空穴形成的电子）递补空穴形成的。 共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价 电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空 穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现穴中来，

4、使该价电子原来所在的共价键中又出现 一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填 补，再出现空穴，如右图所示。补，再出现空穴，如右图所示。 在半导体中同时存在在半导体中同时存在和和两种两种 参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有 本质上的区别。本质上的区别。 在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元五价元 素素，杂质原子就替代杂质原子就替代了共价键中了共价键中某些硅原子的位置某些硅原子的位置，杂，杂 质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下质原子的四个

5、价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下 的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的 束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电 子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构 中，不能移动，所以它不参与导电中，不能移动，所以它不参与导电。 杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子， 因此与本征激发不同，它不会产生空穴因此与本征激发不同，它不会产生空穴。 由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原

6、子由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子 称为称为。 掺入五价元素的杂质半导体，其掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称，因此称 为为半导体半导体，也叫做，也叫做半导体半导体。 在在半导体中，半导体中，载流子载流子（简称多子），（简称多子），载载 流子流子（简称少子）；不能移动的（简称少子）；不能移动的。 相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。 在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些在如果在其中掺

7、入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些 掺入杂质的半导体称为掺入杂质的半导体称为杂质半导体可以分为杂质半导体可以分为两大类。两大类。 不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然型半导体，虽然 都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的 正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。 在在P型半导体中，由于杂质原子可以型半导体中，由于杂质原子可以 而成为而成为的负离子，故称为的负离子，故称为 。 掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓 度远远大于自由电子的浓度

8、，因此称为度远远大于自由电子的浓度，因此称为 半导体半导体，也叫做，也叫做半导体半导体。 在硅（或锗）晶体中掺入微量的在硅（或锗）晶体中掺入微量的杂质硼（或其他），硼原杂质硼（或其他），硼原 子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而 形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下 获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子得电子而成为而成为不能移动不能移动 的负离子的负离子；而原来的硅原

9、子共价键则因；而原来的硅原子共价键则因缺少缺少一个电子，出现一个一个电子，出现一个空穴空穴。 于是半导体中的空穴数目大量增加。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子空穴成为多数载流子，而自由电子 则成为少数载流子则成为少数载流子。 正负空间电荷在交界面两侧形成一个由正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向区指向P区的电场，称为区的电场，称为内电场内电场，它，它对对 多数载流子的扩散运动起阻挡作用多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为，所以空间电荷区又称为阻挡层阻挡层。同时，内电场对。同时，内电场对 少数载流子起推动作用，把少数载流子起推动作用，把少数载流

10、子在内电场作用下有规则的运动称为少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为。 P型和型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或型或 P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或型或N 型半导体，在型半导体，在P型和型和N型半导体的交界面就会形成型半导体的交界面就会形成PN结。结。 。 左图所示的是一块晶片，两边分别形成左图所示的是一块晶片，两边分别形成P 型和型和N型半导体。为便于理解，图中型半导体。为便于理解，图中P区仅区仅 画出空穴（多数载流子）和得到一个电子

11、的画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的 三价杂质负离子，三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多区仅画出自由电子（多 数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离 子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区区 向向N区扩散，自由电子要从浓度高的区扩散，自由电子要从浓度高的N区向区向P 区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形耗尽），形 成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区 域，这就是域，这就是，又叫，又叫。 空间电荷区空间电荷区 PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互

12、矛盾的结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条。在一定条 件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载 流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的 宽度基本稳定下来，宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的状态。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 根据扩散原理，空穴要从浓度高的根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向区向N区扩散，自由电子要从浓度区扩散，自由电子要从

13、浓度 高的高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正耗尽），形成载流子极少的正 负空间电荷区（如上图所示），也就是负空间电荷区（如上图所示），也就是，又叫，又叫。 P区 N区 空间电荷区空间电荷区 少子少子 漂移漂移 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结 P 区 N 区 载流子的扩散运动 多子多子 扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区 产生内电场产生内电场 P 区 空间电荷区 N 区 PN 结及其内电场 内电场方向 扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，

14、，同时，同时对多数载流子的继续扩对多数载流子的继续扩 散阻力增大散阻力增大，但，但使少数载流子漂移增强使少数载流子漂移增强； ，又，又促使多子的扩散容易进行促使多子的扩散容易进行。 继续讨论继续讨论 当漂移运动达到和扩散运动相等时，当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于结便处于状态。可状态。可 以想象，在平衡状态下，电子从以想象，在平衡状态下，电子从N区到区到P区扩散电流必然等于从区扩散电流必然等于从P区到区到N 区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即 。 由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩

15、散过来由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来 的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为 。扩散作用越强，耗尽层越宽。扩散作用越强，耗尽层越宽。 空空间间电电荷荷区区变变窄窄 R 内内电电场场 外外电电场场 P N I正正向向 US E R 内电场 外电场 空间电荷区 变宽 P N IR 讨论题讨论题 半导体的导电机理与金属导 体的导电机理有本质的区别：金金 属导体中只有一种载流子属导体中只有一种载流子自由自由 电子参与导电，半导体中有两种电子参与导电，半导体中有两种 载流子载流子自由电

16、子和空穴参与导自由电子和空穴参与导 电，电，而且这两种载流子的浓度可 以通过在纯净半导体中加入少量 的有用杂质加以控制。 半导体导电机理半导体导电机理 和导体的导电机和导体的导电机 理有什么区别？理有什么区别？ 杂质半导体中的多子和少子杂质半导体中的多子和少子 性质取决于杂质的外层价电子。性质取决于杂质的外层价电子。 若掺杂的是五价元素，则由于多 电子形成N型半导体：多子是电 子，少子是空穴；如果掺入的是 三价元素，就会由于少电子而构 成P型半导体。 P型半导体的共 价键结构中空穴多于电子，且这 些空穴很容易让附近的价电子跳 过来填补，因此价电子填补空穴 的空穴运动是主要形式，所以多 子是空穴

17、，少子是电子。 杂质半导体中的多数载流杂质半导体中的多数载流 子和少数载流子是怎样产子和少数载流子是怎样产 生的？为什么生的？为什么P型半导体型半导体 中的空穴多于电子？中的空穴多于电子？ N型半导体中具有多数载流子电子，同时型半导体中具有多数载流子电子，同时 还有与电子数量相同的正离子及由本征激还有与电子数量相同的正离子及由本征激 发的电子发的电子空穴对，因此整块半导体中正空穴对，因此整块半导体中正 负电荷数量相等，呈电中性而不带电。负电荷数量相等，呈电中性而不带电。 N型半导体中的多数载型半导体中的多数载 流子是电子，能否认为流子是电子，能否认为 这种半导体就是带负电这种半导体就是带负电

18、的？为什么？的？为什么？ 空间电荷区的电阻空间电荷区的电阻 率为什么很高？率为什么很高？ 何谓何谓PN结的单向导结的单向导 电性？电性？ 2. 半导体在热（或光照等半导体在热（或光照等 ）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为 本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会 “跳进跳进 ”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电 子空穴对被子空穴对被“吃掉吃掉”。 。 1. 半导体中的少子虽然浓度很低半导体

19、中的少子虽然浓度很低 ，但少子对温度非，但少子对温度非 常敏感，即常敏感，即。而多子。而多子 因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温 度影响。度影响。 4. PN结的单向导电性是指：结的单向导电性是指： 3. 空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电 流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就 是说，是说，。 一个一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了结加上

20、相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了 半导体二极管，简称二极管，接在半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳型半导体一侧的引出线称为阳 极；接在极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。型半导体一侧的引出线称为阴极。 半导体二极管按其结构不同可分为半导体二极管按其结构不同可分为和和两类。两类。 点接触型二极管点接触型二极管 。主要应用于小电流的整。主要应用于小电流的整 流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。 面接触型二极管面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结结面积大，因而能通过较大的电流，

21、但其结 电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。 阳 极 阴 极 -60 -40 -20 0.4 0.8 U /V 40 30 20 10 I /mA 0 正向特性 反向特性 死区 电压 二极管外加正向电压较小时，外二极管外加正向电压较小时，外 电场不足以克服内电场对多子扩散电场不足以克服内电场对多子扩散 的阻力，的阻力，PN结仍处于截止状态结仍处于截止状态 。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。 正向电压大于死区电压后，正正向电压大于死区电压后，正 向电流向电流 随着正向电压增大迅速上随着正向电压增

22、大迅速上 升。通常死区电压硅管约为升。通常死区电压硅管约为0.5V ，锗管约为，锗管约为0.2V。 外加反向电压时，外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流很小；结处于截止状态，反向电流很小； 导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.6 0.8V，锗管约为，锗管约为0.20.3V。温度上升，死区电。温度上升，死区电 压和正向压降均相应降低。压和正向压降均相应降低。 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造 成成“热击穿热击穿”，这两种击，这两种击 穿不会从根本上损坏二极管，而穿不会从根本上

23、损坏二极管，而 。 1）最大整流电流）最大整流电流IDM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2）最高反向工作电压）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。：二极管运行时允许承受的最高反向电压。 3）反向电流）反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电 性越好。性越好。 二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检 波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等

24、。波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。 D Tr u1 RLu2 UL 二极管半波整流电二极管半波整流电 路路 u u D A U F 二极管钳位电路二极管钳位电路 R uOui D1D2 二极管限幅电路二极管限幅电路 反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧 增，这种现象称为二极管的增，这种现象称为二极管的。 反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击 穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。 PN结反向电压增加时

25、，空间电荷区内电场增强。通过空间结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间 电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与 晶体中其它晶体中其它 原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电 子子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对与原有的电子空穴对与原有的电子 和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，

26、再通过 碰撞其它原子，又产生电子碰撞其它原子，又产生电子空穴对，从而空穴对，从而。当反向。当反向 电压增大到某一数值，电压增大到某一数值，载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩 一样，突然使反向电流急剧增大，发生二极管的一样，突然使反向电流急剧增大，发生二极管的。 在加有较高的反向电压下，在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电结空间电荷区中存一个强电 场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，形成较大的空穴对，形成较大的 反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为反向电流

27、。发生齐纳击穿需要的电场强度约为210V/cm，这只有在杂质浓，这只有在杂质浓 度特别大的度特别大的PN结中才能达到，因为结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也 大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使PN结产生结产生。 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏 安特性如图所示：安特性如图所示： 当反向电压加到某一数值时，反当反向电压加到某一数值时，反 向电流剧增，管子进入反向击穿区。向电流剧增，管子进入反向击穿区。 图

28、中图中UZ稳压管的稳定电压值稳压管的稳定电压值。 稳压管实物图稳压管实物图 由图可见，稳压管特性和普通二由图可见，稳压管特性和普通二 极管类似，但其极管类似，但其反向击穿是可逆的，反向击穿是可逆的， 不会发生不会发生“热击穿热击穿”，而且其反向击，而且其反向击 穿后的特性曲线比较陡直，即穿后的特性曲线比较陡直，即反向电反向电 压基本不随反向电流变化而变化压基本不随反向电流变化而变化，这这 就是稳压二极管的稳压特性就是稳压二极管的稳压特性。 阳极 阴极 稳压管图符号稳压管图符号 电流增量电流增量I 很大，只会引起很小的电压变化很大，只会引起很小的电压变化U。 曲线愈陡，动态电阻曲线愈陡，动态电阻

29、rz=U/I愈小，稳压管的稳压性能愈好愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，。一般地说，UZ 为为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，rz随齐纳电压的下降随齐纳电压的下降 迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。 稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ，低的为，低的为3V，高的可达，高的可达300V，稳压二极管在工作时，稳压二极管在工作时 的正向压降约为的正向压降约为0.6V。 I/mA 40 30 20 10 -5 -10 -15 -20 （A） 正向 0 0.4 0.8 12 8 4 反向 UZ IZ

30、 U/V 稳压管稳压电路中一般都要加限稳压管稳压电路中一般都要加限 流电阻流电阻R，使稳压管电流工作在，使稳压管电流工作在Izmax 和和Izmix的范围内。稳压管在应用中要的范围内。稳压管在应用中要 采取适当的措施限制通过管子的电流采取适当的措施限制通过管子的电流 值，以保证管子不会造成值，以保证管子不会造成热击穿热击穿。 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数： （1）稳定电压）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。：反向击穿后稳定工作的电压。 （2）稳定电流）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。：工作电压等于稳定电压时的电流。 （3）动态电阻）动态电阻rZ：稳定工作范围内，管子两端

31、电压的变化量与相应电流的：稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的 变化量之比。即：变化量之比。即： rZ=UZ/IZ （4）耗散功率）耗散功率PZM和最大稳定电流和最大稳定电流IZM。额定耗散功率。额定耗散功率PZM是在稳压管允许是在稳压管允许 结温下的最大功率损耗。结温下的最大功率损耗。IZM是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系 可写为：可写为： PZM=UZIZM 回顾二极管的反向击穿时特性：回顾二极管的反向击穿时特性：当反当反 向电压超过击穿电压时，流过管子的电流向电压超过击穿电压时，流过管子的电流 会急剧增加。会急剧增加。 击穿并不意味

32、着管子一定要损坏，如击穿并不意味着管子一定要损坏，如 果我们采取适当的措施限制通过管子的电果我们采取适当的措施限制通过管子的电 流，就能保证管子不因过热而烧坏。流，就能保证管子不因过热而烧坏。 在反向击穿状态下，在反向击穿状态下，让流过管子的电让流过管子的电 流在一定的范围内变化，这时管子两端电流在一定的范围内变化，这时管子两端电 压变化很小压变化很小，利用这一点可以达到，利用这一点可以达到“稳压稳压” 的效果。的效果。 稳压管是怎稳压管是怎 么实现稳压么实现稳压 作用的？作用的？ 单个发光二极管实物单个发光二极管实物 发光二极管图符号发光二极管图符号 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的

33、固体发光发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光 元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具结构成，具 有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。 发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的 数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常 作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发 光元件等。光元件

34、等。 光电二极管也和普通二极管一样，管芯由光电二极管也和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具结构成，具 有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“ 窗口窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透 镜正好射在管芯上。镜正好射在管芯上。 利用稳压管的正利用稳压管的正 向压降，是否也向压降，是否也 可以稳压？可以稳压？ 利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。 因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正 向电阻非

35、常小，工作在正向导通区时，正向电压一向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一 般为般为0.6V左右，此电压数值一般变化不大。左右，此电压数值一般变化不大。 双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。在工作过结构成的。在工作过 程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。 双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或 简称晶体管。简称晶体管。 晶体管的种类很多晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；

36、按照功率分，按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分， 有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。但是从它有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。但是从它 的外形来看，晶体管都有三个电极，常见的晶体管外形如图所示：的外形来看，晶体管都有三个电极，常见的晶体管外形如图所示： 由两块由两块N型半导体中间夹着一块型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为型半导体的管子称为NPN管。管。还还 有一种与它成对偶形式的，即有一种与它成对偶形式的，即两块两块P型半导体中间夹着一块型半导体中间夹着一块N型半导体型半导体 的管子，称为的管子，称为PNP管。管。晶体管制造工艺上的特点是

37、：晶体管制造工艺上的特点是： ，这样的结构才能这样的结构才能保证晶保证晶 体管具有体管具有电流放大作用电流放大作用。 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 晶体管有两个结晶体管有两个结 晶体管有三个区晶体管有三个区 晶体管有三个电极晶体管有三个电极 三极管是一种具有电流放大作三极管是一种具有电流放大作 用的模拟器件。用的模拟器件。 A m mA m mA I IC C I IB B I IE E U UBB BB U UCC CC R RB B 3DG63DG6 NPNNPN型晶体管电流放大的实验电路型晶体管电流放大的实验电路 R RC C C E B 左图所示为验证三极管电流放大左图所示为验

38、证三极管电流放大 作用的实验电路，这种电路接法称为作用的实验电路，这种电路接法称为 共射电路。其中，直流电压源共射电路。其中，直流电压源UCC CC应大 应大 于于UBB BB，从而使电路满足放大的外部条 ，从而使电路满足放大的外部条 件：发射结正向偏置，集电极反向偏件：发射结正向偏置，集电极反向偏 置。改变可调电阻置。改变可调电阻RB，基极电流，基极电流IB， 集电极电流集电极电流IC和发射极电流和发射极电流IE都会发生都会发生 变化，由测量结果可得出以下结论：变化，由测量结果可得出以下结论： a）发射区杂质浓度）发射区杂质浓度基区基区集电区；集电区； b）基区很薄。）基区很薄。 发射结正偏

39、，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 1. IE IB IC （符合（符合KCL定律）定律） 2. IC IB，为管子的流放大系数，为管子的流放大系数， 用来表征三极管的电流放大能力：用来表征三极管的电流放大能力： 3. IC IB B C I I N IC IE IB RB UBB UCC RC N P 由于发射结处于正向偏置，发射区的多由于发射结处于正向偏置，发射区的多 数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不 断从电源补充进电子，形成发射极电流断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。 由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度由于基区很薄，其多数载流子空穴浓

40、度 很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很 少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分 都能扩散到集电结边缘。都能扩散到集电结边缘。 IC比比IB大数十至数百倍，因而大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对虽然很小，但对IC有控制作用，有控制作用，IC随随IB 的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化， 表明表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的这就是三极管的 。 由于集电

41、结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子 拉入集电区，从而形成较大的集电极电流拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。 IC IB RB UBB UCC RC V V A mA + UCE + UBE 0.4 0.8 UBE /V 40 30 20 10 IB /mA 0 UCE1V 测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线 1 1输入特性曲线输入特性曲线 晶体管的输入特性与二极管类似晶体管的输入特性与二极管类似 死区电压死区电压 UCE 1V，原因是，原因是b、e间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集

42、电结为反向间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为反向 偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴 复合，形成复合，形成IB。 与与UCE=0V时相比时相比 ，在，在UBE相同的条件下，相同的条件下，IB要小的多。从图中可以看出，导通电压要小的多。从图中可以看出，导通电压 约为约为0.5V。严格地说，当。严格地说，当UCE逐渐增加逐渐增加 时，时，IB逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为 UCE增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于

43、空穴的复合，所以增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于空穴的复合，所以 IB减小。不过减小。不过UCE超过超过1V以后再增加，以后再增加，IC增加很少，因为增加很少，因为IB的变化量也很小，通常可以的变化量也很小，通常可以 忽略忽略UCE变化对变化对IB的影响，认为的影响，认为UCE 1V时的时的 曲线都重合在一起。曲线都重合在一起。 4 3 2 1 IB=0 0 3 6 9 12 UCE /V 20A 40A 60A 80A 100A 饱饱和和区区 截截止止区区 放放 大大 区区 IC /mA （1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置）放大区：发射极正向偏置，集电结反向

44、偏置 （2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 （3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置 2 2输出特性曲线输出特性曲线 BC ii 0 0 CB ii； iB0，uBE0，uCEuBE BC ii 1 1、电流放大倍数、电流放大倍数：i iC C= = i iB B 2 2、极间反向电流、极间反向电流i iCBO CBO、 、i iCEO CEO： ：i iCEO CEO= =（ （1+ 1+ ）i iCBO CBO 3 3、极限参数、极限参数 （1 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流 I ICM

45、 CM： ： 下降到额定值下降到额定值的的 2/32/3时所允许的最大集电极电流。时所允许的最大集电极电流。 （2 2）反向击穿电压）反向击穿电压U U（ （BRBR）CEOCEO：基极开路时，集电极 ：基极开路时，集电极 、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与 发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作 ，一般应取：，一般应取： （3 3）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗P PCM CM ：晶体管的参数不超 ：晶体管的参数不超 过允许值时，集电极所消耗的最大功率。过允许值时，集电极所

46、消耗的最大功率。 (BR)CEOCC ) 3 2 2 1 (UU 学习与探讨学习与探讨 晶体管的发射极和集电极是晶体管的发射极和集电极是 不能互换使用的。因为发射区的不能互换使用的。因为发射区的 掺杂质浓度很高，集电区的掺杂掺杂质浓度很高，集电区的掺杂 质浓度较低，这样才使得发射极质浓度较低，这样才使得发射极 电流等于基极电流和集电极电流电流等于基极电流和集电极电流 之和，如果互换作用显然不行。之和，如果互换作用显然不行。 晶体管的发射极晶体管的发射极 和集电极能否互和集电极能否互 换使用？为什么换使用？为什么? 晶体管在输出特性曲线的饱晶体管在输出特性曲线的饱 和区工作时，和区工作时，UCE

47、UT时，随着时，随着UGS的增大，导电沟道逐渐变宽，沟道电阻渐小，漏极的增大，导电沟道逐渐变宽，沟道电阻渐小，漏极 电流电流ID渐大渐大。这种漏极电流。这种漏极电流ID随栅极电位随栅极电位UGS的变化而变化的关系，称为的变化而变化的关系，称为 MOS管的管的。 P衬底应接低电位，衬底应接低电位，N衬底应接高电位；当源极电位很高或很低时，应与衬底相连衬底应接高电位；当源极电位很高或很低时，应与衬底相连 通常漏极和源极可以互换，若出厂时源极和衬底相连，应注意漏、源极则不能对调通常漏极和源极可以互换，若出厂时源极和衬底相连，应注意漏、源极则不能对调 MOS管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存。

48、管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存。MOS管的衬底应与电路中管的衬底应与电路中 最低电位相连。应特别注意：最低电位相连。应特别注意：MOS在不使用时栅极不能悬空，务必将各电极短接！在不使用时栅极不能悬空，务必将各电极短接！ 焊接焊接MOS管时，应断电后再焊。管时，应断电后再焊。 n场效应管的源极场效应管的源极S S、栅极、栅极G G、漏极、漏极D D分别对应于晶体管的发射极分别对应于晶体管的发射极e e、基极、基极b b、集电极、集电极c c， 它们的作用相似。它们的作用相似。 n场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而晶体管工作时基场效应管是电压控制电流器件，场效应

49、管栅极基本上不取电流，而晶体管工作时基 极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场 效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高 的电压放大倍数。的电压放大倍数。 n场效应管是多子导电，而晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易场效应管是多子导电，而晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易 受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射受温度、辐射等

50、外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射 能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效应管比较合适。能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效应管比较合适。 n场效应管的源极和衬底通常是连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘场效应管的源极和衬底通常是连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘 栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而晶体管的集电极与发射极互换栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而晶体管的集电极与发射极互换 使用时，其特性差异很大，使用时，其特性差异很大， 值将减小很多。值将减小很多。 n与双极型晶体管相比

51、，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常 选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主要矛盾选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主要矛盾 时，还应选用场效应管。时，还应选用场效应管。 n场效应管和晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使场效应管和晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使 用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源

52、电压范围宽等 优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。 1. 1. 电路的组成电路的组成 共发射极放大电路共发射极放大电路 一、电路组成及各元作用一、电路组成及各元作用 图 共发射极基本放大电路 2. 各元件作用 (1) 三极管V：实现电流放大。 (2) 集电极直流电源UCC :确保 三极 管工作在放大状态。 (3) 集电极负载电阻RC :将三极管集电极电流的变化转变 为电压变化，以实现电压放大。 (4) 基极偏置电阻RB :为放大电路提供静态工作点。 (5) 耦合电容C1和C2 :隔直流通交流。 3.工作原理 (1) ui直接加在三极管V的基极和发射极之间

53、，引起基极电 流iB作相应的变化 。 (2) 通过V的电流放大作用， V的 集电极电流iC也将变化 。 (3) iC的变化引起V的集电 极和 发射极之间的电压uCE变化。 (4) uCE中的交流分量uce经过C2畅通地传送给负载RL，成为 输出交流电压uo,，实现了电压放大作用。 静态分析就是要找出一个合适的静态工作点,通常由放大 电路的直流通路来确定。如图所示。 图 共发射极放大电路的直流通路和静态工作点 2 静态分析静态分析 静态分析通常有两种方法 1. 估算法 (a) (b) ICIB (2) UCE = UCC - IC RC (3) B BECC B R UU I B CC B R

54、U I 2. 图解法 (1) 作直流负载线 由 uCE = UCC - iC RC 令iC=0时，uCE= UCC，在横轴上得M点(UCC ，0) 令uCE=0时， ，在纵轴上得N点(0， ) 连接M N 即直流负载线 C CC R U C CC R U (2) 求静态工作点 直流负载线与iB=IB对应的那条输出特性曲线的交点Q，即 为静态工作点，如图 (b)所示 (a) (b) 图 静态工作点的图解 例 试用估算法和图解法求图 (a) 所示放大电路的静态工 作点，已知该电路中的三极管=37.5，直流通路如图 (b)所示， 输出特性曲线如图 (c) 所示。 图 例的图 解： 10 用估算法求静

55、态工作点 由公式得 IB0.04mA=40A ICIB=37.50.04mA=1.5mA UCE=UCC - ICRC=12-1.54=6V 20 用图解法求静态工作点 由 uCE = UCC - iCRC = 12 - 4iC得 M点(12，0)； N点(0，3) MN与iB=IB=40A的那条输出特性曲线相交点，即是静态 工作点Q。从曲线上可查出：IB=40A，IC=1.5mA，UCE=6V。 与估算法所得结果一致。 3.电路参数对静态工作点的影响 (1) RB 增大时，IB减小，Q点降低，三极管趋向于截止。 (2) RB 减小时，IB 增大，Q点抬高，三极管趋向于饱和。 此时三极管均会失

56、去放大作用。 1. 图解法 (1) 负载开路时输入和输出电压、电流波形的分析 根据ui波形，在输入特性曲线上求iB和uBE的波形 根据iB波形，在输出特性曲线和直流负载线上求iC、 uRC 和uCE的变化 ，如图所示。 3 动态分析动态分析 图7.5(a) (2) 带负载时输入和输出电压、电流波形分析 作交流负载线： 10 先作出直流负载线MN，确定Q点。 20 在uCE坐标轴上，以UCE为起点向正方向取一段IC R/L 的 电压值，得到C点。 30 过CQ作直线CD，即为交流负载线，如图所示。 (3) 放大电路的非线性失真 截止失真: 三极管进人截止区而引起的失真 。通过减小 基极偏置电阻R

57、B的阻值来消除。 图 (b) 饱和失真： 三极管进入饱和区而引起的失真。通过增大基极 偏置电阻RB的阻值来 消除。 失真波形如图所示。 图 截止失真 饱和失真： 三极管进入饱和区而引起的失真。通过增大 基极偏置电阻RB的阻值来 消除。 失真波形如图所示。 图 饱和失真 为了减小和避免非线性失真，必须合理地选择静态工作点 Q的位置，并适当限制输入信号ui 的幅度。一般情况下，Q点 应大致选在交流负载线的中点，当输入信号ui 的幅度较小时， 为了减小管子的功耗，Q点可适当选低些。若出现了截止失真， 通常采用提高静态工作点的办法来消除，即通过减小基极偏置 电阻RB的阻值来实现；若出现了饱和失真，则反

58、向操作，即增 大RB。 2. 微变等效电路法 (1) 三极管微变等效电路 图7.11 三极管的微变等效电路 rbe=300+(1+) )( )( )(26 mAI mV E (2) 放大电路微变等效电路 放大电路的微变等效电路就是用三极管的微变等效电路替 代交流通路中的三极管。交流通路指：放大电路中耦合电容和 直流电源作短路处理后所得的电路。因此画交流通路的原则是： 将直流电源UCC短接；将输入耦合电容C1和输出耦合电容C2短 接。图7. 1的交流通路和微变等效电路如图7.12所示。 n (b) 交流通路 (c)微变等效电路 图 共发射极基本放大电路 (3) 动态性能分析 电压放大倍数电压放大

59、倍数Au 输入电阻输入电阻Ri 输入电阻指从放大电路输入端AA/ (如图7.13)看进去的等效 电阻，定义为： Ri= 由图7. 12可知 = rbeRB be L beb Lb i o u r R rI RI U U A i i i I U R i i I U 若考虑信号源内阻(如图)，则放大电路输入电压Ui是信号源 Us在输入电阻Ri 上的分压，即 输出电阻输出电阻Ro 输出电阻指从放大器放大器信号源短路、负载开路，从 输出端看进去的等效电阻，定义为： Ro= Si i Si RR R UU o o I U 图 放大电路的输入电阻和输出电阻 由图可知 Ro= = RC 工程中，可用实验的方

60、法求取输出电阻。在放大电路输 入端加一正弦电压信号，测出负载开路时的输出电压U/o；然 后再测出接入负载RL时的输出电压Uo，则有 式中： U/o 、Uo是用晶体管毫伏表测出的交流有效值。 L Lo o o R RR U U / L o o o R U U R) 1( o o I U 例 图 (a)所示电路的交流通路和微变等效电路如图7.14所 示，试用微变等效电路法求： 10 动态性能指标 、Ri、Ro。 20 断开负载RL后，再计算 、Ri、Ro。 图例的图 u A u A 解：10 由例可知 IE1.5mA 故 = 967 Ri = RB / rbe=300 / 0.9670.964k