电工学(下册、第6版)第14章

1、第第1414章章 二极管和晶体管二极管和晶体管第第1515章章 基本放大电路基本放大电路第第1616章章 集成运算放大器集成运算放大器第第1717章章 电子电路中的反馈电子电路中的反馈第第2020章章 门电路和组合逻辑电路门电路和组合逻辑电路 本章从讨论半导体的导电特性和本章从讨论半导体的导电特性和 PN 结的基本原理（特结的基本原理（特别是它的单向导电性）开始，然后介绍二极管和晶体管，为别是它的单向导电性）开始，然后介绍二极管和晶体管，为以后的学习打下基础。以后的学习打下基础。 如硅、锗、硒以及大多数的如硅、锗、硒以及大多数的金属氧化物和硫化物都是半导体。金属氧化物和硫化物都是半导体。 很多

2、半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。很多半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。 如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，它的导电能力就可增加几十万倍乃至几百万倍。，它的导电能力就可增加几十万倍乃至几百万倍。利用这种特性就可做成各种不同用途的半导体器件利用这种特性就可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效应管以及晶闸管等。，如二极管、三极管、场效应管以及晶闸管等。半导体器件是如何制作的半导体器件是如何制作的? ? 根本原因在于它的内部的特殊性。也就是其内根本原因在于它的内部的特殊性。也就是其内部结构和导电机理的特殊性。部结构和

3、导电机理的特殊性。半导体为何有如此悬殊的导电特性？半导体为何有如此悬殊的导电特性？ +4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。图图14.1.1 14.1.1 锗和硅的原子结构锗和硅的原子结构硅原子硅原子锗原子锗原子 本征半导体立体结构图与平面示意图分别如本征半导体立体结构图与平面示意图分别如 图图14.1.2 14.1.2 和图和图14.1.314.1.3所示。所示。图14.1.214.1.2 晶体中原子的排列方式 图14.1.314.1.3 硅单晶中的共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4价电子价电子共价键共价键 SiSiSiSi此时，原子的中

4、性便被破坏，而显出带正电。此时，原子的中性便被破坏，而显出带正电。半导体导电方式半导体导电方式 载流子载流子SiSiSiSi 当半导体两端加当半导体两端加上外电压时，价电子上外电压时，价电子作定向运动形成电子作定向运动形成电子电流；而空穴运动相电流；而空穴运动相当于正电荷的运动。当于正电荷的运动。自由电子自由电子空穴空穴热激发与复合现象热激发与复合现象热激发热激发 复合现象。复合现象。SiSiSiSi自由自由电子电子空穴空穴 如温度愈高，则如温度愈高，则载流子数目愈多，导载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所电性能也就愈好，所以，以，SiSiSiSi 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由

5、电征半导体中的自由电子子空穴对的数目基空穴对的数目基本不变。温度愈高，本不变。温度愈高，自由电子自由电子空穴对数空穴对数目越多目越多。14.1.2 14.1.2 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或中掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，空穴是少数载流子。载流子。 SiSiP+Si多余多余电子电子： 在 硅 或 锗 晶在 硅 或 锗 晶体中掺入硼（或其体中掺入硼（或其它三价元素）。它三价元素）。 空穴是多数载空穴是多数载流子，自由电子是流子，自由电子是少数载流子。少数载流

6、子。 空穴 通常在一块通常在一块 P 型型( N型型 )半导体的局部再掺入浓度较大半导体的局部再掺入浓度较大的三价的三价(五价五价)杂质杂质,使其变为使其变为 P型型 ( N型型 )半导体，在半导体，在 P 型型半导体和半导体和 N 型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层,称称为为 PN 结。结。PNPN结结图14.2.114.2.1 PN 结的单向导电性PN结结PNIR(a)(a) 加正向电压时 当在当在 PN 结上加正向电压（或称为正向偏置），即电源结上加正向电压（或称为正向偏置），即电源正极接正极接 P 区，负极接区，负极接 N 区时，区时，P 区的多数

7、载流子即空穴和区的多数载流子即空穴和 N 区的多数载流子即自由电子在电场作用下通过区的多数载流子即自由电子在电场作用下通过 PN 结进入结进入对方，两者形成较大的正向电流。对方，两者形成较大的正向电流。图14.2.114.2.1 PN 结的单向导电性PN结结PNI 0R(b)(b) 加反向电压时当当 PN 结上加反向电结上加反向电压时，截止。压时，截止。当当 PN 结上加正向电结上加正向电压时，导通。压时，导通。 当在当在 PN 结上加反向电压（或称为反向偏置），即电源结上加反向电压（或称为反向偏置），即电源正极接正极接 N 区，负极接区，负极接 P 区时，区时，P 区的少数载流子即自由电区的

8、少数载流子即自由电子和子和 N 区的少数载流子即空穴在电场作用下却能通过区的少数载流子即空穴在电场作用下却能通过 PN 结结进入对方，形成反向电流。由于少数载流子极少，因此反向进入对方，形成反向电流。由于少数载流子极少，因此反向电流极少。电流极少。 将将 PN 结加上电极引线和管壳，就成为二极管结加上电极引线和管壳，就成为二极管。 一般为锗管，它的结一般为锗管，它的结面积很小（结电容小），面积很小（结电容小），因此不能通过较大电流，因此不能通过较大电流，但其高频性能好，一般用但其高频性能好，一般用于高频和小功率的电路，于高频和小功率的电路，也可用作数字电路的开关也可用作数字电路的开关元件。元件

9、。 一般为硅管，它的结一般为硅管，它的结面积大（结电容大），可面积大（结电容大），可通过较大电流，但其工作通过较大电流，但其工作频率较低，故一般用于整频率较低，故一般用于整流。流。 用于大功用于大功 率整流管和数率整流管和数 字电路中的开字电路中的开 关管。关管。 阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D 图图14.3.1 14.3.1 二极管二极管（a a）点接触型；（）点接触型；（b b）面接触

10、型；）面接触型； （c c）平面型；）平面型； （d d）二极管符号）二极管符号铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) ) 面接触型面接触型UEIVmAUEIVuAui014.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性图图14.3.3 14.3.3 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线死区死区电压电压硅：0.5 V锗：0.1 V导通时的正向电压导通时的正向电压0.7V0.3V击穿电压击穿电压UBR反向饱和电流反向饱和电流当二极管上加反向电压时，形成很小的反向电流当二极管上加反向电压时，形成很小的反向电流。 一是它随温度的上升一是

11、它随温度的上升增长很快；增长很快； 14.3.3 14.3.3 主要参数主要参数 指二极管长时间使用指二极管长时间使用时，允许通过二极管的最时，允许通过二极管的最大正向平均电流。大正向平均电流。 保证二极管不被击穿保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一一般是反向击穿电压的一半或三分之二半或三分之二。 指二极管上加反向工指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流作峰值电压时的反向电流值值。定性分析：判断二极管的工作状态定性分析：判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若若或或为正为正( 正向偏置正向偏置 )，二极管导通，二极管导通 若若或或为负为负( 反

12、向偏置反向偏置 )，二极管截止，二极管截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，V sin18itu 8Vt 0二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路二极管截止，可看作开路二极管截止，可看作开路。其表示符号和外形如图其表示符号和外形如图14.4.114.4.1所示所示。图14.4.1 稳压二极管的表示符号和外形图图图14.4.2 14.4.2 稳压二极管的伏安特性曲线稳压二极管的伏安特性曲线EIRIZ UZOU/VI / mA反向正向正向 在此区间，电流虽然在在此区间，电流虽然在很大范围内变化，但稳压二很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。极管两端的电压变化很小。利用这一特性，

13、它可在电路利用这一特性，它可在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压二极管主要参数：稳压二极管主要参数：符号符号光电传输系统光电传输系统 （a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号 为了更好地分析和研究晶体管特性曲线和工作参数，我为了更好地分析和研究晶体管特性曲线和工作参数，我们首先简单介绍晶体管内部的结构和载流子的运动规律们首先简单介绍晶体管内部的结构和载流子的运动规律。图14.5.1晶体管的结构 (a) 平面型; (b)合金型集电极集电极 晶体管的分类晶体管的分类基极基极 发射极发射极 NPN 型型 PNP 型型符号符号:符号符号:PPN发射区发射区集电区集电区基区基区发射结集电结发射极

14、发射极集电极集电极基极基极-NN P发射区发射区集电区集电区基区基区发射结集电结发射极发射极集电极集电极基极基极NNPNPP发射极发射极集电极集电极图14.5.414.5.4 晶体管电流放大的实验电路ECRBUCE+BUBE_mA_+AmAECEB14.5.2 14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理实验电路图如图实验电路图如图14.5.414.5.4所示。所示。 。集电极电路集电极电路基极电路基极电路公共端公共端 如果用的是如果用的是 NPN 型硅管，则电源型硅管，则电源 EC 和和 EB 的极性的极性必须按照图必须按照图14.5.414.5.4中那样的接法，使发射结上加正向电压中

15、那样的接法，使发射结上加正向电压（正向偏置），由于（正向偏置），由于 EC 大于大于 EB，集电结加的是反向电，集电结加的是反向电压（反向偏置），晶体管才能起到放大的作用压（反向偏置），晶体管才能起到放大的作用。 表14.5.1晶体管电流测量数据, 5 .3704. 050. 1BCIIBIIICE3 .3806. 030. 2BCII4004. 006. 050. 130. 2BCII （3 3） 当当 IB = 0 = 0（就是将基极开路）时，（就是将基极开路）时， IC = ICE0, , 表中表中 ICE0 0.001mA = 1 = 1uA。 。再比较第三列和第四列的数。再比较第三列

16、和第四列的数据可得出据可得出 （4 4） 下面用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论下面用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。由载流子浓度差引起载流由载流子浓度差引起载流子的运动称为子的运动称为在电场作用下而引起载流在电场作用下而引起载流子的运动称为子的运动称为 用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。发射结加正向电压；集电结加反向电压。发射结加正向电压；集电结加反向电压。B B1. 1. 发射区向基区扩散电子，形成电流发射区向基区扩散电子，形成电流 发射结正偏扩散强区多子（自由电子）到 区区多子（空穴）到 区穿过发射结的电流主

17、要是电子流形成发射极电流 是由扩散运动形成的IRB_2. 2. 电子在基区扩散与复合，形成基极电流电子在基区扩散与复合，形成基极电流 IBE E 区电子到基区区电子到基区 B B 后，有两种运动后，有两种运动扩散 EC复合EB 同时基区中的电子被同时基区中的电子被 EB 拉走形成拉走形成EB=B时达到动态平衡形成稳定的基极电流 BB 是由复合运动形成的R_3. 3. 集电极收集电子，形成集电极电流集电极收集电子，形成集电极电流 C集电结反偏集电结反偏阻碍 区中的多子（自由电子）扩散，同时收集 区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流 I形成集电极电流 如上所述，从发射区扩散到基区的

18、电子中只有很小一部如上所述，从发射区扩散到基区的电子中只有很小一部分在基区复合，绝大部分到达集电区。也就是构成发射极电分在基区复合，绝大部分到达集电区。也就是构成发射极电流流 的两部分中，的两部分中， 部分是很小的，而部分是很小的，而 部分所占的部分所占的百分比是大的。这个比值用百分比是大的。这个比值用 表示，即表示，即晶体管中载流子的运动和电流分配BCCBBCBCBECEIIIIIIII00 当调节当调节 R 使使 有一个微小的变有一个微小的变化时，将会引起化时，将会引起 大得多的变化。大得多的变化。图图 14.5.6 14.5.6 电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极

19、性 （a）NPN 型晶体管；（b）PNP 型晶体管 此外，从晶体管内部载流子的运动规律来看，也就理解此外，从晶体管内部载流子的运动规律来看，也就理解了要使晶体管起电流放大作用，为什么了要使晶体管起电流放大作用，为什么14.5.3 14.5.3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线图图 14.5.7 3DG10014.5.7 3DG100晶体管的输入特性曲线晶体管的输入特性曲线 晶体管的特性曲线是表示该晶体管各极电压和电流之间关晶体管的特性曲线是表示该晶体管各极电压和电流之间关系，系，它反映了晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。它反映了晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。 最常用的是晶体管的

20、共发射极接法时的输入和输出曲线。最常用的是晶体管的共发射极接法时的输入和输出曲线。 输入特性曲线是指输入特性曲线是指当集当集射极电压射极电压 为常数时，输入电路中为常数时，输入电路中基极电流基极电流 与基与基射极射极电压电压 之间的关系曲之间的关系曲线线 = = ( () )。UCE1VIB B/AUBE/ /V00.2 0.40.6 0.8 1.010080604020 = = BE= = 死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区00.20.40.60.81.010080604020IB B/AUBE/ /V只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶

21、体管才会出现基极电流出现基极电流 B。QICUCE1.531206(V)(mA)9312I IB B=80A=80AI IB B=60A=60AI IB B=40A=40AI IB B=20A=20AI IB B = 0= 02.3图图14.5.8 14.5.8 晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线 当基极电流当基极电流 IB 为常数时，输出电路（集电极电路）中集电为常数时，输出电路（集电极电路）中集电极电流极电流 与集与集射极电压射极电压 之间的关系曲线之间的关系曲线 C = ( )。 输出特性曲线组输出特性曲线组分

22、为三个工作区，就分为三个工作区，就是晶体管有三种工作是晶体管有三种工作状态状态。 不同的不同的 ，得出不同的曲线，得出不同的曲线，故晶体管输出特性曲线是一组曲线故晶体管输出特性曲线是一组曲线。图14.5.9 共发射极电路用图用图14.5.914.5.9的电路分析（集电极电路中接有电阻的电路分析（集电极电路中接有电阻 RC ）EC=UCCRBUCE+BUBE_+ECEBTRC+_ 输出特性曲线接近于水平部分是晶体管放大区输出特性曲线接近于水平部分是晶体管放大区。 。 只有在晶体管工作于放大状态只有在晶体管工作于放大状态时，输出信号才能在输出曲线的放时，输出信号才能在输出曲线的放大区工作。大区工作

23、。放大区也称为线形区放大区也称为线形区， 应使应使 0.5V， 。 应使 BE0.5V （为可靠截止，使 BE0V），）， 此时 CE CC ， C 0 。使晶体管使晶体管工作在工作在 饱和区的外部条件饱和区的外部条件应使 BE 0.5V （发射结处于正向偏置），此时 0 。（3 3） 在饱和区，在饱和区， 的变化对的变化对 的影响较小，两者不成正比的影响较小，两者不成正比，放大区的，放大区的 不能适用于饱和区。不能适用于饱和区。可见，晶体管除了有放大作用以外，还有开关作用。可见，晶体管除了有放大作用以外，还有开关作用。 ，发射极与集电极之间电阻很小，发射极与集电极之间电阻很小，如同一个开关被

24、接通；如同一个开关被接通；发射极与集电极之间电阻很大，如同一个发射极与集电极之间电阻很大，如同一个开关被断开。开关被断开。当晶体管当晶体管 截止时截止时图14.5.10 晶体管三种工作状态的电压和电流 （a）放大； （b）截止； （c）饱和+（a a）+（b b）+（c c）表14.5.214.5.2 晶体管结电压的典型数据 晶体管的特性除用特性曲线是表示外，还可以用一些数晶体管的特性除用特性曲线是表示外，还可以用一些数据来说明，这些数据就是晶体管的参数。晶体管参数也是设计据来说明，这些数据就是晶体管的参数。晶体管参数也是设计放大电路、选用晶体管的依据放大电路、选用晶体管的依据。评判晶体评判晶体管的优劣管的优劣晶体管的晶体管的使用限制使用限制BCII 当晶体管接成共发射极电路时，在当晶体管接成共发射极电路时，在（直流状态，无（直流状态，无交流输入信号时）集电极电流交流输入信号时）集电极电流 与基极电流与基极电流 的比值称为的比值称为共发射极静态电流（直流）放大系数。共发射极静态电流（直流）放大系数。UCE/VIC/mA0UCEICIB1QIB2IBBCII 当晶体管工作在当晶体管工作在（在直流状态下，有交流输入信号（在直流状态下，有交流输入信号时），基极电流的变化量为时），基