上课电工学 第4章_-

1、第四章第四章 半导体器件半导体器件 半导体基本知识半导体基本知识 半导体二极管半导体二极管 半导体三极管半导体三极管 场效应管场效应管半导体基本知识半导体基本知识 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性本征半导体本征半导体 半导体半导体 本征半导体本征半导体 本征半导体的导电性能本征半导体的导电性能 半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为的材料称为半导体半导体。最常用的半导体。最常用的半导体为硅为硅(S(Si i) )和锗和锗(Ge)(Ge)。它们的共同特征。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数是

2、四价元素，每个原子最外层电子数为为 4 4。+SiGe半导体材料的特性半导体材料的特性 纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差； 掺杂性掺杂性掺入少量杂质导电能力增强。掺入少量杂质导电能力增强。 热敏性热敏性温度升高导电能力增强；温度升高导电能力增强； 光敏性光敏性光照增强导电能力增强光照增强导电能力增强,还可以还可以 产生电动势；产生电动势；本征半导体本征半导体 经过高度提纯的经过高度提纯的单一晶格结构单一晶格结构的硅的硅或锗原子构成的晶体，或者说，或锗原子构成的晶体，或者说，完全纯完全纯净、具有晶体结构的半导体称为净、具有晶体结构的半导体称为本征半本征半导体导体。 本征半导体的

3、特点是：本征半导体的特点是：原子核最外层的价电子是原子核最外层的价电子是四个，是四价元素，它们四个，是四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结排列成非常整齐的晶格结构。所以半导体又称为构。所以半导体又称为晶晶体体。本征半导体的导电性能本征半导体的导电性能价电子与共价键价电子与共价键自由电子与空穴自由电子与空穴电子电流与空穴电流电子电流与空穴电流价电子与共价键价电子与共价键 在本征半导体的晶体结在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每邻的四个原子结合。每一原子的一原子的个个价电子价电子与与另一原子的一个另一原子的一个价电子价电子组成一个组成一个电子对电子对。这

4、对。这对价电子是每两个相邻原价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻子共有的，它们把相邻的原子结合在一起，构的原子结合在一起，构成所谓成所谓共价键共价键的结构。的结构。共价键共价键硅原子硅原子共价键共价键价电子价电子价电子受到价电子受到激发激发，形成自由电子并留形成自由电子并留下空穴。下空穴。半导体中的半导体中的自由电自由电子子和和空穴空穴都能参与都能参与导电导电半导体具半导体具有两种载流子。有两种载流子。自由电子和空穴自由电子和空穴同时产生同时产生空穴空穴自由电子与空穴自由电子与空穴 在价电子成为自由电子的在价电子成为自由电子的同时，在它原来的位置上同时，在它原来的位置上就出现一个就出现一个

5、空位空位，称为，称为空空穴穴。空穴表示该位置缺少空穴表示该位置缺少一个电子一个电子，丢失电子的原，丢失电子的原子显正电，称为子显正电，称为正离子正离子。 自由电子又可以回到空穴自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫性，这个过程叫复合复合。硅原子共价键价电子产生与复合产生与复合SiSiSiSiSi电子电流与空穴电流电子电流与空穴电流 在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中

6、出现另一个空穴，它也可以由相共价键中出现另一个空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，而在该原于中邻原子中的价电子来递补，而在该原于中又出现一个空穴。又出现一个空穴。如此继续下去就好象空如此继续下去就好象空穴在运动穴在运动。而。而空穴运动的方向与价电子运空穴运动的方向与价电子运动的方向相反动的方向相反，因此空穴运动相当于正电，因此空穴运动相当于正电荷的运动，称为荷的运动，称为空穴电流空穴电流。空穴价电子SiSiSiSiSi杂质半导体杂质半导体 本征半导体虽然有自由电子和空穴本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数目极少导电两种载流子，但由于数目极少导电能力仍然很低。如果在能力仍然很

7、低。如果在其中掺入微其中掺入微量的杂质量的杂质( (某种元素某种元素) )，这将使掺杂，这将使掺杂后的半导体后的半导体( (杂质半导体杂质半导体) )的导电性的导电性能大大增强能大大增强 N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体 在硅或锗晶体中渗入少量磷在硅或锗晶体中渗入少量磷(或其它五或其它五价元素价元素)。每个。每个磷原子有五个价电子磷原子有五个价电子故在构故在构成共价键结构时将因多成共价键结构时将因多出一个价电子出一个价电子，这，这样，在半导体中多出的该价电子容易挣脱样，在半导体中多出的该价电子容易挣脱束缚形成自由电子。这种束缚形成自由电子。这种以自由电子导电

8、以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或导体或N型半导体。型半导体。SiGe+P= =N型型P+多余多余电子电子SiSiSiSiSiSiP特点特点 在在N型半导体型半导体中中电子电子是是多多数载流子、空穴是少数载数载流子、空穴是少数载流子。流子。 P P型半导体型半导体 在在硅或锗硅或锗晶体中渗入晶体中渗入硼硼(或其它三价或其它三价元素元素)。每个硼原子只有三个价电子。每个硼原子只有三个价电子故在构成共价键结构时将故在构成共价键结构时将因缺少一个因缺少一个电子电子而形成而形成一个空穴一个空穴，这样，在半导，这样，在半导体中就形成了大量空穴。这

9、种以空穴体中就形成了大量空穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体空穴半导体或或P型半导体型半导体。SiGe+B= =P型型SiSiSiSiSiSiB+B空穴空穴 掺硼的硼的半导体中，空穴空穴的数目远大于的数目远大于自由电子自由电子的数目。的数目。空空穴穴为多数载流子多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空空穴型半导体或穴型半导体或P型半导体型半导体 一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将

10、增加倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍几十万倍。PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性PN结的形成结的形成 在一块晶体两边分别形成在一块晶体两边分别形成P型和型和N型半导型半导 体。体。图中图中 代表得到一个电子的三价杂质代表得到一个电子的三价杂质(例如硼例如硼)离离子，带负电；子，带负电； 代表失去一个电子的五价杂质代表失去一个电子的五价杂质(例如磷例如磷)离子带正电。由于离子带正电。由于P区有大量空穴区有大量空穴(浓浓度大度大)，而，而N区的空穴极少区的空穴极少(浓度小浓度小)，因此，因此空穴空穴要从浓度大的要从浓度大的P区向浓

11、度小的区向浓度小的N区扩散。区扩散。 PN自由电子自由电子空穴空穴扩散扩散 扩散扩散P区区N区区内电场内电场多数载流子将多数载流子将扩散扩散形成形成耗尽层耗尽层；耗尽层载流子的交界处留耗尽层载流子的交界处留下不可移动的离子形成下不可移动的离子形成空空间电荷区间电荷区；（内电场）（内电场）内电场内电场阻碍了多子的阻碍了多子的继续扩散。继续扩散。P区区N区区空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用。但对少数载流子（动起阻挡作用。但对少数载流子（P区的自区的自由电子和由电子和N区的空穴区的空穴)则可推动它们越过空间则可推动它们越过空间电荷区，进入对方。

12、电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为用下有规则的运动称为漂移漂移运动运动。漂移漂移漂移漂移扩散与漂移扩散与漂移扩散和漂移的动态平衡形成了扩散和漂移的动态平衡形成了PN结结 扩散和漂移扩散和漂移是互相联系，又是互相矛盾的。是互相联系，又是互相矛盾的。在在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。占优势。但在扩散运动进行过程中，但在扩散运动进行过程中，空间电荷区空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下(例如温度一定例如温度一定)，多数载流子的扩散运动逐渐

13、减，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数裁流子的漂移运动则逐渐增强。弱，而少数裁流子的漂移运动则逐渐增强。最后最后扩散运动和漂移运动扩散运动和漂移运动达到动态平衡达到动态平衡。达到平衡后。达到平衡后空间电荷区的宽度基本上稳定下来，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于结就处于相对稳定的状态。相对稳定的状态。PN结的单向导电性结的单向导电性 如果在如果在PN结上结上加正向电压加正向电压，即外电源的正端，即外电源的正端接接P区，负端接区，负端接N区。区。 可见外电场与内电场的方向相反，故内电场被可见外电场与内电场的方向相反，故内电场被削弱，整个削弱，整个空间电荷区变窄空间电荷区变窄，有利于多

14、数载流，有利于多数载流子的扩散运动增强，形成子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流较大的扩散电流(正正向电流向电流)，少子，少子漂移电流微乎其微漂移电流微乎其微，此时，此时PN结结的电流可认为是多子的扩散电流，其大小受外的电流可认为是多子的扩散电流，其大小受外电路的限流电阻电路的限流电阻R的制约。的制约。 在在一定范围内一定范围内，外电场愈强外电场愈强，正向电，正向电流流(由由P区流向区流向N区的电流区的电流)愈大，这时愈大，这时PN结结呈现的电阻很低呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但

15、由于它们的运动方有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断向相反，所以电流方向一致。外电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。地向半导体提供电荷，使电流得以维持。 如果在如果在PN结上结上加反向电压加反向电压，即外电源，即外电源的正端接的正端接N区，负端接区，负端接 P区。区。 可见外电场与内电场的方向相同，因此可见外电场与内电场的方向相同，因此空间电荷区加厚空间电荷区加厚，内电场增强；，内电场增强；多子的多子的扩散极难进行扩散极难进行，少子的漂移运动得以顺，少子的漂移运动得以顺利进行。通过利进行。通过PN结得结得电流主要是漂移电流主要是漂移电流电流，其值较小

16、，通常为，其值较小，通常为微安级微安级，称为称为反向饱和电流反向饱和电流，此电流受温度影响较大。，此电流受温度影响较大。PN结反偏时，呈现结反偏时，呈现高阻截止高阻截止状态。状态。 由以上分析可见：由以上分析可见：PN结结具有单具有单向导电性向导电性。即即在在PN结上加正向电压时，结上加正向电压时，PN结电结电阻很低正向电流较大阻很低正向电流较大(PN结处于导通结处于导通状态状态)，加反向电压时，加反向电压时，PN结电阻很高，反结电阻很高，反向电流很小向电流很小(PN结处于截止状态结处于截止状态)。思考题： 为什么空间电荷区靠近为什么空间电荷区靠近N区的一侧带正区的一侧带正电，而靠近电，而靠近

17、P区的一侧带负电？区的一侧带负电？ 空间电荷区既然是由带电的正负离子空间电荷区既然是由带电的正负离子形成，为什么它的电阻率很高？形成，为什么它的电阻率很高？半导体二极管半导体二极管 二极管的基本结构和类型二极管的基本结构和类型 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的主要参数二极管的主要参数 二极管的应用二极管的应用 特殊二极管特殊二极管二极管的基本结构和类型二极管的基本结构和类型 将PN结结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。 从P区引出的电极称为阳极（正极），从N区引出的电极称为阴极（负极）。 按结构分二极管有点接触型点接触型和面接触型两类。 点接点接触型二极管一般为触型二极管

18、一般为锗锗管如图管如图(a)(a)所示。它的所示。它的PNPN结结面积很小结结面积很小( (结电容小结电容小) )，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，故一般适用于高频小功率的场合工但其高频性能好，故一般适用于高频小功率的场合工作，也用作数字电路中的开关元件。作，也用作数字电路中的开关元件。 面接面接触型二极管触型二极管( (一般为一般为硅硅管管) )如图如图 (b)(b)所示。它的所示。它的PNPN结结面积大结结面积大( (结电容大结电容大) )，故可通过较大电流，故可通过较大电流( (可达上千可达上千安培安培) )，但其工作频率较低一般用作整流。，但其工作频率较低一

19、般用作整流。 图图 (c)(c)是二极管的表示符号。箭头方是二极管的表示符号。箭头方向表示加正向电压时的正向电流的方向，向表示加正向电压时的正向电流的方向，逆箭头方向表示不导通，体现了二极管的逆箭头方向表示不导通，体现了二极管的单向导电性能，其单向导电性能，其文字符号为文字符号为DD（c）符号）符号 在在使用二极管时，必须注意极性不能接错，否则使用二极管时，必须注意极性不能接错，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。可能。二极管的伏安特性二极管的伏安特性 所谓二极管的伏安特性是所谓二极管的伏安特性是指流过二极管的指流过二极管的电流

20、与两端电流与两端所加电压的函数关系所加电压的函数关系。二极。二极管既然是一个管既然是一个PN结，它当结，它当然具有然具有单向导电性单向导电性，所以其，所以其伏安特性曲线如图所示。伏安特性曲线如图所示。 由图中可见，二极管的伏安由图中可见，二极管的伏安特性是非线性的，大致可分为四特性是非线性的，大致可分为四个区个区死区、正向导通区、反死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区。向截止区和反向击穿区。U(V)0.4 0.8-50-25I (mA)204060 (A)-40-200死区死区 由图可见当外加由图可见当外加正向电压很低时，由正向电压很低时，由于外电场还于外电场还不能克服不能克服PN结内电场

21、结内电场对多数载对多数载流子流子(除少量较大者外除少量较大者外)扩散运动的阻力，故扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎正向电流很小，几乎为零。这一区域称为为零。这一区域称为死区。死区。U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)-40-20通常硅管的死区通常硅管的死区电压电压约为约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.2V。死区死区正向导通区正向导通区 当外加当外加正向电压大正向电压大于死区电压时于死区电压时，二极管，二极管由不导通变为导通，由不导通变为导通，当当电压再继续增加时，电电压再继续增加时，电流将急剧增加，流将急剧增加，而而二极二极管的电压却几乎不变管的电压却几乎不

22、变，此时二极管的电压称为此时二极管的电压称为正正向导通压降向导通压降。硅管正向导通压降为硅管正向导通压降为0.60.7V，锗管的正向导通压降为锗管的正向导通压降为0.20.3V。U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)-40-20导通区导通区反向截止区反向截止区 在二极管上在二极管上加反加反向电压时向电压时，由于，由于少数载少数载流子的漂移运动流子的漂移运动形成很形成很小的小的反向电流反向电流。反向电。反向电流有两个特点，一流有两个特点，一是它是它随温度的上升增长很快随温度的上升增长很快，一是在一是在反向电压不能超反向电压不能超过某一范围过某一范围，反向电流，反向电流

23、的大小基本的大小基本恒定恒定，而与，而与反向电压的高低无关，反向电压的高低无关，故通常称它为反向饱和故通常称它为反向饱和电流。电流。U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020 这是因为，少数载流子数目有这是因为，少数载流子数目有限，他们基本上都参与导电，所以，限，他们基本上都参与导电，所以，在反向电压不超过某一范围时，反在反向电压不超过某一范围时，反向电流很小且基本恒定。此时，二向电流很小且基本恒定。此时，二极管呈高阻截止状态。极管呈高阻截止状态。反向反向截止区截止区反向击穿区反向击穿区 当外加反向电压过当外加反向电压过高时，高时，反向电流将突然反向电流将突然增

24、加增加，二极管失去单向，二极管失去单向导电性，这种现象称为导电性，这种现象称为击穿。二极管被击穿后，击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性一般不能恢复原来的性能，便失效了。产生击能，便失效了。产生击穿时加在二极管上的反穿时加在二极管上的反向电压称为反向电压称为反向击穿电向击穿电压压（UBR）。）。U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)-40-20反向反向击穿区击穿区反向击穿反向击穿 击穿发生在空间电荷区。发生击穿的原因，击穿发生在空间电荷区。发生击穿的原因，一一种种是处于强电场中的载流子获得足够大的能量是处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格碰撞晶格而将价

25、电子碰撞出来，而将价电子碰撞出来，产生电子空穴产生电子空穴对对，新产生的载流子在电场作用下获得足够能，新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后量后又通过碰撞产生电子空穴对又通过碰撞产生电子空穴对。如此形成连。如此形成连锁反应，反向电流越来越大，最后使得二极管锁反应，反向电流越来越大，最后使得二极管反向击穿，反向击穿，另一种另一种原因是原因是强电场直接将共价键强电场直接将共价键中的价电子拉出来中的价电子拉出来，产生电子空穴对，形成较，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。大的反向电流。二极管的主要参数二极管的主要参数 二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用一

26、些数据来说明，这些数据就是还可用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有下二极管的参数。二极管的主要参数有下面几个面几个 最大整流电流最大整流电流I ICM 最高反向电压最高反向电压U URM 最大反向电流最大反向电流I IRM最大整流电流最大整流电流ICMCM 最大整流电流是指二极管最大整流电流是指二极管长时间长时间使用时，允许流过二极管的最大使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流正向平均电流。当电流超过允许。当电流超过允许值时，将由于值时，将由于PNPN结过热而使管子结过热而使管子损坏。损坏。最高反向电压最高反向电压URM 它是它是保证二极管不被击穿而给出保证二极管不

27、被击穿而给出的反向峰值电压的反向峰值电压，也是二极管正，也是二极管正常工作时所允许加的最高反向电常工作时所允许加的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。或三分之二。最大反向电流最大反向电流IRM 它是指在二极管上它是指在二极管上加最高反向工作加最高反向工作电压时电压时的的反向电流值反向电流值。反向电流越反向电流越小，说明二极管的单向导电性能越小，说明二极管的单向导电性能越好好，但反向电流，但反向电流受温度的影响很大受温度的影响很大。使用中应加以注意。使用中应加以注意。 硅管硅管的反向电流较小，一般在的反向电流较小，一般在几个几个微安微安以下。以下。锗管锗

28、管的反向电流较大为的反向电流较大为硅管的硅管的几十到几百倍几十到几百倍。 除此之外，二极管的除此之外，二极管的参数还有最高工作频率，参数还有最高工作频率，结电容值、工作温度和微结电容值、工作温度和微变电阻等。变电阻等。二极管的应用二极管的应用 二极管的应用范围很广，主要都是二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用于整利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、元件保护以及在脉冲与流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件。数字电路中作为开关元件。 举例说明。举例说明。应用一：电平应用一：电平控制控制电路电路 例例1：在图中，输入：在图中，输入端端A的电位的电位VA=+3V

29、, B的的电位电位VB=0V,求输出端求输出端F的的电位电位VF=?。电阻。电阻R接负电接负电源源12V。解：解： 因为因为A端电位比端电位比B端电位高，所以，端电位高，所以，DA优优先导通。设二极管的正向压降是先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则，则VF=2.7V。当。当DA导通后，导通后，DB上加的是反向电压，上加的是反向电压，所以，所以，DB截止。截止。或或门门DA起钳位作用。将起钳位作用。将VF钳制在钳制在2.7V。DB起隔离作用起隔离作用应用二：半波整流电路应用二：半波整流电路 例例2：如图所示的：如图所示的两个电路中，已知两个电路中，已知ui=30sintV，二极管的，二极管的

30、正向压降可忽略不计正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压试分别画出输出电压u0的波形。的波形。0u0t20t0u2时截止时导通0 , 00 , 0iiiuDuDuu0 , 00 , 0iiiuDuDuu截止时导通时40tiu23R+- -uiu0D+- -DRu0+- -ui+- -应用三：检波电路应用三：检波电路Ui是被调制的高频信号，因二极管的单向导电作用，是被调制的高频信号，因二极管的单向导电作用，把载波信号的负半周截去，再经把载波信号的负半周截去，再经电容电容C将高频成分旁将高频成分旁路路，在负载，在负载RL两端得到输出电压两端得到输出电压uo就是原来的低频信就是原来的低频信号。号。应

31、用四：削波电路应用四：削波电路电路如图，设电路如图，设5VE,tV10sinui 试分析输出电压的波形。试分析输出电压的波形。分析：假设分析：假设D两端断开，开路电压两端断开，开路电压DiuuEi00u,iiE uuuE uE当当应用五：平移电路应用五：平移电路平移电路的激励含平移电路的激励含直流直流和和交流交流两部分，电路目标两部分，电路目标是激励与响应之间是激励与响应之间仅有幅度差异仅有幅度差异而而无无相位和频相位和频率率差异。差异。分析：因交流为小信号，频率较低。利用二极管的分析：因交流为小信号，频率较低。利用二极管的不同模型在形式上可以将响应分为直流和交流两部不同模型在形式上可以将响应

32、分为直流和交流两部分计算。分计算。对（对（a）图：）图：7 . 001 EU（a）直流分析图 （b）直流基础上的交流分析图对（对（b）图：在直流响应分量上，用过该点的切线）图：在直流响应分量上，用过该点的切线取代原曲线，对二极管的交流信号进行分析，定义直线取代原曲线，对二极管的交流信号进行分析，定义直线上的变化电压与对应变化电流的比值为交流电阻上的变化电压与对应变化电流的比值为交流电阻rdLLdsLLdsRRruEuRRruu )7 . 0(002应用六：二极管应用六：二极管“续流续流”保护电保护电路路开关开关S闭合，直流电源闭合，直流电源E接通电感量较大的线圈，接通电感量较大的线圈，全部电流

33、流过电感线圈全部电流流过电感线圈开关开关S断开断开，电流迅速降为零，电感量较大的线，电流迅速降为零，电感量较大的线圈两端产生很大的负的暂态电压。如没有其圈两端产生很大的负的暂态电压。如没有其他电路，将在开关两端产生电弧，损坏开关。他电路，将在开关两端产生电弧，损坏开关。有二极管，电压有二极管，电压0.7V范围内。范围内。稳压二极管稳压二极管 结构和工作原理结构和工作原理 稳压的符号与稳压电路稳压的符号与稳压电路 伏安特性与稳压原理伏安特性与稳压原理 主要参数主要参数结构和工作原理结构和工作原理 稳压二极管是一种用特殊工艺制成稳压二极管是一种用特殊工艺制成的的面接触型面接触型硅二极管，其特殊之处

34、在于硅二极管，其特殊之处在于它工作在特性曲线的它工作在特性曲线的反向击穿反向击穿区，区，正常正常工作时处于反向击穿状态工作时处于反向击穿状态，并通过制造，并通过制造工艺保证工艺保证PNPN结不会被热击穿。所以，在结不会被热击穿。所以，在切断电源后，管子能恢复原来的状态。切断电源后，管子能恢复原来的状态。 在电路中与适当电阻配合，能起在电路中与适当电阻配合，能起到稳定电压的作用。故称其为稳压管到稳定电压的作用。故称其为稳压管伏安特性与稳压电路伏安特性与稳压电路 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性曲线的曲线的反向击穿特反向击穿特性性比普通二极管的比普通二极管的要陡些。要陡些。U(V)0.400.8-

35、8-4I (mA)204010-20-1030-12反向反向正向正向稳压的符号与稳压电路稳压的符号与稳压电路ZDR是限流电阻RL是负载电阻RZDLR0UiUI稳压管的主要稳压管的主要参数参数稳定电压稳定电压UZ: 稳压管正常工作时的端电压，稳压管正常工作时的端电压，一般为一般为325V。电压温度系数电压温度系数u ：稳压管的稳压值受温度：稳压管的稳压值受温度变化影响的系数。变化影响的系数。稳定电流稳定电流IZ：稳压管正常工作时的电流。：稳压管正常工作时的电流。 IZ在在IZminIZmax间取值。间取值。动态电阻动态电阻rz：稳压管在：稳压管在反向击穿区反向击穿区内的电压内的电压变化量与相应电

36、流变化变化量与相应电流变化量之比值。量之比值。dU/dI最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM:保证管子安全工作时保证管子安全工作时所允许的最大功率损耗。所允许的最大功率损耗。发光二极管发光二极管 发光二极管，顾名思发光二极管，顾名思意这种管子通以电流意这种管子通以电流将会发出光来。发光二将会发出光来。发光二极管的符号如图极管的符号如图 (a)所所示，伏安特性如图示，伏安特性如图 (b)所示。它的死区电压比所示。它的死区电压比普通二极管高，发光强普通二极管高，发光强度与正向电流的大小成度与正向电流的大小成正比。发光二极管常用正比。发光二极管常用来做显示器件。来做显示器件。D发光二极管的符号发光

37、二极管的符号 )(a)(b发光二极管的伏安特性发光二极管的伏安特性 复习思考题复习思考题 为什么稳压管的动态电阻越小，则为什么稳压管的动态电阻越小，则稳压愈好？稳压愈好？ 利用稳压管或普通二极管的正向压利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？降，是否也可以稳压？steepYes, but small voltage半导体三极管半导体三极管 三极管的结构三极管的结构 三极管的伏安特性三极管的伏安特性工作原理工作原理 三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的结构三极管的结构 半导体三极管半导体三极管(晶体管晶体管)是最重要的一种是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中半导体器件

38、。广泛应用于各种电子电路中。 晶体管最常见的结构有平面型和合金晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型主要是硅管，锗管都是合型两种。平面型主要是硅管，锗管都是合金型。金型。CN型硅型硅P型型N型型二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BE平面型结构平面型结构N型锗型锗铟球铟球铟球铟球P型型P型型CEB合金型结构合金型结构三极管的结构三极管的结构有有NPN和和PNP两类晶体管，它们都两类晶体管，它们都具有三具有三层两结层两结的结构。的结构。发射区发射区集电区集电区发射结发射结集电结集电结NNP基区基区CBENPP发射区发射区集电区集电区基区基区发射结发射结集电结集电结CBEBECBEC三极管的结构三

39、极管的结构 每一类都分成每一类都分成基区、集电区和发射区基区、集电区和发射区，分别，分别引出基极引出基极B、发射极、发射极E和集电极和集电极C。每一类都有。每一类都有两个两个PN结。基区和发射区之间的结称为发射结。基区和发射区之间的结称为发射结，基区和集电区之间的结称为集电结。结，基区和集电区之间的结称为集电结。BECBEC集电极集电极发射极发射极基极基极基极基极三极管的伏安特性三极管的伏安特性 工作原理工作原理 NPNNPN型和型和PNPPNP型晶体管的工作原理类似仅在使型晶体管的工作原理类似仅在使用时电源极性联接不同而已。下面以用时电源极性联接不同而已。下面以NPNNPN型晶型晶体管为例来

40、分析讨论。体管为例来分析讨论。 三极管的三个电极之间可以组成不同的输入三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路回路和输出回路共发射极电路，共集电共发射极电路，共集电极电路和共基极电路极电路和共基极电路 电流放大原理电流放大原理 三极管的伏安特性三极管的伏安特性三极管的三个电极之间可以组成不同三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路的输入回路和输出回路 共发射极电路共发射极电路基极和发射极组成输入回基极和发射极组成输入回路，集电极和发射极组成输出回路。（最常路，集电极和发射极组成输出回路。（最常用）用） 共集电极电路共集电极电路基极和集电极组成输入回基极和集电极组成输入回

41、路。发射极和集电极组成输出回路（如射极路。发射极和集电极组成输出回路（如射极输出器）输出器） 共基极电路共基极电路集电极和基极组成输入回路，集电极和基极组成输入回路，发射极和基极组成输出回路。发射极和基极组成输出回路。电流放大原理电流放大原理 如图，对如图，对NPN型晶体管加型晶体管加EB和和EC两个电源，接两个电源，接成成共发射极接法共发射极接法构成两个回路。构成两个回路。 改变可变电阻改变可变电阻RB，则，则基极电流基极电流IB，集，集电极电流电极电流IC和发射极电流和发射极电流IE都发生变化都发生变化。电流方向如图中所示。电流方向如图中所示。电流放大原理电流放大原理IB(mA) 00.0

42、20.040.060.080.10IC(mA) 0.0010.701.502.303.103.95IE(mA) 0时，输入特性右时，输入特性右移；（移；（“收集收集”）当当UCE1V后，输入特性基后，输入特性基本重合。本重合。输出特性输出特性 输出特性曲线是指当输出特性曲线是指当基极电流基极电流IB为常数时，为常数时，输出电路输出电路(集电极电路集电极电路)中集电极电流中集电极电流IC与集与集-射极电压射极电压UCE之间的关之间的关系曲线。系曲线。 在不同的在不同的IB下，可得下，可得到不同的曲线，即晶到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线体管的输出特性曲线是一簇曲线是一簇曲线(见下图见下图)。

43、各态偏置情况各态偏置情况0, 0 BCBEUU截止截止放大放大饱和饱和发射结发射结反偏反偏正偏正偏正偏正偏集电结集电结反偏反偏反偏反偏正偏正偏0, 0 BCBEUU 放大区此时放大区此时发射结正向偏置，集发射结正向偏置，集电结反向偏置。电结反向偏置。 截止区即截截止区即截止时两个止时两个PN结都反向结都反向偏置偏置0, 0 BCBEUU 饱和区饱和时，饱和区饱和时，晶体管的发射结处于晶体管的发射结处于正正偏偏、集电结也处于、集电结也处于正偏正偏BICIBCE0BEU截止截止BCIIBIBCE放大放大0CEUCCCREI BIBCE饱和饱和EBCUUU0, 0BCBEUU0, 0 BCBEUU主

44、要参数主要参数 晶体管的特性不仅可用特性曲线表示，还可用一些晶体管的特性不仅可用特性曲线表示，还可用一些数据进行说明，即数据进行说明，即晶体管参数晶体管参数。它是设计电路和选。它是设计电路和选用器件的依据。用器件的依据。 电流放大系数电流放大系数， 集集- -基基极反向截止电流极反向截止电流 I ICBOCBO 集集- -射射极反向截止电流极反向截止电流 I ICEOCEO 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 I ICMCM 集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压 U U(BR)CEO(BR)CEO 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率P PCMCM电流放大系数电流放大系数 和和

45、 当三极管接成共发射极电路时，在静态（无输入当三极管接成共发射极电路时，在静态（无输入信号）时，集电极电流（输出电流）与基极电流信号）时，集电极电流（输出电流）与基极电流（输入电流）的比值称为（输入电流）的比值称为共发射极静态电流共发射极静态电流（直（直流）放大系数。流）放大系数。BCII 当三极管工作当三极管工作在动态（有输入信号）在动态（有输入信号）时，由基时，由基极电流的变化量引起的集电极电流的变化量与基极极电流的变化量引起的集电极电流的变化量与基极电流的变化量的比值称为电流的变化量的比值称为动态电流（交流）放大动态电流（交流）放大系系数。数。BCII 说明说明 静态电流放大系数和动态电

46、流放大系数的静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同意义不同，但大多数情况下近似相等，可以进行但大多数情况下近似相等，可以进行定量估算定量估算。 晶体管的输出特性曲线是非线性的晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在曲线的等，只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系，距平直部分才有较好的线性关系， IC与与IB成正比，成正比，也可认为是基本恒定的也可认为是基本恒定的 由于由于制造工艺的原因，晶体管的参数具有一定的离散制造工艺的原因，晶体管的参数具有一定的离散性，即使是同一型号的晶体管，也不可能具有完全相性，即使是同一型号的晶体管，也不可能具有完全相同的参数同的参数。常用晶体管的。常用晶体管

47、的值在值在20 100之间。近年来之间。近年来由于生产工艺的提高由于生产工艺的提高，值在值在100300之间的晶体管也之间的晶体管也具有很好的特性。具有很好的特性。集集- -基极基极反向截止电流反向截止电流ICBO ICBO是当是当发射极发射极开路时，开路时，C-B间间PN结反向偏置结反向偏置的截止电流，也就是的截止电流，也就是集电结反向偏置集电结反向偏置使集电区使集电区的的少数载流子少数载流子(空穴）向基区漂移形成的电流空穴）向基区漂移形成的电流。它受温度影响很大，在室温下锗管的它受温度影响很大，在室温下锗管的ICBO约为约为10 A数量级、硅管数量级、硅管的的ICBO在在1 A以下数量级。

48、以下数量级。集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOI ICEOCEO是是当当基极基极开路时，集电结反偏和发射开路时，集电结反偏和发射结正偏时结正偏时C-EC-E间通过的集电极电流，常称间通过的集电极电流，常称为为穿透电流穿透电流。处于放大状态处于放大状态的晶体管有的晶体管有I IC C= = I IB B + +I ICEOCEOCECBCB0CBB0EIIIIIICBB0C 0CEB(1)IIIII集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 在在IC很大时，输出待很大时，输出待性曲线变密性曲线变密， 值减值减小。一般把小。一般把减小到减小到额定值的额定值的23时的时的IC值，称

49、为集电极最大值，称为集电极最大允许电流允许电流ICM。当。当IC超超过过ICM时，时， 值显著下值显著下降，甚至有烧坏管子降，甚至有烧坏管子的可能。的可能。集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率P PCMCM 当三极管因受热而引起的参数当三极管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率极最大允许耗散功率PCMCMCCEPI U集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO 它是基极开路它是基极开路时，时，C-E间的最间的最大允许电压。大允许电压。当当UCEU(B

50、R)CEO时，时，ICEO突变，突变，晶体管会被击晶体管会被击穿损坏。穿损坏。 总结：总结： 其中其中 和和ICE0是表明三极管性能是表明三极管性能 优劣的主要指标；优劣的主要指标； ICM、U(BR)CE0和和PCM都是极限参数，都是极限参数，用来说明三极管的使用限制用来说明三极管的使用限制 .4.2 教学基本要求教学基本要求 1)1)理解理解单管共射极放大器的工作原理和单管共射极放大器的工作原理和性能特点，性能特点，掌握掌握静态工作点的估算和简静态工作点的估算和简化微变等效电路的分析方法，化微变等效电路的分析方法，理解理解电压电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的概念。放大倍数、输入电阻和输出

51、电阻的概念。 2)2)了解了解射极输出器的基本特点；射极输出器的基本特点；了解了解基基本的互补对称功率放大器的工作原理。本的互补对称功率放大器的工作原理。 3 3）了解了解场效应管放大器偏置电路的构成，场效应管放大器偏置电路的构成，能简化小信号电路模型。能简化小信号电路模型。 4.2.24.2.2放大电路的基本概念放大电路的基本概念及性能指标及性能指标技术指标：增益A;输入电阻Ri；输出电阻R0。放大电路的主要功能是将信号源送来的信号放大后送给执行部件.放大器的技术指标增益增益A:A:指放大电路中放大器的响应与激指放大电路中放大器的响应与激励的比值。如上图的电压增益。励的比值。如上图的电压增益

52、。输入电阻Ri :从放大器输入端口看入的等效电阻，用以说明放大器获取信号的能力。输出电阻Ri：从放大器输出端口看进去的戴维南等效电阻，用以说明带负载的能力。i0uuuA 放大电路的组成1.1.交流放大电路中既交流放大电路中既有直流电源，又有信有直流电源，又有信号源。当交流信号电号源。当交流信号电压压ui i=0=0时，电路中只时，电路中只有直流电流流通。当有直流电流流通。当u ui i00时，电路电流中时，电路电流中既有直流分量，又有既有直流分量，又有交流分量，因此，它交流分量，因此，它是一个是一个交直流共存的交直流共存的电路电路；2.2.晶体管本身是一个非线性元件，因此，放大电路实晶体管本身

53、是一个非线性元件，因此，放大电路实质上是一个非线性电路。质上是一个非线性电路。uBE=UBE+uiuCE=UCE+uceiB=IB+ibiC=IC+icSeSRCCUBRBiCiCRLR2C1CBEubeiuu CEuoceuu + + +BEBR放大电路的静态分析(1) 静态分析的概念静态分析的概念（1 1）静态的概念静态的概念无信号输入无信号输入，电路中只有直流，电路中只有直流电源作用。电源作用。（2 2）静态电路）静态电路直流通路：耦合电容开路。直流通路：耦合电容开路。（3 3）静态分析的目静态分析的目的的确定三极管的确定三极管的静态工作点静态工作点 （IB B、IC、UCE、）+VCC

54、RBRCIBQICQ+_UBE+_UCE（4 4）静态分析的）静态分析的方法方法图解法图解法、近似估算法近似估算法（等（等效电路法）效电路法）+VCCRBRCC1信号源信号源RSuSRL负载负载2CuCE (V)ic (mA)放大电路要正常工作，必须设置放大电路要正常工作，必须设置一个合适的静态工作点。一个合适的静态工作点。 工工作点适作点适合，输合，输出完全出完全复现输复现输入。入。 工作工作点过低，点过低，产生截止产生截止失真。失真。 工作工作点过高，点过高，产生饱和产生饱和失真。失真。uCE (V)ic (mA)uCE (V)ic (mA)放大电路的波形失真(1)放大电路的静态分析(2)

55、（1）静态工作点的近似估算法）静态工作点的近似估算法检验三极管是否处于放大状态检验三极管是否处于放大状态BBECCBQRUUIBQCQIICQCCCCEQIRUU问题：既然没有输入、输出信号，为什么电路还需要问题：既然没有输入、输出信号，为什么电路还需要电压、电流？电压、电流？为什么要设置静态工作点？为什么要设置静态工作点？+VCCRBRCIBQICQ+_UBE+_UCE放大电路的动态分析(2) 非线性元件的线性化非线性元件的线性化输入特性的线性化输入特性的线性化 设三极管的静态工作点设三极管的静态工作点远离截止区。远离截止区。BEUBIBEBUKIBEBUuBEBdudiK |VuBE/Ai

56、B/0QBEUBI 在在工作点处工作点处，我们，我们用切线用切线代替输入特性代替输入特性，则在工作点附，则在工作点附近输入特性与切线基本重合。近输入特性与切线基本重合。 当电压有一个当电压有一个增量增量UUBEBE时时，其电流也有一个，其电流也有一个相应的增量相应的增量I IB B。于是于是 ，由切线的斜率求得，由切线的斜率求得放大电路的动态分析(3) 非线性元件的线性化非线性元件的线性化 也就是说，在也就是说，在设置了静态工作点设置了静态工作点之后，在工作点附之后，在工作点附近的范围内，近的范围内，就可就可以用相应的切线代以用相应的切线代替曲线，于是，电替曲线，于是，电压和电流的增量之压和电

57、流的增量之间就有了间就有了线性线性关系关系。所以，当电压增量所以，当电压增量UBE按正弦量变化按正弦量变化时，电流增量时，电流增量IB也按正弦规律变化。也按正弦规律变化。beiuu bi0tAiB/BIbBBiIi beBEBEuUu VuBE/AiB/0QBEUBIVuBE/t0BEUbeibebruKui放大电路的动态分析(4) 非线性元件的线性化非线性元件的线性化-输入特性输入特性的线性化处理的线性化处理所以，仅就所以，仅就交流输入电压交流输入电压而言，三极管的输入端可等效为：而言，三极管的输入端可等效为：bibeubbeBBEbeiuIUKr1称为三极管的动态输入电阻。称为三极管的动态

58、输入电阻。在小信号时，在小信号时，r rbebe是一常数，低频小功率管可用是一常数，低频小功率管可用公式估算公式估算mAImVrEbe26)1 (300 其值一般为几百其值一般为几百几几千欧姆千欧姆berbeubi放大电路的动态分析(5) 非线性元件的线性化非线性元件的线性化 如果放大电路的工如果放大电路的工作点设置的作点设置的低至靠低至靠近截止区近截止区，从输入，从输入特性上看，基极电特性上看，基极电流不能正比于输入流不能正比于输入电压的变化。等效电压的变化。等效电阻的关系就不能电阻的关系就不能成立了。成立了。beiuu 0tAiB/BIVuBE/t0BEUbiVuBE/AiB/0QBEUB

59、I这个合适的基极电流这个合适的基极电流和基极电压就是放大和基极电压就是放大电路的静态工作点。电路的静态工作点。放大电路的动态分析(6)非线性元件的线性化非线性元件的线性化输出特性输出特性的线性化处理的线性化处理 由图可见由图可见, ,输出特性近似水平直线，当电压输出特性近似水平直线，当电压uce发生变化发生变化时，电流时，电流ic近似不变，近似不变，即近似具有恒流特性。即近似具有恒流特性。0)(VuCE)(mAiCCEUCIBCII 只有当只有当ib b发生变化发生变化时时， ic c才会发生变化。才会发生变化。且且ic c= = ib b，只受，只受ib b的控的控制，于是，制，于是，三极管

60、的输三极管的输出端可用一个受控电流出端可用一个受控电流源来等效。源来等效。CIQ该受控电流源的内阻的大该受控电流源的内阻的大小为小为constICCEceBIUr|放大电路的动态分析(7)非线性元件的线性化非线性元件的线性化输出特性的线性化处理输出特性的线性化处理bibeuciceuBCE0)(VuCE)(mAiCCEUCIBCIICIQconstICCEceBIUr|rce很大，用开路代替很大，用开路代替berbeubiceuciBECberbeubiciBEecrCceu放大电路的动态分析(8)放大电路的交流通路和微变等效电路！放大电路的交流通路和微变等效电路！RLRCRBRSusibic