第4章半导体分立元件及其基本电路

第4章半导体分立元件

及其基本电路

1Chapter4主要内容半导体的基本知识与PN结半导体二极管及其应用电路放大电路的基本概念及其性能指标半导体三极管及其应用电路场效应管及其放大电路2Chapter4对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC

的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。

学习要求：3Chapter44.1半导体的基本知识与PN结4.1.1半导体的基本知识本征半导体、

N型半导体和P型半导体4.1.2PN结PN结的形成、PN结的单向导电性4.2半导体二极管及其应用电路4.2.1二极管及电路符号与基本结构电路符号与基本结构二极管伏安特性、主要参数4.2.2二极管的电路模型及简单应用理想模型、恒压降模型4.2.3特殊二极管稳压管、发光二极管、光电二极管

本讲主要内容2.恒压降模型1.理想模型4Chapter4

本讲重点掌握内容半导体的基本知识本征半导体、

N型半导体和P型半导体PN结的形成、PN结的单向导电性电路符号与基本结构二极管伏安特性、主要参数二极管的电路简单应用理想模型、恒压降模型、简单应用稳压管、发光二极管、光电二极管5Chapter4

难点内容PN结的形成、PN结的单向导电性6Chapter44.1半导体的基本知识与PN结4.1.1半导体的基本知识纯净的、具有晶体结构的半导体。1.本征半导体

284+14Si28184+32Ge4个价电子将四价元素硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。晶体结构+4惯性核+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键7Chapter4本征激发两种载流子在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。因热运动产生自由电子空穴对的现象。

本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。8Chapter42.N型半导体和P型半导体N型半导体在本征半导体中掺入5价原子如砷（As）、磷（P）P型半导体在本征半导体中掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）+4+4+4+4+4+4+4+5+5电离产生自由电子+4+4+4+4+4+4+4+3+3多余空穴9Chapter44.1.2PN结1.PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。10Chapter4

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。2.PN结的单向导电性

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。结论：PN结具有单向导电性。11Chapter44.2半导体二极管及其应用电路将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。（1）点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。4.2.1二极管及电路符号与基本结构1.电路符号和基本结构+−iDuD阳极阴极12Chapter4（3）平面型二极管（2）面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制造工艺中。PN

结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。13Chapter4604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性死区电压当加正向电压，且u>>

VT时,VT称为死区电压。硅管：VT≈0.5V，锗管：VT≈0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6~0.7V，锗管：0.2~0.3V。正向特性（1）

正向特性（2）

反向特性电流很小，几乎为零。当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流）+−iDuD2.

二极管伏安特性14Chapter4当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。（3）反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性击穿电压U(BR)15Chapter43.

主要参数

2.最高反向工作电压UDRM

它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。1.最大整流电流IFM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.最大反向电流IRM

它是指二极管上加反向工作峰值电压UDRM时的反向电流值。16Chapter44.二极管的电路模型二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。oiDuD+−iDuD二极管导通后，硅管：uD＝0.7V，锗管：uD＝0.3V。相当于一理想开关。2.恒压降模型1.理想模型17Chapter44.2.2二极管应用电路在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.整流电路当us>0，D导通，uo=vs；当us<0，D截止，uo=0。单向整流电路18Chapter42.限幅电路二极管D1、D2用恒压源模型，UON=0.7V。当uS>UON时，D1导通，D2截止，uo=0.7V；当uS<−UON时，D2导通，D1截止，uo=−0.7V；当|uS|<UON时，D1、D2均截止，uo=us。输出电压被限幅在0.7V，称双向限幅电路。19Chapter4例4.1在图中，输入电位UA=+3V，UB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位UO。

因为UA高于UB

，所以D1优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则UO=+2.7V。当D1导通后,D2因反偏而截止。

D1起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。解：20Chapter44.2.3特殊二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+正向

+反向UZIZU/V1.稳压管稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用21Chapter4

稳压管的主要参数：1.稳定电压UZ

4.稳定电流IZ3.动态电阻rZ2.电压温度系数U（%/℃）5.最大允许耗散功率PZM

稳压值受温度变化影响的系数。22Chapter4电阻R的作用:起限流作用，以保护稳压管；

当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。23Chapter4正常稳压时UO=UZ

稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax不加R可以吗？24Chapter42.发光二极管ak当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号25Chapter43.光电二极管akakipup+（a）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。26Chapter44.3放大电路的基本概念及其性能指标4.3.1

放大电路的基本概念放大电路RL++Rs+信号源负载放大的对象：输入信号（电压或电流）放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真，放大的前提27Chapter44.3.2性能指标1.放大倍数电压放大倍数表征放大电路对微弱信号的放大能力，它是输出信号（Uo、Io、Po）比输入信号增大的倍数，又称增益。放大电路RL++Rs+源电压放大倍数电压增益dB28Chapter44.3.2性能指标电流放大倍数功率增益放大电路RL++Rs+电流增益dB29Chapter42.输入电阻和输出电阻Ri反映了放大电路对信号源的衰减程度。Ri越大，放大电路从信号源索取的电流越小，加到输入端的信号Ui

越接近信号源电压Us。输入电阻RL++Rs++rori输出电阻输出电阻Ro的大小，反映了放大电路带负载能力的强弱。ro越小，带负载能力越强。30Chapter43.通频带衡量放大电路对不同频率信号的适应能力4.最大不失真输出电压Uom31Chapter44.4三极管及其放大电路三极管共发射极放大电路射极输出器32Chapter44.4.1半导体三极管三极管的结构与符号电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式33Chapter41.

三极管的结构与符号半导体三极管简称三极管(晶体管)，是由2个PN结构成的，其基本功能：具有电流放大作用。N型硅BECN型硅P型硅(a)

平面型N型锗ECBPP(b)合金型34Chapter4按结构可分为：NPN型和PNP型。集电极，用C表示集电区，掺杂浓度低基极，用B表示基区，薄发射区，掺杂浓度高发射结集电结，面积比发射结大发射极，用E表示35Chapter4发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbec

NPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。36Chapter4mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100用实验说明三极管的电流分配与放大作用实验电路采用共发射极接法，NPN型管。为了使三极管具有放大作用，电源EB和EC

的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE

都发生变化，2.电流分配与放大作用37Chapter4IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三极管电流测量数据结论：(1)符合KCL，且

IC≈IE(2)

IB

对IC有控制作用。

IB的改变控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制作用。电流放大系数38Chapter4NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

UC>

UB>

UEPNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

UC

<UB<

UE三极管实现放大的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。ICIEIBBUBE+UCE+ECICIEIBBUBE+UCE+EC39Chapter4输入特性曲线++−−iBiCuBEuCEiB

和uBE之间的关系与二极管相似。三极管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生iB。3.三极管的特性曲线40Chapter4输出特性曲线(1)放大区对NPN型管而言，应使，UC

>UB>

UE

。++−−iBiCuBEuCEIC＝βIB(2)截止区IB=0时,IC=ICEO(很小)。为了使三极管可靠截止，常使UBE

0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC

<

0)，此时,IC

0。41Chapter4(3)饱和区

当UCE＝UCES<UBE时，集电结处于正向偏置(UBC

>

0)，三极管工作于饱和状态。在饱和区，IC和IB不成正比。++−−iBiCuBEuCE当三极管饱和时，UCE

0，C-E间如同一个开关的接通；当三极管截止时，IC

0，C-E之间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有放大作用外，还有开关作用。42Chapter4

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

0

0.1三极管结电压的典型值++−−iBiCuBEuCE43Chapter44.三极管的主要参数（1）电流放大系数直流放大系数交流放大系数在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO

较小的情况下,可近似认为iCuCEoICEO44Chapter4（2）极间反向电流1）集-基极间反向饱和电流ICBOμA+−ICBOUCC其大小取决于温度和少数载流子的浓度。小功率锗管：ICBO≈10μA，小功率硅管：ICBO≤1μA。测量电路2）集-射极间反向饱和（穿透）电流ICEOμAICEOUCCICEO=（1+β）ICBO

ICEO大的管子性能不稳定，通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。45Chapter4（3）极限参数1）集电极最大允许电流ICM当值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM

。2）集—射反向击穿电压U(BR)CEO表示三极管电极间承受反向电压的能力。当UCE

U(BR)CEO时，ICEO，管子损坏。46Chapter43）集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。

PCM=iCuCE对大功率管为了提高PCM

，通常采用加散热装置的方法。iCU(BR)CEOuCEPCMoICEO安全工作区ICM47Chapter45.三极管的其它形式1）复合三极管β＝β1β2复合管的类型取决于T1管48Chapter42）光电三极管和光电耦合器将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大β倍。光电三极管光电耦合器实现电-光-电的传输和转换。49Chapter4小结放大电路的基本概念电压放大倍数、源电压放大倍数、电压增益电流放大倍数、电流增益、功率增益输入电阻、输出电阻通频带、最大不失真输出电压Uom、50Chapter4结构可分为：NPN型和PNP型。为了使三极管具有放大作用，发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。电流放大系数半导体三极管简称三极管(晶体管)，是由2个PN结构成的，其基本功能：具有电流放大作用。输入特性曲线、输出特性曲线(3)饱和区(1)放大区(2)截止区51Chapter4三极管有放大作用，开关作用三极管结电压的典型值三极管的主要参数复合三极管、光电三极管和光电耦合器52Chapter44.4.2共发射极放大电路共射极放大电路的组成及放大原理静态分析动态分析射极偏置电路53Chapter41.共射极放大电路的组成及放大原理起放大作用保证ui加到发射结，且UCC不影响us保证只将信号输送到负载将iC转换为uo保证T处于放大状态，并提供电路能量组成54Chapter4放大原理直流量：字母大写，下标大写。IB，IC，UCE。交流量：字母小写，下标小写。ib，ic，uce。瞬时量：字母小写，下标大写。iB，iC，uCE。交直流量共存！放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。55Chapter42.静态分析当输入信号us=0时，电路中各电压、电流均为直流，故称静态。管子在静态时的电压、电流（IB、IC、UCE、）称静态值。静态分析：确定放大电路中的静态工作点Q。（1）用估算法确定静态工作点QC开路56Chapter4输入回路输出回路由直流通路57Chapter4例4.2=50，VCC=12V，RC=6k求：当Rb

=600k，

Rb

=200k

时，三极管的静态工作点Q位于哪个区？而iC

最大饱和电流：∴

Q位于放大区已知：解：当Rb

=600k时∵58Chapter4当Rb

=200k时∴

Q位于饱和区∵59Chapter4uCEiCoVCCMNMN称放大电路的直流负载线，斜率为−1/RC。图解步骤：用估算法求出基极电流IB。根据IB在输出特性曲线中找到对应的IC曲线。作直流负载线。（2）用图解法确定静态工作点QUCE=VCC–ICRCIB确定静态工作点Q。ICUCEQ60Chapter43.动态分析图解分析法动态

当放大电路输入信号ui后，电路中各电压、电流便在其静态值附近随信号变化的而做动态变化。动态分析

分析信号的传输情况，即计算放大电路的性能指标如Au、ri、ro等。动态分析法小信号模型分析法61Chapter4(1)图解分析法静态工作点Q设置得不合适，会对放大电路的性能造成影响。若Q点偏高，出现饱和失真；若Q点偏低，出现截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。加入ui后，iB、iC、uCE都在静态直流量的基础上叠加了一个交流量，即

iB=IBQ+ib

iC=ICQ+ic

uCE=UCEQ+uce

uCE中的交流成分uce

（uo）远大于ui，波形相同且与ui相位相反，体现了放大作用,又称反相放大62Chapter4(2)小信号模型分析法分析思路：在小信号(微变量)情况下工作时，可在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。然后用线性电路的分析方法来计算放大电路的性能指标。三极管的小信号等效电路放大电路的微变等效电路计算放大电路的性能指标63Chapter4三极管的小信号等效电路++−−iBiCuBEuCEoiB

uBE

UCEIB

QIBUBE输入回路rbeubeib+−be三极管的输入电阻低频小功率管输入电阻的估算公式rbe的量级从几百欧到几千欧。64Chapter4输出回路QiC

uCE

IBICICUCE++−−iBiCuBEuCE输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线。当UCE为常数时，集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源ib+−uceicce65Chapter4三极管的小信号等效电路++−−ibicubeucebeecib+−uceiccerbeubeib+−be66Chapter4放大电路的微变等效电路a.画交流通路C短路VCC对地短路b.画出小信号等效电路67Chapter4计算放大电路的性能指标电压放大倍数Au由输入回路：由输出回路：负号表示uo与ui反相68Chapter4输入电阻ri输出电阻ro受控电流源相当于开路，69Chapter4例4.3分析图示各电路有无正常电压放大的能力。无电压放大能力。因为没接入RC，交流输出短路。无电压放大能力。因为VBB对交流输入信号短路，ui无法控制ib。70Chapter4无电压放大能力。因为UBEQ=0，管子静态时工作于截止区。分析：组成放大电路的原则是：

1）必须保证三极管静态时工作于放大区。

2）信号的输入和负载的接入，既要保证交流信号能顺利传输，又不能因信号源和负载的接入，而改变三极管的偏置电压。71Chapter4例4.4电路如图所示。已知三极管的UBE=0.7V，β=50，Rb=377kΩ，Rc=6kΩ，RL=3kΩ，Rs=100Ω，VCC=12V。试计算：1、电路的静态工作点Q。2、电压放大倍数Au、Aus。3、输入电阻ri、输出电阻ro。72Chapter4IBQ解：1、求静态工作点Q根据直流通路，有则IC=βIB

=500.03=1.5（mA）

UCE=VCC－ICRc

=12－1.56=3V73Chapter42、电压放大倍数Au、Aus画出小信号等效电路。74Chapter4Rb=377kΩ，Rs=100Ωrbe=1kΩ，Au=－83.33、输入电阻ri、输出电阻rori=Rb//rbe≈1kΩro=Rc=6kΩ75Chapter44.射极偏置电路1)电路结构T↑→IC↑→IE↑→URe↑→UBE

↓

→IB↓IC↓采用分压式电路固定基极电位自动调节过程：该电路又称工作点稳定电路。Re电阻实现自动调节76Chapter42)静态分析直流通路如图当I1>>IB且β足够大时，可有：77Chapter43）动态分析小信号等效电路如图。指标计算与固定偏置电路相同。78Chapter44.4.3

射极输出器1、静态分析信号由基极输入，由发射极输出。79Chapter42、动态分析①电压增益：画出小信号等效电路故又称电压跟随器。80Chapter4ri=Rb//[rbe+（1+β）R'L]③输出电阻：②输入电阻：射极输出器的主要特点：

电压放大倍数接近1；

输入电阻高；

输出电阻低。因此，它常被用作多级放大电路的输入级或输出级。riro81Chapter44.5

场效应管及其放大电路场效应管是一种利用电压（电场效应）来控制电流的一种半导体器件，从信号源吸取的电流很少，输入电阻很高。仅由一种载流子参与导电的半导体器件。场效应管：结型N沟道P沟道绝缘栅型（MOS型）N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型82Chapter41.绝缘栅型场效应管N沟道增强型增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。VGS>0时，漏源之间形成导电沟道。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。83Chapter4工作原理：（以N沟道增强型为例）(a)VGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。

VGS=0，ID=0VGS必须大于0管子才能工作。84Chapter4（b）当VGS>0

，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时VDS>0，就可以形成漏极电流ID。随着VGS的继续增加，ID增加。85Chapter42.

特性曲线（以N沟道耗尽型为例）（1）转移特性N沟道耗尽型场效应管特性曲线（1）转移特性IDSS：漏极饱和电流UGS（OFF）：夹断电压UP曲线表达式：86Chapter4（2）输出特性（2）输出特性N沟道耗尽型场效应管特性曲线可变电阻区：iD与uDS线性uGS增大电阻变小线性放大区：uGS一定，iD不变iD随uGS线性变化87Chapter4N沟道增强型特性曲线N沟道增强型特性曲线(a)转移特性（b）输出特性88Chapter43.主要参数开启电压VT：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的最小|VGS|值。（增强）夹断电压VP：在VDS为一固定数值时，使ID为零时的|VGS|值。（耗尽）饱和漏极电流IDSS：在VGS=0时，VDS一定时的漏极电流。（耗尽）(4)跨导gm

：表示vGS对iD的控制作用。在转移特性曲线上，gm

是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为mA/V。(5)漏源击穿电压V(BR)DS：

反向击穿电压

89Chapter45.共源极放大电路交流信号是从栅极输入，漏极输出，源极作为公共端。其中C1、C2为耦合电容，其作用是隔直通交；CS为源极旁路电容，消除RS对交流信号的衰减90Chapter4（1）静态分析直流通路估算法：画直流通路

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGS=VG－VS=VG－IDRS

ID=IDSS[1－(VGS/VP)]2

VDS=VDD－ID(Rd+RS)

解出VGS、ID和VDS。91Chapter4（2）动态分析场效应管的小信号模型92Chapter4画交流通路如图93Chapter4画微变等效电路电压放大倍数Au94Chapter4输入输出电阻95Chapter44.6多级放大电路第二级

推动级

输入级输出级输入输出

耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。多级放大电路的框图常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。动态:传送信号减少压降损失静态：保证各级有合适的Q点波形不失真对耦合电路的要求一、多级放大电路基本概念96Chapter4

两级阻容耦合放大电路R1R3+VccuiT1+-C1+C2R2R4C3++-uoRLC4T2+R5R6阻容耦合——将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端的连接方式特点（1）各级静态工作点彼此独立（2）不能放大缓慢变化信号，低频特性差（3）不宜集成化97Chapter42、直接耦合——将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端的连接方式

(a)直接耦合Rb2Rc1+VccuiT1+-+-uoRb1Rc2T2特点：（1）各级静态工作点彼此影响（2）能放大缓慢变化信号，宜集成化（3）存在零点漂移及电平转移98Chapter43、变压器耦合——将放大电路的前级输出端通过变压器接入后级输入端或负载上的连接方式。

(a)变压器耦合共射放大电路Rb2+VccuiT+-C1+Rb1ReCe+RLN1N2

(b)交流等效电路RLN1N2Rb2+-Rb1rbe特点（1）各级静态工作点彼此独立（2）不能放大缓慢变化信号，低