第二章常用半导体器件及应用

(2-1)第二章常用半导体器件及应用2.1半导体二极管2.2特殊二极管及应用2.3半导体三极管2.4晶体管放大电路2.5场效应晶体管2.6场效应管放大电路2.7晶闸管2.8半导体器件应用电路(2-2)本章目标

掌握：1．半导体二极管的伏安特性和基本应用电路分析；2．半导体三极管的输入、输出特性；3．场效应管的输出特性、转移特性；4．放大的基本概念及放大电路主要技术指标的含义；5．放大电路静态工作点及动态技术指标的分析方法。理解：1．N型半导体和P型半导体以及PN结的单向导电性；2．半导体三极管放大电路三种基本组态的电路组成、工作原理和性能特点；3．场效应管共源、共漏基本放大电路的电路组成、工作原理及性能特点；4．二极管应用电路（整流、限幅、钳位）的工作原理。了解：1.二极管和三极管的主要性能参数和测试方法。(2-3)2.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识2.1.2

PN结及其单向导电性2.1.3半导体二极管的结构及特性2.1.4二极管的等效电路分析2.1.5二极管的基本应用电路(2-4)2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识半导体—

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等）本征半导体

—纯净的具有晶体结构的半导体。半导体材料的纯度达到99.9999999%，称为“九个9”。物理结构上呈单晶体形态。半导体材料且具有掺杂和光、热敏特性。(2-5)2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识硅(锗)的原子结构Si284Ge28184半导体原子简化模型+4惯性核价电子(束缚电子)+4+4+4+4+4+4+4+4+4价电子共价键硅(锗)晶体的共价键结构共价键—本征半导体的原子结构为共价键结构。相邻原子共有价电子所形成的束缚。当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。(2-6)+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激发：

在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识本征半导体中的自由电子和空穴空穴可看成带正电的载流子载流子—自由运动的带电粒子。本征激发产生自由电子和空穴两种载流子。自由电子空穴复合—自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移—自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。(2-7)两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；电子和空穴两种载流子均参与导电；

2.本征半导体导电能力弱，并与温度和光照激发有关。自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识(2-8)1、N（Negative）型半导体和P(Positive)型半导体N型+5+4+4+4+4+4五价杂质原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数P型+3+4+4+4+4+4三价杂质原子空穴空穴—

多子电子—

少子载流子数

空穴数2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识—掺杂(2-9)2、P型、N型半导体的简化图示负杂质离子多子少子多子少子结论（1）杂质半导体虽有一种载流子占多数,但整个半导体呈中性。（２）半导体的导电性主要取决多子的浓度。P型半导体N型半导体正杂质离子施主离子受主离子2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识—掺杂(2-10)

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结

PN结的形成一、PN结的形成2.1.2PN结(PNJunction)及其单向导电性(2-11)1.载流子的浓度差引起多子的扩散运动2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽区、势垒区)

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡

扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场2.1.2PN结(PNJunction)及其单向导电性(2-12)二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)P区N区内电场+

UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF2.外加反向电压(反向偏置)P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IR正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IR于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小IR=I少子

0空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。(2-13)三、PN结的伏安特性Ou

/Vi

/mA正向特性反向特性ISU(BR)反向击穿1、正向特性2、反向特性U

Uthi

急剧上升0

U

Uth

i=0U(BR)

U

0i=-IS

U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)(2-14)3、PN结的电流方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27

C)：UT

=26mV(2-15)自测题：P23测评1(2-16)一、二、半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：正极负极分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型2.1.3半导体二极管的结构与特性集成电路中平面型(2-17)一、二、半导体二极管的结构和类型(2-18)三、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性UthUon

开启电压Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)U

UthiD急剧上升iD

=00

U

Uth

导通电压Uon

=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U

0iD=IS<0.1

A(硅)

几十

A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)导通电压(2-19)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(ZenerBreakdown)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(高掺杂：击穿电压<6V，负温度系数)反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(低掺杂：击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。三、二极管的伏安特性雪崩击穿：(AvalancheMultiplication)(2-20)硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020结论：锗管比硅管易导通，硅管比锗管反向饱和电流小得多，所以硅管的单向导电性和温度稳定性较好。三、二极管的伏安特性(2-21)温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高时，由本征激发产生的少子浓度增加，导致PN结内建电位差UB减小。UD(on)以

(2

2.5)mV/

C下降三、二极管的伏安特性二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。(2-22)四、二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/23.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO(2-23)2.1.4理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=

二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)(2-24)2.1.4理想二极管及二极管特性的折线近似四、二极管的交流小信号模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)

U

I斜率1/rDrDUD(on)rD微变等效：二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。(2-25)

应用举例【例】二极管的静态工作情况分析1、理想模型（R=10k

）设VDD=10V2、恒压模型（硅二极管典型值）3、折线模型（硅二极管典型值）设(2-26)【例】

试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1

UD(on)=15

0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN(2-27)【例】

ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用并画输出波形。解：因ui较小，宜采用恒压降模型D1D2uiuORui<0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VD2导通D１截止ui<

0.7VD1导通D2截止uO=

0.7V思考题？

D1、D2支路各串联一个恒压源，输出波形如何变化？OtuO/V0.7Otui

/V2

0.7(2-28)【例】电路如图所示，二极管导通压降UD=0.7V，试分别计算开关断开和闭合时的UR。【解】当开关断开时，二极管因加正向电压而导通，故

UR=US1－UD

=7.3（V）当开关接通时，二极管因加反向电压而截止，故

UR=US2=10V(2-29)

【例】图中的二极管均为理想二极管，试判断其中二极管的工作状态(是导通还是截止)，并求出UO=？。解题步骤：1、把两个二极管都暂时移开。2、求解每只二极管的电压差。正向偏压高的二极管优先导通。3、用相应的模型替换导通的二极管，计算出UO，再判断另外一个二极管的实际工作状态。(2-30)2.1.5二极管基本应用电路一、整流电路（详见第七章）

利用二极管的单向导电性将交流电变为单向脉动直流电的电路称为整流电路。图2.1.21二极管半波整流图2.1.22二极管全波整流(2-31)二、限幅电路

利用二极管的单向导电和正向导通后其正向导通压降基本恒定的特性，可将电路的输出信号的幅值电压限制在一定的范围内。(a)双向限幅电路(b)波形

(2-32)三、钳位电路(a)电路(b)输入信号波形(c)输出信号波形

钳位电路(或称直流恢复电路)可以在给定的参考电位上使波形向上或向下平移，而不改变波形的形状。从而改变信号的直流分量。(2-33)2.2特殊二极管及其应用2.2.1稳压二极管（ZenerDiode

）一、伏安特性符号iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ工作条件：反向击穿(2-34)二、主要参数1.稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM和最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ=

UZ/

IZ一般几

几十，越小稳压效果越好。5.稳定电压温度系数CT(2-35)【例】分析简单稳压电路的工作原理，R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRR①当UI波动时(RL不变)

②当RL变化时(UI不变)UIUORRLILIRIZ稳压原理：当UI或RL变化时，电路能自动调整IZ的大小，以改变电阻R上的压降，从而保证输出电压UO基本不变！(2-36)【例】图示稳压电路中，已知稳压管参数为VZ＝6V，I

Zmin＝5mA，I

Zmax＝25mA；负载电阻RL＝600Ω。求解限流电阻R的取值范围。

解：由图可知R上电流IR等于稳压管中电流IDZ和负载电流IL之和，即IR＝IDZ＋ILIDZ

＝5～25mAIL＝Uz/RL＝（6/600）A=0.01A=10mA又因为(2-37)R上电压UR=UI－Uz＝（10－6）V＝4V所以：IR=(15~35)mA因此：限流电阻R的取值范围为114～227Ω(2-38)2.2.2其他类型二极管1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几~十几mA，导通电压UF=(1

2)V2.主要参数电学参数：IFM

，U(BR)

，IR光学参数：峰值波长

P，亮度

L，光通量

发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光，点阵LED符号u/Vi

/mAO2特性七段LED一、发光二极管LED

(LightEmittingDiode)(2-39)【例】某LED指示电路如图所示，由于LED的正向压降较低，允许的工作电流较小，故其驱动电路中必须串接限流电阻R。由器件手册查得所用LED的参考参数UF和IF，则计算公式如下：简单的LED驱动电路(2-40)3、LED七段数码显示器二、激光二极管(LaserDiode)

激光二极管在小功率光电设备中得到广泛的应用，例如，光纤通信、计算机上的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、条形码阅读器等(2-41)三、光电二极管（1）符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置（2）主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片(2-42)当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容（1）势垒电容Cb是由PN结的空间电荷区变化形成的。(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压-N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+-UV1、PN结的电容效应（了解内容）四、变容二极管（Variable-CapacitanceDiode）(2-43)空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于PN结宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)

曲线如图示。

：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OuCbCb变化趋势图(2-44)（2）扩散电容Cd

Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。x=0处为P与耗尽层的交界处当电压加大，np(或pn)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12

Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。

Q正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。PNPN结(2-45)综上所述：PN结总的结电容Cj

包括势垒电容Cb和扩散电容Cd

两部分。Cb和Cd

值都很小，通常为几个皮法~几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。

当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为Cj

Cb。

一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为Cj

Cd；工程经验：（1）信号频率较高时，PN结单向导电性变差，须考虑结电容的影响。（2）PN结面积小时结电容小，工作频率高。(2-46)2、变容二极管的特性曲线及符号3、应用某变容二极管构成的电调谐回路变容二极管(a)电路符号(b)特性曲线(2-47)五、肖特基(Schottky）二极管

肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。具有低功耗、超高速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，导通电压和正向压降比普通PN结二极管低(约0.2V-0.4V)。(2-48)课堂练习

如图5.1所示电路中D1、D2为理想元件，已知ui=5sinωt（V），试对应ui画出uo的波形图。(2-49)2.3.1晶体管的结构及类型2.3.2晶体管的电流放大作用2.3.3晶体管的共射V-I特性曲线2.3.4晶体管的主要参数2.3晶体三极管(2-50)1947年12月23日贝尔实验室第一个晶体管NPNGe晶体管

W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖(2-51)晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿巴丁（1908.5.23－1991.1.30）肖克莱（1910.2.13－1989.8.12）布拉顿（1902.2.10－1987.1013）(2-52)引言

半导体三极管在电子电路中起着很重要的作用，因而应用很广泛。它可以分为双极型和单极型两种类型。1、双极型半导体三极管通常简称为晶体三极管，也可简称为三极管、晶体管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。它有空穴和自由电子两种载流子参与导电。故称之为双极型三极管。2、单极型半导体三极管通常简称为场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)，它只有一种载流子（多数载流子）参与导电。故称之为单极型三极管。(2-53)2.3.1晶体管的结构及类型1、结构、符号和分类NN+P发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PP+NEBCPNP型2、分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：

NPN、PNP按使用频率分：

低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1WECBECB

(2-54)大功率三极管功率三极管塑封小功率三极管3、晶体管的几种常见三极管实物图贴片封装三极管高频三极管(2-55)2.3.2晶体管的电流放大作用以NPN型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用(2-56)三极管放大的内部结构要求：NNPebcNNNPPP（1）发射区高掺杂。利于产生载流子。（2）基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。

三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。（3）集电结面积大。利于收集载流子。(2-57)1.三极管内部载流子的传输过程1)

发射区向基区扩散多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向BC结方向漂移形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)

反偏的集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC，其能量来自于VCC电源供应。ICIC=ICN+ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)(2-58)2.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透电流近似(2-59)【例】已知某放大器中三极管电极电位分别为V1=4.0V，V2=3.3V，V3=12V，试确定B、E、C极，并判断是NPN型还是PNP型管，是硅管还是锗管。

解：V2<V1<V3故

VB=V1=4.0V

放大工作时：

NPN管

VC＞

VB＞

VE

PNP管VC

＜

VB

＜

VE

故中间电位为B极

VB-V2=0.7V，故

VE=V2，VC=V3，且为NPN型硅管

UBE

=0.7V或

0.2V

UBE

=0.7V为硅管，

UBE

=0.2V为锗管

(2-60)【例】

：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）

VC

＝6V

VB

＝0.7V

VE

＝0V（2）VC

＝6V

VB

＝3V

VE

＝3.1V（3）VC

＝3.6V

VB

＝4V

VE

＝3.4V解：原则：正偏反偏反偏集电结正偏正偏反偏发射结饱和放大截止对NPN管而言，放大时VC

＞VB

＞VE

对PNP管而言，放大时VC

＜VB

＜VE

（1）放大区（2）截止区（3）饱和区(2-61)【例】某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。

IA＝-2mA，IB＝-0.04mA，IC＝+2.04mA，试判断管脚、管型。解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC

IAIBICC为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。(2-62)3.三极管满足放大条件的三种等效电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCVBBVVCCVuouiRCREVBBVVCCVuiuoCEBECBuiuo(2-63)vCE=0V

iB=f(uBE)

uCE=const(3)当uCE≥1V时，集电区收集电子的能力已足够强，已能把基区的绝大多数电子拉到集电区，特性曲线基本重合。uCE=0VuCE

1V(1)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。一、输入特性曲线（以共射极放大电路为例）(2)当uCE>0V时，随着uCE增大，特性曲线右移。因为集电结开始吸引电子基区复合减少，同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。2.3.3晶体三极管的伏安特性晶体管特性测试电路(2-64)(4)输入特性曲线的三个部分①死区

②非线性区③线性区

导通电压VBE(on)硅管：(0.6

0.8)V锗管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2V(2-65)饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，一般uCE≤0.3V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小,Ic<βIB。iC=f(uCE)

iB=const二、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，uBE小于死区电压。放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。Ic=βIB(2-66)2.3.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBuCE=const1.电流放大系数

(2-67)(2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

uCE=const(2-68)(3)共基极直流电流放大系数

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

(4)共基极交流电流放大系数α

α=

IC/

IE

uCB=const

当ICBO和ICEO很小时，≈

、≈

，可以不加区分。(2-69)

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流ICEO (1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。(2-70)(1)集电极最大允许电流ICM：超过时

值明显下降(2)集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=ICUCE

3.极限参数(2-71)(3)反向击穿电压

U(BR)CBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。

U(BR)EBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。

U(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系

U(BR)CBO＞U(BR)CEO＞U(BR)EBO(2-72)

由PCM、ICM和U(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区三极管安全工作的计算举例:已知ICM=50mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=25V，当UCE

=

10V时，IC<

mA当UCE

=

1V，则IC<

mA当IC

=

2mA，则UCE<

V

105025(2-73)4、温度对晶体管特性的影响(2-74)晶体管参数与温度的关系1、温度每增加10

C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。2、温度每升高1

C，UBE将减小

(2–2.5)mV，即晶体管具有负温度系数。3、温度每升高1

C，

增加0.5%~1.0%。(2-75)

测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位V1、V2、V3分别为：

（1）V1=3.5V、V2=2.8V、V3=12V

（2）V1=3V、V2=2.8V、V3=12V

（3）V1=6V、V2=11.3V、V3=12V

（4）V1=6V、V2=11.8V、V3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。（1）V1b、V2e、V3cNPN硅（2）V1b、V2e、V3cNPN锗（3）V1c、V2b、V3ePNP硅（4）V1c、V2b、V3ePNP锗原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。

NPN管UBE＞0，UBC＜0，即UC

＞UB

＞UE

。

PNP管UBE＜0，UBC＜0，即UC

＜UB

＜UE

。解：课堂练习(2-76)2.4.2放大概念和放大电路主要性能指标2.4.3基本共射放大电路分析2.4.1放大电路的组成及工作原理2.4.4工作点稳定的共射放大电路2.4.5共集电极放大电路2.4.6共基极放大电路2.4.7复合管2.4基本放大电路2.4.8三种放大电路比较(2-77)放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真，放大的前提放大电路的必备元件：有源器件（晶体管或场效应管）。判断电路能否放大的基本出发点2.4.1放大的概念放大器直流电源话筒输入扬声器输出放大电路实质上是一个受输入信号控制的能量转换器。（电源转换为输出信号）(2-78)任何放大电路均可看成为二端口网络１1

22

+us–放大电路RS+ui–+uo–RLioiius—信号源电压Rs—信号源内阻RL—负载电阻ui—输入电压uo—输出电压ii—输入电流io—输出电流2.4.2放大电路的主要性能指标(2-79)11

22

+us–放大电路RS+ui–+uo–RLioii电压增益

Au(dB)=20lg|Au|一、放大倍数电压放大倍数

Au=uo/ui电流放大倍数

Ai=io/ii功率放大倍数

Ap=po/pi电流增益Ai(dB)=20lg|Ai|功率增益

Ap(dB)=10lg|Ap|互阻增益Ar=uo/ii

互导增益Ag=io/ui(2-80)二、输入电阻——从放大电路输入端看进去的等效电阻１1

+us–RS+ui–iiRi一般来说，Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时，Ri越大，ui就越接近uS。(2-81)三、输出电阻放大电路的输出相当于是负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。计算：i22

11

us=0RS+u–放大电路Ro测量：uot—负载开路时的输出电压；uo—带负载时的输出电压，Ro越小，uot

和

uo

越接近。22

11

+us–RS+ui–+uo–RLRo+uot–Ri(2-82)四、通频带

电抗元件(主要是电容)使放大电路对不同频率输入信号的放大能力不同，反映在：Au(f)—幅频特性

(f)—相频特性1.幅频特性和相频特性fAu(f)OfO2.频带宽度(带宽)BWAumfLfH下限频率

上限频率

中频段低频段高频段BW0.7BW0.7=fH–

fL(BandWidth)五、最大输出功率和效率效率

=最大输出功率Pom直流提供功率PDC(2-83)

总变化量（总瞬时值）：是直流量与交流量的叠加量，字母小写，下标大写，如：

放大电路中既有直流量如直流电源VCC

；又有交流量如交流电压ui，还有交直流复合（叠加）量如交流电流iB。

直流分量：大写字母+大写下标；如：IB交流分量：小写字母+小写下标；如：ib瞬时值：小写字母+大写下标；如：iB

直流分量+交流分量；如：iB

=IB+ib交流有效值：大写字母+小写下标；如：Ib为便于区分，特作以下规定：六、放大电路中电压、电流方向及符号的规定。iB、iC、uBE、uCE(2-84)一、基本共射放大电路的组成及各元件的作用VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合适的IB。VCC：使UCE≥Uon，同时作为负载的能源。Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uo)。动态信号作用时：

输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。2.4.3基本共射放大电路的工作原理与分析方法(2-85)二、设置静态工作点的必要性

输出电压必然失真！

放大的对象是动态信号，但前提是不失真。若去掉直流偏置，在ui负半周以及ui正半周其幅值小于晶体管发射结的导通电压时，晶体管截止，所以造成了严重的失真，所以，设置静态工作点是十分必要的。此外，静态工作点的设置，还影响到其它动态参数，必须合理设置静态工作点，在以后各节再进行说明。

ui=0静态工作情况（各支路只有直流成分）三、基本共射放大电路的工作原理及波形分析(b)ui=sint

动态工作情况iB=IBQ+ibiC=ICQ+icuCE=UCEQ+uceuo=uce三、基本共射放大电路的工作原理及波形分析(2-88)三、基本共射放大电路的工作原理及波形分析饱和失真截止失真底部失真顶部失真动态信号驮载在静态之上输出和输入反相！

要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！(2-89)四、放大电路的组成原则（4）此外对实用放大电路还要求输入和输出信号要共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。（1）外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。则有：（2）输入回路的接法应使输入电压

u

能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量

iB。（3）输出回路的接法应使变化量

iC能够转化为变化量

uCE，并传送到放大电路的输出端。(2-90)实用的放大电路——直接耦合放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”将两个电源合二为一共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，动态时，b-e间电压是uI与Rb1上的电压之和。(2-91)实用放大电路——阻容耦合放大电路

耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时，C1、C2上电压？动态时，C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQuBE＝uI＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。(2-92)课堂讨论1.下左图的电路能够放大信号么？下右图的PNP型晶体管组成一个共射放大电路正确么？(2-93)五、直流通路和交流通路1.直流通路画法（用于分析静态工作点）①

将Us=0，但保留Rs；②电容开路；

③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路画法（用于分析动态参数）①大容量电容相当于短路；②直流电源相当于短路（内阻为0）。③若电路有变压器则需要保留。

通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。(2-94)

VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。3.基本共射放大电路的直流通路和静态求解

列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQ＝βIBQ，可估算出静态工作点。(2-95)当VCC>>UBEQ时，已知：VCC＝12V，Rb＝600kΩ，Rc＝3kΩ，β＝100。

Q＝？(静态工作点参数）直流通路4.阻容耦合单管共射放大电路的交流通路(2-96)讨论一画出图示电路的直流通路和交流通路。将uS短路，即为直流通路。(2-97)六、图解法（应实测器件的特性曲线）

1.静态分析：图解二元方程输入回路负载线QIBQUBEQQIBQICQUCEQ负载线(2-98)2.电压放大倍数的分析斜率不变(2-99)3.失真分析截止失真消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。截止失真是在输入回路首先产生失真！减小Rb能消除截止失真吗？(2-100)饱和失真饱和失真产生于晶体管的输出回路！(2-101)消除饱和失真的方法消除方法：增大Rb，减小VBB，减小Rc，减小β，增大VCC。Rb↑或β↓或VBB↓Rc↓或VCC↑这可不是好办法！

最大不失真输出电压Uom

：比较UCEQ-Uces与（VCC－UCEQ

），取其小者，除以。(2-102)4、直流负载线和交流负载线Uom=?Q点在什么位置Uom最大？交流负载线应过Q点，且斜率决定于（Rc∥RL）(2-103)5、图解法优缺点优点:

1.既能分析静态,也能分析动态的工作情况；

2.直观形象；

3.适合分析具有特殊输入/输出特性的管子；

4.适合分析工作在大信号状态下的放大电路。缺点:

1.特性曲线存在误差；

2.作图麻烦，易带来误差；

3.无法分析复杂电路和高频信号。(2-104)讨论二1.在什么参数、如何变化时Q1→Q2→Q3→Q4？2.从输出电压上看，哪个Q点下最易产生截止失真？哪个Q点下最易产生饱和失真？哪个Q点下Uom最大？3.设计放大电路时，应根据什么选择VCC？(2-105)讨论三2.空载和带载两种情况下Uom分别为多少？3.在图示电路中，有无可能在空载时输出电压失真，而带上负载后这种失真消除？

已知ICQ＝2mA，UCES＝0.7V。

1.在空载情况下，当输入信号增大时，电路首先出现饱和失真还是截止失真？若带负载的情况下呢？

（一）微变等效电路法的概念

所谓等效电路分析，是在一定条件下，将非线性元件等效为线性元件，运用线性电路的计算方法分析放大器交流指标。适用条件：1、静态工作点设在放大区，无非线性失真；2、只对交流小信号等效。七、等效电路法(2-107)ibicicBCEibib晶体三极管微变等效电路ube+-uce+-ube+-uce+-

简化的晶体管的h参数微变等效电路rbeBEC

晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。

晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。(2-108)简化的h参数等效电路－交流等效模型查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得由IEQ算出在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！(2-109)a、第一步画出放大电路的交流通路。b、第二步用晶体管的微变等效电路替代交流通路中的晶体管。c、利用微变等效关系对放大电路交流性能指标的计算。（二）利用微变等效方法对放大电路的动态分析步骤(2-110)1、基本共射放大电路的动态分析放大电路的交流等效电路(2-111)2、阻容耦合共射放大电路的动态分析(2-112)讨论四：基本共射放大电路的静态分析QIBQ≈35μAUBEQ≈0.65V(2-113)讨论四：基本共射放大电路的动态分析(2-114)讨论五：阻容耦合共射放大电路的静态分析为什么可忽略？(2-115)讨论五：阻容耦合共射放大电路的动态分析(2-116)一、温度对静态工作点的影响

所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。T（℃）→β↑→ICQ↑→Q’

若温度升高时要Q’回到Q，则只有减小IBQICEO↑若UCEQ不变IBQ↑Q’2.4.4放大电路静态工作点的稳定(2-117)二、静态工作点稳定的共射放大电路直流通路？Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路1.电路组成(2-118)2.稳定原理

为了稳定Q点，通常I1>>IB，即I1≈I2；因此基本不随温度变化。Re的作用T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓（UB基本不变）→IB↓→IC↓(2-119)Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。Re有上限值吗？IC通过Re转换为ΔUE影响UBE温度升高IC增大，反馈的结果使之减小(2-120)3.Q点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路a.分压式Q点计算（忽略）(2-121)b、利用戴维宁定理等效变换后求解Q点(2-122)4.动态分析—有旁路电容Ce时：无旁路电容Ce时：(2-123)三、稳定静态工作点的方法汇总引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。

例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。Rb1应具有负温度系数，Rb2应具有正温度系数。(2-124)讨论图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？若采用了措施，则是什么措施？(2-125)2.4.5、基本共集放大电路1.共集电极放大电路的电原理图(2-126)直流通路与工作点Q：(2-127)2.动态分析：电压放大倍数故称之为射极电压跟随器uo＜ui(2-128)2.动态分析：输入电阻的分析Ri与负载有关！(2-129)2.动态分析：输出电阻的分析（外施电压法）Ro与信号源内阻有关！3.特点

输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压，输入输出电压同相；在一定条件下有电压跟随作用！令Us为零，保留Rs，在输出端加uot，得：(2-130)2.4.6、基本共基放大电路1.电路结构(2-131)2、静态分析(2-132)3.动态分析4.特点：输入输出电压同相，输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！(2-133)ib1(1+

1)

ib1(1+

1)(1+

2)ib1=(1+

1+

2+

1

2)ib1

1

2

rbe=rbe1+(1+

1)rbe2

2(1+

1)ib1

1ib1ibicie(

1+

2+

1

2)ib1V1V2一、复合管(达林顿)复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。目的：增大β，减小前级驱动电流，改变管子的类型。2.4.7达林顿管(2-134)V1V2NPN+NPNNPNV1V2PNP+PNPPNPV1V2NPN+PNPNPNV1V2PNP+NPNPNP构成复合管的规则：1)

保证两个管子的各电极电流能够正常流通2)

第一只管子的C和E总是接在第二只管子C、B之间3)

复合管类型与第一只管子相同；功率决定于后一只管子。(2-135)复合管的最大优点——电流放大倍数大！改进——接有泻放电阻的复合管：

2ICEO1泻放电阻ICEO1减小(2-136)二复合管放大电路(2-137)2.4.8三种接法的比较：空载情况下

接法共射共集共基

Au大

小于1

大Aiβ1＋βαRi

中

大

小

Ro

大

小

大频带窄中宽(2-138)三种接法的组合形式（了解）为使单级放大电路具有多方面的优良性能，有时采用组合接法。例如：共集－共基形式：输入电阻高、电压放大倍数较大、频带宽共集－共射形式：输入电阻高、电压放大倍数较大

具有什么特点？是为了增强电压放大能力吗？(2-139)讨论一

图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。(2-140)电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。1.Q为多少？2.Re有稳定Q点的作用吗？3.电路的交流等效电路？4.V变化时，电压放大倍数如何变化？讨论二(2-141)讨论二结论：这是一个电可调增益放大器！(2-142)2.5.1概述2.5.2结型场效应管2.5.5场效应管的主要参数2.5.3MOS场效应管2.5.4VMOS场效应管2.5.6-8场效应管的对比和使用注意事项2.5场效应管(2-143)场效应管FET

(FieldEffectTransistor)结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)特点：(1)它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为0，因此具有极高的输入电阻(约数百兆欧以上)。(2)输出电流是仅由多子运动而形成的，故称单极型器件(普通晶体管电流是由多子和少子两种载流子形成，称为双极型器件)。因此，它的抗温度和抗辐射能力强，工作较稳定。(3)制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小。(4)类型较多，使电路设计灵活性增大。类型：2.5.1概述(2-144)2.5.2结型场效应管（以N沟道为例）

结型场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图1、JFET结构(2-145)栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用（Uds=0时）沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？UGS（off）2、N-JFET工作原理(2-146)漏-源电压对漏极电流的影响（Uds≠0时）uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）(2-147)夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。

为什么必须用转移特性描述uGS对iD的控制作用？3、N-JFET特性曲线(2-148)g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD

不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：(2-149)一、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)2.5.3MOS场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDBB

—衬底（通常和S极相连）(2-150)

栅源电压为零时存在原始导电沟道的场效应管称为耗尽型场效应管；无原始导电沟道，只有在uGS绝对值大于开启电压uGS(th)

绝对值后才能形成导电沟道的，则称为增强型场效应管。SGDBSGDBSGDBSGDB注意沟道符号差别！2.几个概念(2-151)3.工作原理1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)a.

当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；b.

当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引

P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.

当uGS

UGS(th)

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚。反型层(沟道)(2-152)2)

uDS

对

iD的影响(uGS>UGS(th))

DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS

，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=

UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDS

iD

。预夹断发生之后：uDS

iD不变。MOS夹断原理(2-153)小结：①

N沟EMOS道场效应管无原始导电沟道，当uGS>UGS(th)时产生导电沟道，改变uGS的大小可以改变导电沟道的宽度，从而改变iD的大小。②

uDS较小时，对沟道的影响很小，iD近似地与uDS成正比；uDS>uGS–UGS(th)时沟道被夹断，iD几乎与uDS无关，时受uGS控制的恒流源。③场效应管是利用多子在沟道中的运动导电。(2-154)4.伏安特性（1)

输出特性可变电阻区（非饱和区）uDS<uGS

UGS(th)即未预夹断等效于压控电阻截止区uGS

UGS(th)

沟道全夹断iD=0

放大区(饱和区)uDS

uGS

UGS(th)（此时已发生预夹断）具有压控恒流特性，放大特性(2-155)（2)

转移特性当EMOS管工作于放大区时，电流方程为uGS=2UGS(th)

时的iD值(2-156)二、耗尽型N沟道MOSFETSGDB特点：1、有原始的导电沟道，当uGS＝0时D、S间加上正电压uDS就有电流iD。2、当uGS由零向正值增大时，反型层增厚，iD增大。3、当uGS由零向负值增大时，反型层变薄，iD减小。当uGS负到某一数值时反型层消失，称为沟道全夹断。用UGS（off）表示。Sio2

绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，(2-157)SGDBuGS

UGS(off)

时，全夹断。输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)

时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO(2-158)三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB(2-159)2.5.4VMOS管主要用于功率电子电路(2-160)2.5.5场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压