模电基础知识教程

模电基础教程

01单元半导体器件基础

向Q忤导体的导电特性

!导体、绝缘体和半导体

I本征半导体的导电特性

i；卡杂质半导体的导电特性

♦PN结

由晶体二极管

!/二极管的结构与伏安特性

i半导体二极管的主要参数

!半导体二极管的等效电路与开关特性

I二♦稳压二极管

由♦♦晶体三极管

!；••卡三极管的结构与分类

1三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用

j1恪三极管的特性曲线

I?他三极管的主要参数

!L/三极管的开关特性

由•■场效应管

!结型场效应管

L

i8绝缘栅型场效应管

加•■特殊半导体器件

发光二极管

光敏二极管和光敏三极管

02单元基本放大电路

由基本放大电路的工作原理

!基本放大电路的组成

!卜/直流通路与静态工作点

!交流通路与放大原理

i放大电路的性能指标

曲♦放大电路的图解分析法

i放大电路的静态图解分析

।放大电路的动态图解分析

iL,♦输出电压的最大幅度与非线性失真分析

由6微变等效甩路分析法

I，.晶体管的h参数

IK晶体管的微变等效电路

IL/用微变等效电路法分析放大电路

由Q隐态工作点的稳定

IP•/温度变化对静态工作点的影响

:工作点稳定的电路

由■场效应管放大电路

I、恪场效应管放大电路的静态分析

由"多级放大电路

!卜/多级放大电路的级间耦合方式

I二一多级放大电路的分析方法

国•放大电路的频率特性

上/单级阻容耦合放大电路的频率特性

二/多级阻容耦合放大电路的频率特性

03单元负反馈放大电路

由6反馈的基本概念和分类

I反馈的基本概念和一般表达式

I1恪反馈放大电路的类型与判断

由6负反馈放大电路基本类型举例

!K电压串联负反馈放大电路

I电流并联负反馈放大电路

I%/电流串联负反馈放大电路

IL/电压并联负反馈放大电路

由■负反馈对放大电路性能的影响

I恪降低放大倍数

!卜/提高放大倍数的稳定性

I必展宜通频带

I卜/减小非线性失真

!二.改变输入电阻和输出电阻

由.负反馈放大电路的分析方法

X深度负反馈放大电路的近似计算

方框图法分析负反馈放大电路

04单元功率放大器

由⑥功率放大电路的基本知识

!；/概述

!L/甲类单管功率放大电路

曲―互补对称功率放大电路

I上.OCL类互补放大电路

i、/0TL甲乙类互补对称电路

♦复合互补对称电路

6变压器耦合推挽功率放大电路

05单元直接耦合放大电路

由♦概述

|L.直接耦合放大电路中的零点漂移

由“基本差动放大电路的分析

基本差动放大电路

卜必基本差动放大电路抑制零点漂移的原理

基本差动放大电路的静态分析

:…•/基本差动放大电路的动态分析

L/差动放大电路的改进

06单元集成运算放大器

由6集成电路基础知识

I，/集成电路的特点

：X集成电路恒流源

|有源负载的基本概念

由•♦集成运放的典型电路及参数

1%.典型集成运放F007电路简介

II.集成运放的主要技术参数

由,■集成运放的应用

X概述

运放的基本连接方式

L集成运放在信号运算方面的应用

，…/集成运放在使用中应注意的问题

07单元直流电源

由“■整流电路

!半波整流电路

!卜干全波整流电路

I卜心桥式整流电路

!二恪倍压整流电路

曲・，茂波电路

।:y电容漉波电路

!1y电感滤波电路

I复式滤波电路

IL/有源滤波电路

曲••稳压电路

„并联型硅稳压管稳压电路

x中联型稳压电路的稳压原理

:…・/带有放大环节的串联型稳压电路

:…心稳压电源的质量指标

提高稳压电源性能的措施

08单元正弦波振荡电路

■•6自激振荡原理

!g…/自激振荡的条件

iX自激振荡的建立和振幅的稳定

I**正弦波振荡电路的组成

曲6LC正弦波振荡电路

!二/变压器反馈式振荡电路

由•♦三点式LC振荡电路

I三点式LC振荡电路的构成原则

I;,♦卡电感三点式振荡电路

I卜电容三点式振荡电路

IL/克拉泼与席勒振荡电路（改进型电容三点式振荡电路）

由仓石英晶体振荡器

I石英晶体的基本特性和等效电路

1L石英晶振：并联型晶体振荡电路

i二♦石英晶振：串联型晶体振荡电路

由“RC振荡电路

KRC相移振荡电路

'.卡文氏电桥振荡电路

09单元调制、解调和变频

@调制方式

由•■调幅

I，.调幅原理

i卜/调幅波的频谱

I调幅波的功率

।二/调幅电路

由•♦检波

!卜••/小信号平方律检波

jL.大信号直线性检波

曲调频

I调频的特点

।调频波的表达式

।调频电路：变容二极管调频电路

I『加调频与调幅的比较

由，鉴频

!a8对称式比例鉴频电路

j不对称式比例鉴频电路

由…6变频

k.变频原理

L.变频电路

io单元无线广播与接受

，无线电广播与接收

⑥无线电波的传播

由⑥超外差收音机

/超外差收音机方框图

.超外差收音机性能指标

由eLC谐振回路

IR<LC串联谐振回路

IL<LC并联谐振回路

输入回路

统调

中频放大电路

自动增益电路

整机电路分析

半导体导电特性

导体、绝缘体和半导体

自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。

导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定

向运动形成较大的电流6因而导体的电阻率很小，只有10.6~10"Q・cm金属一般为导体,如

铜、铝、银等0

绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场

作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在1010A,cm以上。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、错、硒等，它们的电阻率通常在

109a,cm之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的

影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为214*炉。・cm,若按百万分之一的

比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为a'10"。'改1,几乎降低了一百万倍。半导

体具有•这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。

本征半导体的导电特性

常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶楮(Ge)o所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规

则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体，

一、本征半导体的原子结构

半导体铭和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子，带

4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核，如图Z0101所示。

惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中

性。

二、本征激发

一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定

的能量(如光照、升温、电磁场激发等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。

理论和实验表明：在常温(T=30CK)下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能反(=

l.leV)的能量便可激发成为自由电子。本征错的电离能更小，只有O/72eV。

当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价犍中便留下了一

个空位子，称为“空穴')当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到

这个空穴中来使该价电子原来所在共价犍中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电

子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷

的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为

空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。

电子一空穴对

本征激发

复合：当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复

一个共价键，与此同时消失一个“电子一空穴"对，这一相反过程称为复合。

动态平衡：在一定温度条件下，产生的“电子一空穴对”和复合的“电子一空穴对“数量相等时，形

成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时”电子一空穴对"维持一定的数目。

可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子,

这也是半导体与导体导电方式的不同之处。

杂质半导体的导电特性

本征半导体的导电能力很弱，然稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器

件多数是用含有•定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N

型半导体和P型半导体两种。

一、N型半导体

在本征半导体硅（或错）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅

原子，占据品格上的某些位置。如图Z0103所示。

由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结

构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣

脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离

子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，乂称施主杂质。

在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。

这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多

子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子

型半导体，简称N型半导体。

二、P型半导体

在本征半导体硅（或错）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量

硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0I04所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近

的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另I个硅原子的共价键中则缺少1

个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1

个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称

为受主原子，又称受主杂质。

在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使

半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。显

然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。

PN结

一、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，那么

在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图Z0105所示e由于P区的多数载流子是空穴，少数载流

于是电子：N区多数载流于是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种教流子的

浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区

的一侧留下了一层不能移动的施主正离子：同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散，与N区界面附近

的电子复合而消失，在P区的一侧,留下一层不能移动的受生负离子。扩散的结果，使交界而两侧出现

了由不能移动的带电离子组成的空间口荷区，因而形成了一个由NIX指向P区的电场，称为内电场.

随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，

所以，当扩散运动9漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结由于空间电荷

区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区.

二、PN结的单向导电性

PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当电源正极

接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置.如图Z0106所示。由于PN结是高阻

区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生-•个外电场，

其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，

使空间电荷区变窄。同样.P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电

荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散乂

继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的

正向电流介。而且仔随着正向电压的增大而增大。

当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置反向电压产生的外加电

场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把PIX的多子（空穴）和N区的多子（自由电

子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场

作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流

/Ro由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，

它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可

认为PN结处于截止状态。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加原，导致电子一空穴对增

多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主，要原因之一，因此，在

设计电路时，必须考虑温度补偿问题。

综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，相当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN

结截止。这就是PN结的单向导电性。

三、PN结的击穿特性

当PN结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿，

PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VR表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两

类。

1.雪崩击穿

当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与

结内原子发生亢接碰撞时，将原子电哥，产生新的“电子一空穴对"。这些新的“电子一空穴对"，又被强

电场加速再去碰搔其它原子，产生更多的”电子一空穴对"。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并

在反向电压作用下作漂移运动，形成履大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本

质是碰撞电离,

2.齐纳击穿

齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺朵浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小

的反向电压（5V以下），结层中的电场却很强（可达ZSXICPV/m左右）0在强电场作用下，会强

行促使PN结内原子的价电子从共价铤中拉出来，形成"电子一空穴对"，从而产生大量的载流子。它们

在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离

采取适当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8〜1000V。而齐纳击穿电压低于5Vli

在5〜8V之间两种击穿可能同时发生，

晶体二极管

二极管的结构与伏安特性

晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。按

其结构，通常有点接触型和面结型两类。常用符号如图Z0107中V、VD（本资料用D）来

表示。

Y（VD、D）

.以・

举导体二极管

电路符号

图Z0107电路符号图Z0108点接触型图Z0109面结合型图Z0110平百

点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合：（如图Z0108）

面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；（如图Z0109）

平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。（如图Z0110）

按使用的半导体材料分，有硅二极管和楮二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极

管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电

二极管等。

二四管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通营主要用它的伏安特性

来表示。

二极管的伏安特性是指流过二极管的电流心与加于二极管两端的电压〃D之间的关系或

曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U〜I曲线，称二极管的伏

安特性曲线。图Z01H是二极管的伏安特性曲线示意图，依此为例说明其特性。

一、正向特性

由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不

足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为

零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。

当正向电压升高到一定值Uy（Uth.）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。

Uy被称为门限电压或阀电压。Uy视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为

0.5V左右，错管为0.1V左右,在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一

点，定为门限电压Uy的值，如图中虚线与U轴的交点。

当正向电压大于Uy以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线

性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用UF来表示。通常，硅管的导通电

压约为0.6~0.8V（一般取为0.7V）,错管的导通电压约为0.1〜0.3V（一般取为

0.2V）。

二、反向特性

当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少

数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流/R。反向电流很小，且几乎不随

反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图Z0111中所示。但反向电流是温度的函

数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，错管的反向电

流在UA数量级。

三、反向击穿特性

当反向电压增大到一定数值UBR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，UBR

（或用VB表示）称为击穿电压，UBR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且

硅管较错管为高。

击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为

制作稳压二极管的依据。

四、二极管伏安特性的数学表达式

由理论分析可知，二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示；

坦

'=”回（/一1）GS0101

式中，为流过二极管的电流，MDo为加在二极管两端的电压，VT称为温度的电压当量，

与热力学温度成正比，表示为

VT=AT/q其中T为热力学温度，单位是K：q是电子的电荷量，q=l-602X10^C;k为玻

耳兹曼常数，k=l物乂lO2J/K室温下，可求得力•二26mV,"而"是二极管的反向

饱和电流。

五、温度对二极管伏安特性的影响

二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升

高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在

室温附近，温度每升高1。（2,其正向压降减小2~2.5mV；温度每升高10。C，反向电流大

约增大1倍左右。

综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：

①二极管具有单向导电性：

②二极管的伏安特性具有非线性;

③二极管的伏安特性与温度有关。

半导体二极管的主要参数

描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合

理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号

的二极管均用表格列出其参数。二极管的主要参数有以下几种：

1.最大平均整流电流/F(AN)

IF是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材

料及散热条件有关B实际应用时，工作电流应小于/F(AN),否则，可能导致结温过高而

烧毁PN结。

2.最高反向工作电压VRM

VRM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加

到击穿电压VBR时，二极管可能被击穿损坏，因而，VRM通常取为(1/2〜2/3)VBR。

3.反向电流/R

/R是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上/R=/R(sat),但考虑表面漏电等因

素，实际上/R稍大一些。人愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。另外，/R与温度密

切相关，使用时应注意。

4.最高工作频率/M

加是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此

值，否则二极管的单向导电性将显著退化。加的大小主要由二极管的电容效应来决定。

5.二极管的电阻

就二极管在电路中电流与电压的关系而言，可以把它看成一个等效电阻，且有直流电阻与

交流电阻之别e

(1)直流等效电阻RD

直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压UD与流过二极管的直流电流/D之比，即

=——GS0102

RD的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。不过应

注意的是，使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。其原因是二极管工作点的位置不

同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到

几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。

(2)交流等效电阻rd

。=空)0然。1。3

先亦随工作点而变化，是非线住电阻。通常，二极管的交流正向电阻在几〜几十欧姆之

间。

需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性很

大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。

半导体二极管的型号命名

二极管的型号命名通常根据国家标准GB・249・74规定，由五部分组成。第一部分用数字

表示器件电极的数目：第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性；第三部分用汉语拼音

字母表示器件的类型：第四部分用数字表示罂件序号：第五部分用汉语拼音字母表示规格

号。如表Z101所示。

半导体二极管的等效电路与开关特性

一、二极管的电容效应

二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容6和犷散电容8。

1,势垒电容CB(Cx)

前面已经讲过，PN结内缺少导电的栽流子，其电导率很低，相当于介质；而PN结两侧的P

区、N区的电导率高，相当于金属导体。从这一结构来看，PN结等效于一个电容器。

事实上，当PN结两端加正向电压时，PN结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"，当

PN结两端加反向电压时，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。这种现象可以用

一个电容来模拟，称为势垒电容。势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是

与外加电压有关。当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大。目前

广泛应用的变容二极管，就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。

2.扩散电容8

PN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠

近PN结一侧浓度高，远离PN结的一侧浓度低。显然，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的

负电荷：同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。当正向电压加大时，扩散增强，

这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了

电荷堆枳，相当于电容器的充电。相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N区扩散到P区的电

子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。因

此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容，

总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Q相当于两者的并联，即0=6+6。二极管正向

偏置时，犷散电容远大于势垒电容6＞。口：而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要

作用，q^CBo

二、二极管的等效电路

二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的°为了使电路的分析简

化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。使线性电路的电压、电路关系和二极管外特性近似

•致，那么这个线性电路就称为二极管的等效电路。显然等效电路是在一定条件下的近似。

二极管应用于直流电路时，常用一个理想二极管模型来等效，可把它看成一个理想开关。正偏

时,相当于“开关”闭合(ON),电阻为零,压降为零；反偏时，相当于“开关"断开(OFF),电阻

为无限大，电流为零。由于理想二极管模型突出表现了二极管最基本的特性••单向导电性，所以广

泛应用于直流电路及开关电路中。

在直流电路中如果考虑到二极管的电阻和门限电压的影响。实际二极管可用图ZOI12所示的电路

来等效。

在二极管两端加直流偏置电压和工作在交流小信号的条件下，可以用简化的电路来等效。图中rs

为二极管P区和N区的体电阻。

三、二极管的开关特性

二极管正偏时导通，相当于开关的接通；反偏时截止相当于开关的断开，表明二极管具有开关特

性。不过一个理想的开关，在接通时开关本身电阻为零，压降为零，而断开时电阻为无穷大，电流

为零，而且要求在高速开关时仍具有以上特性，不需要开关时间。但实际二极管作为开关运用，并

不是太理想的。因为二极管正向导通时，其正向电阻和正向降压均不为零；反向戳止时，其反向电

阻也不是无穷大，反向电流也不为零。并且二极管开、关状态的转换需要一定时间.这就限制了它

的开关速度。因此作开关时，应选用正向电阻m小、反向电阻RR大、开关时间小的开关二极管。

稳压二极管

硅稳压二极管（简称硅稳压管）实质上是一个硅晶体二极管。稳压二极管的实例和管子的符号如

图Z0113所示。

1.二极管的击穿现象

由二极管的伏安特性可知，当加于它两端的反偏电压超过反向击穿电压之后，二极管将发生击穿

现象。二极管的击穿通常有三种情况，即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。

（1）雪崩击穿

对于掺杂浓度较低的PN结，结较厚，当外加反向电压高到一定数值时，因外电场过强，使PN

结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞，将原子电离，产生新的电子空穴对，由于链锁

反应的结果，使少数载流子数目急剧增多，反向电流雪崩式地迅速增大，这种现象叫雪崩击穿。雪

崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。

（2）齐纳击穿

对于采用高掺杂（即杂质浓度很大）形成的PN结，由于结很薄（如0.04Fim）即使外加电压并不

高（如4V）,就可产生很强的电场（如|1的丫/CI"）将结内共价健中的价电子拉出来，产生大量的

电子一空穴对，使反向电流剧增，这种现象叫齐纳击穿（因齐纳研究而得名）。齐纳击穿一般发生

在低反压、高掺杂的情况下。

（3）热击穿

在使用二极管的过程中，如由于PN结功耗（反向电流与反向电压之积）过大，使结温升高，电

流变大，循环反复的结果，超过PN结的允许功耗，使PN结击穿的现象叫热击穿，热击穿后二极

管将发生永久性损坏。

对于硅PN结，击穿电压在7V以上的为雪崩击穿；4V以下的为齐纳击穿；在。4〜7V之间的两

种情况都有。无论哪种击穿，只要控制反向电流的数值不致引起热击穿，当反向电压下降到击穿电

压以下，其性能可以恢复到未击穿前的状况。

2,稳压管的击穿特性稳压管的正向特性与一般二极管相同，而反向击穿特性很陡峭。

3.稳压管的主要参数

（1）稳定电压Yz

Vz稳压管反向击穿后其电流为规定值时它两端的电压值。不同型号的稳压管其物的范围不同；

同种型号的稳压管也常因工艺上的差异而有一定的分散性。所以，Vz一般给出的是范围值，例如

2CWU的收在3.2〜4.5V（测试电流为10mA）。当然，二极管（包括稳压管）的正向导通特性

也有稳压作用，但稳定电压只有0.6〜O,8V,且随温度的变化较大，故一般不常用。

（2）稳定电流比

/Z是指稳压管正常工作时的参考电流。/7通常在最小稳定电流/Zmin与最大稳定电流瓦侬之间。

其中无而是指稳压管开始起稳压作用时的最小电流，电流低于此值时，稳压效果差；无皿是指稳

压管稳定工作时的最大允许电流，超过此电流时，只要超过额定功耗，稳压管将发生永久性击穿。

故•般要求/ZminV/zV//max。

《3》动态电阻，N

是指在稳压管正常工作的范围内，电压的微变量与电流的微变量之比。々越小，表明稳压管

性能越好6

<4）额定功耗Pz

Pz是由管子温升所决定的参数，Pz=Vz/Zmax。

（5）温度系数a

a是指Vz受温度膨响的程度。硅稳压管在4V时aVO；在％>7V时，a>0；在％=4〜

7V时，a很小

三极管的结构与分类

晶体三极管

晶体三极管又称半导体三极管，简称晶体管或三极管。在三极管内，有两种载流子；电子与空

穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型晶体三极管，简记为BJT（英文Bipolar

Junc【ionTransisK）i•的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用。

一、结构

图Z0113和图Z0I14给出了NPN却PNP型两类三极管的结构示意图和表示符号。它有两个PN

结（分别称为发射结和集电结），三个区（分别称为发射区、基区和集电区），从三个区域引出三

个电极(分别称为发射极e、基极b和集电极c)o发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电

流的实际流向。

为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：

①使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；

②使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输截流子；

电0113三极管釉示蒯

三做春的电路符号vr(v>T)

PNP型NPNffl

*10114三根管的电路符号

二、分类

在实际应用中，从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。

按材料分，有硅管和铝管；

按结构分，有NPN型管和PNP型管；

按工作频率分，有高频管和低频管；

按制造工艺分，有合金管和平面管：

按功率分，有中、小功率管和大功率管等等。

三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用

一、三极管的三种连接方式

三极管在电路中的连接方式有三种：①共基极接法：②共发射极接法，③共集电极接法。如图

Z0115所示。共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。必须注意，无论那种接

法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结

加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电绍加反向偏置电压（一般

几〜几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载

流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。

二、三极管内部载流子的运动规律

在发射结正偏、集电结反偏的条件下，三极管内部载流子的运动，可分为3个过程，下面以

NPN型三极管为例来讨论（共射极接法）。

1.发射区向基区注入载流子的过程

由于发射结外加正向电压，发射区的电子载流子源源不断地注入基区，基区的多数载流子空穴，

也要注入发射区。如图Z0116所示，二者共同形成发射极电流IE。但是，由于基区掺杂浓度比发

射区小2〜3个数量级，注入发射区的空穴流与注入基区的电子流相比，可略去。

三段管内部电痣分正关系

Ipe«Ine

Inb,辟Ine盛里与撤廖中蛉空穴

成分.

Inc『,集解电结盛反电印，入在结第电

ICBO.集基反向饱和电流

IE=Ine+Ipe=Ine

ID=Inb+Ipe-ICBO

fcInb-ICBO

Ic=Inc+ICBO

(Ine=Inc+Inb)

Ii=IB+Ic

图Z0116三极件内部电流分配关系示意图

2.载流子在基区中扩散与复合的过程

由发射区注入基区的电子载流子，其浓度从发射结边缘到集电结边缘是逐渐递减的，即形成了一定

的浓度梯度，因而，电子便不断地向集电结方向扩散。由于基区宽度制作得很小，且掺杂浓度也很

低，从而大大地减小了复合的机会，使注入基区的95%以上的电子载流子都能到达集电结-故基

区中是以扩散电流为主的，且扩散与复合的比例决定了三极管的电流放大能力。

3.集电区收集载流子的过程

集电结外加较大的反向电压，使结内电场很强，基区中扩散到集电结边缘的电子，受强电场的作

用，迅速漂移越过集电结而进入集电区，形成集电极电流加C。另一方面，集电结两边的少数教流

子，也要经过集电结漂移，在C,b之间形成所谓反向饱和电流/CBO,不过./CBO一般很小，因而

集电极电流

/NC+ZCBO-/NCGS0105

同时基极电流

/B=/PB+/E-/CBO=/PB-/CBOGS0106

反向饱和电流/CBO与发射区无关，对放大作用无贡献，但它是温度的函数，是管子工作不稳定

的主要因素。制造时，总是尽量设法减小它。

三、三极管的电流分配关系与放大作用

1.电流分配关系

由图Z0I16可知，三极管三个电极上的电流组成如下：

发射极电流/E

/E=/NE77PE=/NEGS0107

基极电流/B

/B=/PB+/PE-fCBO~/PB-/CBO

集电极电流/C

/C=/NC+/CBO^INC

同时由图Z0116也可看出

/NE=/NC-A/PBG$0108

由以上诸式可得到

/E=/C7-/BGS0109

它表明，发射极电流店按一定比例分配为集电极电流/c和基极电流/B两个部分，因而晶体H极

管实质上是一个电流分配器件。对于不同的晶体管，尽管/c与/B的比例是不同的，但上式总是成

立的，所以它是三极管各极电流之间的基本关系式。

由图Z0116也可以看出，/NC代表由发射区注入基区进而扩散到集电区的电子流，/PB代表从发射区

注入基区被复合后形成的电流。对于一个特定的三极管，这二者的比例关系是确定的，通常将这个

比值称为共发射极直流电流放大系数。用》表示，

声强」「电。GS0110

加牛GS0111

如果忽略/CBO,则*

该式说明/B对/c有控制作用。

变换一下式GS01I0,可写成

1c=B1B+Q+B）】CBOGS0112

令/信。=（1+£”以0则上式可写成；

=

ZBIg-Ic

~B+3o

IR=（l+£）/z+/函。GS0114

此式表明，集电极电流由两部分组成：一部分是应E它表示/c与/B的比例关系，另一部分是

Wo=（1+

称为穿透电流其意义将在三极管参数中介绍。

综合共射极三极管的电流分配关系，可写为

=

ZBIg-IC

[c=双B+1cso

h=（1+仍4+1csoGS0114

三极管的电流分配关系还可以用由发射区传输到集电区的电子流/NC与发射极总发射的电子流/E

之间的比例关系来表示。将这二者的比值称为共基极直流电流放大系数，用工表示即：

反=乎GS0115

由于/C=/NC+//CBO,且/C>>/CBO»故：

豆」c一y4GS0116

该式说明/E对/C也有控制作用。

由上可得出共基极电流分配关系为

A?=以3+1080GS0H7

As=Q-GS0118

台和过都是描述三极管的同一过程，它们之间必然存在着内在联系。由它们各自的表达式知：

a=^=------区-----2地-米二一L

电。。

ls（1+£4+（1+6）（1+0）G1+£

即：

,£

。=「丁GS0119

1+万

一股过£1（约09〜099）,§>>1（约20〜200）。

2,三极管的放大作用

图Z0117为共射接法的三极管放大电路。待放大的输入信号〃i接在基极回路，负教电阻股接在集

电极回路，&两端的电压变化量〃。就是输出电压。由于发射结电压增加了〃i（由UBE变成UBE+

Wi）引起基极电流增加了43,集电极电流随之增加了d/c,庶邛4瓜它在RC形成输出电压

Uo=AlcRc=pAliiRCO

只要Rc取值较大，便有Mo»?fontsize="^l">ui,从而实现了放大。

三极管的特性曲线

三极管外部各极电压和电流的美系曲线，称为三极管的特性曲线，又称伏安特性曲线。它不仅能

反映三极管的质量与特性，还能用来定量地估算出三极管的某些参数，是分析和设计三极管电路的

重要依据。

对于三极管的不同连接方式，有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路，其基本测试

电路如图Z0118所示，共发射极特性曲线可以用描点法绘出，也可以由品体管特性图示仪直接显示

出来6

一、输入特性曲线

在三极管共射极连接的情况下，当集电极与发射极之间的电压UBE维持不同的定值时，

UBE和e之间的一簇关系曲线，称为共射极输入特性曲线，如图Z0119所示。输入特性曲线的数

学表达式为：

/R=/（UBE）|URE=常数GS0120

由图Z0U9可以看出这簇曲线，有下面几个特点：

（1）UBE=0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为UCE=0时，集电极与发射极短

路，相当于两个二极管并联，这样/B与UCE的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。

（2）UCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移，而且当UCE的数值增至较大时（如UCE>

IV）,各曲线几乎重合。这是因为UCE由零逐渐增大时，使集电结宽度逐渐增大，基区宽度相应

地减小，使存贮于基区的注入载流子的数量减小，复合减小，因而/B减小。如保持/B为定值，就

必须加大UBE,故使曲线右移。当UCE较大时（如UCE>1V）,集电结所加反向电压，已足能把

注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去，以致UCE再增加，/B也不再明显地减小，这

样，就形成了各曲线几乎重合的现象。

（3）和二极管一样，三极管也有一个门限电压V》通常硅管约为0.5〜0.6V,锚管约为0.1〜

0.2V°

二、输出特性曲线

输出特性曲线如图Z0120所示。测试电路如图ZOI17o

I/fB/yc（C表示常数）GS0121

输出特性曲线的数学表达式为：

由图还可以看出，输出特性曲线可分为三个区域：

（1）截止区：指向二0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的发射结利集电结都处

于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流〃£0。

（2）饱和区：指绿色区域。在此区域内，对应不同加值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也

就是说，UCE较小时，/C虽然增加，但/C增加不大，即饱失去了对/C的控制能力。这种情况，称

为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极

间的电压称为集一射饱和压降，用UCES表示。UCES很小，通常中小功率硅管UCESV0.5V；三极

管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以UCES表示，硅管的UCES在0.8V左右。

0A线称为临界饱和线（绿色区域方边缘线），在此曲线上的每一点应有

UCE|=|URE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管，其集电极电流称

为临界集电极电流，以依表示：其基极电流称为临界基极电流，以/BS表示。这时/CS与/BS的关

系仍然成立。

（3）放大区：在截止区以上，介三1饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性曲

战近似于一籁平行等距的水平线，距的变化量与的变量基本保持线性关系，即4c可切/B,且

乂C»A/B,就是说在此区域内，三极管具有电流放大作用。此外集电极电玉对集电极电流的控制

作用也很弱，当UCE>1V后，即使再增加UCE,/C几乎不再增加，此时，若/B不变，则三极管可

以看成是一个恒流源。

在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。

三极管的主要参数

三极管的参数反映了三极管各种性能的指标，是分析三极管电路和选用三极管的依据。

一、电流放大系数

1.共发射极电流放大系数

（1）共发射极直流电流放大系数G,它表示三极管在共射极连接时，某工作点处直流电流/c

与/B的比值，当忽略/CBO时

7%,GS0122

（2）共发射极交流电流放大系数£它表示三极管共射极连接、且UCE恒定时，集电极电流变化

后与基极电流变化量d/B之比，即

管子的少值大小时，放大作用差；夕值太大时，工作性能不稳定。因此，一般选用£为30~80

的管子。

2.共基极电流放大系数

共基极直流电流放大系数它表示三极管在共基极连接时，某工作点处/C与/E的比值。在忽略

/CBO的情况下

衩=卫=

1+s

(2)共基极交流电流放大系数。，它表示三极管作共基极连接时，在UCB恒定的情况下，/C和

/E的变化量之比，即：

GS0124

通常在/CRO很小时，》与B，次与a相差很小，因此，实际使用中经常混用而不加区别。

二、极间反向电流

1.集-基反向饱和电流/CBO

/C8。是指发射极开路，在集电极与基极之间加上一定的反向电压时，所对应的反向电流。它是少

子的漂移电流。在一定温度下，/CBO是一个常量。随着温度的升高/CBO将增大，它是三极管工作

不稳定的主要因素。在相同环境温度下，硅管的/CBO比楮管的/CBO小得多。

2.穿透电流/CEO

/CE。是指基极开路，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流g/CEO与/CB。的关系

为：

/CEO=/CBO+£/CBO=(\+B)/CBOGS0125

该电流好象从集电极直通发射极一样，故称为穿透电流6/CEO和/CB。一样，也是衡量三极管热

稳定性的重要参数。

三、频率参数

频率参数是反映三极管电流放大能力与工作频率关系的参数，表征三极管的频率适用范围。

1.共射极截止频率力

三极管的夕值是频率的函数，中频段小饱几乎与频率无关，但是随着频率的增高，少值下降。

当少值下降到中频段伙刀/3回倍时，所对应的频率，称为共射极截止频率，用心表示。

2.特征频率亦

当三极管的夕值下降到夕=1时所对应的频率，称为特征频率。在加华的范围内，/?值与了几乎

成线性关系，/越高，s越小，当工作频率加，时，三极管便失去了放大能力。

四、极限参数

1.最大允许集电极耗散功率

PCM是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最

大功率。当实际功耗Pc大于PCM时，不仅使管子的参数发生变化，甚至还会烧坏管子。PCM可由

下式计算：

PCM=/CUCEGS0126

当已知管子的PCM时，利用上式可以在输出特性曲线上画出PCM曲线。

2.最大允许集电极电流/CM

当/c很大时，夕值逐渐下降。一般规定在夕值下降到额定值的2/3（或1/2）时所对应的集电

极电流为忙M当/O/CM时，在值己减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。

3.反向击穿电压8死E0与8比£0

8VCE0是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。

3KBQ是指发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压。一般情况二同一管子的

BVCEO（0.5〜0.8）BVCBO。三极管的反向工作电压应小于击穿电压的（1/2〜1/3）,以保证

管子安全可靠地工作。

三极管的3个极限参数PCM,/CM.6MCE。和前而讲的临界饱和线、截止线所包围的区域，便是

三极管安全工作的线性放大区。一般作放大用的三极管，均须工作于此区。

三极管的开关特性

在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。三极管工作在饱和状态

时，其UCESM,相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，相当于开关的断开状态，因

此，三极管可当做开关器件使用。

（这部分内容将在16单元；”脉冲波形的产生与整形”中再作详细介绍。）

结型场效应管

场效应管

场效应管（FjeldEffectTransistoi•简称FET）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体

器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极

型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗福射能力强、

功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。

场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET,后者性能更为优越，发展

迅速，应用广泛。图Z0121为场效应管的类型及图形、符号.

一、结构与分类

图Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧

分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两个对称的PN结，符两个PIX的引出线连在

一起作为一个电极，称为栅极（g）,在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极

（d）o在形成PN结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N―区侧的空间电荷层宽度远大

二、工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而

己。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反

向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体

中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID.

1.栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS=O）

在图Z0123所示电路中，UGS<