电工电子技术半导体分立器件及其基本电路.ppt

1、第一章 半导体分立器件及其基本电路, 1.1 半导体的基本知识与PN结 1.2 半导体二极管及其应用电路 1.3 放大电路的基本概念及其性 能指标 1.4 三极管及其放大电路,1.6 多级放大电路,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,1.1 半导体的基本知识与PN结,半导体的导电具有不同于其它物质的特点。,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,外激发控制,掺杂质控制,结构：半导体晶体。,导电性：导电可控性,1.本征半导体,本征半导体的结构特点:,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本

2、征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,硅和锗的共价键结构,共价键,共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，,自由电子,空穴,束缚电子,半导体的导电机理,空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,自由电子和空穴称为半导体载流子。,3. 光敏性、热敏性，载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强，这是半导体的一大特点。,2.本征半导体的导电能力取决于自由电子、空穴(载流子)的浓度。,1.本征半导体中电流(载流子移动)由两部分组成： (1)自由电子移动产生的电流。

3、(2) 空穴移动产生的电流。,本征半导体的导电机理,2.杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑ti）,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟yin）,空穴是多子，电子是少子。,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入

4、微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,N,P,PN 结,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的运移，在它们的交界面处就形成了空间电荷区，即PN结。,1.1.2 PN结及其单向导电性,1.1.

5、2 PN结及其单向导电性,1. PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场强，不利于扩散，而使漂移运动加 强，漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,二. PN结的单向导电性,PN 结外加上正向电压 (正向偏置):,PN 结外加反向电压(反向偏置):,P 区加正电压、N 区加负电压。,P区加负电压、N 区加正电压。,PN 结外加上正向电压 (正向偏置),PN 结外加上反向电压 (反向偏置),PN结具有单向导电性定义,1.当P

6、N结外加正向电压时，有较大的正向电流,呈现一低电阻特性, PN结导通；,2.当PN结外加反向电压时，电流很小，呈现一高电阻特性， PN结截止。,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,(1) 点接触型二极管,(2) 面接触型二极管,二极管的电路符号：,(a)点接触型,(b)面接触型,正(阳)极,负(阴)极,+,-,1.2 半导体二极管及其应用电路,二、伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,IRM,三、主要参数,1. 最大整流电流 IFM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

7、,2. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,指管子不被反向击穿所允许外加的电压。一般手册上给出的UDRM约为击穿电压的一半。,3.最高反向工作电压UDRM,4.最大反向电流IRM：,管子在常温下承受最高反向工作电压UDRM时的反向饱和电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，IRM会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。,四. 二极管的模型,1.理想模型:具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。即：二极管在正向导通时相当于开关闭和，死区电压=0 ，正向压降=0，二极管反向截止时相当于开关断开。,等效

8、电路,2.恒压降模型.二极管在正向导通时，其管压降为恒定值，硅管的管压降约为0.6-0.7V，锗管的管压降约为0.2-0.3V。,等效电路,反向截止,1.2.2 二极管应用电路,二极管电路分析举例,定量分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可

9、看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例：,参考点,二极管阴极电位为 8 V,二极管的应用电路2：,二极管半波整流,1. 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,1.2.3 特殊二极管,稳压二极管的稳压原理:,输入变化时:,负载变化时:,R作用?,iR,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动

10、时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例:,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,2. 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外光到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,3. 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,小结：,2.二极管的应用分析。,3.稳压管的应用特点。特殊二极管,1.半导体的基本知识与PN结,1. 基本结构,NPN型,PNP型,1.4 三极管及其

11、放大电路,1.4.1 三极管,发射结,集电结,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,集电区：面积较大,NPN型三极管,PNP型三极管,三极管的符号,1.4. 2 电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 或者:用一个

12、微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。,小结：,三极管的基本结构：结构,分类，,三极管放大的条件。,内部:发射区掺杂高，基区薄掺杂低，集电区面积大。,外部:发射结正偏、集电结反偏,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,1.4.3 特性曲线,输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,2. 输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发

13、射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,1.4.4 主要参数,1. 电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于

14、平行等距的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。求：电流放大系数,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止(饱和)电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止(饱和)电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,ICEO=(1+)ICBO,4

15、. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,三个极限参数,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,5.复合三极管,(a),即:=12,(b),光电三极管和光电耦合器,光电耦合器的特点:输入端与输出端在电气上是绝缘的.,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理, 1.4.2 共发射极放大电路,3、元件选择

16、要使信号不失真地放大。,放大电路的组成原则：,1、有直流电源，保证E结正偏，C结反偏。,2、元件安排要保证信号传输，即信号能从输入 端加到三极管上（有信号输入回路），经放大 后从输出端输出（有输出回路）。,一、 共射极放大电路组成,一 、基本放大电路的组成,基本放大电路各元件作用,晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,一 、基本放大电路的组成,集电极电源EC -为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC-将变化的电流转变为变化的电压。,耦合

17、电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。,信号源,负载,共发射极基本电路,一、 基本放大电路的组成,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,放大电路的分析,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,二、 共射放大电路的静态分析,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,结论：,无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,对交流输入信号为零，

18、只有直流信号（VCC）,（1）根据直流通道估算IB,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,(一)静态工作点-估算法,（2）根据直流通道估算UCE、IC,IC,UCE,Vcc,例：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,请注意电路中IB 和IC 的数量级。,(二) 用图解法确定静态值,用作图的方法确定静态值,步骤： 1. 用估算法确定IB,2. 由输出特性确定IC 和UCE,直流负载线方程,(二)用图解法确定静态值,直流负载线斜率,直流负载线,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,O,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,u

19、o = 0 uBE = UBE uCE = UCE,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,三、共射放大电路的动态分析,结论：,(1) 加上输入信号电压后，各电极电流的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论：,(2) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大， 即电路具有电压放大作用。,(3) 输出电压与输入电压在相位上相差180， 即共发射极电路具有反相作用。,符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流量。,uA

20、,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,小结：,放大电路,静态分析：,IB,IC,UCE,UBE,(一)三极管的微变等效电路(小信号模型分析法),(1)输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,三、 动态分析-微变等效电路法(小信号模型法),rbe的量级从几百欧到几千欧。,(2) 输出回路,所以：,结论: 输出端相当于一个受ib 控制的电流源。,IC,c,b,e,(3) 三极管的微变等效电路(小信号模型),(二)放大电路的微变等效电路(小信号

21、模型),交流通路的原则:,* 电容可忽略,以短路代替。,* 直流电源可认为是对地短路。,短路,短路,对地短路,交流通路,(二)放大电路的微变等效电路(小信号模型),(三)放大电路的动态分析,1.电压放大倍数,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,2. 输入电阻的计算,电路的输入电阻越大，从信号源取得的信号越大，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的内阻就是输出电阻。,计算输出电阻的方法： 所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。,3 输出电阻的计算,所以：,用加压求流法求输出电阻：,动态分析图解法,RL=,由uo和u

22、i的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,4. 非线性失真及其改善措施,uo,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,若Q设置过高，,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,饱和时， 硅管uCES 0.3V， 锗管uCES 0.1V。,若Q设置过低，,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,Q点上移饱和失真:,注意：对于P

23、NP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,3.波形的失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,Q点下移截止失真:,分压式(射极)偏置电路,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,5.稳定静态工作点-射极偏置电路,总的效果是：,1.4.2 分压式(射极)偏置电路,1. 稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,VB,Q点稳定的过程,VE,VB,VB 固定,RE：温度补偿电阻，负反馈 对直流：RE越大,稳定Q点效果越好； 对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。,IE,1.4.2 分压式(射极)偏置电路,1.