電子電路中常用器件

1、半導體基本概念 二極管 三極管,,電子電路中常用器件,主要授課內容,第6章電子電路中常用器件,6.1 半導體的基本知識,6.3 晶體管,6.5 基本放大電路,6.2 半導體二極管,第1頁,6.6 基本開關電路,物質按導電能力的不同可分為導體、半導體和絕緣體3類。日常生活中接觸到的金、銀、銅、鋁等金屬都是良好的導體，它們的電導率在105S·cm-1量級；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導電的物質稱為絕緣體，它們的電導率在1

2、0-22~10-14S·cm-1量級；導電能力介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體，它們的電導率在10-9~102S·cm-1量級。自然界中屬于半導體的物質有很多種類，目前用來制造半導體器件的材料大多是提純后的單晶型半導體，主要有硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵（GaAs)等。,6.1 半導體的基本知識,（1）通過摻入雜質可明顯地改變半導體的電導率。例如，室溫30°C時，在純凈鍺中摻入一億分之一的雜質（稱摻雜

3、），其電導率會增加幾百倍。 （2）溫度可明顯地改變半導體的電導率。利用這種熱敏效應可制成熱敏器件，但另一方面，熱敏效應使半導體的熱穩(wěn)定性下降。因此，在半導體構成的電路中常采用溫度補償及穩(wěn)定參數(shù)等措施。（3）光照不僅可改變半導體的電導率，還可以產(chǎn)生電動勢，這就是半導體的光電效應。利用光電效應可制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器和光電池等。光電池已在空間技術中得到廣泛的應用，為人類利用太陽能提供了廣闊的前景。,半導體之所以得到廣泛的應

4、用，是因為它具有以下特性。,1. 半導體的獨特性能,由此可以看出：半導體不僅僅是電導率與導體有所不同，而且具備上述特有的性能，正是利用這些特性，使今天的半導體器件取得了舉世矚目的發(fā)展。,,2. 本征半導體與雜質半導體,（1）天然的硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導體,一般情況下，本征半導體中的載流子濃度很小，其導電能力較弱，且受溫度影響很大，不穩(wěn)定，因此其用途還是很有限的。,硅和鍺的簡化原子模型。,這是硅和鍺構成的共價鍵結構示意圖

5、 晶體結構中的共價鍵具有很強的結合力，在熱力學零度和沒有外界能量激發(fā)時，價電子沒有能力掙脫共價鍵束縛，這時晶體中幾乎沒有自由電子，因此不能導電,第3頁,當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵中的價電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴” 。,本征半導體中產(chǎn)生電子—空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,顯然在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩部分

6、電流：一是自由電子作定向運動形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由電子）遞補空穴形成的空穴電流。,共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵填補到這個空穴中來，使該價電子原來所在的共價鍵中又出現(xiàn)一個空穴，這個空穴又可被相鄰原子的價電子填補，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。,在半導體中同時存在自由電子和空穴兩種載流子參與導電，這種導電機理和金屬導體的導電機理具有本質上的區(qū)別。,第3頁,在純凈的硅（或鍺）中

7、摻入微量的磷或砷等五價元素，雜質原子就替代了共價鍵中某些硅原子的位置，雜質原子的四個價電子與周圍的硅原子結成共價鍵，剩下的一個價電子處在共價鍵之外，很容易掙脫雜質原子的束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質原子由于失去一個電子而變成帶正電荷的離子，這個正離子固定在晶體結構中，不能移動，所以它不參與導電。 雜質離子產(chǎn)生的自由電子不是共價鍵中的價電子，因此與本征激發(fā)不同，它不會產(chǎn)生空穴。 由于多余的電子是雜質原子提供的

8、，故將雜質原子稱為施主原子。,摻入五價元素的雜質半導體，其自由電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，因此稱為電子型半導體，也叫做N型半導體。 在N型半導體中，自由電子為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子）；不能移動的離子帶正電。,（2）雜質半導體,相對金屬導體而言，本征半導體中載流子數(shù)目極少，因此導電能力仍然很低。在如果在其中摻入微量的雜質，將使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些摻入雜質的半導體稱為雜質半導體

9、。雜質半導體可以分為N型和P型兩大類。,N型半導體,第3頁,不論是N型半導體還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子的正、負電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。,應注意：,P型半導體,在P型半導體中，由于雜質原子可以接收一個價電子而成為不能移動的負離子，故稱為受主原子。,摻入三價元素的雜質半導體，其空穴的濃度遠遠大于自由電子的濃度，因此稱為空穴型半導體，也叫做P型半導體。,在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素雜質硼（或其

10、他），硼原子在取代原晶體結構中的原子并構成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴。當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時，就有可能填補這個空穴，使硼原子得電子而成為不能移動的負離子；而原來的硅原子共價鍵則因缺少一個電子，出現(xiàn)一個空穴。于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加。空穴成為多數(shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。,第3頁,正負空間電荷在交界面兩側形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內電場，它對多數(shù)載流子的擴散運動起

11、阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時，內電場對少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子在內電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。,3. PN結,P型和N型半導體并不能直接用來制造半導體器件。通常是在N型或P型半導體的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質，使其變?yōu)镻型或N型半導體，在P型和N型半導體的交界面就會形成PN結。,PN結是構成各種半導體器件的基礎。,左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導體。為便于理解，圖中P區(qū)僅畫出空穴

12、（多數(shù)載流子）和得到一個電子的三價雜質負離子，N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質正離子。根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是PN結，又叫耗盡層。,第3頁,空間電荷區(qū),PN結中的擴散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在一定條件（例如溫度一定）下，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運

13、動則逐漸增強，最后兩者達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來，PN結就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。,,,,,,PN結的形成演示,根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)（如上圖所示），也就是PN結，又叫耗盡層。,P區(qū),N區(qū),,,空間電荷區(qū),第3頁,少子漂移,擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結,,多子擴散,形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內電場,

14、,促使,,,阻止,,,,,,,,第3頁,擴散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾，擴散使空間電荷區(qū)加寬，促使內電場增強，同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強；漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場減弱，又促使多子的擴散容易進行。,當漂移運動達到和擴散運動相等時，PN結便處于動態(tài)平衡狀態(tài)?？梢韵胂?，在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到P區(qū)擴散電流必然等于從P區(qū)到N區(qū)的漂移電流，同樣，空穴的擴散電流和漂移電流也必然相等。即總的多子擴散電流等于總

15、的少子漂移電流，且二者方向相反。,在無外電場或其他因素激發(fā)時，PN結處于平衡狀態(tài)，沒有電流通過，空間電荷區(qū)的寬度一定。 由于空間電荷區(qū)內，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數(shù)載流子復合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層，其電阻率很高，為高阻區(qū)。擴散作用越強，耗盡層越寬。,PN結具有電容效應。結電容是由耗盡層引起的。耗盡層中有不能移動的正、負離子，各具有一定的電量，當外加電壓使耗盡層變寬時，電

16、荷量增加，反之，外加電壓使耗盡層變窄時，電荷量減小。這樣耗盡層中的電荷量隨外加電壓變化而改變時，就形成了電容效應。,第3頁,3. PN結的單向導電性,PN結具有單向導電的特性，也是由PN結構成的半導體器件的主要工作機理。,PN結外加正向電壓（也叫正向偏置）時，如左下圖所示：正向偏置時外加電場與內電場方向相反，內電場被削弱，多子的擴散運動大大超過少子的漂移運動，N區(qū)的電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴也不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，

17、這時稱PN結處于導通狀態(tài)。,,第3頁,,P端引出極接電源負極，N端引出極電源正極的接法稱為反向偏置；反向偏置時內、外電場方向相同，因此內電場增強，致使多子的擴散難以進行，即PN結對反向電壓呈高阻特性；反偏時少子的漂移運動雖然被加強，但由于數(shù)量極小，反向電流 IR一般情況下可忽略不計，此時稱PN結處于截止狀態(tài)。,PN結的“正偏導通，反偏阻斷”稱為其單向導電性質，這正是PN結構成半導體器件的基礎。,第3頁,半導體的導電機理與金屬導體的導電

18、機理有本質的區(qū)別：金屬導體中只有一種載流子—自由電子參與導電，半導體中有兩種載流子—自由電子和空穴參與導電，而且這兩種載流子的濃度可以通過在純凈半導體中加入少量的有用雜質加以控制。,,雜質半導體中的多子和少子性質取決于雜質的外層價電子。若摻雜的是五價元素，則由于多電子形成N型半導體：多子是電子，少子是空穴；如果摻入的是三價元素，就會由于少電子而構成P型半導體。 P型半導體的共價鍵結構中空穴多于電子，且這些空穴很容易讓附近的價電子跳過來填

19、補，因此價電子填補空穴的空穴運動是主要形式，所以多子是空穴，少子是電子。,,N型半導體中具有多數(shù)載流子電子，同時還有與電子數(shù)量相同的正離子及由本征激發(fā)的電子—空穴對，因此整塊半導體中正負電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。,,第3頁,2. 半導體在熱（或光照等 ）作用下產(chǎn)生電子、空穴對，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)；電子、空穴對不斷激發(fā)產(chǎn)生的同時，運動中的電子又會 “跳進”另一個空穴，重新被共價鍵束縛起來，這種現(xiàn)象稱為復合，即復合中電子空穴對被“吃

20、掉”。在一定的溫度下，電子、空穴對的產(chǎn)生和復合都在不停地進行，最終處于一種平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下半導體中載流子濃度一定 。,1. 半導體中的少子雖然濃度很低 ，但少子對溫度非常敏感，即溫度對半導體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質原子的濃度，所以基本上不受溫度影響。,4. PN結的單向導電性是指：PN結的正向電阻很小，因此正向偏置時電流極易通過；同時PN結的反向電阻很大，反向偏置時電流基本為零。,問題探討,3. 空間電荷區(qū)的電

21、阻率很高，是指它的內電場總是阻礙多數(shù)載流子（電流）的擴散運動作用，由于這種阻礙作用，使得擴散電流難以通過，也就是說，空間電荷區(qū)對擴散電流呈現(xiàn)高阻。,第3頁,6.2 半導體二極管,1. 二極管的結構和類型,一個PN結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了半導體二極管，簡稱二極管，接在P型半導體一側的引出線稱為陽極；接在N型半導體一側的引出線稱為陰極。 半導體二極管按其結構不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。

22、 點接觸型二極管PN結面積很小，因而結電容小，適用于高頻幾百兆赫茲下工作，但不能通過很大的電流。主要應用于小電流的整流和高頻時的檢波、混頻及脈沖數(shù)字電路中的開關元件等。 面接觸型二極管PN結面積大，因而能通過較大的電流，但其結電容也小，只適用于較低頻率下的整流電路中。,參看二極管的實物圖,,第3頁,2. 二極管的伏安特性,二極管的電路圖符號如右圖所示：,（1）正向特性,二極管外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內電場對多子

23、擴散的阻力，PN結仍處于截止狀態(tài) 。,反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。,,正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流 隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。,,（2）反向特性,外加反向電壓時， PN結處于截止狀態(tài)，反向電流很小；,顯然二極管的伏安特性不是直線，因此屬于非線性電阻元件。,,,導通后二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.6～0.8V，鍺管約為0.2～0.3V。溫度上升，死區(qū)電壓和正向壓降均

24、相應降低。,第3頁,普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般都會造成“熱擊穿”，熱擊穿不同于齊納擊穿和雪崩擊穿，這兩種擊穿不會從根本上損壞二極管，而熱擊穿將使二極管永久性損壞。,熱擊穿問題,3. 二極管的主要參數(shù),1）最大整流電流IDM：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2）最高反向工作電壓URM：二極管運行時允許承受的最高反向電壓。3）反向電流IR：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電性越好。,4.

25、二極管的應用舉例,二極管應用范圍很廣，主要是利用它的單向導電性，常用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關元件等。,第3頁,討論,PN結擊穿現(xiàn)象包括哪些？擊穿是否意味著二極管的永久損壞？,反向電壓增加到一定大小時，通過二極管的反向電流劇增，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿。,反向擊穿電壓一般在幾十伏以上（高反壓管可達幾千伏）。反向擊穿現(xiàn)象分有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。,雪崩擊穿：PN結反向電壓增加時，空間電荷區(qū)內電場增強。通

26、過空間電荷區(qū)的電子和空穴，在內電場作用下獲得較大能量，它們運動時不斷地與晶體中其它 原子發(fā)生碰撞，通過碰撞使其它共價鍵產(chǎn)生本征激發(fā)又出現(xiàn)電子–空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子—空穴對與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運動，重新獲得能量，再通過碰撞其它原子，又產(chǎn)生電子–空穴對，從而形成載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數(shù)值，載流子的倍增情況就像在陡峻的山坡上積雪發(fā)生雪崩一樣，突然使反向電流急劇增大，發(fā)生二極

27、管的雪崩擊穿。,齊納擊穿：在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區(qū)中存一個強電場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子–空穴對，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場強度約為2×10V/cm，這只有在雜質濃度特別大的PN結中才能達到，因為雜質濃度大，空間電荷區(qū)內電荷密度也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強度可能很高，致使PN結產(chǎn)生雪崩擊穿。,齊納擊穿和雪崩擊穿都不會造成二極管的永久性損壞。,第3頁,穩(wěn)壓二極管是一種特殊的

28、面接觸型二極管，其實物圖、圖符號及伏安特性如圖所示：,當反向電壓加到某一數(shù)值時，反向電流劇增，管子進入反向擊穿區(qū)。圖中UZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值。,特殊二極管,1. 穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓管實物圖,,由圖可見，穩(wěn)壓管特性和普通二極管類似，但其反向擊穿是可逆的，不會發(fā)生“熱擊穿”，而且其反向擊穿后的特性曲線比較陡直，即反向電壓基本不隨反向電流變化而變化，這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。,穩(wěn)壓管圖符號,穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用：電流增量ΔI 很大，只會引起很小的電壓

29、變化ΔU。曲線愈陡，動態(tài)電阻rz=ΔU/ΔI愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說，UZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓時，rz隨齊納電壓的下降迅速增加，使低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能變差。 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，低的為3V，高的可達300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。,,第3頁,注意：,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內。穩(wěn)壓管在應用中要采取

30、適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流值，以保證管子不會造成熱擊穿。,穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ：反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。（3）動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)定工作范圍內，管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比。即： rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM。額定耗散功率PZM是在穩(wěn)壓管允許結溫下的最大功率損耗。IZM是指穩(wěn)壓管允許

31、通過的最大電流。二者關系可寫為： PZM=UZIZM,討論,回顧二極管的反向擊穿時特性：當反向電壓超過擊穿電壓時，流過管子的電流會急劇增加。 擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。 在反向擊穿狀態(tài)下，讓流過管子的電流在一定的范圍內變化，這時管子兩端電壓變化很小，利用這一點可

32、以達到“穩(wěn)壓”的效果。,第3頁,2. 發(fā)光二極管,單個發(fā)光二極管實物,發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結構成，具有單向導電性。左圖所示為發(fā)光二極管的實物圖和圖符號。,發(fā)光二極管是一種功率控制器件，常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件；單個發(fā)光二極管常作為電子設備通斷指示燈或快速光源以及光電耦合器中的發(fā)光元件等。,3. 光電二極管,光電二極管也和普通二極管一樣，

33、管芯由PN結構成，具有單向導電性。光電二極管的管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。,問題討論,利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進行穩(wěn)壓的。 因為穩(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同，正向電阻非常小，工作在正向導通區(qū)時，正向電壓一般為0.6V左右，此電壓數(shù)值一般變化不大。,第3頁,6.3 晶體管,6.3.1 晶體管的基本結構,,雙極型晶體管是由兩個背靠背、互有影響的PN

34、結構成的。在工作過程中兩種載流子都參與導電，所以全名稱為雙極結型晶體管。 雙極結型晶體管有三個引出電極，人們習慣上又稱它為晶體三極管或簡稱晶體管。,晶體管的種類很多,按照頻率分，有高頻管、低頻管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半導體材料分，有硅管、鍺管等等。但是從它的外形來看，晶體管都有三個電極，常見的晶體管外形如圖所示：,從晶體管的外形可看出，其共同特征就是具有三個電極，這就是“三極管”簡稱的來歷。,第3頁,由兩

35、塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體的管子稱為NPN管。還有一種與它成對偶形式的，即兩塊P型半導體中間夾著一塊N型半導體的管子，稱為PNP管。晶體管制造工藝上的特點是：發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū)，基區(qū)很薄且雜質濃度底，集電結面積大。這樣的結構才能保證晶體管具有電流放大作用。,,,,,,,,,,,,,,基極,,發(fā)射極,,集電極,晶體管有兩個結,晶體管有三個區(qū),晶體管有三個電極,第6章,結論： 三極管是一種具有電流放大作用的模擬器

36、件。,6.3.2 晶體管的電流放大作用,左圖所示為驗證三極管電流放大作用的實驗電路，這種電路接法稱為共射電路。其中，直流電壓源UCC應大于UBB，從而使電路滿足放大的外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電極反向偏置。改變可調電阻RB，基極電流IB，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都會發(fā)生變化，由測量結果可得出以下結論：,晶體管電流放大的條件：,晶體管內部： a）發(fā)射區(qū)雜質濃度>>基區(qū)>>集電區(qū)；

37、b）基區(qū)很薄。晶體管外部： 發(fā)射結正偏，集電結反偏。,1. IE ＝ IB ＋ IC （符合KCL定律）2. IC ≈ β IB，β為管子的流放大系數(shù)，用來表征三極管的電流放大能力：3. △ IC ≈ β △ IB,第6章,晶體管的電流放大原理：,,1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程： 由于發(fā)射結處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū)，并不斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流IE。

38、,2、電子在基區(qū)的擴散和復合過程： 由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子空穴濃度很低，所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)空穴復合，剩下的絕大部分都能擴散到集電結邊緣。,實驗表明： IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對集電極電流具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。,3、集電區(qū)收集

39、從發(fā)射區(qū)擴散過來的電子過程： 由于集電結反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。,第6章,6.3.3 晶體管的特性曲線,,1．輸入特性曲線,晶體管的輸入特性與二極管類似,,,死區(qū)電壓,UCE ≥1V，原因是b、e間加正向電壓。這時集電極的電位比基極高，集電結為反向偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分擴散到集電結，只有一小部分與基區(qū)中的空穴復合，形成IB。

40、 與UCE=0V時相比 ，在UBE相同的條件下，IB要小的多。從圖中可以看出，導通電壓約為0.5V。嚴格地說，當UCE逐漸增加 時，IB逐漸減小，曲線逐漸向右移。這是因為UCE增加時，集電結的耗盡層變寬，減小了基區(qū)的有效寬度，不利于空穴的復合，所以IB減小。不過UCE超過1V以后再增加，IC增加很少，因為IB的變化量也很小，通?？梢院雎訳CE變化對IB的影響，認為UCE 1V時的 曲線都重合在一起。,第6章,（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向

41、偏置，集電結反向偏置,（2）截止區(qū)：發(fā)射結反向偏置，集電結反向偏置,（3）飽和區(qū)：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置,2．輸出特性曲線,iB>0，uBE>0，uCE≤uBE,,,,,,,第6章,6.3.4 晶體管的主要參數(shù),1、電流放大倍數(shù)β：iC= β iB2、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ β ）iCBO3、極限參數(shù) （1）集電極最大允許電流 ICM：?下降到額定值的2/3時所允許的最大集電極電流

42、。 （2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓：基極開路時、集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。為保證晶體管安全工作，一般應取： （3）集電極最大允許功耗PCM ：晶體管的參數(shù)不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率。,第6章,基極電源,6.5 基本放大電路,雙電源共發(fā)射極單管放大電路,輸入回路,輸出回路,集電極電阻，約為幾至幾十歐,NPN型管,耦合電容,耦合電容,基極電阻，約幾十至幾百千歐,集

43、電極電源，約為幾至幾十伏,,,負載電阻,電路中發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共支路，而且放大的是電壓信號，因此稱之為共發(fā)射極 電壓放大器。,電路各部分作用：,晶體管T：放大器的核心部件，在電路中起電流放大作用；,電源EC：為放大電路提供能量和保證晶體管工作在放大狀態(tài)；,電源EB和電阻RB：使管子發(fā)射結處于正向偏置，并提供適當?shù)幕鶚O電流IB；,耦合電容C1和C2：一般為幾微法至幾十微法，利用其通交隔直作用，既隔離了放大器與信號源、負載之間的直

44、流干擾，又保證了交流信號的暢通；,電阻RC：將集電極的電流變化變換成集電極的電壓變化，以實現(xiàn)電壓放大作用。,第2頁,單電源共發(fā)射極單管放大電路,實用中，一般都采用單電源供電，而且把發(fā)射極的公共端作為“地”點，并按習慣畫法把集電極電源以電位形式標在圖中。,,放大電路的直流通道,晶體管放大電路實際上是一個交、直流共存的電路。當交流信號ui=0時，電路所處的工作狀態(tài)稱為“靜態(tài)”， 靜態(tài)時等效電路稱為它的直流通道。,,直流通道中耦合電容相當于開

45、路，電路中的各電壓、電流都是直流量。電路中僅有直流量時的工作狀態(tài)稱為“靜態(tài)”。,放大電路的直流通道,第2頁,靜態(tài)時三極管各極電流和電壓值稱為靜態(tài)工作點Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)值IBQ、ICQ和UCEQ。,放大電路的靜態(tài)分析,由直流通道可對Q點進行估算：,,例：已知圖中UCC=10V，RB=250KΩ，RC=3KΩ，β=50，求放大電路的靜態(tài)工作點Q。,解：,所以，Q=｛IB=37.2μA，

46、IC=1.86mA，UCE=4.42V｝。,第2頁,由于放大器一般都工作在小信號狀態(tài)，即工作點在特性曲線上的移動范圍很小。因此晶體管雖然工作在非線性狀態(tài)下，但采用它的等效線性模型微變等效電路所分析得出的結果，與其真實狀況相比僅有微小誤差，可運用線性電路模型分析問題則帶給我們極大的方便。,僅有交流信號作用下，電容相當于短路，UCC=0相當于“地”電位，因此電路為左圖所示。,放大電路的動態(tài)分析（交流通道）,上述微變等效電路中：,第2頁,（1

47、）靜態(tài)分析,共集電極放大電路（射極輸出器）,第2頁,（2）動態(tài)分析,①求電壓放大倍數(shù),第2頁,②求輸入電阻,③求輸出電阻,第2頁,①電壓放大倍數(shù)小于1，但約等于1，即電壓跟隨。②輸入電阻較高。③輸出電阻較低。 射極輸出器的用途： 射極跟隨器具有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，這是射極跟隨器最突出的優(yōu)點。射極跟隨器常用作多級放大器的第一級或最末級，也可用于中間隔離級。用作輸入級時，其高的輸入電阻可以減輕信號源的負擔，提

48、高放大器的輸入電壓。用作輸出級時，其低的輸出電阻可以減小負載變化對輸出電壓的影響，并易于與低阻負載相匹配，向負載傳送盡可能大的功率。,射極輸出器的特點：,第2頁,把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效成一個線性電路，這個線性電路就是放大器的微變等效電路，對該線性電路進行分析的方法稱為微變等效電路分析法。等效的條件是晶體管在小信號（微變量）情況下工作。這樣就能在靜態(tài)工作點附近的小范圍內，用直線段近似地代替晶體管的特性曲線。,,右圖所示為晶

49、體管的輸入特性曲線。在Q點附近的微小范圍內可以認為是線性的。當uBE有一微小變化ΔUBE時，基極電流變化ΔIB，兩者的比值稱為三極管的動態(tài)輸入電阻，即rbe。,微變等效電路的基本思路,,輸出特性曲線在放大區(qū)域內可認為呈水平線，集電極電流的微小變化ΔIC僅與基極電流的微小變化ΔIB有關，而與電壓uCE無關，故集電極和發(fā)射極之間可等效為一個受ib控制的電流源，即：,第2頁,①電壓放大倍數(shù)：,對上述微變等效電路進行分析：,式中RL'=

50、RC//RL,共發(fā)射極放大電路的微變等效電路。,②輸入電阻Ri：,當RL=∞（開路）時：,③輸出電阻R0：,共射極電壓放大器由于rbe較小而使輸入電阻Ri不大；而輸出電阻R0=RC，顯然不夠小。,第2頁,輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號源吸取電流的大小。為了減輕信號源的負擔，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號源內阻RS的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在共發(fā)射極放大電路中，由于RB比rbe大得較多，R

51、i近似等于rbe，一般在在幾百歐至幾千歐，因此是比較低的，即共射放大器輸入電阻不理想。,對負載而言，總希望放大電路的輸出電阻越小越好。因為放大器的輸出電阻Ro越小，負載電阻RL的變化對輸出電壓的影響就越小，使得放大器帶負載能力越強。共發(fā)射極放大電路中的輸出電阻Ro在幾千歐至幾十千歐，一般認為是較大的，也不理想。,共發(fā)射極電壓放大器的電壓放大倍數(shù)與晶體管的電流放大倍數(shù)β、動態(tài)轉入電阻rbe及集電極電阻RC、負載電阻RL均有關。由計算式可看

52、出，當rbe 和RL一定時，Au與β成正比。,第2頁,共發(fā)射極單管放大器的電壓放大倍數(shù)較高。,放大電路分析綜合,有交流信號輸入時，電路中的電流、電壓隨輸入信號作相應變化的狀態(tài)。由于動態(tài)時放大電路是在直流電源UCC和交流輸入信號ui共同作用下工作，電路中的電壓uCE、電流iB和iC均包含兩個分量。,放大電路輸入加ui后，晶體管的UBE就變成了ui+UBE；同時iB=ib+IB；iC=ic+IC，晶體管輸出電壓uCE=UCC-ICRC;經(jīng)電

53、容C2濾波后得到放大器輸出電壓：u0=UCC-iCRC,由于iCRC是隨ui的增加而增加，因此u0隨ui增加而減小，即輸出、輸入電壓是反相關系，因此共發(fā)射放大電路也稱為反相器。,第2頁,圖解步驟：（1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負載線。（4）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE。,放大電路靜態(tài)工作點的圖解法,第2頁,1. 由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量U

54、CE被隔開，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓ui反相。2. 放大器的電壓放大倍數(shù)可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負載電阻RL越小，交流負載電阻RL‘也越小，交流負載線就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數(shù)Au下降。3. 靜態(tài)工作點Q設置得不合適時，將對放大電路的性能造成影響。若Q點偏高，當ib按正弦規(guī)律變化時，Q'進入飽和區(qū)，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓

55、uo的負半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點偏低，則Q"進入截止區(qū)，輸出電壓uo的正半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。,從圖解分析過程中可得出如下重要結論：,u0上削波出現(xiàn)截止失真,u0下削波出現(xiàn)飽和失真,第2頁,即：,溫度對靜態(tài)工作點的影響,問題討論,溫度升高,,UBE減小,ICBO增大,β增大,,IC增大,對于固定偏置式共發(fā)射極放大電路而言，靜態(tài)工作點由UBE、?和ICEO、ICB0決定

56、，這幾個參數(shù)均隨溫度的變化而發(fā)生變化。,Q變,,ICEO增大,,第2頁,與溫度基本無關,具有工作點穩(wěn)定的放大電路,,條件：I1≈I2>>IB,調節(jié)過程：,則,第2頁,動態(tài)分析：,分壓式偏置共發(fā)射極電壓放大器的分析,靜態(tài)分析：,,,第2頁,,若靜態(tài)工作點Q較高時，輸出易進入飽和區(qū)，輸出波形將出現(xiàn)下削波；Q點設置較低時，輸出又易進截止區(qū)，輸出波形則出現(xiàn)上削頂。顯然無論是上削頂還是下削頂，都造成了輸出波形的失真，為消除這些失真，應

57、將Q點下移或上移。上、下削波同時出現(xiàn)時，說明靜態(tài)工作點設置的比較合理，只是輸入信號太強不能完全通過，應減小輸入信號。,,放大電路總是希望輸入電阻高些，Ri越大，流入放大器的信號電流衰減越小，電路輸入特性越好；放大電路總是希望輸出電阻低些，R0越低，負載對放大倍數(shù)的影響越小，放大器的帶負載能力越強。,,反相！,,第2頁,電容CE的作用：,第2頁,,第2頁,,第2頁,例題：,圖示電路，已知UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，

58、RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=50。試估算靜態(tài)工作點，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。,（1）用估算法計算靜態(tài)工作點,第2頁,（2）求電壓放大倍數(shù),（3）求輸入電阻和輸出電阻,共發(fā)射極電壓放大器的特點可以大致歸納為： 具有較大的電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)，同時輸入電阻和輸出電阻又比較適中，在對輸入電阻、輸出電阻和頻率響應沒有特殊要求的場合，一般均可采用。共發(fā)射極電壓放大器是目前應用最廣泛的基本放大電

59、路。,第2頁,圖中虛線框內為穩(wěn)壓電路。220V交流電壓經(jīng)變壓器變換成所需要的交流電壓，然后經(jīng)橋式整流和電容濾波后，輸出電壓Ui加到穩(wěn)壓電路的輸入端。晶體管接成射極輸出電路，負載RL接到晶體管的發(fā)射極。穩(wěn)壓管DZ和電阻R1組成基極穩(wěn)壓電路，使晶體管的基極電位穩(wěn)定為UZ。 電路的穩(wěn)壓原理是：假如由于某種原因使輸出電壓U0降低，因VB＝UZ不變，故UBE增加，使IB和IC均增加，UCE減小。從而使輸出電壓U0＝Ui－UCE回升，維持基本不變

60、。整個過程可用流程圖表示為：U0↓(VB＝VZ)→UBE↑→IB↑→IC↑→UCE↓(U0＝Ui－UCE)→U0↑如果U0↑，調整過程與上述相反，同樣可起到穩(wěn)壓作用。,射極輸出器的應用實例,第2頁,7.3 放大電路中的負反饋,1. 反饋的基本概念,反饋就是指放大電路輸出信號的一部分或全部，通過反饋網(wǎng)絡（或的）回送到輸入端的過程。 能使凈輸入信號增強的反饋稱為正反饋； 使凈輸入信號削弱的反饋稱為負反饋。

61、放大電路中普遍采用的形式是負反饋。,2. 負反饋的基本類型及其判別,按照反饋網(wǎng)絡與基本放大電路在輸出、輸入端的連接方式不同，負反饋電路具有4種典型反饋形式：電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。,第2頁,判斷是電壓反饋還是電流反饋的方法,判斷是電壓反饋還是電流反饋時，常用“輸出短路法”，即假設負載短路（RL=0），使輸出電壓uo=0，看反饋信號是否還存在。若存在，則說明反饋信號與輸出電壓成比例，是電壓負

62、反饋；若反饋信號不存在了，則說明反饋信號不是與輸出電壓成比例，而是和輸出電流成比例，是電流負反饋。,判斷是串聯(lián)負反饋還是并聯(lián)負反饋,判斷是串聯(lián)負反饋還是并聯(lián)負反饋主要是根據(jù)反饋信號、原輸入信號和凈輸入信號在電路輸入端的連接方式和特點，判斷方法有兩種：,1.若反饋信號和輸入信號是在輸入端以電流方式求和的，則為并聯(lián)負反饋；若反饋信號和輸入信號是在輸入端以電壓方式求和的，即為串聯(lián)負反饋。 2.將輸入信號交流短路后，若反饋信號消失了

63、，則為并聯(lián)反饋；否則為串聯(lián)反饋。,第2頁,3. 負反饋對放大電路性能的影響,電路中引入負反饋后，一般造成電壓放大倍數(shù)的下降，反饋電壓IeRe越大，電壓放大倍數(shù)下降越多。雖然負反饋引起Au下降，但換來的卻是放大電路穩(wěn)定性的提高。提高放大電路的穩(wěn)定性，是放大電路中至關重要的一個環(huán)節(jié)。,既然負反饋具有穩(wěn)定放大電路的作用，當然信號頻率的變化引起的電壓放大倍數(shù)的變化也將減小，即引入負反饋可擴展放大電路的通頻帶。,當輸入正弦信號的幅度較大時，輸出

64、波形引入負反饋后，將使放大電路的閉環(huán)電壓傳輸特性曲線變平緩，線性范圍明顯展寬。在深度負反饋條件下，若反饋網(wǎng)絡由純電阻構成，則閉環(huán)電壓傳輸特性曲線在很寬的范圍內接近于直線，即負反饋可減小放大電路的非線性失真。,負反饋能抑制反饋環(huán)內的噪聲和干擾 。,電壓負反饋使輸出電阻減??；電流負反饋使輸出電阻增加。,第2頁,當輸入信號本身已經(jīng)產(chǎn)生了失真，引入負反饋后可以使失真得到一些改善。從本質上講，采用負反饋提高放大電路的穩(wěn)定性，實際上是利用失真的波