電子電路中常用器件

1、半導(dǎo)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(nèi)容,第6章電子電路中常用器件,6.1 半導(dǎo)體的基本知識,6.3 晶體管,6.5 基本放大電路,6.2 半導(dǎo)體二極管,第1頁,6.6 基本開關(guān)電路,物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)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(dǎo)體，它們的電導(dǎo)率在105S·cm-1量級；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體，它們的電導(dǎo)率在1

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

3、），其電導(dǎo)率會增加幾百倍。 （2）溫度可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。利用這種熱敏效應(yīng)可制成熱敏器件，但另一方面，熱敏效應(yīng)使半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性下降。因此，在半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中常采用溫度補(bǔ)償及穩(wěn)定參數(shù)等措施。（3）光照不僅可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，還可以產(chǎn)生電動勢，這就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)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(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，為人類利用太陽能提供了廣闊的前景。,半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)

4、用，是因?yàn)樗哂幸韵绿匦浴?1. 半導(dǎo)體的獨(dú)特性能,由此可以看出：半導(dǎo)體不僅僅是電導(dǎo)率與導(dǎo)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(dǎo)體器件取得了舉世矚目的發(fā)展。,,2. 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體,（1）天然的硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導(dǎo)體,一般情況下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很小，其導(dǎo)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(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖

5、 晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，在熱力學(xué)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(dǎo)電,第3頁,當(dāng)半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分

6、電流：一是自由電子作定向運(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。,在半導(dǎo)體中同時存在自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，這種導(dǎo)電機(jī)理和金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理具有本質(zhì)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(zhì)原子就替代了共價鍵中某些硅原子的位置，雜質(zhì)原子的四個價電子與周圍的硅原子結(jié)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(zhì)原子的束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質(zhì)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(jié)構(gòu)中，不能移動，所以它不參與導(dǎo)電。 雜質(zhì)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(zhì)原子提供的

8、，故將雜質(zhì)原子稱為施主原子。,摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，其自由電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，因此稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。 在N型半導(dǎo)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(zhì)半導(dǎo)體,相對金屬導(dǎo)體而言，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，因此導(dǎo)電能力仍然很低。在如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體

9、。雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型和P型兩大類。,N型半導(dǎo)體,第3頁,不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)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(fù)電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。,應(yīng)注意：,P型半導(dǎo)體,在P型半導(dǎo)體中，由于雜質(zhì)原子可以接收一個價電子而成為不能移動的負(fù)離子，故稱為受主原子。,摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，其空穴的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，因此稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。,在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素雜質(zhì)硼（或其

10、他），硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴。當(dāng)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(bǔ)這個空穴，使硼原子得電子而成為不能移動的負(fù)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(dǎo)體中的空穴數(shù)目大量增加?？昭ǔ蔀槎鄶?shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。,第3頁,正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場，它對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動起

11、阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時，內(nèi)電場對少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。,3. PN結(jié),P型和N型半導(dǎo)體并不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。通常是在N型或P型半導(dǎo)體的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型或N型半導(dǎo)體，在P型和N型半導(dǎo)體的交界面就會形成PN結(jié)。,PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。,左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導(dǎo)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(zhì)負(fù)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(zhì)正離子。根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合(耗盡），形成載流子極少的正負(fù)空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是PN結(jié)，又叫耗盡層。,第3頁,空間電荷區(qū),PN結(jié)中的擴(kuò)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(kuò)散運(yùn)動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)

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

14、,促使,,,阻止,,,,,,,,第3頁,擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動相互聯(lián)系又相互矛盾，擴(kuò)散使空間電荷區(qū)加寬，促使內(nèi)電場增強(qiáng)，同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴(kuò)散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強(qiáng)；漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場減弱，又促使多子的擴(kuò)散容易進(jìn)行。,當(dāng)漂移運(yùn)動達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動相等時，PN結(jié)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(kuò)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(kuò)散電流和漂移電流也必然相等。即總的多子擴(kuò)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(jié)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(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對方，或被對方擴(kuò)散過來的多數(shù)載流子復(fù)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(kuò)散作用越強(qiáng)，耗盡層越寬。,PN結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)電容是由耗盡層引起的。耗盡層中有不能移動的正、負(fù)離子，各具有一定的電量，當(dāng)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(yīng)。,第3頁,3. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦裕彩怯蒔N結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。,PN結(jié)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(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動大大超過少子的漂移運(yùn)動，N區(qū)的電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴也不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，

17、這時稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,,第3頁,,P端引出極接電源負(fù)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(nèi)、外電場方向相同，因此內(nèi)電場增強(qiáng)，致使多子的擴(kuò)散難以進(jìn)行，即PN結(jié)對反向電壓呈高阻特性；反偏時少子的漂移運(yùn)動雖然被加強(qiáng)，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(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,PN結(jié)的“正偏導(dǎo)通，反偏阻斷”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是PN結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。,第3頁,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電

18、機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有一種載流子—自由電子參與導(dǎo)電，半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴參與導(dǎo)電，而且這兩種載流子的濃度可以通過在純凈半導(dǎo)體中加入少量的有用雜質(zhì)加以控制。,,雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子性質(zhì)取決于雜質(zhì)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(dǎo)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(gòu)成P型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)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(bǔ)，因此價電子填補(bǔ)空穴的空穴運(yùn)動是主要形式，所以多子是空穴，少子是電子。,,N型半導(dǎo)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(dǎo)體中正負(fù)電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。,,第3頁,2. 半導(dǎo)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(yùn)動中的電子又會 “跳進(jìn)”另一個空穴，重新被共價鍵束縛起來，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合，即復(fù)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(fù)合都在不停地進(jìn)行，最終處于一種平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體中載流子濃度一定 。,1. 半導(dǎo)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(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的濃度，所以基本上不受溫度影響。,4. PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)的正向電阻很小，因此正向偏置時電流極易通過；同時PN結(jié)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(nèi)電場總是阻礙多數(shù)載流子（電流）的擴(kuò)散運(yùn)動作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過，也就是說，空間電荷區(qū)對擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻。,第3頁,6.2 半導(dǎo)體二極管,1. 二極管的結(jié)構(gòu)和類型,一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管，接在P型半導(dǎo)體一側(cè)的引出線稱為陽極；接在N型半導(dǎo)體一側(cè)的引出線稱為陰極。 半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。

22、 點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積很小，因而結(jié)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(yīng)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(guān)元件等。 面接觸型二極管PN結(jié)面積大，因而能通過較大的電流，但其結(jié)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(shí)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(nèi)電場對多子

23、擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(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(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很??；,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(dǎo)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(yīng)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(yùn)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(yùn)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?qū)щ娦栽胶谩?4.

25、二極管的應(yīng)用舉例,二極管應(yīng)用范圍很廣，主要是利用它的單向?qū)щ娦?，常用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中用作開關(guān)元件等。,第3頁,討論,PN結(jié)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(dá)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(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強(qiáng)。通

26、過空間電荷區(qū)的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下獲得較大能量，它們運(yùn)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(yùn)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(yīng)。當(dāng)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(jié)空間電荷區(qū)中存一個強(qiáng)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(qiáng)度約為2×10V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到，因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強(qiáng)度可能很高，致使PN結(jié)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(shí)物圖、圖符號及伏安特性如圖所示：,當(dāng)反向電壓加到某一數(shù)值時，反向電流劇增，管子進(jìn)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(shí)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(dá)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(nèi)。穩(wěn)壓管在應(yīng)用中要采取

30、適當(dāng)?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(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)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(jié)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(guān)系可寫為： PZM=UZIZM,討論,回顧二極管的反向擊穿時特性：當(dāng)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(dāng)?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(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，利用這一點(diǎn)可

32、以達(dá)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(shí)物,發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。左圖所示為發(fā)光二極管的實(shí)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(shè)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(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。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(jī)玻璃透鏡進(jìn)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(jìn)行穩(wěn)壓的。 因?yàn)榉€(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?qū)▍^(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(jié)構(gòu),,雙極型晶體管是由兩個背靠背、互有影響的PN

34、結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中兩種載流子都參與導(dǎo)電，所以全名稱為雙極結(jié)型晶體管。 雙極結(jié)型晶體管有三個引出電極，人們習(xí)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(dǎo)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(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)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(dǎo)體中間夾著一塊N型半導(dǎo)體的管子，稱為PNP管。晶體管制造工藝上的特點(diǎn)是：發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū)，基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度底，集電結(jié)面積大。這樣的結(jié)構(gòu)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(jié),晶體管有三個區(qū),晶體管有三個電極,第6章,結(jié)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(yàn)證三極管電流放大作用的實(shí)驗(yàn)電路，這種電路接法稱為共射電路。其中，直流電壓源UCC應(yīng)大于UBB，從而使電路滿足放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電極反向偏置。改變可調(diào)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(jié)果可得出以下結(jié)論：,晶體管電流放大的條件：,晶體管內(nèi)部： a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)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(jié)正偏，集電結(jié)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(kuò)散電子的過程： 由于發(fā)射結(jié)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(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。

38、,2、電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)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(kuò)散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)空穴復(fù)合，剩下的絕大部分都能擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。,實(shí)驗(yàn)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(kuò)散過來的電子過程： 由于集電結(jié)反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)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(jié)為反向偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分?jǐn)U散到集電結(jié)，只有一小部分與基區(qū)中的空穴復(fù)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(dǎo)通電壓約為0.5V。嚴(yán)格地說，當(dāng)UCE逐漸增加 時，IB逐漸減小，曲線逐漸向右移。這是因?yàn)閁CE增加時，集電結(jié)的耗盡層變寬，減小了基區(qū)的有效寬度，不利于空穴的復(fù)合，所以IB減小。不過UCE超過1V以后再增加，IC增加很少，因?yàn)镮B的變化量也很小，通常可以忽略UCE變化對IB的影響，認(rèn)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(jié)反向偏置,（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置,（3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)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(yīng)?。?（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(fù)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(jié)處于正向偏置，并提供適當(dāng)?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(fù)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(shí)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(shí)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(diǎn)，并按習(xí)慣畫法把集電極電源以電位形式標(biāo)在圖中。,,放大電路的直流通道,晶體管放大電路實(shí)際上是一個交、直流共存的電路。當(dāng)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(dāng)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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(jié)果，與其真實(shí)狀況相比僅有微小誤差，可運(yùn)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(dāng)于短路，UCC=0相當(dāng)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(diǎn)。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(fù)擔(dān)，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(fù)載變化對輸出電壓的影響，并易于與低阻負(fù)載相匹配，向負(fù)載傳送盡可能大的功率。,射極輸出器的特點(diǎn)：,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(jìn)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(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，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(diǎn)附近的微小范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線性的。當(dāng)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(nèi)可認(rèn)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(guān)，而與電壓uCE無關(guān)，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(jìn)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(dāng)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(fù)擔(dān)，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(nèi)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(fù)載而言，總希望放大電路的輸出電阻越小越好。因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鲭娮鑂o越小，負(fù)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(fù)載能力越強(qiáng)。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(rèn)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(zhuǎn)入電阻rbe及集電極電阻RC、負(fù)載電阻RL均有關(guān)。由計算式可看

52、出，當(dāng)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(yīng)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(guān)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(diǎn)Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負(fù)載線。（4）由輸出特性曲線和交流負(fù)載線求iC和uCE。,放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)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(fù)載電阻RL越小，交流負(fù)載電阻RL‘也越小，交流負(fù)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(diǎn)Q設(shè)置得不合適時，將對放大電路的性能造成影響。若Q點(diǎn)偏高，當(dāng)ib按正弦規(guī)律變化時，Q'進(jìn)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(fù)半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點(diǎn)偏低，則Q"進(jìn)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(jié)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(diǎn)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(diǎn)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(guān),具有工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路,,條件：I1≈I2>>IB,調(diào)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(diǎn)Q較高時，輸出易進(jìn)入飽和區(qū)，輸出波形將出現(xiàn)下削波；Q點(diǎn)設(shè)置較低時，輸出又易進(jìn)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(yīng)

57、將Q點(diǎn)下移或上移。上、下削波同時出現(xiàn)時，說明靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的比較合理，只是輸入信號太強(qiáng)不能完全通過，應(yīng)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(fù)載對放大倍數(shù)的影響越小，放大器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。,,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(diǎn)，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(diǎn),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(diǎn)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(yīng)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(yīng)用最廣泛的基本放大電

59、路。,第2頁,圖中虛線框內(nèi)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(fù)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(diào)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(yīng)用實(shí)例,第2頁,7.3 放大電路中的負(fù)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(luò)（或的）回送到輸入端的過程。 能使凈輸入信號增強(qiáng)的反饋稱為正反饋； 使凈輸入信號削弱的反饋稱為負(fù)反饋。

61、放大電路中普遍采用的形式是負(fù)反饋。,2. 負(fù)反饋的基本類型及其判別,按照反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸出、輸入端的連接方式不同，負(fù)反饋電路具有4種典型反饋形式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)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(shè)負(fù)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(fù)

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(fù)反饋。,判斷是串聯(lián)負(fù)反饋還是并聯(lián)負(fù)反饋,判斷是串聯(lián)負(fù)反饋還是并聯(lián)負(fù)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(diǎn)，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(fù)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(fù)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(fù)反饋對放大電路性能的影響,電路中引入負(fù)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(fù)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(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。,既然負(fù)反饋具有穩(wěn)定放大電路的作用，當(dāng)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(fù)反饋可擴(kuò)展放大電路的通頻帶。,當(dāng)輸入正弦信號的幅度較大時，輸出

64、波形引入負(fù)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(fù)反饋條件下，若反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，則閉環(huán)電壓傳輸特性曲線在很寬的范圍內(nèi)接近于直線，即負(fù)反饋可減小放大電路的非線性失真。,負(fù)反饋能抑制反饋環(huán)內(nèi)的噪聲和干擾 。,電壓負(fù)反饋使輸出電阻減??；電流負(fù)反饋使輸出電阻增加。,第2頁,當(dāng)輸入信號本身已經(jīng)產(chǎn)生了失真，引入負(fù)反饋后可以使失真得到一些改善。從本質(zhì)上講，采用負(fù)反饋提高放大電路的穩(wěn)定性，實(shí)際上是利用失真的波