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1、第第1章章 常用半导体元件常用半导体元件1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 特殊二极管特殊二极管1.4 半导体三极管半导体三极管1.5 半导体使用基础知识半导体使用基础知识1.6 场效应管简介场效应管简介1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1本征半导体本征半导体不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构原子结构模型的最外层轨道上各有
2、四个价电子。在单品结构中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有，中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有，形成了如形成了如图图1-1所示的共价键结构，图中的所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素表示四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度T=0K(热力学温度热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键目没有其他外部能量作用时，其共价键中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的体不导电，在导电性能
3、上相当于绝缘体。但是，当半导体的温度升高或给半导体施加能量温度升高或给半导体施加能量(如光照如光照)时，就会使共价键中时，就会使共价键中的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征激发，如激发，如图图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导所示，自由电子是本征半导体中可以参与导电的一种带电粒子，叫做载流子。电的一种带电粒子，叫做载流子。下一页返回1.1 半导体基础知识半导体基础知识价电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位子上就
4、会形价电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位子上就会形成一个空位，称为空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴成一个空位，称为空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的。原子失去价电子后带正电，可等效看成带正是成对出现的。原子失去价电子后带正电，可等效看成带正电的空穴。空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子来填补这电的空穴。空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子来填补这个空穴，因而使这个邻近的原子也因失去价电子而产生新的个空穴，因而使这个邻近的原子也因失去价电子而产生新的空穴。这个空穴又会被其他价电子填补，又产生一个新的空空穴。这个空穴又会被其他价电子填补，又产生一个新的空穴，如此下去，就好像是带
5、正电的空穴在移动一样。实际上穴，如此下去，就好像是带正电的空穴在移动一样。实际上空穴是没有移动的，移动的只是价电子。于是空穴可以被看空穴是没有移动的，移动的只是价电子。于是空穴可以被看作是带正电的载流子。作是带正电的载流子。自由电了和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这自由电了和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合。温度一定时自由电子和空穴的产生与复合种现象称为复合。温度一定时自由电子和空穴的产生与复合将达到动态平衡，这时自由电子和空穴的浓度一定。将达到动态平衡，这时自由电子和空穴的浓度一定。上一页返回下一页1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.2 P型半导体和
6、型半导体和N型半导体型半导体在四价的硅在四价的硅(或锗或锗)中掺入少量的硼中掺入少量的硼(或钵等其他二价元素或钵等其他二价元素)，则在品体某些位置上的硅原子将被硼取代，而硼原子只能提则在品体某些位置上的硅原子将被硼取代，而硼原子只能提供二个价电子，它与相邻的四个硅原子构成共价键时，必有供二个价电子，它与相邻的四个硅原子构成共价键时，必有一个共价键因缺少一个电子而出现空穴，室温下这个空穴极一个共价键因缺少一个电子而出现空穴，室温下这个空穴极容易被邻近共价键中的价电子所填补，使硼离子成为负离子，容易被邻近共价键中的价电子所填补，使硼离子成为负离子，称为空间电荷，如称为空间电荷，如图图1-3所示。掺
7、入二价元素将使半导体中所示。掺入二价元素将使半导体中的空穴数量大为增加。这种以空穴导电为主的半导体，称为的空穴数量大为增加。这种以空穴导电为主的半导体，称为P型半导体，其中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。型半导体，其中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。下一页返回上一页1.1 半导体基础知识半导体基础知识在四价的硅在四价的硅(或锗或锗)品体中掺入少量的磷品体中掺入少量的磷(或其他五价元素或其他五价元素)，则磷原了将取代某些位置上的四价硅原子。磷原子与周围的则磷原了将取代某些位置上的四价硅原子。磷原子与周围的硅原子形成共价键时余出一个价电子，这个多余的价电子在硅原子形成共价键时余出一
8、个价电子，这个多余的价电子在室温下就能挣脱原子核的束缚成为自由电子，磷原子则因失室温下就能挣脱原子核的束缚成为自由电子，磷原子则因失去了一个电子变成了正离子去了一个电子变成了正离子(空间电荷空间电荷)如如图图1-4所示。磷杂所示。磷杂质的含量虽然很低，但由此而产生的自由电子数量却比本征质的含量虽然很低，但由此而产生的自由电子数量却比本征半导体激发所产生的电子一空穴对数量大得多。这种以自由半导体激发所产生的电子一空穴对数量大得多。这种以自由电子为卞的杂质半导体就称为电子为卞的杂质半导体就称为N型半导体，其中的自由电子型半导体，其中的自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。为多数载流子，空穴为少数
9、载流子。说明：不论是说明：不论是P型半导体还是型半导体还是N型半导体均呈电中性。型半导体均呈电中性。上一页 下一页返回1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN结及特性结及特性1.PN结的形成结的形成单一的单一的P型或型或N型半导体，还不能直接制成半导体器件。只有型半导体，还不能直接制成半导体器件。只有将这两种类型的半导体以某种方式结合在一起，才能制成各将这两种类型的半导体以某种方式结合在一起，才能制成各种具有不同特性的半导体器件。种具有不同特性的半导体器件。利用掺杂工艺，使一块本征半导体的一边形成利用掺杂工艺，使一块本征半导体的一边形成P型半导体，另型半导体，另一边形成一边形成N型
10、半导体。在型半导体。在P型和型和N型的交界处，由于载流了浓型的交界处，由于载流了浓度的差别，度的差别，N区的自由电了必然会向区的自由电了必然会向P区扩散，而区扩散，而P区的空穴区的空穴要向要向N区扩散区扩散OP区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离了区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离了(空间电荷空间电荷)，N区一侧因失去自由电了而留下不能移动的正区一侧因失去自由电了而留下不能移动的正离了离了(空间电荷空间电荷)。于是在。于是在P区和区和N区的交界面上产生一个空间区的交界面上产生一个空间电荷区，形成一个电场，称为内电场。电场的方向是由正电电荷区，形成一个电场，称为内电场。电场的方向是由正电荷指向
11、负电荷，即由荷指向负电荷，即由N区指向区指向P区，如区，如图图1-5所示。所示。上一页返回下一页1.1 半导体基础知识半导体基础知识2.PN结的单向导电性结的单向导电性在在PN结的两端外加电压，称为结结的两端外加电压，称为结PN结的偏置电压。结的偏置电压。(1)PN结正向偏置结正向偏置给给PN结加正向偏置电压，即结加正向偏置电压，即P区接电位高端、区接电位高端、N区接电位低区接电位低端，此时称端，此时称PN结为正向偏置结为正向偏置(简称正偏简称正偏)，如，如图图1-6所示。所示。PN结正偏时，外电场与结正偏时，外电场与PN结产生的内电场方向相反，削弱结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使了内
12、电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时形成正向电流，此时PN处于正向导通状态。处于正向导通状态。(2)PN结反向偏置结反向偏置给给PN结加以反向偏置电压，即结加以反向偏置电压，即N区接电位高端，区接电位高端，P区接电位区接电位低端，此时低端，此时PN结反向偏置结反向偏置(简称反偏简称反偏)，如，如图图1-7所示。所示。返回上一页1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1二极管的结构二极管的结构1.结构和符号结构和符号半导体一极管的主要构成部分就是一个半导体一极管的主要构成部分就是一个PN结。在一个结。在一个PN结结两端接上
13、相应的电极引线，外面用金属两端接上相应的电极引线，外面用金属(或玻璃、塑料或玻璃、塑料)管壳管壳封装起来，就构成了一个半导体一极管。由封装起来，就构成了一个半导体一极管。由P区引出来的电极区引出来的电极为正极为正极(或阳极或阳极)，由，由N区引出来的电极为负极区引出来的电极为负极(或阴极或阴极)。半。半导体一极管的结构和符号如导体一极管的结构和符号如图图1-8所示。所示。下一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管2.类型类型(1)按材料分，有硅二极管、锗一极管和砷化钵二极管等。按材料分，有硅二极管、锗一极管和砷化钵二极管等。(2)按结构分，根据按结构分，根据PN结面积大小，有点接触型和面接触型
14、结面积大小，有点接触型和面接触型二极管。二极管。(3)按用途分，有整流、稳压、开关、发光、光电和变容等按用途分，有整流、稳压、开关、发光、光电和变容等二极管。二极管。(4)按功率分，有大功率、中功率和小功率等二极管。按功率分，有大功率、中功率和小功率等二极管。(5)按封装形式分，有塑封和金属封等二极管。按封装形式分，有塑封和金属封等二极管。常用的半导体二极管的外形如常用的半导体二极管的外形如图图1-9所示。所示。上一页 下一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电
15、压与流过二极管的电流之间的关系。一般以电压为横坐标，电流为纵坐标。的电流之间的关系。一般以电压为横坐标，电流为纵坐标。用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就正间电流构成了二极管的伏安特性曲线。正间电流构成了二极管的伏安特性曲线。图图1-10所示为通过所示为通过实验测出的硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线实验测出的硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线(实线为硅二实线为硅二极管的伏安特性，虚线为锗二极管的伏安特性极管的伏安特性，虚线为锗二极管的伏安特性)。1.正向特性正向特性图图1-10所示曲线所示曲线部分为正向特性。在二极管两端加正向电
16、部分为正向特性。在二极管两端加正向电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场对多结内电场对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为零。数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为零。此时二极管呈现出很大的电阻。此时二极管呈现出很大的电阻。上一页 下一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管2.反向特性反向特性图图1-10所示曲线所示曲线部分为反向特性。二极管两端加上反向电部分为反向特性。二极管两端加上反向电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在一压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在一定的电压范围内基本上不随反
17、向电压而变化，处于饱和状态，定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状态，所以这一段电流称为反向饱和电流所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和电流。硅管的反向饱和电流约在约在1A至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微安，至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微安，如如图图1-10的的OC(OC)段所示。段所示。3.反向击穿特性反向击穿特性如如图图1-10中曲线中曲线部分所示，当反向电压增加到一定数值时，部分所示，当反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。此时反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。此时对应的反向击穿电压用对应的反向
18、击穿电压用UBR表示。表示。上一页 下一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大工作电流最大工作电流最大工作电流指二极管长期工作允许通过的最大正向平均电最大工作电流指二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。使用时应注意正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏流。使用时应注意正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。二极管。2.最大反向工作电压最大反向工作电压UBM。最大反向工作电压指允许施加在二极管两端的最大反向电压，最大反向工作电压指允许施加在二极管两端的最大反向电压，通常规定为击穿电压的一半。通常规定为击穿电压的一半。上一页 下一页返回1.
19、2 半导体二极管半导体二极管3.反向饱和电流反向饱和电流IR。反向饱和电流指正极管在规定的反向电压和室温下所测得的反向饱和电流指正极管在规定的反向电压和室温下所测得的反向电流值。其值越小，说明管子的单向导电性能越好。反向电流值。其值越小，说明管子的单向导电性能越好。4.最高工作频率最高工作频率最高工作频率指保证二极管正常工作时的上限频率。它的大最高工作频率指保证二极管正常工作时的上限频率。它的大小与小与PN结的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性变结的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性变差。差。上一页返回1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1稳压二极管稳压二极管稳压二极管是一种特殊的
20、面接触型半导体硅一极管，其符号稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅一极管，其符号和伏安特性曲线如和伏安特性曲线如图图1-11所示。稳压二极管的伏安特性与普所示。稳压二极管的伏安特性与普通二极管的伏安特性相似，所不同的是稳压二极管的反向特通二极管的伏安特性相似，所不同的是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管工作在反向击穿区，从反向特性性曲线比较陡。稳压二极管工作在反向击穿区，从反向特性曲线上可以看出，当反向电压小于其击穿电压时，反向电流曲线上可以看出，当反向电压小于其击穿电压时，反向电流很小。当反向电压增加到击穿电压时，反向电流急剧增大，很小。当反向电压增加到击穿电压时，反向电流急剧增大
21、，稳压二极管反向击穿。此后电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管反向击穿。此后电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。管在电路中能起稳压作用。下一页返回1.3 特殊二极管特殊二极管稳压二极管的主要参数有：稳压二极管的主要参数有：1.稳定电压稳定电压UZ稳定电压稳定电压UZ就是稳压一极管的反向击穿电压，也就是稳压一就是稳压一极管的反向击穿电压，也就是稳压一极管在正常的反向击穿工作状态下管了两端的电压。由于工极管在正常的反向击穿工作状态下管了两端的电压。由于工艺方面和其他原因，即使同
22、一型号的稳压二极管，其实际稳艺方面和其他原因，即使同一型号的稳压二极管，其实际稳定电压值并不完全相同，而具有一定的分散性。所以在乎册定电压值并不完全相同，而具有一定的分散性。所以在乎册中给出的是某一型号管了的稳定电压范围。使用时要进行测中给出的是某一型号管了的稳定电压范围。使用时要进行测试，按需要挑选。试，按需要挑选。2.稳定电流稳定电流IZ和最大稳定电流和最大稳定电流IZmax。稳定电流稳定电流IZ是指工作电压等于稳定电压时的反向电流，最大是指工作电压等于稳定电压时的反向电流，最大稳定电流稳定电流IZmax是指稳压一极管允许通过的最大反向电流。是指稳压一极管允许通过的最大反向电流。使用稳压二
23、极管时，要限制其工作电流不能超过使用稳压二极管时，要限制其工作电流不能超过IZmax，否则，否则可可能使稳压二极管发生热击穿而损坏。能使稳压二极管发生热击穿而损坏。上一页 下一页返回1.3 特殊二极管特殊二极管3.动态电阻动态电阻rz动态电阻是稳压二极管在正常工作区动态电阻是稳压二极管在正常工作区(反向击穿区反向击穿区)工作时稳工作时稳压一极管两端电压的变化量与相应的电流变化量之比，即压一极管两端电压的变化量与相应的电流变化量之比，即4.最大耗散功率最大耗散功率PZM它是稳压一极管工作时所允许的最大耗散功率。它等于最大它是稳压一极管工作时所允许的最大耗散功率。它等于最大稳定电流和相应稳定电压的
24、乘积，即稳定电流和相应稳定电压的乘积，即5.电压温度系数电压温度系数它是说明稳压一极管的稳定电压受温度变化影响的参数。当它是说明稳压一极管的稳定电压受温度变化影响的参数。当环境温度变化环境温度变化1时稳定电压变化的白分比称为电压温度系数，时稳定电压变化的白分比称为电压温度系数，即即上一页 下一页返回1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.2 发光二极管与光电二极管发光二极管与光电二极管1.发光二极管发光二极管发光一极管简称发光一极管简称LED，是一种通以正向电流后会发光的二极，是一种通以正向电流后会发光的二极管，它用某些自由电了和空穴复合时就会产生光辐射的半导管，它用某些自由电了和空穴复合时就会产
25、生光辐射的半导体制成，采用不同材料，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光，体制成，采用不同材料，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光，其电路符号如其电路符号如图图1-12所示。所示。2.光电二极管光电二极管光电一极管的结构与普通二极管类似，使用时光电二极管光电一极管的结构与普通二极管类似，使用时光电二极管PN结工作在反向偏置状态。在光的照射下，反向电流随光照强结工作在反向偏置状态。在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升，度的增加而上升，(此时的反向电流叫光电流此时的反向电流叫光电流)，所以光电二，所以光电二极管是一个将光信号转换为电信号的半导体器件，其电路符极管是一个将光信号转换为电信号的半导体器件，其
26、电路符号如号如图图1-13所示。所示。上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.1 晶体三极管的基本结构晶体三极管的基本结构二极管的种类有很多，外形也不尽相同，但它们的基本结构二极管的种类有很多，外形也不尽相同，但它们的基本结构却相同，都是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个却相同，都是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个PN结，再引出二个电极，然后用管壳封装而成。按半导体的结，再引出二个电极，然后用管壳封装而成。按半导体的组合方式不同，其可分为组合方式不同，其可分为PNP型和型和NPN型。型。图图1-14所小为所小为儿种常见三极管的外形。儿种常见三极管的外形。无论是无论是NP
27、N型管还是型管还是PNP型管，它们内部都含有二个区：发型管，它们内部都含有二个区：发射区、基区和集电区。从二个区各引出一个金属电极，分别射区、基区和集电区。从二个区各引出一个金属电极，分别称为发射极称为发射极(E)、基极、基极(B)和集电极和集电极(C)；在发射区与基区之；在发射区与基区之间形成的间形成的PN结称为发射结，集电区与基区之间形成的结称为发射结，集电区与基区之间形成的PN结结称为集电结。二极管的结构与电路符号如称为集电结。二极管的结构与电路符号如图图1-15所示。所示。下一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.2 晶体三极管的工作原理晶体三极管的工作原理三极管有两个按一定关
28、系配置的三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个结。由于两个PN结之间结之间的互相影响，使三极管表现出和单个的互相影响，使三极管表现出和单个PN结不同的特性。三极结不同的特性。三极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极管型二极管为例来分析。为例来分析。1.电流放大作用的条件电流放大作用的条件三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证
29、来自发射区的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成集电极电流。集电极电流。上一页返回下一页1.4 半导体三极管半导体三极管2.电流的分配和放大作用电流的分配和放大作用图图1
30、-16所示为所示为NPN型三极管电流测试电路。该电路包括基型三极管电流测试电路。该电路包括基-射回路射回路(又称输入回路又称输入回路)和集和集-射回路射回路(又称输出回路又称输出回路)两部分，两部分，发射极为两回路的公共端，因此称为共射电路。共射电路中，发射极为两回路的公共端，因此称为共射电路。共射电路中，UBB为发射结正偏电源；为发射结正偏电源；UCC为集电结反偏电源为集电结反偏电源(UCCUBB)；RP为电位器。调节为电位器。调节RP可以改变基极电流可以改变基极电流IB、集电极电流、集电极电流IC和发射极电流和发射极电流IE的大小。测量结果列于的大小。测量结果列于表表1-1中。中。下一页返
31、回上一页1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.3 晶体三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线三极管的输入特性曲线如三极管的输入特性曲线如图图1-17所示，该曲线是指当集电极所示，该曲线是指当集电极与发射极之间电压一定时，输入回路中的基极电流与基与发射极之间电压一定时，输入回路中的基极电流与基-射电射电压之间的关系曲线。用函数式可表示为压之间的关系曲线。用函数式可表示为 （1.1）当当UCE=0时，从输入端看进去，相当于两个时，从输入端看进去，相当于两个PN结并联，都结并联，都为正向偏置，此时的特性曲线相当于一极管的伏安特性曲线。为正向偏置，此时的特性曲线相当于一极管的伏安特性曲线。当当UCE1
32、时，集电结为反向偏置，由图可以看出此时的特性时，集电结为反向偏置，由图可以看出此时的特性曲线比曲线比UCE=0时的曲线稍向右移。时的曲线稍向右移。上一页 下一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管2.输出特性曲线输出特性曲线三极管的输出特性曲线如三极管的输出特性曲线如图图1-18所示，该曲线是指当所示，该曲线是指当IB为常为常数时，输出回路中数时，输出回路中IC的与的与UCE之间的关系曲线，用函数式可之间的关系曲线，用函数式可表示为表示为 （1.2）根据三极管工作状态不同，输出特性曲线通常可以分为三个根据三极管工作状态不同，输出特性曲线通常可以分为三个工作区域：放大区、饱和区、截止区。工作区域
33、：放大区、饱和区、截止区。上一页 下一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.4 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数三极管的特性除用特性曲线表小外，还可用一些数据来说明，三极管的特性除用特性曲线表小外，还可用一些数据来说明，这些数据就是三极管的参数。三极管的参数是用来表小管子这些数据就是三极管的参数。三极管的参数是用来表小管子性能的优劣和适用范围。下面介绍一些主要参数。性能的优劣和适用范围。下面介绍一些主要参数。1.电流放大系数电流放大系数电流放大系数是表小三极管放大能力的重要参数。电流放大系数是表小三极管放大能力的重要参数。二极管在接成共发射极放大电路时，根据工作状态不同，有二极
34、管在接成共发射极放大电路时，根据工作状态不同，有直流电流放大系数直流电流放大系数 和交流电流放大系数和交流电流放大系数 。共发射极直流电流放大系数为共发射极直流电流放大系数为 （1.3）上一页返回下一页1.4 半导体三极管半导体三极管它表示在无输入信号的情况下三极管处于直流工作状态它表示在无输入信号的情况下三极管处于直流工作状态(静态静态)电流放大能力的参数。电流放大能力的参数。共发射极交流电流放大系数为共发射极交流电流放大系数为 （1.4）它反映的是当二极管工作在有信号输入情况下，处于交流工它反映的是当二极管工作在有信号输入情况下，处于交流工作状态作状态(动态动态)时，基极电流的变化引起集电
35、极电流的变化。时，基极电流的变化引起集电极电流的变化。表示三极管交流工作状态的电流放大能力。表示三极管交流工作状态的电流放大能力。2.反向饱和电流反向饱和电流ICBOICBO是指发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的反是指发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的反向饱和电流。它受温度变化的影响很大，常温下，小功率硅向饱和电流。它受温度变化的影响很大，常温下，小功率硅管的管的ICBOUBE。所以。所以 （2.3）上一页 下一页返回2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析即基极电流即基极电流IB主要由主要由UCC和和RB决定。当决定。当UCC和和RB确定后，静确定后，静态态IB就
36、近似为一个固定值，所以常把这种电路叫作固定偏置就近似为一个固定值，所以常把这种电路叫作固定偏置电路。电路。IB称为固定偏置电流，称为固定偏置电流，RB称为固定偏置电阻。称为固定偏置电阻。静态时的集电极电流为静态时的集电极电流为 （2.4）静态时的集静态时的集-射极电压为射极电压为 （2.5）上一页返回下一页2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析2.图解法图解法为了直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响，可为了直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响，可以用图解法来确定静态值。晶体管是一种非线性元件，它的以用图解法来确定静态值。晶体管是一种非线性元件，它的输出特性曲线如输
37、出特性曲线如图图2-4(b)所示。由所示。由图图2-4(b)所示的直流通所示的直流通路可以列出下式路可以列出下式 或或 （2.6）下一页返回上一页2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析2.2.2 动态分析动态分析当放大电路有输入信号，即当放大电路有输入信号，即ui 0时的工作状态称为动态。时的工作状态称为动态。动态分析时往往可以画出交流信号在放大电路中的传输通路动态分析时往往可以画出交流信号在放大电路中的传输通路即交流通路。即交流通路。画交流通路的原则如下：画交流通路的原则如下：(1)在信号频率范围内，耦合电容可视为短路；在信号频率范围内，耦合电容可视为短路；(2)直流电源的内阻
38、很小，也可以忽略，视为短路。直流电源的内阻很小，也可以忽略，视为短路。按此原则画出电路的交流通路如按此原则画出电路的交流通路如图图2-5所示。所示。动态时，放大电路中有交流信号输入，电路中的电压、电流动态时，放大电路中有交流信号输入，电路中的电压、电流均要在静态的基础上随输入信号的变化而变化。因此，电路均要在静态的基础上随输入信号的变化而变化。因此，电路中各处的电压和电流都处于变动状态。中各处的电压和电流都处于变动状态。上一页 下一页返回2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析若设输入信号为若设输入信号为ui=Uimsin t，如，如图图2-6(a)所示，则各处所示，则各处电压电流
39、变化情况分别为电压电流变化情况分别为:图图2-6(b)：ui经经C1加到三极管的发射结，发射结总电压加到三极管的发射结，发射结总电压则为直流电压则为直流电压UBE与与ui叠加，可表示为叠加，可表示为图图2-6(c)：基极总电流为直流电流：基极总电流为直流电流IB与交流电流与交流电流ib的叠加，的叠加，可表示为可表示为图图2-6(d)：经三极管放大后，集电极总电流则为：经三极管放大后，集电极总电流则为在输出端，在输出端，Rc上的总电压为上的总电压为上一页 下一页返回2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析2.2.3失真现象分析失真现象分析对于放大电路来说，希望它能满足两个要求：一是能
40、够得到对于放大电路来说，希望它能满足两个要求：一是能够得到符合要求的电压放大倍数；二是放大后的输出信号波形与输符合要求的电压放大倍数；二是放大后的输出信号波形与输入信号的波形尽可能相似，即失真要小。为了满足这两个要入信号的波形尽可能相似，即失真要小。为了满足这两个要求，就必须正确选择放大电路的静态工作点的位置。求，就必须正确选择放大电路的静态工作点的位置。当静态工作点位置选择不当时，将有可能出现失真。在当静态工作点位置选择不当时，将有可能出现失真。在图图2-7中，设正常清况下静态工作点位于中，设正常清况下静态工作点位于Q点，则可以得到正常的点，则可以得到正常的iC和和uCE波形。如果静态工作点
41、的位置定得太低或太高，这都波形。如果静态工作点的位置定得太低或太高，这都有可能使输出波形产生严重失真。有可能使输出波形产生严重失真。当当Q点位置选得太高，接近饱和区时，见图中的点位置选得太高，接近饱和区时，见图中的Q1点，尽管点，尽管iB的波形完好，但的波形完好，但iC的正半周和的正半周和uCE的负半周都出现了畸变，的负半周都出现了畸变，这种由于动态工作点进入饱和区而引起的失真，称为这种由于动态工作点进入饱和区而引起的失真，称为“饱和饱和”失真。失真。上一页 下一页返回2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析当当Q点位置选得太低，接近截止区时，见图中的点位置选得太低，接近截止区时，
42、见图中的Q2点，这时点，这时由于在输入信号的负半周，动态工作点进入管了的截止区，由于在输入信号的负半周，动态工作点进入管了的截止区，使使iC的负半周和的负半周和uCE的正半周波形产生畸变，这种因工作点进的正半周波形产生畸变，这种因工作点进入截止区而产生的失真称为入截止区而产生的失真称为“截止截止”失真。失真。饱和失真和截止失真都是由于二极管工作在特性曲线的非线饱和失真和截止失真都是由于二极管工作在特性曲线的非线性区域所引起的，因此把这两种失真称为非线性失真。非线性区域所引起的，因此把这两种失真称为非线性失真。非线性失真都是由于静态工作点设置不合理引起的。对于饱和失性失真都是由于静态工作点设置不
43、合理引起的。对于饱和失真常用的解决办法是：调节偏置电阻真常用的解决办法是：调节偏置电阻RB，降低偏置电流，降低偏置电流IB，使静态工作点下移；另一种办法是减小集电极电阻使静态工作点下移；另一种办法是减小集电极电阻RC，改变，改变直流负载线的斜率直流负载线的斜率(使直流负载线更陡些使直流负载线更陡些)。上一页 下一页返回2.2 放大电路的工作状态分析放大电路的工作状态分析对于截止失真常用的办法是通过调节偏置电阻对于截止失真常用的办法是通过调节偏置电阻RB，增大偏置，增大偏置电流电流IB，使静态工作点上移。另外，调节直流电源，使静态工作点上移。另外，调节直流电源UCC也可也可以改变工作点的位置，但
44、会使品体管所承受的电压增大，因以改变工作点的位置，但会使品体管所承受的电压增大，因此用得较少。此用得较少。综上所述，改变综上所述，改变RB、RC、UCC均能改变放大电路的静态工作均能改变放大电路的静态工作点，但在调节静态工作点时，通常总是先调节点，但在调节静态工作点时，通常总是先调节RB。上一页返回2.3 静态工作点的稳定静态工作点的稳定2.3.1 温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响从前面的分析可知，固定偏置电路的静态工作点是由基极偏从前面的分析可知，固定偏置电路的静态工作点是由基极偏流流IB和直流负载线共同确定的。偏流和直流负载线的斜率受和直流负载线共同确定的。偏流和直流负载线的斜
45、率受温度的影响很小，可以略去不计，但是集电极电流温度的影响很小，可以略去不计，但是集电极电流IC是随温是随温度变化的，当温度上升时度变化的，当温度上升时IC增大。这是由于集一基极的反向增大。这是由于集一基极的反向饱和电流饱和电流ICBO对温度变化十分敏感，而品体管的穿透电流对温度变化十分敏感，而品体管的穿透电流ICEO ICBO，即比，即比ICBO随温度变化得更快，如果随温度变化得更快，如果ICBO受温度的影响增量为受温度的影响增量为ICBO 那么集电极电流就要增加那么集电极电流就要增加(1+)ICBO，同时二极管的电流放大系数刀也会随温度升，同时二极管的电流放大系数刀也会随温度升高而略有增大
46、。这两个方面都集中表现在集电极电流随温度高而略有增大。这两个方面都集中表现在集电极电流随温度升高而增大、温度升高使整个输出特性曲线向上平移。如果升高而增大、温度升高使整个输出特性曲线向上平移。如果直流负载线和偏流直流负载线和偏流IB均不变化，则静态工作点均不变化，则静态工作点Q将会沿着负将会沿着负载线向上移动，若此时输入信号略有增大，就会出现饱和失载线向上移动，若此时输入信号略有增大，就会出现饱和失真，严重时放大电路将无法正常工作。真，严重时放大电路将无法正常工作。下一页返回2.3 静态工作点的稳定静态工作点的稳定2.3.2分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路为了稳定静态工作点，通常采用分压式
47、偏置单管放大电路，为了稳定静态工作点，通常采用分压式偏置单管放大电路，如如图图2-8所示，它能够提供合适的偏流，又能自动稳定静态所示，它能够提供合适的偏流，又能自动稳定静态工作点。工作点。该电路的工作特点：一是利用该电路的工作特点：一是利用RB1和和RB2的串联分压原理来固的串联分压原理来固定基极电位；一是利用发射极电阻定基极电位；一是利用发射极电阻RE上的电压调节上的电压调节UBE的大的大小来抑制左的变化。小来抑制左的变化。1.工作原理工作原理由电路可知：由电路可知：上一页 下一页返回2.3 静态工作点的稳定静态工作点的稳定若使若使 （2.7）则则 （2.8）由此由此UB可认为与品体管参数无
48、关，即与温度无关，而仅由分可认为与品体管参数无关，即与温度无关，而仅由分压电路决定。压电路决定。因因若使若使 （2.9）则则 （2.10）上一页 下一页返回2.3 静态工作点的稳定静态工作点的稳定由上面分析可知，只要满足式由上面分析可知，只要满足式(2.7)、式、式(2.9)两个条件，则两个条件，则UB、IC、IE均与品体管的参数无关，不受温度变化的影响，均与品体管的参数无关，不受温度变化的影响，静态工作点保持不变。静态工作点保持不变。分压式偏置电路稳定静态工作点的过程可描述如下：分压式偏置电路稳定静态工作点的过程可描述如下：上一页 下一页返回2.3 静态工作点的稳定静态工作点的稳定2.静态工
49、作点的估算静态工作点的估算分压式偏置电路的直流通路如分压式偏置电路的直流通路如图图2-9所示。所示。因因 ，一般先从计算，一般先从计算UB开始。开始。而而可得可得 （2.11）上一页返回2.4 放大电路的微变等效电路分析法放大电路的微变等效电路分析法图解法和微变等效电路分析法是分析放大电路动态的两种基图解法和微变等效电路分析法是分析放大电路动态的两种基本方法。但图解法不仅比较麻烦，而且存在误差大及无法计本方法。但图解法不仅比较麻烦，而且存在误差大及无法计算输入电阻、输出电阻等动态参数的弱点，所以动态分析时算输入电阻、输出电阻等动态参数的弱点，所以动态分析时多采用微变等效电路分析法。多采用微变等
50、效电路分析法。所谓放大电路的微变等效电路分析法，就是把由非线性元件所谓放大电路的微变等效电路分析法，就是把由非线性元件品体管组成的放大电路等效成一个线性电路。微变等效电路品体管组成的放大电路等效成一个线性电路。微变等效电路是在交流通路的基础上建立的，所以只能对交流等效，只能是在交流通路的基础上建立的，所以只能对交流等效，只能用来分析交流动态、计算交流分量，而不能用来分析直流分用来分析交流动态、计算交流分量，而不能用来分析直流分量。量。下一页返回2.4放大电路的微变等效电路分析法放大电路的微变等效电路分析法2.4.1 晶体管的微变等效电路晶体管的微变等效电路当放大电路的输入信号较小，以及静态工作