電工電子學(xué)第5章

第五章常用半導(dǎo)體元器件及應(yīng)用

第一節(jié)半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用第二節(jié)晶體管第三節(jié)單管基本放大電路第四節(jié)多級放大器

返回主目錄半導(dǎo)體：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。常用的半導(dǎo)體有硅、鍺等。本征半導(dǎo)體一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體本征半導(dǎo)體雖有大量的價電子，但沒有自由電子，此時半導(dǎo)體是不導(dǎo)電的。第一節(jié)半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用一、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦噪s質(zhì)半導(dǎo)體—N型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子載流子數(shù)

電子數(shù)多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子

雜質(zhì)半導(dǎo)體—Ｐ型半導(dǎo)體負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子+3+4+4+4+4+4載流子數(shù)

空穴數(shù)硼原子空穴P型

內(nèi)建電場P型N型PN結(jié)空間電荷區(qū)PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷赫珜?dǎo)通，呈低阻狀態(tài)，電流較大P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場IF

PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷悍雌刂?，呈高阻狀態(tài)，電流近似為零P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場IRＰＮ結(jié)具有單向?qū)щ娦哉涸冢校谓Y(jié)上加正向電壓時，ＰＮ結(jié)電阻很低，正向電流較大，ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。反偏：加反向電壓時，ＰＮ結(jié)電阻很高，反向電流很小，ＰＮ結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。二、二極管的結(jié)構(gòu)和符號半導(dǎo)體二極管，其結(jié)構(gòu)與圖形符號如圖5-1，常見外形如圖5-2。PN(陽極)外殼陰極引線陽極引線+-+-(陽極)(陰極)(陰極)a)b)VD圖5-1二極管的結(jié)構(gòu)與圖形符號結(jié)構(gòu)圖形符號AK圖5-2常見外形圖

三、二極管的伏安特性二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，其伏安特性曲線如圖5-3所示。（以正極到負(fù)極為參考方向）。1）外加正向電壓很小時，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，幾乎沒有正向電流通過。曲線段（或段）稱作死區(qū)，點(diǎn)（或）的電壓稱為死區(qū)電壓，硅管的死區(qū)電壓一般為0.5V，鍺管則約為0.1V。

2）二極管的正向電壓大于死區(qū)電壓后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，有較大的正向電流流過，稱為二極管導(dǎo)通，如段（或）特性曲線所示，此段稱為導(dǎo)通段。從圖中可以看出：硅管電流上升曲線比鍺管更陡。二極管導(dǎo)通后的電壓為導(dǎo)通電壓，硅管一般為0.7V，鍺管約為0.3V。1．正向特性

2．反向特性1）當(dāng)二極管承受反向電壓時，其反向電阻很大，此時僅有非常小的反向電流（稱為反向飽和電流或反向漏電流），如曲線段（或段）所示。實(shí)際應(yīng)用中二極管的反向飽和電流值越小越好，硅管的反向電流比鍺管小得多，一般為幾十微安，而鍺管為幾百微安。2）當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時（如曲線中的點(diǎn)或點(diǎn)），反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓，用表示，曲線中段（或段）稱為反向擊穿區(qū)。通常加在二極管上的反向電壓不允許超過擊穿電壓，否則會造成二極管的損壞（穩(wěn)壓管除外）。圖5-3圖5-3二極管的伏安特性

四、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流它是指二極管長期工作時所允許通過的最大正向平均電流。實(shí)際應(yīng)用時，流過二極管的平均電流不能超過這個數(shù)值，否則，將導(dǎo)致二極管因過熱而永久損壞。（2）最高反向工作電壓指二極管工作時所允許加的最高反向電壓，超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。通常手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。（3）反向電流指二極管未被擊穿時的反向電流值。越小，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。對溫度很敏感，溫度增加，反向電流會增加很大。五、特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，它是一種用特殊工藝制造的面結(jié)合型硅半導(dǎo)體二極管，其圖形符號和外形封裝如圖5-4所示。圖5-4穩(wěn)壓二極管的圖形符號與外形

外形

圖形符號～范圍內(nèi)變化。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線工作區(qū)域穩(wěn)壓管的應(yīng)用使用時，陰極接外加電壓的正極，陽極接外加電壓負(fù)極，管子反向偏置，工作在反向擊穿狀態(tài)，利用它的反向擊穿特性穩(wěn)定直流電壓。二極管在反向擊穿狀態(tài)下，流過管子的電流變化很大，而兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓管正是利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的。穩(wěn)壓管工作時，必須接入限流電阻，才能使其流過的反向電流在～范圍內(nèi)變化發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，它是由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其圖形符號如圖5-6a所示。由這些材料構(gòu)成的ＰＮ結(jié)加上正偏電壓時，PN結(jié)便以發(fā)光的形式來釋放能量。發(fā)光二極管的種類按發(fā)光的顏色可分為紅、橙、黃、綠和紅外光二極管等多種，按外形可分為方形、圓形等。圖5-6b是發(fā)光二極管的外形，它的導(dǎo)通電壓比普通二極管高。2．發(fā)光二極管圖5-6發(fā)光二極管的圖形符號和外形圖形符號

外形

發(fā)光二極管的應(yīng)用應(yīng)用時，加正向電壓，并接入相應(yīng)的限流電阻，它的正常工作電流一般為幾個毫安至幾十毫安。發(fā)光強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與正向電流大小近似成線性關(guān)系。發(fā)光二極管作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式或矩陣式，如用作微型計算機(jī)、音響設(shè)備、數(shù)控裝置中的顯示器。發(fā)光二極管的檢測一般用萬用表R×10k(Ω)檔，通常正向電阻15kΩ左右，反向電阻為無窮大。

3．光敏二極管

光敏二極管又稱光電二極管，其ＰＮ結(jié)工作在反偏狀態(tài)。光敏二極管是一種光接收器件。它的管殼上有一個玻璃窗口以便接受光照，當(dāng)光線輻射于ＰＮ結(jié)時，提高了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，在反偏電壓作用下產(chǎn)生反向電流。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。其主要特點(diǎn)是反向電流與照度成正比。光敏二極管的圖形符號和外形如圖5-7所示。圖5-7光敏二極管的圖形符號和外形圖形符號

外形

光敏二極管的應(yīng)用

光敏二極管可用于光的測量。當(dāng)制成大面積光電二極管時，能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能，可作為一種能源使用，稱為光電池。光敏二極管的檢測通常用萬用表R×1k(Ω)檔檢測，要求無光照時反向電阻大，有光照時反向電阻小，若電阻差別小，則表明光敏二極管的質(zhì)量不好。六、二極管的應(yīng)用1、單相半波整流電路圖5-10是單相半波整流電路，該電路由電源變壓器T、整流二極管VD及負(fù)載電阻RL組成。圖5-10單相半波整流電路在u2的負(fù)半周，二極管因承受反向電壓而截止，uo=0。

圖5-11單相半波整流波形(1)．整流原理

u2的正半周，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，uo=u2。設(shè)u2=U2sinωt(2)．負(fù)載電壓及電流直流脈動電壓：整流電壓方向不變，但大小變化。平均電壓Uo：一個周期的平均值Uo表示直流電壓的大小。電阻性負(fù)載的平均電流為Io，即

(5-1)(5-2)2、單相橋式整流電路單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成。圖5-12單相橋式整流電路常用畫法簡化畫法(1)．整流原理

u2正半周，u2的實(shí)際極性為a正b負(fù)，二極管VD1和VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止，uo=u2。波形如圖5-13b中的0～π段。

u2的負(fù)半周，u2實(shí)際極性為a負(fù)b正，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3截止，uo=-u2。波形如圖5-13b中的π～2π段。圖5-13單相橋式整流波形(2)．負(fù)載電壓和電流全波整流電路的整流電壓的平均值Uo比半波整流增加一倍，即Io=0.9Uo=2×0.45U2=0.9U2(8-3)(8-4)(3)二極管承受的最高反向電壓由橋式整流電容濾波電路圖5-12可知，二極管承受的最高反向電壓UDM=U2。3應(yīng)用實(shí)例第二節(jié)晶體管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號1．結(jié)構(gòu)和符號晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-15a所示，分為NPN型管和PNP型管。為了收集發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的載流子以及便于散熱，要求集電結(jié)面積較大，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子的濃度比集電區(qū)大，因此使用時集電極與發(fā)射極不能互換。晶體管的圖形符號如圖5-14b所示，符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時的電流方向。圖5-15晶體管的結(jié)構(gòu)和圖形符號結(jié)構(gòu)圖形符號2．外形圖5-16幾種常見的晶體管的外形結(jié)構(gòu)1．晶體管的工作電壓圖5-17晶體管的工作電壓NPNPNP圖5-18晶體管電流的實(shí)驗(yàn)電路2．晶體管各個電極的電流分配實(shí)驗(yàn)電路如圖5-18所示。此電路稱為晶體管的共發(fā)射極放大電路。4.053.182.361.540.72<0.01/mA3.953.102.301.500.70<0.01/mA0.100.080.060.040.020/mA表5-1晶體管電流測量數(shù)據(jù)

從表5-1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以找出晶體管各極電流分配關(guān)系（5-5）3．晶體管的電流放大作用

從表5-1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出：>，而且當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP使有一微小變化時，會引起較大的變化，這表明基極電流（小電流）控制著集電極電流（大電流），所以晶體管是一個電流控制器件，這種現(xiàn)象稱為晶體管的電流放大作用。三、晶體管的特性曲線

1．輸入特性曲線圖5-19輸入特性曲線2.輸出特性曲線（圖5-20）（1）截止區(qū)發(fā)射結(jié)零偏或反偏，集電結(jié)也反向偏置。（2）放大區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。與成正比關(guān)系。（3）飽和區(qū)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。晶體管失去放大作用，處于“飽和”狀態(tài)。稱為晶體管的飽和壓降，此值很小，約為0.3V。

（4）擊穿區(qū)當(dāng)大于某一值后，開始劇增，這個現(xiàn)象稱為一次擊穿。一次擊穿過程是可逆的。晶體管具有“開關(guān)”和“放大”功能。工作電壓圖5-20輸出特性曲線四、晶體管的主要參數(shù)1．電流放大倍數(shù)（1）共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)靜態(tài)時與的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流放大倍數(shù)，即直流電流放大倍數(shù)（2）共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)（）動態(tài)時，Δ與的比值稱為動態(tài)電流放大倍數(shù)，即交流電流放大倍數(shù)估算時，。2．極間反向電流（1）集電極—基極反向飽和電流是晶體管的發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向漏電流，又叫反向飽和電流，小功率硅管的小于1μA，鍺管的約10μA。的測量電路如圖5-21a所示。（2）穿透電流為基極開路時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的穿透電流，它是的（1+）倍，即

而集電極電流為

的測量電路如圖5-21b所示。圖5-21極間反向電流的測量電路的測量電路的測量電路3．極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流，稱為。使用時，超過時晶體管并不一定會損壞，但值將降低。（2）集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓指基極開路時，加于集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓，一般為幾十伏至幾百伏以上。（3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓指集電極開路時，允許加在發(fā)射極－基極之間的最高反向電壓，一般為幾伏至幾十伏。（4）集電極最大允許功耗使用中應(yīng)使<允許管耗線，如圖5-22所示。圖5-22晶體管的安全工作區(qū)應(yīng)用實(shí)例如圖5-23所示的簡易路燈自動開關(guān)裝置。圖5-23簡易路燈自動開關(guān)電路一、對放大電路的要求（1）有一定的輸出功率（2）具有足夠的放大倍數(shù)（3）失真要?。?）工作要穩(wěn)定第三節(jié)單管基本放大電路1．電路組成及各元件的作用二、共射基本放大電路的工作原理圖5-24共發(fā)射極基本放大電路各元件的作用1）晶體管V放大電路的核心，起電流放大作用，反映晶體管的電流控制作用。2）直流電源使晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，確保晶體管工作在放大狀態(tài)。它又是整個放大電路的能量提供者。3)集電極電阻將晶體管的集電極電流變換成集電極電壓（）。4）基極偏置電阻決定靜態(tài)基極電流的大小。也稱偏置電流，故稱為偏置電阻。5）電容和（1）隔斷直流，使靜態(tài)工作點(diǎn)不受信號源和輸出端負(fù)載的影響；（2）傳送交流信號，電容量足夠大時，容抗很小，近似為短路，故稱為耦合電容。2、共射基本放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)放大器的工作狀態(tài)：靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)工作點(diǎn)Q：放大電路在靜態(tài)時，晶體管各極電壓和電流值（主要指、、）。靜態(tài)：無交流信號輸入時，電路中的電壓、電流都不變的狀態(tài)。結(jié)論：靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置是否合理，直接影響著放大電路的工作狀態(tài)，它的穩(wěn)定也影響著放大電路的穩(wěn)定性。靜態(tài)工作點(diǎn)對放大器的影響若設(shè)置較小，在輸入信號為負(fù)半周時，交流信號所產(chǎn)生的與直流量疊加后，很容易使晶體管進(jìn)入截止區(qū)而失去放大作用，如圖5-25b所示；若設(shè)置較大，在輸入信號為正半周時，與疊加后，使很大，很?。ù藭r集電結(jié)仍正偏），這樣很容易使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)而失去放大作用，如圖5-25d所示。當(dāng)工作點(diǎn)設(shè)置適當(dāng)時，將會得到如圖5-25c所示的波形。圖5-25靜態(tài)工作點(diǎn)對波形的影響a)輸入信號b)很小c)適當(dāng)d)很大圖5-26放大器的電壓、電流波形3共射基本放大電路的工作原理放大電路有輸入信號時的工作狀態(tài)稱為動態(tài).4、共射基本放大電路的估算分析法1．靜態(tài)分析靜態(tài)分析主要是確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，圖5-24所示的放大電路的直流通路如圖5-27所示。（5-6）（5-7）（5-8）（5-9）圖5-27直流通路2．動態(tài)分析

微變等效電路法又稱小信號分析法，它將晶體管在靜態(tài)工作點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，然后用一個線性模型來等效，如圖5-28d所示。動態(tài)分析主要確定放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等。有輸入信號時，晶體管的各個電流和電壓瞬時值都含有直流分量和交流分量，而放大，只考慮其中的交流分量。動態(tài)分析最基本的方法是微變等效電路法。圖5-28晶體管的微變等效電路（1）晶體管的微變等效電路微變等效電路法又稱小信號分析法，它將晶體管在靜態(tài)工作點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，然后用一個線性模型來等效，如圖5-28所示。當(dāng)為常數(shù)時式中，稱為晶體管的輸入電阻，在小信號工作條件下，是一個常數(shù)，因此晶體管的輸入電路可用來等效，如圖5-28d所示。由圖5-28b可以看出晶體管的輸入特性曲線是非線性的，但在輸入小信號時，選擇合適的Q點(diǎn)，則Q點(diǎn)附近的工作段可近似為直線。低頻小功率的可用下式估算(5-10)式中，稱為晶體管的輸入電阻()；、、分別是基極、集電極、發(fā)射極電流的靜態(tài)值(mA)。

圖5-28c所示是晶體管輸出特性曲線，在線性工作區(qū)是一組近似等距離平行的直線。為常數(shù)時（5-11）β值就是晶體管共射極電流放大系數(shù)。在小信號工作條件下，β是一個常數(shù)，它代表晶體管的電流控制作用，晶體管輸出回路用受控恒流源來代替，如圖5-28d所示。（2）放大電路的微變等效電路圖5-29a所示是放大電路的交流通路。把交流通路中的晶體管用其微變等效電路代替，即得到放大電路的微變等效電路，如圖5-29b所示。圖5-29共射基本放大電路的等效電路a）交流通路b）微變等效電路放大電路輸出電壓與輸入電壓的比值叫作電壓放大倍數(shù)，定義為(5-12)式中,負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓反相。如果電路中輸出端開路（=∞），則（3）交流參數(shù)的計算①電壓放大倍數(shù)放大電路對信號源（或前一級放大電路）而言，是一個負(fù)載，可以用一個動態(tài)電阻來等效，這個動態(tài)電阻就是放大電路的輸入電阻。其定義為∥(5-13)(5-14)一般>>②輸入電阻

輸出電阻越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)。

放大電路對負(fù)載（或后一級放大電路）而言，是一個信號源，其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻。它是一個動態(tài)電阻。在輸入信號短路（=0）和輸出端開路（=∞）的條件下，在輸出端加上電壓，若產(chǎn)生的電流為，則因?yàn)樗?

(5-15)故③輸出電阻三、分壓式偏置電路

基本共射極放大電路的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，電壓和電流放大作用都比較大，

缺點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定。

靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定原因：電源電壓波動、電路參數(shù)變化、晶體管老化等，但主要原因是晶體管特性參數(shù)（、β、）隨溫度變化造成的。

例如，當(dāng)溫度升高時，對于同樣的，輸出特性曲線將上移。嚴(yán)重時，將使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)而失去放大能力。實(shí)用的分壓式偏置電路如圖5-14。圖5-30分壓式偏置電路分壓偏置電路的特點(diǎn)（1）基極電位穩(wěn)定。一般很小，>>，，（2）工作點(diǎn)穩(wěn)定：利用發(fā)射極電阻來獲得反映電流變化的信號，反饋到輸入端，實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。其過程為(oC)↑→↑→↑→↓→↓→↓通常>>，所以發(fā)射極電流電路在圖5-30中，已知，，，，，晶體管，試計算：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)（2）輸入電阻、輸出電阻和電壓放大倍數(shù)。例5-2圖5-31直流通路（1）畫直流通路如圖5-31a所示。解電路（2）畫微變等效電路如圖5-31b，圖5-31微變等效電路電路四、射極輸出器圖5-32射極輸出器圖5-32是共集電極放大電路。該電路從發(fā)射極輸出信號，故又稱為射極輸出器。1．電路分析通過靜態(tài)分析得出:射極輸出器中的電阻同樣具有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用通過動態(tài)分析得出:＜13．射極輸出器的應(yīng)用（1）用于高輸入電阻的輸入級（2）用于低輸出電阻的輸出級（3）用于兩級共射放大電路之間的隔離級2．射極輸出器的特點(diǎn)①靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。②輸出電壓與輸入電壓同相且略小于輸入電壓，即電壓放大倍數(shù)略小于1。③輸入電阻高，可達(dá)幾十千歐到幾百千歐。④輸出電阻低，一般為幾歐至幾百歐。第四節(jié)多級放大器圖5-33用作音頻功放的多級放大器組成方框圖

一、級間耦合方式及特點(diǎn)1．阻容耦合圖5-34兩級阻容耦合放大器

特點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)相互沒有影響

優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕缺點(diǎn)：不能傳送直流信號，不適合傳送變化緩慢的信號2．直接耦合圖5-35兩級直接耦合方式

特點(diǎn)：既能放大交流信號，還能放大直流信號或變化緩慢的信號缺點(diǎn)：各級的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響，溫度造成的直流工作點(diǎn)的漂移會被逐級放大，溫漂較大。

圖5-36變壓器耦合方式

3．變壓器耦合方式優(yōu)點(diǎn)：阻抗、電壓和電流的變換

缺點(diǎn)：體積和重量都較大，高頻性能差、價格高，不能傳送變化緩慢的或直流信號。4．光電耦合

圖5-37光電耦合

特點(diǎn)：既可傳輸交流信號又可傳輸直流信號，既可實(shí)現(xiàn)前后級的電隔離，又便于集成化。二、多級放大器的分析1．電壓放大倍數(shù)多級放大器對被放大的信號而言，屬串聯(lián)關(guān)系。前一級的輸出信號就是后一級的輸入信號。設(shè)各級放大器放大倍數(shù)依次為、…、，所以多級放大器總的電壓放大倍數(shù)為各級電壓放大倍數(shù)之積，即（5-20）

式中，、…、為有負(fù)載時的電壓放大倍數(shù)，其負(fù)載為相應(yīng)后級的輸入電阻，則視具體電路而定。電壓放大倍數(shù)在工程中常用對數(shù)形式來表示，稱為電壓增益，用字母表