模拟电子线路(模电)二极管和三极管.ppt

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1、电子线路（模拟电子技术基础）张朋15335198029A3-303,开头的话,告别了冰天雪地的严寒，回到花香鸟语的校园，电子世界无穷奥秘等待我们去探索，国家期盼开创性人才大量涌现。金城学子，以天下为己任，想国家之所急。努力掌握电子技术，为人民立新功。金城金城，金戈铁马，众志成城。,一、课程性质,电类专业三大硬件技术基础课之一！,电路理论、数字电路、模拟电路,考研专业课之一,在本课程中我们将学习1电子器件 二极管 器件的特性、管子 晶体管 参数、等效电路 场效应管（熟悉）,2、电子电路 晶体管放大器 电路组成 放大电路 场效应管放大器 工作原理 集成运算放大器 性能特性 功率放大器 基本分析方法

2、 负反馈在放大电路中的应用 工程计算方法 比较电路，振荡电路 放大器的频率响应（要求掌握）,总结：管为路用 以路为主 管路结合,二、课程作用（Why）,1、电子线路用在各行各业：航空电子、消费电子、医疗电子例：压力温度测控系统（火电厂、炼钢炉、空调、热水器),设计硬件电路的基础,传感器,压力1,压力2,温度1,温度2,.,.,放大滤波叠加组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,驱动电路,.,.,驱动电路,驱动电路,驱动电路,传感器,传感器,传感器,执行机构,执行机构,执行机构,执行机构,放大滤波叠加组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,2、电子信息类与控制类专业的特长,就

3、业缺口：缺乏硬件高级设计人才学生弱点：软件强 硬件弱,成为硬件电路设计人才 学好模电、数电、单片机、DSP等。初步具备“看、算、选、干”能力,1、本课程研究内容：各种半导体器件的性能、电路及应用,三、学什么？（What）,（1）按处理信号：1)模拟(A)2)数字(D)（2）按信号频率：1)高频 2)中频 3)低频,2、具体研究对象：,系统,电路,器件,细化,细化,模拟信号与数字信号比较表,1、抓特点,1）规律性2）非线性3）工程性,基本电子电路组成具有规律性,半导体器件具有非线性，需进行线性等效,即近似或忽略次要因素，抓主要矛盾,3、勤于实践，重视理论联系实际 进入硬、软件(EDA)实验室；参

4、加电子竞赛；阅读相关杂志；进行电子小制作.,2、抓“三基”基本概念、基本原理、基本分析方法,目标：精讲多练，能够设计中小型实用电路。,四、怎么学？（How）,4、学会估算,例：I=20/（1+0.9）=10.5 mA 若把 1K/10K=1K 则 I=20/2K=10 mA 仅差5%而采用一般电阻元件其误差有10%即1K的元件可能是1.1K或900,怎样学好这门课？多思考，勤练习。,很重要的专业技术基础课，有点难。一课不拉，凡缺课在下次课前及时补上。笔记本-记课堂内容教材中找不到的；参考书-好的解题方法,电子小制作。期末考试成绩70%，平时成绩30%。平时成绩=考试成绩+课堂成绩 课堂成绩-基

5、本答对者，10分/次；基本不会者，0分；旷课者，-10分；扰乱秩序者，-10分。考试成绩 50-59，上报及格。鼓励抢答，参与竞争。上课时手机请拨到静音。,参考书：1，现代电子技术基础（模拟部分）解题指南王成华邵杰编著北京航空航天大学出版社28.00元,2，有志于考研同学最好借到考研学校所用的相应教材和习题集。,电子技术的水平是国家国力强弱标志之一。学习，改变命运 学习，成就未来,第一章 半导体器件基础,1.1 半导体的基本知识,1.2 半导体二极管,1.3 半导体三极管,1.1 半导体的基本知识,在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分导体、绝缘体和半导体。,半导体材料的两个特性：（1

6、）温度升高或受到光照后，其导电能力会明显提高。-热敏性，光敏性（2）在纯净的半导体材料中掺入微量杂质后，其导电能力会显著提高。-掺杂特性,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge），它们都是4价元素。,1.1 半导体的基本知识,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=00K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,一、本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。,1.1 半导体的基本知识,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，

7、有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,1.1 半导体的基本知识,可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,电子空穴对,1.1 半导体的基本知识,自由电子 带负电荷 逆电场运动 电子流,空穴 带正电荷 顺电场运动 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制：,两种载流子：自由电子和空穴,空穴的运动：一个空穴

8、运动是大量价电子集体运动的结果。,1.1 半导体的基本知识,二、杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷、砷等，称为N型半导体。,1.N型半导体,1.1 半导体的基本知识,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对（本征激发产生）,1.1 半导体的基本知识,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对（本征激发产生）,2.P型半导体,1.1 半导体的基本知识,杂质半导体的示意图

9、,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度本征激发产生，与温度有关；,多子浓度掺杂产生，与掺杂浓度有关，与温度无关。,1.1 半导体的基本知识,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,三、PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,1.1 半导体的基本知识,当扩散 漂移,1.1 半导体的基本知识,2.PN结的单向导电性,(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,1.1 半导体的基

10、本知识,(2)加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,1.1 半导体的基本知识,归纳：PN结加正向电压时，外电场消弱内电场，耗尽层变窄，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通；PN结加反向电压时，外电场加强内电场，耗尽层变宽，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,1.1 半导体的基本知识,PN结三种状态 当扩

11、散=漂移，动态平衡，形成PN结。扩散运动到对方区域载流子越多，耗尽层越宽，电场强度越大，对扩散运动阻力越大。当外加正向电压，外电场削弱内电场，电场强度减小，扩散运动到对方区域载流子减少，耗尽层宽度减小，对扩散运动阻力减小，扩散大于漂移，导通。当外加反向电压，外电场加强内电场，电场强度增大，扩散运动到对方区域载流子增多，耗尽层宽度增大，对扩散运动阻力增大，扩散小于漂移，截止。,半导体二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 m

12、V。,第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。,(1)正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.50.8V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.20.3 V左右。,当0VVth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。,正向区分为两段：,当V Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。,(2)反向特性,硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡

13、比较圆滑，反向饱和电流较大。,若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时,则主要是齐纳击穿。,(3)反向击穿特性,PN结的电容效应(1)势垒电容CB,由空间电荷区的离子薄层形成。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,（2）扩散电容CD,当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,1.1 半导体的基本知识,PN结电容,PN结反偏时，CB CD，则 Cj CB,PN结总电容：Cj=CB+C

14、D,PN结正偏时，CD CB，则 Cj CD,故：PN结正偏时，以CD为主。,故：PN结反偏时，以CB为主。,通常：CD 几十PF 几千PF。,通常：CB 几PF 几十PF。,1.2 半导体二极管,二极管=PN结+管壳+引线,结构,符号,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,1.2 半导体二极管,1.2 半导体二极管,部分二极管的外形,万用表简易测试二极管示意图(a)电阻小；(b)电阻大,二极管的简易测试 将万用表置于R100或R1k()挡（R1挡电流太大,用R10k()挡电压太高,都易损坏管子）。,二极管使用注意事项 二极管使用时，应注意以下事项：(1)二极

15、管应按照用途、参数及使用环境选择。(2)使用二极管时,正、负极不可接反。通过二极管的电流,承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。(3)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替。(4)二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm,以免造成引线折断或外壳破裂。,一、半导体二极管的VA特性曲线,硅：0.5 V 锗：0.1 V,(1)正向特性,导通压降,(2)反向特性,死区电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,1.2 半导体二极管,二、二极管的主要参数,(1)最大整流电流IF,二极管长期连续工作时，允许通过的最大整流电流的平均值。,(2)反向击穿电压UBR,二极管反向电流急剧

16、增加时对应的反向电压值,(3)反向电流IR,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,1.2 半导体二极管,(4)动态电阻rd,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。rd与工作电流的大小有关,二极管的模型,串联电压源模型,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,理想二极管模型,正偏,反偏,1.2 半导体二极管,小信号电路模型,：为二极管增量结电阻。,（室温）,：PN结串联电阻，数值很小。,Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。,注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时，Cj容抗很小，PN结单向导电性

17、会因Cj的交流旁 路作用而变差。,简化分析法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化 电路模型替代，然后分析求解。,（1）估算法,判断二极管是导通还是截止？,假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。,理想二极管：若V0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,例：设二极管是理想的，求VAO值。,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2=6 12=18 0V，,解：,故D截止。,V

18、AO=12V。,图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：,VD1=V2 0=9V 0V，,VD2=V2(V1)=15V 0V,由于VD2 VD1，则D2优先导通。,此时VD1=6V 0V，,故D1截止。,VAO=V1=6V。,（2）画输出信号波形方法,根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出vO与vI关系 画输出信号波形。,例：设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画vO波形。,解：,vi 2V时，D导通，则vO=vi,vi 2V时，D截止，则vO=2V,由此可画出vO的波形。,二极管电路的近似计算,例：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极管模型,相对误差

19、,0.7V,1.2 半导体二极管,例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。（1）若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo,解：（1）采用理想模型分析。,0V,4V,2V,1.2 半导体二极管,采用理想二极管串联电压源模型分析。,0V,4V,2V,1.2 半导体二极管,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管模型分析。,2V,1.2 半导体二极管,采用理想二极管串联电压源模型分析。,2V,1.2 半导体二极

20、管,解题思路 二极管在外加正偏电压电压时导通，外加反偏电压时截止。正偏时硅管导通压降为0.60.8v,锗管导通压降为0.20.3v,理想情况分析时正向导通压降为0,相当于短路。反偏时由于反向电流很小，理想情况下认为截止电阻无穷大，相当于开路。,解题思路 分析二极管在电路中工作状态的基本方法为“开路法”，即，先假设二极管所在支路断开，然后计算二极管阳极与阴极的电位差。若该电位差使二极管正偏且大于二极管导通压降，该二极管导通，其两端电压为二极管导通压降。若该电位差使二极管反偏或虽正偏但小于导通压降，该二极管截止。,例：已知US1=6V，us2=0.2sin3140t V，R=1 k，二极管为硅管。

21、求流过二极管的电流 iD。,解：,1.求 ID,2.求 id,3.求 iD,2.限幅电路,Vi VR时，二极管导通，vo=vi。（红色为输入信号，蓝色为输出信号。）,Vi VR时，二极管截止，vo=VR。,例：理想二极管电路中 vi=Vm sint V，求输出波形v0。,解：,例：二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 v i,二极管的VD 为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi 3.6V时，二极管截止，vo=Vi。,例：电路如图所示，设二极管为理想的，若Vi=6sint(v),E=3V,试画出输出VO的波形。,正半周：D1、D3 导通D2、D

22、4 截止,负半周D2、D4导通D1、D3截止,例：求整流电路的输出波形。,解：,例：理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形v0。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2ViV1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。,由此，电路实现双向限幅功能。其中：V1为上限幅电平，V2为下限幅电平。,例：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,解：VI25V，D1、D2均截止。,VI 25V，D1导通，D2截止。,VI137.5V，D1、D2均导通。,VO=25V,VO=100V,137.5,例：画出理想二极管电路的传输特性（VoV

23、I）。,当VI0时D1导通D2截止,当VI0时D1截止D2导通,例：判别二极管是导通还是截止。,+9V-,+1V-,+2.5V-,+12.5V-,+14V-,+1V-,截止,截止,解：,导通,例：已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交。,解：,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,例：求vI1和vI2不同值组合时的v0值

24、（二极管为理想模型）。,解：,3.开关电路,解题思路 如果电路中存在两个以上二极管，由于每个二极管开路时的电位差不等，以正向电压较大者优先导通，其两端电压为二极管导通压降。然后再用开路法判断其余二极管工作状态。一般情况下，电路中有多个二极管时，对于阴极连在一起的电路，只有阳极电位最高的处于导通状态；对于阳极连在一起的二极管，只有阴极电位最低的可能导通。,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,四、稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿,UZ,1.2 半导体二极管,稳压二

25、极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,稳压管的稳压过程,RL,Io,IR,Vo,IZ,IR,Vo,分析思路：电压变化时，稳压管电流变化 与负载电阻电流变化相反，且远远大于电阻上电流变化，使输出电压稳定。,稳压管电路分析思路 稳压管的工作是利用二极管在反偏电压较高而使二极管击穿时，在一定的工作电流限制下，二极管两端电压几乎不变，其电压值即为稳压管的稳定电压Uz。而稳压管如果外加正偏电压时，仍处于导通状态。特点：*正向特性与普通二极相同*反向击穿特性较陡*反

26、向击穿电压 几 几十V，在允许范围内为电击穿,稳压二极管的主要参数,(1)稳定电压UZ,(2)动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3)最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(4)最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,1.2 半导体二极管,(5)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当UZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当UZ4 V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VUZ

27、7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,三、使用注意事项,1.稳压时必须反向偏置；2.必须串接限流电阻，以保证 IZ I IZM。3.反向击穿电压较普通二极管小，几 几十V。串联使用时稳压值为各管稳压值之和；不能并联使用，以免因电流分配不均引起过载使管子损坏。,例 已知 UZ1=8 V，UZ2=6 V，ui=12sin t V，画uO波形。,解,ui 正半波，DZ1反偏，DZ2正偏当ui UZ1+UF2=8.7 V时，DZ1反向击穿，DZ2正向导通,ui 负半波，DZ1正偏，DZ2反偏当|ui|UF1+UZ2=6.7 V时，DZ2反向击穿，DZ1正向

28、导通,【例】图中，已知稳压二极管的,，,，,时,求Uo,稳压二极管的正向导通压降,。当,解 当,，,反向击穿稳压,，,正向导通，,；,同理，,例：电路如图所示，其中DZ1的稳定电压为8V，DZ2的稳定电压为10V，它们的正向压降为0.7V，则输出电压为（）A:18V B:2V C:8.7V D:10.7V,C,例：已知：Vz的Uz=10V，Pz=1W,Izmin=2mA，R=100，RL=250，试求ui允许变化的范围。,解:Vz管允许的最大电流为：,ui 最大值 Uimax 应满足：,即：,解得：,而ui得最小值Uimin应满足：,即：,解得：,故：,例:右图是一个为汽车收音机提供UL=9V

29、电压的等效电路，稳压电路的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压在11到13.6V 之间变化。收音机的电流介于0(关掉)到100mA(最大音量)之间。确定稳压管的最大功耗和电阻R的值。,解：当收音机关闭时，稳压管上有最大电流，而当收音机音量最大时，稳压管上有最小电流，无论属于哪种情况，稳压管都必须处于稳压状态，即在选择稳压管时，要保证两种情况下稳压管上的电流都满足稳压的要求。当电源电压最小，而收音机处于最大音量时，稳压管上的电流最小，因此有,当电源电压最大，而收音机关闭时，稳压管上的电流最大，因此有,作为设计的最低要求，可以设稳压管的最小电流是最大电流的1/10，即Izmin=0.1Izmax，可得,

30、将Izmax300mA代入上式得,稳压管的最大功耗为,W,可确定稳压管的型号和电阻的阻值，从而设计出所需的稳压本例题的主要目的是提供一个设计稳压电路的方案，根据计算结果电路。,变容二极管,符号,工作条件：反向偏置,特性,特点：*反偏时，势垒电容随外加电 压升高而降低，可作为压控 可变电容。*电容量较小，几十几百pF。*最大与最小电容比为5:1。用途：*高频电路中自动调谐、调频、调相等。,光电器件,一、光电(光敏)二极管,1符号和特性,工作条件：反向偏置,2.结构和工作原理,玻璃透镜,管芯,管壳,电极引线,无光照时，暗电流小，反向电阻高达几十兆欧。,光照时，产生光生载流子从而形成光电流，光电流随

31、光照强弱变化，反向电阻降为几千欧 几十千欧。,二、发光二极管 LED(Light Emitting Diode),1.符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十 mA，导通电压(1 2)V,2.主要参数,电学参数：I FM，U(BR)，IR,光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量,发光类型：,可见光：红、黄、绿,不可见光：红外光,符号,特性,材料：砷化镓，磷化镓 等,显示类型:,普通 LED,七段 LED,点阵 LED,3.特点,体积小、发光均匀稳定、亮度较高、响应快、寿命长工作电压低（1.5 3 V），工作电流小(10 30 mA),4.应用,显示、光电传输系统、与光电管构成光电耦合

32、器件,发射电路,接收电路,光缆,5.驱动电路,直流驱动电路,交流驱动电路,限流电阻的选择：,1.设定工作电压：如 2 V（LED正向电压 1 2.5 V）,2.设定工作电流：如 10 mA（10 30 mA),3.根据欧姆定律求电阻：R=(UC UF)/IF,(R 要选择标称值),普通二极管、稳压管限流电阻的选择也参照此法,练习：1，判断二极管工作状态的方法？,2，PN结加反向电压时，空间电荷区将。变宽,3，已知稳压管的稳压值VZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。图示电路中，VO1为 伏，VO2为 伏。,6V，5V,4，电路如图（a）、（b）所示，稳压管的稳定电压UZ3V，R的取值合适，

33、vi的波形如图（c）所示。试分别画出vO1和vO2的波形。,(c),5，当PN结外加正向电压时，扩散电流（）漂移电流，耗尽层会变（）；当外加反向电压时，扩散电流（）漂 移电流，耗尽层会变（）。大于 窄 小于 宽,1.3 半导体三极管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。,一、BJT的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。,1.3 半导体三极管,二

34、、BJT的内部工作原理（NPN管）,若在放大工作状态：发射结正偏：,+UCE,UBE,集电结反偏：,由VBB、Rb保证,由VCC、RC保证,1.外部条件 三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,0V,0.7V,0.7V,1.3 半导体三极管,2BJT内部的载流子传输过程,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。发射极电流I E I EN。,（2）发射区的电子注入基区后，少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。基极电流I B I BN。大部分到达了集电区的边缘。,1.3 半导体三极管,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边

35、缘的电子，形成电流ICN。,1.3 半导体三极管,3电流分配关系,IE=IC+IB,定义：,（1）IC与I E之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,三个电极上的电流关系:,1.3 半导体三极管,（2）IC与I B之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,1.3 半导体三极管,1.4.3 三极管的特性曲线（共发射极接法）,（1）输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const,1.3 半导体三极管,VCE=0V：,类似二极管伏安特性。,VCE增加：,正向特性曲线略右移。,由于VCE=VCB+VBE,WB,注：VCE 1V后，曲线移动可忽略不计。,因此当VBE一定时

36、：,VCEVCB,复合机会 IB 曲线右移。,（2）输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=const,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2）uCE Ic。,（3）当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,现以iB=60uA一条加以说明。,1.3 半导体三极管,输出特性曲线,饱和区（VBE 0.7V，VCE0.3V）,特点：,条件：,发射结正偏，集电结正偏。,IC不受IB控制，而受VCE影响。,VCE略增，IC显著增加。,输出特性曲线可划分为四个区域：,

37、饱和区、放大区、截止区、击穿区。,放大区（VBE 0.7V，VCE0.3V）,特点,条件,说明,在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的,修正方程：,基宽WB越小调制效应对IC影响越大则VA越小。,考虑上述因素，IB等量增加时，,输出曲线不再等间隔平行上移。,截止区（VBE 0.5V，VCE 0.3V）,特点：,条件：,发射结反偏，集电结反偏。,IC 0，IB 0,严格说，截止区应是IE=0即IB=-ICBO以下的区域。,因为IB 在0-ICBO时，仍满足,击穿区,特点：,VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。,集电结反向击穿电压，随IB的增大而减小。,注意：,IB=0时，击穿

38、电压为V(BR)CEO,IE=0时，击穿电压为V(BR)CBO,V(BR)CBO V(BR)CEO,三极管安全工作区,最大允许集电极电流ICM,（若ICICM 造成）,反向击穿电压V(BR)CEO,（若VCEV(BR)CEO 管子击穿）,VCEV(BR)CEO,最大允许集电极耗散功率PCM,（PC=IC VCE，若PC PCM 烧管）,PCPCM,IC ICM,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有

39、：,饱和区,放大区,截止区,小结：输出特性曲线可以分为三个区域:,1.3 半导体三极管,四、BJT的主要参数,（2）共基极电流放大系数：,一般取20100之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,1.电流放大系数,1.3 半导体三极管,观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从那个电极取出，其中共用的电极即为组态形式。,三极管的三种连接方式三种组态,（共发射极）,（共基极）,（共集电极）,放大电路的组态是针对交流信号而言的。,共基极直流电流传输方程,直流电流传输系数：,直流电流传输方程：,共发射极直流电流传输方程,直流电流传输方程：,其中：,若忽略ICBO，则：,（2）集电极发射极间的

40、穿透电流ICEO基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流。其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：I CBO为微安数量级，硅管：I CBO为纳安数量级。,2.极间反向电流,1.3 半导体三极管,三极管参数的温度特性,温度每升高1C，/增大（0.5 1）%，即：,温度每升高1 C，VBE(on)减小（2 2.5）mV,即：,温度每升高10 C，ICBO 增大一倍，即：,3.极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电

41、结时所产生的功耗，,PCM,PC=ICUCE PCM,Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,1.3 半导体三极管,（3）反向击穿电压,U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。,U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：,1.3 半导体三极管,半导体三极管的型号,

42、第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,1.3 半导体三极管,1.3 半导体三极管,部分三极管的外形,三极管基极的测试,NPN:Rbe小，Rbc小,三极管集电极、发射极的判别,基极开路，Rce大,Iceo小基极接电阻，Rce小，大,PNP,NPN,判断硅管和锗管的电路,一般常温下,锗管正向压降为0.20.3V,硅管的正向压降为0.60.7V。由电压表的测量读数大小确定是硅管还是锗管。,1.4 三极管的模型及分析方法,UD=0.7V,

43、UCES=0.3V,iB0 iC0,一.三极管的模型,1.3 半导体三极管,直流模型,1.3 半导体三极管,2.晶体管工作状态分析,通过分析电路的直流电流关系来判断晶体管是放大、饱和还是截止状态,工程近似法-估算法,即利用直流通路，计算静态工作点。直流通路是指输入信号为零，耦合及旁路电容开路时对应的电路。,分析步骤：,确定三极管工作模式。,用相应简化电路模型替代三极管。,分析电路直流工作点。,只要VBE 0.5V（结反偏）,截止模式,假定放大模式，估算VCE:,若VE 0.3V,放大模式,若VE0.3V,饱和模式,例：测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。,放大VcVbVe,放大

44、VcVbVe,发射结和集电结均为反偏。,发射结和集电结均为正偏。,例：测得VB=4.5 V、VE=3.8 V、VC=8 V，试判断三极管的工作状态。,放大,例 已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30，试 判断三极管工作状态，并计算VC。,解：,假设T工作在放大模式,因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在放大模式。,VC=VCEQ=4.41V,例 若将上例电路中的电阻RB 改为10k，试重新 判断三极管工作状态，并计算VC。,解：,假设T工作在放大模式,因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在饱和模式。,例 已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=

45、30，试 判断三极管工作状态，并计算VC。,解：,所以三极管工作在截止模式。,VBE(on),三极管电极判别分析思路 工作在放大电路中的三极管应满足发射结正偏，集电结反偏的条件。1，由PN结正偏特性可知，正偏时PN结电压不会太大。一般硅管的|UBE|=0.50.7V，锗管的|UBE|=0.10.3V。所以首先找出电位差在0.10.7V的两个电极，且其必定为发射极和基极。余下的一个电位差较大者必为集电极。硅管锗管亦可定下。,三极管电极判别分析思路 2，由集电极必须反偏特性可知，若集电极电位最高，则该管必为NPN型三极管，发射极电位必定最低。若集电极电位最低，则该管必为PNP型三极管，发射极电位必

46、定最高。由此可确定发射极。而电位值处于中间者必定为基极。,三极管状态分析思路 三极管工作于不同区域，具有不同的偏置特性。放大区，发射结正偏，集电结反偏；饱和区，发射结正偏，集电结正偏或零偏；截止区，发射极反偏或正偏小于开启电压，集电结反偏。,三极管状态分析思路 三极管在发射结正偏时，可能工作在放大区和饱和区，如何界定？截止区：IB=0,IC=IE=0,UCE=VCC放大区：IC=IB,UCE=VCC-ICRC IB IC UCE IBICUCE 当UCE降到UCES=0.3V,IC到达最大值，ICS=(VCC-UCES)/RC,IB增大，IC不再随之增大，进入饱和区。IBS=ICS/。,三极管

47、状态分析思路 三极管在发射结正偏时，可能工作在放大区和饱和区，如何界定？取决于基极电流是否超过基极临界饱和电流IBS。若IB IBS，则三极管工作于饱和区；若IB IBS，则三极管工作于放大区，且IC=IB。若三极管发射结反偏或零偏，则该管一定工作在截止区。,1、温度升高，在本征半导体中自由电子数增多，而空穴数目不变。(X)2、某三极管三个电极的电位分别为：VA=1V，VB=11.3V、VC=12V，则三极管对应的电极是：A为(集电极)、B为(基极)、C为(发射极)极。晶体管属(PNP)型三极管。3、P型半导体的多数载流子是空穴，因此P型半导体带正电。(X)4,在本征半导体中掺杂三价元素则成为

48、_半导体，掺杂五价元素则成为_半导体。P、N5,已知某NPN型锗三极管，各极电位为：VC=10V，VB=5.2V，VE=5V，则该三极管工作在_区。放大区6 在本征半导体中掺入一定的几价元素，可以构成P型半导体（A）。A、3价 B、4价 C、5价,1.两个稳压二极管，将它们组成图示电路，设输入电压 Ui值是20V，则输出电压Uo=()。A.9V B.7V C.7.7V D.9.7VB2.已知二极管为理想器件。若输入电压ui=5sint V，画出输出电压uo的波形，并说明二极管状态和输出电压值。-5ui-2v，D1导通D2截止 Uo=-2v；-2ui2v，D1截止D2截止 Uo=ui 2ui5v

49、，D1截止D2导通 Uo=2V,1.二极管中电流_；晶体管中E-C之间的电流_。A.穿过两个PN结 B.穿过一个PN结2.双极型晶体管电流由_ 组成，而场效应晶体管的电流由_ 组成，因此双极型晶体管的电流受温度的影响比场效应晶体管_。A.多子 B.少子 C.两种载流子 D.大 E.小 3.稳压管实现稳压应工作在 区。C A.正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 D，无法判断4.三极管有哪些电极、哪些区、哪些结?5在N型半导体中掺入足量的三价元素，可将其改为P型半导体。（）6因为N型半导体的多子是电子，所以它带负电。（）7稳压管不具备普通二极管正向导通、反向截止的特性。（）8三极管临界饱和时集电

50、极电位和基极电位相等。（）,电路如图（a）、（b）所示，稳压管的稳定电压UZ3V，R的取值合适，vi的波形如图（c）所示。试分别画出vO1和vO2的波形。,对于图（a）所示的电路，当 时，稳压管DZ反向击穿，vovi 3V，当 时，稳压管DZ未击穿，vo0V。对于图b所示的电路，当 时，稳压管DZ反向击穿，voVZ，当 时，稳压管DZ未击穿，vovi。,1、晶体管放大电路中，测得晶体管的各极电位如图所示：（1）标出管子的三个电极e,b,c；（2）判断是NPN管还是PNP管，硅管还是锗管。2,在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于_，而少数载流子的浓度则与_有很大的关系。A.温度 B.杂质浓