半导体器件及其应用电路.ppt

第10章 半导体器件及其应用电路,10.1 半导体及二极管特性 10.2 二极管应用电路 10.3 二极管的选用与代换 10.4 半导体三极管的特性 10.5 三极管放大电路 10.6 场效应管 10.7 晶闸管及其应用电路,本章内容提要 重点： （1）二极管的单向导电性； （2）三极管的三种工作状态； （3）绝缘栅型场效应管的测试方法； （4）晶闸管的伏安特性； 难点： （1）整流电路的特点及应用； （6）放大器的静态分析及动态分析； （7）晶闸管的整流、逆变和调压等大功率电子应用电路。,10.1 半导体及二极管特性 一、半导体 本证半导体 （1）定义：纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。 （2）特性：热敏性、光敏性和掺杂型。 2. 杂质半导体 （1）N型半导体 在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），由于磷原子最外层的5个价电子中有4个与相邻硅原子组成共价键，多余一个价电子受磷原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子，而磷原子本身因失去电子成为不能移动的杂质正离子。所以在这种半导体中，自由电子数远超过空穴数，它是以电子导电为主的杂质型半导体，因为电子带负电（negative electricity），所以称为N型半导体。,（2）P型半导体 在本征硅中掺入三价元素硼（B），由于硼有三个价电子，每个硼原子与相邻的4个硅原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。这种半导体的空穴数远大于自由电子数，它是以空穴导电为主的杂质型半导体，因为空穴带正电（positive electricity），所以称为P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。杂质离子带负电。,注意：不论N型还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但它们都是电中性的，对外不显电性。以后，为简单起见，通常只画出正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体。 小结：掺入杂质后，实现了导电性能的可控性。杂质半导体的奇妙之处在于，只要掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体采用不同的方式组合，就可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。,3. PN结 如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。 （1）PN结的形成 将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界面就出现了电子和空穴的浓度差。P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散，如图10-1（a）所示。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区，如图10-1（b）所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。,一方面，随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽使内电场增强；另一方面，内电场又将阻止多子的扩散运动，促进少子的漂移运动，而少子的漂移运动方向正好与多子扩散运动的方向相反。电场力越大，漂移运动越强。最后，漂移运动与扩散运动达到动态平衡，使空间电荷区的载流子耗尽，成为耗尽层，这个耗尽层（空间电荷区）就是PN结。,（2）PN结的单向导电性 若在PN结上加以正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，称PN结处于正向偏置状态，简称正偏。这时外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，空间电荷区变窄，正向电流I较大，PN结在正向偏置时呈现较小电阻，PN结变为导通状态。 若在PN结上加以反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，称PN结处于反向偏置状态，简称反偏。这时外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，内电场增强，因而有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。由于电源的作用，少子的漂移形成了反向电流IS。,结论：综上所述，PN结正偏时导通，表现出的正向电阻很小，正向电流I较大；反偏时截止，表现出的反向电阻很大，正向电流几乎为零，只有很小的反向饱和电流IS。这就是PN结最重要的特性单向导电性。二极管、三极管及其他各种半导体器件的工作特性，都是以PN结的单向导电性为基础的。,二、半导体二极管 基本结构 在PN结的两端引出两个电极并将其封装在金属 或塑料管壳内，就构成二极管（Diode）。二极管通 常由管芯、管壳和电极三部分组成，管壳起保护管芯 的作用，如图10-3所示。从P区引出的电极称为正极 或阳极，从N区引出的电极称为负极或阴极。二极管 的外形图和电路符号如图10-4所示。二极管一般用字 母D表示。,2. 伏安特性 （1）正向特性 二极管两端不加电压时，其电流为零，故特性曲线从坐标原点开始，如图10-5（a）。当外加正向电压时，若正向电压小于死区的开启电压Uon，此时，外电场不足以克服内电场，多数载流子的扩散运动仍受较大阻碍，二极管的正向电流很小。硅管的Uon约为0.5 V，锗管约为0.2 V。当正向电压超过Uon后，内电场被大大削弱，电流将随正向电压的增大按指数规律增大，二极管呈现出很小的电阻。硅管的正向导通电压为0.60.8V（常取0.7V），锗管为0.10.3V。,（2）反向特性 反向电压增大时，反向电流随着稍有增加，当反向电压大到一定程度时，反向电流将基本不变，即达到饱和，因而称该反向电流为反向饱和电流，用IS表示。通常硅管的IS可达10-9A数量级，锗管为10-6A数量级。反向饱和电流越小，管子的单向导电性越好。 当反向电压增大到图中的UBR时，在外部强电场作用下，少子的数目会急剧增加，因而使得反向电流急剧增大。这种现象称为反向击穿，电压UBR称为反向击穿电压。各类二极管的反向击穿电压大小不同，通常为几十到几百伏，最高可达300伏以上。PN结被击穿后，常因温度过高、功耗过大而造成永久性的损坏。,前面已指出，半导体中少子的浓度受温度影响，因而二极管的伏安特性对温度很敏感。当温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。如图10-5（b）所示。 注意：有时为了分析方便，将二极管理想化，忽略其正向导通电压和反向饱和电流，于是得到图10-6所示理想二极管的伏安特性。对于理想二极管，认为正偏导通时相当于开关闭合，反偏截止时相当于开关断开。,3. 主要参数 每种半导体器件都有一系列表示其性能特点的参数，并汇集成器件手册，供使用者查找选择。半导体二极管的主要参数有： （1）最大整流电流IF 指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。 （2）最高反向工作电压UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。,（3）反向电流IR IR是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此时，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。 （4）最高工作频率fM 由于PN结存在结电容，它的存在限制了二极管的工作频率，因此如果通过二极管的信号频率超过管子的最高工作频率fM，则结电容的容抗变小，高频电流将直接从结电容上通过，管子的单向导电性变差。,10.2 二极管应用电路,一、二极管整流电路 1. 单向半波整流电路 图10-7（a）所示为单相半波整流电路，它是最简单的整流电路，由变压器、二极管和负载电阻组成。u1是变压器初级线圈的输入电压，即市电电压， u2是变压器次级的输出电压（也称副边电压）。一般设二极管整流电路,2. 单向桥式全波整流电路 半波整流电路虽然简单，但它只利用了电源的半个周期，整流输出电压低，脉动幅度较大且变压器利用率低。为了克服这些缺点，可以采用全波整流电路，如图10-8（a）所示。电路中采用了D1D4四只二极管，并且接成电桥形式，因此得名。,3. 倍压整流电路 在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流电路可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，经倍压整流出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电容是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。图10-9所示为二倍压整流电路，由变压器、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。,4. 整流电路的主要参数 （1）输出电压的平均值Uo（AV） 输出直流电压Uo（AV）是整流电路的输出电压瞬时值uo在一个周期内的平均值，即 （2）脉动系数S 输出电压的脉动系数S表示输出电压的脉动程度，定义为输出电压基波的最大值Uo1m与其平均值Uo（AV）之比。,（3）二极管正向平均电流ID（AV） 在桥式整流电路中，二极管D1、D2和D3、D4轮流导通，由图10-8（d）所示波形图可以看出，每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即 （4）二极管最大反向峰值电压URM 每个整流管的最大反向峰值电压URM是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。由图10-8（d）波形容易看出，整流二极管承受的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值，即,二、稳压二极管应用电路 1. 稳压二极管特性及参数 由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流的变化量I较大时，管子两端相应的电压变化量U却很小，说明其具有“稳压”特性。利用这种特性可以做成稳压管。稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。只要击穿后的反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿损坏。为此，必须在电路中串接一个限流电阻。稳压管的伏安特性和外形图、电路符号分别如图10-14（a）和（b）所示。,稳压管的主要参数如下： （1）稳定电压UZ 当稳压管反向击穿，且使流过的电流为规定的测试电流时，稳压管两端的电压值即为稳定电压UZ。对于同一种型号的稳压管，UZ有一定的分散性，因此一般都给出其范围。例如型号为2CW14的稳压管的UZ为6V7.5V，但对于某一只稳压管，UZ为一个确定值。 （2）稳定电流IZ 稳定电流IZ是保证稳压管正常稳压的最小工作电流，电流低于此值时稳压效果不好。IZ一般为毫安数量级。如5 mA或10 mA。 此外，还有最大耗散功率PZM、最大稳定电流IZM、动态电阻rZ和稳定电压的温度系数a等参数。,2. 稳压二极管的应用 （1）稳压电路 图10-15所示是稳压管Dz和限流电阻R组成的稳压电路，R的作用是使流过稳压管的电流不超过允许值，同时它与稳压管配合起稳压作用。图中Ui是稳压电路的输入电压，Uo是输出电压。 稳压管稳压电路结构简单，稳压效果较好。但由于该电路是靠稳压管的电流调节作用来实现稳压的，因而其电流调节范围有限。只适用于负载电流较小且变化不大的场合。,（2）电弧抑制电路 电弧抑制电路如图10-16所示。在电感线圈L上并联接入一只合适击穿电压的稳压二极管DZ（也可接入一只普通二极管，其原理一样），当线圈由导通状态转为分断状态时，由于其电磁能释放所产生的电压就被与线圈并联的二极管吸收，所以当开关S断开时，开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多，如一些大功率的电磁吸合控制电路。,（3）浪涌保护电路 稳压二极管应用于浪涌保护的电路如图10-17所示。图中，稳压二极管DZ是作为过压保护器件，只要电源电压US超过稳压二极管的稳压值，DZ就导通，使继电器K吸合而使负载RL与电源分开。,三、变容二极管应用电路 1. 变容二极管的结构及特性 变容二极管CD时利用反向偏压来改变PN结电容量的特殊半导体器件，其电路符号如图10-18（a）所示。对于普通的二极管，通常要尽量减小其结电容，而对于变容二极管，却是要利用其结电容。变容二极管的应用日益广泛，例如可用做调频、扫频及相位控制电路中。,变容二极管从本质上讲，属于反偏压二极管，其结电容就是耗尽层的电容。可以近似将反耗尽层电容视为平行板电容器，两个导电板之间有介质。因此，结电容C1的容量与耗尽层的宽度d成反比，而耗尽层的宽度d与反向偏压UR的n次方成正比（n是与掺杂浓度有关的常数），因此反向偏压愈高，耗尽层愈宽，而结电容量愈小。反之亦然。图10-18（b）所示为变容二极管的压容特性，因UR1UR2，故d2d1，C2C1。变容二极管的简化等效电路如图10-19（a）、（b）所示。图10-19（b）中，用一只可变电容来表示结电容，R2是半导体材料的电阻。,常用变容二极管如表10-1所示。,2. 变容二极管应用电路 图10-20（a）所示是利用变容二极管的变容特性来调谐本机振荡频率（电视接收机调谐器中做本机振荡）的应用电路。图10-20（b）是一个调谐信号源，是由变容二极管、单结晶体管及恒流二极管组成的锯齿波振荡器，利用输出信号进行调频，由于变容二极管大多在反偏压下工作，所以应加恒流保护，以防止击穿。,10.3 二极管的选用与代换 一、二极管的选用 1. 检波二极管的选用 检波二极管一般可用点接触锗二极管，如2AP系列等。选用时，应根据电路的具体要求来选择工作频率高、反向电流小、正向电流足够大的检波二极管。,2. 整流二极管的选用 整流二极管一般为平面型硅二极管，用于电源整流电路中。选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。 普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。例如，1N系列、2CZ系列及RLR系列等。 开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。,3. 稳压二极管的选用 稳压二极管一般用在稳压电源中作为基准电压源或用在过电压保护电路中作为保护二极管。选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流的50%左右。,4. 开关二极管的选用 开关二极管主要应用于收音机、电视机、影碟机等家用电器及电子设备中，如开关电路、检波电路、高频脉冲整流电路等。中速开关电路和检波电路，可以选用2AK系列普通开关二极管。高速开关电路可以选用RLS系列、1SS系列、1N系列、2CK系列的高速开关二极管。要根据应用电路的主要参数（如正向电流、最高反向电压、反向恢复时间等）来选择开关二极管的具体型号。,5. 变容二极管的选用 选用变容二极管时，应着重考虑其工作频率、最高反向工作电压、最大正向电流和零偏压结电容等参数是否符合应用电路的要求，应选用电容变化大、高Q值、反向漏电流小的变容二极管。,二、不同种类二极管的代换 1. 检波二极管的代换 检波二极管损坏后，若无同型号二极管更换时，也可以选用半导体材料相同、主要参数相近的二极管来代换。在业余条件下，也可用损坏了一个PN结的锗材料高频三极管来代换。 2. 整流二极管的代换 整流二极管损坏后，可以用同型号的整流二极管或参数相近的其他型号的整流二极管代换。通常，高耐压值（反向电压）的整流二极管可以代换低耐压的整流二极管，而低耐压值的整流二极管不能代换高耐压值的整流二极管。整流电流值高的二极管可以代换整流电流值低的二极管，而整流电流值低的二极管则不能代换整流电流值高的二极管。,3. 稳压二极管的代换 稳压二极管损坏后，应采用同型号稳压二极管或电参数相同的稳压二极管来代换。可以用具有相同稳定电压值的高耗散功率稳压二极管来代换耗散功率低的稳压二极管，但不能用耗散功率低的稳压二极管来代换耗散功率高的稳压二极管。例如，0.5W、6.2V的稳压二极管可以用1W、6.2V稳压二极管代换。 4. 开关二极管的代换 开关二极管损坏后，应用同型号的开关二极管代换或用于其主要参数相同的其他型号的开关二极管来代换。 高速开关二极管可以代换普通开关二极管，反向击穿电压高的开关二极管可以代换反向击穿电压低的二极管。,5. 变容二极管的代换 变容二极管损坏后，应更换与原型号相同的变容二极管或用与其主要参数相同（尤其是结电容范围应相同或相近）的其他型号的变容二极管来代换。,10.4 半导体三极管的特性 半导体三极管又称为晶体三极管、双极型晶体管，简称三极管或晶体管。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本元件。 一、基本结构及电路符号 在一块极薄的硅基片或锗基片上制作两个PN结，并从P区和N区引出接线，再封装在管壳里，就构成了三极管,如图10-21所示。三极管有三个区、三个电极和两个PN结：中间层称为基区，外面两层分别称为发射区和集电区；从三个区各引一个电极出来，分别称为基极b（base）、发射极e（emitter）和集电极c（collector）；基区与集电区之间的PN结称为集电结，基区与发射区之间的PN结称为发射结。,三极管的内部结构在制造工艺上的特点如下： （1）发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度； （2）基区很薄，一般为1m至几m； （3）集电结面积大于发射结面积。 三极管按材料不同分为硅管和锗管。目前我国制造的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。不论是硅管还是锗管，NPN管还是PNP管，它们的基本工作原理是相同的。本结主要讨论NPN管。,二、三极管的电流放大原理 1. 载流子的传输过程 三极管要实现电流放大，除要满足内部结构特点外，还应满足外部偏置条件，即发射结正偏，集电结反偏。 由于发射结正向偏置，且发射区为高浓度掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区。又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从哦那个基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。因为基区做得很薄，所以留在基区的载流子很少，如图10-22所示。,2. 电流的分配关系 在图10-22所示电路中，IB所在回路称为输入回路，IC所在回路称为输出回路，而发射极是两个回路的公共端，因此，该电路称为共发射极放大电路，简称共射电路。此外还有共基极电路，简称共基电路，共集电极电路，简称共集电路。三种不同接法的结构简图如图10-23所示。,图10-3所示电路中，当管子制成以后，IC与IB的比值是确定的，这个比值就称为共发射极直流电流放大系数 。由于IB远小于IC，因此 1，一般NPN型三极管的为几十倍至一百多倍。 实际电路中，三极管主要用于放大动态信号。当输入回路加上动态信号后，将引起发射结电压的变化，从而使发射极电流、基极电流变化，集电极电流也将随之变化。集电极电流的变化量IC与基极电流变化量IB的比值称为共发射极交流电流放大系数，即 。 这表明三极管具有将基极电流变化量IB放大倍的能力，这就是三极管的电流放大作用。,在近似分析中可认为 = ，故在实际应用中不再加以区分。 发射区发射的自由电子包括基区被复合的部分和被集电区收集的部分，因此三个电极的电流具有如下关系： IE = IB + IC,三、三极管的共射特性曲线 本节主要介绍NPN型三极管的共射特性曲线。 1. 输入特性曲线 输入特性是指当UCE一定时，IB与UBE之间的关系曲线，即IB = f（UBE）UCE = 常数， 如图10-24所示。从图中可知，输入特性曲线和二极管正向特性曲线相似。当UCE增大时，输入特性曲线右移，但当UCE 2V后曲线重合。,2. 输出特性 输出特性是指当IB一定时， IC与UCE之间的关系曲线，即IC = f（UCE）IB =常数。由于三极管的基极输入电流IB对输出电流IC的控制作用，因此不同的IB，将有不同的IC-UCE关系，由此可得图10-25所示的一簇曲线，这就是三极管的输出特性曲线。 从输出特性曲线可以看出，三极管有三个不同的工作区域，截止区、放大区和饱和区，它们分别表示三极管的三种工作状态，即截止、放大和饱和状态。三极管工作在不同状态，特点也各不相同。 （1）截止区 指曲线上IB0的区域，此时，集电结和发射结均反偏，三极管为截止状态，IC很小，集电极与发射极之间相当于断开的开关。,（2）放大区 指曲线上IB0和UCE1V之间的部分，此时三极管的发射结正偏、集电结反偏，三极管处于放大状态。在放大区时，可以看出IB不变时IC也基本不变，即具有恒流特性；而当IB变化时，IC也随之变化，且满足IC =IB，这就是三极管的电流放大作用。 （3）饱和区 指曲线上UCE UBE的区域，此时IC与IB无对应关系，IC IB。集电结和发射结均正偏，三极管处于饱和状态。一般称UCE = UBE时三极管的工作状态为临界饱和状态。饱和时的UCE称为饱和管压降，记作UCES，一般小功率硅三极管的UCES0.4 V，c-e间相当于闭合的开关。,三极管的放大区可以近似看成线性工作取区，饱和区和截止区是非线性工作区。模拟电路主要讨论各种放大电路，因此三极管工作在放大区；数字电路讨论输出变量与输入变量的逻辑关系，需要三极管充当开关使用，因此三极管工作在饱和区和截止区。,四、三极管的主要参数 1. 电流放大系数 三极管的电流放大系数是表征管子放大作用大小的参数。综合前面的讨论，有以下几个参数：共射交流电流放大系数和共射直流电流放大系数。 2. 极间反向饱和电流 （1）集电极-基极反向饱和电流ICBO：ICBO是指发射极e开路时集电极c和基极b之间的反向电流。一般小功率锗管的ICBO约为几微安几十微安；硅三极管的ICBO要小得多，有的可以达到纳安数量级。 （2）集电极-发射极间的穿透电流ICEO：ICEO是指基极b开路时集电极c和发射e间加上一定电压时所产生的集电极电流。ICEO=（1+ ）ICBO。,3. 极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 当集电极电流过大，超过一定值时，三极管的值就要减小，且三极管有损坏的危险，该电流值即为ICM。 （2）集电极最大允许功耗PCM 三极管的功率损耗大部分消耗在反向偏置的集电结上，并表现为结温升高，PCM是在管子温升允许的条件下集电极所消耗的最大功率。超过此值，管子将被烧毁。,（3）反向击穿电压 三极管的两个结上所加反向电压超过一定值时都将被击穿，因此，必须了解三极管的反向击穿电压。极间反向击穿电压主要有以下几项： U（BR）CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。 U（BR）CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,10.5 三极管放大电路 一、放大电路的组成原理 1. 放大电路应具备的条件 （1） 三极管工作在放大区（即发射结正偏，集电结反偏）。 （2）输入信号能送至放大器的输入端（即三极管的发射结）。 （3）有信号电压输出。 根据以上条件，可得单管共射放大电路的电路原理图如图10-26所示。,（1）直流通路 所谓直流通路，就是直流电源VCC作用形成的电流通路。直流通路是将放大电路中电容视为开路，电感视为短路而得到的。采用直流通路分析放大电路又称为静态分析。,（2）交流通路 所谓交流通路，就是交流信号源ui作用所形成的电流通路。交流通路是将放大电路中电容视为短路，电感视为开路，直流电源视为短路而得到的。采用交流通路分析放大电路又称为动态分析。,二、放大电路的静态分析 电路参数确定后，直流电压UBE、UCE和直流电流IB、IC 的数值便唯一地确定下来。静态电流和静态电压的数值将在三极管的特性曲线上确定一点，这一点称为静态工作点，用Q表示。所以静态工作点可以用IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ四个物理量来表示。 为了不失真地放大信号，必须设置合适的静态工作点，否则就会出现非线性失真。工作点太高，ui中幅值较大的部分将进入饱和区，输出波形将发生饱和失真；工作点太低，ui中幅值较小的部分将进入截止区，输出波形将发生截止失真。所以必须设置合适的静态工作点，以保证交流信号叠加在大小合适的直流量上，处于三极管的近似线性区。,1. 用公式法计算Q点 图10-27（a）所示直流通路中，各直流量及其参考方向已标出，由图可以估算出IBQ、ICQ和UCEQ。其公式为,2. 用图解法计算Q点 图解法是利用三极管的特性曲线，用作图的方法来分析放大电路的基本性能，图解法能直观地反映放大器的工作原理。 用图解法确定静态工作点的方法如下： （1）根据公式求出IBQ，并在三极管的输出特性曲线上找出对应IBQ的那条曲线。 （2）根据 ，画出与之对应的线段，该线段称为直流负载线。 （3）在输出曲线上找出直流负载线与IBQ那条曲线的交点，此交点就是需要确定的静态工作点，然后根据Q点找出ICQ和UCEQ的值。,【例10-1】 图10-28（a）所示的单管共射放大电路中，已知Rb = 280 k，Rc = 3 k，直流电源VCC = 12 V，三极管的输出特性曲线如图10-28（b）所示。试用图解分析法确定静态工作点。 解： 首先利用近似估算法估算出IBQ 然后在输出特性曲线上作直流负载线，直流负载线上两个特殊点为：当IC = 0时，UCE = 12 V；当UCE = 0时，IC = 4 mA。连接以上两点，即为直流负载线。 直流负载线与IB = 40 A的一条输出特性曲线的交点就是静态工作点Q。此时由图10-28（b）可得在静态工作点Q处，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V。,3. 电路参数对静态工作点的影响 （1）R b的影响 Rb增大时，IBQ相应减小，由于VCC、Rc不变，直流负载线不变，静态工作点Q沿直流负载线向截止区移动，如图10-29（a）所示，ICQ减小，UCEQ增大；反之，R b减小时，IBQ相应增大，静态工作点Q沿直流负载线向饱和区移动，ICQ增大，UCEQ减小。 （2）VCC的影响 VCC增大，因为Rc不变，负载线斜率不变，所以负载线向右平移。而IBQ增大，则Q点向右上方移动，如图10-29（b）所示，ICQ增大，UCEQ也增大。,（3）Rc的影响 Rc增大，根据直流负载线方程式UCEQ = VCC - ICQRc，直流负载线与横轴的交点VCC不变，与纵轴的交点VCC/Rc下降，因此直流负载线比原来的平坦，静态工作点Q沿IBQ向 左移动，如图10-29（c）所示。ICQ基本不变，UCEQ减小；反之Rc减小，直流负载线变陡，Q点沿IBQ向右移动，ICQ基本不变，UCEQ增大。 （4）的影响 值变化主要是因为更换管子或温度变化引起的值增大，伏安特性间距加大，如图10-29（d）中虚线所示。如果IBQ不变，则Q点向饱和区移动，ICQ增大，UCEQ减小。,三、图解法分析动态 交流通路的外电路伏安特性称为交流负载线。交流通路的外电阻有两个，Rc和RL，两者相并联，用RL/表示，即 RL/ = Rc /RL 。因此交流负载线与直流负载线的不同是，其斜率不是 -1/ Rc，而是 -1/ RL/，因为RL/ = Rc /RLRc，所以交流负载线比直流负载线更陡。 画交流负载线时，一方面交流负载线一定经过静态工作点Q。这是因为输入电压ui = 0时，放大电路相当于静态的情况，所以交流负载线和直流负载线都过静态工作点Q。另一方面，又知其斜率是-1/ RL/，因此，只要过Q点作斜率是-1/ RL/的直线，即可得到交流负载线。,需要指出的是，当放大电路外加一个正弦输入信号ui时，工作点将沿交流负载线运动。所以只有交流负载线才能描述动态时iC和uCE的关系，而直流负载线只能用以确定静态工作点Q。 在放大电路外加一个正弦输入信号ui时，在线性范围内，三极管的uBE、iB、iC和uCE都将围绕其静态值按正弦规律变化。放大电路基极回路和集电极回路的动态工作情况分别如图10-30（a）和（b）所示。 可利用图解法求放大电路电压放大倍数，方法是：先假设基极电流在静态值附近有一个变化量iB，在输入特性上找到相应的uBE。然后再根据iB，在输出特性的交流负载线上找到uCE，如图10-30（b）所示，则电压放大倍数（增益）为,四、放大电路中的反馈 反馈不仅是改善放大电路性能的重要手段，而且也是电子技术和自动调节原理中的一个基本概念。那么什么是反馈呢？ 所谓放大电路中的反馈，是指在电路中通过一定方式把输出回路的电压或电流引回到输入回路，去影响输入信号对电路的作用。 引入反馈后，放大电路与反馈电路构成一个闭合环路，所以有时把引入了反馈的放大电路叫做闭环放大电路（或闭环系统），而把未引入反馈的放大电路叫做开环放大电路（或开环系统）。,1. 反馈的分类 （1）正反馈和负反馈 如果反馈信号增强了输入信号，称为正反馈。反之，如果反馈信号削弱了输入信号，则称为负反馈。正反馈电路多用于电子振荡电路中，负反馈电路则多用在各种高、低频放大电路上。负反馈电路的应用较广，所以下面重点对负反馈电路加以讨论。 （2）交直流反馈 按照反馈信号中包含交、直流的成分的不同，有直流反馈和交流反馈之分。在集成运放反馈电路中，往往是两者兼有。直流负反馈的主要作用是稳定静态工作点；交流负反馈则影响电路的动态性能。,（3）电压反馈和电流反馈 按照反馈信号在放大电路输出端取样方式的不同，可分为电压反馈和电流反馈。如果反馈量取自输出电压，和输出电压成正比，则称为电压反馈；如果反馈量取自输出电流，和输出电流成正比，则称为电流反馈。 （4）串联反馈和并联反馈 串联反馈和并联反馈是指反馈信号在放大电路的输入回路和输入信号的连接形式。 反馈信号可以是电压形式或电流形式；输入信号也可以是电压形式或电流形式。如果反馈信号和输入信号都是以电压形式出现，那么它们在输入回路必定以串联的方式连接，这就是串联反馈；如果反馈信号和输入信号都是以电流形式出现，那么它们在输入回路必定以并联的方式连接，这就是并联反馈。,2. 负反馈对放大电路性能的影响 负反馈对放大电路性能的影响，主要表现在以下几个方面： （1）降低放大倍数； （2）提高放大倍数的稳定性； （3）改善非线性失真； （4）展宽频带； （5）改变输入、输出电阻。 以上（2）（4）项性能的改善，都是以第（1）项（降低放大倍数）作为代价的。而且放大倍数降低得越多，性能改善效果越好。,3. 负反馈放电电路举例 图10-31所示是一种最基本的放大电路。这个电路看上去很简单，但其中包含了直流电流负反馈电路和交流电压负反馈电路。图中，R1和R2为三极管T的直流偏置电阻，R3是放大器的负载电阻，R5是直流电流负反馈电阻，C2和R4组成的支路是交流电压负反馈支路，C3是交流旁路电容，可防止交流电流负反馈的产生。,（1）直流电流负反馈电路 三极管T的基极电压UB为R1和R2的分压值，T发射极电压UE =IER5。为此，T的b-e间电压UBE = UB UE = UB - IER5。当某种原因（如温度变化）引起T的IE，则UE，T的基极-发射极间电压UBE = UB UE = UB - IER5，这样使IE，从而使直流工作点获得稳定。这个负反馈过程是由于IE所引起的，所以属于电流负反馈电路。其中，发射极电容C3是提供交流通路的，因为如果没有C3，则放大器工作时信号同样因R5的存在而形成负反馈作用。,（2）交流电压负反馈电路 交流电压负反馈支路由R4和C4组成，输出电压经过这条支路反馈回输入端。由于放大器输出端的信号在相位上是互为反相的，所以反馈信号的引入削弱了原输入信号的作用。在该电压负反馈电路中，R4控制着负反馈量的大小，C4起隔直通交的作用。当输入的交流信号幅值过大时，如果没有R4和C4组成负反馈支路，放大器就会进入饱和或截止状态，使输出信号出现削顶失真。由于引入了负反馈使输入交流信号幅值受到控制，所以避免了失真的产生。,五、多级放大电路 在多级放大电路中，级与级之间的连接方式称为耦合。多级放大电路的耦合方式共有三种，分别是阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。 1. 阻容耦合 阻容耦合的连接方法是通过电容和电阻把前级输出接至下一级输入。对交流信号而言，由于电容相当于短路，信号可以畅通流过；而对直流信号来说，电容相当于开路，从而使前后两级的工作点相互独立，互不影响，给分析、设计和调试带来很大方便。但它也有局限性，因为作为耦合元件的电容对缓慢变化的信号容抗很大，不利于流畅传输。所以，它不能放大缓慢变化的信号，更不能反映直流成分的变化，而只能放大交流信号。另外，耦合电容不易集成化。,2. 直接耦合 为了避免耦合电容对低频率信号的影响，可把前一级的输出信号直接接到下一级的输入端，这就是直接耦合。直接耦合的优点是：既能放大交流信号，也能放大直流信号；同时还便于集成化。但直接耦合前后级之间存在直流通路，造成各级静态工作点相互影响，分析、设计和调试比较烦琐。另外，直接耦合带来的第二个问题是零点漂移问题，这是直接耦合电路最突出的问题。,如果将一个直接耦合放大电路的输入端对地短路，即令输入电压ui = 0，并调整电路使输出电压uo等于零。从理论上讲，输出电压uo应一直为零并保持不变，但实际上输出电压将离开零点，缓慢地发生不规则的变化，如图10-32所示，这种现象称为零点漂移，简称零漂。产生零点漂移的主要原因是当放大器件的参数受温度的影响而发生波动，导致放大电路静态工作点不稳定，而放大级之间又采用直接耦合方式，使静态工作点的变化逐级传递并放大。,因此，一般说来，直接耦合放大电路的级数越多，放大倍数越高，零漂问题就越严重。零漂对放大电路的影响重要有两个方面：（1）零漂使静态工作点偏离原设计值，使放大器无法正常工作；（2）零漂信号在输出端叠加在被放大的信号上，干扰有效信号甚至“淹没”有效信号，使有效信号无法判别，这时放大器已经没有使用价值了。可见，控制多级直接耦合放大电路中第一级的零漂是至关重要的问题。通常采取抑制零漂的措施有：（1）采用分压式放大电路；（2）利用热敏元件补偿；（3）将两个参数对称的单管放大电路接成差分放大电路的结构形式，使输出端的零漂互相抵消。这种措施十分有效而且比较容易实现，实际上，集成运算放大电路的输入级基本上都采用差分放大电路的结构形式。,3. 变压器耦合 因为变压器能够通过磁路的耦合将原边的交流信号传送到副边，所以也可以作为多级放大电路的耦合元件。,10.6 场效应管 场效应管（简称FET，Field Effect Transistor）是另一类晶体管，它也有三个电极，叫栅极（G）、源极（S）和漏极（D），分别对应于三极管的基极、发射极和集电极。场效应管工作时，参与导电的是单一极性的载流子，所以它是单极型晶体管。 场效应管分为两大类：一类是结型场效应管JFET（Junction FET），另一类是绝缘栅型场效应管IGFET（Insulated Gate FET）。而按导电沟道分，每一类场效应管都有P沟道和N沟道两种。,绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体构成，一般称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管，目前在大规模和超大规模集成电路中使用非常广泛。绝缘栅型场效应管可分为增强型和耗尽型两类，两者的区别是前者没有原始的导电沟道，后者有原始的导电沟道。下面主要以N沟道增强型MOS管为例，介绍场效应管的基本结构和工作原理。,一、N沟道增强型MOS管 1基本结构 图10-33（a）所示为N沟道增强型MOS管的结构图。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其上扩散出两个高掺杂的N型区（称为N+区），然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层。从两个N+区表面及它们之间的二氧化硅表面分别引出三个铝电极：源极S、漏极D和栅极G。因为栅极是和衬底完全绝缘的，所以称作绝缘栅型场效应管。衬底B也有引极，通常在管子内部和源极相连。图10-33（b）为N沟道增强型MOS管的电路符号。,2工作原理 增强型MOS管的两个N+区和P型衬底形成两个背靠背的PN结，不加栅-源电压时，源-漏两极之间没有原始的导电沟道。当栅极和源极之间施加正向电压UGS时，将产生一个作用于衬底的电场，在该电场的作用下，可将P型衬底中的少数载流子自由电子吸引到绝缘层下方，感生出一个N型电荷层（称为反型层），如图10-34所示，该电路是共源接法。当电压UGS超过一定值时，这个N型电荷层将会将两个N+区联结起来，从而在漏-源两极之间形成一个导电沟道。刚开始产生导电沟道的栅-源电压UGS称为开启电压UT。由于该导电沟道是由自由电子构成的，所以称为N沟道。,当漏-源两极间加上电压UDS时，自由电子定向运动，就会形成漏极电流ID，如图10-34所示。当UDS一定时，改变UGS的大小，可以改变导电沟道的宽度，从而改变漏极电流ID的大小。可见，作为输出的漏极电流ID是受输入电压UGS的控制，因此，场效应管是一种电压控制型元件。 当漏-源两极间加上电压UDS时，沿沟道有一个电位梯度，靠近漏极处电位最高，该处栅-漏电压（UGD = UGS - UDS）最小，因此感生出的导电沟道最窄，而靠近源极处电位最低，该处栅-源电压最大，因此感生出的导电沟道最宽，所以实际的导电沟道呈契形。,二、N沟道耗尽型MOS管 耗尽型MOS管和增强型MOS管的区别是：前者具有原始的导电沟道，而后者没有原始的导电沟道。如果在MOS的制作过程中，在二氧化硅里掺入大量的正离子，那么即使栅-源电压UGS = 0，在这些正离子的作用下，也能在P型衬底中感生出原始的导电沟道，将两个高浓度的N+区相连。 N沟道耗尽型MOS管在使用中，栅-源电压UGS可正可负。UGS0时，工作过程与增强型MOS管相仿，UGS增大，导电沟道变宽，使ID增大；UGS0时，其产生的电场将削弱正离子的作用，使导电沟道变窄，从而使ID减小。当负的UGS大到一定程度时，将使导电沟道消失，此时ID = 0，这种现象叫夹断。使导电沟道刚好消失，用UP表示。,各种MOS管的电路符号如图10-35所示。,三、场效应管和三极管比较 （1）三极管是两种载流子（多子和少子）参与导电，而场效应管是由一种载流子（多子）参与导电。所以场效应管的温度稳定性好，因此，若使用条件恶劣，宜选用场效应管。 （2）三极管的集电极电流IC受基极电流IB的控制，若工作在放大区可视为电流控制的电流源（CCCS）。场效应管的漏极电流ID受栅源电压UGS的控制，是电压控制元件。若工作在放大区可视为电压控制的电流源（VCCS）。,（3）三极管的输入电阻低（102104），而场效应管的输入电阻可高达1061015。 （4）三极管的制造工艺较复杂，场效应管的制造工艺较简单，因而成本低，适用于大规模和超大规模集成电路中。 场效应管产生的电噪声比三极管小，所以低噪声放大器的前级常选用场效应管。 （5）三极管分NPN型和PNP型两种，有硅管和锗管之分。场效应管分结型和绝缘栅型两大类，每类场效应管又可分为N沟道和P沟道两种，都是由硅片制成。,10.7 晶闸管及其应用电路 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，最初被称作可控硅整流器（SCR，Siljcon Controlled Rectifier），是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。,一、晶闸管的结构和工作原理 1. 结构 晶闸管由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2和J3，故晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。P1区的引出线为阳极A，N2区的引出线为阴极K，P2区的引出线为门极G（也称控制极）。晶闸管的内部结构如图10-36（a）所示。无论在晶闸管的阳极和阴极之间加上正向还是反向电压，总有一个PN结处于反向阻断状态，管子不会导通。图10-36（a）中晶闸管的四层半导体可以等效为由两个三极管T1（P1、N1、P2）和T2（N1、P2、N2）组成，如图10-37所示。,2. 工作原理 当晶闸管的阳极和阴极之间加上正向电压而门极不加电压时，即J2处于反偏状态，管子不导通，称为正向阻断。工作原理如图10-38所示。即开关S打开时，等效的T1、T2管中没有输入门极电流，只有极小的漏电流，管子处于阻断状态。 当在晶闸管阳极与阴极之间加上正向电压，并且门极与阴极之间也加上正向电压Ug，从门极流入足够的门极电流Ig，晶闸管就能导通。即开关S闭合时，从门极流入足够的触发电流Ig ，T1管的集电极电流Ic1就是T2管的基极电流Ib2，T2管的集电极电流Ic 2就是T1管的基极电流Ib1。经过T1、T2管的放大作用，形成强烈的正反馈，使得三极管迅速饱和导通，晶闸管由阻断转为导通状态。,晶闸管流入的门极电流称为触发电流，晶闸管的导通方式称为触发导通。晶闸管导通后，电流只能从阳极流向阴极，具有与二极管一样的单向导电性，此电流称为晶闸管的阳极电流或正向电流。此时如果去掉门极电压，晶闸管仍然处于导通状态，门极电压在晶闸管导通后就失去了控制作用，说明晶闸管具有正向导通的可控特性。要想让晶闸管恢复阻断状态，只有通过降低阳极电压或增大阳极回路电阻以减小阳极电流。当阳极电流小于维持电流时，晶闸管就重新处于阻断状态。之后即使再增大阳极电压或减小阳极回路电阻，晶闸管的阳极电流也不会增大，说明管子已恢复正向阻断状态。,二、晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是指阳极与阴极间的电压ua和门极电流Ig之间的关系，特性曲线如图10-39所示。,（1）正向伏安特性 正向伏安特性如图中第象限ua0时的特性曲线。当Ig = 0时，晶闸管的正向阳极电压在增大到最大正向转折电压UBo之前，管子处于正向阻断状态，只有极小的征象漏电流，其漏电流随着阳极电压的增大而增大。当阳极电压ua增大到UBo时，管子导通。其特点是：阳极电流迅速增大，管子两端电压迅速降低，特性曲线与二极管正向伏安特性曲线相似。若门极流入足够的门极电流Ig，则正向转折电压UBo明显减小，在门极电流触发下，晶闸管迅速导通。晶闸管承受正常阳极电压，加上足够的触发电流后，使晶闸管从正向阻断转为导通状态，称为触发导通。晶闸管正向转折电压随门极电流的增大而降低，特性曲线向左移动。当已经导通的晶闸管的阳极电流Ia减小到维持电流IH时，管子又重新处于正向阻断状态。,三、晶闸管的主要参数 （1）额定正向平均电流IF ：在环境温度小于40oC和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频（50 Hz）正弦波半波电流的平均值。 （2）维持电流IH ：在门极开路且规定的环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于IH时，管子自动阻断。 （3）触发电压Ug和触发电流Ig：在室温下