尹其畅三极管第16~21讲正式内容2

1、长安大学考研813电子技术基础命题规分析及复习要点精讲主讲：尹其畅老师要点精讲和复习思路第六章 半导体二极管，半导体三极管，基本放大电路,1、本章考情分析本章主要介绍了二极管和三极管的基本特性，以及三极管的基本放大电路。每年都要出一至二道小题（填空，选择，问答）和一道大题，但是小题考的知识点很简单，主要是二极管和三极管的基本概念题；大题方面是三级管的基本放大电路或者是多级放大电路，题型简单，但是计算不容易，因此考生要注意计算能力培养；本章是模电的四个重点之一，因此掌握本章内容显得尤为重要。2、本章框架结构本章首先介绍了半导体的基本知识，然后PN结的形成和特性，半导体三极管的基本结构；最后介绍基

2、本放大电路。3、本章考点预测小题是写出二极管的特性，和三极管三个极的概念和电流的关系。大题是基本放大电路或者是多级放大电路，差分放大电路在历年考研中并未出现，但是还是要注意一下。4、本章要点精讲要点一：电子技术的发展与应用概况第一代电子器件是电子管；第二代电子器件是晶体管；第三代电子器件是集成电路；第四代电子器件是大规模集成电路；第五代电子器件是超大规模集成电路。随着电子技术的发展，新的电子器件也在不断地出现。课程的研究对象 电子技术就是应用电子元器件来达到某种特定目的或完成某项特定任务的技术。电子技术研究的对象是电子元器件和由电子元器件构成的各种基本功能电路，以及由某些基本功能电路所组成的有

3、各种用途的装置或系统。电子技术按照其处理信号的不同分为模拟电子技术和数字电子技术两部分。要点二：半导体的特性1. 导体：电阻率 r < 10-4W· cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。2. 绝缘体：电阻率 r > 109 W·cm 物质。如橡胶、塑料等。3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。硅原子结构最外层电子称价电子，最外层只有四个电子，不稳定。锗原子也是4价元素4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。要点三：本征半导体 概念：完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结

4、构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。当温度 T = 0K 时，半导体不导电，如同绝缘体若 T­，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。1. 半导体中两种载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni和 pi表示，显然 ni= pi。4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合

5、运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。要点四：杂质半导体杂质半导体有两种 N 型半导体 P 型半导体一、 N 型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。电子称为多数载流子(

6、简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。二、 P 型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。3 价杂质原子称为受主原子。空穴浓度多于电子浓度，即 p >> n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。3. 杂质半导体总体上保持电中性。要点五：半导体二极管一PN 结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，

7、称为 PN 结。 PN 结的形成二、 PN 结中载流子的运动1. 扩散运动电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。2. 扩散运动形成空间电荷区 PN 结，耗尽层。3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。4. 漂移运动内电场有利于少子运动漂移。5. 扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；电压壁垒 UD，硅材料约为(

8、0.6 0.8) V, 锗材料约为(0.2 0.3) V。三PN 结的单向导电性又称正向偏置，简称正偏1. PN 结外加正向电压(正偏)空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. PN 结外加反向电压(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。综上所述：当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处

9、于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。可见， PN 结具有单向导电性。四半导体二极管的类型按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。五二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f(U)之间的关系曲线。1. 正向特性当正向电压比较小时，正向电流

10、很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约0.1 V 左右。当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。2. 反向特性二极管加反向电压，反向电流很小；当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。3. 伏安特性表达式(二极管方程)IS ：反向饱和电流UT ：温度的电压当量在常温(300 K)下，UT» 26 mV结论：二极管具有单向导

11、电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。六，二极管的主要参数1最大整流电流IF是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。2最大反向工作电压URM最大反向工作电压URM 是指二极管正常工作时，所承受的最高反向电压（峰值）。通常手册上给出的最高反向工作电压是击穿电压的一半左右。3反向饱和电流IR反向饱和电流IR是指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，

12、说明管子的单向导电性能越好。七，二极管的电容效应当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容和扩散电容1. 势垒电容是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。2. 扩散电容 Cd是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。稳压管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。 要点六：三极管半导体三极管是具有电流放大功能的元件三极管的结构如下1.三极管的结构与电路符号三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极。三极管有三个区：发射区它是发射载流子的区域；基区载流子传输的区域；集电

13、区收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（极）、基极（极）和集电极（极）。 为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够载流子供“发射”。（2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。2三极管的分类 三极管的种类很多，主要有下列5种分类形式：（1）按其结构类型分为NPN型管和PNP型管；（2）按其制作材料分为锗管和硅管；（3）按工作频率分为高频管和低频管；（4）按其工作频率分为大功率管、中功率管和小功率

14、管；（5）按其工作状态分为放大管和开关管。3.三极管的电流分配关系要点七：三极管的放大作用1具有放大作用的基本条件 三极管实现放大作用的外部条件是：“发射结正偏，集电结反偏”。通常给PN结加正向电压称作正向偏置，简称正偏；加反向电压称做反向偏置，简称反偏。三极管放大电路不论采取哪种管型和哪种电路形式都要满足这个基本条件。2电流放大作用及电流分配关系 三极管在一定的外界电压条件下所具有的IC受IB控制且二者呈线性关系的特性称为三极管的直流电流放大作用，而IC受IB控制且二者呈线性关系的特性称为三极管的交流电流放大作用。三极管三个电流在数值上的关系称为三极管的电流分配关系。 3三极管放大的概念和三

15、种连接方式 （a） 是共射极放大电路（b） 是共集电极放大电路（c） 是共基极放大电路4 三极管的特性曲线1输入特性曲线当集电极与发射极之间的电压UCE一定时，输入回路中的基极电流iB与基-射电压uBE之间的关系曲线被称为输入特性。用函数式可表示为：三极管的输入特性曲线是非线性的，输入电压小于某一开启值时，三极管不导通，基极电流为零，这个开启电压叫死区电压或叫阈值电压。对于硅管约为0.5V，对于锗管约为0.10.2V。当管子正常工作时，发射结压降变化不大，对于硅管约为0.60.7V，对于锗管约为0.20.3V。5 三极管的主要参数及温度的影响 1主要参数三极管的参数描述了三极管的性能，是评价三

16、极管质量以及选择三极管的依据。常用的主要参数有：（1）电流放大系数电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的强弱。 （2）反向饱和电流ICBOICBO是指发射极开路时，集电极的反向饱和电流（3）穿透电流ICEOICEO是指基极开路时，流过集电极的反向电流。（4）集电极最大允许电流ICM当集电极电流iC过大时，将明显下降，ICM为下降到规定允许值时的集电极电流。（5）集电极最大耗散功率PCMPCM是指三极管正常工作时最大允许消耗的功率。要点八：基本放大电路注意的问题一放大电路遵循以下原则：（1）必须有直流电源，而且电源的设置应使三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，以保证三极管工作在放大状态。（

17、2）元件的安排要保证信号的传输，即信号能够从放大电路的输入端加到三极管的发射结上，经过放大后又能从输出端输出。简单的说就是应使交流信号进得去出得来。 二放大电路的主要技术指标一、放大倍数原理电路的缺点：1. 双电源供电； 2. uI、uO不共地。一、单管共射放大电路C1 、C2：为隔直电容或耦合电容； RL：为负载电阻。该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。要点九放大电路的非线性失真所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形不一致。这种由于三极管特性的非线性造成的失真称为非线性失真。1.饱和失真由于三极管进入饱和区所引起的，故称为饱和失真。将输入回路中的基极偏置电阻Rb增大，以降低IBQ、IC

18、Q，从而使静态工作点Q下降，进入三极管放大区的中间位置，便可解决饱和失真问题。另外，还可以通过调节Rc的大小来改善饱和失真，2. 截止失真由于三极管进入截止区所引起的，故称为截止失真。将输入回路中的基极偏置电阻Rb减小，以增大IBQ、ICQ，从而使静态工作点Q上移，保证在输入信号的整个周期内，三极管工作在输入特性的线性部分，便可解决截止失真问题。要点十：放大电路的基本分析方法一放大电路的工作情况1静态（ui=0）工作情况静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路中三极管的工作状态。为了使放大电路能够正常工作，三极管必须处于放大状态。因此要求三极管各极的直流电压、直流电流必须具有合适的静态工作参数

19、IB、IC、UBE、UCE。 2动态工作情况当放大电路加入交流信号ui时，电路中各极的电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成的。 二基本分析方法两种1图解法2微变等效电路法三放大电路的两条通路直流通路交流通路例子：图 1图 2图 3四两种偏置电路1固定偏置式电路 静态工作点的近似计算IBQ=(UCC-UBEQ）/Rb硅管 UBEQ = (0.6 0.8) V锗管UBEQ = (0.1 0.2) VICQ=bIBQUCEQ=UCC-ICQRC2分压式偏置电路静态工作点的近似计算UBQ»IEQICQ=UCEQUCC-ICQ(Rc+Re)【例如】图示单管共射放大电路中，VCC = 12 V

20、，Rc = 3 kW，Rb = 280 kW，NPN 硅管的 b= 50，试估算静态工作点。解：设 UBEQ = 0.7 VICQ»bIBQ =(50´0.04)mA=2mAUCEQ=VCCICQRc=(122´3)V=6V五、图解法的应用(一)用图解法分析非线性失真1. 静态工作点过低，引起iB、iC、uCE 的波形失真 截止失真结论：iB 波形失真2. Q 点过高，引起iC、uCE的波形失真饱和失真要点十一.单管共射放大电路的等效电路一电路图三极管的简化 h 参数等效电路注意：这里忽略了 uCE对 iC与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工

21、程计算来说误差很小。电压放大倍数 Au；输入电阻 Ri、输出电阻 RO二单管共射放大电路的等效电路单管共射放大电路的等效电路Ri = rbe / Rb ，Ro = Rc三等效电路法的步骤(归纳)1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q。2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数 b和 rbe。3. 画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。4. 列出电路方程并求解。要点十二.微变等效电路法的应用例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。接有发射极电阻的放大电路根据微变等效电路列方程引入发射极电阻后，Au

22、降低了。若满足(1 + b) Re >> rbeAu与三极管的参数 b、rbe无关。2. 放大电路的输入电阻引入 Re 后，输入电阻增大了。3. 放大电路的输出电阻将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL开路 ，忽略 c 、e 之间的内电阻 rce。要点十三：放大电路性能指标的估算放大电路的性能指标放大电路的性能指标是为了衡量它的性能优劣而引入的。放大电路放大的对象是变化量，研究放大电路除了要保证放大电路具有合适的静态工作点外，更重要的是还要研究其放大性能。对于放大电路放大性能有以下几个方面的要求：(1)应有较强的放大能力，即放大倍数要高。(2)输出信号与输入信号变化规律应一致，即失

23、真要小。(3)在一定的频率范围内要有尽可能相同的放大能力，即有一定的频带宽度。(4)工作稳定可靠，噪声小。1放大倍数是指输出信号与相应的输入信号之比，有时也称为增益。常用的有电压放大倍数和电流放大倍数。 Au=uo / uiAi=io/ ii2输入电阻riri=ui / iiri是衡量放大电路对信号源影响程度的重要参数。其值越大，放大电路从信号源索取的电流越少，信号源对放大电路的影响越小。 3输出电阻roro=可以看出，输出电阻越大，表明接入负载后输出电压的幅值下降越多，因此希望ro小一些。ro的大小反映了放大器带负载能力的强弱。2 放大电路的交流通路及微变等效电路1放大电路的交流通路有输入信

24、号作用时，放大电路中的电流、电压的大小随输入信号发生相应变化，称放大器处于交流工作状态或动态。放大器交流信号的流经途径叫放大器的交流通路，它的画法是将容量较大的电容视为短路，将直流电源（内阻较小可忽略不计）视作短路，其余元件按原连接关系画出。 2放大电路的微变等效电路三极管的输入回路可用一个等效电阻rbe来等效，rbe称做三极管的等效输入电阻，三极管的输出回路可用一个大小为ib的理想受控的电流源来等效。1. 当 IEQ一定时， b愈大则 rbe也愈大，选用 b值较大的三极管其 Au并不能按比例地提高；2. 当 b值一定时，IEQ 愈大则 rbe愈小，可以得到较大的 Au ，这种方法比较有效。

25、要点十四.放大电路性能指标的估算(再次讲解)1共发射极放大电路性能指标的估算 （1）电压放大倍数（不考虑信号源内阻）（a）有载电压放大倍数AuAu=uo /ui=ibRL'/ibrbe=RL'/rbe（b）空载电压放大倍数Au'（即RL） RL'=RC /RL=RCAu'=RC/rbe（2）输入电阻riri=ui/ii=Rb /rbe（Rb = Rb1 / Rb2） 当Rb rbe时， ri= Rb / rberbe（3）输出电阻roro= Rc2共集电极放大电路性能指标的估算 一静态分析则二动态分析1.电压放大倍数结论：电压放大倍数恒小于 1，而接近

26、1，且输出电压与输入电压同相，又称射极跟随器。2.输入电阻输入电阻较大。3.输出电阻求射极输出器 Ro的等效电路输出电阻低，故带载能力比较强。具体公式（1）电压放大倍数Au2）输入电阻riri= Rb / ri'则 ri= Rb / rbe+（1+）RL' （3）输出电阻ro3共基极放大电路的动态性能根据微变等效电路，可分析的共基极放大电路的动态参数：Au=uo / ui= = RL' / rbero Rc要点十五.三种基本组态的比较要点十六.多级放大电路(点击)1阻容耦合级与级之间通过电容连接的方式称为阻容耦合方式。（1）优点：因电容具有“隔直”的作用，所以各级电路的静态工作点互相独立，互不影响。这给放大电路的分析、设计和调试带来很大的方便。而且只要电容选得足够大，就可使得前级输出信号在一定频率范围内，几乎不衰减地