《电工电子技术》课件-第4章 常用半导体元器件及其应用

第4章常用半导体元器件及其应用《电工电子技术》4.1半导体的基础知识生活中离不开的电子产品半导体的基础知识 ——本征半导体

导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？

导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，导电性很差，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构半导体的基础知识 ——本征半导体由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴

自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键

一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡半导体的基础知识 ——本征半导体两种载流子

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。3、本征半导体的导电性

温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。本征半导体的导电性十分微弱。半导体的基础知识 ——杂质半导体1.N型半导体磷（P）

杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子半导体的基础知识 ——杂质半导体2.P型半导体硼（B）多数载流子N型半导体的多子是自由电子，少子是空穴；P型半导体的多子是空穴，少子是自由电子。P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强4.2PN结的形成及特性PN结的形成及特性——PN结的形成

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。

扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。PN结的形成及特性——PN结的形成

因电场作用所产生的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。PN结的形成及特性——PN结单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。必要吗？PN结的形成及特性——PN结单向导电性4.4晶体管的结构和参数物联网技术的典型应用——智能家居系统门禁系统烟雾报警系统燃气控制系统物联网技术的典型应用扩音器电路半导体晶体管(1)类型电路板上的晶体管频率：

高频管、低频管功率：

小、中、大功率管材料：

硅管、锗管结构：

NPN型、PNP型晶体晶体管中有两种不同极性的载流子参与导电，故称为双极型晶体管，或半导体晶体管，或晶体管。(2)结构(2)结构发射区:重掺杂基区:很薄，轻掺杂集电区:面积比较大发射极集电极基极发射区基区集电区发射结集电结(3)选购问题

三极管如何选购？第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分数字字母字母数字字母电极数材料和极性器件类型序号规格号3A为锗材料PNPB为锗材料NPNC为硅材料PNPD为硅材料NPN

X-低频小功率管G-高频小功率管D-低频大功率管A-高频大功率管表示同一类型的产品序号表示同一型号器件的档次(3)选购练一练：将下列晶体管的名称和类型通过连线一一对应。

3AX31

PNP高频小功率硅三极管

3DG12

NPN材料高频小功率硅三极管

3CG

PNP低频小功率锗三极管

4.5

晶体管的放大原理晶体管的放大原理什么是放大?晶体管的放大原理什么是放大?扩音器电路晶体管的放大原理问

题晶体管如何实现放大？(1)放大的外部条件VCCecbVBBRbRc(1)放大的外部条件VCCecbN集电结

P发射结

NVBBRbRc(2)内部载流子的运动VCCecbN集电结

P发射结

NVBBRbRcIE因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区，扩散运动形成发射极电流IE。①发射区(2)内部载流子的运动VCCecbN集电结

P发射结

NVBBRbRcIEIB复合②基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合，复合运动形成基极电流IB。VCCecbN集电结

P发射结

NVBBRbRcIE③集电区因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区，漂移运动形成集电极电流IC。IBICICIBIE可简化为IE＝IB＋IC(2)内部载流子的运动用三极管微小的基极电流IB控制集电极大电流IC。它们之间呈现的比例关系是：电流放大系数(3)放大的本质某扩音器电路如上图1所示，若想要提高其放大能力，则应如何改进？哪种方法最好？实际应用三极管放大的内部原理三极管放大的外部条件三极管放大的具体应用IC=βIBIB+IC=IE小

结分析PNP型晶体三极管内部载流子的运动过程？作业1已知晶三极管的电路放大系数β，如何利用三个极的电流大小和方向判断晶体三极管的引脚和管子的类型？作业2预习晶体管的共射特性作

业4.6晶体管的开关作用引例声控LED灯控制电路声控LED灯控制电路问题晶体管如何实现开关作用？（1）开关作用及条件uBE<UonBEC晶体管截止状态等效电路晶体管截止的条件和等效电路

当输入uI

为低电平，使发射极反偏，uBE

<Uon时，晶体管截止。

iB

0，iC

0，C、E间相当于开关断开。

临界饱和线

饱和区放大区截止区IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TSuBE+-uI=UILuBE—发射结电压Uon—门限电压

iB—基极电流

iC—集电极电流(1)开关作用及条件iB≥

IB(sat)BEUBE(sat)CUCE(sat)ECB晶体管饱和的条件和等效电路

当输入uI

为高电平，使发射结正偏，集电结正偏，iB

≥

IB(sat)时，晶体管饱和。

uBE

0.7V

UCE(sat)

0.3V硅（0.1V锗）

，C、E间相当于开关合上。负载线临界饱和线

饱和区放大区截止区IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TSuBE+-uI=UIH晶体管饱和状态等效电路UCE(sat)—CE间临界电压IB(sat)—基极临界饱和电流

IC(sat)—集电极临界饱和电流(1)开关作用及条件iB

＞IB(Sat)

uBE

＜Uon截止条件饱和条件开关工作的条件

(2)案例分析声控LED灯控制电路

+5VuIuO(3)实际应用某路灯控制电路如下图所示，试分析晶体管的开关控制过程。实际问题思考如何解决城市路灯开灯早，关灯晚的问题？(3)实际应用例1解：白天有自然光照时，R2电阻很小，Q1，Q2截止，继电器1，3引脚断开，所以路灯不会亮。天色渐暗，R2电阻增大，增大到一定程度，Q1，Q2导通，继电器1，3引脚导通，所以路灯就亮了(3)实际应用例1BBCECE截止状态晶体管开关作用相当于开关打开饱和状态相当于开关闭合晶体管开关的通断是受基极B控制。4.7放大电路的基本参数一、放大的概念放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电二、性能指标1.放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。2.输入电阻和输出电阻

将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻3.通频带4.最大不失真输出电压Uom：交流有效值。

由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率5.最大输出功率Pom和效率η：功率放大电路的参数4.8放大电路的组成原则引例二、性能指标放大电路核心器件利用晶体管构成放大电路应该遵循什么原则？控制电路放大电路功放电路（1）放大电路组成及作用(1)放大电路组成及作用VBB：保证发射结正偏Rb：使输入回路有合适的IB(1)放大电路组成及作用VCC：保证集电结反偏，同时作为负载的能源。(1)放大电路组成及作用Rc：将集电极电流的变化转化为电压的变化。(2)组成原则例1某扩音器放大电路，晶体管输出波形一直是一条直线，请查找原因并改正电路？(3)实际应用Rc：将集电极电流的变化转化为电压的变化。注意：原则缺一不可，只要有一个原则不满足就无法构成放大电路uBEuontuBEuBEuonuBEttuCEuCE例2动态信号能够驮载在静态的基础上作用于输入端输出端能够获得放大了的动态信号合适电阻和直流电源使晶体管处于放大原则1原则2输出回路例2输入回路静态电路建议阅读文献[1]肖家文,茅胜荣,陈小平.低功耗远程烟雾报警系统设计[J].微型机与应用,2017(2):96-99.[2]苏州爱微礼网络科技有限公司.智能家居安防控制系统:CN201710323900.3[P].2017-09-08.[3]成都联宇创新科技有限公司.耳机用简易音频放大电路:CN201520051281.3[P].2015-05-13.4.9稳定静态工作点的方法引例7.23甬温线特别重大铁路交通事故2011年7月23日20时30分05秒，由北京南站开往福州站的D301次列车与杭州站开往福州南站的D3115次列车发生动车组列车追尾事故。造成40人死亡、172人受伤，中断行车32小时35分，直接经济损失19371.65万元。引例原因之一恶劣天气温度的急剧变化造成信号灯故障7.23甬温线特别重大铁路交通事故稳定静态工作点的方法Q’改进方法：ICQ能自动降低。TT固定偏置信号灯电路

Q’(1)直流负反馈Rb2直流通路温度升高IBQ如何自动降低？分压式偏置电路稳定静态工作点Rb2Re(1)直流负反馈Rb2B

为了稳定Q点，通常I2>>IBQ，即I1≈I2；因此UBQ基本不随温度变化I1I2IBQ(1)直流负反馈Rb2BI1I2IBQTUBEQIBQICQUEQICQ当温度升高时

IBQ自动降低最终保证ICQ基本稳定，达到Q稳定的目的。稳定方法：引入分压式偏置；引入直流负反馈UEQ(2)发散思维若分压式偏置电路的Rb2用反向二极管代替，同时去掉Re，试问该电路是否有稳定静态工作点的功能？请分析具体过程？问题TICQIDIBQICQIRbIDIBQ稳定方法:温度补偿4.10直流通路和交流通路基本原则1.直流通路：①

us=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路：①直流电源相当于短路（内阻为0）。②大容量电容相当于短路；③电感相当于断路。

通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。应用之一

列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQ＝βIBQ，可估算出静态工作点。

VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。基本共射放大电路应用之二阻容耦合放大电路当VCC>>UBEQ时，已知：VCC＝12V，Rb＝600kΩ，Rc＝3kΩ，β＝100。求：Q＝？直流通路提示：4.11图解法及其应用一、静态分析：图解二元方程输入回路负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线二、失真分析截止失真消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。截止失真是在输入回路首先产生失真！减小Rb能消除截止失真吗？饱和失真：饱和失真是输出回路产生失真。消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，减小VBB，增大VCC。Rb↑或β↓或VBB↓Rc↓或VCC↑最大不失真输出电压Uom

：比较UCEQ－UCES与VCC－UCEQ

，取其

小者，除以

。这可不是好办法！二、失真分析4.12交流等效电路及共射放大电路分析半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。直流模型：适于Q点的分析理想二极管利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源一、直流模型：适于Q点的分析在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。低频小信号模型二、晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得由IEQ算出在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！二、晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）三、放大电路的动态分析放大电路的交流等效电路4.13共集放大电路分析

静态分析一、静态分析

故称之为射极跟随器Uo＜Ui二、动态分析：电压放大倍数Ri与负载有关！RL带负载电阻后从基极看Re，被增大到（1+β）倍二、动态分析：输入电阻的分析令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io,。从射极看基极回路电阻，被减小到（1+β）倍二、动态分析：输入电阻的分析Ro与信号源内阻有关！三、特点输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在一定条件下有电压跟随作用！4.14多级放大电路的耦合方式和基本参数音频功放的组成方框图

多级放大电路的耦合方式和基本参数1．阻容耦合

两级阻容耦合放大器

特点：静态工作点相互没有影响

优点：重量轻、体积较小缺点：不能传送直流信号，不适合传送变化缓慢的信号一、级间耦合方式及特点2．直接耦合

两级直接耦合方式

特点：既能放大交流信号，还能放大直流信号或变化缓慢的信号缺点：各级的静态工作点互相影响，温度造成的直流工作点的漂移会被逐级放大，温漂较大。

一、级间耦合方式及特点变压器耦合方式

3．变压器耦合方式优点：阻抗、电压和电流的变换

缺点：体积和重量都较大，高频性能差、价格高，不能传送变化缓慢的或直流信号。一、级间耦合方式及特点4．光电耦合

光电耦合

特点：既可传输交流信号又可传输直流信号，既可实现前后级的电隔离，又便于集成化。一、级间耦合方式及特点1．电压放大倍数

多级放大器对被放大的信号而言，属串联关系。前一级的输出信号就是后一级的输入信号。设各级放大器放大倍数依次为、…、，所以多级放大器总的电压放大倍数为各级电压放大倍数之积，即式中，、…、为有负载时的电压放大倍数，其负载为相应后级的输入电阻，则视具体电路而定。二、多级放大器的分析2．输入电阻和输出电阻

多级放大器的输入电阻，是从输入端看进去的等效电阻，就是第一级的输入电阻，即

多级放大器输出电阻是从输出端看进去的等效电阻，即最后一级的输出电阻。二、多级放大器的分析单管共射极放大器非线性失真波形

3．非线性失真输出信号波形与输入信号波形之间的变异，称为波形失真（非线性失真）。放大电路的静态工作点选得不恰当或输入信号幅度过大，使信号进入晶体管的截止区或饱和区而造成的波形失真，分别称为截止失真或饱和失真。二、多级放大器的分析4.15

差分放大电路的成因及静态分析什么是零点漂移现象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。产生原因：温度变化，直流电源波动