模拟电子技术项目式教程 第3版421

半导体二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。特别是在各种电子电路中，利用不同参数的二极管和一定参数的电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电流整流，对调制信号检波、限幅和钳位以及实现对电源电压的稳压等多种作用。无论在常见的收音机电路中还是在其他家用电子产品或工业控制电路中，都可以找到二极管的踪迹。

半导体二极管的内部核心是一个PN结，PN结是一块P型半导体和一块N型半导体有机结合所产生的一个区域。

引言1.1PN结

1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3

PN结

导体如金、银、铜、铝、铁等很容易导电，因为导体内部有着大量的自由电子（已经摆脱原子核束缚的电子称为自由电子），导体在外电场作用下，这些自由电子会逆电场方向运动，形成较大的电流，这就是导体具有良好导电能力的基本道理。载流子：在外电场作用下，物质内部能形成电流的粒子。自由电子在外电场作用下，能形成带负电荷的电子流，所以称其为电子载流子。导体内部电子载流子很多，所以导电能力强。

在绝缘体中，其原子核外电子受原子核束缚力很大，自由电子很少，在正常情况下，绝缘体内电子载流子很少很少，所以很难导电。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体，其导电能力也与它内部载流子的多少有关。

1.1.1本征半导体

几乎不含杂质的纯净半导体称为本征半导体。目前用于制造半导体器件的材料有硅（Si）、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)等，其中以硅和锗最为常用。

1、本征半导体中的两种载流子——电子和空穴自由电子空穴

在本征半导体中，既有电子载流子，又有空穴载流子，存在两种载流子是半导体导电的一个重要特征。1.1.1本征半导体空穴怎样运动？

2、本征半导体的热敏特性和光敏特性热敏特性和光敏特性：温度越高或光照越强，本征半导体内载流子数目越多，导电性能越好。半导体的掺杂特性：如果在本征半导体中掺入微量其他元素，会使其导电能力大大加强，掺入的杂质越多，半导体的导电能力越强。

杂质半导体：掺入微量元素的原子称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体有P型半导体和N型半导体两大类。

1.1.1本征半导体本征激发：本征半导体受热或光照后产生电子空穴对的物理现象。1.1.2杂质半导体一、P型半导体

1.1.2杂质半导体

在本征半导体中掺入微量三价元素，如硼(B)、铟(Iｎ)等，在半导体内就产生许多空穴，这样就形成了P型半导体，也叫空穴型半导体。

每掺入一个三价杂质原子，就形成一个空穴，掺入的三价杂质越多，空穴载流子就越多，这种半导体的导电性能就越好。一、P型半导体

1.1.2杂质半导体

掺入的杂质原子由于产生空穴便可以接受一个电子，三价杂质原子由于接受一个电子成为一个负离子，即每掺入一个三价杂质原子便形成一个空穴和相应形成一个负离子，但整个P型半导体呈现电中性。

P型半导体中空穴是多数载流子，简称“多子”，电子是少数载流子，简称“少子”。

P型半导体中多子浓度取决于所掺杂质的多少，少子由于是本征激发形成的，它的浓度与温度有密切的关系。

P型半导体在外界电场作用时，多子空穴形成的空穴电流远大于少子电子形成的电子电流，P型半导体是一种以多子空穴导电为主的半导体，所以它又称为空穴型半导体。

二、N型半导体

1.1.2杂质半导体

在本征半导体中掺入微量五价元素，如磷（P），砷（As）等，在半导体内产生许多电子，这样就形成了Ｎ型半导体，也叫电子型半导体。

每掺入一个五价杂质原子就能形成一个自由电子，掺入的杂质越多，这种半导体的导电性能就越好。

二、N型半导体

1.1.2杂质半导体掺入的杂质原子由于给出一个电子便成为一个杂质正离子，每掺入一个五价杂质原子便贡献一个自由电子，而且相应形成一个正离子，但整个N型半导体呈现电中性。电子是N型半导体中的多子，空穴是N型半导体中的少子。N型半导体中多子浓度取决于所掺杂质的多少，少子由于是本征激发形成的，它的浓度与温度有密切的关系。

N型半导体在外界电场作用时，多子电子形成的电子电流远大于少子空穴形成的空穴电流，N型半导体是一种以多子电子导电为主的半导体，所以它又称为电子型半导体。

三、半导体中载流子两种运动方式

1.1.2杂质半导体漂移运动：半导体中电子载流子与空穴载流子都能在电场作用下做定向运动，这种在电场作用下载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，载流子会因为浓度差而引起载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。1.1.3PN结

单纯的一块P型半导体或N型半导体，只能作为一个电阻元件，而不能做成所需要的晶体管器件。但是，如果把P型半导体和N型半导体通过一定方法结合起来形成的PN结就具有这种功能。

PN结是构成半导体二极管、半导体三极管、晶闸管、集成电路等许多半导体器件的基础。一、PN结的形成1、载流子的浓度差引起多子的扩散2、交界面形成空间电荷区(PN结)，建立内电场

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3、扩散和漂移达到动态平衡，形成PN结。扩散电流等于漂移电流，

总电流

I=0。内建电场PN结形成载流子在电场作用下的定向运动一、PN结的形成PN结形成PN结又称：耗尽层、阻挡层、势垒区对称PN结：当P区和N区掺杂浓度相同时，交界面两侧的空间电荷区宽度相等。不对称PN结：当P区和N区掺杂浓度不同时，交界面两侧的空间电荷区宽度不相等。P+N+号表示掺杂浓度高的一侧，其空间电荷区宽度小于另一侧。二、PN结的导电特性1.外加正向电压(正向偏置)（P+、N–）P区N区内电场+

UR外电场IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子

I少子

I多子2.外加反向电压(反向偏置)（P–、N+）P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IS漂移运动加强形成反向电流ISIS=I少子

0PN结的单向导电性：正偏呈低阻导通正向电流IF较大;

反偏呈高阻截止，反向电流为IS很小。外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。PN结的单向导电性1.2二极管1.2.1二极管的结构和符号1.2.2二极管的伏安特性分类：按用途分1.2.1二极管的结构和符号构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：阳(正)极

ak阴(负)极

按材料分硅二极管锗二极管普通二极管整流二极管稳压二极管开关二极管检波二极管变容二极管

按结构工艺分点接触型面接触型平面型点接触型阳极引线触丝N型锗片管壳阴极引线特点：PN结面积小结电容小适于高频、小电流应用：小功率整流高频检波开关电路阴极引线

面接触型N型硅PN结阳极引线铝合金小球支架金锑合金特点：PN结面积大结电容小适于低频、大电流(几百毫安以上)应用：整流阳极

引线阴极

引线集成电路中的平面型PNP型支持衬底二极管实物1.2.2二极管的伏安特性一、二极管的伏安特性曲线OUD/VID/mA正向特性Uth死区电压ID

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)U

UthID急剧上升0

U

Uth

Uon=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U

0ID=IS<0.1

A(硅)

几十

A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)1.2.2二极管的伏安特性二、PN结的伏安特性方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量1.60210–19C玻耳兹曼常数1.3810–23J/K当T=300(27

C)：UT

=26mV硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50ID

/mAUD/VID

/mAUD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.0201.2.2二极管的伏安特性三、温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50ID

/mAUD/V20C90CT

升高时，Uon以

(2

2.5)mV/

C下降温度每升高10

C，IS约增大1倍一般，硅管允许结温150~200

C

锗管允许结温75~100

C1.2.3二极管的主要参数1.2.4二极管的直流电阻和交流电阻1.2.5二极管引脚极性及质量的判断1.2.3二极管的主要参数1.

IFM—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/23.

IRM

—

反向电流(随温度变化,越小单向导电性越好)IDUDU(BR)IFURMO4.

fM—

最高工作频率(主要取决于PN结结电容大小)

【例1-1】某位操作者手头有同型号二极管三只，测得的数据如下表所示，试问哪只管子性能好？二极管正向电流/mA（正向电压相同）反向电流/μA（反向电压相同）反向击穿电压/V甲303150乙1002200丙50680

解：乙管的性能最好，因为它的耐压高，反向电流小，正向电压相同情况下，乙管正向电阻最小。1.2.4二极管的直流电阻和交流电阻1.

直流电阻RDOID

/mAUD/VQIDQUDQ

一般，正向RD约为几十~几百欧反向RD约为几千~几百千欧2.

交流（动态）电阻rd

I

U（T=300K

）

二极管的选管原则：1.

使用时不能超过极限参数（IFM、URM

），并留有一定余地。2.

性能良好（IR小，

Uon小）。3.

根据技术要求，选用经济实用管子。（1）要求正向压降小，工作平均电流小，信号频率高可选用点接触型锗管。（2）要求工作平均电流大，反向电流小，反向电压高且热稳定性好，可选用面接触型硅管。1.2.5二极管引脚极性及质量的判断1.二极管的阳、阴极一般在二极管管壳上有识别标记，有的印有二极管的电路符号。2.对于电容二极管、发光二极管等管脚引线较长的为阳极。3.对于极性不明的二极管，可用万用表电阻档测量二极管正、反向电阻加以判断。当正、反向电阻均为零或均为无穷大，表明内部为短路或断路，二极管已损坏。1.3二极管的分析方法一、理想二极管伏安特性特性UDID电路符号IDSS二、固定压降伏安特性UDIDUFUFIDUD=UF0.7V(Si)0.2V(Ge)【例1-2】试求如图所示电路中Uo等于多少？设二极管为硅管。

解：对于图ａ)，因为二极管VD串接在U1、U2、R的回路中，二极管正向压降UF远小于U1或U2，所以将其看成理想二极管。设A点为公共参考点，二极管VD正极电位为-10V，R的一端B点接-20V，所以二极管VD正偏，相当于开关短接。求出Uo=-10V。a)b)【例1-2】试求如图所示电路中Uo等于多少？设二极管为硅管。

解：对于图b），将二极管看成理想二极管，VD1、VD2、VD3三只二极管对于公共参考点（接地点）而言，VD2的阴极电位最负（为-6V），所以VD2优先导通。VD1、VD3均因VD2导通后，它们的阳极电位比阴极电位低而截止。求出Uo=-6V。a)b)1.4特种二极管1.4.1稳压二极管1.4.4发光二极管1.4.2变容二极管1.4.3光电二极管1.4.5激光二极管1.4.1稳压二极管一、硅稳压管的稳压原理符号工作条件：反向击穿ak特性IUOUZIZminIZM

UZ

IZIZ+––+特点：*正向特性与普通二极相同*反向击穿特性较陡*反向击穿电压几~几十V，在允许范围内为电击穿二、主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZPZ=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ=

UZ/

IZ

越小稳压效果越好。几

几十

IUOUZIZminIZM

UZ

IZIZ5.温度系数αUZ<4V，α

<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，β

>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，α很小。表3.1几种硅半导体稳压二极管的主要参数

参数型号UZ

/VIZ/mAIZM

/

mArZ/

α/(%/°C)PZ/W2CW552CW712DW7A*6.2~7.535~405.8~6.6103103363015100250.060.100.050.250.250.20三、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。1.4.2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。1.4.3光电二极管1．符号和特性UIO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.结构和工作原理入射光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，光电流随光照强弱变化，反向电阻降为几千欧~几十千欧。1.4.3光电二极管3．应用玻璃透镜管芯管壳电极引线

光电二极管一般作为光电检测器件，将光信号转变成电信号，这类器件应用非常广泛。例如，应用于光的测量、光电自动控制、光纤通信的光接收机中等。大面积的光电二极管可用来作能源，即光电池。1.4.4发光二极管

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发光类型：可见光：红、黄、绿不可见光：红外光符号u/Vi

/mAO2特性材料：砷化镓，磷化镓等2.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（1.5~3V），工作电流小

(10~30mA)3.应用显示、光电传输系统、与光电管构成光电耦合器件发射电路接收电路光缆1.4.5激光二极管

工作条件：正向偏置

激光器有固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。半导体激光器是所有激光器中效率最高、体积最小的一种，而比较成熟且实用的半导体激光器是砷化镓激光器，即激光二极管。激光二极管的应用非常广泛，已成功地应用于激光唱机（即CD唱机）和激光影碟机（有LD、VCD和DVD影碟机）中。

结构示意图

符号

课堂练习

1.下图所示电路中的二极管为理想二极管，试判断电路中的二极管是导通还是截止，并求UAO等于多少？

2.1单相整流电路2.1.1单相半波整流电路2.1.2单相桥式整流电路

常见的家用电子产品中多数要用到直流电源。供直流电的最简单的方法是使用电池，但电池有成本高、体积大、需要不时更换的缺点，因此既经济可靠而又方便的是使用将交流电变成直流电的电源。能将极性正负交替的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。由于二极管具有单向导电性，所以可以利用二极管的这一特性组成整流电路。根据交流电的相数，整流电路可分为单相整流、三相整流等。

在小功率电路中，一般采用单相整流，常见的有单相半波、全波和桥式整流电路，半波整流电路只需1个二极管，全波整流电路需要2个二极管，桥式整流电路需要4个二极管。引言2.1.1单相半波整流电路

能将极性正负交替的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。

1、工作原理2、负载上直流电压UO(AV)

和直流电流IO(AV)

的计算负载电流的直流分量Io(AV)为：

Uo(AV)是整流输出电压瞬时值uo在一个周期内的平均值。即:ID(AV)=Io(AV)

3、二极管参数的计算二极管平均电流:二极管最大反向电压:

为了保证整流二极管安全可靠地工作，应根据IFM＞ID(AV)和URM＞UDRM的原则，选用合适的二极管，并查阅有关半导体器件手册，确定二极管型号。优点：是结构简单，使用元件少。缺点：输出直流分量较低，输出纹波大，而且只利用了交流电半个周期，电源变压器利用率低。所以半波整流电路只能用在输出电流较小，要求不高的地方。2.1.2

单相桥式整流电路D3RLD4D2D1u1u2+uo

ioRLD4D3D2D1+uo

u2u1输入正半周1、工作原理输入负半周+uo

tOtOtOtO

2

3

2

3

Im

2

2

3

3

uOu2uDiD=iO2、负载上直流电压UO(AV)

和直流电流IO(AV)

的计算3、二极管参数的计算二极管平均电流二极管最大反向压

桥式整流比半波整流输出的脉动小，直流分量大，交流分量小，所以纹波小，且每个二极管流过的平均电流也小，因此桥式整流电路应用最为广泛。

【例2-1】一单相桥式整流电路，要求UO=40V，IO=2A，220V交流电源，试选择整流二极管。解：变压器副边电压有效值为二极管承受最高反压为二极管的平均电流为可选择2CZ56CURM=

100

VIFM=

3

A2.2滤波电路2.2.1电容滤波电路2.2.2电感滤波电路2.2.3复式滤波电路

上面分析的单相整流电路，无论哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。除了在一些特殊场合（如电镀电解和充电电路）可以直接作为供电电源外，通常都需要采取一定措施，一方面尽量降低输出电压中的交流成分，另一方面又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。这样的措施就是滤波。

构成滤波器的主要元件是电感或电容，由于电感和电容对交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，如果把它们合理地安排在电路中，可以达到降低交流成分，保留直流成分的目的，体现出滤波的作用。常用滤波电路有电容滤波、电感滤波、π型滤波电路等。引言2.2.1电容滤波电路1、单相半波整流电容滤波电路（1）工作原理半波整流电容滤波的外特性曲线

RC越大UO(AV)

越大（2）输出直流电压Uo(AV)的估算

当RL=

时：

UO(AV)=(1~1.1)U2

当RL减小，

Io(AV)增大，放电加快，Uo(AV)值减小。

Uo(AV)的最小极限值为:Uo(AV)=0.45U2

(即C=0，无电容滤波时)。

半波整流电容滤波的外特性曲线

这种电路应用在Io(AV)较小且不变的场合较适宜。

（3）二极管的平均电流ID(AV)与二极管承受的最大反向电压UDRM

二极管导通时间很短，二极管在短暂的导电时间内流过一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，所以在选用二极管时ID(AV)应远小于IFM，二极管承受最大反向电压UDRM应小于URM。

（4）滤波电容容量与耐压的确定

输入交流电压的周期变压器副边绕组电流有效值I2=(1.5~2)IO(AV)

为了获得较好的滤波效果，在RL一定条件下，C越大，滤波效果越好，一般情况使放电时间常数：

滤波电容容量：电容耐压值：io+

uo=uc

RLD1D4D3D2

+u

2、单相桥式整流电容滤波电路D导通时给C充电，D截止时C向RL

放电；（1）工作原理滤波后

uo

的波形变得平缓，平均值提高。电容充电电容放电CRC越大，UO(AV)

越大波形分析RC越大UO(AV)

越大（2）输出直流电压Uo(AV)的估算

OtuO

2

RL=

当

RL

=

时：

当RL减小，Io(AV)增大，放电加快，Uo(AV)值减小。

Uo(AV)的最小极限值为

Uo(AV)=0.9U2(即C=0，无电容滤波时)

UO(AV)≈

1.2U2桥式整流电容滤波电路的外特性曲线

（4）滤波电容容量与耐压的确定

滤波电容容量：（3）二极管的平均电流ID(AV)与二极管承受的最大反向电压UDRM在选择二极管时，ID(AV)应远小于IFM，二极管承受最大反向电压UDRM应小于URM。

为了获得较好的滤波效果，在RL一定条件下，C越大，滤波效果越好，一般情况使放电时间常数：

电容耐压值：

输出特性OUOIO

输出电压随输出电流的增大而明显降低，带负载能力差。

一般用于负载电流较小且变化不大的场合。电容滤波：优点：电路结构简单，使用方便，输出直流电压较高，纹波较小。缺点：带负载能力差，但是当要求输出电压的脉动成分很小时，势必要求电容器的容量很大，有时可能很不经济。

[例2-2]要求直流输出电压UO

=

24

V，IO=

120

mA，220V的交流电源频率f=

50

Hz，采用单相桥式整流电容滤波，选择元件。解1.电源变压器参数计算变压器变比：变压器副边电流：I2=2IO=2

120mA=240mA2.整流二极管选择二极管平均电流：承受最高反压：2CZ53B:IF

=

0.3AURM

=

50V硅堆QL3:0.2A,50V3.选滤波电容电解电容:200F耐压50V

2.2.2电感滤波电路io+

uo

RLD1D4D3D2+u2

+u1

L整流后的输出电压：直流分量被电感L

短路交流分量主要降在L上优点：频率越高，L越大，RL越小，滤波效果越好。缺点：电感铁心笨重、体积大。适用于负载电流较大且负载变化大的场合。2.2.3复式滤波电路

形RCLC[例2-3]在下图所示电路中，已知U2=20V（有效值），设二极管为理想二极管，操作者用直流电压表测得负载两端之间的电压值出现下列五种情况：①28V；②20V；③20V；④18V；⑤9V。试讨论：这五种情况中，哪些是正常工作情况？哪些已发生故障？故障形成原因？

讨论（1）UO≈1.2U2=24V第②种情况是正常工作情况。讨论（2）UO=U2=28V出现第①种不正常情况的原因是负载RL开路了。讨论（3）UO=U2=20V出现第③种不正常情况的原因是有一个二极管开路，变成了半波整流电容滤波。讨论（4）UO=0.9U2=18V

出现第④种不正常情况的原因是滤波电容开路了。讨论（5）UO=0.45U2=9V出现第⑤种不正常情况的原因是有一个二极管开路，且滤波电容开路。解：2.3限幅电路D1D2uiuORUC1UC22.3限幅电路ui

正半周:ui<UC1时:D1、D2均截止uO=uiui>UC1时:uO=UC1D1导通D2截止ui

负半周:|ui|

<

UC2时:D1、D2均截止uO=ui|ui|

>

UC2时:D2导通D1截止uO=-UC2OtuOOtuiUC1–UC2UC1–UC2

二极管限幅电路可用作保护电路，以保护半导体器件不受过电压的危害，也可用来产生数字信号中的恒幅波等。课堂练习1.在下图所示电路中，已知交流电频率为50HZ，负载电阻RL为120Ω，直流输出电压Uo(AV)为30V。求：（1）直流负载电流Io(AV)；（2）选择整流二极管；（3）选择滤波电容；（4）确定电源变压器二次绕组的电压和电流。

PN结具有单向导电性，所以半导体二极管可作为整流、开关、检波、稳压等电路的主要器件。但是，它没有放大电信号的能力。而在电子设备中，经常需要对微弱的电信号进行放大，由两个PN结组成的半导体三极管，正好具有这种放大作用。客观的需要促成了三极管的产生与发展。

半导体三极管也是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。无论在常见的收音机电路中还是在其他家用电子产品或工业控制电路中，都可以找到三极管的踪迹。实际中常用的三极管有低频小功率三极管、低频大功率三极管、光电三极管、开关三极管等。引言1.1.1晶体管的结构与符号1.1.2晶体管放大的概念1.1晶体管的放大原理1.1.3晶体管的偏置1.1.4晶体管内部载流子的运动和各极电流的形成1.1.5晶体管各极电流的分配关系1.1.6晶体管电流的放大作用1.1.1晶体管的结构与符号NNP发射极e基极b集电极c发射结集电结基区发射区集电区emitterbasecollectorNPN型PPNebcPNP型分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：

NPN、PNP按使用频率分：

低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1W按用途分：

放大管、开关管

ecbecb1.1.1晶体管的结构与符号NNP发射极e基极b集电极c发射结集电结基区发射区集电区emitterbasecollectorNPN型PPNebcPNP型共同特点：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且掺杂浓度低，集电区的面积大，这是三极管具有电流放大作用的内部条件。

ecbecb

电子电路中所说的放大，有两方面的含义：一是放大的对象是变化量，二是指对能量的控制作用。即所谓放大就是在输入端用一个小的变化量去控制能源，使输出端产生一个大的与输入变化相对应的变化量。例如，人讲话一般只有毫瓦级的功率，而经过放大器之后送到扬声器的功率可达到几十甚至上千瓦。具有能量控制作用的器件，称为有源器件。后面所讲的三极管、场效应管、集成运放、集成功放都是有源器件。1.1.2晶体管放大的概念基区很薄、发射区的载流子浓度远大于基区的载流子浓度，是三极管实现放大的内部条件，而发射结正向偏置、集电结反向偏置是实现放大的外部条件。

1.1.3晶体管的偏置UCC通过RC给集电结加一个反向电压（UCB＞0），UBB通过RB给发射结加一个正向电压（UBE＞0）。因为UCB=UCE-UBE，所以只要UCE

＞UBE，便可满足UCB＞0，实现集电结反向偏置。显然，如果以发射极为参考电位，三极管三个电极的点位满足UC＞UB＞UE，则可满足发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件。

基区很薄、发射区的载流子浓度远大于基区的载流子浓度，是三极管实现放大的内部条件，而发射结正向偏置、集电结反向偏置是实现放大的外部条件。

1.1.3晶体管的偏置UCC通过RC给集电结加一个反向电压（UCB＜0），UBB通过RB给发射结加一个正向电压（UBE＜0）。因为UCB=UCE-UBE，所以只要UCE

＜UBE，便可满足UCB＜0，实现集电结反向偏置。显然，如果以发射极为参考电位，三极管三个电极的点位满足UC＜UB＜UE，则可满足发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件。

内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电区面积大外部条件发射结正偏:UC>UB>UE（NPN）集电结反偏:UC<UB<UE（PNP）三极管与电源连接方式NPNRcVCCIBIERb+UBE

+UCE

VBBcebIC输入回路输出回路PNPRcVCCIBIERb+UBE

+UCE

VBBcebIC1.1.3晶体管的偏置总结：晶体管处于放大状态的条件1.1.4晶体管内部载流子的运动和各极电流的形成△UI是一个作为控制用的微小的变化电压，它接在基极和发射极所在的回路（输入回路）中，放大后的信号出现在集电极和发射极所在的回路（输出回路）中。不难看出，图中三极管是符合具有放大作用的外部条件的，即符合发射结正偏、集电结反偏。该电路是否具有放大作用呢？下面从分析三极管内部载流子的运动情况和电流分配关系入手，先分析△UI=0的情况。1.1.4晶体管内部载流子的运动和各极电流的形成

1)

发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)

集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO(基区空穴运动因浓度低而忽略)2)电子到达基区后当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电区面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=

I

BN

ICBOIC

=

ICN

+

ICBO1.1.5晶体管各极电流的分配关系IE=ICN+IBN=IC+IB穿透电流1.1.5晶体管各极电流的分配关系NPN管的电流方向与分配

PNP管的电流方向与分配

1.1.6晶体管电流的放大作用RcVCCIBIERb+UBE

+UCE

VBBcebIC+

UI+

IB+

IC+

IE>>1

IE=

IC+

IB=(1+

)

IB

IC=

IB1.1.6晶体管电流的放大作用

三极管中的电流是按比例分配的，即IC的大小不但取决于IB，而且远大于IB。因此，只要控制基极回路的小电流IB，就能实现对集电极回路大电流IC的控制。这就是三极管的电流放大作用或电流控制能力。因此常把三极管称为电流控制器件。

综上所述，当三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置时，具有电流放大作用。所谓电流放大作用，其实质就是基极电流对集电极电流的控制作用：较小的IB变化能引起较大IC的变化，且IC的变化规律与IB的变化规律相同。1.2晶体管的特性曲线1.3晶体管的主要参数1.4特殊晶体管简介1.2晶体管的特性曲线

三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，也叫伏安特性。实际上，它是三极管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。从使用三极管的角度来说，了解三极管的外部特性比了解它的内部结构显得更为重要。三极管的伏安特性主要有输入特性和输出特性两种。三极管的特性曲线可用晶体管特性图示仪直接观测，也可以从半导体手册中差得，或通过实验进行测量，逐点描绘出特性曲线。下面以共射放大电路为例，讨论三极管的输入、输出特性曲线。1.2晶体管的特性曲线一、共发射极输入特性曲线输入回路输出回路与二极管特性相似iBiEiCO特性基本重合特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压

uBE硅管：(0.6

0.8)V锗管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2V+VCCRcC1C2RL+Rb+ui

+uo

+uBE

+uCE

iBRb+uBE

VCC+

VCCRbiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：IB

0

IC=ICEO

0

条件：两个结反偏2.放大区：3.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)0.1V(锗管)UCES=放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO二、共发射极输出特性曲线RcVCCRb+UBE

+UCE

VBBceb[例1-1]用直流电压表测得某放大电路中一个三极管的电极对地电位是：U1=2V，U2=6V，U3=2.7V，判断三极管的各对应电极与三极管的类型。

[解]RcVCCRb+UBE

+UCE

VBBcebNPN管UC>UB>UEPNP管UC<UB<UE硅管：

UBE=0.7V

；锗管：

UBE=–0.2V

管脚①、③间的电位差为U13=U3-U1=0.7V，所以③、①间为发射结，因②脚电位最高，则②脚为集电极，且三极管为NPN型。因为U13=0.7V，故此三极管为硅管。所以，此管为NPN硅管，③脚为基极，②脚为集电极，①脚为发射极。1.3晶体管的主要参数1.电流放大系数（表征放大性能的参数）(1)共发射极直流电流放大系数iC

/mAuCE50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321(HFE)

(2)共发射极交流电流放大系数

(hFE)一般为几十

几百Q大小相近可以混用2.极间反向饱和电流（表征稳定性的参数）(1)集电极–基极反向饱和电流ICBOICBOVCC

Abce(2)集电极-发射极反向饱和电流ICEO(pt)ICEO(pt)VCC

AbceICEO(pt)=（1+

）ICBO3.晶体管的极限参数（表征安全工作的参数）1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。2.PCM—集电极最大允许耗散功率PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO已知:

ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE

=

10V，IC<

mA当UCE

=

1V，IC<

mA当IC

=

2mA，UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区晶体管的选管原则：1.使用时不能超过极限参数（ICM,PCM,U(BR)CEO）。2.工作在高频条件下应选用高频或超高频管;

工作在开关条件下应选用速度足够高的开关管。3.要求反向电流小、允许结温高且温变大时，选硅管;

要求导通电压低时选锗管。4.同型号管，优先选用反向电流小的。

值不宜过大，一般以几十~一百左右为宜。（进口小功率管

较大，如9013、9014等

在200以上）1.4.2光耦合器1.4.1光敏晶体管1.4特殊晶体管简介1.4.1光敏晶体管像光电二极管一样实现光-电转换外，还能放大光电流。有NPN和PNP型之分。ecc(+)e(–)3DU5C外型符号IC=（1+

）IL

=100~10001.4.2光耦合器一、基本原理+–ce发光器件LED受光器件光敏二极管光敏晶体管实现

电-光-电传输和转换二、类型、特点和用途分类：普通光耦合器线性光耦合器，用作光电开关。，输出随输入成线性比例变化。特点：抗干扰性能好、隔噪声、响应快、寿命长。用作线性传输时失真小、工作频率高；用作光电开关时无机械触点疲劳，可靠性高。用途：实现电平转换、电信号电气隔离。课堂练习1、在下图中，三极管的各极对地电压如图中所示，试分析各三极管的情况。（1）是NPN型还是PNP型？（2）是锗管还是硅管？（3）是处在三极管输出特性的哪个区?有无损坏的管子？

模拟信号是时间的连续函数，处理模拟信号的电路称为模拟电子电路。模拟电子电路中的三极管通常都工作在放大状态，它和电路中的其他元件构成各种用途的放大电路。三极管基本放大电路按结构可分为共射、共集和共基极三种。而基本放大电路又是构成各种复杂放大电路和线性集成电路的基本单元。

在实践中，放大电路的用途是非常广泛的，它能够利用三极管的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值，例如常见的扩音机就是把微弱的声音变大的放大电路。声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用三极管的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器（喇叭）还原成为放大了的声音。引言2.1.1基本放大电路的组成和元器件作用2.1.2放大电路中电压、电流的方向及符号规定2.1.3基本放大电路的工作情况2.1基本放大电路2.1.4直流通路和交流通路

2.1.1基本放大电路的组成和元器件作用

共射基本放大电路1.电路元件的作用三极管VT：放大电路的核心元件。基极直流电源UBB：为发射结提供正向偏置电压。基极偏置电阻Rb：它和电源UBB一起，给基极提供一个合适的基极电流IB，另外，Rb还保证在输入信号ui的作用下能引起iB作相应的变化。集电极直流电源UCC：为集电结提供反向偏置电压，同时为输出信号提供能量。集电极负载电阻RC：将集电极电流iC的变化转换成集-射极之间电压uCE的变化。即把三极管的电流放大特性以电压的形式表现出来。耦合电容C1和C2：也称隔直电容，其作用是隔离直流，通过交流。

2.1.1基本放大电路的组成和元器件作用

共射基本放大电路2.放大电路的组成原则1）必须有直流电源，且电源的极性必须使发射结处于正向偏置而集电结处于反向偏置，以保证三极管处于放大状态。2）输入回路的接法，应当使输入的变化电压ui能产生变化的电流iB，因为iB直接控制着iC。3）输出回路的接法，应产生受iB控制的iC，并且尽可能多地流到负载上去，减少其他支路的分流。4）为了保证放大电路的正常工作，必须在没有外加信号时，使三极管不仅处于放大状态，还要有一个合适的直流电压和电流，即必须合理设置静态工作点，以保证输出信号不产生明显的非线性失真。

2.1.1基本放大电路的组成和元器件作用

基本共射放大电路3.放大电路的简化

2.1.2放大电路中电压、电流的方向及符号规定

1.电压、电流正方向的规定

2.电压、电流符号的规定（1）直流分量：用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。（2）交流分量：用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。（3）总变化量：是直流分量和交流分量之和，即交流叠加在直流上，用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总瞬时值，其数值为iB=IB+ib。（4）交流有效值：用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值。（5）交流量的幅值：用大写字母和小写下标表示。如Ibm表示基极的正弦交流电流的幅值。tuO总瞬时值直流量交流有效值uBE=UBE

+ube交流瞬时值3.晶体管基极与发射极间的电压波形2.1.3基本放大电路的工作情况

1．静态时的情况

静态：ui=0，电路中只有直流电源作用时放大电路的工作状态。

静态工作点：静态时，各极电流、电压反映在输入、输出特性上的点，常用“Q”表示。直流通路+UCCRcRb输入特性OiBuBE输出特性iCuCE

OIB+UBE

IBUBEQIC+UCE

IBICUCEQ

2．动态时的情况

动态：指放大电路输入信号不为零时的工作状态。

1.直流通路

当输入信号ui=0时，在直流电源UCC的作用下，直流电流所流过的路径。画直流通路的原则：电路中的耦合电容、旁路电容开路，电感短路。

2.交流通路

在信号源ui的作用下，只有交流电流所流过的路径。画交流通路的原则：放大电路中的耦合电容、旁路电容短路（1/j

C0）；由于直流电源UCC的内阻很小，对交流变化量几乎不起作用，故可看作短路。2.1.4直流通路和交流通路

例2-1

画出基本共射放大电路的交、直流通路。

电路直流通路交流通路课堂练习1.画出图所示电路的直流通路和交流通路。

2.2用图解法分析共射极基本放大电路

图解法静态分析的目的是确定静态工作点，求得IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ的具体数值。显然，静态分析的对象应是直流通路，图解法静态分析的关键是作直流负载线。

共射基本放大电路直流通路2.2用图解法分析共射极基本放大电路1.静态分析用图解法求IBQ、UBEQ输入回路的直流负载线方程：

静态工作点的数值

:UBEQ=0.7V，IBQ=39μA≈40μA

直流通路1）由输入回路求IBQ、UBEQ

用图解法求ICQ、UCEQ输出回路的直流负载线方程：

静态工作点的数值

:

UCEQ=6V，ICQ=1.5mA

2）由输出回路求ICQ、UCEQ

直流通路2.动态分析

图解法动态分析的目的是观察放大电路的动态工作情况，即输入信号时三极管各极电压电流的波形，研究放大电路的非线性失真，求得最大不失真输出幅值。而动态分析的对象是交流通路，分析的关键是作交流负载线。放大电路输入回路（1）输入回路中uBE和iB的波形2.动态分析共射基本放大电路交流通路交流负载线方程（2）输出回路中uCE和iC的波形1）作交流负载线

输出回路直流负载线（

1/RC）交流负载线（

1/R’L）2.动态分析（2）输出回路中uCE和iC的波形2）求iC和uCE的波形直流负载线方程：

交流负载线方程：3.放大电路的非线性失真

因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。1）截止失真NPN管：顶部失真为截止失真。PNP管：底部失真为截止失真。不发生截止失真的条件：IBQ>Ibm,ICQ≥Icm+ICEO(pt)

OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBuiuCEiCictOOiCOtuCEQuce交流负载线2）饱和失真NPN管：

底部失真为饱和失真。PNP管：顶部失真为饱和失真。不接负载时，交、直流负载线重合，U

CC=UCC不发生饱和失真的条件：UCEQ≥Ucem+UCESuCEiCtOOiCO

tuCEQU

CC4.估算最大不失真输出幅值Uom

用图解法估算最大不失真输出幅值UCD

和UDE中数值小的一个为Uom

交流负载线（斜率为

）UCDUDE输入信号电压最大幅值为Uim=只要静态工作点选择适当，Ui

＜Uim

，就不会产生非线性失真。课堂练习已知固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线如图所示，试求：1）电源电压UCC；2）静态工作点；3）电阻Rb、RC的值；4）要使该电路能不失真地放大，基极电流交流分量的最大幅值Ibm为多少?2.3用等效电路法分析共射极基本放大电路

2.3用等效电路法分析共发射极基本放大电路一、静态分析UCC=

IB

Rb

+

UBE

IB

=

(UCC

–

UBE)/

RbIC=

IBUCE

=

UCC–

IC

RC直流通路+UCCRcC1C2RL+Rb+ui

+uo

AA’BB’+UCCRcRbIB+UBE

IC+UCE

[例2-1]在下图所示单管共射放大电路中，已知三极管的β=40，UCC=12V，试估算静态时IBQ、ICQ、UCEQ之值。直流通路解：注意：使用ICQ=

IBQ的条件是晶体管必须工作在放大区。

[例2-1]在下图所示单管共射放大电路中，已知三极管的β=40，UCC=12V，试估算静态时IBQ、ICQ、UCEQ之值。直流通路

如果算得的UCEQ值小于1V，说明三极管已处于饱和状态，ICQ将不再与IBQ成β倍的关系，此时，集电极电流称为集电极饱和电流ICS。

通常令临界饱和基极电流为IBS二、动态分析

1、晶体管的交流微变等效电路（1）输入回路的微变等效动态电阻：BJT内部电阻示意图b’ecbrbb’rbb’—基区体电阻rb’erb’e—发射结电阻r’er’e—发射区体电阻rbb’通常为几百欧（取300

）re=rb’e+r’e

rb’e注意！rbe

UBE/IB，因为rbe是动态电阻，而式右是静态参数，不能混淆。（2）输出回路的微变等效晶体管微变等效电路+uce–+ube–

ibiccberbe

eibic

ib+ube

+uce

bc（3）放大电路的输入、输出电阻输入电阻：Ri越大，Ui与Us越接近。输出电阻：（1）实验法：（2）加压求流法：+–URo越小带载能力越强2、动态分析的方法和步骤+VCCRcC1C2RL+Rb+ui

+uo

AA’BB’（1）画交流微变等效电路（2）求电压放大倍数R’L=Rc//RL（3）求输入电阻（4）求输出电阻Ro

=RC+Uo

+–

RbRLrbe

e

IbbcRCIbIcUiIi+–输入输出相位相反（5）源电压放大倍数+Uo

+–

RbRLrbe

e

IbbcRCIbIcUiUsRsIi[例2-2]晶体管硅管，UCC

=12

V

，

=40，求：Au、Ri、Ro。

+UCCRcC1C2RL+Rb+us

+uo

0.6k3.9k3.9k300k+RS[解]rbe=300

+26mV/IB

=1k

=

–

78Ro=RC=

3.9

k

课堂练习1.

已知如图所示电路三极管的β=100，负载电阻RL=2kΩ，试用微变等效电路法求解下列问题：1）不接负载电阻时的电压放大倍数；2）接负载电阻RL=2kΩ时的电压放大倍数；3）电路的输入电阻和输出电阻；4）信号源内阻RS=500Ω时的源电压放大倍数。2.4用等效电路法分析共集电极基本放大电路2.4用等效电路法分析共集电极基本放大电路(射极输出器、射极跟随器)1、静态分析UCC=

IBQ

Rb

+

UBEQ

+

IEQ

Re=IBQ

Rb+

UBEQ+(1+

)

IBQReIBQ

=

(UCC

–

UBEQ)/

[Rb

+

(1+

)

Re]ICQ=

IBQUCEQ

=UCC–

IEQ

Re≈UCC

–

ICQ

Re直流通路二、动态分析交流通路微变等效电路电压放大倍数：1输入电阻：

特点：Au

1

输入输出同相，Ri

高，Ro

低用途：输入级，输出级，中间缓冲级输出电阻：共集电极电路输出电阻的等效电路

微变等效电路2.5用等效电路法分析共基极基本放大电路2.5共基极放大电路习惯画法电路图1、静态分析（略）直流通路+UCCRcCbC2RLRe+++Rb1Rb2RS+us

+uo

C1+ui

+UCCRcCbC2RLRe++Rb1Rb2RS+us

+uo

C1++ui

2.5共基极放大电路电路图+UCCRcCbC2RLRe+++Rb1Rb2RS+us

+uo

C1+ui

习惯画法+UCCRcCbC2RLRe++Rb1Rb2RS+us

+uo

C1++ui

2、动态分析交流通路RcReRS+us

RL+ui

+uo

微变等效电路+Uo

RcReRS+Us

RLrbeIoIcIeIiIb

Ib+Ui

2、动态分析+Uo

RcReRS+Us

RLrbeIoIcIeIiIb

Ib+Ui

RiR

iRoRo=RC特点：1.Au大小与共射电路相同，输出电压与输入电压同相，有比较大的电压放大倍数，但无电流放大作用。

2.输入电阻小，输出电阻较大，Aus

小。用途：频率响应好，常用于宽频带放大电路中。课堂练习1.在如图所示的射极输出器中，已知β=100，UBEQ=0.7V，rbe=1.5kΩ。1）估算静态工作点；2）分别求出RL=∞和RL=3kΩ时放大电路的电压放大倍数Au为多少？3）计算输入电阻Ri和输出电阻Ro；4）若信号源内阻Rs=1kΩ，RL=3kΩ，则此时源电压放大倍数Aus为多少?2.6稳定静态工作点的放大电路温度

，输入特性曲线

温度

，输出特性曲线

OT1T2>iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0O一、温度对静态工作点的影响温度对ICEO的影响温度每升高10

C，

ICBO

约增大1倍,ICEO=(1+

)ICBO2.温度对UBE

的影响温度每升高1

C，

UBE

(22.5)mV。3.温度对

的影响温度每升高1

C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。二、分压式工作点稳定电路不受晶体管和温度变化的影响（2）Re产生反映IC变化的UE，引起UBE变化，使

IC基本不变。

稳定“Q”的原理：T

IC

UE

UB固定

UBE

IB

IC

I1(或I2)

>>IB1、稳定静态工作点的原理（1）Rb1

、Rb2的分压作用固定UB：选用Rb1

、Rb2

时使：2、静态分析直流通路3、动态分析Ro=Rc交流通路

微变等效电路1.电压放大倍数：2.输入电阻：3.输出电阻：3、动态分析

Ce去掉后的微变等效电路Rc