《电工电子技术》-第三章

3.1半导体及PN结导电性能介于导体(Conductor)与绝缘体(Insulator)之间的材料，叫做半导体(Sem-iconductor)。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体，化合物半导体最常用的有砷化嫁、磷化稼等。3.1.1本征半导体没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。更通俗地讲，完全纯净的半导体称为本征半导体。例如，用于制造半导体器件的纯硅和锗都是晶体，它们都是四价元素，其原子核最外层有四个价电子，都是由同一种原子构成的“单晶体”，均属于本征半导体。下一页返回3.1半导体及PN结在纯硅和锗的单晶体结构中，原子在空间形成排列整齐的点阵(称为晶格)，价电子为相邻的原子所共有，形成如图3-1所示的共价键结构，图中+4代表四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷。共价键中的价电子，将受共价键的束缚。在室温或光照下，少数价电子可以获得足够的能量以摆脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，如图3-2所示。这种现象称为本征激发，这个空位称为空穴，可见本征激发产生的自由电子和空穴是成对的。原子失去价电子后带正电，可等效地看成是因为有了带正电的空穴。空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子去填补，使空位发生转移，这种价电子填补空穴的运动可以看成空穴在运动，但其运动方向与价电子的运动方向相反。上一页下一页返回3.1半导体及PN结自由电子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合。温度一定时，自由电子和空穴的产生与复合达到动态平衡，这时晶体中的自由电子和空穴的浓度一定。在电场作用下，自由电子和空穴将作定向运动，这种运动称为漂移，所形成的电流称为漂移电流。自由电子又称为电子载流子，空穴又称为空穴载流子。因此，半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电，分别形成电子电流和空穴电流。

常温下本征半导体的导电能力很差，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多，但是半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。上一页下一页返回3.1半导体及PN结3.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入微量其他元素后所形成的半导体称为杂质半导体，掺入的其他元素称为杂质元素，杂质半导体的导电能力比同等条件下的本征半导体要强一些。按掺入杂质元素的不同可分为N型半导体和P型半导体。

在四价的硅(或锗)中掺入五价元素(如磷、砷、锑等)后，杂质原子替代了晶格中某些四价元素原子的位置，如图3-3所示。杂质原子与周围四价元素原子结合成共价键时多出一个价电子，这个多出的价电子在室温下就容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，杂质原子则变成带正电荷的离子，称施主离子。掺入多少杂质原子就能电离产生多少个自由电子，因此自由电子的浓度极大地增加。上一页下一页返回3.1半导体及PN结这时，由本征激发产生的空穴被复合的机会增多，使空穴浓度减少。这种以电由电子导电为主的半导体称为N型(或电子型)半导体，其中自由电子为多数载流子(简称多子)，空穴为少数载流子(简称少子)。在四价的硅(或锗中)掺入三价元素(如硼、铝、锢等)后，杂质原子与周围的四价元素原子形成共价键时因缺少一个价电子而产生一个空位，室温下这个空位极易被邻近共价键中的价电子所填补，使杂质原子变成负离子，称为受主离子，如图3-4所示，这种掺杂使空穴的浓度极大地增加，形成以空穴导电为主的半导体，称为P型(或空穴型)半导体，其中空穴为多子，自由电子为少子。上一页下一页返回3.1半导体及PN结如图3-5所示为杂质半导体中载流子和杂质离子。虽然杂质离子带电荷，但不能移动，因此它不是载流子;杂质半导体中虽然有一种载流子占多数，但整个半导体仍呈电中性。

杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，而多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大并且稳定，因此导电性能得到显著改善。少子浓度主要与本征激发有关，因此对温度敏感，其大小随温度的升高而增大。3.1.3PN结

1.PN结的形成采用特定的制造工艺，可以在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体。上一页下一页返回3.1半导体及PN结由于P型和N型半导体交界面两侧的两种载流子浓度有很大的差异，因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区的运动，这种运动称为扩散。P区中的多子空穴扩散到N区，与N区中的自由电子复合而消失;N区的多子自由电子向P区扩散并与P区中的空穴复合而消失。结果使交界面附近载流子浓度骤减，形成了由不能移动的杂质离子构成的空间电荷区，同时建立了内建电场(简称内电场)，内电场方向由N区指向P区，如图3-6所示。上一页下一页返回3.1半导体及PN结电场将产生两个作用:一方面阻碍多子的扩散运动，另一方面促使两个区靠近交界面处的少子产生漂移运动。起始时内电场较小，扩散运动较强，漂移运动较弱，随着扩散的进行，空间电荷区增宽，内电场增大，扩散运动逐渐减弱，漂移运动逐渐加强。外部条件一定时，扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，即扩散过去多少载流子必然漂移过来同样多的同类载流子，因此扩散电流等于漂移电流。这时，空间电荷区的宽度一定，内电场一定，形成了所谓的PN结。PN结内电场的电位称为内建电位差，用Ua表示，其数值一般为零点几伏。室温时，硅材料PN结的内建电位差为0.5~0.7V，锗材料PN结的内建电位差为0.2~0.3V。上一页下一页返回3.1半导体及PN结由于空间电荷区中载流子极少，所以空间电荷区又称为耗尽区。另外，从PN结内电场阻碍多子扩散这个角度来说，空间电荷区也可称为阻挡层或势垒区。

2.PN结的单向导电特性加在PN结上的外部电压称为偏置电压，若P区接电位高端、N区接电位低端，则称PN结外接正向电压或PN结正向偏置，简称正偏;反之，称PN结外接反向电压或反向偏置，简称反偏。上一页下一页返回3.1半导体及PN结PN结正偏时，外电场使P区的多子空穴向PN结移动，并进入空间电荷区和部分负离子中和;同样，N区的多子自由电子也向PN结移动，并进入空间电荷区和部分正离子中和，因此PN结变窄，如图3-7所示，这时内电场减弱，扩散运动将大于漂移运动，多子的扩散电流通过回路形成正向电流。当外加正向电压增加到一定值后，正向电流将显著增加，此时，PN结呈现很小的电阻，称为导通。为了限制正向电流值，通常在回路中串接限流电阻R。上一页下一页返回3.1半导体及PN结PN结反偏时，外电场使P区的空穴和N区的电子向离开PN结的方向移动，空间电荷区变宽，如图3-8所示。因此，内电场增强，多子的扩散运动受阻，而少子的漂移运动加强，这时通过PN结的电流(称为反向电流)由少子的漂移电流决定。由于少子浓度很低，所以反向电流很小，一般为微安级，相对于正向电流可以忽略不计。反向电流在一定范围内几乎不随外加电压而变化，故又称为反向饱和电流。此时，PN结呈现很大的电阻，称为截止。上一页下一页返回3.1半导体及PN结综上所述，PN结正偏时导通，呈现很小的电阻，可以通过较大的的正向电流;反偏时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。因此，PN结具有单向导电特性。

3.PN结的击穿特性当加于PN结两端的反向电压增大到一定数值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。上一页下一页返回3.1半导体及PN结反向击穿后，只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，PN结一般不会损坏。若反向电压下降到击穿电压以下，其性能可恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿;若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。热击穿会导致半导体器件损坏，实际应用中应该绝对避免。

PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种机理。不同材料制成的PN结的击穿电压数值差别很大。上一页返回3.2二极管的特性及主要参数3.2.1半导体二极管的结构和类型在PN结的两端各引出一根电极引线，然后用外壳封装起来就可构成半导体二极管，如图3-9(a)所示，其电路符号如图3-9(c)所示。由P区引出的电极称正极(或阳极)，由N区引出的电极称负极(或阴极)，电路符号中的箭头方向表示正向电流的流通方向。

按PN结面积的大小，半导体二极管可分为点接触型和面接触型两类。下一页返回3.2二极管的特性及主要参数点接触型二极管的PN结面积很小，所以它不能承受大的电流和高的反向电压，但极间电容很小，所以这类管子适用于高频电路。例如，2AP1是点接触型锗二极管，其最大整流电流为16mA，最高工作频率为150MHz，但最高反向工作电压只有20V。面接触型二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容较大，这类器件适用于低频电路，主要用于整流电路，如图3-9(b)所示。例如，2CZ53C为面接触型硅二极管，其最大整流电流为300mA，最大反向工作电压为100V，而最高工作频率只有3kHz。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数3.2.2二极管的伏安特性二极管的内部结构主要是一个PN结，因此，它同样有单向导电性。在外加于二极管两端的电压UD的作用下，二极管中流过电流iD的变化规律如图3-10所示，它称为二极管的伏安特性曲线。当二极管外加正向电压小于Uth时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，因此将电压Uth称为门槛电压(又称死区电压)。在室温下硅管Uth0.5V,锗管Uth0.1V。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数当外加正向电压大于Uth后，PN结的内电场大为消弱，实际电路二极管导通时的正向压降中，硅管约为0.6~0.8V，锗管约为0.1~0.3V，因此工程上定义这一电压为导通电压，用UD(on)表示。一般认为UD>UD(on)时，二极管导通，iD明显增大，而UD<UD(on)时，iD很小，二极管截止。工程上，一般取硅管UD(on)=0.7V,锗管UD(on)>=0.2V。二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，且与反向电压无关，约等于IS。在室温下，小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1uA，锗管约为几十微安。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数当加于二极管两端的反向电压增大到UBR时，二极管内部的PN结被击穿，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，可能会导致二极管损坏。其中，UBR称为反向击穿电压。3.2.3二极管的主要参数描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号的二极管均用表格形式列出其参数。二极管的主要参数有以下几种。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数1.最大平均整流电流IFIF是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时，工作电流应小于IF

，否则，可能导致结温过高而烧毁PN结。

2.最高反向工作电压URMURM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压UBR时，二极管可能被击穿损坏，因而，URM通常取为(1/2~2/3)UBR。

3.反向电流IRIR是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR=IR(sot)，但考虑表面漏电等因素，实际上IR要稍大一些。入越小，表明二极管的单向导电性能越好。另外，IR与温度密切相关，使用时应注意。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数4.最高工作频率fMfM是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。fM的大小主要由二极管的电容效应来决定。

5.二极管的电阻二极管在电路中可以看成一个等效电阻，且有直流电阻与交流电阻之别。

(1)直流等效电阻RD

直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压UD与流过二极管的直流电流ID之比，即RD的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出的二极管电阻即直流电阻。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数不过应注意的是，使用不同的欧姆挡测出的直流等效电阻不同，其原因是二极管工作点的位置不同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。

(2)交流等效电阻rdrd亦随工作点而变化，是非线性电阻。通常，二极管的交流正向电阻在几欧姆到几十欧姆之间。需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性也很大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。上一页下一页返回3.2二极管的特性及主要参数温度对二极管的特性有显著影响，如图3-11所示。当温度升高时，正向特性曲线向左移，正向压降减小，而反向特性向下移，反向电流增大。若温度过高，可能导致PN结失去单向导电特性，甚至烧毁。一般规定硅管所允许的最高结温为150~200oC，锗管的为75~150oC。上一页返回3.3二极管的等效模型为了便于分析，二极管在电路中经常根据电路实际情况进行等效。常用的等效模型有理想模型、恒压降模型和小信号微变等效模型。理想模型和恒压降模型通常在电路中只有直流或者交流电源时使用，小信号微变等效模型用于电路中同时含有直流和小信号交流电源时。3.3.1理想模型理想模型将二极管等效为开关，如图3-12所示。即二极管正向偏置时，等效电阻为零，管压降为零;二极管反向偏置时，等效电阻为无穷大。下一页返回3.3二极管的等效模型3.3.2恒压降模型恒压降模型将二极管等效为理想二极管和一个电压源(即UD(on))的串联，如图3-13所示。即加在二极管两端的电压大于UD(on)时，二极管导通，等效电阻为零，二极管的两端管压降恒定为UD(on)

；而加在二极管两端的电压小于UD(on)时，二极管截止，其等效电阻为无穷大。上一页下一页返回3.3二极管的等效模型3.3.3小信号微变等效模型电路中同时含有直流和小信号交流电源时，二极管中通过的电流既有直流又有交流成分。分析交、直流量共存的电子电路，通常对直流状态和交流状态分别进行讨论(也称静态分析和动态分析)，然后再进行综合。在进行小信号交流分析时要用到小信号微变等效模型。当交流信号幅值很小时，二极管的伏安特性可以近似为一小段直线，二极管的交流等效电阻可近似为常数，其值为其中:IQ为静态分析时求出的通过二极管的直流电流，称为二极管的静态电流。上一页返回3.4特殊二极管

二极管的种类很多，除普通二极管外，常用的还有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。3.4.1稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，其符号和伏安特性曲线如图3-14所示。它的正向特性曲线与普通二极管相似，而反向击穿特性曲线很陡。正常情况下，稳压二极管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。因此，在稳压电路中应给稳压二极管串联适当阻值的限流电阻。下一页返回3.4特殊二极管3.4.2发光二极管发光二极管简称LED，是一种通以正向电流就会发光的二极管，由某些自由电子和空穴复合时就会产生光辐射的半导体材料制成。采用不同材料，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光，其电路符号如图3-15所示。发光二极管伏安特性与普通二极管相似，不过它的正向导通电压较大，一般可达1.7~2V，同时发光的亮度随通过的正向电流增大而增强，工作电流为几毫安到几十毫安，典型工作电流为10mA左右。发光二极管主要用于信号显示或指示，应用时应在电路中串联适当阻值的限流电阻。上一页下一页返回3.4特殊二极管3.4.3光电二极管光电二极管的结构与普通二极管相似，但其PN结面积较大，且管壳上有一个透光的窗口，可接收外部的光照。使用时，光电二极管的PN结工作在反向偏置状态，在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升(这时反向电流称为光电流)，其电路符号如图3-16所示。另外，光电流还与入射光的波长有关。

无光照射时，光电二极管的伏安特性和普通二极管一样，此时的反向电流称为暗电流，一般为几微安，甚至更小。

光电二极管可用作光的测量，是将光信号转变为电信号的半导体器件。利用光电二极管的工作原理可制成太阳能电池。上一页返回3.5半导体三极管

三极管有双极型半导体三极管和单极型半导体三极管两种，在电路中最主要的功能是电流放大和开关作用。3.5.1晶体三极管双极型半导体三极管又叫晶体三极管，通常简称晶体管，它是放大电路最基本的元件之。三极管的内部结构为两个PN结，这两个PN结是由三层半导体区形成的。根据三层半导体区排列的不同方式，可分为NPN型和PNP型两种，如图3-17所示。下一页返回3.5半导体三极管如图3-17(a)所示是NPN型晶体管的结构，它由三层半导体制成，中间是很薄且掺杂浓度低的P型半导体，称为基区，下面是掺杂浓度高的发射区，上面是面积较大的集电区;从各区引出的电极相应地称为基极、发射极和集电极，分别用玩ec表示;集电区与基区之间的PN结称为集电结，基区与发射区之间的PN结称为发射结。图3-17(b)所示是PNP型晶体管的结构和符号，各电极的电压极性和电流流向与NPN型管相比正好相反，所以在电路符号中，NPN型管的发射极电流是流出的，而PNP型管的发射极电流则是流入的。上一页下一页返回3.5半导体三极管晶体管的发射区掺杂浓度高，基区薄且掺杂浓度低，集电结面积大，这些制造工艺和特点是晶体管起放大作用所必须具备的内部条件。3.5.2电流放大原理晶体管要起放大作用，除了必须满足上述内部条件外，还必须满足发射结正偏、集电结反偏的外部偏置条件，下面以NPN型管为例，来讨论晶体管的电流放大工作原理。如图3-18所示，基极电源UBB经限流电阻RB，给基极b和发射极e之间加上偏置电压UBE>0，因此发射结正偏;集电极电源UCC通过集电极电阻RC使集电极加上正电压，只要满足UCB>0，就可使集电结反偏，这样就满足了电流放大工作的外部偏置条件。上一页下一页返回3.5半导体三极管通常发射结所在的回路称为晶体管的输入回路，集电结所在的回路称为晶体管的输出回路。图中发射极e为输入、输出回路的公共端，这种连接方式称为共发射极接法，相应电路称为共发射极电路。

由于共发射结正偏，故发射结的扩散运动很强，发射区的多子(电子)不断地向基区扩散，并不断地由电源得到补充，形成电流IE;基区多子(空穴)也要向发射区扩散，但其数量很小，故可以忽略。到达基区的电子继续向集电区方向扩散，在扩散过程中，少数电子与基区的空穴复合，形成基极电流IB。由于基区很薄且掺杂浓度低，绝大多数电子都能扩散到集电结边缘，由于集电结反偏，这些电子几乎全部漂移过集电结，形成集电极电流IC。上一页下一页返回3.5半导体三极管可见，IB和IC是由IE分配得到的。这三个电流之间的关系为IC远大于IB

，且当基极电源VBB改变时，发射结正偏电压将随之改变，IC和IB也会发生相应的变化，由于IC远大于IB

，因此对应IB很小的变化就能得到IC的较大变化，这就说明晶体管具有电流的放大作用，其实质为可以用较小的电流IB控制较大的电流IC。IC与IB的比值反映了晶体管的电流放大能力，通常用参数表示，即上一页下一页返回3.5半导体三极管

称为晶体三极管的共发射极直流电流放大系数。显然,3.5.3晶体三极管的特性曲线晶体管的特性曲线是指晶体管的极电流与极间电压之间的函数关系，下面讨论共发射极接法时的输入和输出特性。

1.输入特性输入特性描述UCE为某一常数，晶体管的输入电流iB与输入电压的函数关系，即

上一页下一页返回3.5半导体三极管图3-19所示为某NPN型硅管的输入特性曲线，对应一个UCE值可画出一根曲线，因此输入特性由一簇曲线构成。由图可得出以下两个结论。(1)晶体管输入特性与二极管特性类似，在发射结电压UBE大于死区电压时才导通，导通后UBE近似为常数。

(2)当UCE>=1V后，曲线几乎重合为同一条线。在实际使用中，多数情况下满足UCE>=1V，因此通常用的是最右边这根曲线。由该曲线可知，硅管的死区电压约为0.5V，导通电压(用UBE(on)表示)约为0.6~0.8V，通常取0.7V。对于锗管，死区电压约为0.1V，导通电压约为0.2~0.3V，通常取0.2V。上一页下一页返回3.5半导体三极管2.输出特性输出特性描述IB为某一常数时，晶体管的输出电流IC与输出电压UCE之间的函数关系，即对应一个IB值可画出一根曲线，因此输出特性曲线也由一簇曲线构成，如图3-20所示。三极管的输出特性曲线通常划分为放大、饱和和截止三个工作区域。放大区，即图中IB>0，且UCE>UBE的区域，为一簇几乎和横轴平行的间隔均匀的直线。当发射结正偏导通、集电结反偏时，管子就工作于这个区域。这时，说明IC正比于IB，管子具有线性放大作用，而且IC与UCE无关，管子具有恒流特性。上一页下一页返回3.5半导体三极管饱和区，即图中IB>0且UCE>UBE的区域，为一簇紧靠纵轴且很陡的曲线。当发射结正偏导通、集电结正偏时，管子就工作于这个区域。这时管子不具有放大作用，，IC基本不受IB控制而随着UCE的减小迅速减小。饱和时c和e之间的压降称为饱和压降，记为UCE(sat)，对于小功率NPN型硅管，。当UCE=UBE时，管子工作于放大和饱和的分界点，称为临界饱和，临界饱和时三极管仍具有放大作用。截止区，即图中IB<=0的区域。当发射结零偏或反偏、集电结反偏时，管子就工作于这个区域。这时管子截止不导通，。上一页下一页返回3.5半导体三极管由饱和、截止特性可见，晶体管的c和e之间此时可等效为一个开关，饱和时c和e之间电压近似为零，等效为开关合上，截止时c和e之间的电流近似为零，等效为开关断开。3.5.4晶体三极管的主要参数晶体管三极管的主要参数有电流放大系数、极间反向电流、极限参数等，前两者反映了管子性能的优劣，后者表示管子的安全工作范围，它们是选用晶体管的依据。

1.电流放大系数电流放大系数反映晶体管的电流放大能力，常用的是共发射极电流放大系数。前面已经介绍了共发射极直流放大系数，它为共发射极电路的直流电流IC与电流IB之比，即上一页下一页返回3.5半导体三极管除此之外，还有共发射极交流电流放大系数，它定义为共发射极电路的输出电流变化量与输入电流变化量之比，即显然，和的含义不同的，但在多数情况下，两者基本相等且为常数，因此一般可混用。在器件手册中有时用hFE来代表，其值通常在20~200之间。

2.极间反向电流极间反向电流有ICBO和ICEO，它们是反映晶体管温度稳定性的重要参数。

ICBO为集电极一基极反向饱和电流，它是发射极开路时流过集电结的反向饱和电流。室温下，小功率硅管的ICBO小于1uA，锗管的ICBO约为几十微安。上一页下一页返回3.5半导体三极管ICBO为基极开路，c、e之间加上正向电压时，从集电极直通到发射极的电流，称为穿透电流。可证明。

ICBO和ICEO均随温度的上升而增大。其值越小，晶体管受温度影响就越小，温度稳定性就越好。硅管的ICBO和ICEO远小于锗管，因此实用中多用硅管。当较大时，ICEO也会较大，因此实际中刀不宜过高，一般选用=40~120的管子。

3.极限参数极限参数主要指晶体管允许的最高极间电压、最大工作电流和最大管耗，它们确定了管子的安全工作范围。上一页下一页返回3.5半导体三极管(1)集电极最大允许电流ICMICM指晶体管的参数变化不超过规定值时允许的最大集电极电流。当集电极电流超过ICM时，刀值明显下降，但不一定会损耗管子，若电流过大，则会烧坏管子。

(2)集电极最大允许功率损耗PCM

晶体管的损耗功率主要为集电结功耗，通常用集电极功耗PC表示，PC=IC.UCE，它会使集电结温度升高而使管子发热。PCM就是由允许的最高集电结结温决定的最大集电极功耗，当PC>PCM时，管子性能变坏，甚至会烧毁。上一页下一页返回3.5半导体三极管(3)反向击穿电压U(BR)CEO、U(BR)CBO、U(BR)EBOU(BR)CEO指基极开路时，集电极一发射极的击穿电压;U(BR)CBO指发射极开路时，集电极一基极间的反向击穿电压;队BR)EB。集电极开路时，发射极一基极间的反向击穿电压。U(BR)EBO<U(BR)CEO<U(BR)CBO

。当晶体管的工作点位于IC<ICM、UCE<U(BR)CEO

、PC<PCM的区域内时，管子能安全工作，因此称该区域为安全工作区，如图3-21所示。

4.温度对晶体管特性的影响温度主要影响三极管的导通电压、和ICBO。当温度升高时，导通电压减小，和ICBO增大，其变化规律为:温度每升高1oC，导通电压值约减小2~2.5mV,月增大0.5s%~1%;温度每升高10oC，ICBO约增加1倍。上一页返回3.6晶体三极管电路分析方法

晶体三极管电路中如果只有直流电源，可以用直流分析法求解;如果既有直流电源又有小信号交流电源，则可以分别作直流分析和交流分析，然后再求电压、电流的总和。直流分析主要确定晶体管的工作状态，其分析方法主要为工程近似分析法;交流分析主要确定电路的放大性能。下面结合例题进行介绍。3.6.1晶体三极管开关电路利用晶体管的饱和及截止特性可构成开关电路，下面以图3-22所示的电路为例加以说明。图中，当输入电压Ui为高电平UIH时，晶体管工作于饱和状态，c,e之间等效为开关合上，LED将导通发光;当输入电压Ui为低电平0V时，晶体管截止，c,e之间等效为开关断开，LED不能导通发光，可见晶体管具有开关作用，它是一个受基极信号控制的电子开关。下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法晶体管要起开关作用，其输入信号的幅度必须足够大，以保证晶体管可靠地工作于截止状态或饱和状态，即可靠地关或可靠地开。3.6.2晶体三极管放大电路

1.直流电路分析

[例3.1]如图3-23所示为硅晶体管的直流电路(/3=100)，试求该直流电路中的基极电流、集电极电流、发射结电压和集一射极电压(通常分别用IBQ、ICQ、IBEQ、UCEQ表示)。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法[解](1)用工程近似法求解观察图3-23(a)所示电路可知，发射结能正偏导通，而硅晶体管导通时，，故由晶体管输入回路可得设晶体管工作于放大状态，则有

，所以晶体管确实工作于放大状态，上述计算结果有效，即基极电流、集电极电流、发射结电压和集一射极电压分别为上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法(2)用图解分析法求解通常先采用上述估算法求的IBQ=30uA，再对晶体管的输出回路进行图解分析。根据图3-23所示晶体管的输出电路，可写出下列方程组

(3.1) (3.2)

式(3.1)表示晶体管的输出伏安特性，它对应IBQ=30uA的那根输出特性曲线;式(3.2)表示晶体管输出端外电路的伏安特性，称为晶体管的输出回路的直流负载方程式，在晶体管输出曲线所在的坐标值即为该方程组的解。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法由于UCC=6V,RC=1kΩ，令IC=0，则UCE=UCC=6V，可得横轴截点M(6V,0);令UCE=0，IC=UCC/RC=6V/1kΩ=6mA，可得纵轴截点N(0,6mA);连接点M,N，便得直流负载线MN，它与IBQ=30uA对应的输出曲线相交于Q点，如图3-23(b)所示。由Q点坐标可读得ICQ=3mA,UCEQ=3V，可见与近似分析法中所得结果一致。

由于Q点确定了管子的直流工作参数，因此称为直流工作点，根据它在输出特性曲线中的位置，可确定管子的工作状态，只有当直流工作点位于放大区时，管子才能起放大作用。由上述分析可见，晶体管饱和时的集电极电流不能由求得，而应根据晶体管输出端外电路求得。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法2.晶体管基本放大电路及其分析方法

放大电路是应用最广泛的一种功能电路，其作用是将输入信号进行不失真放大。由晶体管组成的基本放大电路如图3-24所示(共发射极放大电路)。图中，ui为待放大的输入电压，u0为放大后的输出电压;VBB为基极偏置电源，它通过Rb供给晶体管发射结正向偏置电压，使晶体管导通;UCC为集电极直流电源，它通过RC供给晶体管集电结反向偏置电压，使晶体管工作于放大区;RC称为集电极直流负载电阻，利用它的降压作用，将晶体管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化，从而实现信号的电压放大;C1和C2用以藕合交流、隔断直流，称为隔直藕合电容，其容量应足够大，对交流信号的容抗近似为零。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法下面通过图3-24讨论放大电路的工作原理。为便于区别各种电压、电流量，通常对其符号有如下约定。以发射结电压和基极电流为例，静态量(常称为直流量)用UBE,IB(或UBEQ

、IBQ)表示;动态量(常称为交流量)的瞬时量用ube

、ib表示，动态量的有效值用ube

、ib表示，动态量的幅值用Ubem、Ibm表示，总量(等于静态量加动态量)用uBE、iB表示。

①静态工作状态。输入信号为零时电路的工作状态称为静态。由于静态时电路只有直流量，因此静态又称直流工作状态，静态分析又称直流分析。静态时电路中的电压、电流称为静态电压、静态电流，管子的工作点称为静态工作点。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法只要将图3-24中的电容C1和C2断开，就可以得到该放大电路的直流等效电路(也称直流通路，即直流电流流通路径)，它与[例3.1]中电路图3-23(a)相同，因此用[例3.1]的方法可求得静态工作点(UCEQ,IBQ、ICQ.UCEQ)。②动态工作波形。有信号输入时电路的工作状态称为动态，动态分析又称交流分析。设输入电压为小信号正弦波，其波形如图3-25(a)所示，表达式为。由于藕合电容C1和C2对交流信号可视为短路，因此晶体管b和e间的瞬时电压为，其波形如图3-25(b)所示。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法uBE变化使iB、iC产生相应的变化，它们的瞬时值分别为式中，ib,ic是由交流电压ui所产生的基极交流电流和集电极交流电流。小信号时iB,iC的波形分别如图3-25(c),(d)所示。由图3-24可得晶体管c,e之间的瞬时电压uCE为uCE=UCC-iCRC=UCC-(ICQ+iC)RC=UCEQ+uCC,UCEQ=UCC-iCQRC,。由C2隔除直流UCEQ后得输出电压为输出交流电压的振幅。上一页下一页返回3.6晶体三极管电路分析方法

时才有，因此RC起到将集电极交流iC转换为交流电压uce和u0的作用。

由此可见，当晶体管放大电路中输入交流u;时，晶体管各极电压和电流均随u;在直流值UBEQ,IBQ、ICQ.UCEQ的基础上而变化，但它们只是大小随ui变化，正负极性始终不变。只要电路参数选择得当，交流输出电压u0可比交流输入电压ui大得多，从而能实现电压放大。

ube,ib,ie与ui相位相同，uce与ui相位相反。这是因为ui瞬时值为正时，导致uBE,iB,iC增大，所以ube,ib,ie