第四章 半導體二極管和晶體管

1、寧夏師范學院數(shù)學與計算機科學學院 電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)第四章 半導體二極管和晶體管 教學目標本章課程通過對常用電子元器件、模擬電路及其系統(tǒng)的分析和設(shè)計的學習，使學生獲得模擬電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論和基本技能，為深入學習電子技術(shù)及其在專業(yè)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。 1.掌握基本概念、基本電路、基本方法和基本實驗技能。2.具有能夠繼續(xù)深入學習和接受電子技術(shù)新發(fā)展的能力，以及將所學知識用于本專業(yè)的能力。 教學內(nèi)容1、半導體基礎(chǔ)知識2、PN結(jié)特性3、晶體管教學重點與難點1、PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴⒎蔡匦?、二極管的伏安特性及主要參數(shù)3、三極管放大、飽和、截止三種模式的工作條件和性能特點一、電子技術(shù)的發(fā)展

2、電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上反映在元器件的發(fā)展上。電子管半導體管集成電路半導體元器件的發(fā)展：1947年 貝爾實驗室制成第一只晶體管1958年 集成電路1969年 大規(guī)模集成電路1975年 超大規(guī)模集成電路第一片集成電路只有4個晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個晶體管。有科學家預測，集成度還將按10倍/6年的速度增長，到2015或2020年達到飽和。二、模擬信號與模擬電路 1、電子電路中信號的分類 ：數(shù)字信號：離散性。 模擬信號：連續(xù)性。大多數(shù)物理量為模擬信號。 2、模擬電路 模擬電路是對模擬信號進行處理的電路。 最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放大電路。模擬電路多以放大電路

3、為基礎(chǔ)。 3、數(shù)字電路 數(shù)字電路主要研究數(shù)字信號的存儲、變換等內(nèi)容，其主要包括門電路、組合數(shù)字電路、觸發(fā)器、時序數(shù)字電路等。 數(shù)字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經(jīng)歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發(fā)展比模擬電路發(fā)展的更快。 三、電子信息系統(tǒng)的組成 四、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課的特點1、工程性 實際工程需要證明其可行性。強調(diào)定性分析。實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許存在一定的誤差范圍的。 定量分析為“估算”。 近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。電子電路歸根結(jié)底是電路。不同條件下構(gòu)造不同模型。2. 實踐性 常用電子儀器的使用方法 電子電路的測試方法 故障的判斷與排

4、除方法 EDA軟件的應(yīng)用方法 4.1 半導體基礎(chǔ)知識4.1.1 本征半導體1、本征半導體導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。半導體硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。本征半導體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。 本征半導體導電性：與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)在絕對零度(-273)和沒有外界影響時，所有價電子都被束縛在共價鍵內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以

5、半導體不能導電。晶體中無載流子。共價鍵2、本征半導體的結(jié)構(gòu)自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。3、本征半導體中的兩種載流子電子、空穴對產(chǎn)生、復合，維持動態(tài)平衡。對應(yīng)的電子、空穴濃度稱為本征載流子濃度。 外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于數(shù)目很少，故導電性很差。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。熱力學溫度0K時不導電。4

6、.1.2、雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多數(shù)載流子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。1. N型半導體在N型半導體中，自由電子為多子，空穴為少子，主要靠自由電子導電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能就越強。多數(shù)載流子磷（P）施主雜質(zhì) 2、N型半導體 P型半導體主要靠空穴導電，自由電子為少子，空穴為多子，主要靠空穴導電，入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導電性越強，硼（B） 受主雜質(zhì)多數(shù)載流子4.1.3 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?、漂移電流(Drift Current)在電場作用下，半導體中的載流子作定向飄移運動而形成的電流。，In電子電流，Ip空穴電

7、流2 擴散電流(Diffusion Current)主要取決于該處載流子濃度差（即濃度梯度）。濃度差越大，擴散電流越大，而與該處的濃度值無關(guān)。PN 結(jié)的形成由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N 區(qū)運動。參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。即擴散過去多少多子，就有多少少子漂移過來。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓導通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。反向飽和電流開啟電壓擊穿電壓PN結(jié)電流方程 UT 是熱力學溫度的電壓當量，

8、UT =kT/q =26mv PN結(jié)電流方程討論 當u=100mV時， 當u 比UT大幾倍時，成指數(shù)變化。 當uuBE，uBEUon 1、基極電流 iB 對集電極電流 iC 的控制作用很強2、uCE 變化時, iC 影響很?。ê懔魈匦裕┘矗?iC 僅取決于iB ，與輸出環(huán)路的外電路無關(guān)。 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正向偏置。臨界飽和：uCE=uBE，uCB=0(集電結(jié)零偏)1、iB一定時，iC比放大時要??；三極管的電流放大能力下降，通常有iCiB 2、uCE 一定時iB增大，iC基本不變3、三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管類似于一個開關(guān)“導通”。截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置 iB =-

9、iCBO （此時iE =0 ）以下稱為截止區(qū)。 工程上認為：iB =0 以下即為截止區(qū)。 若不計穿透電流ICEO，有iB、iC近似為0；三個電極的電流都很小，三極管類似于一個開關(guān)“斷開”。四、晶體管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1、共射直流放大倍數(shù)2、共射交流放大倍數(shù)第五章 基本放大電路教學目標本章課程通過對晶體管特性的學習，掌握基本放大電路的工作特性曲線，熟悉對晶體管共射極輸出特性曲線的三個區(qū)域。熟悉放大電路的性能指標、基本放大電路的組長原則。掌握對基本放大電路的分析。 教學內(nèi)容1、晶體三極管基礎(chǔ)知識2、晶體三極管的放大作用、共射特性及極限參數(shù)3、三極管的微變等效電路4、晶體管放大電路的三種接法

10、5、多級放大電路6、差分放大電路7、功率放大電路8、集成運算放大器教學重點與難點1、三極管放大狀態(tài)下的電流分配關(guān)系式2、三極管放大、飽和、截止三種模式的工作條件和性能特點3、利用估算法求晶體工作點、判斷三極管工作狀態(tài)4、有關(guān)非線性失真的概念及UOMAX的計算5、利用微變等效電路分析放大電路動態(tài)性能指標，三種放大電路的性能特點5.1 放大電路的組成5.1.1 放大電路概述5.1.2. 基本共射極放大電路靜止狀態(tài)（靜態(tài)）：ui=0時，電路中各處的電壓、電流都是不變的直流。若UBB和UCC能使T的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管工作在放大狀態(tài)，則：當ui0時，ib含有交流分量ic也有交流分量uce產(chǎn)生

11、變化uO變化 uO與ui相比： uO幅度 ui幅度 波形形狀相同 電壓、電流等符號的規(guī)定直流量： 大寫字母+大寫下標，如IB交流量： 小寫字母+小寫下標，如ib 交流量有效值： 大寫字母+小寫下標，如Ib 瞬時值（直流分量和交流分量之和）：小寫字母+大寫下標，如iB， iB= IB+ ib 重要：靜態(tài)工作點的作用靜態(tài)工作點Q（Quiescent）：靜態(tài)時，晶體管的IB、IC、UBE和UCE ；記作：IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ 為什么要設(shè)計靜態(tài)工作點？ 靜態(tài)時（ui=0）：UBB=0UBEQ=0發(fā)射結(jié)不能導通三極管T工作在截止區(qū) 動態(tài)時（ui0）：ui UBE（ON）發(fā)射結(jié)無法正偏三極管

12、一直在截止區(qū) uo= UCE = UCC，即使 ui UBE（ON），輸出仍然嚴重失真。只有在信號的整個周期內(nèi)晶體管始終工作在放大狀態(tài)，輸出信號才不會產(chǎn)生失真。 放大電路的基本要求： 輸出不失真、輸出能夠放大 靜態(tài)工作點的作用：保證放大電路中的三極管正常工作 ，保證放大電路輸出不產(chǎn)生失真。晶體管放大電路的放大原理當ui0:iB=IBQ+ib ；iC=ICQ+ic=ICQ+ib ；uCE=UCEQ+uce ；uo=uce ；icuCE icuCE方向和ic相反結(jié) 論 設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，讓交流信號承載在直流分量之上，保證晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)始終工作在放大狀態(tài)，輸出電壓波形才不會產(chǎn)生非線

13、性失真。 基本共射放大電路的電壓放大作用是利用晶體管的電流放大作用，并依靠RC將電流的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化來實現(xiàn)的。5.1.3. 放大電路的分析方法組成放大電路必須遵守的原則： 設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，使三極管偏置于放大狀態(tài)。 輸入信號能夠作用于的輸入回路(基極-發(fā)射極回路)。 必須設(shè)置合理的信號通路。當靜態(tài)工作點設(shè)置在放大區(qū)后，就要疊加需要放大的交流小信號uS，為了使電路的靜態(tài)工作點不至于發(fā)生漂移。必須選擇合理的疊加方式。直接耦合：電路中信號源與放大電路，放大電路與負載電阻均直接相連UCC：直流電源；RB：基極偏置電阻RC：集電極偏置電阻RL：負載電阻ui：正弦信號源電壓及內(nèi)阻阻容耦合：電路中

14、信號源與放大電路，放大電路與負載電阻均通過電容相連。耦合電容C1、C2（一般幾微法到幾十微法） 隔離直流；通過交流作用：靜態(tài)工作點與信號源內(nèi)阻和負載電阻無關(guān)，且不受輸入交流信號的影響。1、直流通路和交流通路 直流通路：直流電源作用下直流電流流經(jīng)的道路 畫直流通路的原則C開路，L短路，輸入信號為0（保留內(nèi)阻）交流通路 交流通路：只考慮交流信號的分電路 畫交流通路的原則：C短路；直流電源對地短路；（恒壓源處理）2、圖解分析法由于交流信號均疊加在靜態(tài)工作點上，且交流信號幅度很小，因此對工作在放大模式下的電路進行分析時，應(yīng)先進行直流分析，后進行交流分析。圖解法：在已知放大管的輸入特性、輸出特性以及放大

15、電路中其它各元件參數(shù)的情況下，利用作圖的方法對放大電路進行分析。優(yōu)點：直觀、形象3、非線性失真非線性失真:當輸入某一頻率的正弦信號時，其輸出波形中除基波I1m成分之外，還包含有一定數(shù)量的諧波In,n=2,3,，該失真為非線性失真。它是由于方法電路中的非線性器件引起。Q點不合適產(chǎn)生的非線性失真（1）Q點過低截止失真Q點過低動態(tài)工作點進入截止區(qū)，出現(xiàn)截止失真。對NPN管的共射極放大器，發(fā)生截止失真時，其輸出電壓出現(xiàn)“胖頂”的現(xiàn)象（頂部限幅）， 最大不失真輸出電壓的幅度為（2）Q點過高飽和失真Q點過高動態(tài)工作點進入飽和區(qū)，出現(xiàn)飽和失真。對NPN管的共射極放大器，發(fā)生飽和失真時，其輸出電壓出現(xiàn)“削底”

16、現(xiàn)象（底部限幅） 最大不失真輸出電壓的幅度為放大器輸出動態(tài)范圍：受截止失真限制，其最大不失真輸出電壓的幅度為因飽和失真的限制，最大不失真輸出電壓的幅度為其中較小的即為放大器最大不失真輸出電壓的幅度，而輸出動態(tài)范圍Uopp則為該幅度的兩倍，即Uopp=2Uom Q點位置與波形失真：由于PNP管電壓極性與NPN管相反，故橫軸uCE可改為-uCE。 消除飽和失真：降低Q點: 增大RB ，減小IBQ ；減小RC : 負載線變陡。消除截止失真 ：升高Q點: 減小RB ，增大IBQ例：UCC=12V，RC=2k，RL=，RB=280k，=100求：1）UOPP=？ 2）調(diào)節(jié)RB，使ICQ=2mA，UOPP

17、=？3）調(diào)節(jié)RB，使ICQ=3mA，UOPP=？ 解題思路：第一步：求出ICQ 比較Uom1=ICQRL和Uom2=UCEQ- UCES臨界大小忽略晶體管的飽和壓降 UCES臨界=0 UCEQ- UCES臨界=UCEQ 比較Uom1和Uom2大小第二步：若Uom1 Uom2，Uopp=2 Uom1 若Uom2 Uom1，Uopp=2 Uom2 結(jié)論：動態(tài)范圍決定于Uom1、 Uom2 中的小者。當Uom1 = Uom2時，動態(tài)范圍最大。（Q點在有效交流負載線中央） 2、等效電路法（1）晶體管的直流模型及靜態(tài)工作點的估算晶體管伏安特性曲線的折線近似a) 輸入特性近似 b) 輸出特性近似(a)截止

18、狀態(tài)模型； (b)放大狀態(tài)模型； (c)飽和狀態(tài)模型 晶體管三種狀態(tài)的直流模型例1： 晶體管電路如圖 (a)所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，試計算晶體管的IBQ，ICQ和UCEQ。例1： 晶體管電路如圖 (a)所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，試計算晶體管的IBQ，ICQ和UCEQ。(b)直流等效電路圖 ：晶體管直流電路分析解： 因為晶體管工作在放大狀態(tài)。這時用圖 (b)的模型代替晶體管，便得到圖)所示的直流等效電路。由圖可知UBB=IBQ+UBE(on)則：IBQ=(UBB-UBE(ON)/RB ; ICQ=IBQ ;UCEQ=UCC-ICQRC共射放大電路的動態(tài)分析微變等效電路法所謂放大電路的微變等效