半導(dǎo)體三極及應(yīng)用

第2章半導(dǎo)體三極管及應(yīng)用2.1半導(dǎo)體三極管2.2基本共射放大電路的組成及工作原理2.3放大電路的分析方法2.4共集電極電路和共基極電路2.5場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路2.6晶閘管及應(yīng)用EBCEBCBECBECEBCBCEEBC外殼CECBCBCEECBCBE2.1半導(dǎo)體三極管2.1.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)(a)NPN型結(jié)構(gòu)(b)NPN型符號(hào)(d)PNP型符號(hào)(c)PNP型結(jié)構(gòu)圖2-1NPN和PNP管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)TTE-B間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極E基極B集電極CNPN型PNP型

C-B間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)三區(qū)、兩結(jié)、三電極三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)摻雜濃度：發(fā)射區(qū)很高，基區(qū)很低；2)厚度：基區(qū)很薄，只有幾個(gè)微米；3)結(jié)面積：集電結(jié)大，發(fā)射結(jié)小。在模擬電路中三極管的主要作用是放大，為了使三極管具有放大作用，在制造三極管時(shí)應(yīng)使其在結(jié)構(gòu)上具備以下特點(diǎn)（也稱三極管放大的內(nèi)因）：2.三極管的基本工作原理圖2-2放大條件的建立(a)雙電源供電RbVBBRCVCCVT1）三極管的工作條件放大條件內(nèi)部條件外部條件：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏VCCRbVTRC(b)單電源供電2）三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)過程(1)“多子”在發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的擴(kuò)散與復(fù)合(2)“少子”在基區(qū)與集電區(qū)之間的漂移與復(fù)合BRcVCCRbVBBECCEBRcVCCVBBRb3）三極管的電流分配及放大作用（1）電流分配關(guān)系IBEI1VBB圖2.4三極管的電流分配關(guān)系ICBOIEICIBI3ICBI2ICNIENRbVCCRc(2)電流放大系數(shù)其中，ICN為發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子經(jīng)復(fù)合后的剩余量，是集電極電流的主要部分。為發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子到達(dá)集電極的過程中被復(fù)合掉的量。①直流電流放大系數(shù)：②交流電流放大系數(shù)：IBEI1VBB圖2.4三極管的電流分配關(guān)系ICBOIEICIBI3ICBI2ICNIENRbVCCRc2.1.2半導(dǎo)體三極管的伏安特性曲線圖2-5三極管的輸入特性曲線≥1V0.40.880401.輸入特性曲線輸入特性曲線是指集-射極電壓uCE固定于某一值時(shí)，基極電流iB和發(fā)射結(jié)電壓uBE之間的關(guān)系曲線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(1)uCE=0時(shí)，輸入特性就是兩個(gè)二極管并聯(lián)后的正向特性。(2)uCE>0時(shí)，由于集電結(jié)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，其收集載流子的能力增加，同時(shí)基區(qū)變薄，載流子復(fù)合機(jī)會(huì)減小，在同樣發(fā)射結(jié)電壓下，集電極電流增大，特性曲線右移。

與二極管的正向特性曲線相似，三極管輸入特性也有一段死區(qū)，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V，硅管的導(dǎo)通電壓約為0.60.7V，鍺管的導(dǎo)通電壓約為0.20.3V。2.輸出特性曲線輸出特性曲線是指基極電流iB一定時(shí)，集電極電流iC與輸出電壓uCE的關(guān)系曲線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為IB=020406080100uCE(V)4812iC(m)12340飽和區(qū):截止區(qū)：放大區(qū):IB=020406080100iC(m)uCE(V)48121234放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)0UC>UB>UE；UBE=UCE≈IC=IB；IE=IC+IB

=（1+)IBUB≥UC＞UE；UBE=UCE=UC>UE≥UB；UCE=VCC

IB≈0；IC≈0IC≈VCC/RC；IC<IB

；IC=kUCE；IE=IC+IB

﹤(1+)IB2.輸出特性曲線3.三極管的主要參數(shù)（1）電流放大系數(shù)β（2）集電極反向飽和電流ICBO和穿透電流ICEOICEO和ICBO受溫度影響較大，都是衡量三極管質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，其值愈小愈好。ICEO=(1+)ICBO2）極限參數(shù)1）性能參數(shù)(1)集電極最大允許電流ICMICM為β值下降到正常數(shù)值的三分之二時(shí)的集電極電流

U(BR)EBO為集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓；U(BR)CBO為發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向擊穿電壓；U(BR)CEO為基極開路時(shí)，集-射之間的反向擊穿電壓。

(2)反向擊穿電壓圖2-7三極管的安全工作區(qū)iC(m)uCE(V)0ICMU(BR)CEO安全工作區(qū)一般集電結(jié)所加電壓比發(fā)射結(jié)大的多，導(dǎo)致集電結(jié)發(fā)熱，當(dāng)溫度過高時(shí)，管子性能下降，甚至損壞。PCM是指集電結(jié)溫度不超過允許值(硅管為150℃，鍺管為70℃)時(shí)，集電極所允許的最大功耗。使用三極管時(shí)，加在管子集-射極上的電壓UCE和集電極電流IC的乘積不可超過PCM。即PCM≥ICUCE。根據(jù)三個(gè)極限參數(shù)ICM、U(BR)CEO、PCM可以確定三極管的安全工作區(qū)，如圖2-7所示。(3)集電極最大允許耗散功率PCM2.1.3常用三極管三極管的分類方法很多，通常按下面方法進(jìn)行分類：

(1)按結(jié)構(gòu)的不同分為兩種類型：NPN型和PNP型。

(2)按所用的材料分為兩種類型：硅管和鍺管。

(3)按承受功率大小分為三種類型：小功率管、中功率管和大功率管。可從三極管的體積大小定性判斷功率的大小，一般體積大的功率也大。

(4)按工作頻率高低分為兩種類型：高頻管和低頻管。

(5)按制造工藝不同分兩種類型：合金管和平面管。

(6)按用途不同分兩種類型：普通放大三極管和開關(guān)三極管。1.三極管的分類2.三極管的等效電路三極管是非線性元件，為了簡(jiǎn)化分析，常在一定條件下，用線性元件所構(gòu)成的電路來近似模擬三極管的特性，并用之取代電路中的三極管。能夠模擬三極管特性的電路稱為三極管的等效電路，也稱等效模型。根據(jù)三極管的伏安特性可以構(gòu)造多種等效電路，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合、不同的分析要求，應(yīng)用其中的一種。BCE(1)二極管模型三極管內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié)，可分別構(gòu)成一個(gè)二極管BCEBCE(2)直流模型BCEUBEIBIB三極管處在放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)電壓近似為常數(shù)，集電極電流受基極電流控制。(3)交流小信號(hào)模型BCErbeibibBCEBCE(4)開關(guān)模型基極電壓在高低電壓之間交替變化時(shí)，集電極和發(fā)射極之間一個(gè)受控開關(guān)。3.三極管的應(yīng)用

電子技術(shù)有兩個(gè)重要的分支：模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)以模擬電路為主要研究對(duì)象，對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行放大和處理；數(shù)字電子技術(shù)以數(shù)字電路為主要研究對(duì)象，對(duì)斷續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化或邏輯判斷。

在控制電路中，三極管作為無觸點(diǎn)的開關(guān)得到大量應(yīng)用.

三極管有兩種基本的應(yīng)用狀態(tài)：放大狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)三極管處在放大狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的電路稱為放大電路，又叫模擬電路；當(dāng)三極管處在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的電路稱為開關(guān)電路，又稱數(shù)字電路。+VccRbRcK+VccVDRb圖2-9三極管開關(guān)(a)LED顯示驅(qū)動(dòng)電路(b)繼電器驅(qū)動(dòng)電路VTVT1)三極管開關(guān)圖2-10光敏三極管(a)等效電路(b)電路符號(hào)圖2-11光電耦合器光敏三極管依據(jù)光照的強(qiáng)度來控制其工作狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)可等效為一只光敏二極管與一只三極管相連，并引出集電極與發(fā)射極，如圖2-10(a)所示，其符號(hào)如圖2-10(b)所示。有些光敏三極管可感受自然光，多數(shù)光敏三極管對(duì)紅外光敏感，常與紅外發(fā)光二極管組合在一起，構(gòu)成光電耦合器，如圖2-11所示。2)光敏三極管及光電耦合器光電耦合器分兩類：普通光電耦合器和線性光電耦合器。普通光電耦合器只能用作光電開關(guān)，不能用于模擬量的轉(zhuǎn)換。線性光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的線性傳輸，即輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)成比例的變化。光電耦合器實(shí)現(xiàn)了輸出與輸入之間完全的電氣隔離，大大提高了線路的抗干擾能力，增強(qiáng)了安全性。2.2基本共射放大電路的組成及工作原理放大電路的作用：將微弱的信號(hào)進(jìn)行不失真放大，方便人們測(cè)量和利用。它是電子設(shè)備中最基本的單元電路之一，也是模擬電路的主要研究對(duì)象。放大電路都可以看成是一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)，其中有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。而三極管只有三個(gè)電極，因此，以三極管為核心構(gòu)成放大電路時(shí)，三極管的三個(gè)電極中必有一個(gè)為輸入和輸出的公共端。根據(jù)公共端點(diǎn)的不同，放大電路有三種不同的組成方式，2.2.1基本共射放大電路的組成1.三極管放大電路的組成原則（1）電路中的三極管必須滿足放大的條件，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）輸入信號(hào)要能正常送入起控制作用。（3）放大后的輸出信號(hào)要能順利輸出以供負(fù)載利用。+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb2.共發(fā)射極放大電路的組成及各元件的作用

（1）放大元件：三極管VT（2）基極偏置元件：基極偏置電源VBB和基極偏置電阻Rb（3）集電極偏置元件：供電電源VCC和集電極負(fù)載電阻RC（4）耦合電容：輸入耦合電容C1和輸出耦合電容C2+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb利用其基極電流對(duì)集電極電流的控制作用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。（2）基極偏置元件VBB和Rb：VBB、Rb和三極管的基極、發(fā)射極組成基極回路，其作用就是使發(fā)射結(jié)處于正向偏置。此外Rb還保證小信號(hào)能送入放大電路起控制作用。Rb

的大小一般為幾十千歐到幾百千歐。（1）放大元件三極管VT：+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路RbVCC、RC和三極管的集電極、發(fā)射極組成集電極回路，為集電極提供合適的偏置電壓，使集電結(jié)處于反向偏置。在放大過程中，電源VCC為輸出信號(hào)提供能量。RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化輸出，以實(shí)現(xiàn)電壓放大，所以RC又稱為集電極負(fù)載電阻。RC的大小一般為幾千歐到十幾千歐。（3）電源VCC和負(fù)載電阻RC：

+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路RbC1用來隔斷放大電路與信號(hào)源之間的直流聯(lián)系，又把輸入的交流小信號(hào)耦合到三極管的發(fā)射結(jié)上起放大控制作用。C2用來隔斷放大電路與負(fù)載之間的直流聯(lián)系，又把放大以后的信號(hào)耦合到輸出端以供負(fù)載利用。（4）耦合電容C1和C2：耦合電容一般是容量較大的電解電容,在使用時(shí)應(yīng)注意其極性。正極接高電位端，負(fù)極接低電位端。2.2.2基本共射放大電路的工作原理1.放大電路的工作原理1）放大條件的建立——靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置由三極管各極的電壓和電流，在輸出特性曲線上可以確定唯一的一點(diǎn)Q，該點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。由Q點(diǎn)的位置可確定三極管是否滿足放大的條件。通常把判斷放大條件是否滿足的過程稱為靜態(tài)分析，靜態(tài)分析的任務(wù)就是確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q，實(shí)際上是確定三極管各極的靜態(tài)電壓和靜態(tài)電流。為了與一般的直流相區(qū)別，通常在其腳標(biāo)上加Q。三極管有三個(gè)電極，所以理論上有三個(gè)電壓和三個(gè)電流?？紤]三極管具體結(jié)構(gòu)，只有四個(gè)量是獨(dú)立的，包括兩個(gè)電壓和兩個(gè)電流。從實(shí)用角度出發(fā)，兩個(gè)電壓分別取基-射極電壓UBE和集-射極電壓UCE。兩個(gè)電流分別取基極電流IB和集電極電流IC。由基極回路不難求出靜態(tài)基極電流為在放大區(qū)集電極電流受基極電流控制，若已知電流放大倍數(shù)，則靜態(tài)集電極電流為由集電極回路可求出集-射極電壓為(2-8)在近似估算中，常認(rèn)為UBEQ為已知量，對(duì)硅管一般取0.6V或0.7V，對(duì)鍺管一般取0.2V或0.3V。(2-9)+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb

(2-10)1）放大條件的建立設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)Q:IBQ,ICQ,UCEQ在放大過程中，三極管的各極電壓和電流均隨輸入信號(hào)的變化而變化，電路工作點(diǎn)將以靜態(tài)工作點(diǎn)為中心波動(dòng)，是直流和交流的疊加。通常把此時(shí)電路所處的狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。2）放大的過程根據(jù)疊加原理可得(2-11)+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb2）放大的過程(2-11)

比較式(2-11)和(2-12)得

(2-12)另一方面，將代入可得UCEQIBQUBEQttuBEtiBiCtuCEICQube=uiibicuce=uooooo圖2-13放大過程波形分析(2-13)+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb(2)放大過程中，三極管各極電壓、電流隨輸入信號(hào)而變化，但不改變方向。(1)靜態(tài)工作點(diǎn)由電路參數(shù)決定。共射基本放大電路有如下特點(diǎn)+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb(1)靜態(tài)工作點(diǎn)由電路參數(shù)決定。(2)放大過程中，三極管各極電壓、電流隨輸入信號(hào)而變化，但不改變方向。(3)放大的含義：①只能放大交流信號(hào)；②即可以放大電流，又可以放大電壓；③輸出電壓與輸入電壓極性相反，即倒相放大。(4)放大的實(shí)質(zhì)是通過小信號(hào)對(duì)大信號(hào)的控制作用，實(shí)現(xiàn)直流能量向交流能量的轉(zhuǎn)化。共射基本放大電路有如下特點(diǎn)+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12基本共射放大電路Rb+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_圖2-14單電源基本共射放大電路3）單電源基本共射放大電路實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往對(duì)圖2-12所示的原理性電路加以改進(jìn)，形成單電源供電共射放大電路，如圖2-14所示。該電路中省去基極電源VBB，適當(dāng)增加基極偏置電阻Rb并將它接到電源VCC的正端，以保證發(fā)射結(jié)處于正偏。另外，一般不畫出電源VCC的符號(hào)，只標(biāo)出它對(duì)地的電壓值VCC和對(duì)地的極性(“+”或“-”)。+VBB_+++VTRLRCVCCC1C2_圖2-12雙電源基本共射放大電路Rb+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_圖2-14單電源基本共射放大電路ii放大電路ui+-RLuLio+-2.放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)放大電路可以看成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)。左邊為輸入端口，用等效電阻Ri表示，當(dāng)內(nèi)阻為Rs的正弦波信號(hào)源us作用時(shí)，得到輸入電壓ui，產(chǎn)生輸入電流ii；右邊為輸出端口，用受控源uo和輸出電阻Ro表示，輸出電流為io，RL為負(fù)載電阻。iiAuui+-RiRLuLRouSRs+-io圖2-15放大電路測(cè)試等效電路1）電壓放大倍數(shù)：2)電流放大倍數(shù)：3）輸入電阻：

4）輸出電阻：2.放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)1）電壓放大倍數(shù)：表征放大電路電壓放大能力2)電流放大倍數(shù)：表征放大電路電流放大能力空載時(shí)：帶載時(shí)：iiAuui+-RiRLuLRouSRs+-io圖2-15放大電路測(cè)試等效電路源放大倍數(shù)：

3）輸入電阻：

或輸入電阻是體現(xiàn)放大電路從信號(hào)源取得信號(hào)的能力的參數(shù)，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻一定時(shí)，輸入電阻越大，取得信號(hào)的能力越強(qiáng)。4）輸出電阻：輸出電阻是體現(xiàn)放大電路帶負(fù)載能力的參數(shù)，輸出電阻越小，負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響越小，電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)?；騣iAuui+-RiRLuLRouSRs+-io圖2-15放大電路測(cè)試等效電路2.3放大電路的分析方法

電路的結(jié)構(gòu)決定其性能，要正確描述其性能，需要相應(yīng)的性能指標(biāo)和分析方法。以三極管為核心的放大電路，要實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的正常放大，首先判斷電路中的三極管是否滿足放大的條件，放大條件的建立是通過直流電源和電阻給三極管各電極施加合適的電壓，產(chǎn)生合適的電流。此時(shí)的電壓和電流都是不隨時(shí)間變化的直流，該種狀態(tài)稱靜態(tài)。通常把判斷放大條件是否滿足的過程稱為靜態(tài)分析。

當(dāng)放大條件滿足后，在輸入端加小信號(hào)，經(jīng)放大后在輸出端便會(huì)得到放大以后的大信號(hào)。在放大過程中，三極管各極的電壓和電流會(huì)隨輸入信號(hào)的變化而變化，該種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。因此，對(duì)放大電路工作原理的分析要包括兩個(gè)方面，即判斷放大條件是否滿足的靜態(tài)分析和能夠體現(xiàn)具體放大性能的動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析的任務(wù)主要是判斷放大條件是否滿足，也就是求靜態(tài)工作點(diǎn)。動(dòng)態(tài)分析的任務(wù)是求放大的性能參數(shù)，主要有放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻。

基本放大電路分析方法主要有等效電路法和圖解法兩種，下面分別進(jìn)行討論。2.3放大電路的分析方法

放大電路工作原理的分析要包括兩個(gè)方面：靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析的任務(wù)主要是判斷放大條件是否滿足，也就是求靜態(tài)工作點(diǎn)，主要有IBQ，ICQ和UCEQ。動(dòng)態(tài)分析的任務(wù)求是放大的性能參數(shù)，主要有Au，Ri和Ro等。

基本放大電路分析方法主要有兩種：等效電路法和圖解法。2.3.1等效電路法1.放大電路的等效電路1)直流通路和交流通路直流通路是在直流電源作用下直流電流流經(jīng)的電路，用于確定靜態(tài)工作點(diǎn)。交流通路是在輸入交流信號(hào)作用下交流信號(hào)流經(jīng)的通路，用于確定放大的性能。畫直流通路的方法:（1）電容視為開路；（2）電感線圈視為短路；（3）信號(hào)源視為短路，但保留其內(nèi)阻。畫交流通路的方法:（1）大容量的電容（如耦合電容和旁路電容）視為短路；（2）直流電源視為短路。圖2-16圖2-14電路的直流通路和交流通路(a)直流通路ICQIBQRbVTRCVCC(b)交流通路+RL_+VTRC_Rb1)直流通路和交流通路+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_圖2-14單電源基本共射放大電路2)直流等效電路和交流等效電路三極管是非線性元件，放大電路的直流通路和交流通路均為非線性電路。在放大條件滿足時(shí)，直流通路中的三極管可用其直流等效電路等效代替，代替之后的電路稱為放大電路的直流等效電路，如圖2-17(a)所示。同樣，交流通路中的三極管可用其交流等效電路代替，代替之后的電路稱為放大電路的交流等效電路，如圖2-17(b)所示。(a)直流等效電路UBEQVCC+ec圖2-17圖2-14電路的直流等效電路和交流等效電路RCIBQICQRbebRLRbRC+__(b)交流等效電路bcrbeuiuoibic(a)直流通路ICQIBQRbVTRCVCC(b)交流通路+RL_+VTRC_Rb圖2-16圖2-14電路的直流通路和交流通路2.用等效電路法分析放大電路

（1）畫放大電路的直流通路或直流等效電路，求靜態(tài)工作點(diǎn)。（2）畫放大電路的交流通路和交流等效電路，估算放大性能參數(shù)。2.用等效電路法分析放大電路

（1）求靜態(tài)工作點(diǎn)。UBEQVCCcRCIBQICQRbebICQIBQRbVTRCVCC2.用等效電路法分析放大電路

（2）估算放大性能參數(shù)。

(其中)+eRLRbRC+__bcrbeuiuoibic【例2.1】

在圖2-14所示電路中，已知VCC=12V，Rb=500k，Rc=3k

，RL=

，=90，用等效電路法求:

（1）靜態(tài)工作點(diǎn)Q；（2）、和+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_圖2-14單電源基本共射放大電路解：（1）由圖2-17（a）所示共射放大電路的直流等效電路，不難求出：+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_圖2-14單電源基本共射放大電路(a)直流等效電路UBEQVCCcRCIBQICQRbeb解:（2）動(dòng)態(tài)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)圖2-17（b）所示共射放大電路的交流等效電路。為此，應(yīng)先求所以：+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_+eRLRbRC+__(b)交流等效電路bcrbeuiuoibic

(1)當(dāng)電路中的三極管和電源確定后，ICQ受IBQ控制，而IBQ受Rb控制，改變Rc只能改變UCEQ，而對(duì)ICQ無影響。故靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整一般是通過調(diào)整Rb來改變IBQ，進(jìn)而改變ICQ和UCEQ。合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的標(biāo)識(shí)是UCEQ≈VCC/2由例2.1，可得出如下結(jié)論:由例2.1，可得出如下結(jié)論:

(2)放大器的放大倍數(shù)和輸入電阻Ri都與三極管的發(fā)射結(jié)交流等效電阻rbe有關(guān)，而rbe不僅與三極管自身參數(shù)有關(guān)，還與靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ有關(guān)，所以當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，放大性能必然受到影響，這從另一個(gè)方面說明靜態(tài)工作點(diǎn)正確選取和穩(wěn)定的重要性。

(3)電壓放大倍數(shù)與負(fù)載及管子的參數(shù)有關(guān)，式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓uo與輸入電壓ui反相。應(yīng)當(dāng)注意的是，ICQ一定時(shí)，愈大的三極管其rbe值也相應(yīng)較大，因此選用越大的三極管并不能按比例地提高電壓放大倍數(shù)。另一方面，當(dāng)值一定時(shí)，ICQ越大則rbe越小，說明對(duì)同一個(gè)三極管來說，如果能調(diào)整工作點(diǎn)的位置，適當(dāng)提高ICQ的值，可以使電壓放大倍數(shù)適當(dāng)提高。

(4)實(shí)際電路中由于Rb>>rbe，可以認(rèn)為該共射放大電路的輸入電阻Ri近似為晶體三極管的輸入電阻rbe。但是要注意的是Ri和rbe的含義不一樣。對(duì)于電壓放大電路而言，通常希望輸入電阻高一些，這樣既可以減小信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，又可以使放大電路從信號(hào)源處獲得較大的有用信號(hào)，提高信號(hào)源的利用率。輸出電阻小一點(diǎn)，可以提高輸出信號(hào)的利用率。iiAuui+-RiRLuLRouSRs+-io2.3.2圖解法利用三極管的輸入和輸出特性曲線，通過作圖的方法分析放大電路的工作原理。用圖解法的優(yōu)點(diǎn)是能直觀、形象，缺點(diǎn)是精度不高。1）在輸入特性曲線上確定UBEQ和IBQui=0時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)既應(yīng)在三極管的輸入特性曲線上，又應(yīng)滿足基極回路方程：1.用圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)在輸入特性坐標(biāo)系中，由式（2-24）所確定的直線AB與輸入特性曲線的交點(diǎn)為Q。顯然Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為靜態(tài)發(fā)射結(jié)電壓UBEQ，Q點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為靜態(tài)基極電流IBQ。如圖2-19(a)所示。（2-24）IBQUBEQBuBE(V)408060200.5iB(A)A1001.01.5圖2-19(a)(a)直流通路ICQIBQRbVTRCVCC對(duì)三極管放大電路，把包含三極管集射結(jié)的閉合回路稱為集電極回路。在輸出特性坐標(biāo)系中，靜態(tài)工作點(diǎn)Q應(yīng)在IB=IBQ的那條輸出特性曲線上，同時(shí)還應(yīng)滿足集電極回路方程：2)在輸出特性曲線上確定ICQ和UCEQ式(2-25)所確定的直線MN與IB=IBQ的輸出特性曲線的交點(diǎn)既為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。顯然Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)為靜態(tài)集射極電壓UCEQ，Q點(diǎn)的縱坐標(biāo)為靜態(tài)集電極電流ICQ。如圖2-19(b)所示。(2-25)ICQQIBQiC(mA)54321NMo2-19(b)uCE(V)UCEQ(a)直流通路ICQIBQRbVTRCVCC直流負(fù)載線2.用圖解法分析放大性能圖2-18基本共射放大電路的圖解分析1)放大過程分析tUBEQuBE(V)40806020iB(A)IBQiB

(A)tIBQo(a)輸入回路圖解分析+eRLRbRC+__bcrbeuiuoibic+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_2.用圖解法分析放大性能圖2-18基本共射放大電路的圖解分析1)放大過程分析iC

(mA)54321uCE(V)VCCQUCEQICQ6NIBQMouCE(V)tICQtoiC

(mA)(b)輸出回路圖解分析+eRLRbRC+__bcrbeuiuoibic+C1C2_+++RbVTRLRC+VCC_說明輸入和輸出的聯(lián)系就是基極電流對(duì)集電極電流的控制關(guān)系iC=iB。在輸入回路中，起控制作用的是輸入的信號(hào)源電壓，它首先在基極電阻Rb上產(chǎn)生壓降，進(jìn)而反映到發(fā)射結(jié)上，并通過三極管的輸入特性使基極電流產(chǎn)生變化。在輸出回路正相反，起控制作用的是集電極電流，它在基極電流控制下發(fā)生的變化，首先反映到集電極電阻上，通過集電極電阻使集電極電壓產(chǎn)生反方向的變化并輸出。概括的說輸入回路是由電壓的變化引起電流的變化，而輸出回路是由電流的變化引起電壓的變化。明確這一點(diǎn)，對(duì)正確理解放大的實(shí)質(zhì)也是至關(guān)重要的。iB

(A)to2）靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)放大性能的影響注：截止失真時(shí)，NPN三極管放大電路輸出頂部失真波形PNP三極管放大電路輸出底部失真波形iC

(mA)uCE

(V)QuCE

(V)iB

(A)tiC

(mA)to(a)工作點(diǎn)偏低，首先出現(xiàn)截止失真波形Q1Q2tuBE(V)iB(A)IBQQ1Q2ICQQQ32）靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)放大性能的影響iC

(mA)uCE

(V)QuCE

(V)iB

(A)tiC(mA)too(b)工作點(diǎn)偏高，首先出現(xiàn)飽和失真波形Q3Q4tuBE(V)iB(A)IBQiB

(A)to注：飽和失真時(shí)，NPN三極管放大電路輸出底部失真波形PNP三極管放大電路輸出頂部失真波形Q5QQ3Q4靜態(tài)工作點(diǎn)過低而使三極管進(jìn)入截止區(qū)所產(chǎn)生的失真稱為截止失真。由NPN三極管構(gòu)成的共射電路，呈現(xiàn)頂部失真，由PNP三極管構(gòu)成的共射電路，呈現(xiàn)底部失真。

飽和失真和截止失真都是由于三極管的非線性導(dǎo)致的失真，又叫非線性失真。靜態(tài)工作點(diǎn)過高而使三極管進(jìn)入飽和區(qū)所產(chǎn)生的失真稱為飽和失真。由NPN三極管構(gòu)成的共射電路，呈現(xiàn)底部失真，由PNP三極管構(gòu)成的共射電路，呈現(xiàn)頂部失真。放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的合理設(shè)置對(duì)保證放大電路有一個(gè)合適的工作狀態(tài)非常重要。結(jié)論

當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí)，飽和失真和截止失真可能同時(shí)出現(xiàn)圖解法與等效電路法的比較圖解法與等效電路法是分析放大電路工作原理的兩種基本方法。（1）圖解法直觀、形象，分析的精度取決于已知的特性曲線，且存在讀數(shù)誤差等人為因素，誤差較大。在實(shí)際應(yīng)用中，多用于分析Q點(diǎn)的位置、最大不失真輸出電壓和失真情況。等效電路法精確、物理概念清楚。一般用于小信號(hào)線性放大分析。（2）圖解法只適合于單管放大電路的分析，而不適合于多級(jí)放大電路的分析，微變等效電路法的適用范圍則更廣泛。（3）對(duì)同一個(gè)放大電路，經(jīng)常同時(shí)采用以上兩種方法，如在進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，通常先用等效電路法求出靜態(tài)基極電流IBQ，再在輸出特性曲線上利用圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置，求出靜態(tài)集電極電流ICQ和集電極電壓UCEQ。2.4共集電極電路和共基極電路圖2-20基本共集電極放大電路++RbReC1C2+VCCuiuo++RLVT2.4.1共集電極電路因?yàn)殡娫碫CC對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路，因此集電極可看作為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的公共端，故稱為共集電極電路。又由于電路的輸出信號(hào)從發(fā)射極引出，這種電路也稱為射極輸出器。下面用等效電路法分析其工作原理。1.靜態(tài)分析ERbReVCCBCUBEQICQRbReVCCVT(a)直流通路(b)直流等效電路++RbReC1C2+VCCuiuo++RLVT圖2-20基本共集電極放大電路1.靜態(tài)分析ERbReVCCBCUBEQICQRbReVCCVT(a)直流通路(b)直流等效電路由基極回路可列出基極回路方程++RbReC1C2+VCCuiuo++RLVT圖2-20基本共集電極放大電路VT+RbReuiuo+RL__(a)交流通路rbeRbReRLuo+_+_ui

ibibie(b)微變等效電路2.動(dòng)態(tài)分析2.動(dòng)態(tài)分析圖2-22基本共集電極放大電路的交流通路和微變等效電路交流通路和微變等效電路分別如圖2-22(a)和(b)所示，則電壓放大倍數(shù)VT+RbReuiuo+RL__(a)交流通路rbeRbReRLuo+_+_ui

ibibie(b)微變等效電路rbeRbReRLuo+_+_ui

ibibie(b)微變等效電路rbeReut+_

ibtibtietit(c)求輸出電阻電路輸入電阻輸出電阻（1）輸入電阻大，常作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，以減小對(duì)信號(hào)源能量在內(nèi)阻上的衰減；（2）輸出電阻小，常作為多級(jí)放大電路的輸出級(jí)，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。共集電極放大電路特點(diǎn)（3）電壓放大倍數(shù)小于1，但接近于1，輸出與輸入電壓同相，信號(hào)從發(fā)射極輸出，故又稱為射極跟隨器或射極輸出器。（4）無電壓放大作用，但有電流放大作用。【例2.3】在圖2-20電路中，已知：三極管的=40，

UBEQ=0.7V，VCC=10V，

Re=5.6k

，Rb=240k

，

RL=。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并計(jì)算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。++RbReC1C2+VCCuiuo++RLVT圖2-20基本共集電極放大電路解：電路靜態(tài)工作點(diǎn)為了求電壓放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻應(yīng)先求發(fā)射結(jié)交流等效電阻

2.4.2共基極電路++uiuo++__ReRcVCCVEEC1C2圖2-23共基極放大電路圖2-24圖2-23的直流通路ReRcVCCVEEIBQIEQICQ如圖2-23所示，三極管的基極作為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的公共端，故稱為共基極放大電路。本電路中直流電源VEE和電阻Re為三極管的發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓，VCC和電阻Rc為三極管的集電極提供電壓，使集電結(jié)反向偏置。圖2-25共基極放大電路的交流通路和交流等效電路在放大過程中，輸入信號(hào)通過輸入耦合電容在發(fā)射極電阻上產(chǎn)生壓降，以防止輸入信號(hào)被直流電源短路，保證信號(hào)的正常輸入。放大以后的信號(hào)在集電極電阻上產(chǎn)生壓降并通過輸出耦合電容輸出到負(fù)載。圖2-25為其交流通路和交流等效電路。Reuiuo++__Rc(a)交流通路bReuiuo++__Rcieiciberbecii(b)交流等效電路2.4.2共基極放大電路第二章++uiuo++__ReRcVCCVEEC1C2直流通路VCCReRcVEEIBQIEQICQ一、靜態(tài)分析(IBQ,ICQ,UCQ)雙電源電路++Cb+C1C2VCCRbRc+__ReRLRbReVCCTRc一、靜態(tài)分析(IBQ,ICQ,UCQ)RbReVCCBCUBEQICQRcEIBQ單電源電路2.4.2共基極放大電路直流通路直流等效電路通路Reuiuo++__Rc(a)交流通路bReuiuo++__Rcieiciberbecii(b)交流等效電路二、動(dòng)態(tài)分析1、電壓放大倍數(shù)沒有電流放大作用；有電壓放大作用，大小與共射電路相等；輸入、輸出信號(hào)同相位。2、輸入電阻第二章bReuiuo++__Rcieiciberbecii(b)交流等效電路3、輸出電阻Ro=Rc第二章+_Rerbebec+_becbReuiuo++__Rcieiciberbecii(b)交流等效電路2.4.3三種組態(tài)電路的性能比較

在三種組態(tài)的放大電路中，由于電路的結(jié)構(gòu)不同，其各自的特點(diǎn)也不相同。

(1)

共射極放大電路具有較大的電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)，輸出電壓與輸入電壓極性相反。輸入輸出電阻大小適中。共射組態(tài)作為一種常用的電壓放大電路，應(yīng)用十分廣泛。

(2)

共集電極電路不具有電壓放大能力，但有較大的電流放大能力，輸出電壓與輸入電壓近似相等且極性相同，具有電壓跟隨作用。此外，由于它的輸入電阻高、輸出電阻低，所以常作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)、輸出級(jí)和隔離用的中間級(jí)。

(3)

共基極放大電路沒有電流放大能力，但可獲得較高的電壓放大倍數(shù)。輸入電阻小，晶體管結(jié)電容的影響不顯著，因而頻率響應(yīng)得到很大的改善，一般可用于寬頻帶放大電路中。另外，它的輸出電阻高，可作為恒流源使用，這也是共基放大電路的主要用途之一。三、三種接法的比較：空載情況下

接法共射共集共基

Au

大

小于1

大

Ai

大(β)大(1＋β)小于1()

Ri

中很大

小

Ro

大

小

大

頻帶窄中寬C1C2++RbVTRC+VCC+u1u2u3C3Re例2.5電路圖【例2.5】

在如圖所示電路中，試畫出下列情況下的交流通路，并分別判斷電路的組態(tài)。（1）u3=0，ui=u1，uo=u2；（2）u2=0，ui=u1，uo=u3；（3）u1=0，ui=u3，uo=u2。C1C2++RbVTRC+VCC+u1u2u3C3Re

解：（1）當(dāng)u3=0，ui=u1，uo=u2時(shí)，C3將Re交流短路，三極管發(fā)射極交流接地，所以是共發(fā)射極組態(tài)。其交流通路如圖2-17（b）所示。

+eRLRbRC+__(b)交流等效電路bcrbeuiuoibic(b)交流通路+RL_+VTRC_Rb

解（2）當(dāng)u2=0，ui=u1，uo=u3

；時(shí)，C2將Rc交流短路，三極管集電極交流接地，所以是共集電極組態(tài)。其交流通路如圖2-22(a)所示。C1C2++RbVTRC+VCC+u1u2u3C3ReVT+RbReuiuo+RL__(a)交流通路rbeRbReRLuo+_+_ui

ibibie(b)微變等效電路C1C2++RbVTRC+VCC+u1u2u3C3Re

（3）當(dāng)u1=0，ui=u3，uo=u2時(shí)，C1將Rb交流短路，三極管基極交流接地，所以是共基極組態(tài)。其交流通路如圖2-25(a)所示。Reuiuo++__Rc(a)交流通路bReuiuo++__Rcieiciberbecii(b)交流等效電路2.5場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的三極管，英文縮寫為FET（FieldEffectTransistor），它是一種新型的半導(dǎo)體器件，它具有輸入電阻高（可達(dá)106～1014Ω，而半導(dǎo)體三極管輸入電阻僅102～104Ω）、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、耗電少等優(yōu)點(diǎn)，且制造工藝簡(jiǎn)單，因此，目前場(chǎng)效應(yīng)管被廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中，作為交流或直流放大、調(diào)制等。分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET或MOSFET）JFET(JunctionFieldEffectTransistor)IGFET(InsulatedGateJunctionFieldEffectTransistor)MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor)圖2-27(a)是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。用一塊雜質(zhì)濃度較低的P型薄硅片作為襯底，其上擴(kuò)散兩個(gè)相距很近的高摻雜濃度的N+區(qū)，并在硅片表面生成一層薄薄的二氧化硅絕緣層。并在SiO2的表面及兩個(gè)N+區(qū)表面分別引出三個(gè)電極：柵極G、源極S和漏極D。因?yàn)闁艠O和其他電極是絕緣的，所以柵源電阻特別高，故被稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管或稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。圖2-26(b)是其電路符號(hào)。2.5.1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管按其制造工藝可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類，每類又有N型溝道和P型溝道之分。下面簡(jiǎn)單說明它們的工作原理。

1.增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖(b)電路符號(hào)圖2-27N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管柵極G圖2-29N溝道增強(qiáng)型MOS管的導(dǎo)通圖2-28N溝道增強(qiáng)型MOS管導(dǎo)電溝道在一定的漏-源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵-源電壓稱為開啟電壓，用UGS（th）表示。很顯然，在0<uGS<UGS(th)的范圍內(nèi)，漏-源極間溝道尚未聯(lián)通，ID≈0。只有當(dāng)uGS>UGS(th)時(shí)，隨柵極電位的變化iD才隨之變化，這就是N型溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的柵極控制作用。2)工作原理如圖2-28所示，將源極與襯底短路，并在柵-源之間加一定正向電壓，建立一個(gè)垂直于襯底的電場(chǎng)。柵極G和襯底P型硅片相當(dāng)干一個(gè)電容器的兩個(gè)電極，二氧化硅是介質(zhì)。由于二氧化硅絕緣層很薄，即使UGS只有幾伏，也能產(chǎn)生很高的電場(chǎng)強(qiáng)度(可達(dá)105～106V/cm)。P型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸引到達(dá)表層，形成一個(gè)N型層，通常稱它為反型層。它就是溝通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道(與P型襯底間被耗盡層絕緣)。UGS值愈高，導(dǎo)通溝道愈寬。形成導(dǎo)通溝道后，在漏極電源ED的作用下，將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通，如圖2-29所示。圖2-30N溝道增強(qiáng)型管的轉(zhuǎn)移特性曲線iD/mAQΔIDΔUGSUGS(th)無溝道有溝道uGS/V03)伏安特性（1）轉(zhuǎn)移特性所謂轉(zhuǎn)移特性，就是當(dāng)漏源電壓uDS一定時(shí),柵-源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制特性。由半導(dǎo)體物理知識(shí)可以證明，

iD和uGS的近似關(guān)系為其中，IDO是uGS=2UGS(VTh)時(shí)的iD。（2-34）uDS=常數(shù)UGS=UGS(th)

圖2-31N溝道增強(qiáng)型管的漏極特性曲線iD/mAUGS=1V2V3V4VuDS

/V0放大區(qū)夾斷區(qū)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)（2）輸出特性輸出特性曲線描述當(dāng)柵-源電壓uGS一定時(shí)，漏極電流iD與漏-源電壓uDS之間的函數(shù)關(guān)系，即與雙極型三極管類似，對(duì)應(yīng)于一個(gè)uGS，就有一條曲線，因此輸出特性曲線為一族曲線。（2-35）在輸出特性曲線中，可以將場(chǎng)效應(yīng)管分為三個(gè)工作區(qū)：

(1)可變電阻區(qū)這是uDS較小的區(qū)域。在該區(qū)域uGS>UGS(th)，且uGD=uGS-uDS≥UGS(th)，場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部漏-源極之間存在導(dǎo)電溝道，且厚度較均勻，當(dāng)uGS一定時(shí)，iD與uDS呈線性關(guān)系，其相應(yīng)直線的斜率受uGS控制，這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管漏-源之間相當(dāng)于一個(gè)受電壓uGS控制的可變電阻，其電阻值為相應(yīng)直線斜率的倒數(shù)。

(2)放大區(qū)這是uDS較大的區(qū)域。在該區(qū)域uGS>UGS(th)，且uGD=uGS-uDS<UGS(th)，場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部漏-源極之間靠近漏極處存在夾斷區(qū)域，類似雙極型三極管反向偏置的集電結(jié)，具有很強(qiáng)的收集電子的能力。導(dǎo)電溝到呈楔形且與源極融為一體。iD僅受uGS控制而與uDS線基本無關(guān)，曲線近似為一族平行于橫軸的直線。在這一區(qū)域場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源極之間相當(dāng)于一個(gè)受電壓uGS控制的電流源，故也稱為恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管用于放大電路時(shí)，一般就工作在該區(qū)域。uGD=UGS(th)為可變電阻區(qū)與放大區(qū)分界，稱為預(yù)夾斷。

(3)截止區(qū)在該區(qū)域uGS<UGS(th)，這時(shí)導(dǎo)電溝道消失，iD≈0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。uGS=UGS(th)為截止區(qū)與放大區(qū)分界。(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)電路符號(hào)圖2-32N溝道耗盡型型MOS場(chǎng)效應(yīng)管上述的增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)uGS>UGs(VTh)時(shí)才形成導(dǎo)電溝道，如果在制造管子時(shí)就使它具有一個(gè)原始導(dǎo)電溝道，這種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管就屬于耗盡型，以與增強(qiáng)型區(qū)別。圖2-32是N型溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)。在制造時(shí)，在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子，因而在兩個(gè)N+區(qū)之間便感應(yīng)出較多電子，形成原始導(dǎo)電溝道。與增強(qiáng)型相比，它的結(jié)構(gòu)變化不大，但其控制特性卻有明顯的不同。1)結(jié)構(gòu)與符號(hào)2.耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管在uDS為常數(shù)的條件下，當(dāng)uGS=0時(shí)，漏-源極間已可導(dǎo)通，流過的是原始導(dǎo)電溝道的漏極電流IDSS。當(dāng)uGS>0時(shí)，在N溝道內(nèi)感應(yīng)出更多的電子，使溝道變寬，所以iD隨uGS的增大而增大。當(dāng)uGS<0，即加反向電壓時(shí)，在溝道內(nèi)感應(yīng)出一些正電荷與電子復(fù)合，使溝道變窄，iD減小；uGS負(fù)值愈高，溝道愈窄，iD愈小。當(dāng)uGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道內(nèi)的載流子(電子)因復(fù)合而耗盡，溝道被夾斷，iD≈0，這時(shí)的uGS稱為夾斷電壓，用UGS(off)表示。圖2-33和圖2-34所示分別為N溝道耗盡型管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線?？梢?，耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管不論柵-源電壓uGS是負(fù)或零，都能控制漏極電流iD，這個(gè)特點(diǎn)使它的應(yīng)用具有較大的靈活性。一般情況下，這類管子還是工作在負(fù)柵-源電壓的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，在UGS（off）≤UGS≤0范圍內(nèi)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可以近似用下式表示：

2)工作原理

（2-36）uDS=常數(shù)圖2-33N溝道耗盡型管的轉(zhuǎn)移特性ID/mAUGS/VUGS（off）UDS=常數(shù)IDSS121684-3-2-10123UGS/V圖2-33N溝道耗盡型管的輸出特性ID/mA1612840481216UGS=0V-2V-1V1V2V

N溝道增強(qiáng)型和耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，其主要區(qū)別就在于有無原始導(dǎo)電溝道。所以，如果要判別一個(gè)沒有型號(hào)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是增強(qiáng)型還是耗盡型，只要檢查它在uGS=0時(shí)，在漏、源極間加電壓是否導(dǎo)通，就可以作出判別。實(shí)際上，P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管同樣也有增強(qiáng)型和耗盡型之分。所以絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可分為下列四種：N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（如3D06）、

N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（如3D01～3D04）、P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（如3C01）、

P溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（如CS1）。

對(duì)于不同類型的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管使用時(shí)必須注意所加電壓的極性。在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近小范圍內(nèi)(如圖2-29所示)當(dāng)漏-源電壓UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的增量△ID對(duì)引起這一變化的柵-源電壓的增量△UGS的比值稱為跨導(dǎo)，即

（2-37）跨導(dǎo)是衡量場(chǎng)效應(yīng)管柵-源電壓對(duì)漏極電流控制能力的主要參數(shù)。使用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)要特別注意可能出現(xiàn)柵極感應(yīng)電壓過高而造成絕緣層的擊穿問題。表2-2場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管的比較

名

稱項(xiàng)

目場(chǎng)效應(yīng)管雙極型晶體管載流子只有一種載流子（電子或空穴）參與導(dǎo)電，故又稱為單極型晶體管兩種載流子（電子和空穴）同時(shí)導(dǎo)電，故又稱為雙極型晶體管控制方式電壓控制電流控制類

型N型溝道和P型溝道兩種NPN和PNP兩種放大參數(shù)gm=1～5mA/Vβ=2～100輸入電阻107～1014Ω102～104Ω輸出電阻rds很高rce很高熱穩(wěn)定性好差制造工藝簡(jiǎn)單、成本低較復(fù)雜對(duì)應(yīng)電極基極—柵極、發(fā)射極—源極、集電極—漏極由于場(chǎng)效應(yīng)管具有輸入阻抗高的特點(diǎn)，因此，常作多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，尤其對(duì)高內(nèi)阻信號(hào)源，采用場(chǎng)效應(yīng)管才能有效地放大。和雙極型晶體管比較，場(chǎng)效應(yīng)管的源極、漏極、柵極相當(dāng)于它的發(fā)射極、集電極、基極。由兩者構(gòu)成的放大電路也相似，場(chǎng)效應(yīng)管有共源極放大電路和源極輸出器等。為保證放大電路正常工作，場(chǎng)效應(yīng)管放大電路也必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證管子工作在線性區(qū)。與雙極型晶體管不同的是，場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，當(dāng)VDD和RD確定后，靜態(tài)工作點(diǎn)是由柵-源電壓UGS確定的。常用的偏置電路有自給偏壓電路和分壓式偏置電路兩種。2.5.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路圖2-35為耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的自給偏壓偏置電路。源極電流IS流經(jīng)源極電阻RS，在RS上產(chǎn)生壓降ISRS，顯然UGS=-ISRS，它是自給偏壓。電路中各元件作用如下：

RS為源極電阻，靜態(tài)工作點(diǎn)受它控制，其阻值約幾千歐；CS為源極交流旁路電容，用它來停止交流負(fù)反饋，其容量約為幾十微法；RG為柵極電阻，用以構(gòu)成柵-源極間的直流通路，RG阻值不能太小，否則影響放大電路的輸入電阻，其阻值約為200kΩ～10MΩ；

1.自給偏壓偏置電路RD為漏極電阻，它使放大電路具有電壓放大功能，其阻值約為幾十千歐；C1、C2分別為輸入電路和輸出電路的耦合電容，其容量一般為0.01~0.047F左右。

注意：由N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路，工作時(shí)UGS為正，所以無法采用自給偏壓偏置電路。2.分壓式偏置電路圖2-35所示為分壓式偏置電路，RG1和RG2為分壓電阻。這樣?xùn)?源電壓為（RG中并無電流通過）

對(duì)N溝道耗盡型管，UGS為負(fù)值，所以IDRS>VG；對(duì)N溝道增強(qiáng)型管，UGS為正值，所以IDRS<VG。（2-38）式中VG為柵極電位:1）工作點(diǎn)設(shè)置2）放大性能分析放大電路的交流通路如圖2-37所示。負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。電壓放大倍數(shù):輸入電阻

（2-41）輸出電壓:（2-40）（2-39）輸出電阻（2-42）圖2-37圖2-36的交流通路硅晶體閘流管簡(jiǎn)稱晶閘管，又稱可控硅，英文縮寫為SCR(SiliconControlledRectifier)，它是在硅整流二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型大功率變流器件。晶閘管不僅具有硅整流器件的特性，更重要的是它的工作過程可以控制，它能以小功率信號(hào)去控制大功率系統(tǒng)，從而使電子技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域。晶閘管是大功率電能變換與控制的重要器件，它具有體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、控制特性好等優(yōu)點(diǎn)。＊2.6晶閘管及應(yīng)用＊2.6晶閘管及應(yīng)用P1P2N2N1J1J2J3圖2-38晶閘管結(jié)構(gòu)KAG晶閘管類型很多，但不論哪種結(jié)構(gòu)形式的晶閘管，其內(nèi)部都有一個(gè)硅半導(dǎo)體材料做成的管芯，管芯由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3），分別從P1、P2和N2引出三個(gè)電極，依次為陽極A、控制極G和陰極K，如圖2-38所示。2.6.1晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.晶閘管結(jié)構(gòu)1)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-39晶閘管的外型與符號(hào)

(a)、(e)小電流塑封式

(b)小電流螺旋式

(c)大電流螺旋式

(d)大電流平板式

(f)

電路符號(hào)(e)(f)

2)晶閘管的外型封裝與符號(hào)(a)(b)(c)圖2-40晶閘管導(dǎo)通試驗(yàn)電路為了解晶閘管的特點(diǎn)，先來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖2-40。2.晶閘管的工作原理1)晶閘管特性實(shí)驗(yàn)（1）晶閘管陽極接直流電源的正極，陰極經(jīng)燈泡接直流電源的負(fù)極，此時(shí)晶閘管承受正向電壓，門極電路中開關(guān)S斷開，如圖2-40(a)所示，這時(shí)燈泡不亮，說明晶閘管不導(dǎo)通，稱正向阻斷。（2）晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，門極相對(duì)于陰極也加正向電壓，，如圖2-40(b)所示，這時(shí)燈泡亮，說明晶閘管導(dǎo)通。（3）在晶閘管導(dǎo)通后，去掉門極電壓，如圖2-40(b)的開關(guān)S斷開，燈泡仍然亮，表明晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。這說明晶閘管一旦導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用。（4）在晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓，如圖2-40(c)所示，這時(shí)門極加或不加正向電壓，燈泡都不亮，說明晶閘管不導(dǎo)通，稱反向阻斷。為了說明晶閘管的工作原理，可以把晶閘管等效成一個(gè)NPN型三極管和一個(gè)PNP型三極管組成的組合器件，中間的PN結(jié)兩管共用，如圖2-41所示。2)晶閘管的工作原理圖2-41晶閘管的內(nèi)部等效電路圖2-41晶閘管的內(nèi)部等效電路如果門極G加上一個(gè)正向電壓，使VT2管產(chǎn)生基極電流IB2=Ig，VT2管導(dǎo)通。由于VT2管的放大作用，產(chǎn)生集電極電流IC2=2IB2，IC2就是VT1管的基極電流IB1，通過VT1管的放大作用，VT1管的集電極電流IC1=1IB1=

12IB2

，IC1注入VT2管的基極并再次得到放大。這樣循環(huán)下去，形成強(qiáng)烈的正反饋，使兩只三極管都進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶閘管完全導(dǎo)通，這一過程稱為觸發(fā)過程，門極上所加的使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的正向電壓稱為觸發(fā)電壓。當(dāng)晶閘管加正向電壓UAK時(shí)，通過VT1管發(fā)射結(jié)的正向?qū)ㄗ饔檬筕T2管集電極上有正的電壓。在門極沒有加正向電壓時(shí)，IB2=0，VT2管不導(dǎo)通，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，這時(shí)兩管共用的PN結(jié)承受反向電壓。2)晶閘管的工作原理晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，VT2管基極始終有VT1管的集電極電流通過。因此，即便失去觸發(fā)電壓，晶閘管仍保持導(dǎo)通，門極失去控制作用。若減小陽極電壓，使陽極電流IA減小到不能維持正反饋過程時(shí)，晶閘管便轉(zhuǎn)為關(guān)斷。當(dāng)陽極和陰極間加反向電壓時(shí)，VT1管和VT2管都處于反向電壓下，它們都沒有放大作用，所以門極不管加什么樣的控制電壓，VT1管和VT2管都不能導(dǎo)通，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)。圖2-41晶閘管的內(nèi)部等效電路

(1)晶閘管與硅二極管相似，都具有反向阻斷能力，是一個(gè)單向?qū)щ婇_關(guān)。但晶閘管還具有正向阻斷能力，而正向?qū)ㄊ荛T極控制。

(2)要使晶閘管導(dǎo)通，必須在陽極和陰極之間加正向電壓，同時(shí)在門極和陰極之間加正向觸發(fā)電壓。

(3)晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用。

(4)要重新關(guān)斷晶閘管，必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋過程、或者將陽極電源斷開、或者在晶閘管的陽極和陰極間加一個(gè)反向電壓。3)結(jié)論

1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

在額定結(jié)溫（100安以上為115℃，50安以下為100℃），門極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，允許重復(fù)加在陽極和陰極間的最大正向峰值電壓，一般取比轉(zhuǎn)折電壓

UBO低100伏。它反映了阻斷狀態(tài)下晶閘管能承受的正向電壓。

2）反向重復(fù)峰值電壓URRM

在額定結(jié)溫和門極斷路的情況下，允許重復(fù)加在陽極和陰極間的反向峰值電壓，一般取比反向擊穿電壓UBR低100伏。它反映了阻斷狀態(tài)下晶閘管能承受的反向電壓。通常UDRM和URRM在數(shù)值上大致相等，習(xí)慣上統(tǒng)稱峰值電壓，并取其中較小者作為晶閘管的額定電壓。

3）額定平均電流IVT(AV)

在環(huán)境溫度不大于40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下、結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定值時(shí)，晶閘管在電阻性負(fù)載時(shí)允許通過的工頻正弦半波電流在一周期之內(nèi)的最大平均值稱為額定平均電流。通常所說多少安的晶閘管就是指這個(gè)電流。3.晶閘管的主要參數(shù)正弦半波工作時(shí)，電流有效值為Im/2，電流平均值為Im/(Im為峰值)，電流有效值與平均值之比為/2。例如，對(duì)額定平均電流IVT(AV)為10A的晶閘管，在半波全導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于15.7A的有效值電流的發(fā)熱量。

注意：晶閘管的導(dǎo)通角度一般小于180°，如果晶閘管導(dǎo)通時(shí)間短，其實(shí)際允許的平均電流與額定平均電流不同，若仍然要使平均電流和額定平均電流一樣，則必須在導(dǎo)通期內(nèi)電流峰值增大才行，這樣電流的有效值與發(fā)熱量均隨之增加。所以，當(dāng)晶閘管的導(dǎo)通角變小時(shí)，其允許的平均電流值要降低。

4）通態(tài)平均電壓UVT(AV)

晶閘管正向通過正弦半波額定平均電流，且結(jié)溫穩(wěn)定時(shí)，陽極和陰極間的電壓平均值。習(xí)慣上稱為導(dǎo)通時(shí)的管壓降。這個(gè)電壓越小越好，出廠時(shí)規(guī)定的上限值即該型合格產(chǎn)品的最大管壓降。它由工廠根據(jù)合格的形式試驗(yàn)自定。

5）門極觸發(fā)電流IGVT

在室溫下，陽極和陰極加6V正向電壓，使晶閘管從關(guān)斷變?yōu)橥耆珜?dǎo)通所需要的最小門極直流電流為IGVT，一般為幾十到幾百毫安。為保證可靠觸發(fā)，實(shí)際值應(yīng)大于額定值。

6)門極觸發(fā)電壓UGVT

在室溫下，陽極和陰極加6V正向電壓，使晶閘管從關(guān)斷變?yōu)橥耆珜?dǎo)通所需要的最小門極直流電壓為UGVT，一般為1～5V。為保證可靠觸發(fā)，實(shí)際值應(yīng)大于額定值。

7)維持電流IH

在室溫和門極斷路的情況下，晶閘管已導(dǎo)通，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)必須的最小電流稱為維持電流。它是由通態(tài)到斷態(tài)的臨界電流，要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使其正向電流低于IH。

8)浪涌電流IVTSM

結(jié)溫為額定值時(shí)，在工頻正弦半周內(nèi)晶閘管能承受的短時(shí)最大過載峰值電流。浪涌時(shí)，允許門極暫時(shí)失控，而反向應(yīng)能承受1/2反向峰值電壓。

AKGAKGAKGT1T2G(a)TRIAC(b)RCT(c)GTO(d)LTT圖2-42晶閘管的派生器件符