《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 主講 譚海曙 第一講 緒論 1 電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2 電子技術(shù)的應(yīng)用范圍 3 本課程與其它專業(yè)課的關(guān)系 4 電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)特點(diǎn) 參考書 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第四版 清華大學(xué)童詩白 華成英主編 2 電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分第四版 華中理工大學(xué)康華光主編 1 1半導(dǎo)體的基本知識1 2PN結(jié)1 3半導(dǎo)體二極管 第一章晶體二極管 1 1半導(dǎo)體的基本知識 根據(jù)物體導(dǎo)電能力 電阻率 的不同 來劃分導(dǎo)體 絕緣體和半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的電阻率為10 3 109 cm 典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等 1 1 1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性 本征半導(dǎo)體 化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99 9999999 常稱為 九個9 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài) 1 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價元素 在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子 它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵 共價鍵中的價電子為這些原子所共有 并為它們所束縛 在空間形成排列有序的晶體 這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖01 01 2 電子空穴對 當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時 導(dǎo)體中沒有自由電子 當(dāng)溫度升高或受到光的照射時 價電子能量增高 有的價電子可以掙脫原子核的束縛 而參與導(dǎo)電 成為自由電子 自由電子產(chǎn)生的同時 在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位 原子的電中性被破壞 呈現(xiàn)出正電性 其正電量與電子的負(fù)電量相等 人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 也稱熱激發(fā) 可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的 稱為電子空穴對 游離的部分自由電子也可能回到空穴中去 稱為復(fù)合 如圖01 02所示 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡 圖01 02本征激發(fā)和復(fù)合的過程 動畫1 1 3 空穴的移動 自由電子的定向運(yùn)動形成了電子電流 空穴的定向運(yùn)動也可形成空穴電流 它們的方向相反 只不過空穴的運(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的 因此 空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子 見圖01 03的動畫演示 動畫1 2 圖01 03空穴在晶格中的移動 1 1 2雜質(zhì)半導(dǎo)體 1 N型半導(dǎo)體 2 P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì) 可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化 摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素 摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體 1 N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素 例如磷 可形成N型半導(dǎo)體 也稱電子型半導(dǎo)體 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵 而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子 它主要由雜質(zhì)原子提供 空穴是少數(shù)載流子 由熱激發(fā)形成 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子 因此 五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì) N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01 04所示 圖01 04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 2 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素 如硼 鎵 銦等形成P型半導(dǎo)體 也稱為空穴型半導(dǎo)體 因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時 缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子 主要由摻雜形成 電子是少數(shù)載流子 由熱激發(fā)形成 空穴很容易俘獲電子 使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子 三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì) P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01 05所示 圖01 05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 圖01 05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 1 1 3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響 一些典型的數(shù)據(jù)如下 以上三個濃度基本上依次相差106 cm3 雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型 1 2PN結(jié) 1 2 1PN結(jié)的形成 1 2 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1 2 3PN結(jié)的電容效應(yīng) 1 2 1PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì) 分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程 因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動 由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡 對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面 離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié) 在空間電荷區(qū) 由于缺少多子 所以也稱耗盡層 圖01 06PN結(jié)的形成過程 動畫1 3 PN結(jié)形成的過程可參閱圖01 06 1 2 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使PN結(jié)中 P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位 稱為加正向電壓 簡稱正偏 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū) PN結(jié)呈低阻性 所以電流大 反之是高阻性 電流小 P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位 稱為加反向電壓 簡稱反偏 1 PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū) 方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反 削弱了內(nèi)電場 內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱 擴(kuò)散電流加大 擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流 可忽略漂移電流的影響 PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性 PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖01 07 動畫1 4 圖01 07PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 2 PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū) 方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同 加強(qiáng)了內(nèi)電場 內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng) 擴(kuò)散電流大大減小 此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流 可忽略擴(kuò)散電流 由于漂移電流本身就很小 PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性 在一定溫度條件下 由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的 故少子形成的漂移電流是恒定的 基本上與所加反向電壓的大小無關(guān) 這個電流也稱為反向飽和電流 PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如圖01 08所示 圖01 08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 PN結(jié)外加正向電壓時 呈現(xiàn)低電阻 具有較大的正向擴(kuò)散電流 PN結(jié)加反向電壓時 呈現(xiàn)高電阻 具有很小的反向漂移電流 由此可以得出結(jié)論 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?動畫1 5 圖01 08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 1 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 a 摻雜濃度 b 溫度 有關(guān) 2 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 a 摻雜濃度 b 溫度 有關(guān) 3 當(dāng)溫度升高時 少子的數(shù)量 a 減少 b 不變 c 增多 a b c 4 在外加電壓的作用下 P型半導(dǎo)體中的電流主要是 N型半導(dǎo)體中的電流主要是 a 電子電流 b 空穴電流 b a 思考題 1 2 3PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng) 它由兩方面的因素決定 一是勢壘電容CB二是擴(kuò)散電容CD 1 勢壘電容CB 勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的 當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時 離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變 這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化 猶如電容的充放電 勢壘電容的示意圖見圖01 09 圖01 09勢壘電容示意圖 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后 在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的 因PN結(jié)正偏時 由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子 與外電源提供的空穴相復(fù)合 形成正向電流 剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近 形成一定的多子濃度梯度分布曲線 2 擴(kuò)散電容CD 反之 由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴 在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線 擴(kuò)散電容的示意圖如圖01 10所示 圖01 10擴(kuò)散電容示意圖 當(dāng)外加正向電壓不同時 擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同 所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不相同 這就相當(dāng)電容的充放電過程 勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容 半導(dǎo)體元件及其特性 1 1半導(dǎo)體二極管 1 2半導(dǎo)體三極管 1 1半導(dǎo)體二極管 1 PN結(jié)的形成 在半導(dǎo)體材料 硅 鍺 中摻入不同雜質(zhì)可以分別形成N型和P型兩種半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體主要依靠自由電子導(dǎo)電 稱自由電子為多數(shù)載流子 而空穴數(shù)量遠(yuǎn)少于電子數(shù)量 稱空穴為少數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電 稱空穴為多數(shù)載流子 而自由電子遠(yuǎn)少于空穴的數(shù)量 稱自由電子為少數(shù)載流子 PN結(jié)的形成與特性 當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸以后 由于交界兩側(cè)半導(dǎo)體類型不同 存在電子和空穴的濃度差 這樣 P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散 N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散 如圖1 1 1 a 所示 由于擴(kuò)散運(yùn)動 在P區(qū)和N區(qū)的接觸面就產(chǎn)生正負(fù)離子層 N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子 P區(qū)得到電子產(chǎn)生負(fù)離子 通常稱這個正負(fù)離子層為PN結(jié) 在 結(jié)的 區(qū)一側(cè)帶負(fù)電 區(qū)一側(cè)帶正電 結(jié)便產(chǎn)生了內(nèi)電場 內(nèi)電場的方向從 區(qū)指向 區(qū) 內(nèi)電場對擴(kuò)散運(yùn)動起到阻礙作用 電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動隨著內(nèi)電場的加強(qiáng)而逐步減弱 直至停止 在界面處形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū) 2 PN結(jié)的特性 1 正向?qū)?給PN結(jié)加正向電壓 即P區(qū)接正電源 N區(qū)接負(fù)電源 此時稱PN結(jié)為正向偏置 這時PN結(jié)外加電場與內(nèi)電場方向相反 當(dāng)外電場大于內(nèi)電場時 外加電場抵消內(nèi)電場 使空間電荷區(qū)變窄 有利于多數(shù)載流子運(yùn)動 形成正向電流 外加電場越強(qiáng) 正向電流越大 這意味著PN結(jié)的正向電阻變小 正向?qū)?反向截止 2 反向截止給PN結(jié)加反向電壓 稱PN結(jié)反向偏置 如圖所示 這時外加電場與內(nèi)電場方向相同 使內(nèi)電場的作用增強(qiáng) PN結(jié)變厚 多數(shù)載流子運(yùn)動難于進(jìn)行 有助于少數(shù)載流子運(yùn)動 形成電流IR 少數(shù)載流子很少 所以電流很小 接近于零 即PN結(jié)反向電阻很大 綜上所述 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?加正向電壓時 PN結(jié)電阻很小 電流IR較大 是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動形成的 加反向電壓時 PN結(jié)電阻很大 電流IR很小 是少數(shù)載流子運(yùn)動形成的 接在二極管 P 區(qū)的引出線稱二極管的陽極 接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極 二極管有許多類型 從工藝上分 有點(diǎn)接觸型和面接觸型 按用途分 有整流管 檢波二極管 穩(wěn)壓二極管 光電二極管和開關(guān)二極管等 二極管的結(jié)構(gòu)和類型 1 二極管伏安特性 理論分析指出 半導(dǎo)體二極管電流I與端電壓U之間的關(guān)系可表示為 I IS 1 此式稱為理想二極管電流方程 式中 IS稱為反向飽和電流 UT稱為溫度的電壓當(dāng)量 常溫下UT 26mV 實際的二極管伏安特性曲線如圖所示 圖中 實線對應(yīng)硅材料二極管 虛線對應(yīng)鍺材料二極管 二極管的特性及參數(shù) 1 正向特性 當(dāng)二極管承受正向電壓小于某一數(shù)值時 還不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子運(yùn)動的阻擋作用 這一區(qū)段二極管正向電流IF很小 稱為死區(qū) 死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關(guān) 并受環(huán)境溫度影響 通常 硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0 5V 鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為0 2V 當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓值時 外電場抵消了內(nèi)電場 正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大 二極管正向電阻變得很小 當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后 正向壓降基本維持不變 稱為二極管正向?qū)▔航礥F 一般硅管的UF為0 7V 鍺管的UF為0 3V 2 反向特性 當(dāng)二極管承受反向電壓時 外電場與內(nèi)電場方向一致 只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動 形成的漏電流IR極小 一般硅管的IR為幾微安以下 鍺管IR較大 為幾十到幾百微安 這時二極管反向截止 當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時 反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大 這種現(xiàn)象稱二極管反向擊穿 擊穿時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓 普通二極管發(fā)生反向擊穿后 造成二極管的永久性損壞 失去單向?qū)щ娦?2 二極管的主要參數(shù) 二極管參數(shù)是反映二極管性能質(zhì)量的指標(biāo) 必須根據(jù)二極管的參數(shù)來合理選用二極管 二極管的主要參數(shù)有4項 1 最大整流電流IFM IFM是指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值 工作時 管子通過的電流不應(yīng)超過這個數(shù)值 否則將導(dǎo)致管子過熱而損壞 2 最高反向工作電壓URM URM是指二極管不擊穿所允許加的最高反向電壓 超過此值二極管就有被反向擊穿的危險 URM通常為反向擊穿電壓的1 2 2 3 以確保二極管安全工作 3 最大反向電流IRMIRM是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流 一般很小 但其受溫度影響較大 當(dāng)溫度升高時 IRM顯著增大 4 最高工作頻率fM fM是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r 外加電壓允許的最高頻率 二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān) 容量越小 工作頻率越高 二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件 利用其單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時正向壓降很小的特點(diǎn) 可用來進(jìn)行整流 檢波 鉗位 限幅 開關(guān)以及元件保護(hù)等各項工作 1 整流 所謂整流 就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電 利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相 三相等各種形式的整流電路 2 鉗位 利用二極管正向?qū)〞r壓降很小的特性 可組成鉗位電路 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用 若A點(diǎn)UA 0 二極管VD可正向?qū)?其壓降很小 故F點(diǎn)的電位也被鉗制在0V左右 即UF 0 3 限幅 利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?可以構(gòu)成各種限幅電路 使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內(nèi) 設(shè)輸入電壓ui 10sin t V Us1 Us2 5V 當(dāng) Us2Us1時 VD1處于正向偏置而導(dǎo)通 使輸出電壓保持在Us1 當(dāng)ui Us1時 VD2處于正向偏置而導(dǎo)通 輸出電壓保持在 Us2 由于輸出電壓uo被限制在 Us1與 Us2之間 即 uo 5V 好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣 因此這種電路又稱為削波電路 4 元件保護(hù) 在電子線路中 常用二極管來保護(hù)其他元器件免受過高電壓的損害 在開關(guān)S接通時 電源E給線圈供電 L中有電流流過 儲存了磁場能量 在開關(guān)S由接通到斷開的瞬時 電流突然中斷 L中將產(chǎn)生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢eL eL與E疊加作用在開關(guān)S的端子上 在S的端子上產(chǎn)生電火花放電 這將影響設(shè)備的正常工作 使開關(guān)S壽命縮短 接入二極管 VD后 eL通過二極管VD產(chǎn)生放電電流i 使L中儲存的能量不經(jīng)過開關(guān)S放掉 從而保護(hù)了開關(guān)S 1 發(fā)光二極管 1 發(fā)光二極管的符號及特性 是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件 簡稱LED 發(fā)光二極管和普通二極管相似 也由一個PN結(jié)組成 發(fā)光二極管在正向?qū)〞r 由于空穴和電子的復(fù)合而發(fā)出能量 發(fā)出一定波長的可見光 光的波長不同 顏色也不同 常見的LED有紅 綠 黃等顏色 發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低 工作電流小 具有很強(qiáng)的抗振動和抗沖擊能力 由于發(fā)光二極管體積小 可靠性高 耗電省 壽命長 被廣泛用于信號指示等電路中 特種二極管 2 發(fā)光二極管的應(yīng)用 電源通斷指示發(fā)光二極管作為電源通斷指示通常稱為指示燈 在實際應(yīng)用中給人提供很大的方便 發(fā)光二極管的供電電源既可以是直流的也可以是交流的 但必須注意的是 發(fā)光二極管是一種電流控制器件 應(yīng)用中只要保證發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍之內(nèi) 它就可以正常發(fā)光 數(shù)碼管是電子技術(shù)中應(yīng)用的主要顯示器件 是用發(fā)光二極管經(jīng)過一定的排列組成的 這是最常用的七段數(shù)碼顯示 要使它顯示0 9的一系列數(shù)字只要點(diǎn)亮其內(nèi)部相應(yīng)的顯示段即可 七段數(shù)碼顯示有共陽極 b 和共陰極 c 之分 數(shù)碼管的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動兩種 應(yīng)用中可任意選擇 數(shù)碼管應(yīng)用十分廣泛 可以說 凡是需要指示或讀數(shù)的場合 都可采用數(shù)碼管顯示 2 穩(wěn)壓二極管 硅穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管 是一種特殊的二極管 它與電阻配合具有穩(wěn)定電壓的特點(diǎn) 1 穩(wěn)壓管的伏安特性 穩(wěn)壓管正向偏壓時 其特性和普通二極管一樣 反向偏壓時 開始一段和二極管一樣 當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值以后 反向電流突然上升 而且電流在一定范圍內(nèi)增長時 管兩端電壓只有少許增加 變化很小 具有穩(wěn)壓性能 這種 反向擊穿 是可恢復(fù)的 只要外電路限流電阻保障電流在限定范圍內(nèi) 就不致引起熱擊穿而損壞穩(wěn)壓管 2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) a 穩(wěn)定電壓值UVDZ 穩(wěn)壓管在正常工作時管子的端電壓 一般為3 25V 高的可達(dá)200V b 穩(wěn)定電流IVDZ 穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流 開始穩(wěn)壓時對應(yīng)的電流最小 為最小穩(wěn)壓電流IVDZmin 對應(yīng)額定功耗時的穩(wěn)壓電流為最大穩(wěn)壓電流IVDZmax c 動態(tài)電阻rVDZ 穩(wěn)壓管端電壓的變化量 UVDZ與對應(yīng)電流變化量 IVDZ之比 即 d 穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù) 當(dāng)溫度變化1 時穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UVDZ的相對變化量 e 穩(wěn)壓管額定功耗PVDZM 保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功耗 其大小為 PVDZM UVDZIVDZmax 3 穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用 UI是不穩(wěn)定的可變直流電壓 希望得到穩(wěn)定的電壓UO 故在兩者之間加穩(wěn)壓電路 它由限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成 RL是負(fù)載電阻 1 2半導(dǎo)體三極管 三極管是由兩個PN結(jié) 3個雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域組成的 因雜質(zhì)半導(dǎo)體有P N型兩種 所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種 1 三極管的結(jié)構(gòu)及類型不管是NPN型還是PNP型三極管 都有三個區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 以及分別從這三個區(qū)引出的電極 發(fā)射極e 基極b和集電極c 兩個PN結(jié)分別為發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的發(fā)射結(jié)和集電區(qū)與基區(qū)之間的集電結(jié) 三極管的結(jié)構(gòu)及類型 三極管基區(qū)很薄 一般僅有1微米至幾十微米厚 發(fā)射區(qū)濃度很高 集電結(jié)截面積大于發(fā)射結(jié)截面積 使用中要注意電源的極性 確保發(fā)射結(jié)永遠(yuǎn)加正向偏置電壓 三極管才能正常工作 三極管根據(jù)基片的材料不同 分為鍺管和硅管兩大類 目前國內(nèi)生產(chǎn)的硅管多為NPN型 3D系列 鍺管多為PNP型 3A系列 從頻率特性分 可分為高頻管和低頻管 從功率大小分 可分為大功率管 中功率管和小功率管 2 三極管電流分配和放大作用 實驗得出如下結(jié)論 IE IC IBIC IE三個電流之間的關(guān)系符合基爾霍夫電流定律 IB雖然很小 但對IC有控制作用 IC隨IB改變而改變 稱為三極管的電流放大系數(shù) 它反映三極管的電流放大能力 也可以說電流IB對IC的控制能力 1 三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律 三極管電流之間為什么具有這樣的關(guān)系呢 這可以通過在三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律來解釋 a 發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子 電源UBB經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上 發(fā)射結(jié)正偏 發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子 自由電子不斷地越過發(fā)射結(jié)而進(jìn)入基區(qū) 形成發(fā)射極電流IE 同時 基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 但由于基區(qū)很薄 可以不考慮這個電流 因此 可以認(rèn)為三極管發(fā)射結(jié)電流主要是電子流 b 基區(qū)中的電子進(jìn)行擴(kuò)散與復(fù)合 電子進(jìn)入基區(qū)后 先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集 漸漸形成電子濃度差 在濃度差的作用下 促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散 被集電結(jié)電場拉入集電區(qū) 形成集電結(jié)電流IC 也有很小一部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合 形成復(fù)合電子流 擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流的比例決定了三極管的放大能力 c 集電區(qū)收集電子 由于集電結(jié)外加反向電壓很大 這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散 同時將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)而形成集電結(jié)主電流ICN 另外集電區(qū)的少數(shù)載流子 空穴也會產(chǎn)生漂移運(yùn)動 流向基區(qū) 形成反向飽和電流ICBO 其數(shù)值很小 但對溫度卻非常敏感 2 三極管的電流分配關(guān)系 綜合載流子的運(yùn)動規(guī)律 三極管內(nèi)的電流分配如圖所示 圖中的箭頭表示電流方向 由于三極管基區(qū)的雜質(zhì)濃度很低 且厚度很薄 這就減小了電子和空穴復(fù)合的機(jī)會 所以從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很小一部分在基區(qū)復(fù)合掉 絕大部分到達(dá)集電區(qū) 這就是說構(gòu)成發(fā)射極電流IE的兩部分中 IBE部分是很小的 ICE部分所占百分比是大的 若它們的比值用hFE本表示 則有 hFE本表示三極管的電流放大能力 稱為本征電流放大系數(shù) 它的大小取決于基區(qū)中載流子擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系 這種比例關(guān)系是由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的 一旦管子制成后 這種比例關(guān)系 hFE本值 也就確定了 各極電流滿足下列分配關(guān)系 IB IBE ICBO IC ICE ICBO hFE本IBE ICBO hFE本 IB ICBO CBO hFE本IB 1 hFE本 ICBO hFE本IB ICEO ICEO 1 hFE本 ICBO IE ICE IBE IC ICBO IB ICBO IC IB 由三極管內(nèi)部的載流子運(yùn)動規(guī)律可知 集電極電流IC主要來源于發(fā)射極電流IE 而同集電極外電路幾乎無關(guān) 只要加到集電結(jié)上的反向電壓能夠把從基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子吸引到集電區(qū)即可 這就是三極管的電流控制作用 三極管能實現(xiàn)放大作用也是以此為基礎(chǔ)的 這也是三極同二極管一個質(zhì)的區(qū)別所在 IE的大小是由發(fā)射結(jié)上的外加正向電壓UBE的大小決定的 UBE的變化將引起IE的變化 IE的變化再引起IB和IC的變化 所以 實質(zhì)上是發(fā)射結(jié)上的正向電壓UBE對各極電流有控制作用 UBE變化能引起IC變化的現(xiàn)象 本應(yīng)理解為電壓控制 但二者的關(guān)系是非線性的 表達(dá)起來很不方便 當(dāng)ICBO 或ICEO 可忽略時 則有IC hFE本IB 表明IC同IB 或IE 有一個比例關(guān)系 使用起來很方便 所以通常說IC受IB 或IE 控制 或者說 IC隨IB 或IE 成正比變化 這里還需指出 三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是它具有電流控制作用的內(nèi)部依據(jù) 而發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置是它實現(xiàn)電流控制作用的外部條件 這是因為IC受IB 或IE 控制 是在滿足上述外部條件下實現(xiàn)的 因此 三極管在作放大運(yùn)用時的直流供電必須滿足這個外部條件 3 放大作用 在基極回路 b e間 加入一個待放大的信號電壓us 在集電極回路 c e間 串入一個負(fù)載電阻RL RL兩端電壓變量為 uo 基極接信號稱輸入端 集電極接負(fù)載 稱之為輸出端 發(fā)射極既接信號又接負(fù)載 稱之為公共端 這種連接方式稱為共發(fā)射極接法 1 共射輸入特性 1 當(dāng)UCE 0時的輸入特性 圖中曲線 當(dāng)UCE 0時 相當(dāng)于集電極和發(fā)射極間短路 三極管等效成兩個二極管并聯(lián) 其特性類似于二極管的正向特性 三極管的特性曲線 2 當(dāng)UCE 1V時的輸入特性 圖中曲線 當(dāng)UCE 1V 時 輸入特性曲線右移 相對于UCE 0時的曲線 表明對應(yīng)同一個UBE值 IB減小了 或者說 要保持IB不變 UBE需增加 這是因為集電結(jié)加反向電壓 使得擴(kuò)散到基區(qū)的載流子絕大部分被集電結(jié)吸引過去而形成集電極電流IC 只有少部分在基區(qū)復(fù)合 形成基極電流IB 所以IB減小而使曲線右移 對應(yīng)輸入特性曲線某點(diǎn) 例如圖1 2 8的Q點(diǎn) 切線斜率的倒數(shù) 稱為三極管共射極接法 Q點(diǎn)處 的交流輸入電阻 記作rbe 即 2 輸出特性曲線 輸出特性曲線是指當(dāng)三極管基極電流IB為常數(shù)時 集電極電流IC與集電極 發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系 即 IC f UCE IB 常數(shù) 輸出特性曲線如圖所示 1 截止區(qū) 2 放大區(qū)a 對應(yīng)同一個IB值 UCE 增加時 IC基本不變 曲線基本與橫軸平行 b 對應(yīng)同一個UCE值 IB增加 IC顯著增加 并且IC的變量 IC與IB的變量 IB基本為正比關(guān)系 曲線簇等間距 3 飽和區(qū) 1 電流放大系數(shù) 動態(tài) 交流 電流放大系數(shù) 當(dāng)集電極電壓UCE為定值時 集電極電流變化量 IC與基極電流變化量 IB之比 即 靜態(tài) 直流 電流放大系數(shù) 三極管為共發(fā)射極接法 在集電極 發(fā)射極電壓UCE一定的條件下 由基極直流電流IB所引起的集電極直流電流與基極電流之比 稱為共發(fā)射極靜態(tài) 直流 電流放大系數(shù) 記作 三極管的主要參數(shù) 2 極間反向截止電流 發(fā)射極開路 集電極 基極反向截止電流ICBO 基極開路 集電極 發(fā)射極反向截止電流ICEO是當(dāng)三極管基極開路而集電結(jié)反偏和發(fā)射結(jié)正偏時的集電極電流 3 極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM 當(dāng)IC超過一定數(shù)值時 下降 下降到正常值的2 3時所對應(yīng)的IC值為ICM 當(dāng)IC ICM時 可導(dǎo)致三極管損壞 反向擊穿電壓U BR CEO 基極開路時 集電極 發(fā)射極之間最大允許電壓為反向擊穿電壓U BR CEO 當(dāng)UCE U BR CEO時 三極管的IC IE劇增 使三極管擊穿 為可靠工作 使用中取 復(fù)合三極管是把兩個三極管的管腳適當(dāng)?shù)倪B接起來使之等效為一個三極管 典型結(jié)構(gòu)如圖所示 ic ic1 ic2 1ib1 2ib2 1ib1 2 1 1 ib1 1ib1 2 1ib1 1ib1 1 2 1 2ib1 復(fù)合三極管 即 說明復(fù)合管的電流放大系數(shù) 近似等于兩個管子電流放大系數(shù)的乘積 同時有 ICEO ICEO2 2ICEO1 表明復(fù)合管具有穿透電流大的缺點(diǎn) 第二章基本放大電路 2 1概述 2 2基本共射放大電路的工作原理 2 3放大電路的分析方法 2 4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定 設(shè)置Q點(diǎn)的原因 前一節(jié)知識的回顧 Q點(diǎn)設(shè)置的合理性 晶體管工作在放大區(qū) 晶體管實現(xiàn)線性放大 基本共射放大電路的Q點(diǎn)分析 靜態(tài)Q點(diǎn)通過晶體管的動態(tài)電阻rbe影響電壓放大倍數(shù) 輸入電阻等動態(tài)參數(shù) 2 4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定 1 客觀上的不穩(wěn)定帶來 2 是什么原因使它不穩(wěn)定 3 怎么穩(wěn)定 4 在穩(wěn)定的過程中會遇到 Q點(diǎn)的穩(wěn)定性 對于前面的放大電路 即固定偏置電路 而言 靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE 和ICEO決定 這三個參數(shù)隨溫度而變化 溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在這些方面 因此Q點(diǎn)不穩(wěn)定會 Q點(diǎn)與 電壓放大倍數(shù) 輸入電阻 輸出信號 是否產(chǎn)生失真有關(guān) 一 首先討論問題1和問題2 固定偏置電路的Q點(diǎn)是不穩(wěn)定的 怎么穩(wěn)定 很重要的工程思維方式 以 變化 應(yīng) 變化 從而實現(xiàn)補(bǔ)償?shù)哪康?為此 需要改進(jìn)固定偏置電路 常采用射極分壓式偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 使得當(dāng)溫度升高IC增加時 能夠自動減少IB 從而抑制Q點(diǎn)的變化 保持Q點(diǎn)基本穩(wěn)定 提示 1靜態(tài)分析 2 穩(wěn)定的原理 1 Q點(diǎn)的估算 二 射極分壓式偏置電路 B點(diǎn)的電位固定 B IC E 2動態(tài)性能分析 發(fā)射極電阻的引入帶來 如何解決 提示 CE