二极管和三极管的入门基础知识-图解

5.1二极管5.2三极管5.3共射极放大电路5.4分压式偏置电路5.5多级放大电路5.6放大电路中的负反馈5.7差分放大电路5.8功率放大电路5.9绝缘栅型场效应晶体管及其放大电路5.1二极管知识分布网络二极管本征半导体与杂质半导体PN结及其导电特性二极管的结构和符号二极管的主要参数PN结二极管二极管的伏安特性5.1.1PN结半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅和锗。纯净的具有完整单晶体结构的半导体材料称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱，其原子之间的共价键结构非常稳定，如图5-1，价电子不易脱离束缚而成为自由电子。但是当获得足够的能量后，一些价电子可能挣脱共价键的束缚游离出来，成为自由电子，当有外电场作用时这些自由电子就可以参与导电。另外，当价电子游离出来以后，会在原来位置上留下一个“空位”，使得这个共价键不稳定，能吸引其他电子来填充，这部分电子移动相当于“空位”向相反方向移动，这些空位我们称为空穴，空穴带正电。1本征半导体和掺杂半导体图5-1本征半导体的共价键结构和空穴电流的产生图5-2N型半导体若掺入五价元素，如磷(P),就形成了N型半导体。由于磷原子有5个价电子，其最外层的四个电子与相邻的4个硅（或锗）原子组成共价键结构，有1个价电子游离于共价键之外，成为自由电子，如图5-2所示。每掺入一个磷原子就会产生一个自由电子，因此N型半导体中自由电子的浓度大大增加。与此同时，还存在因热激发产生的少量自由电子和空穴。由于自由电子的数目远大于空穴的数目，所以自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。图5-3P型半导体同理，若在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素，如硼（B）,就形成了P型半导体，如图5-3。不难看出P型半导体多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子。（1）PN结的形成：把P型半导体和N型半导体用特殊的工艺结合在一起时，N区中浓度较高的自由电子会扩散到P区，并与P型半导体中空穴复合，在N区一侧留下带正电的净电荷区。同时，P区浓度较高的空穴会扩散到N区中并与自由电子复合，在P区形成带负电的净电荷区。从而在交界面处形成一个由N区指向P区的内电场。该内电场对多数载流子继续扩散起阻碍作用，对双方少数载流子的漂移运动起推动作用。当多数载流子扩散数量与少数载流子漂移数量相同时，内电场宽度和强度保持稳定。这种在P型半导体和N型半导体交界面处形成的稳定的内电场称为PN结。如图5-4所示。2.PN结：5.1.1PN结图5-4PN结的形成（二）PN结的特性：PN结有一个非常重要的导电特性：单向导电性。1)PN结加正向电压——正向导通如图5-5a所示，电源正极接P区，负极接N区，称为正向电压，指示灯亮，说明PN结导通。2)PN结加反向电压——反向截止如图5-5b所示，电源负极接P区，正极接N区，称为反向电压，指示灯不亮，说明PN结截止。图5-5aPN结外加正向电压图5-5bPN结外加反向电压5.1.1PN结5.1.2二极管1结构在一个PN结的P区和N区各接出一条引线，再封装在管壳内，就制成一只二极管，如图5-6a所示，N区引出端为阴极（负极），P区引出端为阳极（正极），其文字符号为VD，图形符号如图5-6b所示。图5-7是几种常见的二极管的外形。图5-7几种常见的二极管的外型图5-6二极管的结构与符号5.1.2二极管2类型二极管的分类方法很多，根据不同的制造工艺及结构，二极管可分点接触型、面接触型及平面型二极管；根据材料不同，可分为硅二极管和锗二极管两类；根据用途不同，又可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管等。3型号按国家标准GB294-74规定，二极管的型号由五部分组成，如表5-1所示。常见的二极管有2AP7、2DZ54C等，根据表5-1可自行判断它们的意义。5.1.2二极管4伏安特性如图5-8所示。（1）正向特性位于图中第一象限。当二极管承受很小的正向电压时，二极管并不能导通，这是因为外电场太弱，不足以克服内电场的阻挡作用，这段区域称为死区，与此相对应的电压叫死区电压，一般硅二极管的死区电压约0.5伏，锗二极管约0.2伏。当正向电压上升到大于死区电压时，二极管开始导通，正向电流随正向电压上升很快。二极管导通后的正向电阻很小，其正向压降很小，一般硅管约0.7V，锗管约为0.2-0.3伏。(2)反向特性位于图中第三象限。当二极管承受反向电压时，二极管中只有很小的反向电流，是由少数载流子漂移形成。受温度影响敏感，反向电流越小，二极管温度稳定性越好。硅管反向电流比锗管小。所以硅管温度稳定性好。当反向电压增大到超过某个值时，反向电流急剧加大，二极管被击穿，可能被损坏。所以一般二极管不允许工作在这个区域。图5-8二极管的电压、电流特性曲线5.1.2二极管5.1.2二极管5二极管的主要参数二极管的参数是选择和使用二极管的重要依据。（1）最大正向电流IFM：指在规定的散热条件下,二极管长期安全运行时允许通过的最大正向电流的平均值。如果实际工作时正向电流的平均值超过此值,二极管可能会因过热而损坏。（2）最高反向工作电压URM：指二极管允许承受的最高反向电压。一般规定最高反向工作电压为反向击穿电压的二分之一。5.2三极管知识分布网络三极管三极管的电流放大作用三极管的结构、符号和型号三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的输入特性三极管的输出特性5.2.1三极管的结构、符号和型号1三极管的结构图5-11是几种常见的国产三极管的封装和外形。在一块极薄的硅或锗基片上通过一定的工艺制做出两个PN结就构成了三层半导体结构，从三层半导体各引出一根引线就是三极管的三个极，再封装在管壳里，就构成晶体三极管。三个电极分别叫做发射极E、基极B、集电极C，与之对应的每层半导体分别称为发射区、基区、集电区。发射区与基区之间的PN结为发射结，集电区和基区之间的PN结为集电结。基区是P型半导体的称为NPN型三极管，基区是N型半导体的称为PNP型三极管。图5-11几种三极管的外形和封装5.2.1三极管的结构、符号和型号三极管的结构和表示符号如图5-12所示。晶体三极管的内部结构特点是：①发射区的掺杂浓度大于集电区；②基区非常薄且掺杂很轻；③集电结面积较发射结大，它们并不对称，所以集电极和发射极不能互换。图5-12三极管的结构和符号5.2.1三极管的结构、符号和型号2三极管的型号按国家标准GB294-74规定，三极管的型号同二极管一样也由五部分组成，如表5-3所示。表5-3三极管的型号组成及其意义第一部分（数字）第二部分（拼音）第三部分（拼音）第四部分（数字）第五部分（拼音）电极数材料和极性类型序号规格号符号意义符号意义符号意义3三极管APNP型锗材料X普通管BNPN型锗材料G整流管CPNP型硅材料D稳压管DNPN型硅材料A光电管K开关管常见的二极管有3DG130C、3AX52B等，根据表5-2可自行判断它们的意义。5.2.2三极管的电流放大作用当给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压时，三极管具有电流放大作用，电路形式如图5-13所示。1、静态电流放大作用集电极电流一般是基极电流30-100倍，称为静态电流放大系数。2、动态电流放大作用β称为动态电流放大系数，与静态电流放大系数近似相等，一般取为一致。图5-13三极管电流放大作用电路5.2.3三极管的特性曲线表示三极管各极电流和极间电压关系的曲线称为晶体管的特性曲线，它是了解三极管外部性能和分析三极管工作状态的重要依据。１、输入特性输入特性是指当三极管集电极－发射极之间的电压UCE为定值，基极电流IB和基极-发射极之间电压UBE之间的关系。其特性曲线如图5-15所示。图5-16三极管的输出特性曲线图5-15三极管的输入特性曲线5.2.3三极管的特性曲线２、输出特性输出特性是指当三极管的基极电流IB为定值，集电极电流IC与集电极－发射极之间的电压UCE之间的关系，其特性曲线如图5-16所示。由图可见，当基极电流不变时集电极电流基本不随集－射极之间的电压UCE变化而变化，所以说从三极管的集电极看进去具有恒流源特性。不同的基极电流IB对应不同的输出特性曲线，从而形成一个曲线簇，可把输出特性曲线簇分成三个区域，不同的区域对应着不同的工作状态。5.2.4三极管的主要参数晶体管的参数表示其性能优劣和适用范围，是合理选择和正确使用的依据。１、共发射极电流放大系数ββ表示三极管的电流放大能力。不同型号的管子其β不同，范围在20-200之间，可根据需要选用。２、集电极-发射极反向饱和电流ICE0：也叫穿透电流。是指基极开路时集电极和发射极间加规定反向电压时的反向电流。该电流越小，三极管温度稳定性越好。３、极限参数1）集电极最大允许电流ICＭ：集电极电流过大时三极管的β会下降，一般规定当β下降到β额定值2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICＭ。2）集电极－发射极反向击穿电压U（BR）CE0：指在基极开路的情况下加在集电极和发射极之间的最大允许工作电压。3）集电极最大允许耗散功率PCM：5.3共射极放大电路知识分布网络共射极放大电路共射极放大电路的组成电路的静态分析电路的动态分析电阻分类及标识电阻分类及标识电阻分类及标识电阻分类及标识电阻分类及标识5.3.1电路组成共射极单管放大电路如图5-18所示。为使电路简化，发射结和集电结共用一个电源，电阻RB将电源引至发射结。为发射结提供正偏电压。由于三极管的发射极为输入和输出端共用，所以称为共射极放大电路。电路中各元件的作用见表5-6。图5-18共射极基本放大电路5.3.1电路组成元件名称作用V三极管放大电路的核心，具有电流放大作用，其集电极电流随基极电流按比例变化。UCC直流电源一是为放大器提供能源；二是为三极管提供合适工作电压。RB基极电阻提供合适的基极偏置电流，使三极管建立合适的静态工作点，RB一般取几十千欧到几百千欧之间。RC集电极电阻将三极管的电流放大作用转换为电压放大作用。RC一般在几千欧到几十千欧之间。C1、C2耦合电容隔直流通交流，避免放大电路的直流成分影响到信号源和负载。通常C1和C2选用电解电容，一般为几微法到几十微法。表5-65.3.2电路分析1、放大器中电压、电流符号的规定由于放大电路既有直流电源作用又有交流信号源作用，所以在放大电路中既有直流分量，又有交流分量。为了清楚地表示不同的物理量，表5-7将电路中出现的有关电量的符号列了出来。表5-7电压、电流符号的规定物理量表示符号直流量用大写字母带大写下标，如：IB、IC、IE、UBE、UCE交流量用小写字母带小写下标，如：ib、ic、ie、ube、uce、ui、u0交直流叠加量用小写字母带大写下标，如：iB、iC、iE、uBE、uCE交流分量的有效值用大写字母带小写下标，如：Ib、Ic、Ie、Ube、Uce5.3.2电路分析2、静态工作点的作用与估算1）静态工作点的作用所谓静态指的是放大器在没有交流信号输入时的工作状态。这时三极管的基极电流IB、集电极电流IC、基极与发射极间的电压UBE和集电极与发射极间的电压UCE的值叫静态值。又称为静态工作点。2）静态工作点的估算在放大电路中仅有直流分量作用的等效电路称为直流通路。如图5-20。在直流通路中可近似估算静态工作点。)15...(..........BCCBBEQCCBQRURUUI25.............................................BQCQII)35..(..............................CCCCCEQRIUU5.3.2电路分析3放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻放大电路的作用是放大交流小信号。电压放大倍数是表示其放大能力的参数，输入电阻和输出电阻是表示放大电路性能的参数。1）放大电路的电压放大倍数Au的近似估算输入电阻、输出电阻和电压放大倍数都反映的是交流分量的关系，所以需要通过交流通路来进行分析。所谓交流通路是指在有交流信号输入（动态）时，放大电路的交流信号流通的路径。因电容器通交流信号而直流电源的内阻又