电工电子学第八章

第八章分立元件放大电路电工电子学18．1半导体器件自然界中的物质，根据其导电能力的强弱，可分为导体、绝缘体和半导体。导体的导电能力很强，绝缘体不导电，半导体的导电能力则介于导体与绝缘体之间。半导体除了导电能力与导体和绝缘体有所不同以外，其导电性能还有以下特点：（1）对温度敏感半导体导电能力受温度影响大，温度愈高其导电能力愈强，利用这一特性可制造半导体热敏器件。（2）对光照敏感半导体导电能力随光照影响而变化，光照愈强其导电能力愈强，利用这一特性可制造半导体光敏器件。（3）掺杂后导电能力剧增在纯净的半导体中掺入微量的杂质（指其它元素），其导电能力会大大增加，利用这一特性，半导体可做成各种不同用途的半导体器件。28.1.1PN结1．本征半导体本征半导体就是完全纯净的，具有晶体结构的半导体。以硅为例，含有硅的材料经高纯度的提炼，制成单晶硅。整个晶体内原子都按一定规律整齐地排列，由于硅原子结构中最外层价电子为4个，所以在本征半导体的晶体结构中，每个原子的一个价电子与相邻的另一个原子的一个价电子组成一个电子对，从而形成共价键结构。如图8.1.1所示。图8.1.1硅原子间的共价键结构图8.1.2自由电子和空穴的产生3物体导电能力的大小取决于物体内能参与导电的粒子——载流子的多少。在绝对零度和没有外界影响时，共价键中的价电子被束缚很紧，此时本征半导体中无载流子的存在，这时本征半导体具有绝缘体的性能。当温度升高时，半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动过程中与空穴相遇时，释放能量并填补空穴，于是一对自由电子、空穴消失了。这种现象称为复合。在一定的条件下，激发与复合的过程达到动态平衡。本征半导体中的载流子保持一定的浓度。载流子的浓度受温度的影响很大，温度升高，载流子浓度也随之增加。42.N型半导体和P型半导体本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子，但在常温下，数量都很少，导电能力很低。当在本征半导体中掺入百万分之一的有用杂质，其导电能力将成百万倍增加。掺入有用杂质的半导体叫做杂质半导体。掺入不同性质的杂质可以获得不同类型的半导体。5在本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷，本征硅晶格中的某些位置上的硅原子被磷原子所替代。磷原子最外层有五个价电子，在与相邻的硅原子组成共价键后多余一个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图8.1.3（a）所示。在这样掺杂后的半导体中，自由电子的浓度大大增加，这种半导体主要靠自由电子导电，所以称之为电子半导体或N型半导体。（a）硅晶体中掺磷出现自由电子（b）N型半导体图8.1.3N型半导体的形成6在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼。本征硅晶格中的某些位置上的硅原子被硼原子所替代。硼原子最外层有3个价电子，在与相邻的硅原子组成共价键后因缺少一个电子而形成一个空位，而邻近原子的价电子很容易填补这个空位，就在原来位置上留下一个空穴，如图8.1.4（a）所示，从而使掺杂后的半导体中空穴的浓度大大增加，这种半导体主要靠空穴导电，所以称之为空穴半导体或P型半导体。在P型半导体中，空穴浓度远远大于自由电子浓度，因而把空穴叫做多数载流子，自由电子叫做少数载流子。7（a）硅晶体中掺硼出现空穴（b）P型半导体图8.1.4P型半导体的形成杂质半导体中多子浓度主要取决于掺入的杂质浓度，而少子浓度主要与本征激发有关，因此受温度的影响很大，这将影响半导体器件的性能。83.PN结的形成N型或P型半导体的导电能力虽然大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。用专门的制造工艺在同一块半导体晶片上形成N型半导体和P型半导体，在两种半导体的交界处就会形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。图8.1.5PN结的形成94.PN结的导电特性PN结在没有外加电压作用时呈电中性，当在PN结两端加上不同极性的电压时，PN结便会呈现出不同的导电性能。给PN结外加正向电压时，即外加电源的正极接P区，负极接N区，也称之为正向偏置。如图8.1.6所示。图8.1.6PN结外加正向电压10给PN结外加反向电压时，即外加电源的负极接P区，正极接N区，也称之为反向偏置。如图8.1.7所示。图8.1.7PN结外加反向电压111．半导体二极管的结构和类型半导体二极管是由PN结加上电极引出线和管壳而构成。P区一侧引出的电极称为阳极，N区一侧引出的电极称为阴极，二极管的图形符号如图8.1.8（a）所示。（a）图形符号（b）点接触型（c）面接触型图8.1.8半导体二极管122.二极管的伏安特性二极管的特性常用伏安特性来表示，它是指二极管两端的电压和流过管子的电流之间的关系。如图8.1.9所示。二极管的本质是一个PN结，因此，它也具有单向导电性，其伏安特性可分为正向特性和反向特性两部分。图8.1.9二极管的伏安特性133.二极管的主要参数二极管的特性除了用伏安特性曲线来表示以外，还可以用一些数据来说明。这些数据就是二极管的参数。二极管的参数用来表示二极管性能优劣及其适用范围，它是正确使用二极管、合理设计电路的依据。这些参数可以从半导体手册中查出。144.应用举例由于二极管的伏安特性是非线性的，为了简化分析计算，通常在二极管正常工作范围内将其线性化或理想化。如果二极管正向压降远小于电源电压时，把二极管理想化为一个开关。当外加正向电压时，二极管导通，其管压降和正向电阻为零，二极管相当于短路；当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为零，反向电阻为无穷大，二极管相当于开路。如果二极管的正向压降与电源电压相差不大时，二极管正向压降不可忽略，可以用一个直流电压源来等效正向导通的二极管。当外加正向电压大于时，二极管导通，二极管两端电压降为；当外加电压小于时,二极管截止。155.稳压二极管稳压二极管是用特殊工艺制造的二极管，它具有稳定电压的作用，它的图形符号与伏安特性如图8.1.12所示。（a）图形符号（b）伏安特性图8.1.12稳压管的图形符号和伏安特性168.1.3晶体三极管1．晶体三极管的结构与类型半导体三极管也称为晶体管。晶体管由两个背靠背的PN结组成，从结构上来分类就有PNP型和NPN型两种。它们的结构示意图和图形符号如图8.1.15所示。（a）NPN型（b）PNP型图8.1.15晶体三极管的结构示意图和图形符号172.晶体管的电流分配关系和放大原理放大器是一个四端网络，有一个输入端口和一个输出端口，而晶体管是一个三端器件，接成放大器时有一个电极就为输入端和输出端所共有。按所用的公共端不同，可分为共基极，共发射极，共集电极三种组态。三种组态电路各有特点，但工作原理是相同的。183.特性曲线晶体管是一个非线性元件，其各极之间电压和电流的关系，通常用伏安特性曲线表示。利用这些特性曲线可以较全面地，确切地了解晶体管的工作性能。特性曲线是晶体管内部微观现象的外部表现，从使用角度来看，了解晶体管特性曲线比了解其内部物理过程更为重要。特性曲线可以从半导体器件手册中查到，也可在晶体管特性图示仪上直观地显示出来，还可以用实验的方法来测定。19（1）输入特性曲线输入特性曲线是指集—射极之间的电压为常数时，输入回路中基极电流与基—射极电压之间的关系曲线，即（a）输入特性（b）输出特性图8.1.18晶体三极管特性曲线20常数CEBEB)(UUfI（2）输出特性曲线输出特性曲线是指基极电流为常数时，输出回路中集电极电流与集—射极电压之间的关系曲线，即21CIBICEU常数BCEC)(IUfI当外部供电条件不同时，晶体管将工作在三种不同状态，对应于晶体管的三种工作状态，输出特性也分为三个区。（a）饱和区（b）放大区（c）截止区4.主要参数228.1.4绝缘栅场效应管场效应管也是一种半导体三极管，其功能与晶体管相似，也可以用作放大元件和开关元件，但工作原理不同于晶体管，它利用外加电压产生的内电场或表面电场控制导电沟道的宽窄，即改变沟道的电阻，从而改变电流的大小。场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两大类。绝缘栅场效应管又分为增强型和耗尽型两大类，每一类中又分为N沟道和P沟道两种。现以N沟道增强型绝缘栅场效应管为例。231.基本结构（a）结构示意图（b）图形符号图8.1.19N沟道增强型绝缘栅场效应管2.工作原理3.特性曲线4.主要参数248.2基本放大电路放大电路的功能是将微弱的电信号（电压、电流）加以放大，在输出端输出一个与输入信号波形相同而幅度增大了的信号。放大电路的性能指标是衡量放大电路品质优劣的标准，也是分析和设计放大电路的依据。放大电路的主要性能指标有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、非线性失真等。8.2.1放大电路的组成及工作原理25图8.2.1基本交流放大电路8.2.2放大电路的分析1.静态分析静态分析就是分析当信号时放大电路的直流工作情况，以确定晶体管各电极电压和电流的静态值，即确定静态值。静态时，在晶体管的输入特性和输出特性上所对应的工作点称为静态工作点，用来表示。静态值是与静态工作点相对应的，换句话说，静态分析的目的就是要确定放大电路的静态工作点。静态分析的主要方法有估算法和图解法。260iuCECBBEUIIU、、、2．动态分析动态分析就是在静态值确定后分析信号的传输情况，考虑的是电压与电流的交流分量。动态分析的主要任务是分析计算放大电路的电压放大倍数，输入电阻和输出电阻，分析非线性失真，频率特性等性能指标。动态分析的基本方法是微变等效电路法和图解法。278.3放大电路中静态工作点的稳定静态工作点是直流负载线与对应于静态基极电流的那一条晶体管输出特性的交点，对于图8.2.1所示的基本放大电路，当电源电压和集电极负载电阻确定后，放大电路的静态工作点就由基极偏置电流来确定，，可见，在电路参数一定时，是固定的，故称为固定偏置放大电路。该电路结构简单，调试方便。但是当外部条件发生变化时，电路的静态工作点难以稳定，甚至会使放大电路无法正常工作。28CCUCRBIBCCBBECCBRURUUIBI8.4共集电极放大电路图8.4.1（a）是一个共集电极放大电路，图8.4.1（b）是该电路的交流通路。由此可见，输入信号加在基极与集电极之间，输出信号由发射极与集电极之间输出，集电极成为输入回路和输出回路的公共端，故称为共集电极电路。由于信号从发射极输出，所以又称为射极输出器。（a）电路原理图（b）交流通路图8.4.1共集电极放大电路298.4.1静态分析共集电极放大电路的直流通路如图8.4.2所示，图8.4.2图8.4.1电路的直流通路308.4.2动态分析由交流通路画出微变等效电路如图8.4.3所示。图8.4.3图8.4.1电路的微变等效电路318.5多级放大电路在放大电路输入信号比较微弱时，为将信号电压放大到具有足够的幅值和能够提供负载工作所需的功率，常把若干个单级放大电路串接起来，组成多级放大电路。多级放大电路中级与级之间的连接称为耦合。常见的耦合方式有阻容耦合和直接耦合。328.5.1阻容耦合放大电路图8.5.1两级阻容耦合放大电路图8.5.1为两级阻容耦合放大电路，第一级的输出信号通过耦合电容送到第二级输入电阻上，故称为阻容耦合。阻容耦合电路只能放大交流信号。332．阻容耦合放大电路的幅频特性：以上的讨论中没有涉及到信号的频率问题，是把信号当作是单一频率的正弦波。实际上输入信号常常是一个包含许多谐波的非正弦波，由于放大电路中存在着级间耦合电容，旁路电容和晶体管的结电容等，它们的容抗随频率不同而变化，这就使得放大电路的电压放大倍数也随频率的变化而变化。把放大电路的电压放大倍数的模与频率的关系称为幅频特性。图8.5.3所示为单级阻容耦合放大电路的幅频特性。34图8.5.3单级阻容耦合放大电路的幅频特性358.5.2直接耦合放大电路信号源与放大电路、各级放大电路之间，放大电路与负载之间直接连接起来的方