電子技術基礎第十章晶體管放大電路講解者:鄒歡E-mail:1404224253@第10章晶體管放大電路10.2

半導體二極管10.3半導體三極管10.4基本放大電路及其分析方法10.5共射極放大電路的靜態分析10.6共射極放大電路的動態分析10.7靜態工作點穩定的放大電路10.8多級放大電路10.9運算放大器10.10負反饋放大電路10.11功率放大器

10.1

半導體的導電特性退出第10.1章半導體二極管和三極管10.1.1半導體的導電特性

本征半導體就是完全純凈的、具有晶體結構的半導體。1本征半導體

自由電子空穴共價鍵SiSiSiSi本征半導體中自由電子和空穴的形成

用得最多的半導體是硅或鍺,它們都是四價元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價鍵結構。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量價電子即可掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對出現，同時又不斷復合。在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運動形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補，而在該原子的共價鍵中產生另一個空穴。空穴被填補和相繼產生的現象，可以看成空穴順著電場方向移動，形成空穴電流。可見在半導體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導電。空穴移動方向

電子移動方向

外電場方向SiSiSiSiSiSiSi2N型半導體和

P型半導體1）.N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷，當某一個硅原子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數量大大增加，是多數載流子，空穴是少數載流子，將這種半導體稱為N型半導體。SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子本征半導體中由于載流子數量極少，導電能力很低。如果在其中參入微量的雜質(某種元素)將使其導電能力大大增強。2）.P型半導體

在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼，在組成共價鍵時將因缺少一個電子而產生一個空位，相鄰硅原子的價電子很容易填補這個空位，而在該原子中便產生一個空穴，使空穴的數量大大增加，成為多數載流子，電子是少數載流子，將這種半導體稱為P型半導體。

SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價電子填補空位3PN結及其單向導電性1）.PN結的形成

用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成P型半導體區域和N型半導體區域，在這兩個區域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結。P區N區N區的電子向P區擴散并與空穴復合PN結內電場方向2）.PN結的單向導電性(1)

外加正向電壓內電場方向E外電場方向RIP區N區外電場驅使P區的空穴進入空間電荷區抵消一部分負空間電荷N區電子進入空間電荷區抵消一部分正空間電荷空間電荷區變窄

擴散運動增強，形成較大的正向電流P區N區內電場方向ER空間電荷區變寬外電場方向IR2）.

外加反向電壓外電場驅使空間電荷區兩側的空穴和自由電子移走少數載流子越過PN結形成很小的反向電流多數載流子的擴散運動難于進行返回10.2.2半導體二極管1基本結構

將PN結加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。按結構分，有點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型表示符號正極負極金銻合金面接觸型N型鍺

正極引線負極引線PN結底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼2伏安特性

二極管和PN結一樣，具有單向導電性，由伏安特性曲線可見，當外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數值后，電流很快增大，將這一定數值的正向電壓稱為死區電壓。通常，硅管的死區電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。導通時的正向壓降，硅管約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區電壓擊穿電壓U(BR)反向特性I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0

在二極管上加反向電壓時，反向電流很小。但當反向電壓增大至某一數值時，反向電流將突然增大。這種現象稱為擊穿，二極管失去單向導電性。產生擊穿時的電壓稱為反向擊穿電壓U(BR)。3主要參數

1.最大整流電流

IOM

最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。

2.反向工作峰值電壓URWM

它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3.反向峰值電流IRM它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。[例1]

在圖中，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R接負電源–12V。求輸出端電位VY。

[解]

因為VA高于VB

，所以DA優先導通。如果二極管的正向壓降是0.3V，則VY=+2.7V。當DA導通后,DB因反偏而截止。

在這里，DA起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在+2.7V。

二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向導電性。它可用與整流、檢波、限幅、元件保護以及在數字電路中作為開關元件。DA–12VYVAVBDBR返回10.3.3穩壓管

穩壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。其表示符號如下圖所示。

穩壓管工作于反向擊穿區。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內變化時，反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內變化，但穩壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩壓管在電路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向+反向UZIZ

穩壓管的主要參數有下面幾個：1.穩定電壓UZ

4.穩定電流IZ

3.動態電阻rZ2.電壓溫度系數U5.最大允許耗散功率PZM

[例1]

圖中通過穩壓管的電流IZ等于多少？R是限流電阻，其值是否合適？IZDZ+20R=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例

1的圖IZ

<IZM

，電阻值合適。[解]10.4.4半導體三極管1基本結構N型硅二氧化硅保護膜BECN型硅P型硅(a)

平面型N型鍺ECB銦球銦球PP(b)合金型返回1）.NPN型三極管集電區集電結基區發射結發射區NN集電極C基極B發射極EP

不論平面型或合金型，都分成NPN或PNP三層，因此又把晶體管分為NPN型和PNP型兩類。ECB符號T集電區集電結基區發射結發射區N集電極C發射極E基極BNPPN2）.PNP型三極管

CBET符號2電流分配和放大原理

我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實驗電路采用共發射極接法，發射極是基極電路和集電極電路的公共端。實驗中用的是NPN型管，為了使晶體管具有放大作用，電源EB和EC的極性必須使發射結上加正向電壓(正向偏置)，集電結加反向電壓(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100

設EC=6V，改變可變電阻RB，則基極電流IB、集電極電流IC和發射極電流IE都發生變化，測量結果如下表：基極電路集電極電路晶體管電流測量數據結論：(1)符合基爾霍夫定律(2)IC和IE比IB大得多。從第三列和第四列的數據可得

這就是晶體管的電流放大作用。稱為共發射極靜態電流(直流)放大系數。電流放大作用還體現在基極電流的少量變化IB可以引起集電極電流較大的變化IC。

式中，稱為動態電流(交流)放大系數(3)當IB=0(將基極開路)時，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。(4)要使晶體管起放大作用，發射結必須正向偏置，發射區才可向基區發射電子；而集電結必須反向偏置，集電區才可收集從發射區發射過來的電子。

下圖給出了起放大作用時NPN型和PNP型晶體管中電流實際方向和發射結與集電結的實際極性。+UBE

ICIEIBCTEB+UCENPN型晶體管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型晶體管3特性曲線1）.

輸入特性曲線對于NPN型三極管應滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應滿足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE

輸入特性曲線是指當集—射極電壓UCE為常數時，輸入電路(基極電路)中，基極電流IB與基—射極電壓UBE之間的關系曲線IB

=f(UBE)。O0.40.8IB

/AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100

晶體管的輸入特性也有一段死區，只有在發射結外加電壓大于死區電壓時，才會產生IB。2）.

輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當基極電流IB為常數時，輸出電路(集電極電路)中集電極電流IC與集—射極電壓UCE之間的關系曲線IC

=f(UCE)。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。

晶體管有三種工作狀態，因而輸出特性曲組分為三個工作區(1)

放大區

輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區，。放大區也稱為線性區，因為IC和IB成正比的關系。對NPN型管而言，應使UBE

>0，UBC<

0，此時，UCE

>UBE。ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共發射極電路IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區飽和區截止區(2)

截止區IB=0的曲線以下的區域稱為截止區。IB=0時,IC=ICEO(很小)。對NPN型硅管，當UBE<

0.5V時，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，常使UBE

0，截止時集電結也處于反向偏置(UBC

<

0)，此時,IC

0，UCE

UCC。(3)

飽和區

當UCE

<

UBE時，集電結處于正向偏置(UBC

>

0)，晶體管工作于飽和狀態。在飽和區，IC和IB不成正比。此時，發射結也處于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區

當晶體管飽和時，UCE

0，發射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很小；當晶體管截止時，IC

0，發射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。晶體管的三種工作狀態如下圖所示+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)飽和

UBC>0+晶體管結電壓的典型值4主要參數1.電流放大系數，

當晶體管接成共發射極電路時，在靜態(無輸入信號)時集電極電流與基極電流的比值稱為靜態電流(