电子学基础知识Word下载.docx

电子学基础知识Word下载.docx

《电子学基础知识Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子学基础知识Word下载.docx（97页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

（2）箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。

　　注：

黑色---输入信号，蓝色---输出信号，波形为用ＥＷＢ仿真结果。

三、半导体三极管及放大电路

放大电路的组成原则；

共射、共集和共基组态放大电路工作原理；

静态工作点；

用小信号模型分析法分析增益、输入电阻和输出电阻；

多级放大电路的工作原理，增益的计算

图解分析法；

放大电路的频率响应

∙一般了解：

频率失真

2.1半导体的基本知识

1．半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，半导体具有光敏、热敏和掺杂特性。

2．本征半导体

（1）在0K时，本征半导体中没有载流子，呈绝缘体特性。

（2）温度升高→热激发→共价键中价电子进入导带→自由电子+空穴。

（3）两种载流子：

导带中的自由电子，电荷极性为负；

价带中挣脱共价键束缚的价电子所剩下的空穴，电荷极性为正。

（4）热激发条件下，只有少数价电子挣脱共价键的束缚，进入导带形成电子空穴对，所以本征半导体导电率很低。

3．杂质半导体

（1）两种杂质半导体：

Ｎ型---掺入微量五价元素；

Ｐ型---掺入微量三价元素。

（2）两种浓度不等的载流子：

多子---由掺杂形成，少子---由热激发产生。

（3）一般情况下，只要掺入极少量的杂质，所增加的多子浓度就会远大于室温条件下所产生的载流子浓度。

所以，杂质半导体的导电率高。

（4）杂质半导体呈电中性。

4．半导体中载流子的运动方式

（1）漂移运动---载流子在外加电场作用下的定向移动。

（2）扩散运动---因浓度梯度引起载流子的定向运动。

2.2ＰＮ结的形成及特性

　　当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起的时侯，由于交界面处存在载流子浓度的差异→多子扩散→产生空间电荷区和内电场→内电场阻碍多子扩散，有利少子漂移

　　当扩散和漂移达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结。

　　外加正向电压→多子向ＰＮ结移动，空间电荷区变窄，内电场减弱→扩散运动大于漂移运动→正向电流。

　　外加反向电压→多子背离ＰＮ结移动，空间电荷区变宽，内电场增强→漂移运动大于扩散运动→反向电流。

2.3半导体二极管

1．半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型这样几类。

2．伏安特性

　　它可划分为三个部分：

（1）正向特性（外加正向电压）

　　当正向电压超过某一数值后，二极管才有明显的正向电流，该电压值称为导通电压，用Ｖth表示。

　　在室温下，硅管的Ｖth约为0.5V，锗管的Ｖth约为0.1V。

当流过二极管的电流Ｉ比较大时，二极管两端的电压几乎维持恒定，硅管约为0.6～0.8Ｖ（通常取0.7Ｖ），锗管约为0.2～0.3V（通常取0.2Ｖ）。

（2）反向特性（外加反向电压）

　　在反向电压小于反向击穿电压的范围内，由少数载流子形成的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。

　　由二极管的正向与反向特性可直观的看出：

①二极管是非线性器件；

②二极管具有单向导电性。

　　（3）反向击穿特性

　　当反向电压增加到某一数值ＶBR时，反向电流急剧增大，这种现象叫做二极管的反向击穿。

3．电容效应：

势垒电容与扩散电容

4．主要参数

　　器件的参数是其特性的定量描述，是我们正确使用和合理选择器件的依据。

（1）正向---最大整流电流ＩF

（2）反向---反向击穿电压ＶBR　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2.4二极管应用电路

1．分析方法：

二极管是一种非线性器件，因而由二极管构成的电路一般要采用非线性电路的分析方法。

（1）图解分析法

　　其步骤为：

①把电路分为线性和非线性两部分；

②在同一坐标上分别画出非线性部分的伏安特性和线性部分的特性曲线；

③由两条特性曲线的交点求电路的Ｖ和Ｉ。

（2）模型分析法（非线性器件线性化处理）

　　①理想二极管模型---正向导通时，压降为0；

反向截止时，电流为0。

　　②恒压降模型---当二极管工作电流较大时，其两端电压为常数（通常硅管取0.7V，锗管取0.2V）。

③交流小信号模型--若电路中除有直流电源外，还有交流小信号，则对电路进行交流分析时，二极管可等效

为交流电阻rd=26mV/IDQ 

（IDQ为静态电流）

2．二极管应用电路

（1）限幅电路---利用二极管单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成，将信号限定在某一范围中

变化，分为单限幅和双限幅电路。

多用于信号处理电路中。

（2）箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。

（3）开关电路---利用二极管单向导电性以接通和断开电路，广泛用于数字电路中。

（4）整流电路---利用二极管单向导电性，将交流信号变为直流信号，广泛用于直流稳压电源中。

（5）低电压稳压电路---利用二极管导通后两端电压基本不变的特点，采用几只二极管串联，获得3V以下输

出电压

2.5特殊二极管

1．稳压二极管

（1）工作原理

　　稳压管是一种特殊的二极管，它利用ＰＮ结反向击穿后特性陡直的特点，在电路中起稳压作用。

稳压管工作在反向击穿状态。

（2）主要参数：

稳定电压Ｖz、稳定电流Ｉz、最大工作电流ＩzM和最大耗散功率ＰzM

2．发光二极管

　发光二极管是一种将电能转化为光能的特殊二极管。

　　发光二极管简写成了ＬＥＤ，其基本结构是一个ＰＮ结，它的特性曲线与普通二极管类似，但正向导通电压

一般为1～2Ｖ，正向工作电流一般为几～几十毫安。

3．光电二极管

　光电二极管又叫光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。

4．变容二极管

利用二极管结电容随反向电压的增加而减少的特性制成的电容效应显著的二极管。

多于高频技术中。

例1．求图所示电路的静态工作点电压和电流。

解：

（1）图解分析法

　　首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。

在线性部分，其端特性方程为

　　　　　　　　　　　　Ｖ＝Ｖ1－ＩＲ

将相应的负载线画在二极管的伏安特性曲线上，如图所示，其交点便是所求的（ＩQ，ＶQ）。

（2）模型分析法

　　①理想二极管模型

　　Ｖ＝0，Ｉ＝Ｖ1／Ｒ

　　②恒压降模型

　　设为硅管，Ｖ＝0.7V，Ｉ＝（Ｖ1－Ｖ）／Ｒ

例2．如何用万用表的“欧姆”档来判别一只二极管的正、负极？

　　分析：

指针型万用表的黑笔内接直流电源的正端，而红笔接负端。

利用二极管的单向导电性，其正向导通电阻一般在几百欧～几千欧，而反向偏置电阻一般在几百千欧以上。

　　测量时，利用万用表的“R×

100”和“R×

1K”档，若两个数值比值在100以上，认为二极管正常，否则认为二极管的单向导电性已损坏。

例3．图所示电路中，设Ｄ为理想二极管，试画出其传输特性曲线（Ｖo～Ｖi）。

　　解：

（1）ｖi<

0，二极管Ｄ1、Ｄ2均截止，ｖo=2.5V。

（2）ｖi>

　　当0<

ｖi<

2.5V时，二极管Ｄ1、Ｄ2均截止，ｖo=2.5V；

　　当ｖi>

2.5V时，Ｄ1导通，假设此时Ｄ2尚未导通，则ｖo=（2/3）．（vi-2.5）+2.5V；

令ｖo=10V，则ｖi=13.75V，可见当ｖi>

13.25V时，Ｄ1、Ｄ2均导通，此时ｖo=10V。

传输特性曲线略。

例4．试判断图中二极管是导通还是截止？

并求出AO两端电压ＶA0。

设二极管为理想的。

分析方法：

（1）将D1、D2从电路中断开，分别出D1、D2两端的电压；

（2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。

若两管都承受正向电压，则正向电压大的管子优先导通，然后再按以上方法分析其它管子的工作情况。

本题中：

Ｖ12=12V，Ｖ34=12+4=16V，所以D2优先导通，此时，Ｖ12=-4V，所以D1管子截止。

ＶA0=-4V。

例5．两个稳压管的稳压值ＶZ1=5V，ＶZ2=7V，它们的正向导通压降均为0.6V，电路在以下二种接法时，输出电压Ｖo为多少？

若电路输入为正弦信号ＶI=20sinωt（V），画出图（a）输出电压的波形。

图（a）中D1、D2都承受反向偏压，所以输出电压Ｖo=ＶZ1+ＶZ2=5V+7V=12V

若输入正弦信号ＶI=20sinωt（V）：

　　在输入信号正半周，若ＶI<

12V稳压管处于反向截止状态，Ｖo=ＶI；

若ＶI≥12V稳压管处于反向击穿状态，Ｖo=12V。

　　在输入信号负半周，若ＶI>

-1.2V稳压管处于截止状态，Ｖo=ＶI；

若ＶI≤-1.2V稳压管处于正向导通状态，Ｖo=-1.2V。

　　图（b）中D1承受正向电压、D2承受反向偏压，所以输出电压Ｖo=0.6V+7V=12.6V。

1、ＰＮ结外加正向电压时，扩散电流_______漂移电流，耗尽层_______。

（答案与提示）

2、

（1）在图所示的电路中，当电源V=5V时，测得I=1mA。

若把电源电压调整到V=10V，则电流的大小将是_____。

A.I=2mA　　B.I<

2mA　　C.I>

2mA

（2）设电路中保持V=5V不变。

当温度为20摄氏度时，测得二极管正向电压ＶP=0.7V。

当温度上升到40摄氏度时，则ＶP的大小是______。

A.仍等于0.7V　　B.大于0.7　　C.小于0.7V

3、图中D1-D3为理想二极管，A，B，C灯都相同，试问哪个灯最亮？

4、设硅稳压管Dz1和Dz2的稳定电压分别为5V和10V，求图中电路的输出电压Uo。

已知稳压管的正向压降为0.7V。

5、图所示的电路中，Dz1和Dz2为稳压二极管，其稳定工作电压分别为6V和7V，且具有理想的特性。

由此可知输出电压Uo为_______。

6、图所示电路，设Ui=sinωt（V），V=2V，二极管具有理想特性，则输出电压Uo的波形应为图示_______图。

7、判断图所示电路中各二极管是否导通,并求A,B两端的电压值。

设二极管正向压降为0.7V。

8、二极管最主要的特性是____________，它的两个主要参数是反映正向特性的____________和反映反向特性的____________。

（答案）

9、用一只万用表不同的欧姆档测得某个二极管的电阻分别为250Ω和1.8KΩ

（1）产生这种现象的原因是_______________________________________________。

（2）两个电阻值对应的二极管偏置条件是：

250Ω为_______偏，1.8KΩ为_______偏。

10、图所示电路中，D为理想二极管，设Vi=15sinωt（V），试画出输出电压Vo的波形。

（答案）

1．半导体三极管内部载流子的传输过程

（1）发射区向基区注入电子

　　由于发射结外加正向电压，发射结的内电场被削弱，有利于该结两边半导体中多子的扩散。

流过发射极的电流由两部分组成：

一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区，成为集区中的非平衡少子而形成的电子电流ＩEN，二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区，成为发射区的非平衡少子而形成的空穴电流ＩEP。

由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度，因此，与电子电流相比，空穴的电流是很小的，即

　　　　　　　　ＩE=ＩEN+ＩEP（而ＩEN>

>

ＩEP）

（2）非平衡载流子在基区内的扩散与复合

　　由发射区注入基区的电子，使基区内少子的浓度发生了变化，即靠近发射结的区域内少子浓度最高，以后逐渐降低，因而形成了一定的浓度梯度。

于是，由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。

另一方面，由于基区很薄，且掺杂浓度很低，因而在扩散过程中，只有很少的一部分会与基区中的多子（空穴）相复合，大部分将到达集电结。

（3）集电区收集载流子

　　由于集电结外加反向电压，集电结的内电场被加强，有利于该结两边少子的漂移。

流过集电极的电流ＩC，除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ＩCN2和集电区中的热平衡少子空穴通过集电结形成的空穴电流ＩCP所组成的反向饱和电流ＩCBO以外，还包括由发射区注入到基区的非平衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界，而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ＩCN1，因此

　　　　ＩC=ＩCN1+ＩCN2+ＩCP=ＩCN1+ＩCBO

式中ＩCBO＝ＩCN2+ＩCP

　　基极电流由以下几部分组成：

通过发射结的空穴电流ＩEP，通过集电结的反向饱和电流ＩCBO以及ＩEN转化为ＩCN1过程中在基区的复合电流（ＩEN-ＩCN1），即

　　　　ＩB=ＩEP+（ＩEN-ＩCN1）-ＩCBO

　　3.1半导体三极管

1．半导体三极管的结构

（1）半导体三极管从结构上可分为NPN型和PNP型两大类，它们均由三个掺杂区和两个背靠背的PN结构成，但两类三极管的电压极性和电流方向相反。

（2）三个电极：

基极b、集电极c、和发射极e。

从后面工作原理的介绍中可以看到，发射极和集电极的命名是因为它们要分别发射与接收载流子。

（3）内部结构特点：

发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；

基区很薄，且掺杂浓度最低。

（4）三个区作用：

发射区发射载流子、基区传输和控制载流子、集电区收集载流子。

2．电流的分配和控制作用

（1）条件

内部条件：

三极管的结构。

外部条件：

发射结正偏、集电结反偏。

对NPN型：

Ｖc>

ＶB>

ＶE 

Si管：

ＶBE=0.7V 

Ge管：

ＶBE=0.2V

对PNP型：

Ｖc<

ＶB<

ＶBE=-0.7V 

ＶBE=-0.2V

（2）内部载流子的传输过程（参阅难点重点）

（3）电流分配关系

　　在众多的载流子流中间，仅有发射区的多子通过发射结注入、基区扩散和复合以及集电区收集三个环节，转化为正向受控作用的载流子流Ic，其它载流子流只能分别产生两个结的电流，属于寄生电流。

　　为了表示发射极电流转化为受控集电极电流Ic的能力，引入参数α，称为共基极电流传输系数。

其定义为

α=Ｉc／ＩE

　　　　令β＝α／（１－α），称为共射极电流传输系数。

3．各极电流之间的关系 

ＩE＝Ｉc＋ＩB 

（1）共基接法 

（ＩE对Ｉc 

的 

控制作用）

Ｉc＝αＩE+ＩCBO

ＩB＝（1-α）ＩE-ＩCBO 

（2）共射接法 

（ＩB对Ｉc 

控制作用） 

Ｉc＝βＩB+ＩCEO

ＩE＝（1+α）ＩB+ＩCEO 

ＩCEO＝（1+β）ＩCBO 

4．共射极电路的特性曲线（以NPN型管为例）

（1）输入特性曲线ＩB=f（ＶBE，ＶCE）

　　输入特性曲线是指当ＶCE为某一常数时，ＩB和BE之间的关系。

　　特点：

ＶCE=0的输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线类似；

随着ＶCE增大，输入特性曲线右移；

继续增大ＶCE，输入特性曲线右移很少。

　　在工程上，常用ＶCE=1时的输入特性曲线近似代替ＶCE>

1V时的输入特性曲线簇。

（2）输出特性曲线

　　输出特性曲线是指当ＩB为某一常数时，ＩC和ＶCE之间的关系，可分为三个区：

　　　截止区：

发射结反偏，集电结反偏，发射区不能发射载流子，ＩB≈0，ＩC≈0。

放大区：

发射结正偏，集电结反偏。

其特点是：

ＶBE≈0.7V（或0.2V），ＩB>

0，ＩC与ＩB成线性关系,几乎与

ＶCE无关。

饱和区：

发射结正偏，集电结正偏，随着集电结反偏电压的逐渐减小（并转化为正向偏压），集电结的空间电荷

区变窄，内电场减弱，集电结收集载流子的能量降低，ＩC不再随着ＩB作线性变化，出现发射极发射有

余，而集电极收集不足现象。

ＶCE很小，在估算小功率管时，对硅管可取0.3V（锗0.1V）。

对PNP型管，由于电压和电流极性相反，所以特性在第三象限。

　电流放大倍数，集电极最大允许电流ＩCM，集电极耗散功率PCM，反向击穿电压Ｖ（BR）CEO等

3.2共射极放电电路

1．放大的原理和本质（以共发射极放大电路为例）

　　交流电压ｖi通过电容Ｃ1加到三极管的基极，从而使基极和发射极两端的电压发生了变化：

由ＶBE→ＶBE＋ｖi，

　　由于PN结的正向特性很陡，因此ｖBE的微小变化就能引起ｉE发生很大的变化：

由ＩE→ＩE+△ＩE，

　　由于三级管内电流分配是一定的，因此ｉB和ｉC作相同的变化，其中ＩC→ＩC+△ＩC。

　　ｉC流过电阻Ｒc，则Ｒc上的电压也就发生变化：

由ＶRc→ＶRc+△ＶRc。

　　由于ｖCE=ＶCC-ｖRc，因此当电阻Ｒc上的电压随输入信号变化时，ｖCE也就随之变化，由ＶCE→ＶCE+△ＶCE，ｖCE中的变化部分经电容Ｃ2传送到输出端成为输出电压ｖo。

如果电路参数选择合适，我们就能得到比△ｖi大得多的△ｖo。

　　所以，放大作用实质上是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。

2．放大电路的特点

　交直流共存和非线性失真

3．放大电路的组成原则

正确的外加电压极性、合适的直流基础、通畅的交流信号传输路径

4．放大电路的两种工作状态

（1）静态：

输入为0，ＩB、ＩC、ＶCE都是直流量。

（2）动态：

输入不为0，电路中电流和电压都是直流分量和交流分量的叠加。

保证在直流基础上实现不失真放

大。

5．放大电路的分析步骤

（1）先进行静态分析：

用放大电路的直流通路。

直流通路：

直流信号的通路。

放大电路中各电容开路即可得到。

（2）在静态分析的基础上进行动态分析：

用放大电路的交流通路。

交流通路：

交流信号的通路。

放大电路中各电容短接，直流电源交流短接即可得到。

3.3图解分析法

1．静态分析 

（1）先分析输入回路

ＶBE＝ＶCC－ＩB*ＲB

将相应的负载线画在三极管的输入特性曲线上，其交点便是所求的（ＩBQ，ＶBQ）。

（2）再分析输出回路

　　用同样的方法，可得到输出回路的负载线方程（直流负载方程）为

ＶCE＝ＶCC－ＩC*ＲC

将相应的负载线（直流负载线，斜率为1/Rc）画在三极管的输出特性曲线上，找到与ＩB=ＩBQ相对应的输出特性曲线，其交点便是所求的（ＩCQ，ＶCEQ）。

2．动态分析（参阅难点重点）

　　交流负载线：

是放大电路有信号时工作点的轨迹，反映交、直共存情况。

其特点为过静态工作点Q、斜率为

1/（Rc//RL）。

3．放大电路的非线性失真及最大不失真输出电压

（1）饱和失真：

静态工作点偏高，管子工作进入饱和区（NPN管，输出波形削底；

PNP管，输出波形削顶）

（2）截止失真：

静态工作点偏低，管子工作进入截止区（NPN管，输出波形削顶；

PNP管，输出波形削底）

　　观看动画

（3）最大不失真输出电压Vom

　　如图Vom1=VCE-VCES 

且因为ICEO趋于0，Vom2=ＩCQ*（ＲC//ＲL）

　　所以Vom为Vom1及Vom2中较小者，以保证输出波形不失真。

4．图解分析法的特点

　　图解分析法的最大特点是可以直观、全面地了解放大电路的工作情况，并能帮助我们理解电路参数对工作点的影响，并能大致估算动态工作范围，另外还可帮助我们建立一些基本概念，如交直流共存、非线性失真等。

　　图解分析法实例（工作点移动对输出波形的影响），观看动画。

3.4小信号模型分析法

指导思想：

在一定条件下，把半导体三极管所构成的非线性电路转化为线性电路。

1．半导体三极管的小信号模型

（1）三极管小信号模型的引出，是把三级管作为一个线性有