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电子技术学习指导与习题解答

第1章半导体存器件

1.1学习要求

（1）了解半导体的特性和导电方式，理解PN结的单向导电特性。

（2）了解半导体二极管、三极管的结构。

（3）理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数。

（4）理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性及其主要参数。

（5）了解MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较。

1.2学习指导

本章重点：

（1）PN结的工作原理。

（2）二极管的工作原理、伏安特性和主要参数。

（3）双极型三极管的放大作用、输入和输出特性及其主要参数。

本章难点：

（1）半导体二极管的限幅、钳位等作用。

（2）双极型三极管的电流分配与电流放大作用。

本章考点：

（1）本征半导体、杂质半导体的相关概念。

（2）PN结的单向导电特性。

（3）半导体二极管、稳压管的限幅、钳位等电路分析。

（4）双极型三极管的管脚、工作状态及放大条件的判别。

1.2.1PN结

1．半导体的导电特征

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。

纯净的半导体称为本征半导体，其导电能力在不同的条件下有着显著的差异。

本征半导体在温度升高或受光照射时产生激发，形成自由电子和空穴，使载流子数目增多，导电能力增强。

杂质半导体是在本征半导体中掺入杂质元素形成的，有N型半导体和P型半导体两种类型。

N型半导体是在本征半导体中掺入五价元素形成的，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

P型半导体是在本征半导体中掺入三价元素形成的，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

杂质半导体的导电能力比本征半导体强得多。

2．PN结及其单向导电性

在同一硅片两边分别形成N型半导体和P型半导体，交界面处就形成了PN结。

PN的形成是多数载流子扩散和少数载流子漂移的结果。

PN结具有单向导电性：

PN结加正向电压（P区接电源正极，N区接电源负极）时，正向电阻很小，PN结导通，可以形成较大的正向电流。

PN结加反向电压（P区接电源负极，N区接电源正极）时，反向电阻很大，PN结截止，反向电流基本为零。

1.2.2半导体二极管

在PN结的两端各引出一个电极便构成了半导体二极管。

由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。

二极管的核心实质是一个PN结。

1．二极管的伏安特性

（1）正向特性。

正向电压小于死区电压（硅管约为0.5Ｖ，锗管约为0.2Ｖ）时二极管截止，电流几乎为零。

正向电压大于死区电压后二极管导通，电流较大。

导通后的二极管端电压变化很小，基本上是一个常量，硅管约为0.7Ｖ，锗管约为0.3Ｖ。

（2）反向特性。

反向电压在一定范围内时二极管截止，电流几乎为零。

反向电压增大到反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管击穿，失去单向导电性。

2．二极管的主要参数

（1）最大整流电流IOM。

指二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流。

（2）反向工作峰值电压UDRM。

指二极管使用时允许加的最大反向电压。

（3）反向峰值电流IRM。

指二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。

（4）最高工作频率fM。

指二极管所能承受的外施电压的最高频率。

二极管在电路中主要用于整流、限幅、钳位等。

整流是将输入的交流电压变换为单方向脉动的直流电压，限幅是将输出电压限制在某一数值以内，钳位是将输出电压限制在某一特定的数值上。

3．特殊二极管

（1）稳压管。

稳压管的反向击穿特性曲线比普通二极管陡，正常工作时处于反向击穿区，且在外加反向电压撤除后又能恢复正常。

稳压管工作在反向击穿区时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，所以能起稳定电压的作用。

如果稳压管的反向电流超过允许值，将会因过热而损坏，所以与稳压管配合的电阻要适当，才能起稳压作用。

稳压管除用于稳压外，还可用于限幅、欠压或过压保护、报警等。

（2）光电二极管。

光电二极管用于将光信号转变为电信号输出，正常工作时处于反向工作状态，没有光照射时反向电流很小，有光照射时就形成较大的光电流。

（3）发光二极管。

发光二极管用于将电信号转变为光信号输出，正常工作时处于正向导通状态，当有正向电流通过时，电子就与空穴直接复合而发出光来。

4．二极管应用电路的分析方法

（1）判断二极管是导通还是截止。

判断方法是：

假设将二极管开路，计算接二极管阳极处的电位UA和接二极管阴极处的电位UK。

当将二极管视为理想元件（即忽略二极管正向压降和反向漏电流）时，若UA≥UK，则接上二极管必然导通，其两端电压为零。

否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。

当计及二极管的正向压降UD时，若UA-UK≥UD，则接上二极管必然导通，其两端电压通常硅管取0.7Ｖ，锗管取0.2Ｖ。

否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。

（2）由二极管的工作状态画出等效电路，由于在等效电路中不含二极管，故可根据电路分析方法（如支路电流法、叠加定理、戴维南定理等）分析计算。

例如，在如图1.1（a）所示电路中，设二极管VD的正向电阻为零，反向电阻为无穷大，试求A点电位UA。

将二极管断开，得电路如图1.1（b）所示，此时A、K两点的电位分别为：

（V）

（V）

因为UAO>UKO，所以如图1.1（a）所示电路中的二极管是导通的，可以用短路线代替，如图1.1（c）所示，运用节点电压法即可求出A点电位为：

（V）

图1.1二极管电路计算示例

1.2.3双极型三极管

1．结构与工作原理

双极型三极管简称晶体管或三极管，有NPN型和PNP型两种类型。

晶体管有发射区、基区和集电区3个区，从这3个区分别引出发射极E、基极B和集电极C，基区和发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结。

晶体管具有电流放大作用的内部条件是：

（1）发射区的掺杂浓度大，以保证有足够的载流子可供发射。

（2）集电区的面积大，以便收集从发射区发射来的载流子。

（3）基区很薄，且掺杂浓度低，以减小基极电流，即增强基极电流的控制作用。

晶体管实现电流放大作用的外部条件是：

发射结正向偏置，集电结反向偏置。

对NPN型晶体管，电源的接法应使3个电极的电位关系为

。

对PNP型晶体管，则应使

。

工作于放大状态的晶体管，基极电流IB远小于集电极IC和发射极电流IE，只要发射结电压UBE有微小变化，造成基极电流IB有微小变化，就能引起集电极IC和发射极电流IE大的变化，这就是晶体管的电流放大作用。

2．特性曲线

晶体管的输入特性曲线

与二极管的正向特性曲线相似，也有同样的死区电压和管压降范围，如图1.2（a）所示。

晶体管的输出特性曲线

是一簇曲线，如图1.2（b）所示。

根据晶体管工作状态的不同，输出特性曲线分为放大区、截止区和饱和区3个工作区。

晶体管在不同工作状态下的特点如表1.1所示。

（a）输入特性曲线（b）输出特性曲线

图1.2晶体管的特性曲线

3．主要参数

（1）电流放大系数

和β。

直流（静态）电流放大系数：

交流（动态）电流放大系数：

小功率晶体管

，大功率管的β值一般较小。

选用晶体管时应注意，β太小的管子放大能力差，而β太大则管子的热稳定性较差，一般以

左右为宜。

（2）反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO。

二者的关系为

，它们随温度升高而增大，影响电路工作的稳定性。

（3）集电极最大允许电流ICM。

集电极电流超过ICM时β值将明显下降。

（4）反向击穿电压U（BR）CEO。

基极开路时集电极与发射极之间的最大允许电压。

（6）集电极最大允许耗散功率PCM。

。

ICM、U（BR）CEO和PCM称为晶体管的极限参数，由它们共同确定晶体管的安全工作区。

表1.1晶体管在不同工作状态下的特点

工作状态

截止

放大

饱和

偏置情况

发射结反偏

集电结反偏

发射结正偏

集电结反偏

发射结正偏

集电结正偏

特点

（NPN硅管）

UBE≤0

V

UCC>UCE>UBE

V

IB≥

V

4．晶体管工作状态、类型和管脚的判别方法

（1）晶体管的工作状态可根据发射结和集电结的偏置情况判断。

对NPN型晶体管，若UBE≤0，则发射结反偏，晶体管工作在截止状态。

若

，则发射结正偏，这时可再根据集电结的偏置情况判断晶体管是工作在放大状态还是饱和状态，集电结反偏为放大状态，集电结正偏为饱和状态；也可根据IB与IBS的关系判断，

为放大状态，IB≥

为饱和状态。

（2）晶体管的类型（NPN型还是PNP型，硅管还是锗管）和管脚可根据各极电位来判断。

NPN型集电极电位最高，发射极电位最低，即

，

；PNP型集电极电位最低，发射极电位最高，即

，

。

硅管基极电位与发射极电位大约相差0.6或0.7V；锗管基极电位与发射极电位大约相差0.2或0.3V。

此外，还可根据各极电流来判断晶体管的管脚以及是NPN型还是PNP型。

根据晶体管各极电流关系

和

可知，发射极电流最大，基极电流最小，并且发射极电流从晶体管流出的为NPN型，流入晶体管的为PNP型。

例如，在如图1.3所示的电路中，已知

kΩ，

kΩ，

V，晶体管的

，

Ｖ，

Ｖ。

试分别计算

V，

V以及

V时的IB、IC和Uo，并指出晶体管所处的工作状态。

图1.3晶体管工作状态计算示例

当

V时

，晶体管发射结反偏，工作在截止状态，故有：

（V）

当

V时

，晶体管发射结正偏，因而导通，故有：

（mA）

（mA）

（V）

计算结果表明，晶体管的发射结正偏，集电结反偏，处于放大状态。

或由：

（mA）

得

，所以晶体管处于放大状态。

当

V时

，晶体管发射结正偏，因而导通，故有：

（mA）

（mA）

（V）

计算结果表明，晶体管的发射结正偏，集电结也正偏，处于饱和状态。

因为UCE绝不可能为负值，所以从计算结果

也说明晶体管已不处于放大状态，故应处于饱和状态。

当然，也可由

知晶体管处于放大状态。

此时

应为：

（V）

在饱和状态下，集电极电流IC和基极电流IB之间已不存在

的关系，这时的集电极电流IC为：

（mA）

1.2.4场效应晶体管

绝缘栅型场效应管共有4种类型，它们的特性比较如表1.2所示。

表1.2绝缘栅型场效应管的特性比较

沟道类型

结构类型

电源极性

符号及电流方向

转移特性

漏极特性

UDS

UGS

N

耗尽型

+

±

增强型

+

+

P

耗尽型

-

增强型

-

-

晶体管与场效应管的区别如表1.3所示。

表1.3晶体管与场效应管比较

比较项目

晶体管

场效应管

载流子

两种不同极性的载流子（电子与空穴）同时参与导电，故又称为双极型晶体管

只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故又称为单极型晶体管

控制方式

电流控制

电压控制

类型

NPN型和PNP型两种

N沟道和P沟道两种

放大参数

mA/V

输入电阻

Ω较小

Ω很大

输出电阻

rce很大

rds很大

热稳定性

差

好

制造工艺

较复杂

简单，成本低，便于集成

对应电极

基极-栅极，发射极-源极，集电极-漏极

1.3习题解答

1.1在如图1.4所示的各个电路中，已知直流电压

V，电阻

kΩ，二极管的正向压降为0.7V，求Uo。

图1.4习题1.1的图

分析Uo的值与二极管的工作状态有关，所以必须先判断二极管是导通还是截止。

若二极管两端电压为正向偏置则导通，可将其等效为一个0.7Ｖ的恒压源；若二极管两端电压为反向偏置则截止，则可将其