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模电基础知识教程 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】模电基础教程 01 单元 半导体器件基础 半导体的导电特性 导体、绝缘体和半导体 本征半导体的导电特性 杂质半导体的导电特性 二极管的结构与伏安特性 半导体二极管的主要参数 半导体二极管的等效电路 与开关特性 稳压二极管 三极管的结构与分类 三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用 三极管的特性曲线 三极管的主要参数 三极管的开关特性 结型场效应管 绝缘栅型场效应管 发光二极管 光敏二极管和光敏三极管 02 单元 基本放大电路 基本放大电路的工作原理 基本放大电路的组成 直流通路与静态工作点 交流通路与放大原理 放大电路的性能指标 放大电路的图解分析法 放大电路的静态图解分析 放大电路的动态图解分析 输出电压的最大幅度与非线性失真分析 晶体管的 h 参数 晶体管的微变等效电路 用微变等效电路法分析放大电路 静态工作点的稳定 温度变化对静态工作点的影响 工作点稳定的电路 场效应管放大电路的静态分析 多级放大电路 多级放大电路的级间耦合方式 多级放大电路的分析方法 放大电路的频率特性 单级阻容耦合放大电路的频率特性 多级阻容耦合放大电路的频率特性 03 单元 负反馈放大电路 反馈的基本概念和分类 反馈的基本概念和一般表达式 反馈放大电路的类型与判断 负反馈放大电路基本类型举例 电压串联负反馈放大电路 电流并联负反馈放大电路 电流串联负反馈放大电路 电压并联负反馈放大电路 降低放大倍数 提高放大倍数的稳定性 展宽通频带 减小非线性失真 改变输入电阻和输出电阻 深度负反馈放大电路的近似计算*方框图法分析负反馈放大电路 04 单元 功率放大器 功率放大电路的基本知识 概述 甲类单管功率放大电路 OCL 类互补放大电路 OTL 甲乙类互补对称电路 复合互补对称电路 05 单元 直接耦合放大电路 概述 直接耦合放大电路中的零点漂移 基本差动放大电路的分析 基本差动放大电路 基本差动放大电路抑制零点漂移的原理 基本差动放大电路的静态分析 基本差动放大电路的动态分析 差动放大电路的改进 06 单元 集成运算放大器 集成电路基础知识 集成电路的特点 集成电路恒流源 有源负载的基本概念 典型集成运放 F007 电路简介 集成运放的主要技术参数 集成运放的应用 概 述 运放的基本连接方式 集成运放在信号运算方面的应用 集成运放在使用中应注意的问题 07 单元 直流电源 整流电路 半波整流电路 全波整流电路 桥式整流电路 倍压整流电路 电容滤波电路 电感滤波电路 复式滤波电路 有源滤波电路 稳压电路 并联型硅稳压管稳压电路 串联型稳压电路的稳压原理 带有放大环节的串联型稳压电路 稳压电源的质量指标 提高稳压电源性能的措施 08 单元 正弦波振荡电路 自激振荡原理 自激振荡的条件 自激振荡的建立和振幅的稳定 正弦波振荡电路的组成 变压器反馈式振荡电路 三点式 LC 振荡电路 三点式 LC 振荡电路的构成原则 电感三点式振荡电路 电容三点式振荡电路 克拉泼与席勒振荡电路（改进型电容三点式振荡电路）石英晶体的基本特性和等效电路 石英晶振：并联型晶体振荡电路 石英晶振：串联型晶体振荡电路 RC 相移振荡电路 文氏电桥振荡电路 09 单元 调制、解调和变频 调制方式 调幅原理 调幅波的频谱 调幅波的功率 调幅电路 检 波 小信号平方律检波 大信号直线性检波 调频的特点 调频波的表达式 调频电路：变容二极管调频电路 调频与调幅的比较 对称式比例鉴频电路 不对称式比例鉴频电路 变频原理 变频电路 10 单元 无线广播与接受 无线电广播与接收 无线电波的传播 超外差收音机 超外差收音机方框图 超外差收音机性能指标 LC 串联谐振回路 LC 并联谐振回路 输入回路 统 调 中频放大电路 本征半导体的导电特性 半导体导电特性 导体、绝缘体和半导体 自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有金属一般为导体，如铜、铝、银等。绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在以上。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显着。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。？常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。一、本征半导体的原子结构 半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图Z0102 所示。它们的最外层都有 4 个电子，带 4 个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核，如图 Z0101所示。惯性核带有 4 个单位正电荷，最外层有 4 个价电子带有 4 个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。二、本征激发 一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。理论和实验表明：在常温（T300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG（=）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有 eV。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。电子一空穴对 本征激发 复合：当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复 一个共价键，与此同时消失一个电子一空穴对，这一相反过程称为复合。动态平衡：在一定温度条件下，产生的电子一空穴对和复合的电子一空穴对数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时电子一空穴对维持一定的数目。可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。杂质半导体的导电特性 本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体两种。一、N 型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的 5 价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。如图 Z0103 所示。由图可见，磷原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个价电子分别与邻近 4 个硅原子形成共价键结构，多余的 1 个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放 1 个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。在本征半导体中每掺入 1 个磷原子就可产生 1 个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称 N 型半导体。二、P 型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的 3 价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图 Z0104 所示。由图可知，硼原子的 3 个价电子分别与其邻近的 3 个硅原子中的 3 个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另 1 个硅原子的共价键中则缺少 1 个电子，出现了 1 个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使 3 价的硼原子获得了 1 个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现 1 个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。在本征半导体中每掺入 1 个硼原子就可以提供 1 个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称 P 型半导体。PN 结 一、PN 结的形成 在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成 N 型半导体，另一边形成 P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了 PN 结，如图 Z0105 所示。由于 P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N 区多数载流于是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N 区的电子必然越过界面向 P 区扩散，并与 P 区界面附近的空穴复合而消失，在 N 区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子；同样，P 区的空穴也越过界面向 N 区扩散，与 N区界面附近的电子复合而消失，在 P 区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由 N 区指向 P 区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为 PN 结。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称 PN 结为耗尽层或高阻区。二、PN 结的单向导电性 PN 结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过 PN 结的电流为零。当电源正极接 P 区，负极接 N 区时，称为给 pN 结加正向电压或正向偏置，如图 Z0106 所示。由于 PN 结是高阻区，而 P 区和 N 区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在 PN 结两端。在 PN 结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N 区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P 区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了 PN 结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向 P 区补充正电荷，向 N 区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而且IF 随着正向电压的增大而增大。当电源正极接 N 区、负极接 P 区时，称为给 PN 结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使 PN 结内电场加强，它把 P 区的多子（空穴）和 N 区的多子（自由电子）从 PN 结附 近拉走，使 PN 结进一步加宽，PN 结的电阻增大，打破了 PN 结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过 PN 结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流 IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可认为 PN 结处于截止状态。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主，要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。综上所述，PN 结正偏时，正向电流较大，相当于 PN 结导通，反偏时，反向电流很小，相当于 PN 结截止。这就是 PN 结的单向导电性。三、PN 结的击穿特性 当 PN 结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为 PN 结的反向击穿。PN 结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用 VB 表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。1雪崩击穿 当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的电子一空穴对。这些新的电子一空穴对，又被强电场加速再去碰撞其它原子，产生更多的电子一空穴对。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。2齐纳击穿 齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的 PN 结内。由于掺杂浓度很高，PN 结很窄，这样即使施加较小的反向电压（5V 以下），结层中的电场却很强（可达左右）。在强电场作用下，会强行促使 PN 结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成电子一空穴对，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。采取适当的掺杂工艺，将硅 PN 结的雪崩击穿电压可控制在 81000V。而齐纳击穿电压低于 5V。在 58V 之间两种击穿可能同时发生。晶体二极管 二极管的结构与伏安特性 晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN 结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。按其结构，通常有点接触型和面结型两类。常用符号如图 Z0107 中 V、VD（本资料用 D）来表示。点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合；（如图 Z0108）面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；（如图 Z0109）平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。（如图Z0110）按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电二极管等。二极管是由一个 PN 结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常主要用它的伏安特性来表示。二极管的伏安特性是指流过二极管的电流iD 与加于二极管两端的电压uD 之间的关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的 UI 曲线，称二极管的伏安特性曲线。图 Z0111 是二极管的伏安特性曲线示意图，依此为例说明其特性。一、正向特性 由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服 PN 结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。当正向电压升高到一定值U（Uth）以后内电场被显着减弱，正向电流才有明显增加。U 被称为门限电压或阀电压。U 视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为左右，锗管为左右。在实际应 用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压 U的值，如图中虚线与 U 轴的交点。当正向电压大于U以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用 UF 来表示。通常，硅管的导通电压约为（一般取为），锗管的导通电压约为（一般取为）。二、反向特性 当二极管两端外加反向电压时，PN 结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图 Z0111 中所示。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电流在 nA 数量级，锗管的反向电流在 A 数量级。三、反向击穿特性 当反向电压增大到一定数值UBR 时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，UBR（或用VB 表示）称为击穿电压，UBR 视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。四、二极管伏安特性的数学表达式 由理论分析可知，二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示：式中，iD为流过二极管的电流，uD。为加在二极管两端的电压，VT 称为温度的电压当量，与热力学温度成正比，表示为 VT=kTq其中 T 为热力学温度，单位是 K；q 是电子的电荷量，；k 为玻耳兹曼常数，室温下，可求得VT=26mV。IR（sat）是二极管的反向饱和电流。五、温度对二极管伏安特性的影响 二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现 为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高 1C，其正向压降减小 2；温度每升高 10C：，反向电流大约增大 1 倍左右。综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：二极管具有单向导电性；二极管的伏安特性具有非线性；二极管的伏安特性与温度有关。半导体二极管的主要参数 描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号的二极管均用表格列出其参数。二极管的主要参数有以下几种：1最大平均整流电流IF（AV）IF（AV）是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN 结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时，工作电流应小于IF（AV），否则，可能导致结温过高而烧毁 PN 结。2最高反向工作电压VRM VRM 是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压VBR 时，二极管可能被击穿损坏，因而，VRM 通常取为（1/2 2/3）VBR。3反向电流IR IR 是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR=IR（sat），但考虑表面漏电等因素，实际上IR 稍大一些。IR 愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。另外，IR 与温度密切相关，使用时应注意。4最高工作频率fM fM 是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显着退化。fM 的大小主要由二极管的电容效应来决定。5二极管的电阻 就二极管在电路中电流与电压的关系而言，可以把它看成一个等效电阻，且有直流电阻与交流电阻之别。（1）直流等效电阻RD 直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压UD 与流过二极管的直流电流ID 之比，即 RD 的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。不过应注意的是，使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。其原因是二极管工作点的位置不同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。（2）交流等效电阻rd rd 亦随工作点而变化，是非线性电阻。通常，二极管的交流正向电阻在 几几十欧姆之间。需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性很大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。半导体二极管的型号命名 二极管的型号命名通常根据国家标准 GB-249-74 规定，由五部分组成。第一部分用数字表示器件电极的数目；第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性；第三部分用汉语拼音字母表示器件的类型；第四部分用 数字表示器件序号；第五部分用汉语拼音字母表示规格号。如表 Z101所示。半导体二极管的等效电路与开关特性 一、二极管的电容效应 二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容CB 和扩散电容CD。1势垒电容CB（Cr）前面已经讲过，PN 结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质；而 PN 结两侧的 P 区、N 区的电导率高，相当于金属导体。从这一结构来看，PN 结等效于一个电容器。事实上，当 PN 结两端加正向电压时，PN 结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容放电，当 PN 结两端加反向电压时，PN 结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容充电。这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大。目前广泛应用的变容二极管，就是利用 PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。2扩散电容CD PN 结正向偏置时，N 区的电子向 P 区扩散，在 P 区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近 PN 结一侧浓度高，远离 PN 结的一侧浓度低。显然，在P 区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；同样，在 N 区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。当正向电压加大时，扩散增强，这时由 N 区扩散到 P 区的电子数和由 P 区扩散到 N 区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由 N 区扩散到 P 区的电子数和由 P 区扩散到 N 区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Cj 相当于两者的并联，即CjCB+CD。二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容 CjCD；而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，CjCB。二、二极管的等效电路 二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。使线性电路的电压、电路关系和二极管外特性近似一致，那么这个线性电路就称为二极管的等效电路。显然等效电路是在一定条件下的近似。二极管应用于直流电路时，常用一个理想二极管模型来等效，可把它看成一个理想开关。正偏时，相当于开关闭合（ON），电阻为零，压降为零；反偏时，相当于开关断开（OFF），电阻为无限大，电流为零。由于理想二极管模型突出表现了二极管最基本的特性-单向导电性，所以广泛应用于直流电路及开关电路中。在直流电路中如果考虑到二极管的电阻和门限电压的影响。实际二极管可用图 Z0112 所示的电路来等效。在二极管两端加直流偏置电压和工作在交流小信号的条件下，可以用简化的电路来等效。图中rs为二极管 P 区和 N 区的体电阻。三、二极管的开关特性 二极管正偏时导通，相当于开关的接通；反偏时截止相当于开关的断开，表明二极管具有开关特性。不过一个理想的开关，在接通时开关本身电阻为零，压降为零，而断开时电阻为无穷大，电流为零，而且要求在高速开关时仍具有以上特性，不需要开关时间。但实际二极管作为开关运用，并不是太理想的。因为二极管正向导通时，其正向电阻和正向降压均不为零；反向戳止时，其反向电阻也不是无穷大，反向电流也不为零。并且二极管开、关状态的转换需要一定时间这就限制了它的开关速度。因此作开关时，应选用正向电阻RF 小、反向电阻RR 大、开关时间小的开关二极管。稳压二极管 硅稳压二极管（简称硅稳压管）实质上是一个硅晶体二极管。稳压二极管的实例和管子的符号如图 Z0113 所示。1二极管的击穿现象 由二极管的伏安特性可知，当加于它两端的反偏电压超过反向击穿电压之后，二极管将发生击穿现象。二极管的击穿通常 有三种情况，即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。（1）雪崩击穿 对于掺杂浓度较低的 PN 结，结较厚，当外加反向电压高到一定数值时，因外电场过强，使 PN 结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞，将原子电离，产生新的电子空穴对，由于链锁反应的结果，使少数载流子数目急剧增多，反向电流雪崩式地迅速增大，这种现象叫雪崩击穿。雪崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。（2）齐纳击穿 对于采用高掺杂（即杂质浓度很大）形成的 PN 结，由于结很薄（如 m）即使外加电压并不高（如 4V），就可产生很强的电场（如）将结内共价键中的价电子拉出来，产生大量的电子一空穴对，使反向电流剧增，这种现象叫齐纳击穿（因齐纳研究而得名）。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。（3）热击穿 在使用二极管的过程中，如由于 PN 结功耗（反向电流与反向电压之积）过大，使结温升高，电流变大，循环反复的结果，超过 PN 结的允许功耗，使PN 结击穿的现象叫热击穿。热击穿后二极管将发生永久性损坏。对于硅 PN 结，击穿电压在 7V 以上的为雪崩击穿；4V 以下的为齐纳击穿；在。47V 之间的两种情况都有。无论哪种击穿，只要控制反向电流的数值不致引起热击穿，当反向电压下降到击穿电压以下，其性能可以恢复到未击穿前的状况。2.稳压管的击穿特性 稳压管的正向特性与一般二极管相同，而反向击穿特性很陡峭。3.稳压管的主要参数（1）稳定电压VZ Vz稳压管反向击穿后其电流为规定值时它两端的电压值。不同型号的稳压管其Vz的范围不同；同种型号的稳压管也常因工艺上的差异而有一定的分散性。所以，Vz 一般给出的是范围值，例如 2CW11 的Vz在（测试电流为 10mA）。当然，二极管（包括稳压管）的正向导通特性也有稳压作用，但稳定电压只有0.8V，且随温度的变化较大，故一般不常用。（2）稳定电流IZ IZ是指稳压管正常工作时的参考电流。Iz 通常在最小稳定电流IZmin 与最大稳定电流IZmax 之间。其中IZmin 是指稳压管开始起稳压作用时的最小电流，电流低于此值时，稳压效果差；IZmax 是指稳压管稳定工作时的最大允许电流，超过此电流时，只要超过额定功耗，稳压管将发生永久性击穿。故一般要求 IZmin Iz IZmax。（3）动态电阻rZ rZ是指在稳压管正常工作的范围内，电压的微变量与电流的微变量之比。rZ 越小，表明稳压管性能越好。（4）额定功耗PZ Pz 是由管子温升所决定的参数，PzVz IZmax。（5）温度系数 是指Vz受温度影响的程度。硅稳压管在VZ4V 时 0；在VZ7V时，0；在VZ=47V 时，很小 三极管的结构与分类 晶体三极管 晶体三极管又称半导体三极管，简称晶体管或三极管。在三极管内，有两种载流子：电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型晶体三极管，简记为 BJT（英文 Bipo1ar Junction Transistor 的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用。一、结构 图 Z0113 和图 Z0114 给出了 NPN 和 PNP 型两类三极管的结构示意图和表示符号。它有两个 PN 结（分别称为发射结和集电结），三个区（分别称为发射区、基区和集电区），从三个区域引出三个电极（分别称为发射极 e、基极 b 和集电极 c）。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。二、分类 在实际应用中，从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。按材料分，有硅管和锗管；按结构分，有 NPN 型管和 PNP 型管；按工作频率分，有高频管和低频管；按制造工艺分，有合金管和平面管；按功率分，有中、小功率管和大功率管等等。三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用 一、三极管的三种连接方式 三极管在电路中的连接方式有三种：共基极接法；共发射极接法，共集电极接法。如图 Z0115 所示。共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。二、三极管内部载流子的运动规律 在发射结正偏、集电结反偏的条件下，三极管内部载流子的运动，可分为 3个过程，下面以 NPN 型三极管为例来讨论（共射极接法）。1发射区向基区注入载流子的过程 由于发射结外加正向电压，发射区的电子载流子源源不断地注入基区，基区的多数载流子空穴，也要注入发射区。如图 Z0116 所示，二者共同形成发射极电流 IE。但是，由于基区掺杂浓度比发射区小 23 个数量级，注入发射区的空穴流与注入基区的电子流相比，可略去。2.载流子在基区中扩散与复合的过程 由发射区注入基区的电子载流子，其浓度从发射结边缘到集电结边缘是逐渐递减的，即形成了一定的浓度梯度，因而，电子便不断地向集电结方向扩散。由于基区宽度制作得很小，且掺杂浓度也很低，从而大大地减小了复合的机会，使注入基区的 95以上的电子载流子都能到达集电结。故基区中是以扩散电流为主的，且扩散与复合的比例决定了三极管的电流放大能力。3集电区收集载流子的过程 集电结外加较大的反向电压，使结内电场很强，基区中扩散到集电结边缘的电子，受强电场的作用，迅速漂移越过集电结而进入集电区，形成集电极电流Inc。另一方面，集电结两边的少数载流子，也要经过集电结漂移，在c，b 之间形成所谓反向饱和电流ICBO，不过，ICBO 一般很小，因而集电极电流 INC+ICBO INC GS0105 同时基极电流 IB=IPB+IE-ICBOIPB-ICBO GS0106 反向饱和电流ICBO 与发射区无关，对放大作用无贡献，但它是温度的函数，是管子工作不稳定的主要因素。制造时，总是尽量设法减小它。三、三极管的电流分配关系与放大作用 1电流分配关系 由图 Z0116 可知，三极管三个电极上的电流组成如下：发射极电流IE IEINEIPE INE GS0107 基极电流IB IB=IPB+IPE-ICBO IPB-ICBO 集电极电流IC IC=INC+ICBO INC 同时由图 Z0116 也可看出 INE INC IPB GS0108 由以上诸式可得到 IEIC IB GS0109 它表明，发射极电流IE按一定比例分配为集电极电流Ic 和基极电流 IB 两个部分，因而晶体三极管实质上是一个电流分配器件。对于不同的晶体管，尽管IC 与IB 的比例是不同的，但上式总是成立的，所以它是三极管各极电流之间的基本关系式。由图 Z0116 也可以看出，INC 代表由发射区注入基区进而扩散到集电区的电子流，IPB 代表从发射区注入基区被复合后形成的电流。对于一个特定的三极管，这二者的比例关系是确定的，通常将这个比值称为共发射极直流电流放大系数。用表示，即 如果忽略ICBO，则 该式说明IB 对IC有控制作用。变换一下式 GS0110，可写成 令则上式可写成:此式表明，集电极电流由两部分组成：一部分是，它表示IC 与IB 的比例关系，另一部分是 称为穿透电流其意义将在三极管参数中介绍。综合共射极三极管的电流分配关系，可写为？三极管的电流分配关系还可以用由发射区传输到集电区的电子流 INC 与发射极总发射的电子流IE 之间的比例关系来表示。将这二者的比值称为共基极直流电流放大系数，用表示即:由于 IC=INCIICBO，且IC ICBO，故:该式说明IE 对IC 也有控制作用。由上可得出共基极电流分配关系为 和都是描述三极管的同一过程，它们之间必然存在着内在联系。由它们各自的表达式知：即:一般1（约），1（约 20200）。2三极管的放大作用 图 Z0117 为共射接法的三极管放大电路。待放大的输入信号ui 接在基极回路，负载电阻Rc接在集电极回路，Rc两端的电压变化量uo 就是输出电压。由于发射结电压增加了ui（由UBE 变成UBE+uI）引起基极电流增加了IB，集电极电流随之增加了IC，IC=IB，它在RC 形成输出电压uo=ICRC=IB RC。只要Rc取值较大，便有uo font size=+1ui，从而实现了放大。三极管的特性曲线 三极管外部各极电压和电流的关系曲线，称为三极管的特性曲线，又称伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性，还能用来定量地估算出三极管的某些参数，是分析和设计三极管电路的重要依据。对于三极管的不同连接方式，有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路，其基本测试电路如图 Z0118 所示，共发射极特性曲线可以用描点法绘出，也可以由晶体管特性图示仪直接显示出来。一、输入特性曲线 在三极管共射极连接的情况下，当集电极与发射极之间的电压UBE 维持不同的定值时，UBE 和IB 之间的一簇关系曲线，称为共射极输入特性曲线，如图 Z0119 所示。输入特性曲线的数学表达式为：IBf（UBE）|UBE=常数 GS0120 由图 Z0119 可以看出这簇曲线，有下面几个特点：（1）UBE=0 的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为UCE=0时，集电极与发射极短路，相当于两个二极管并联，这样IB 与UCE 的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。（2）UCE 由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移，而且当UCE 的数值增至较大时（如UCE1V），各曲线几乎重合。这是因为UCE 由零逐渐增大时，使集电结宽度逐渐增大，基区宽度相应地减小，使存贮于基区的注入载流子的数量减小，复合减小，因而IB 减小。如保持IB 为定值，就必须加大UBE，故使曲线右移。当UCE 较大时（如UCE 1V），集电结所加反向电压，已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去，以致UCE再增加，IB 也不再明显地减小，这样，就形成了各曲线几乎重合的现象。（3）和二极管一样，三极管也有一个门限电压 V，通常硅管约为，锗管约为。二、输出特性曲线 输出特性曲线如图 Z0120 所示。测试电路如图 Z0117。输出特性曲线的数学表达式为：由图还可以看出，输出特性曲线可分为三个区域：（1）截止区：指IB=0 的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的 发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流IcEO。（2）饱和区：指绿色区域。在此区域内，对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，UCE 较小时，Ic 虽然增加，但Ic增加不大，即IB 失去了对Ic 的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降，用UCES 表示。UCES 很小，通常中小功率硅管UCES；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以UCES 表示，硅管的UCES 在 08V 左右。OA 线称为临界饱和线（绿色区域右边缘线），在此曲线上的每一点应有|UCE|=|UBE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管，其集电极电流称为临界集电极电流，以Ics 表示；其基极电流称为临界基极电流，以IBS 表示。这时Ics 与IBS 的关系仍然成立。（3）放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性曲线近似于一簇平行等距的水平线，Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系，即Ic=IB，且 Ic IB，就是说在此区域内，三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱，当UCE1 V 后，即使再增加UCE，Ic 几乎不再增加，此时，若IB 不变，则三极管可以看成是一个恒流源。在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。三极管的主要参数 三极管的参数反映了三极管各种性能的指标，是分析三极管电路和选用三极管的依据。一、电流放大系数 1共发射极电流放大系数（1）共发射极直流电流放大系数，它表示三极管在共射极连接时，某工作点处直流电流IC 与IB 的比值，当忽略ICBO 时？（2）共发射极交流电流放大系数它表示三极管共射极连接、且UCE 恒定时，集电极电流变化量 IC 与基极电流变 化量IB 之比，即 管子的值大小时，放大作用差；值