半导体的基本知识72105.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流半导体的基本知识72105.精品文档.第二节半导体的基本知识多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制成的。为了从电路的观点理解这些器件的性能，首先必须从物理的角度了解它们是如何工作的。一、半导体材料从导电性能上看，物质材料可分为三大类：导体： 电阻率 109 cm半导体：电阻率介于前两者之间。目前制造半导体器件的材料用得最多的有：硅和锗两种二、本征半导体及本征激发1、本征半导体没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。2、本征激发当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，称为本征激发。三、杂质半导体在

2、本征半导体中掺入微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著的变化。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。1、P型半导体在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体，P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。2、N型半导体在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。返回 第三节PN结的形成及特性一、PN结及其形成过程在杂质半导体中， 正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子

3、和空穴的浓度差，N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N型区向P型区扩散， 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子， 这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动在空间电

4、荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和 内建电场才能相对稳定。 由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。二、PN结的单向导电性PN结在外加电压的作用下，动

5、态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。1、外加正向电压当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示。在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。外加正向电压的电路如图所示。2、外加反向电压当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示。在VR作用下，通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS

6、。如下图所示。3、PN结的伏安特性根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压；VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V， 其中k为波尔慈曼常数（1.3810-23J/K），T为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.610-19C） ；e为自然对数的底；IS为反向饱和电流。返回第四节半导体二极管一、半导体二极管的结构半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价

7、金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成，如图 2.7所示。由于点接触型二极管金属丝很细， 形成的PN结面积很小， 所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件， 也可用来作小电流整流。 如2APl是点接触型锗二极管， 最大整流电流为16mA， 最高工作频率为15OMHz。面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，其结构如图2.7 所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CPl为面接触型硅二极管，最大整流电流为40

8、OmA， 最高工作频率只有3kHz。图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图， 是集成电路中常见的一种形式。代表二极管的符号也在图2.7中示出。部分二极管实物如图2.8所示。二、极管的伏安特性实际的二极管的V-I特性如图2.9所示。由图可以看出，二极管的V-I特性和PN结的V-I特性(图2.6)基本上是相同的。下面对二极管V-I特性分三部分加以说明:1、正向特性：二极管外加正向偏置电压时的V-I特性对应于图2.9（b）的第段为正向特性，此时加于二极管的正向电压只有零点几伏，但相对来说流过管子的电流却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。但是，在正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服P

9、N结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。 硅管的门坎电压Vth(又称死区电压)约为05V，锗管的Vth约为0lV，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。2、反向特性：二极管外加反向偏置电压时的V-I特性P型半导体中的少数载流子（电子）和N型半导体中的少数载流子（空穴），在反向电压作用下很容易通过PN结， 形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少， 所以反向电流是很小的， 如图2.9（b）的第段所示， 一般硅管的反向电流比锗管小得多，其数量级为：硅管nA级，锗管大mA级。温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流将随之急剧增加。3、

10、反向击穿特性：二极管击穿时的V-I特性当增加反向电压时， 因在一定温度条件下， 少数载流子数目有限，故起始一段反向电流没有多大变化，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿， 对应于图2.9的第段，其原因与PN结击穿相同。三、二极管的主要参数1、最大整流电流 IF：是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如2APl最大整流电流为16mA。2、反向击穿电压 VBR：指管子反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电

11、压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。例如2APl最高反向工作电压规定为2OV， 而反向击穿电压实际上大于40V。3、反向电流 IR：指管子末击穿时的反向电流， 其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。4、极间电容 CJ：二极管的极间电容包括势垒电容和扩散电容，在高频运用时必须考虑结电容的影响。二极管不同的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同。二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子参数。使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则将容易损坏管子。返回第五节二极管基本电路

12、及其分析方法在电子技术中，二极管电路得到广泛的应用。本节只介绍几种基本的电路，如限幅电路、开关电路、低电压稳压电路等。二极管是一种非线性器件，因而二极管电路一般要采用非线性电路的分析方法。这里主要介绍比较简单理想模型和恒压模型分析法。一、二极管正向特性的数学模型1、理想模型-理想的开关图2.10表示理想二极管的VI特性和符号，其中的虚线表示实际二极管的VI特性。由图中可见，在正向偏置时，其管压降为OV，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。2、恒压模型-其正向压降为0.7V(硅管)这个模型如图2.

13、11所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V，不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。 该模型提供了合理的近似，因此应用也较广。二、模型分析法应用举例1、静态工作点分析电路如图2.12所示，请分别用二极管的理想模型和恒压模型分析其静态工作点。（1）使用理想模型得：VD=0V，ID=VDD/R（2）使用恒压模型得：VD=0.7V，ID=（VDD-VD）/R上述的计算结果表明：VDDVD时，使用恒压模型较好，因此，根据实际情况选择合适的模型是关键。2、模型分析法应用举例例题1：如果图示电路(a)中设二极管为恒压模型。求电路中输

14、出的电压Vo值说明二极管处于何种状态？解：假设先将A、B断开，则VA = -10V, VB = -5V，VAB= VA-VB= -5V，可见重新接入后二极管将处于反向截止状态：电路中电流为0（反向电阻无穷大），电阻R上的压降为0，Vo = -5V成立。例题2：如果图2.13所示电路(b)中设二极管为恒压模型。求电路中输出的电压Vo值说明二极管处于何种状态？解：将D1、D2断开，VB1A9V，VB2A= -12-(-9)=-3V 将D1、D2接入后，D1导通，D2截止，VA被D1箝位在0.7V上。Vo= VA= -0.7V成立。返回第六节特殊二极管除前面所讨论的普通二极管外，还有若干种特殊二极管

15、，如齐纳二极管、变容二极管、光电子器件(包括光电二极管、 发光二极管和激光二极管)等，本节主要讨论齐纳二极管及其应用。一、齐纳二极管齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。 稳压二极管的特性曲线与普通二极管基本相似，只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的A、B段。 这一段的电流， 对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安至几十毫安。1、稳压二极管的主要参数（1）稳定电压Vz稳定电压就是稳压二极管在正常工作时，管子两端的电压值。这个数值随工作电流和温度

16、的不同略有改变，既是同一型号的稳压二极管，稳定电压值也有一定的分散性， 例如2CW14硅稳压二极管的稳定电压为67.5V。（2）耗散功率PM反向电流通过稳压二极管的PN结时，要产生一定的功率损耗，PN结的温度也将升高。根据允许的PN结工作温度决定出管子的耗散功率。通常小功率管约为几百毫瓦至几瓦。（3）稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、大稳定电流IZmax稳定电流：工作电压等于稳定电压时的反向电流；最小稳定电流：稳压二极管工作于稳定电压时所需的最小反向电流；最大稳定电流：稳压二极管允许通过的最大反向电流。2、稳压二极管的应用稳压管常用在整流滤波电路之后，用于稳定直流输出电压的小功率电源设备中

17、。如图由R、Dz组成的就是稳压电路，稳压管在电路中稳定电压的原理如下：只要R参数选得适当，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不变。可见，在这种稳压电路中， 起自动调节作用的主要是稳压二极管Dz，当输出电压有较小的变化时， 将引起稳压二极管电流Iz的较大变化，通过限流电阻R的补偿作用，保持输出电压Vo基本不变。限流电阻R的选择：1、当I0 = I0min、VI = VImax 时 要求：2、当I0 = I0max、VI = VImin 时 要求：故R的取值范围为：第二节 半导体三极管（BJT）BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响， 使BJT

18、表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和参数。一、BJT的结构简介BJT又常称为晶体管，它的种类很多。按照频率分，有高频管、低频管； 按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同， 又可分成NPN型和PNP型等等。但从它们的外形来看，BJT都有三个电极，如图3.1所示。图3.1是NPN型BJT的示意图。 它是由两个 PN结的三层半导体制成的。中间是一块很薄的P型半导体(几微米几十微米)，两边各为一块N型半导体。从三块

19、半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。在几何尺寸上， 集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子 由于发射结外加正向电压VEE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区， 形成发射极电流IE

20、，其方向与电子流动方向相反，如图3.2所示。（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后， 就在基区靠近发射结的边界积累起来， 右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此， 电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子， 好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等， 使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB， 所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。 也就是说， 注人基区的电子有一部分未到达集电结， 如复合越多， 则到达集电结的电子越

21、少， 对放大是不利的。 所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少， 大部分都能到达集电结。（3）集电区收集电子集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力， 使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流IC。 与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区， 形成很小的反向饱和电流ICB0 。2、电流分配关系与正向偏置的二极管电流类似，发射极电流iE与vBE成指数关系： 集电极电流i

22、C是iE的一部分，即：式中称为BJT的电流放大系数三、BJT的特性曲线.共射极电路的特性曲线（1）输入特性VCE=0V时，b、e间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。VCE1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极，只有小部分与空穴复合形成IB。 vCE1V以后，IC增加很少，因此IB的变化量也很少，可以忽略vCE对IB的影响，即输入特性曲线都重合。注意:发射结开始导通的电压vBE：0.6V0.7V(硅管)，0.10.3V(锗管)（2）输出特性曲线对于一确定的iB值，iC随VCE的变化形成一条曲线，给出多个不同的iB值，就产生一个曲

23、线族。如图3.6所示。 IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，无放大作用，因此对应IB=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示。 IB0 ， VCE1V ，iC随IB的变化不遵循的规律，而且iC随VCE的变化也是非线性的，所以该区域称为饱和区。 IB0、VCE1V，iC随iB的变化情况为： 或在这个区域中IC几乎不随VCE变化，对应于每一个IB值的特性曲线都几乎与水平轴平行，因此该区域称为线性区或放大区。四、BJT的主要参数 BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的，它是选用BJT的依据。了解这些参数的意义，对于合理使用和充分利用BJT达到设计电路的经济性和可靠性是十

24、分必要的。1.流放大系数BJT在共射极接法时的电流放大系数，根据工作状态的不同，在直流和交流两种情况下分别用符号 和表示。其中上式表明:BJT集电极的直流电流 IC与基极的直流电流IB的比值， 就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数， 有时用hFE来代表。但是，BJT常常工作在有信号输人的情况下，这时基极电流产生一个变化量，相应的集电极电流变化量为，则与之比称为BJT的交流电流放大系数，记作即2.极间反向电流（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO。表示发射极开路，c、b间加上一定的反向电压时的电流。（2）集电极-发射极反向饱和电流（穿透电流）ICEO。表示基极开路，c、e间加上一定的反向

25、电压时的集电极电流。3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM。表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过ICM时，三极管的性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。（2）集电极最大允许功耗PCM。表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值。超过此值时，三极管的性能将变坏或烧毁。（3）反向击穿电压V（BR）CEO。 表示基极开路，c、e间的反向击穿电压。4、晶体管的选择（1）依使用条件选PCM在安全区工作的管子， 并给予适当的散热要求。（2）要注意工作时反向击穿电压 ， 特别是VCE不应超过 V（BR）CEO。（3）要注意工作时的最大集电极电流IC不应超过ICM。（4）要依使用

26、要求：是小功率还是大功率， 低频、高频还是超高频，工作电源的极性，值大小要求。返回第三节共射极放大电路在实践中，放大电路的用途是非常广泛的，它能够利用BJT的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值， 例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。 声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用BJT的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器 (喇叭)还原成为放大了的声音。为了了解放大器的工作原理，先从最基本的放大电路开始讨论。一、共射极基本放大电路的组成在图3.7所示的单管放大电路中， 采用NPN型硅BJT，VCC是集电极回路的直流电源 (一般在几伏到几十伏的范

27、围)， 它的负端接发射极,正端通过电阻R接集电极， 以保证集电结为反向偏置；R是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围)，它的作用是将BJT的集电极电流iC的变化转变为集电极电压VCE的变化。VBB是基极回路的直流电源,它的负端接发射极， 正端通过基极电阻Rb接基极，以保证发射结为正向偏置，并通过基极电阻 Rb(一般在几千欧至几百千欧的范围) (一般在几十千欧至几百千欧的范围)，由VBB供给基极一个合适的基极电流对于硅管，VBE约为0.7V左右， 对于锗管，VBE约为0.2V左右，而VBB一般在几伏至几十伏的范围内(常取VBB=VCC)，即VBBVBE，所以近似有由上式可见，这个电路的偏流I

28、B决定于VB，和Rb的大小，VBB和Rb经确定后，偏流IB就是固定的，所以这种电路称为固定偏流电路。Rb又称为基极偏且电阻。电容Cb1和Cb2称为隔直电容或耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围)，它们在电路中的作用是传送交流，隔离直流。值得指出的是， 放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的， 即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流， 从而将直流电源VCC的能量转化为所需要的形式供给负载。 因此， 放大作用实质上是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。 二、共射极基本放大电路的工作过程待放大的

29、输人电压vi从电路的A、O两点(称为放大电路的输入端)输入，放大电路的输出电压Vo由B、O两点(称为放大电路的输出端)输出。输入端的交流电压vi 通过电容Cb，加到BJT的发射结，从而引起基极电流iB相应的变化。iB的变化使集电极电流iC随之变化。iC的变 化量在集电极电阻RC上产生压降。集电极电压vCE =VCC 一iCRC，当iC的瞬时值增加时，vCE 就要减小，所以vCE 的变化恰与iC 相反。vCE 中的变化量经过电容Cb ，传送到输出端成为输出电压Vo 。如果电路参数选择适当，v0 的幅度将比vi 大得多，从而达到放大的目的，对应的电流、电压波形示于图3.8中。在半导体电路中，常把输

30、人电压、输出电压以及直流电源Vcc 和VBB 的共同端点(0点)称为地，用符号表示(注意，实际上这一点并不真正接到大地上)，并以地端作为零电位点 (参考电位点)。这样，电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压(即电位差)。例如Vc就是指集电极对地的电压。这些概念和术语，前面已作过初步的介绍，但这里所讨论的放大电路要复杂得多。三、共射极放大电路的简化为了分析方便，我们规定:电压的正方向是以共同端 (0点) 为负端，其他各点为正端。 图3.9中所标出的十、一号分别表示各电压的假定正方向；而电流的假定正方向如图中的箭头所示，即ic、ib 以流入电极为正；iE则以流出电极为正。图中表示电流、电压的

31、符号的意义如下：VBE 、IB （大写符号，大写下标）表示直流值。vbe 、ib （小写符号，小写下标）表示瞬时值。vBE 、iB （小写符号，大写下标）表示交直流量之和。Vbe 、Ib （大写符号，小写下标）表示交流有效值。图3.9是简化后共射极放大电路， 它是工程实际中用得较广泛的一种电路组态。为了简化电路， 一般选取VCC =VBB ，如图3.9所示。左图是右图的习惯画法。返回第四节图解分析法一、静态工作情况分析我们把放大电路未加入信号VS时的状态称为静态，此时电路的电压（电流）值称为静态值，可用IBQ、ICQ、VCEQ表示。 这些值在特性曲线上确定一点，这一点就称为Q点。当放大电路输入

32、信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。对于静态工作情况，可以近似地进行估算，也可用图解法求解。1.近似估算Q点这里以图3.10所示电路为例估算电路的Q点。（1）画出电路的直流通路如图3.10所示。画直流通路时，要将耦合电容Cb1、Cb2当成开路；（2）由VCC、Rb和三极管T构成的基极回路可得： （3）利用IC=IB 的关系，可以求得ICQ（4）从VCC、Rc和三极管T构成的集电极回路可得：2、用图解法确定Q点（1）作出电路非线性部分（包括由厂家提供或从手册中获得特性曲线和确定其偏流的VCC、Rb）的V-I特性如图3.11所示。（2）作出线性部分的V

33、-I特性-直流负载线根据：VCEQ=VCC-ICRC令iC=0，得vCE=VCC令vCE=0，得iC=VCC/RC画出由（VCC，0）和（0，VCC/Rc）两点决定的直线，显然这是一条斜率为-1/Rc的直线。由于讨论的是静态工作情况，电路中的电压、电流值都是直流量，所以上述直线称为直流负载线。（3）由电路的线性与非线性两部分V-I特性的交点确定Q点（VCEQ，ICQ）二、动态工作情况分析1、放大电路在接入正弦信号时的工作情况当接入正弦信号时，电路将处在动态工作情况， 可以根据输入信号电压vi通过图解确定输出电压vo，从而可以得出vi与vo之间的相位关系和动态范围。 图解的步骤是先根据输入信号电

34、压vi在输入特性上画出iB的波形， 然后根据iB的变化在输出特性上画出ic和vBE 的波形。(1)根据vi在输入特性上求iB设放大电路的输入电压正弦波， 当它加到放大电路的输入端后，BJT的基极和发射极之间的电压vBE就是在原有直流电压VBE的基础上叠加了一个交流量vi(vbe)，根据vBE的变化规律， 便可从输入特性画出对应的iB的波形图，如图3.12所示。由图上可读出对应于峰值为0.02V的输入电压，基极电流iB将在60A与20A之间变动。（2）根据iB在输出特性曲线上求iC和vBE因为放大电路的直流负载线是不变的， 当iB在60A与20A之间变动时， 直流负载线与输出特性的交点也会随之而

35、变， 对应于iB=60A 的一条输出特性与直流负载线的交点是Q点， 对应于iB=20A的一条输出特性与直流负载线的交点是0点，所以放大电路只能在负载线的Q0段上工作，即放大电路的工作点随着iB的变动将沿着直流负载线在 Q与0点之间移动，因此，直线段 Q0 是工作点移动的轨迹，通常称为动态工作范围。由图可见，在vi的正半周， vi先由40A增大到60A，放大电路的工作点将由Q点移到Q点，相应的iC和IC增到最大值， 而vCE由原来的VCE减小到最小值；然后iB由60A减小到40A，放大电路的工作点将由 Q回到 Q，相应的iC也由最大值回到IC， 而vCE则由最小值回到VCE。在的负半周， 其变化

36、规律恰好相反， 放大电路的工作点先由 Q 移到Q，再由Q回到Q点。这样，就可在坐标平面上画出对应的iB、iC和vCE的波形图，如图3.12所示，vCE中的交流量vce的波形就是输出电压v0的波形。综上分析，可总结如下几点： 没有输入信号电压时， BJT 各电极都是恒定的电流和电压(IB、IC、VCE)，当在放大电路输入端加入输入信号电压后，iB、ic、vCE都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，即iB=IB+ib, iC=IC+ic, vCE=VCE+vce因此，放大电路中电压、电流包含两个分量：一个是静态工作情况决定的直流成分 IB、 IC、VCE；另一个是由输入电压引起的交流成分ib

37、、ic和vce。虽然这些电流、电压的瞬时值是变化的，但它们的方向始终是不变的。 vCE中的交流分量vce(即经Cb2隔直后的交流输出电压vo)的幅度远比vi为大，且同为正弦波电压，体现了放大作用。 从图3.12中还可以看到，v0(vce)与vi相位相反。这种现象称为放大电路的反相作用 ， 因而共射极放大电路又叫做反相电压放大器，它是一种重要的电路组态。图3.13 共射极电路 合适的静态工作点是电路实现不失真放大的必要条件2.交流负载线放大电路在工作时， 输出端总要接上一定的负载，如在图 3.13 中，负载电阻RL=4k，这时放大电路的工作情况是否会因为RL的接人而受到影响呢?这是下面所要讨论的

38、问题。（1）画交流通路在静态时，由于隔直电容Cb2比的作用，RL对电路的Q点无影响。动态工作时的情况则不同， 隔直电容Cb1和Cb2在具有一定频率的信号作用下，其容抗可以忽略；同时考虑到电源Vcc的内阻很小，可视为短路。这样便可画出图3.13的交流通路如图3.14所示。 此时图中的电压和电流都是交流成分。（2）计算交流负载电阻的阻值由图3.14中可以看出， 放大电路的交流负载电阻为RL与RC的并联值，即（3）画交流负载线可见，交流负载线要比直流负载线更陡一些。 另外交流负载线和直流负载线必然在Q点相交，这是因为在线性工作范围内，输人电压在变化过程中是一定经过零点的。在通过零点时vi=0， 因此

39、，这一时刻既是动态过程中的一个点，又与静态工作情况相符 ，所以这一时刻的 iC 和 vCE应同时在两条负载线上，这只有是两条负载线的交点才有可能。因此只要再确定一点即可画出交流负载线。由图3.15中可知，icpICQ=1.5mA，RL=2kW，则vop=ICQRL=3V只要作过Q（VCEQ，ICQ）和vCEM（vCEM，0）的直线即可获得交流负载线。返回第五节小信号模型（微变等效电路）分析法如果放大电路的输入信号电压很小，就可以设想把BJT小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把BJT这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理，这就是BJT小信号建模的指导思想。这种方法是把非线性问题

40、线性化的工程处理方法。关于BJT的小信号建模，通常有两种方法，一种是已知网络的特性方程，按此方程画出小信号模型；另一种则是从网络所代表的BJT的物理机构出发加以分析， 再用电阻、电容、电感等电路元件来模拟其物理过程，从而得出模型。 本节从方程出发结合特性曲线来建立小信号模型。一、BJT的小信号模型1.BJT H 参数的引出 BJT在共射极接法时，可表示为图3.16所示的双口网络。 BJT的特性曲线用图形描述了管子内部电压、电流的关系。而BJT的参数，则是用数学形式表示管子内部电压、电流微变量的关系， 两种方法都是表征管子性能、反映管内物理过程的， 因而两者之间必然具有密切的内在联系。下面从管子

41、的特性曲线出发，来找出BJT的参数。图3.16中的输入回路和输出回路电压、电流的关系可分别表示为 vBE=f1(iB,vCE) iC=f2(iB,vCE)如果BJT工作在小信号下，考虑电压、电流之间的微变关系，对上面两式取全微分可得：在上面两个式子中，由于dvBE、dvCE、diB、diC代表无限小的信号增量，也就是可以用电流、电压的交流分量来代替。即：式中hie hre hfe hoe 称为BJT的H参数，其中2. BJT的H参数模型（1） H参数模型的引出vbe=hieib+hrevce 表示输入回路方程，它表明输人电压vbe是由两个电压相加构成的，其中一个是hfeib，表示输入电流ib在

42、rbe上的电压降；另一个是hfevce， 表示输出电压vce对输入回路的反作用，用一个电压源来代表。 如图3.17左边的输入端等效电路，这是戴维南等效电路的形式。ic=hfeib+hoevce 表示输出回路方程，它表明输出电流ic是由两个并联支路的电流相加而成的，一个是由基极电流ib引起的ic = hfeib，用电流源表示；另一个是由于输出电压加在输出电阻l/hoe上引起的电流，即vcehoe。这样，又得到图3.17右边的输出端等效电路， 这是诺顿等效电路的形式。由此得到包含四个H参数的BJT的小信号模型，这就是把BJT线性化后的线性模型。在分析计算时，可以利用这个模型来代替BJT，从而可以把

43、BJT电路当作线性电路来处理， 使复杂电路的计算大为简化。 因此，它在电子电路分析中应用得很广泛。用电子电路中的习惯符号表示四个H参数的 BJT微变等效电路如图3.17所示。 （2）模型的简化对于共射接法的三极管微变等效电路，H参数的量级一般是：由这些具体数字可见，hre和hoe相对而言是很小的，对于低频放大电路，输入回路中hrevce 比 vbe小得多，而输出回路中负载电阻RC(或RL)比BJT输出电阻l/hoe小得多， 所以在模型中常常可以把hoe和hre忽略掉，这在工程计算上不会带来显著的误差。 因此图3.17可改画成图3.18。利用这个简化模型来表示BJT时， 将使BJT放大电路的分析

44、计算进一步简化。当负载电阻Rc(RL)较小， 满足Rc(RL)/rce 0.1的条件时， 利用这个简化模型来分析低频放大电路所得放大电路的各主要指标， 如电压增益、电流增益、放大电路的输入电阻及输出电阻等，其误差不会超过10%。这在工程上已能满足要求了。 （3）H参数的确定应用H参数等效电路来分析放大电路时，首先必须得到BJT在Q点处的H参数。由于BJT本身参数的分散性以及参数会随Q点变化而改变，实际上在计算时不能直接采用手册上提供的数据 ， 因此在计算电路 之前，首先必须确定所用的BJT在给定Q点上的H参数。获得H参数的方法可采用H参数测试仪，或利用BJT特性图示仪测量和rbe，rbe也可以借助下面的公式进行估算： 式中rbb为基区体电阻，对于低频小功率管，rbb约为200左右。 这样上式可改写为式中 VT为温度的电压当量， 前已述及在室温(3ooK)时，其值为26mV。应当注意的是，上式的适用范围为0.1mAIE5mA，实验表明，超越此范围，将带来较大的误差。几点说明：（1）四个参数均对交流变化量而言，只能解决交流分量的计算，不能用于计算Q 。（2）采用此法分析放大电路的步骤是：确定Q点；求出Q点附近