基本电路与电子学（下篇）Ch4.半导体二极管、三极管和场效应管Ch5.放大电路基础Ch7.集成运算放大器Ch8.负反馈放大电路Ch9
.信号的运算、处理及波形发生电路Ch10.直流电源对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部
机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简
便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有
分散性、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。第4章半导体二极管、三极管和场效应管4.1PN结4.2半导体二极管4.3
双极型晶体管第4章半导体二极管、三极管本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳
压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。4.1PN结1.半导体的导电特
性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。(可
做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。(可做成各种
不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。4.1PN结导体：容易传导电流的材料。物质绝缘体：几乎不能传导电流的材
料。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。在受热、光照、掺杂后，导电能力增强，接近导体在常态下，接近于绝缘体半导体的材料：有硅、锗
、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。++SiGe2.本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体。典
型的半导体如：硅Si和锗Ge。它们的共同特征是四价元素，最外层电子数为4。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。SiSi
价电子SiSi2.本征半导体提纯后，形成原子排列整齐的晶体结构，相邻原子由外层电子形成共价键。共价键晶体中原子的排列方式硅
单晶中的共价键结构3.电子空穴对当半导体处于热力学温度0K，导体中没有自由电子T＝t＋273℃当温度升高或光照时，价电子能量增高
，有的价电子挣脱原子的束缚，参与导电，形成自由电子；自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，其
正电量与电子的负电量相等，称呈现正电性的这个空位为空穴。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时出现的，称为电子空穴对。本征激发：产生
电子空穴对存在两种现象复合：自由电子回到空穴中去价电子受到激发自由电子空穴。SiSiSiSi4.本征激发自由电子游
离的部分自由电子有可能回到空穴中去称为复合激发和复合在一定温度下会达到平衡空穴价电子思考：Si半导体带不带电？5.本征半导体的
导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：1）自由电子作定向运动?电子电流2）价电子递补空穴?空穴电流
自由电子和空穴都称为载流子。注意：1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2.温度愈高，载流子的数目愈多，半
导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。5.本征半导体的导电机理思考：如何能增加半导体的导电性呢？N型半导
体杂质半导体P型半导体6.杂质半导体在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当差。如果在半导体晶体中掺入微
量其他合适元素（这种做法称为掺杂），半导体的导电能力将大大提高。掺入杂质的半导体，称为杂质半导体。SiSiSiSip+p
7.N型半导体在本征半导体中掺入五价元素，例如磷，砷等在常温下即可变为自由电子多余电子N型半导体：多子?自由电子少子?空
穴磷原子失去一个电子变为正离子SiSiSiBB–Si8.P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴P
型半导体：多子?空穴少子?自由电子硼原子接受一个电子变为负离子N型半导体P型半导体++++－－－－++++－－－－++++－－
－－杂质半导体的示意图多子—电子多子—空穴少子—空穴少子—电子杂质半导体的示意图a1.在杂质半导体中多子的数量与（a.
掺杂浓度、b.温度）有关。b2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子
的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。c4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电
流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ab多数载流子的数量杂质半导体少数载流子的数量N型半导体和P
型半导体注意事项掺杂的浓度温度或者光照1.一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多，电子或者空
穴载流子数目将增加几十万倍。2.不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多数载流子。整个半导体晶体仍是电中性的。PN空间电荷区
PN结及其单向导电性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(1)PN结的形成因浓
度差多数载流子将扩散耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；（自建电场或者内电场）空间电荷区PN结及其单向导电性(1
)PN结的形成阻止多子扩散自建电场促使少子漂移空间电荷区耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡，空间电荷区的厚度
固定不变。这样的耗尽层就是PN结。PN结及其单向导电性NNPPPN结及其单向导电性(2)PN结单向导电性－+－－－－－+++++
－+－－－－－++++++－－－－－－+++++NP–+(2)PN结单向导电性P接正、N接负1.PN结加正向电压（正
向偏置）内外电场方向相反；N区电子向左移动；P区空穴向右移动；PN结变窄，自建电场削弱使扩散增强而漂移减弱；多子形成正向电流；IF
PN结加正向电压时，正向电阻较小，正向电流较大，PN结处于导通状态。P接正、N接负1.PN结加正向电压（正向偏置）(
2)PN结单向导电性－－－++－－－+++－－－++－－－+++－－－++－－－+++–+2.PN结加反向电压（反向偏置）
P接负、N接正+内外电场方向相同；N区电子向右移动；P区空穴向左移动；PN结变宽，自建电场加强使漂移增强而扩散减弱参与漂移运动
的是少子；++PNIRPN结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随
温度增加。2.PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正PNNP3.结论：PN结具有单向导电性。?PN结加正偏压时，正
向导通：呈现低电阻，相当于开关闭合，具有较大的正向导通电流；?PN结加反偏压时，反向截止：呈现高电阻，相当于开关断开，具有
较小的反向饱和电流；PN+-正极负极4.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线1、结构2、符号3、分类?按
制造的半导体材料分：硅管、锗管?按工作频率分：低频、高频等；?按功能分：检波、整流、开关、稳压、发光、光敏、触发及隧道二极
管等；3、分类?根据二极管的内部结构分：PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管PN结面积
大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(c)
平面型二极管VmAIER5.伏安特性伏安特性实验电路I–+NPU–+NP5.伏安特性正向特性特点：非线性反向击穿电压U(BR)
硅0.6~0.8V,锗0.2~0.3V。导通压降反向电流在一定电压范围内保持常数。硅管0.5V,锗管0.1V。死区电压反向特性
外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。(a)最大整流电流IF二极管长期使
用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。(b)反向击穿电压VBR二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。最大反向工作电压V
RM——实际工作时，为安全：VRM≈VBR/2，(c)反向电流IR在室温及规定的反向电压下的反向电流值。硅管：(
nA)级；锗管：(?A)级。(c)最高工作频率fM二极管单向导电作用开始退化时交流信号频率6.主要参数(U<0)
二极管截止(U＞0)二极管导通iD=0r=∞开关断开UD=0r=0开关闭合7.二极管基本电路及其分析方法一
、半导体二极管等效模型：1.理想模型：理想二极管正偏反偏(uUDr=0开关闭合iD=0r=∞开关断开2.恒压降模型：UDu>UDu，锗管0.3V。IQ△iU△Ud0rdAK＋△Ud－3.小信号模型（only正偏）二、二极管电路分析导通截止定性分析
：判断二极管的工作状态分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位。若V阳>V阴，二极管导通若V阳模型：若V阳>V阴+VD，二极管导通若V阳如图，求：UAB+※-取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。断开二极管后：V阳=－6VV阴=－1
2VV阳>V阴二极管导通（1）理想模型：UAB=－6V（2）恒压降模型：UAB=－6.3Ｖ或－6.7V在这里，二极
管起钳位作用。D2ID2ID1D1A+3k?UAB6V12V–BD1、D2为理想二极管，求：二极管电压和电流例2:V1阳=－
6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2>UD1∴D2优先导
通※UD2=0VD1截止。V1阴=0V在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。UD1=－6Va2b2a1b
1例3：电路如图，(设D为理想二极管）判断管子工作状态，并求输出电压。va=12Vvb=-15Vva1=va
2=12Vvb1=15Vvb2=0Vva1=va2=12Vvb1=0Vvb2=-4Vv
ab=va-vb=27V>0vab1=12V>0vab2=16V>0vab1=-3V<0va
b2=12V>0D2导通D导通vAO=-15VD2导通、D1截止vAO=0Vvab1=-4V<0D1截止R
已知：二极管是理想的，试画出uo波形。++Duoui8V––ui18V例4：参考点二极管的用途：整流、检波、限幅、箝位、开
关、元件保护、温度补偿等。8VVD阴=8V;VD阳=uiuo=8Vui>8V，二极管导通ui<8V，二极管截
止uo=ui动态的限幅电路限幅电路接线图IU稳压管1.符号2.伏安特性+–稳压管正常工作时加反向电压UZ稳压管
反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。IZ?IZ?UZIZM使用时要加限流电
阻I(mA)UZU(V)0IZ?IZIZmax?UZ3.主要参数(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端
的电压。(2)动态电阻rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。(3)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(4)最大允许耗散功率
PZM=UZIZM3.主要参数(5)电压温度系数?ｕ环境温度每变化1?C引起稳压值变化的百分数。如：稳压管2CW18
的电压温度系数为0.095%/?C假如在20?C时的稳压值为11V，当温度升高到50?C时的稳压值将为特别说明：稳压管的
电压温度系数有正负之别。因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。4.基本稳压电路如图所示电路，若负载发生变化引起输出减小
，可利用该电路实现稳压作用。ˉUOˉ?IDZIRRLˉ?ˉ?ˉˉ?UR-UO思考：a.若稳压管极性接反,会出现什么问题?b.
电阻R的作用是什么？不加可不可以？?起限流作用，以保护稳压管；?稳压调节作用。稳压管工作必要条件：?工作在反向击穿状态
?串入电阻RIZmin＜IZ＜IZmax例1.电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ＝3V，R的取值合适，uI的波形如
图(c)所示。试分别画出uO1和uO2的波形。500ΩEDZRL例2：已知UZ＝6V，IZMIN＝10mA，PZm＝150m
W，求E=20V时，RL的变化范围。解：IZMAX=PZm/UZ=150/6=25mAIZ=（E－UZ
)/R－UZ/RLUZ/RL=（E－UZ)/R－IZ=(20－6）/0.5－IZ=28－I
ZRL=UZ/（28－IZ)RLmin=UZ/（28－IZmin)＝6/(28-10)=1/3KRLmax
=UZ/（28－IZmax)=6/(28-25)=2K集电极Collector集电极CNPPBN基极Base基极N
PE发射极Emitter发射极PNP型4.3双极型晶体管一、晶体管的结构与类型1基本结构—集电区集电结—基区发射结—
发射区NPN型CCICICBBIBIBIEIEEE4.3双极型晶体管2符号BipolarJunctionTransisto
rNPN型PNP型BE二氧化硅保护膜平面型主要为Si管N型锗按结构可分为合金型主要为Ge管P型N型N型
硅平面型结构合金型结构CEP型铟球BP型铟球C3分类集电极C基极NPBNE发射极4结构特点集电区：面积最大基区：最薄，掺杂浓度最低
集电结发射结发射区：掺杂浓度最高CRCNRBPBNECEBE二、电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件发射结正偏、集电
结反偏从电位的角度看：NPN发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VBPNP发射结正偏VBcbRbIEe2、晶体管内部载流子的运动(a)发射结正偏，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴
扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。cIBRcbRbIEe2、晶体管内部载流子的运动(b)
扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充
。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。2、晶体管内部载流子的运动ICcICBOIBRbbRcIEe2、晶体管内部载流子
的运动(c)集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。
其能量来自外接电源VCC。集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。2、晶体管内部载
流子的运动cRcbRbee3、晶体管的电流分配关系ICIE=ICn+IBn+IEp=Icn+ICnICBOIB
IC=ICn+ICBOIBnIB=IEp+IBn－ICBO=-ICBOIEpICnIEIE=IC+IB
ICC2IB+C1+RcTRbVCCVBB共发射极接法4、晶体管电流放大系数共射直流电流放大系数ICBO称反向饱和电流共射交流电
流放大系数ICEO称穿透电流4、晶体管电流放大系数ICmAIB?AmA+VCCRBIE––+VCC5.各电极电流关系及电流放大
作用实验测试实验线路IB(mA)0.040.0600.020.080.102.303.103.950.701.50IC(mA)<
0.0010.721.542.363.184.05IE(mA)<0.001测试结果结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC
2）IC??IB，IC?IE静态(直流)电流放大系数:动态(交流)电流放大系数:3)当IB=0(基极开路)时,
IC=ICEO,很小接近于０。4)要使晶体管起电流放大作用，发射极必须正向偏置，集电极必须反偏。把基极电流的微小变化能够引起集
电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。6.三极管三
种组态１共发射极：发射极作为公共端，用CE表示。２共基极：基极作为公共端，用CB表示。３共集电极：集电极作为公共端，用CC表示；I
CmAIB+?A++UCEECRBUBE–VV–––+EB三、特性曲线测量晶体管特性的实验线路输出回路输入回路共发射极电路发
射极是输入回路、输出回路的公共端UCE=0.5VUCE=0VIB(?A)UCE?1V80604020UBE(V)0.40.8
iB=f(uBE)?UCE=const1、输入特性工作压降：硅管UBE?0.6~0.7V,锗管UBE?0.2~0
.3V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。IC(mA)100?A480?A360?A240?A1036129UCE(V)2
、输出特性iC=f(uCE)?IB=const(1)放大区放大区—曲线平行部分条件：发射结正偏，集电结反偏。特
点：UCE较大iC=?iB放大区20?AIB=0IC(mA)100?A480?A360?A240?A120?AIB
=0036129UCE(V)（2）截止区条件：发射结:反向偏置集电结:反向偏置特点：IC?0（3）饱和区饱和区条件：发射结:
正偏集电结:正偏特点：UCE较小?IB?IC深度饱和时，硅管UCES?0.3V，锗管UCES?0.1V。截止区IC
EO思考题1测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=
12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、U2=11.
8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=
12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、
U2=11.8V、U3=12V原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏
，集电结反偏。NPN管UBE＞0，UBC＜0，即UC＞UB＞UE。PNP管UBE＜0，UBC＜0，即UC
＜UB＜UE。解：（1）U1b、U2e、U3cNPN硅（2）U1b、U2e、U3cNPN锗（3）U
1c、U2b、U3ePNP硅（4）U1c、U2b、U3ePNP锗思考题2测量BJT三个电极对地电位如图所
示，试判断BJT的工作区域？放大截止饱和和?的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。
四、主要参数1.电流放大系数，?当晶体管接成发射极电路时，直流电流放大系数交流电流放大系数注意：常用晶体管的?值在20~
200之间。IC(mA)4100?A380?A60?A240?A20?A1IB=0036129UCE(V)在以后的计算中，一般
作近似处理：?=。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40?A,IC=1.5mA；在Q2点IB=60?A,IC=2.3mA。在Q1点，有Q2由Q1和Q2点，得Q1温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。UBE（1oC）（1oC）(2.2mV)若T若T若TICBOICEO硅管的ICBO比锗管的小得多。?（0.5%~1%）五.温度对晶体管参数的影响1.对ICBO的影响：2.对UBE的影响：3.对?的影响：I/mA200iC604020iB0.400.8U/V温度对输入特性的影响600OuCE200600a）温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移b）温度对输出特性的影响温度升高将导致IC增大例1:已知甲三极管ICBO=200nA,?=250,乙三极管ICBO=100nA,?=60,请问使用哪一只为好？使用乙三极管最好，因为乙管子的ICBO小,说明该管的稳定性能好！半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3DG110B 用字母表示同一型号中的不同规格用数字表示同种器件型号的序号用字母表示器件的种类用字母表示材料三极管第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管 |
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