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第6章 二极管和晶体管


第6章 章

二极管和三极管
半导体基础知识 二极管 半导体三极管
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1

电路与 模拟电 子技术

6.1

半导体基础知识

本征半导体
纯净半导体又称为本征半导体,如硅( )、 )、锗 纯净半导体又称为本征半导体,如硅(Si)、锗(Ge)等 本征半导体 ) 共价键结构示意图 硅晶体的空间排列

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2

电路与 模拟电 子技术

电子—空穴对的形成(本征激发) 电子 空穴对的形成(本征激发) 空穴对的形成
温度↑ 温度↑
+4 +4

自由电子
+4

光照

空穴

本征激发
由热激发或光照而产生 自由电子和空穴对。 自由电子和空穴对。

+4

+4



+4

空穴— 空穴 共价键中的空位
+4 +4 +4

空穴的移动— 空穴的移动 空穴的运动
是靠相邻共价键中的价电子 依次充填空穴来实现的。 依次充填空穴来实现的。

温度↑ 温度↑

载流子浓度↑ 载流子浓度↑ 浓度
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电路与 模拟电 子技术

载流子的运动

?
+4 ? +4

? ?
+4 ? +4 ?

? ? ?

+

电子向上 运动形成 电子电流 电子与空穴统 称载流子 空穴向下运 动形成空穴 电流
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+4 ? +4 ?

? ?
+4 ? +4

? ?

?

+4 +4 ?

+4 ? +4 ?

? ?
+4 ? +4

? ? ?
+4 ? +4 ?

? ?
+4 ? +4 ?

?

?

?

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杂质半导体
自由电子浓度远高于空 穴浓度,故称自由电子 穴浓度, 多数载流子。 为多数载流子。而空穴 称为少数载流子 称为少数载流子

N型半导体 型半导体
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ?
?

? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

? ?
?

掺少量五价元 素如磷等形成 自由电子

?

?

多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成 自由电子。使杂质原子成为 使杂质原子成为正离子 自由电子 使杂质原子成为正离子
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电路与 模拟电 子技术

P型半导体 型半导体
?
+4 ? +4

? ?
+4 ? +4 ?

?
+4 ? +4 ?

? ?
+4 ? +4

? ? ?
+4 ? +3

? ?
+4 ? +4 ?

掺少量三价元素 如铝等形成空穴

? ?
?
+4 +4

? ? ?
+4 ? +4 ?

? ?
+4 ? +4 ?

?

?

?

空穴浓度远高于自由电 子浓度,故称空穴为多 子浓度,故称空穴为多 数载流子。 数载流子。而自由电子 称为少数载流子 称为少数载流子

空穴很容易获得电子,使杂质原子成为负离子 空穴很容易获得电子,使杂质原子成为负离子
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电路与 模拟电 子技术

PN结特性 结特性

PN 结形成
扩散运动与漂 移运动达到平 移运动达到平 衡形成PN结 衡形成 结


PN结 结

扩散运动: 扩散运动: 浓度差而 产生载流 子运动
内电场的形成:扩
散运动形成界面二 散运动形成界面二 端P区留下不能移动 区留下不能移动 负离子而 区留下 的负离子而N区留下 不能移动的正离子 不能移动的正离子

内电场 的作用: 的作用: 阻碍多 子扩散
运动, 运动, 有利于 少子漂 少子漂 移运动

空穴
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- 内电场方向 +
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自由电子
7

电路与 模拟电 子技术

PN结单向导电性 结单向导电性
PN结正向偏置:P 结正向偏置: 结正向偏置 接正极, 接负极 接正极,N接负极
P 电荷区变窄 N

耗尽层变窄 形成较大正 向电流

-

-

-

+ + + +
外电场 E

+ + + +

+ + + +

PN结导通且 结导通且 PN结电压较小 PN结电压较小 (硅0.7V,锗 锗 0.3V)

扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流, 扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移 电流的影响, 结呈现低阻性 结呈现低阻性。 电流的影响,PN结呈现低阻性。
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电路与 模拟电 子技术

PN结单向导电性 结单向导电性
PN结反向偏置:P 结反向偏置: 结反向偏置 接负极, 接正极 接负极,N接正极
P 电荷区变宽 N

耗尽层变宽 形成很小反 向饱和电流 反向饱和 电流由少 电流由少 数载流子 形成

-

-

外电场

+ + + +

+ + + +

+ + + +

PN结 结 截止

总结: PN结正偏导 总结: 结正偏导 通,PN结反偏截止 结反偏截止
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电路与 模拟电 子技术

6.2

半导体二极管

二极管的构成与特性
结上加上引线和封装, 在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极 结上加上引线和封装 就成为一个二极管。 管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 点接触型、 三大类。 管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们 的结构示意图如图所示。 的结构示意图如图所 PN结面积小,结电容小, 用于检波和变频等高频电路。

(1) 点接触型二极管—

二极管的结构示意图
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(a)点接触型
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电路与 模拟电 子技术

二极管的构成与特性
PN结面积大,用 于工频大电流整流电路。 往往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。 (b)面接触型

(2) 面接触型二极管 面接触型二极管—

(3) 平面型二极管 平面型二极管—
(c)平面型
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半导体二极管图片及符号

D

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12

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二极管的伏安特性
iD/mA
20 15

iD/mA

正向特性


反向特性
Uth
?60 ?40 ?20

20 15 10 5 0 ?10 ?20 ?30 0.2 0.4 0.6

UBR
?40

10 5

?30 ?20 ?10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ?10 死区 ?20 ?30 ?40

uD/V

UBR

u D/V



Uth

反向击穿特性


?40

iD/?A ?

iD/?A ?

硅二极管2CP10的U-I 特性 的 硅二极管

锗二极管2AP15的U-I 特性 的 锗二极管

注 意

1. 死区电压(门坎电压)Uth = 0.5V(硅)Uth = 0.1V(锗) 死区电压(门坎电压) ( ( 2. 反向饱和电流 硅:0.1?A;锗:10?A ? ; ? 3. PN结方程(近似) 结方程( 结方程 近似)
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iD = I S (e uD / U T ? 1)
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电路与 模拟电 子技术

二极管的主要参数
二极管长期连续工 二极管反向电流 作时, 作时,允许通过二 急剧增加时对应的反向 极管的最大整流 电压值称为反向击穿 电流的平均值。 。 电流的平均值 电压U
BR

1.最大整流电流 OM: 最大整流电流I 最大整流电流

2.最大反向工作电压 RM : 最大反向工作电压U 最大反向工作电压

3.反向电流 R:反向饱和电流 反向电流I 反向电流

为安全计,在实际 工作时,最大反向工作电压 URM一般只按反向击穿电压 UBR的一半计算。

4.正向压降 F: 在规定的正向电流下,二极管的正向电压降。小 正向压降U 正向压降 在规定的正向电流下,二极管的正向电压降。 电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下, 电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下,约 0.6~0.8V;锗二极管约 ~0.3V。 ~ ;锗二极管约0.2~ 。
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二极管基本电路及其分析方法
i

理想二极管:正向时 导通, 理想二极管:正向时UD=0导通,反向时截止 导通
ui

恒压降:正向时 导通, 恒压降:正向时UD=0.7导通,反向时截止 导通
i ui

0.7V

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15

电路与 模拟电 子技术

举例: 举例:

6.2.1
ui

理想二极管
T/2 ui>0 >0, ui=uo T ui<0 uo=0 t

ui

uo

uo

T/2

T

t

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16

电路与 模拟电 子技术

举例: 6.2.1
理想二极管
D导通
u O 2 = 5V

u i > 5V

ui≤5V D截止

u O 2 = u i ? u R = ui

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17

电路与 模拟电 子技术

举例
IO I1 I2 +
15V

求 I1 , I2

UO IO R 1k US2 RL 3k + UO -

-

US1

12V

+ -

因US1 ﹥US2,故二极管导通 O=15V 故二极管导通U IO=15/3=5mA I1= I2 + IO=8mA
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I2=(15-12)/1=3mA

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举例
因为
D1 D2 + + 12V + 6V R UO 故D2止 而D1通

12V > 6V

所以

U O = 0V

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19

电路与 模拟电 子技术

6.3

特殊二极管

稳压二极管 利用PN结反向击穿时电流在较大范围内变化而端电压基本 不变而制成特殊二极管。(利用二极管反向特性)
I/mA

?U Z

UZ O U/V

DZ
?I Z

符号
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稳压管的伏安特性
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电路与 模拟电 子技术

稳压二极管主要参数

稳定电压U 稳定电压 Z:指稳压管反向电流为规定值时稳压管两端 的电压, 的电压,如2CW18,稳压管稳压值为 ,稳压管稳压值为10~12V 。 稳定电流I 维持稳定电压的工作电流( 稳定电流 Z:维持稳定电压的工作电流(IZmin ~ IZmax ) 额定功耗PZ :PZ为稳压管允许的最大平均功率,有的手册 额定功耗 为稳压管允许的最大平均功率, 给出最大稳定电流I 两者之间的关系为P 给出最大稳定电流 ZM,两者之间的关系为 Z=IZMUZ。稳 压管的功耗超过P 或工作电流超过I 压管的功耗超过 Z或工作电流超过 ZM,稳压管将因热击穿 而损坏。 而损坏。 ?U 动态电阻: 越小, 曲线越陡, 动态电阻:rZ = ?I Z 越小, rZ曲线越陡,稳压越好
Z

温度系数:表示当稳压管的电流保持不变时, 温度系数:表示当稳压管的电流保持不变时,环境温度每 变化1℃所引起的稳定电压变化的百分比, 变化 ℃所引起的稳定电压变化的百分比,定义式为
αu =
?U × 100% ?T
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电路与 模拟电 子技术

稳压二极管稳压电路
限流电阻
IL

U O =U Z =U I ? U R = U I ? I R R

IR = IL + IZ
稳压过程 Ui↑→UO↑→UZ↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓

IL↑→IR↑→UR↑→UZ↓(UO↓)→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑ ( )

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电路与 模拟电 子技术

稳压(限流) 稳压(限流)电阻的计算

输入电压最小,负载电流最大时 (1)当输入电压最小,负载电流最大时,流过稳压二极管的电流 最小。此时IZ不应小于IZmin,由此可计算出稳压电阻的最大值, 最小。 由此可计算出稳压电阻的最大值, 稳压电阻的最大值 实际选用的稳压电阻应小于最大值, 实际选用的稳压电阻应小于最大值,即

U i min ? UZ ? I Lmax = I Z min Rmax

R max =

U imin ? U Z I Zmin + I Lmax

输入电压最大,负载电流最小时 (2) 当输入电压最大,负载电流最小时,流过稳压二极管的 电流最大。 由此可计算出稳压电阻的最 电流最大。此时IZ不应超过IZmax,由此可计算出稳压电阻的最 小值, 小值,即 U I U i max ? Uz ? I Lmin = I Z max Rmin Rm < R < Rm in ax U imax ? U Z R min = I Zmax + I Lmin +
R L

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电路与 模拟电 子技术

变容二极管

C / pF 90 60 30 0 4 8 12 16 20

- uD / V

符号

C -U 特性曲线

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光电二极管

ii/uA E E=200lx
400lx -50 (a) (b) 图6.3.3 光电二极管 (a)符号 (b)特性曲线 u/V

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电路与 模拟电 子技术

发光二极管

发光二极管是由砷化镓、磷化镓等材料制成的一种器件。 发光二极管是由砷化镓、磷化镓等材料制成的一种器件。当它 通以电流时,将发出光来,发光亮度取决于电流的大小,电流 通以电流时,将发出光来,发光亮度取决于电流的大小, 越大,亮度越强。 越大,亮度越强。

符号

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电路与 模拟电 子技术



当输入电压U 变化到28V时,求流过稳压管的电流 Z 当输入电压 i从24V变化到 变化到 时 求流过稳压管的电流I + Ui
-

1k 12V + UO -

因Ui﹥12V,故稳压管正常工作 , 当Ui=24V时IZ=[(24-12)/1 ] mA=12mA 时 当Ui=28V时IZ==[(28-12)/1 ] mA=16mA 时 故电流I 变化范围( ~ ) 故电流 Z变化范围(12~16)mA
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作业

P175:6-7;6-8 P175:

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电路与 模拟电 子技术

6.4

半导体三极管

三极管的结构与电流放大原理 结构 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。 一侧称为发射区,电极称为发射极, 另一侧称为集电区和集电极, 型和PNP型 它有两种类型:NPN型和 用C或c表示(Collector)。 型和 它有两种类型 用E或e表示(Emitter); 型。

c-b间的PN结称为集电结(Jc) e-b间的PN结称为发射结(Je) 中间部分称为基区,连上电极称为基极, 用B或b表示(Base);
两种极性的双极型三极管
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电路与 模拟电 子技术

三极管的电流放大原理

为使三极管具有电流放大作用, 为使三极管具有电流放大作用,在制造过程中必须满足实 现放大的内部结构条件, 现放大的内部结构条件,即: (1)发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度,以便于有足 )发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度, 够的载流子供“发射” 够的载流子供“发射”。 (2)基区很薄,掺杂浓度很低,以减少载流子在基区的复 )基区很薄,掺杂浓度很低, 合机会,这是三极管具有放大作用的关键所在。 合机会,这是三极管具有放大作用的关键所在。 (3)集电区比发射区体积大且掺杂少,以利于收集载流子。 )集电区比发射区体积大且掺杂少,以利于收集载流子。 由此可见,三极管并非两个PN结的简单组合 结的简单组合, 由此可见 , 三极管并非两个 结的简单组合 , 不能用两 个二极管来代替; 个二极管来代替 ; 在放大电路中也不可将发射极和集电极对 调使用。 三极管具有电流放大的内部条件) 调使用。(三极管具有电流放大的内部条件)
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30

电路与 模拟电 子技术

放大原理
N P ICE ICBO IBE N

集电结 反偏 1.发射区向基区注入电子形 发射区向基区注入电子形
c IC

IE e

成发射极电流I 成发射极电流 E 2.电子在基区中扩散与复 电子在基区中扩散与复 合形成基极主要电流I 合形成基极主要电流 BE 3.集电区收集扩散过来的电子 集电区收集扩散过来的电子 形成集电极主要电流I 形成集电极主要电流 CE

RB

发射结 正偏
B

b IB

RC

C

放大的外部条件: 放大的外部条件: 发射结正偏, 发射结正偏,集电 结反偏。 结反偏。
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4.集电区少子空穴与基区中 集电区少子空穴与基区中 少子电子在反向电压作用下 NPN:UBE﹥0,UBC﹤0。 : , 。 形成反向饱和电流I 形成反向饱和电流 CBO 即UC﹥UB﹥UE 。 5.集电极电流 C= U ICBO 集电极电流I 集电极电流 , PNP:U ﹤0,ICE +﹥0。 : 。

: BE﹤ , BC﹥ 。 即UC﹤UB﹤UEBE - ICBO 6.基极电流 B= I 。 基极电流I 基极电流
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电路与 模拟电 子技术

放大系数

I CE I C ? I CBO 定义三极管的直流电流放大系数: = 定义三极管的直流电流放大系数: β = I BE I B + I CBO
则: I C = β I B + (1 + β ) I CBO = β I B + I CEO

I E = (1 + β ) I B + (1 + β ) I CBO = (1 + β ) I B + I CEO

I CEO = (1 + β ) I CBO
IC = βI B

称为穿透电流
I E = (1 + β ) I B

交流电流放大系数: 交流电流放大系数:
?iC β= ?iB
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β=

?iC I C = ?iB I B
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电路与 模拟电 子技术

三极管的另两种工作状态

截止状态: 截止状态: 三极管处于截止状态的条件:发射结反偏或零偏, 三极管处于截止状态的条件:发射结反偏或零偏,集电 结反偏。 结反偏。即 NPN:UBE≤0,UBC﹤0。 : , 。 截止时IB= 0,IC = IE = 0 ,

PNP:UBE≥0,UBC﹥0。 : , 。
饱和状态

三极管处于饱和状态的条件:发射结正偏, 三极管处于饱和状态的条件:发射结正偏,集电结正偏 或零偏。 或零偏。即 NPN:UBE﹥0,UBC≤0。 : , 。

PNP:UBE﹤0,UBC≤0。 : , 。

当UBC =0时称为临界饱和状态 时称为临界饱和状态
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饱和时U 饱和时 CES=0.3V V
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电路与 模拟电 子技术

三极管特性曲线
IC
mA

反映三极管各极电压和电流之间的相互关系的曲线。 反映三极管各极电压和电流之间的相互关系的曲线。

?A

IB

RC

+
RB
V

+
V

EC

UBE
-

UCE
-

EB
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实验电路(共发射极接法 实验电路 共发射极接法) 共发射极接法
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电路与 模拟电 子技术

输入特性 IB/?A ? 80 60 40 20
工作压降: 工作压降: 硅管 UBE ≈ 0.7V左右 左右

UCE为常数时,IB 与UBE的关系曲线(同二极管) 为常数时, 的关系曲线(同二极管)

UCE≥1V

死区电压, 死区电压, 硅管0.5V 硅管
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0

0.4
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0.8
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UBE/V
35

电路与 模拟电 子技术

输出特性 IC/mA 4 3 2 1 0 3 6
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β = ? IC / ? IB
=(3-2)mA/(60-40) ?A=50 -

Q β = I / I =3 mA/ 60?A=50 ? C B 40?A ? Q
β = IC / IB =2 mA/40?A=50 ?

60?A ?

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9
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12

UCE/V
36

电路与 模拟电 子技术

输出特性
I B = 80?A

输出特性曲线的三个区域: 输出特性曲线的三个区域:
饱和区: 明显受U 控制的区域, 饱和区:IC明显受 CE控制的区域, 该区域内,一般u 硅管)。 该区域内,一般 CE<0.7V (硅管 。 硅管 此时,发射结正偏, 此时,发射结正偏,集电结正偏或 反偏电压很小。

60?A

40?A

20?A

0?A

截止区: 接近零的区域,相当i 截止区:IC接近零的区域,相当 B=0 的曲线的下方。此时, 的曲线的下方。此时, UBE小于死区 电压。

放大区: 平行于U 轴的区域, 放大区:IC平行于 CE轴的区域,曲 线基本平行等距。此时, 线基本平行等距。此时,发射结正 偏,集电结反偏。

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37

电路与 模拟电 子技术

三极管三种工作状态的特点: 三极管三种工作状态的特点:

(1) 放大状态 发射结正偏,集电结反偏, >1V。 发射结正偏,集电结反偏,IC =βIB , ?IC = β?IB ,UCE>1V。 (2) 饱和状态 发射结正偏,集电结正偏 ,即UCE<UBE ,(UCE=UBE称为临界饱 称为临界饱 发射结正偏,集电结正偏 结正偏 和) IC与IB不成比例,UCE≈0.3V ,c、e电极间相当于短路。 不成比例, c、e电极间相当于短路。 电极间相当于短路 (3) 截止状态 发射结反偏,集电结反偏,(或 死区电压。) 发射结反偏,集电结反偏,(或 UBE< 死区电压。)IB=0 , 结反偏 结反偏,( IC=ICEO ≈ 0 ,c、e电极间相当于开路。 ,c、e电极间相当于开路
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38

电路与 模拟电 子技术

举例

设三极管处于放大状态,测得各脚对地的电位如下表, 设三极管处于放大状态,测得各脚对地的电位如下表,试判断管 )、材料 ),并确定b、e、c极 型(NPN或PNP)、材料(硅或锗),并确定b、e、c极。 或 )、材料(硅或锗),并确定b、e、c
序号

U1 0

U2 0.3 2

U3 -5 2.7

管型

材料







A

PNP 锗

U2

U1

U3

B 判断方法: 判断方法 8

(1) 在三个电极电压中判断有无电压差为 ~0.3V或0.6~0.7V 在三个电极电压中判断有无电压差为0.2~ 或 ~ C -2 5 从而确定材料和c -2.3 ,从而确定材料和c极; 极电压最高,则为NPN,最低则为 (2)如c极电压最高,则为 ) ,最低则为PNP。 。 D -10 -2.3 -3 (3)确定b、e极。 )确定b、e极 b、e
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电路与 模拟电 子技术

三极管微变等效电路
思路: 思路:等效
c + ic b b c + ic +

+

u be
-

ib

uce


u be
-

ib

uce


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40

电路与 模拟电 子技术

输入特性曲线确定输入回路

当信号很小时,将输入特性在小范围内近似线性,得到三极 当信号很小时,将输入特性在小范围内近似线性,得到三极 管的输入电阻: 管的输入电阻:

iB ?iB

?u BE u be rbe = = ?iB ib
对输入的小交流信号 而言,三极管be be间 而言,三极管be间 等效于电阻r 等效于电阻 be。
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uBE
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电路与 模拟电 子技术

输入特性曲线确定输入回路 ib b
+

ube r be


e

26mV rbe = 300? + (1 + β ) I E (mA)

对于小功率三极管:rbe的量级从几百欧到几千欧。 对于小功率三极管: 的量级从几百欧到几千欧。
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输出特性曲线确定输出回路
无关,而只取决于?i 即?iC 与?uCE无关,而只取决于 B ,

iC 近似平行

在数量关系上有: 在数量关系上有: ?iC=β?iB ,对于交流分量来说,则有: 对于交流分量来说,则有: ic= β ib ,而与 ce 无关。 而与u 无关。 因此从输出端c、 e极看 , 三极 极看, 因此从输出端 、 极看 控制的电流源。 管就成了一个受 ib控制的电流源。

uCE
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且电流源两端还要并联一个大 电流源两端还要并联一个大 电阻rce。
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输出特性曲线确定输出回路 rce的含义
?iC

iC

?uCE

?uCE uce rce = = ?iC ic

uCE

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电路与 模拟电 子技术

三极管微变等效电路

c + ic b +

ib

βib
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-

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rce很大,一般忽略。 很大,一般忽略。
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三极管主要参数

(1)电流放大系数β ) 射间穿透电流I (2)集-射间穿透电流 CEO ) 射间穿透电流 射间反向击穿电压U (3)集-射间反向击穿电压 CEO (BR) ) 射间反向击穿电压 基极开路时,加在集电极和发射极之间的最大允许电压。 因此,电源电源EC应小于它。 (4)集电极最大电流 CM )集电极最大电流I 集电极电流超过一定值时,三极管的?值会下降。当它下降 到正常值的2/3 时所对应的集电极电流。 (5)集电极最大允许功耗 CM )集电极最大允许功耗P

PCM = IC . UCE
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作业

P176:6-13 ;6-14;6-16 : ;

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