半导体工作原理

.1 半导体物理基础 本章从半导体器件的工作机理出发,简单介绍半导体物理基础知识,包括本征半导体,杂质半导体,PN结分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路,双极型晶体管和场效应管的结构,工作机理,特性和应用电路,重点是掌握器件的特性. 媒质导体:对电信号有良好的导通性,如绝大多数金属,电解液,以及电离气体.绝缘体:对电信号起阻断作用,如玻璃和橡胶,其电阻率介于108 ~ 1020 ·m. 半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅 (Si) ,锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs) .半导体的导电能力随温度,光照和掺杂等因素发生显著变化,这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料.4.1.1 本征半导体 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体.硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子,称为价电子,每个价电子带一个单位的负电荷.因为整个原子呈电中性,而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子,所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 .每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有,形成共价键.共价键中的价电子是不能导电的束缚电子. 价电子可以获得足够大的能量,挣脱共价键的束缚,游离出去,成为自由电子,并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴.这个过程称为本征激发.本征激发产生成对的自由电子和空穴,所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等.价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动.因此,在本征激发的作用下,本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴,二者都可以参与导电,统称为载流子. 自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时,自由电子填入空穴,释放出能量,从而消失一对载流子,这个过程称为复合, 平衡状态时,载流子的浓度不再变化.分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ,理论上 其中 T 为绝对温度 (K) EG0 为T = 0 K时的禁带宽度,硅原子为1.21 eV,锗为0.78 eVk = 8.63 10- 5 eV / K为玻尔兹曼常数A0为常数,硅材料为3.87 1016 cm- 3 K- 3 / 2,锗为1.76 1016 cm- 3 K- 3 / 2. 4.1.2 N 型半导体和 P 型半导体 本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少,这说明本征半导体的导电能力很弱.我们可以人工少量掺杂某些元素的原子,从而显著提高半导体的导电能力,这样获得的半导体称为杂质半导体.根据掺杂元素的不同,杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体. 一,N 型半导体在本征半导体中掺入五价原子,即构成 N 型半导体.N 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子,就提供一个自由电子,从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性 热平衡时,杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方,所以空穴的浓度 pn为因为 ni 容易受到温度的影响发生显著变化,所以 pn 也随环境的改变明显变化. 自由电子浓度杂质浓度二,P 型半导体在本征半导体中掺入三价原子,即构成 P 型半导体.P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子,就提供一个空穴,从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性而自由电子的浓度 np 为环境温度也明显影响 np 的取值. 空穴浓度掺杂浓庹4.1.3 漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动,就会形成半导体中的电流.半导体电流半导体电流漂移电流:在电场的作用下,自由电子会逆着电场方向漂移,而空穴则顺着电场方向漂移,这样产生的电流称为漂移电流,该电流的大小主要取决于载流子的浓度,迁移率和电场强度.扩散电流:半导体中载流子浓度不均匀分布时,载流子会从高浓度区向低浓度区扩散,从而形成扩散电流,该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小.4.2 PN 结 通过掺杂工艺,把本征半导体的一边做成 P 型半导体,另一边做成 N 型半导体,则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层,称为 PN 结. 4.2.1 PN 结的形成 多子扩散空间电荷区,内建电场和内建电位差的产生 少子漂移动态平衡空间电荷区又称为耗尽区或势垒区.在掺杂浓度不对称的 PN 结中,耗尽区在重掺杂一边延伸较小,而在轻掺杂一边延伸较大.4.2.2 PN 结的单向导电特性 一,正向偏置的 PN 结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强,漂移运动减弱正向电流二,反向偏置的 PN 结反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱,漂移运动加强反向电流PN 结的单向导电特性:PN 结只需要较小的正向电压,就可以使耗尽区变得很薄,从而产生较大的正向电流,而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变.而在反偏时,少子只能提供很小的漂移电流,并且基本上不随反向电压而变化.4.2.3 PN 结的击穿特性 当 PN 结上的反向电压足够大时,其中的反向电流会急剧增大,这种现象称为 PN 结的击穿. 雪崩击穿:反偏的 PN 结中,耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功,动能增大.当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离,把价电子击出共价键,产生一对自由电子和空穴,连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增,引起反向电流急剧增大.雪崩击穿出现在轻掺杂的 PN 结中.齐纳击穿:在重掺杂的 PN 结中,耗尽区较窄,所以反向电压在其中产生较强的电场.电场强到能直接将价电子拉出共价键,发生场致激发,产生大量的自由电子和空穴,使得反向电流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿.PN 结击穿时,只要限制反向电流不要过大,就可以保护 PN 结不受损坏.PN 结击穿4.2.4 PN 结的电容特性 PN 结能够存贮电荷,而且电荷的变化与外加电压的变化有关,这说明 PN 结具有电容效应. 一,势垒电容 CT0为 u = 0 时的 CT,与 PN 结的结构和掺杂浓度等因素有关UB为内建电位差n 为变容指数,取值一般在 1 / 3 ~ 6 之间.当反向电压 u 绝对值增大时,CT 将减小. 二,扩散电容 PN 结的结电容为势垒电容和扩散电容之和,即 Cj = CT + CD.CT 和 CD 都随外加电压的变化而改变,所以都是非线性电容.当 PN 结正偏时,CD 远大于 CT ,即 Cj CD 反偏的 PN 结中,CT 远大于 CD,则 Cj CT .4.3 晶体二极管 二极管可以分为硅二极管和锗二极管,简称为硅管和锗管. 4.3.1 二极管的伏安特性一一 指数特性IS 为反向饱和电流,q 为电子电量 (1.60 10- 19C) UT = kT/q,称为热电压,在室温 27℃ 即 300 K 时,UT = 26 mV. 一,二极管的导通,截止和击穿当 uD >0 且超过特定值 UD(on) 时,iD 变得明显,此时认为二极管导通,UD(on) 称为导通电压 (死区电压) uD 0.7 V时,D处于导通状态,等效成短路,所以输出电压uo = ui - 0.7当ui 0时,D1和D2上加的是正向电压,处于导通状态,而D3和D4上加的是反向电压,处于截止状态.输出电压uo的正极与ui的正极通过D1相连,它们的负极通过D2相连,所以uo = ui当ui 0时,二极管D1截止,D2导通,电路等效为图 (b) 所示的反相比例放大器,uo = - (R2 / R1)ui当ui 0时,uo1 = - ui,uo = ui当ui 2.7 V时,D导通,所以uo = 2.7 V当ui <2.7 V时,D截止,其支路等效为开路,uo = ui.于是可以根据ui的波形得到uo的波形,如图 (c) 所示,该电路把ui超出2.7 V的部分削去后进行输出,是上限幅电路. [例4.3.7]二极管限幅电路如图 (a) 所示,其中二极管D1和D2的导通电压UD(on) = 0.3 V,交流电阻rD 0.输入电压ui的波形在图 (b) 中给出,作出输出电压uo的波形. 解:D1处于导通与截止之间的临界状态时,其支路两端电压为 - E - UD(on) = - 2.3 V.当ui - 2.3 V时,D1截止,支路等效为开路,uo = ui.所以D1实现了下限幅D2处于临界状态时,其支路两端电压为 E + UD(on) = 2.3 V.当ui >2.3 V时,D2导通,uo = 2.3 V当ui <2.3 V时,D2截止,支路等效为开路,uo = ui.所以D2实现了上限幅.综合uo的波形如图 (c) 所示,该电路把ui超出 2.3 V的部分削去后进行输出,完成双向限幅. 限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围,以保护后级电路的安全工作.设二极管的导通电压UD(on) = 0.7 V,在图中,当 - 0.7 V <ui 0.7 V时,D1导通,D2截止,R1,D1和R2构成回路,对ui分压,集成运放输入端的电压被限制在UD(on) = 0.7 V当ui <- 0.7 V时,D1截止,D2导通, R1,D2和R2构成回路,对ui分压,集成运放输入端的电压被限制在 - UD(on) = - 0.7 V.该电路把ui限幅到 0.7 V到 - 0.7 V之间,保护集成运放.图中,当 - 0.7 V <ui 5.7 V时,D1导通,D2截止,A / D的输入电压被限制在5.7 V当ui <- 0.7 V时,D1截止,D2导通,A / D的输入电压被限制在 - 0.7 V.该电路对ui的限幅范围是 - 0.7 V到 5.7 V.[例4.3.8]稳压二极管限幅电路如图 (a) 所示,其中稳压二极管DZ1和DZ2的稳定电压UZ = 5 V,导通电压UD(on) 近似为零.输入电压ui的波形在图 (b) 中给出,作出输出电压uo的波形. 解:当 | ui | 1 V时,DZ1和DZ2一个导通,另一个击穿,此时反馈电流主要流过稳压二极管支路,uo稳定在 5 V.由此得到图 (c) 所示的uo波形. 图示电路为单运放弛张振荡器.其中集成运放用作反相迟滞比较器,输出电源电压UCC或 - UEE,R3隔离输出的电源电压与稳压二极管DZ1和DZ2限幅后的电压.仍然认为DZ1和DZ2的稳定电压为UZ,而导通电压UD(on) 近似为零.经过限幅,输出电压uo可以是高电压UOH = UZ或低电压UOL = - UZ.三,电平选择电路 [例4.3.9]图 (a) 给出了一个二极管电平选择电路,其中二极管D1和D2为理想二极管,输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E,波形如图 (b) 所示.分析电路的工作原理,并作出输出信号uo的波形. 解:因为ui1和ui2均小于E,所以D1和D2至少有一个处于导通状态.不妨假设ui1 ui2时,D2导通,D1截止,uo = ui2只有当ui1 = ui2时,D1和D2才同时导通,uo = ui1 = ui2.uo的波形如图 (b) 所示.该电路完成低电平选择功能,当高,低电平分别代表逻辑1和逻辑0时,就实现了逻辑"与"运算. 四,峰值检波电路 [例4.3.10]分析图示峰值检波电路的工作原理. 解:电路中集成运放A2起电压跟随器作用.当ui >uo时,uo1 >0,二极管D导通,uo1对电容C充电,此时集成运放A1也成为跟随器,uo = uC ui,即uo随着ui增大当ui <uo时,uo1 <0,D截止,C不放电,uo = uC保持不变,此时A1是电压比较器.波形如图 (b) 所示.电路中场效应管V用作复位开关,当复位信号uG到来时直接对C放电,重新进行峰值检波. 4.4 双极型晶体管 NPN型晶体管 PNP型晶体管 晶体管的物理结构有如下特点:发射区相对基区重掺杂基区很薄,只有零点几到数微米集电结面积大于发射结面积. 一,发射区向基区注入电子_ 电子注入电流IEN,空穴注入电流IEP_二,基区中自由电子边扩散边复合_ 基区复合电流IBN_三,集电区收集自由电子_ 收集电流ICN反向饱和电流ICBO4.4.1 晶体管的工作原理晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系: 共发射极直流电流放大倍数:共基极直流电流放大倍数:换算关系:晶体管的放大能力参数 晶体管的极电流关系 描述:描述: 4.4.2 晶体管的伏安特性 一,输出特性 放大区(发射结正偏,集电结反偏 )共发射极交流电流放大倍数:共基极交流电流放大倍数:近似关系:恒流输出和基调效应饱和区(发射结正偏,集电结正偏 )_ 饱和压降 uCE(sat) _截止区(发射结反偏,集电结反偏 )_极电流绝对值很小二,输入特性 当uBE大于导通电压 UBE(on) 时,晶体管导通,即处于放大状态或饱和状态.这两种状态下uBE近似等于UBE(on) ,所以也可以认为UBE(on) 是导通的晶体管输入端固定的管压降当uBE 0,所以集电结反偏,假设成立,UO = UC = 4 V当UI = 5 V时,计算得到UCB = - 3.28 V <0,所以晶体管处于饱和状态,UO = UCE(sat) . [例4.4.2]晶体管直流偏置电路如图所示,已知晶体管的UBE(on) = - 0.7 V, = 50.判断晶体管的工作状态,并计算IB,IC和UCE. 解:图中晶体管是PNP型,UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = - 0.7 V,得到IB = - 37.4 A <0,所以晶体管处于放大或饱和状态.IC = bIB = - 1.87 mA,UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V | UGS(off) | ) uGS和iD为平方率关系.预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱.可变电阻区(| uGS | | UGS(off) |且| uDG | | UGS(off) |)iD = 0三,转移特性预夹断4.5.2 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管记为MOSFET,根据结构上是否存在原始导电沟道,MOSFET又分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET. 一,工作原理 UGS = 0 ID = 0UGS >UGS(th) 电场 反型层 导电沟道 ID >0UGS控制ID的大小N沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET在UGS = 0时就存在ID = ID0.UGS的增大将增大ID.当UGS - UGS(off) ,所以该场效应管工作在恒流区.图 (b) 中是P沟道增强型MOSFET,UGS = - 5 (V) - UGS(th) ,所以该场效应管工作在可变电阻区. 解:图 (a) 中是N沟道JFET,UGS = 0 >UGS(off) ,所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区,且ID一,方波,锯齿波发生器 4.5.5 场效应管应用电路举例 集成运放A1构成弛张振荡器,A2构成反相积分器.振荡器输出的方波uo1经过二极管D和电阻R5限幅后,得到uo2,控制JFET开关V的状态.当uo1为低电平时,V打开,电源电压E通过R6对电容C2充电,输出电压uo随时间线性上升当uo1为高电平时,V闭合,C2通过V放电,uo瞬间减小到零. 二,取样保持电路 A1和A2都构成跟随器,起传递电压,隔离电流的作用.取样脉冲uS控制JFET开关V的状态.当取样脉冲到来时,V闭合.此时,如果uo1 >uC则电容C被充电,uC很快上升如果uo1 <uC则C放电,uC迅速下降,这使得uC = uo1,而uo1 = ui,uo = uC ,所以uo = ui.当取样脉冲过去时,V打开,uC不变,则uo保持取样脉冲最后瞬间的ui值. 三,相敏检波电路 因此前级放大器称为符号电路.场效管截止场效管导通集成运放A2构成低通滤波器,取出uo1的直流分量,即时间平均值uo.uG和ui同频时,uo取决于uG和ui的相位差,所以该电路称为相敏检波电路. NPN晶体管结型场效应管JEFT增强型NMOSEFT指数关系平方律关系场效应管和晶体管的主要区别包括:晶体管处于放大状态或饱和状态时,存在一定的基极电流,输入电阻较小.场效应管中,JFET的输入端PN结反偏,MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道,所以场效应管的栅极电流很小,输入电阻极大.晶体管中自由电子和空穴同时参与导电,主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动,所以导电能力容易受外界因素如温度的影响.场效应管只依靠自由电子和空穴之一在导电沟道中作漂移运动实现导电,导电能力不易受环境的干扰.场效应管的源极和漏极结构对称,可以互换使用.晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体,但由于制作工艺不同,二者不能互换使用.

1．半导体三极管的结构（1）半导体三极管从结构上可分为NPN型和PNP型两大类，它们均由三个掺杂区和两个背靠背的PN结构成，但两类三极管的电压极性和电流方向相反。（2）三个电极：基极 b、集电极 c、和发射极 e。从后面工作原理的介绍中可以看到，发射极和集电极的命名是因为它们要分别发射与接收载流子。（3）内部结构特点：发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；基区很薄，且掺杂浓度最低。（4）三个区作用：发射区发射载流子、基区传输和控制载流子、集电区收集载流子。2．电流的分配和控制作用（1）条件内部条件：三极管的结构。外部条件：发射结正偏、集电结反偏。对NPN型：Vc>VB>VE Si管：VBE=0.7V Ge管：VBE=0.2V对PNP型：Vc<VB<VE Si管：VBE=-0.7V Ge管：VBE=-0.2V（2）内部载流子的传输过程（参阅难点重点）（3）电流分配关系在众多的载流子流中间，仅有发射区的多子通过发射结注入、基区扩散和复合以及集电区收集三个环节，转化为正向受控作用的载流子流Ic，其它载流子流只能分别产生两个结的电流，属于寄生电流。为了表示发射极电流转化为受控集电极电流Ic的能力，引入参数α，称为共基极电流传输系数。其定义为α=Ic／IE令β＝α／（1－α），称为共射极电流传输系数。3．各极电流之间的关系 IE＝Ic＋IB （1）共基接法 (IE对Ic 的 控制作用)Ic＝αIE +ICBOIB＝（1-α）IE -ICBO （2）共射接法 (IB对Ic 的 控制作用)Ic＝βIB +ICEOIE＝（1+α）IB +ICEOICEO＝（1+β）ICBO 4．共射极电路的特性曲线(以NPN型管为例)（1）输入特性曲线 IB=f(VBE，VCE )输入特性曲线是指当VCE为某一常数时，IB和BE之间的关系。特点：VCE=0的输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线类似；随着VCE增大，输入特性曲线右移；继续增大VCE，输入特性曲线右移很少。在工程上，常用VCE=1时的输入特性曲线近似代替VCE>1V时的输入特性曲线簇。（2）输出特性曲线输出特性曲线是指当IB为某一常数时，IC和VCE之间的关系，可分为三个区： 截止区：发射结反偏，集电结反偏，发射区不能发射载流子，IB≈0，IC≈0。放大区：发射结正偏，集电结反偏。其特点是：VBE≈0.7V(或0.2V)，IB>0，IC与IB成线性关系,几乎与VCE无关。饱和区：发射结正偏，集电结正偏，随着集电结反偏电压的逐渐减小（并转化为正向偏压），集电结的空间电荷区变窄，内电场减弱，集电结收集载流子的能量降低，IC不再随着IB作线性变化，出现发射极发射有余，而集电极收集不足现象。其特点是：VCE很小，在估算小功率管时，对硅管可取0.3V（锗0.1V）。对PNP型管，由于电压和电流极性相反，所以特性在第三象限。4．主要参数　电流放大倍数，集电极最大允许电流ICM，集电极耗散功率PCM，反向击穿电压V（BR）CEO等3.2共射极放电电路1．放大的原理和本质（以共发射极放大电路为例）交流电压vi通过电容C1加到三极管的基极，从而使基极和发射极两端的电压发生了变化：由VBE→VBE ＋vi，由于PN结的正向特性很陡，因此vBE的微小变化就能引起iE发生很大的变化：由IE→IE+ △IE，由于三级管内电流分配是一定的，因此iB和iC作相同的变化，其中IC→IC +△IC。iC流过电阻Rc，则Rc上的电压也就发生变化：由VRc→VRc +△VRc。由于vCE=VCC-vRc，因此当电阻Rc上的电压随输入信号变化时，vCE也就随之变化，由VCE→VCE+△VCE，vCE中的变化部分经电容C2传送到输出端成为输出电压vo。如果电路参数选择合适，我们就能得到比△vi大得多的△vo。所以，放大作用实质上是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。2．放大电路的特点　交直流共存和非线性失真3．放大电路的组成原则正确的外加电压极性、合适的直流基础、通畅的交流信号传输路径4．放大电路的两种工作状态 （1）静态：输入为0，IB、IC、VCE都是直流量。 （2）动态：输入不为0，电路中电流和电压都是直流分量和交流分量的叠加。保证在直流基础上实现不失真放大。5．放大电路的分析步骤 （1）先进行静态分析：用放大电路的直流通路。 直流通路：直流信号的通路。放大电路中各电容开路即可得到。 （2）在静态分析的基础上进行动态分析：用放大电路的交流通路。 交流通路：交流信号的通路。放大电路中各电容短接，直流电源交流短接即可得到 3.3图解分析法1．静态分析（1）先分析输入回路首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。在线性部分，其端特性方程为VBE＝VCC－IB*RB将相应的负载线画在三极管的输入特性曲线上，其交点便是所求的（IBQ，VBQ）。（2）再分析输出回路用同样的方法，可得到输出回路的负载线方程（直流负载方程）为VCE＝VCC－IC*RC将相应的负载线（直流负载线，斜率为1/Rc）画在三极管的输出特性曲线上，找到与IB=IBQ相对应的输出特性曲线，其交点便是所求的（ICQ，VCEQ）。2．动态分析（参阅难点重点）交流负载线：是放大电路有信号时工作点的轨迹，反映交、直共存情况。其特点为过静态工作点Q、斜率为1/（Rc//RL）。3．放大电路的非线性失真及最大不失真输出电压（1）饱和失真：静态工作点偏高，管子工作进入饱和区（NPN管，输出波形削底；PNP管，输出波形削顶）（2）截止失真：静态工作点偏低，管子工作进入截止区（NPN管，输出波形削顶；PNP管，输出波形削底）观看动画 （3）最大不失真输出电压Vom如图 Vom1=VCE-VCES 且因为ICEO趋于0 ， Vom2=ICQ*（RC//RL）所以Vom为Vom1及Vom2中较小者，以保证输出波形不失真。 4．图解分析法的特点图解分析法的最大特点是可以直观、全面地了解放大电路的工作情况，并能帮助我们理解电路参数对工作点的影响，并能大致估算动态工作范围，另外还可帮助我们建立一些基本概念，如交直流共存、非线性失真等。图解分析法实例（工作点移动对输出波形的影响） 3.4小信号模型分析法指导思想：在一定条件下，把半导体三极管所构成的非线性电路转化为线性电路。1．半导体三极管的小信号模型（1）三极管小信号模型的引出，是把三级管作为一个线性有源双口网络，列出输入和输出回路电压和电流的关系，然后利用取全微分或泰勒展开的方法得到H参数小信号模型。（2）关于小信号模型的讨论：　①小信号模型中的各参数，如rbe、β均为微变量，其值与静态工作点的位置有关，并非常数。　②受控电流源的大中、流向取决于ib　③小信号模型适用的对象是变化量，因此电路符号不允许出现反映直流量或瞬时总量的大下标符号。2．用H参数小信号模型分析共射基本放大电路（1）画出小信号等效电路 方法：先画出放大电路的交流通路（电容及电源交流短接），然后将三极管用小信号模型代替。（2）求电压放大倍数（3）求输入电阻（4）求输出电阻以下给出了一共射基本放大电路的分析过程，观看动画。3.5放大电路的工作点稳定问题偏置电路：一是提供放大电路所需的合适的静态工作点；二是在环境温度、电源电压等外界因素变化时，保持静态工作点的稳定。1．温度对放大电路静态工作点的影响T↑→VBE↓、β↑、ICBO↑→IC↑静态工作点变化，可能导致放大电路输出波形失真。2．稳定静态工作点方法：在放大电路中引电流负反馈（常用射极偏置电路）、采用补偿法。3．射极偏置电路稳定静态工作点的过程：（1）利用Rb1和Rb2组成的分压器以固定基极电位；（2）利用Re产生的压降反馈到输入回路，改变VBE，从而改变IC。 3.6共射极电路、共集电极电路和共基极电路特点1．共射极电路共射极电路又称反相放大电路，其特点为电压增益大，输出电压与输入电压反相，低频性能差，适用于低频、和多级放大电路的中间级。2．共集电极电路共集电极电路又称射极输出器、电压跟随器，其特点是：电压增益小于1而又近似等于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低，常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。3．共基极电路电路特点：输出电压与输入电压同相，输入电阻底，输出电阻高，常用于高频或宽频带电路。3.7放大电路的频率响应1．频率响应的基本概念（1）频率响应：放大电路对不同频率的稳态响应。（2）频率失真：包括幅度失真和相位失真，均属于线性失真。2．RC低通电路的频率响应（1）幅频响应：（2）相频响应：ψ=-argtg(f／fH) 3．RC高通电路的频率响应RC高通电路与RC低通电路成对偶关系。4．波特图为了能同时观察到低频和高频段幅频变化特性，在绘制幅频特性曲线时，通常横坐标和纵坐标均采用对数坐标形式，称之为波特图。5．放大电路存在频率响应的原因放大电路存在容抗元件（例如外接的耦合电容、旁路电容和三极管的极间电容），使的放大电路对不同频率的输出不同。通常外接电容可以等效为RC高通电路，因而影响下限频率，而三极管的极间电容可以等效为RC低通电路，因而影响上限频率。 例1．半导体三极管为什么可以作为放大器件来使用，放大的原理是什么？试画出固定偏流式共发射极放大电路的电路图，并分析放大过程。答：放大的原理是利用小信号对大信号的控制作用，利用vBE的微小变化可以导致iC的大变化。固定偏流式共发射极放大电路的放大过程，参阅“内容提要——第2页”。例2．电路如图所示，设半导体三极管的β=80，试分析当开关K分别接通A、B、C三位置时，三级管各工作在输出特性曲线的哪个区域，并求出相应的集电极电流Ic。解：（1）当开关K置A，在输入回路IB．Rb+VBE=Vcc，可得IB=Vcc/Rb=0.3mA假设工作在放大区，则IC=β．IB=24mA，VCE=Vcc-IC．Re<0.7V，故假设不成立，三级管工作在放大区。此时，VCE=VCES=0.3V，IC=Vcc/Re=3mA（2）当开关K置B，同样的方法可判断三级管工作在放大区，IC=β．IB=1.92mA（3）当开关K置C，三级管工作在截止状态，IC=0例3.某固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线如图所示，试求：（1）电源电压VCC、静态电流IB、IC和VCE。（2）电阻Rb、Rc的值。（3）输出电压的最大不失真幅度。（4）要使该电路能不失真地放大，基极正弦电流的最大幅度是多少？解： （1）直流负载线与横坐标的交点即VCC值,IB=20uA,Ic=1mA VCE=3V（2）因为是固定偏听偏流放大电路,电路如图所示Rb=VCC/IB=300KΩ Rc=(VCC-VCE)/IC=3KΩ（3）由交流负载线和输出特性的交点可知,在输入信号的正半周,输出电压vCE从3V到0.8V,变化范围为2.2V，在输入信号的负半周,输出电压vCE从3V到4.6V,变化范围为1.6V。综合考虑，输出电压的最大不失真幅度为1.6V。（4）同样的方法可判断输出基极电流的最大幅值是20μA. 例4.电路如图所示，已知三极管的β=100，VBE=-0.7V（1）试计算该电路的Q点；（2）画出简化的H参数小信号等效电路；（3）求该电路的电压增益AV，输入电阻Ri,输出电阻Ro。（4）若VO中的交流成分出现如图所示的失真现象，问是截止失真还是饱和失真？为消除此失真，应调节电路中的哪个元件，如何调整？解：(1)IB=VCC/Rb=40μAVCE=-(VCC-IC.RC)=-4V(2)步骤：先分别从三极管的三个极（b、e、c）出发，根据电容和电源交流短接，画出放大电路的交流通路；再将三极管用小信号模型替代；并将电路中电量用瞬时值或相量符号表示，即得到放大电路的小信号等效电路。注意受控电流源的方向。（图略）(3)rbe=200+(1+β)26mA/IEQ =857ΩAV=-β(RC//RL)/rbe=-155.6(4)因为vEB=-vi+VCb1=-vi+VEB从输出波形可以看出，输出波形对应vs正半周出现失真，也即对应vEB减小部分出现失真，即为截止失真。减小Rb，提高静态工作点，可消除此失真。说明：分析这类问题时，要抓住两点：（1）发生饱和失真或截止失真与发射结的电压有关（对于NPN型管子，为vBE；对于PNP型管子为vEB），发射结电压过大（正半周），发生饱和失真；过小（负半周），发生截止失真。（2）利用放大电路交、直流共存的特点，找出发射结电压与输入信号之间的关系。这里，要利用耦合电容两端的电压不变（因为为大电容，在输入信号变化的范围内，其两端的电压认为近似不变），如上题式子中的VCb1=VEB。 例5.电路如图所示为一两级直接耦合放大电路，已知两三极管的电流放大倍数均为β，输入电阻为rbe，电路参数如图，计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解：本放大电路为一两级直接耦合放大电路，两极都是共集电极组态。计算其性能指标时，应注意级间的相互影响。（1）求电压放大倍数 AV=VO/Vi画出放大电路的小信号等效电路。AV1=VO1/Vi=（1+β）（Re1//RL1）/[rbe+（1+β）（Re1//RL1）]AV2=VO/VO1=（1+β）（Re2//RL）/[rbe+（1+β）（Re2//RL）]AV=VO/Vi=AV1*AV2其中：RL1为第一级放大电路的负载电阻，RL1=rbe+（1+β）（Re2//RL）（2）输入电阻RiRi=Vi/Ii=Rb1//[rbe+（1+β）（Re1//RL1）（3）输出电阻RoRo=Re2//[（rbe+Ro1）/（1+β）]其中：Ro1为第一级放大电路的输出电阻，Ro1=Re1//[（rbe+（Rb1//Rs））/（1+β）]难点重点1．半导体三极管内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子由于发射结外加正向电压，发射结的内电场被削弱，有利于该结两边半导体中多子的扩散。流过发射极的电流由两部分组成：一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区，成为集区中的非平衡少子而形成的电子电流IEN，二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区，成为发射区的非平衡少子而形成的空穴电流IEP。由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度，因此，与电子电流相比，空穴的电流是很小的，即IE=IEN+IEP（而IEN>>IEP）（2）非平衡载流子在基区内的扩散与复合由发射区注入基区的电子，使基区内少子的浓度发生了变化，即靠近发射结的区域内少子浓度最高，以后逐渐降低，因而形成了一定的浓度梯度。于是，由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。另一方面，由于基区很薄，且掺杂浓度很低，因而在扩散过程中，只有很少的一部分会与基区中的多子（空穴）相复合，大部分将到达集电结。（3）集电区收集载流子由于集电结外加反向电压，集电结的内电场被加强，有利于该结两边少子的漂移。流过集电极的电流IC，除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ICN2和集电区中的热平衡少子空穴通过集电结形成的空穴电流ICP所组成的反向饱和电流ICBO以外，还包括由发射区注入到基区的非平衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界，而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ICN1，因此IC=ICN1+ICN2+ICP=ICN1+ICBO式中ICBO＝ICN2+ICP基极电流由以下几部分组成：通过发射结的空穴电流IEP，通过集电结的反向饱和电流ICBO以及IEN转化为ICN1过程中在基区的复合电流（IEN-ICN1），即IB=IEP+（IEN-ICN1）-ICBO

---