第二节　电子电路

一、半导体基础知识

（一）半导体定义

半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（导电能力即电导率）。如：硅Si锗Ge等+4价元素以及化合物。

（二）半导体的导电特性

本征半导体：纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。

1.半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化

温度——热敏元件；

光照——光敏元件等。

2.半导体中的两种载流子——自由电子和空穴

自由电子：受束缚的电子（-）；

空穴：电子跳走以后留下的坑（+）。

（三）杂质半导体——N型、P型

掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。

1.N型半导体（自由电子多）

掺杂为+5价元素。如：磷、砷，使自由电子的数量大大增加。

（1）原理：Si—+4价，P—+5价，P与Si形成共价键后多余了一个电子。

（2）载流子组成：本征激发的空穴和自由电子——数量少。掺杂后由P提供的自由电子——数量多。空穴——少子；自由电子——多子。

2.P型半导体（空穴多）

掺杂为+3价元素。如硼、铝，使空穴的数量大大增加。

（1）原理：Si-+4价，B-+3价，B与Si形成共价键后多余了一个空穴。

（2）载流子组成：本征激发的空穴和自由电子——数量少。掺杂后由B提供的空穴——数量多。空穴——多子；自由电子——少子。

3.结论

N型半导体中的多数载流子为自由电子；

P型半导体中的多数载流子为空穴。

二、PN结的基本原理

（一）PN结定义

将一块P型半导体和一块N型半导体紧密地结合在一起时，交界面两侧的那部分区域称为PN结。

（二）PN结的结构

PN结的结构如图1-65所示。PN结中，P区：空穴多；N区：自由电子多。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子，空穴几乎为零，称为少子，而P型区内空穴为多子，自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从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。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。

在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。

最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

结论：在没有外加电压的情况下，扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反，总电流为零。

（三）PN结的单向导电特性

1.PN结的偏置

（1）外加正向电压（正偏）时，如图1-66所示。

结论：势垒高度↓，PN结宽度（耗尽区宽度）↓，扩散电流↑。

（2）外加反向电压（反偏）时，如图1-67所示。

结论：势垒高度↑，PN结宽度（耗尽区宽度）↑，扩散电流（趋近于0）↓。

此时总电流=反向饱和电流（漂移电流）。

反向饱和电流只与温度有关，与外加电压无关。

2.PN结的反向击穿

（1）齐纳击穿：势垒区窄，较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键，导致反向电流剧增。

（2）雪崩击穿：势垒区宽，载流子穿过PN结时间长，速度高，将价电子从共价键中撞出来，撞出来的电子再去撞别的价电子，导致反向电流剧增。

3.PN结的电容效应

（1）势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下，电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容（反偏减小，正偏增大）。

（2）扩散电容：当PN结外加正向电压时，由于扩散作用，从另一方向本方注入少子，少子注入后，将破坏半导体的电中性。为了维持电中性，将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体，在半导体中形成空穴-电子对储存。外电压增量引起空穴-电子对存储就像电容充电一样。

（3）PN结等效为：两个扩散电容+一个势垒电容（对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内）。

反偏：扩散电流为零，以势垒电容为主。

正偏：扩散电流很大，以扩散电容为主。

三、二极管

在PN结上，加上引线和封装，就成为一个二极管，如图1-68所示。

加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线，如图1-69所示。

1.正向特性

正向电压较小时，正向电流几乎为0——死区。

当正向电压超过某一门限电压时，二极管导通，电流随电压的增加成指数率的关系迅速增大。

门限电压（导通电压）UD：硅管为0.5～0.7V；锗管为0.1～0.2V。

2.反向特性

当外加电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。

当外加电压大于反向击穿电压UB时，反向电流随电压急剧增大（击穿）。

3.伏安特性解析式

在理想条件下，PN结的伏安（电流与结电压）关系式呈指数关系

式中　IS——反向饱和电流；

q——电子电荷量，1.6×10-19C；

K——波尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；

T——热力学温度（K）。

令（室温下UT=26mV），伏安关系式简化为：

当电压超过100mV时，公式可以简化为：

加正向电压时：

加反向电压时：

I=-IS　（1-88）

四、三极管

（一）三极管的基本结构

晶体三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图1-70（a）、（b）所示。从三个区引出相应的电极，发射极、基极、集电极，各用E（或e）、B（或b）、C（或c）表示。

发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。当前国内生产的锗管多为PNP型（3A系列），硅管多为NPN型（3D系列）。

（二）三极管的工作原理

晶体三极管在电路中工作时，根据两个PN结的偏置情况不同，可以有四种工作状态：放大状态、饱和状态、截止状态、倒置状态。

（1）发射结正向偏置、集电结反向偏置——放大状态

图1-71（a）、（b）分别是硅晶体管的发射结正向偏置、集电结反向偏置的原理图和电路图。由于发射区和基区不是同类的掺杂半导体，所以扩散到基区的多子在基区属于少子。称为非平衡少数载流子。集电结反向偏置有利于少子漂移，因此大部分非平衡少数载流子在经集电结漂移到集电区。另外，集电结反向偏置也有利于基区和集电区中自身的少数载流子互相漂移，形成反向饱和电流ICBO，其值较小，而且与集电结反向偏置电压大小无关。通常令ICBO=0时的集电极电流IC与发射极电流IE之比为：即，α=IC/IE|ICBO=0。

当考虑到ICBO后，各电极之间的关系如下：

IC=αIE+ICBO　（1-89）

IE=IC+IB　（1-90）

IB=（1-α）IE-ICBO　（1-91）

当考虑反向饱和电流时，各电流之间的关系如下：

IE=IC+IB　（1-92）

集电极电流IC与基极电流IB之比为共射极直流电流放大系数，记作β，即：β=IC/IB。α、β二者之间的关系为：

α=β/β+1　（1-93）

β=α/α-1　（1-94）

从以上分析可知，从发射区发射到基区的电子中，只有很小部分与基区的电子复合而形成基极电流IB，绝大部分能通过基区并被集电区收集而形成集电极电流IC。因此，集电极电流IC就会比基极电流IB大得多，这就是晶体管的电流放大作用。如前所述，晶体管的基区之所以做得很薄，并且掺杂浓度远低于发射区，就是为了使集电极电流比基极电流大得多，从而实现晶体管的电流放大作用。

晶体管的电流放大作用实质上是电流控制作用，是用一个较小的基极电流去控制一个较大的集电极电流，这个较大的集电极电流是由直流电源UEC提供的，并不是晶体管本身把一个小的电流放大成了一个大的电流，这一点须用能量守恒的观点去分析。所以晶体管是一种电流控制元件。

（2）发射结正向偏置、集电结正向偏置——饱和状态

当VCC降低到使UCB等于零或小于零的时，集电结将处于零偏或正偏。这时从发射区扩散到基区的多子，除了一部分能量大的非平衡少数载流子可以进入集电区外，有较多的非平衡少数载流子在基区复合。集电极回路的最大电流还要受电阻RC的限制，其值为IS=VC/RC，称IS为集电极短路电流。在这种偏置状态下，IC达到ICS后，即使增加IB，IC不再随其增大而增大，好像饱和了，故称这种偏置状态为饱和状态。

（3）发射结反向偏置、集电结反向偏置——截止状态

图1-72是硅晶体管的发射结反向偏置、集电结反向偏置的电路图。当UBE=0时，发射结已经没有多子扩散了，发射极电流几乎为零，集电结流过的反向饱和电流，IC=ICBO，IB=-ICBO，基极失去了对集电极电流的控制作用，管子进入截止状态，无放大作用。

（4）发射结反向偏置、集电结正向偏置——倒置状态

图1-73是硅晶体管的发射结反向偏置、集电结正向偏置的电路图。与放大状态相比，发射结与集电结的偏置状态被对换，此时的工作状态称为倒置状态。由于集电区的掺杂浓度远低于发射区的掺杂浓度，集电结正向偏置后，由集电区扩散到基区的多子较少，另外，发射结的结面积小于集电结，其收集基区的非平衡少数载流子的能力较差，所以三极管工作于倒置状态时，其电流放大系数比放大状态时小得多。

（三）晶体管共射极接法的伏安特性曲线

晶体管的性能可以由三个电极之间的电压和电流关系来反映，通常称为伏安特性。晶体管虽然只有三个电极，但是在使用时总是有一个电极作为输入和输出回路的公共端，一个端口网络有四个变量，可有多种曲线表示它们之间的关系，常用两组曲线簇来表示晶体管的特性。其中最常用的晶体管伏安特性是共射极伏安特性。共射极伏安特性包括输入特性和输出特性。

最常用的共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，特性曲线的测量电路如图1-74所示。

1.共射极输入特性

反映晶体管输入回路基极—发射极间电压uEB与基极电流iB之间的伏安特性称为共射极输入特性。由于这一关系也受输入回路电压uCE的影响，所以其定义为：

IB=f（Ueb）|UCE=常数　（1-95）

共射极输入特性常用一簇曲线来表示，称为共射极输入特性曲线，如图1-75所示。

由曲线可知：

（1）晶体管的输入特性曲线，也有死区。硅管的死区电压大约为0.5V，锗管的死区电压大约为0.1V。

（2）在相同的uEB下，uCE从0增大时，iB将减小。这是因为uCE=0时，JE与JC均正偏，iB为两个正向偏置PN结的电流之和；当uCE增大时，JC从正向偏置逐渐往反向偏置过渡，有越来越多的非平衡少子到达集电区，使iB减小。

（3）当uCE继续增大，使JC反向偏置后，受uCE的影响减小，不同uCE值时的输入特性曲线几乎重合在一起，这时由于基区很薄，在JC反向偏置时，绝大多数非平衡少数载流子几乎都可以漂移到极电区，形成IC，所以当继续增大uCE时，对输入特性曲线几乎不产生影响。

2.共射极输出特性

以iB为参变量的iC与uCE关系称为共射极输出特性，其定义为：

IC=f（Uce）|iB=常数　（1-96）

其共射极输出特性曲线如图1-76所示。

由图可见，晶体管的输入特性曲线将晶体管分为三个工作区，它们是：

（1）饱和区：只输出特性曲线几乎垂直上升部分与纵轴之间的区域。在此区域内，不同iB值的输出特性曲线几乎重合，iC不受iB的控制，只随uCE增大而增大。

（2）截止区：对于iB=-ICBO的输出特性曲线与横轴之间的区域。在此区域内，iC几乎为零，三极管没有放大能力。

（3）放大区：指饱和区域和截止区之间的区域。在此区域内管子工作在放大状态。在这一区域内，iC还受uCE的影响。当iB一定以后，随uCE增大，iC略有增加。这是因为当Uce越大时，JC反向偏置电压越大，集电结越宽，使基区变得更薄，发射区多子扩散到基区后，与基区多子复合的机会少，若要保持iB不变，就会有更多的多子从发射区扩散到基区，iC将增加，这种情况称为基区调宽效应。

（四）晶体管的主要电参数

晶体管除了可以用伏安特性曲线来表示器件性能外，生产厂家还给出了各种三极管型号的参数。

1.直流参数

（1）共基极直流电流放大系数

（2）共发射极直流电流放大系数

，称为晶体管共射接法时的静态（直流）电流放大系数。

，称为晶体管共射接法时的动态（交流）电流放大系数。

与β两者的含义是不同的，但两者的数值较为接近，在进行估算时，可认为

（3）集电极—基极间反向饱和电流ICBO：指发射极开路时，流过集电极与基极的电流。

（4）集电极—发射极间反向饱和电流ICEO：指基极开路时，流过集电极与发射极的电流。由于这一电流从集电极贯穿基区流至发射极，所以又被称为穿透电流。

2.交流参数

（1）交流电流放大系数β：指共发射极接法，集电极输出电流的变化量ΔIc与基极输入电流的变化量ΔIb之比，即：β=ΔIc/ΔIe。

当IC较小时，β随IC增大而增大；当IC增大到某一范围时，β几乎不变；但当IC过大时，β随IC继续增大而减小。β与IC的关系如图1-77中所示曲线。

一般电晶体的β大约在10～200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。

（2）共基极交流放大系数α：指共基接法时，集电极输出电流的变化是ΔIc与发射极电流的变化量ΔIe之比，即α=ΔIc/ΔIe。

因为ΔIc<ΔIe，故α<1。高频三极管的α>0.90就可以使用。

α与β之间的关系：α=β/（1+β），β=α/（1-α）≈1/（1-α）。

（3）截止频率fβ、fα：当β下降到低频时0.707倍的频率，就是发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就是基极的截止频率fα，fβ、fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：fβ≈（1-α）fα。

（4）特征频率fT：因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映三极管高频放大性能的重要参数。

3.极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM：当集电极电流IC增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的IC值称为ICM。所以当IC超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大品质。

（2）集电极—基极击穿电压UCBO：当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为UCBO。

（3）发射极—基极反向击穿电压UEBO：当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为UEBO。

（4）集电极—发射极击穿电压UCEO：当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果Uce>Uceo，管子就会被击穿。

（5）集电极最大允许耗散功率PCM：集电流过IC，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即PC=UCE×IC。使用时应使PC<PCM。

PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。

在输出特性曲线上，把凡是该点坐标对应的UCE与IC乘积等于PCM的那些点连成线，可得一条曲线，称为等功耗线，如图1-78所示。

（五）共射极基本放大电路的组成及工作原理

1.共射电路的组成结构

由一只三极管组成的放大电路，是放大器中最基本的单元电路，称为单管放大电路。放大电路的输入信号和输出信号，分别构成了输入回路和输出回路。图1-79是一单管共发射极（以下简称共射）放大电路的原理电路图。电路中有一个双极型三极管作为放大器件，因此是单管放大电路。

它由三极管T，直流电源Ucc、基极电阻Rb、集电极电阻Rc、负载电阻RL、耦合电容Cl和C2等元件组成。被放大的信号ui从T的基极送入，放大后的信号uo从T的集电极送出。发射极是输入回路和输出回路的公共端。

2.各元件的作用

（1）NPN型三极管T担负着放大作用，它具有能量转换和电流控制的能力，当微弱的输入信号ui使二极管基极电流iB产生微小变化时，就会使集电极电流iC产生较大的变化。它是放大电路的核心。

（2）UCC是集电极直流电源，为信号的功率放大提供能量。

（3）Rc是集电极负载电阻，集电极电流ic通过Rc，从而将电流的变化转换为集电极电压的变化，然后传送到放大电路的输出端。

（4）基极偏置电阻Rb的作用是，一方面为三极管的发射结提供正向偏置电压；同时给三极管提供一个静态基极电流Ib。

（5）C1、C2是耦合隔直流电容。

为了使三极管工作在放大区，还必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置，为此，UCC、Rc和Rb等元件的参数应与电路中三极管的输入、输出特性有适当的配合关系。

3.共射电路的工作原理及波形

（1）工作原理

uBE=UBE+ube　　iB=IB+ib

ucc=-icRc　　uo=ΔuCE=uce

（2）放大器正常工作情况下的电路图及波形图（图1-80）

（3）放大器正常工作情况下特点

①输出电压uo与ui相比被放大了很多倍，体现了电路有电压放大作用。

②UBE、IB、UCE、IC均为直流量，不随信号变化。

③ube、ib、uce、ic均为交流量，在信号的传输放大过程中，交流量是叠加在直流量之上的。但是，在输出端直流量和交流量要分离，在负载上只有交流量。

放大电路在其输出端实现了信号的放大：既可能有电流放大，也可能有电压放大，还可能两者兼而有之，总之实现了功率放大。放大器的作用是在放大器件——三极管的控制下，按照输入信号的变化规律，将能量转换为输出信号的交流能量。因此，放大的作用实质是放大器件的控制作用，放大器只是一种能量控制与转换电路。

4.放大电路的组成特性

（1）为了使T在输入信号的整个周期内均处于放大区（或FET工作于恒流区），必须给放大电路设置合适的静态工作点。对于T放大电路，外加直流电源的极性必须使三极管的发射结正向偏置，而集电结反向偏置。

（2）输入回路的接法应该使输入信号（电压或电流）能够尽量不损失地加载到放大器件的输入端，并引起输入回路中的电压或电流产生相应的变化量。

（3）输出回路的接法应该使输出回路中电压或电流的变化量（即输出信号），能够尽可能多地传送到负载上。