第五章 半导体器件及应用

笫5章 常用半导体器件及应用

学习要求 掌握PN结形成原理及导电特性，熟悉二极管的外形、基本结构及电路符号，理解二极管的工作原理，了解其特性曲线、工作时的安全参数，并且了解几种常用二极管的特性；熟悉三极管的外形、基本结构及电路符号，掌握三极管的工作状态及放大原理，学会分析三极管构成的电路，了解三极管的分类及常用三极管的特性；熟悉晶闸管的外形、基本结构及电路符号，了解晶闸管电路的工作原理；了解各种开关电路的工作过程；了解基本放大电路、射极输出器、多级放大电路等常用放大电路构成及工作原理；学会分析汽车典型开关电路的工作过程,理解半导体器件在电路中的重要作用。 半导体由于它独有的导电特性，可制作成不同的半导体器件，已被广泛应用在不同领域，如收音机、电视机、汽车、计算机等方面，目前，它已成为现代不可缺少的重要材料。本章将对半导体及各种半导体器件的基础理论知识做详细介绍，通过对各种半导体器件的特征和工作原理的学习，分析由它们构成的各种基本电路，从而了解各电路的基本作用和功能。

第一节 半导体的基本知识

一、本征半导体及导电特性 1.本征半导体

自然界的各种物质就其导电性能来区分，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。 导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流，如铜、铝、银等。

绝缘体几乎不导电，在这类材料中，几乎没有自由电子，即使有外电场作用也不会形成电流，如橡胶、陶瓷、塑料等。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。这种导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。常用的半导体材料是硅和锗，都是四价元素。纯净的半导体具有晶体结构，所以半导体也称晶体。当单晶硅和单晶锗的结晶纯度高于99.9999999999%（12个9）时，此

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时的半导体叫做本征半导体。

2.本征半导体的导电原理

当半导体中只有一种元素的时候，就会有价电子之间的轨道交叠，形成共价键结构，图5-1是硅（Si）本征半导体共价键的结构示意图。在半导体共价键结构中，原子的最外层电子被束缚得很紧，所以在热力学温度是零时，本征半导体没有导电能力。在获得一定能量（如光照、升温、电磁场激发等）之后，电子受到激发，即可摆脱原子核的束缚，成为自由电子，同时共价键中留下对应的空位置，这个空位置称为空穴。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个新的空穴又可能被其它相邻原子的价电子填补，再次出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的粒子。此时半导体中将出现两种电流：一种是自由电子运动形成的电子电流，一种是仍被原子核束缚的价电子递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种运载电荷的粒子，我们称其为载流子，如图5-1所示。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断复合，本征半导体的导电能力就决定于载流子的数目和速度。

图5-1 硅（Si）本征半导体共价键的结构示意图

●电子 ○空穴

3.本征半导体的导电特性

一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但在不同条件下的导电能力却有很大差别。例如以下几种情况的导电特性。

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有些半导体在温度升高的条件下，导电能力大大增强，也称之为半导体材料的热敏性。利用这种特性可制成热敏电阻等敏感元件。

有些半导体在光照的条件下，导电能力大大增强，也称之为半导体材料的光敏性。利用这种特性可制成光敏电阻、光电二极管、光电池等器件。

在本征半导体中掺入微量杂质元素后，其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性可以制成杂质半导体，由此制成了二极管、三极管等重要的半导体器件。

二、N型半导体和P型半导体的形成

实际应用中我们用的都是杂质半导体，它分N型和P型两种。

N型半导体：就是在本征半导体中掺入微量5价元素（如磷、砷、锑等）。这样它的活性大大的得到提高，在室温时，由于在构成的共价键中存在多余的价电子，从而产生大量的自由电子，图5-2所示为掺入5价的磷（P）元素构成的N型半导体。因此，在N型半导体中多数载流子为电子，少数载流子为空穴。

P型半导体：就是在本征半导体中掺入微量3价元素（如硼、镓、铝、铟等）。由于在构成的共价键中剩余出很多的空位置，从而产生大量的空穴，如图5-2所示为掺入3价的

硼（B）元素构成的N型半导体。因此，在P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子

是电子，与N型恰恰相反。

图5-2 N型半导体的分子结构 图5-3 P型半导体的分子结构

第二节 半导体二极管

一、PN结的形成及单向导电特性 1.PN结的形成

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在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界区域会形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。PN结的形成过程如图5-4所示。

由图5-4(a)可见，界面两边存在着载流子的浓度差，N区的多子（多数载流子）是电子，P区的多子是空穴，在它们的交界区域会发生扩散的现象，N区的电子向P区移动，P区的空穴向N区移动，在中间的交界区复合而消失，使P区留下不能移动的负电荷离子，N区留下不能移动的正电荷离子。扩散的结果使交界区域出现了空间电荷区，即形成了一个由N区指向P区的内电场，如图5-4(b)所示。内电场的存在阻碍了扩散运动，但却使P区少子（电子）向N区漂移，N区的少子（空穴）向P区漂移。多子的扩散运动使空间电荷区加厚，而少子的漂移运动使空间电荷区变薄。当扩散与漂移达到动态平衡时，便形成了一定厚度的空间电荷区，即为PN结。由于空间电荷区缺少能移动的载流子，故又称PN结为耗尽层或阻挡层，整体对外还是显电中性。

图5-4 PN结的形成

(a)多子扩散示意图 (b)扩散结果出现的空间电荷区

2.PN结的单向导电性

(1) PN结正向导通 将电源的正极接PN结的P区，负极接PN结的N区(即正向连

接或正向偏置)，如图5-5(a)所示。由于PN结为耗尽层高阻区，而P区与N区电阻很小，

因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场方向与内电场方向相反，外电场将推动P区多子(空穴)向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，同时也推动N区的多子

(电子)向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平

衡。电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。

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(2) PN结反向截止 将电源的正极接PN结的N区，负极接PN结的P区(即PN结反

向偏置)，如图5-5(b)所示。外电场方向与内电场方向一致，它将N区的少子(空穴)向左侧

拉进PN结，同时将P区的少子(电子) 向右侧拉进PN结，使原空间电荷区电荷增多，PN结变宽，呈现大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小。若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。

图5-5 PN结的单向导电性

(a)正向连接示意图 (b)反向连接示意图

因此，当PN结正向偏置时，正向电阻较小，正向电流很大，此时PN结导通；当PN结反向偏置时，反向电阻值较大，反向电流很小，此时PN结截止。这就是PN结的单向导电性。

二、二极管的结构和符号

半导体二极管是由一个PN结、相应的电极引线和管壳构成的电子元件。P区的引出线称为正极或阳极，N区的引出线称为负极或阴极，如图5-6所示。按所用材料分，有硅管、锗管和砷化镓管等；按其不同的结构，可分为点接触型二极管和面接触型二极管。

点接触型二极管的结构如图5-6(a)所示。它的特点是PN结的面积非常小，因此不能通过较大电流；但高频性能好，故适用于高频和小功率工作，一般用作高频检波管和数字电路里的开关元件。

面接触型二极管的结构如图5-6(b)所示。它的主要特点是PN结的结面积很大，故可通过较大的电流；但工作频率较低，一般用于整流电路。

二极管的文字符号为VD，电路符号如图5-6(c)所示。有关二极管的型号命名方法可参见有关资料。

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生“光电流”，其大小与光照强度成正比。光电二极管的符号如图5-10所示。光电二极管是光电子系统中用于光电转换的电子器件。在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。

图5-10 光电二极管的图形符号

4.变容二极管

变容二极管是一种利用PN结电容随外加反向偏压变化而变化的原理制成的半导体二极管。其图形符号如图5-11所示。二极管的PN结都具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，反向偏压越高，结电容则越小，变容二极管等同可变电容。结电容一般只有几个皮法，至多一、二百皮法，所以变容二极管都用于高频电路，例如，彩色电视机普遍采用具有记忆功能（预选台）的电子调谐器，其工作原理就是通过控制直流电压来改变变容二极管的结电容量，以选择某一频道的谐振频率。

图5-11 变容二极管的电路图形符号 (a)新图形符号 (b)旧图形符号

变容二极管有玻璃外壳封装（玻封）、塑料封装（塑封）、金属外壳封装（金封）和无引线表面封装等多种封装形式。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。

常用的国产变容二极管有2CC系列和2CB系列，主要参数见表5-6。

表5-6 2CC系列和2CB系列变容二极管的主要参数

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型 参 号 最高反向工数 电容量/pF 作电压/V 10-35 (4V) 27.19～32.03(2V) 2.7～3.04(25V) 20 35 流/mA ≤0.5 ＜0.1 ≥2 10-11 ≥250 - 反向电电容比 效率 或频段 5MHZ VHF 工作频率2CC101/201/301 2CB133

常用的进口变容二极管有S系列、MV系列、KV系列、1T系列、1SV系列等。

第三节 半导体三极管

在生产和测量中，电信号放大电路的应用十分广泛，经常需要将微弱的电信号(电压、

电流或电功率)进行放大，以便有效进行观察、测量、控制或调节。例如收音机和电视机，

它们天线收到的包含声音和图像信息的微弱电信号，只有通过电信号放大电路变换来推动扬声器和显像管工作，而这样的电路可以用晶体管、运算放大器等电子元件组成。

一、三极管的基本结构和符号

晶体三极管又称三极管，是最重要的一种半导体器件，常用的一些三极管外形如图5-12所示。

图5-12 常用三极管外形

三极管最常见的结构有平面型和合金型两类，如图5-13所示，图(a)为平面型(主要为

硅管)，图(b)为合金型(主要为锗管)。

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图5-13 晶体三极管结构 (a)平面型三极管 (b)合金型三极管

不论是平面型还是合金型，内部都由三层N、P、N型半导体或三层P、N、P型半导体材料构成，因此又把三极管分为NPN型和PNP型两类。其结构示意图和电路符号如图5-14所示，图(a)为NPN型，图(b)为PNP型。

每一类三极管都由基区(B)、发射区(E)、集电区(C)组成，每个区分别引出一个电极，即基极B、发射极E、集电极C。三极管有两个PN结，基区和集电区之间的PN结称为集电结，基区和发射区之间的称为发射结。电路符号中的箭头表示发射极电流的方向。

晶体管结构有一种重要的特点，那就是E区的掺杂浓度高，B区掺杂浓度低且很薄，C区面积较大，因此E区和C区不可调换使用。

图5-14 晶体三极管的结构及电路符号

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(a)NPN型三极管结构与符号 (b)PNP型三极管结构与符号

二、三极管的放大原理

为了解三极管的电流放大作用，我们先做一个实验，实验电路如图5-15所示，基极电源UB、基极电阻RB、基极B和发射极E组成输入回路。集电极电源UC、集电极电阻RC、集电极C和发射极E组成输出回路。发射极是公共电极。这种电路称为共发射极电路。

图5-15 晶体管内部载流子运动与外部电流图

如图5-15所示，在B、E两端接电源UB，在C、E两端接电源UC，并且使UB＜UC，这样就保证了发射结加的是正向电压(正向偏置)，集电结加的是反向电压(反向偏置)，这是三极管实现电流放大作用的外部条件。此时，在电路中就会形成三个电流IB、IC和IE。

此时，三极管内部载流子的运动过程如下：

1.电子从发射区向基区扩散的过程：当发射结处于正向偏置时，发射结阻挡层变薄，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，由于发射区的掺杂浓度较大，发射区的电子更容易扩散入基区，形成发射极电流IE。

2.电子在基区复合及扩散的过程：由于基区很薄，多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很极少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。

3.电子被集电区收集的过程：由于集电结反向偏置，从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子会在其作用下，被拉动至集电区，从而形成较大的集电极电流IC。

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当调整电阻RB时，基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化。通过以上实验得出如下表5-7所示的测量结果。

表5-7 三极管电流测量结果

IB（mA） IC（mA） IE（mA） IC/IB ΔIC/ΔIB 0 ＜0.001 ＜0.001 0.01 0.50 0.51 50 50 0.02 1.00 1.02 50 60 0.03 1.60 1.63 53 60 0.04 2.20 2.24 55 0.05 2.90 2.95 58 70 由实验测量结果分析可得出下面的结论：

(1) 发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。此结果符合基尔霍夫电流定律。

IE=IB+IC (5-2)

(2) IC比IB大得多。从第二列以后的IC/IB数据可看出这点，即:IC要比IB大数十倍。 (3) 很小的IB变化可以引起很大的IC变化。比较第二列以后，后一列与前一列数据的基极电流和集电极电流的相对变化，即：ΔIC/ΔIB，当基极电流较小的变化时，集电极电流的变化却较大。也就是说，基极电流对集电极电流具有控制作用，这就是晶体管的电流放大作用。

三、三极管的特性曲线

晶体管的伏安特性曲线反映了晶体管的性能和各电极的电流和电压之间的关系，实际上是其内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。这些特性曲线可用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可以通过如图5-16所示的实验电路进行测绘。

图5-16 三极管伏安特性曲线实验电路

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在图5-20(b)中，无光照时，由于光敏三极管VT1的暗阻很大，VT2管基极处高电位导通，继电器J得电动作，这样就实现了光电开关的暗控制。依上述工作原理，可开拓出许多实用性的光电开关电路。

第四节 晶闸管

在实际工作中，为了使整流器输出的直流电压能够根据需要进行调节，就要采用可控整流电路，晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。利用它进行交、直流电动机的调速，或用于随动系统或变频电源等电路。

一、晶闸管的结构和符号

晶闸管全称是晶体闸流管，又称可控硅，简称SCR，是一种“以小控大（电流）”的功率型器件，也是最基础的电力电子器件。其特点是耐压高、容量大、效率高、控制灵敏、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。主要用于可控整流、逆变、调压、无触点开关及变频等电子电路。其主要缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。

图5-21 晶闸管的外形与符号

(a)小电流塑封式 (b小电流螺旋式 (c)大电流螺旋式 (d)图形符号

常用晶闸管外形有塑封式、螺旋式和平板式。如图5-21(a)所示为小电流塑封式，图5-21(b)和(c)为螺旋式，图5-21(d)为晶体管的电路图形符号。

晶闸管的内部结构由四层半导体材料组成，即P型半导体和N型半导体交替构成，分别为P1、N1、P2和N2，如图5-22(a)所示；它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2

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和J3；引出的三个电极分别为阳极A，阴极K和控制极G。为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成是PNP和NPN两个三极管相连，如图5-22(b)所示；可等效为两个三极管，如图5-22(c)所示；晶闸管的符号如图5-22(d)所示。

图5-22 晶闸管的结构

(a)结构示意图 (b)结构分解图 (c)等效为三极管的电路图 (d)图形符号

二、晶闸管的工作原理

晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源、负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

下面介绍晶闸管的两种工作状态。 1.关断状态

（1） 晶闸管的阳极A和阴极K之间外加反向电压时，不管门极G承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

（2） 当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压，而门极G不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，仍处于关断状态。

2.导通状态

晶闸管的阳极A和阴极K之间外加正向电压，且晶闸管的门极G和阴极K之间也加正向电压，晶闸管才正向导通。

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如图5-23(a)所示，当晶闸管的阳极A和阴极K之间外加正向电压，且晶闸管的门极G和阴极K之间也加正向电压时，每个三极管的集电极电流同时又是另一个三极管的基极电流，如图5-23(b)所示。因此，对于两个互相复合的三极管电路，当有足够的门极电流流入时，就会形成强烈的正反馈，在很短的时间内（一般不超过几微秒），使两个三极管均饱和导通，晶闸管也就饱和导通了。当它导通后，门极G就失去控制作用，晶闸管依靠内部的正反馈始终维持导通状态。

因此，晶闸管的导通条件为：在阳极和阴极间加正向电压，同时在门极和阴极间加正向触发电压。若要关断晶闸管，就要减小门极电流或改变阳极与阴极的极性。

图5-23 晶闸管的工作原理 (a)实际电路图 (b)等效电路图

三、晶闸管的伏安特性

晶闸管的阳极、阴极间的电压u和阳极电流i以及控制极电流I之间的关系称为晶闸管的伏安特性。即：

i?f(u)IG （5-7）

若用曲线表示这种关系，则称为伏安特性曲线，如图5-24所示，曲线分为正向特性和反向特性两部分。

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图5-24 晶闸管的伏安特性曲线

1.正向特性

当u＞0时，对应的曲线是正向特性曲线。由图5-24可看出，晶闸管的正向特性可分为关断状态OA段和导通状态BC段两个部分。当控制极电流IG=0时，逐渐增加正向电压u，观察阳极电流i的变化情况。当电压从零逐渐增加时，三个PN结中有一个为反向偏置，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压加大到正向转折电压时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大电流，而晶闸管的压降很小，这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，应尽量避免。若在门极与阴极间加上触发电压，则会降低转折电压（门极电流IG越大，转折电压就越低）。导通后，若电流降低到小于维持电流IH时，晶闸管将由导通变为关断。

2.反向特性

当u＜0时，对应的曲线称为反向特性曲线。当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与门极上是否加触发电压无关。

四、晶闸管的主要参数 1.额定正向平均电流IR

在环境温度小于40℃及规定的散热条件、纯电阻负载下，允许连续通过晶闸管的工频正弦半波电流的平均值。

2.维持电流IH

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在控制极开路和规定环境温度下，维持晶闸管导通的最小阳极电流。一般为几十毫安到一百多毫安。当晶闸管正向电流小于维持电流IH时，会自行关断。

3.触发电压UG

在室温下，阳极和阴极间加6V直流电压时，使晶闸管从关断变为完全导通所需的最小控制极直流电压。一般UG为1V～5V。

4.触发电流IG

在室温下，阳极和阴极间加6V直流电压时，使晶闸管从关断变为完全导通所需的控制极最小直流电流。一般IG为几十毫安至几百毫安。

5.正向转折电压UBO

在额定结温和控制极开路条件下，晶闸管从关断转为导通的正弦波半波正向电压峰值。

6.正向重复峰值电压UDRM

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般UDRM为正向转折电压UBO的80％。

7.反向重复峰值电压URRM

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般URRM为反向转折电压UBR的80％。一般把UDRM和URRM中较小的数值作为元件的额定电压。

除以上几个主要参数外，晶闸管还有其他参数，如：正向平均电压，控制极反向电压和浪涌电流等。

五、晶闸管分类及简介

按照关断、导通及控制方式分类：晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

按照封装形式分类：晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。

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按照电流容量分类：晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

1.普通晶闸管

普通晶闸管（SCR），就是上述介绍过的晶闸管。即由PNPN半导体材料构成的四层三端半导体器件，三个引出端分别为阳极A、阴极K和门极G。如图5-25所示。

图5-25 普通晶闸管图形符号 (a)新图形符号 (b)旧图形符号

2.双向晶闸管

双向晶闸管（TRIAC）是由NPNPN五层半导体材料构成的，相当于两只普通晶闸管反相并联，它也有三个电极，分别是主电极T1、主电极T2和门极G。图5-26是双向晶闸管的结构和等效电路，图5-27是其电路图形符号。

图5-26 双向晶闸管的结构和等效电路

(a)结构图 (b)等效电路

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图5-27 双向晶闸管的电路图形符号 (a)新图形符号 (b)旧图形符号

双向晶闸管可以双向导通，即门极加上正或负的触发电压，均能触发双向晶闸管正、反两个方向导通。图5-28是其触发状态。

图5-28 双向晶闸管的触发状态

双向晶闸管的主电极T1与主电极T2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要门极G和主电极T1（或T2）间加有正、负极性不同的触发电压，满足其必须的触发电流，晶闸管即可触发导通呈低阻状态。此时，主电极T1、T2间压降约为1V左右。

双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。当主电极T1、T

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电流减小至维持电流以下或T1、T2间电压改变极性，且无触发电压时，双向晶闸管阻断，

只有重新施加触发电压，才能再次导通。

3.可关断晶闸管

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可关断晶闸管（GTO）亦称门控晶闸管。其主要特点是当门极加反向触发信号时晶闸管能自行关断。

可关断晶闸管（以P型门极为例）是由PNPN四层半导体材料构成，其三个电极分别为阳极A、阴极K和门极G，如图5-29所示，门极关断晶闸管的结构及电路图形符号和普通晶闸管相同。可关断晶闸管也具有单向导电特性，即当其阳极A、阴极K两端加正向电压，在门极G上加正的触发电压时，晶闸管将导通。

图5-29 门极关断晶闸管的结构及电路图形符号

(a)结构 (b)电路图形符号

可关断晶闸管GTO与普通晶闸管SCR的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。在可关断晶闸管导通状态，若在其门极G上加一个适当负电压，则能使导通的晶闸管关断。但普通晶闸管在导通之后即处于深度饱和状态，若想关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强迫关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，又具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。

4.光控晶闸管

光控晶闸管（LAT）俗称光控硅，内部由PNPN四层半导体材料构成，可等效为两只晶体管、一只电容和一只光敏二极管组成的电路，如图5-30所示。

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图5-30 光控晶闸管的结构及电路图形符号

(a)结构 (b)电路图形符号

由于光控晶闸管的控制信号来自光的照射，故其只有阳极A和阴极K两个引出电级，门极为受光窗口（小功率晶闸管）或光导纤维、光缆等。

当在光控晶闸管的阳极A加上正向电压、阴极K上加负电压时，再用足够强的光照射一下其受光窗口，晶闸管即可导通。晶闸管受光触发导通后，即使光源消失也能维持导通，若想让晶闸管关断，就要把阳极A和阴极K之间的电压去除或改变极性。

第五节 基本放大电路

所谓放大，实质是能量的放大，三极管是能量控制元件，利用三极管构成的放大电路能实现小能量对大能量的控制作用。三极管有三个电极，根据公共端的不同，可以有三种不同的连接方式，分别是共发射极接法、共集电极接法和共基极接法。

一、基本放大电路

放大电路的交流信号从基极输入，从集电极输出，是共发射极接法，以共发射极放大电路为例，学习基本放大电路的分析方法。

1.基本放大电路的组成

如图5-31所示，各元件及作用如下：

图5-31 共发射极交流放大电路

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三极管VT：电路采用NPN型三极管，利用三极管的电流放大作用，在集电极获得放大的电流iC。

集电极电源UCC：其作用是为整个电路提供能源，并且保证三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管工作于放大状态。

基极偏置电阻RB：其作用是和UCC一起为基极提供一个合适的基极电流iB，这个电流也称基极偏置电流。

集电极负载电阻RC：其作用是将集电极电流的变化转换为集电极-发射极之间电压的变化。

耦合电容C1、C2：其作用是隔直流，通交流。 符号“⊥”：接地符号，电路中的零参考电位。

为分析方便，电压的方向以输入、输出回路的公共端为负,其他各点为正；电流方向以三极管各电极电流的实际方向为正方向。

2.放大电路的基本分析方法

放大电路可分为静态和动态两种情况来分析。

（1） 静态分析法 静态是当放大电路没有输入信号时的（直流）工作状态。静态分析是要确定放大电路中三极管的静态电流IBQ、ICQ和静态电压UBEQ、UCEQ的值，这四个值在三极管输入特性曲线和输出特性曲线上确定一个点，称为静态工作点Q。对于放大电路来说，具有合适的静态工作点，才能够保证信号的放大。

静态工作点的确定可以通过估算法和图解法来实现。

估算法：静态值是直流量，可以用放大电路的直流通路来确定。如图5-32所示为基本放大电路图5-32的直流通路。即指当输入信号ui＝0时，在直流电压＋Ucc的作用下，电容开路时对应的电路图。

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图5-32 基本放大电路的直流通路

由图5-32的直流通路得出基极电流：

UCC?UBEQIBQ? (5-8)

RB其中UBEQ为发射结正向偏置电压，一般硅管为0．7 V（锗管为0．3V），远小于Ucc，故忽略不计。则：

UIBQ?CC (5-9)

RB由三极管电流放大特性可得：

ICQ??IBQ (5-10)

因此，集电极-发射极电压为：

UCEQ＝UCC－ICQRC (5-11)

图解法：在三极管的输出特性曲线上作直流负载线，直流负载线关系式由方程UCE＝UCC－ICRC确定，负载线与三极管的某条输出特性曲线（由IB确定）相交于一点，这点就是Q点，如图5-33所示。

图5-33 图解法确定基本放大电路的静态工作点

（2） 动态分析法 动态是指放大电路有输入信号时的工作状态。当放大电路加入交

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流信号ui时,利用动态分析确定放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。此时，电路中各电极的电压电流都是直流量和交流量叠加而成的。

三极管的微变等效电路：

由于放大电路中存在的三极管为非线性器件，直接计算较为复杂，通常我们认为在输入信号为微小信号时，三极管上的电压和电流可以近似是线性的，由此将三极管进行微变等效变化，这样的放大电路称为微变等效电路。

三极管的电路图如图5-35(a)所示，根据三极管的输入特性(图5-34)可知，当输入信号ui很小时，在静态工作点Q附近的工作段可认为是直线。当UCE为常数时，ΔUBE与ΔIB之比：

rbe?ΔUBEΔIBUCE?ubeibUCE (5-12)

称为三极管的输入电阻。低频小功率三极管的输入电阻常用下式估算：

rbe?300?(1?β)26IEQ (5-13)

图5-34 从晶体管的输入特性曲线求rbe

在小信号的条件下，rbe是一个常数，由rbe确定输入回路的电压uBE、电流ib之间的关系。因此，三极管的输入回路基极与发射极之间可用等效电阻rbe代替。

当三极管工作于放大区，输入回路的ib给定时，三极管输出回路（集电极与发射极间）可用一个大小为βib的理想受控电流源来等效。

如图5-35(b)所示，得到三极管的微变等效电路。

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图5-35 三极管的微变等效电路 (a)电路图 (b)三极管等效电路

共射极放大电路的微变等效电路：

放大电路的微变等效电路是在放大电路的交流通路和晶体管的微变等效电路的基础上得出的。交流通路就是在信号源的作用下，只有交流电流流过的路径，画交流通路时，电容短路，直流电源Ucc相当于导线接地处理，图5-36就是图5-31共射极放大电路所对应的交流通路。

图5-36 放大电路的交流通路

在共射极放大电路的交流通路的基础上将三极管变化为微变等效电路，我们就得到共射极放大电路的微变等效电路，如图5-37所示。

图5-37 共射极放大电路的微变等效电路

（1） 电压放大倍数Au 电压放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，它是输出电压与输入电压之比。即：

Au?uo (5-14) ui 33

图5-37所示电路中,

uo＝－icRL′＝－βibRL′

ui＝ibrbe

??uoβibRLβRLAu????? (5-15)

uiibrberbe式中

RL′＝RC‖RL (5-16)

“－”表示输入信号与输出信号相位相反。

（2） 输入电阻ri 根据戴维南定理可知，输入电阻ri就是从放大电路输入端往里看进去的等效电阻。图5-37所示电路中，

ri＝rbe‖RB (5-17)

（3） 输出电阻ro 根据戴维南定理可知，放大电路对于负载RL而言，相当于一个具有等效电阻和等效电动势的信号源，这个信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。图5-37所示电路中，

ro＝RC (5-18)

【例5-1】电路如图5-31所示，β＝50，UBEQ＝0.7V，RB＝560KΩ，RC＝5KΩ，RL＝5KΩ，UCC＝12V，试求：

（1） 静态工作点Q；

（2） 电路的电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。 解：（1） IBQ?UCC?UBEQ12V-0.7V??0.02mA

RB560K?ICQ＝βIBQ＝50×0.02mA＝1mA

UCEQ＝UCC－ICQ RC＝12V－1mA× 5KΩ＝7V

（2） IEQ≈ICQ =1mA

rbe?300?(1??)2626mA?300?(1?50)?1626?≈1.6KΩ IEQ1mA?uoβRL50?2.5Au???????78.125≈－78.1

uirbe1.6

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ri＝rbe‖RB≈1. 6 KΩ ro＝RC＝5KΩ

二、射极输出器 1.电路的组成

交流信号从基极输入，从发射极输出，所以也称为射极输出器。在接法上属于共集电极接法，共集电极电路如图5-38所示。

图5-38 射极输出器

2.静态分析

射极输出器的直流通路如图5-39所示。

图5-39 射极输出器直流通路由图5-39可知：

IUCC—UBEQBQ?（1?β）R E?RBICQ＝βIBQ UCEQ＝UCC－IEQRE 3.动态分析

射极输出器的微变等效电路如图5-40所示。

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(5-19)(5-20) (5-21)

图5-40 射极输出器的微变等效电路

（1） 电压放大倍数Au

uo＝ieRL′＝（1＋β）ibRL′

ui＝ube＋uo＝ibrbe＋ieRL′＝ibrbe＋（1＋β）ibRL′

??uo(1?β)ibRL(1?β)RL (5-22) Au?????uiir?(1?β)iRrbe?(1?β)RLbbebL式中

RL′＝RE‖RL

由式(5-22)可以看出，射极输出器的放大倍数小于1且趋于1。

（2） 输入电阻ri 射极输出器的输入电阻也可从图5-40所示的微变等效电路经过计算得出，即

ri＝RB‖[rbe＋(1＋β)RL′] (5-23)

（3） 输出电阻r0 采用加压求流法来解，将信号源短路，保留内阻rs,并去掉RL，加上测试电压uo。如图5-41所示。

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图5-41 求输出电阻的微变等效电路

ro＝RE‖ro′

u?ro??o (5-24)

ieuo＝uec＝－ib（rbe＋rs‖RB）

所以

ui(r?r//R)r?r//R?ro??o?bbesB?besB (5-25)

ie(1?β)ib(1?β)r?r‖RBr?≈RE‖be (5-26) ro?RE‖ro?RE‖bes(1?β)1?β射极输出器也称射极跟随器,它的主要特点是电压放大倍数接近1，具有较高的输入电阻和较低的输出电阻。

射极输出器常用作多级放大器的第一级或最末级，也可用于中间隔离级。用作输入级时，其高的输入电阻可以减轻信号源的负担，提高放大器的输入电压。用作输出级时，其低的输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响，并易于与低阻负载相匹配，向负载传送尽可能大的功率。

三、多级放大电路与耦合

单级放大电路的电压放大倍数有限，在信号非常小时，为了得到较大输出信号电压，必须进行多级放大，以获得足够大的电压放大倍数。一般将多级放大电路分为前级放大和后级放大，前级放大是以电压放大为主，而后级放大则主要是功率放大。在多级放大电路中，级与级之间的信号连接称为耦合。耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合等。

直接耦合是将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端的耦合方式。 阻容耦合是将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。

变压器耦合是将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上。 光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。

如图5-42所示，是一个多级阻容耦合放大电路的框图。

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图5-42 多级阻容耦合放大电路

1.电压放大倍数

由图5-42可知，放大电路中前级的输出电压就是后级的输入电压，即uo1?ui2、

uo2?ui3、?、uo(n-1)?uin，所以，n级放大电路的电压放大倍数为：

uo(n?1)uouo1uo2uo3??????A1A2A3?An (5-27) uiui2ui3ui(n?2)uinAu?A1、A2、A3、?、An分别是第1级、第2级、第3级、?第n级放大电路的电压放大倍数。

2.输入电阻

ri＝ri1＝RB1‖[rbe1+（1+β）RL1′]

式中，rbe1为第一级放大电路的三极管的输入电阻。

3.输出电阻

ro= ron≈Rcn

式中，Rcn为最后一级放大电路的三极管的集电极电阻。

【例5-2】如图5-43所示，是两级阻容耦合放大电路。RB1=150kΩ，RB2=10kΩ，RE1=RE2= RC=RL =2kΩ；UCC=12V；两晶体管的β值均为50，两个三极管的等效输入内阻分别为：rbe1=1.2kΩ，rbe2=1kΩ，UBEQ1=UBEQ2=0.7V。试估算电路的Q点、Au、ri和ro。

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图5-43 两级阻容耦合放大电路

解：（1） 求解Q点 由于电路采用阻容耦合方式，电容有隔直的作用它可使前、后级的直流工作状态相互间无影响，故各级放大电路的静态工作点可以单独考虑。

前级静态值：

IBQ1?UCC?UBEQRB1?(1?β)RE1?12-0.7?0.045mA 33150?10?(1?50)?2?10ICQ1≈IE1＝（1+β）IBQ1=51×0.045mA＝2.3mA UCEQ1＝UCC－IE1RE1＝12－2.3× 2×103≈7.4V

后级静态值同上，得：

IBQ2=0.1mA ICQ2≈IE2＝5 mA UCEQ2＝2V

（2） 放大电路的输入电阻

ri＝ri1＝RB1‖[rbe1+（1+β）RL1′]

式中

RL1′= RE1‖ri2

ri2为后级的输入电阻，计算得：ri2=1. 6 KΩ 则：RL1′=0.9 KΩ 于是得出

ri＝RB1‖[rbe1+（1+β）RL1′]=35.8 KΩ

（3） 放大电路的输出电阻

ro＝ro2≈RC=2 KΩ

（4） 放大电路的放大倍数 前级

Au1?后级

(1?β)RL1??=0.97

rbe1?(1?β)RL139

?uoβRL50?2Au2???????83.3

uirbe1.2四、差动放大电路

差动放大电路也称差分放大电路，是一种对零点漂移具有很强抑制能力的基本放大电路。零点漂移是指当多级放大电路第一级发生微弱变化时（例如温度），输入级的Q点就会发生变化，导致各级的Q点都受到影响，从而输出随时间缓慢变化的现象。差动放大原理电路如图5-44所示。电路由理想的对称结构组成：有两个对称的共射极， VT1、VT2是两个特性完全相同的三极管，其中Rb1=Rb2、Rc1 = Rc2、Rs1＝Rs2。信号从两管的基极输入，从两管的集电极输出，这种连接方式也称为双端输入-双端输出方式。

图5-44 差动放大原理电路

由图5-44可见，当输入端短路时，输出电压为

UO = VC1-VC2 =(UCC-IC1RC1)-(UCC-IC2RC2)=(IC2 - IC1)RC

式中VC1 、VC2为集电极电压。由于电路对称，IC1 = IC2，则输出电压等于零。 当温度变化时，理想状态下，因两管电流变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠电路的完全对称性，使两管的零点漂移在输出端相抵消，因此，零点漂移被抑制。

要做到电路完全对称，是十分困难的，甚至是不可能的；而且从某个管子集电极输出

（单端输出）时，输出零点漂移仍然很大。因此，图5-44所示电路仅是差动放大电路的原

理图，不能作为实用电路。

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