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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图5-6 半导体二极管的结构与图形符号 (a)点接触型 (b)面接触型 (c)图形符号

三、二极管的伏安特性

二极管两端电压与通过电流的关系称二极管的伏安特性。二极管的电压与电流的关系曲线称为伏安特性曲线，如图5-7所示。

1.正向特性

正向特性如图5-7中的①段所示。当加在二极管两端的正向偏置电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压超过某一数值后，才出现明显的正向电流，该电压称为门槛电压(又称死区电压)。在室温下，硅管的门槛电压约为0.5V，锗管约为0.1V。正向导通后，硅管的压降约为0.7V，锗管约为0.3V，称为二极管的“正向压降”。

2.反向特性

反向特性如图5-7中②段所示。当二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。因为反向电流极小，可以认为二极管基本不导通。反向电流越小，二极管的反向截止性能越好。但温度升高，反向电流将随之增加。

当反向电压增加到一定数值时，反向电流突然剧增，二极管失去单向导电性，这种现象称为“反向击穿”，此时所加的反向电压称为“反向击穿电压”。如图5-7中③段所示。反向击穿电压因材料和结构的不同，一般在几十伏以上，有的甚至可达几千伏。

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图5-7 二极管伏安特性曲线

四、二极管的主要参数 1.最大整流电流IF

指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。超过这一数值时二极管将因过热而烧坏。工作电流较大的大功率管子还必须按规定安装散热装置。

2.最高反向工作电压URM

指二极管在使用时所允许加的反向电压峰值。加在二极管两端的反向电压高于最高反向工作电压时，会有被反向击穿的危险，从而失去单向导电能力。一般手册上给出的最高反向工作电压约为反向击穿电压的一半，以保证管子安全运行。

3.反向电流IR

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，管子未被击穿时流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，当温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。

二极管的参数还有最高工作频率、极间电容等，均在半导体器件手册中可查到。 五、二极管分类及简介

二极管按用途分可分为稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等等。下面我们就常用的二极管做以简单介绍。

1.稳压二极管

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稳压二极管又称齐纳二极管，其电路符号如图5-8(b)所示。它也具有单向导电性,但与普通二极管不同的是,它工作于反向击穿区域。

（1） 稳压二极管的工作原理 在反向电压较低时，稳压二极管截止；当反向电压达到一定数值时，反向电流突然增大，稳压二极管进入击穿区，此时虽然反向电流在很大范围内变化，稳压二极管两端的反向电压都基本保持不变。其特性如图5-8(a)所示。图中的UZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用原理在于，电流有很大增量时，只引起很小的电压变化。反向击穿曲线愈陡，动态电阻rZ愈小，稳压管的稳压性能愈好。

rZ??UZ (5-1) ?IZ但是，若反向电流增大到一定数值后，稳压二极管则会因热击穿而损坏。因此，要在外电路上采取限流措施。

图5-8 稳压二极管图形符号及伏安特性曲线

(a)伏安特性曲线 (b)图形符号

（2） 稳压二极管的类型及主要参数 稳压二极管根据其封装形式、电流容量、内部结构的不同可以分为多种类型。

根据其封装形式可分为金属外壳封装稳压二极管、玻璃封装（简称玻封）稳压二极管和塑料封装（简称塑封）稳压二极管。塑封稳压二极管又分为有引线型和表面封装两种类型。

根据其电流容量可分为大功率稳压二极管（2A以上）和小功率稳压二极管（1.5A以下）。 根据其内部结构可分为单稳压二极管和双稳压二极管（三电极稳压二极管）。

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常用的国产稳压二极管有2CW系列和2DW系列，主要参数见表5-1、表5-2。

表5-1 2CW系列稳压二极管的主要参数

参 数 型 号 2CW7 2CW11 最大稳定稳定电压/V 电流/mA 2.5～3.5 3.2～4.5 71 55 /W 0.25 0.25

表5-2 2DW系列稳压二极管的主要参数

型号 2DW1 2DW12 稳定电压 6.5-7.5 17.5-18.5 最大稳定电流 170 55 动态电阻 ≤3.5 ≤8 反向电流 ≤1 ≤1 ≤80 ≤70 ＜10 ≤2 ≤1 ≤1 2CW51 2CW52 耗散功率动态电阻/Ω 反向电流/μA 正向压降/V 代换型号

常用的进口稳压二极管有1N41××系列、1N46××系列、1N47××系列、MTZ系列、RLZ系列、RLZJ系列及Hz系列、RD系列、DTZ系列等等。

2.发光二极管

发光二极管是由半导体砷、磷、镓及其化合物制成的一种电子器件。反向截止时不发光，正向导通时能发出红、绿、黄、橙等单色光，常用文字LED表示。符号如图5-9所示。在工作时只需加1.5～3V正向电压和几毫安电流就能正常发光。它具有体积小、反应快、光度强、寿命长等特点。广泛用于各种电子电路、家电、仪表等设备，以及用作电源指示或电平指示。

图5-9 发光二极管的图形符号

(a)新符号 (b)旧符号

发光二极管的类型及主要参数如下：

按其使用材料可分为磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管、砷化镓(G

aAs)发光二极管、磷铟砷化镓(GaAsInP)发光二极管和砷铝化镓(GaAlAs)发光二极管等多种。

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按其封装结构及封装形式除可分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封装和无引线表面封装外，还可分为加色散射封装（D）、无色散射封装（W）、有色透明封装（C）和无色透明封装（T）。

按其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种。

常用的国产普通单色发光二极管有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF系列，主要参数见表5-3、5-4、5-5。

表5-3 BT系列发光二极管的主要参数

参 数 最大耗散功率/w /mA 0.05 20 /V ≤2 /V ≥5 /μA ≤50 650 红 GaAsP Ф3mm陶瓷底座环氧树脂封装 Ф3mm全塑封结构 W.C.T 作电流 电压 电压 电流 /nm 颜色 最大工正向 反向 反向 波长 发光材料 封装结构 形式 封装 型 号 BT101 BT113 0.05/0.01 20 ≤2.5 ≥5 ≤50 565

绿 GaP W.C.T 表5-4 FG系列发光二极管的主要参数

型 参 号 红 FG314003 黄 数 发光颜色 耗散功率 /w 0.125 0.125 正向电流 /mA 50 50 正向 反向 波长 外形尺寸 封装形式 电压/V 电压/V /nm < 2.5 < 2.5

> 5 > 5 700 585 Ф5mm Ф5mm T T 表5-5 2EF系列发光二极管的主要参数

参 数 正向电压/V 2 2.5 最大工作电流/mA 50 40 反向电流 /μA ≤50 ≤50 波长 /nm 700 656 发光颜色 红 绿 GaAsP/ GaP GaP 全塑，圆形，Ф5mm 全塑，Ф5mm 材料 封装形式与外形 型 号 2EF102 2EF205

常用的进口稳压二极管有1N41××系列、1N46××系列、1N47××系列、1N52××系列、1N700系列、1N900系列、MTZ系列、MTZJ系列、RLZ系列。

3.光电二极管

利用半导体的光敏特性制造而成。它的结构与普通二极管基本相同，只是在它的PN结处，通过管壳顶部的一个透明玻璃窗口，PN结可直接接受外部的光照。在电路中，给光电二极管加反向偏置电压。无光照射时，因PN结反偏，电流很小；当有光照射时，产

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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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为了提高带负载能力,采用VT3射极输出。 三、晶闸管开关电路 1.晶闸管交流开关电路

图5-51是一种简单的双向晶闸管T控制主电路的无触点交流开关电路。闭合开关S，调节限流电阻R，若增大电阻R的阻值，使通过的电流小于晶闸管门极触发电流IGT，晶闸管在交流电过零时会自动关断主电路；但只要调节电阻R，使通过的电流等于或大于晶闸管门极触发电流IGT，双向晶闸管就可以在每半个周期中都导通，使主电路工作。因此，晶闸管交流开关电路的触发电路可以是其它无触点的、高低阻值变化的电路。电路处于高阻状态时，通过小电流，晶闸管不导通；电路处于低阻状态时，通过大电流，晶闸管导通。

这样的电路常用于一些自动控制电路中，例如路灯自动控制电路。当天黑光线暗到一定的程度时，光电转换电路出现低阻状态，输出触发电流，使双向晶闸管开关电路导通，路灯启动。反之，当天亮到一定程度时，光电转换电路出现高阻状态，输出的电流小于触发电流，双向晶闸管过零自动阻断，关闭路灯。这种无触点开关具有机械损耗小、通断时不产生火花、动作速度快、运行无噪声和自身耗电量小等优点。

图5-51 双向晶闸管无触点交流开关电路

2.晶闸管直流开关电路

下图5-52所示，为可关断晶闸管直流开关电路。其中VD和C分别为吸收二极管和吸收电容，R为放电电阻。

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图5-52 可关断晶闸管直流开关电路

四、汽车常用开关电路简介 1.点火电路

汽油发动机工作的前提是汽油与空气的混合气燃烧。混合气的燃烧必须由电火花点燃，那么电火花是怎样产生的呢？当高压电施加在气缸内的火花塞上时，使火花塞的两个电极（两电极之间的间隙很小，约0.6～1.2mm）之间放电，从而产生电火花。混合气被点燃后，对外做功，发动机开始了正常工作。

点火电路可分为触点式点火电路（传统点火电路）和电子点火电路等。我们以晶体管点火电路为例，来介绍点火过程。

（1） 晶体管点火电路的构成 晶体管点火电路是由点火开关S、断电器触点S1、电子点火组件、点火线圈、火花塞等组成的。如图5-53所示。其中，电子点火组件由两级直接耦合式开关电路构成；小功率三极管VT1的工作会受到点火开关S控制；而大功率三极管VT2又会受到VT1的制约，来接通或切断低压电路。

图5-53 晶体管点火电路

（2） 电路的工作过程 接通点火开关S，当分电器在凸轮轴驱动下转动，使触点S1

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闭合时，VT1因基极搭铁而截止，VT2在电源及偏置电阻R1、R2作用下而导通，点火线圈一次绕组W1有电流流过。

当分电器触点S1断开时，VT1获得正向偏置电压而导通，VT2失去正向偏置电压而截止，点火线圈一次绕组W1中的电流迅速减小，从点火线圈二次绕组W2中感应出高电压。

这种晶体管点火系统的优点是分电器触点S1通过的是VT1的基极电流，由于电流较小，延长了触点的使用寿命。并且适当增加了低压电流，增大了二次电压，改善了点火性能。

对于由微机控制的点火电路，微机根据发动机曲轴转速传感器等输入信号和相关控制程序，发出高电平或低电平信号控制信号，直接控制VT1的基极进行点火控制，可以实现更精确的控制。现代汽车都采用微机控制的点火。

2.汽车电压调节电路

汽车硅整流交流发电机由发动机带动，其转速由发动机转速来决定，而发电机的输出电压又与发电机的转速成正比。汽车行驶时发动机的转速变化范围很大，这对发电机的输出电压有很大影响。为使发电机输出电压在不同的转速下均能保持在某一允许的范围内，这就必须要有电压调节装置，当发电机的转速变化时，能够自动调节输出电压。

汽车电压调节器可分为触点式电压调节器和电子电压调节器。电子电压调节器又包括晶体管调节器和集成电路调节器。下面，我们以晶体管调节器为例，说明其工作过程。

（1） 晶体管调节器的组成 晶体管电压调节电路一般由三极管、稳压管、二极管以及电阻、电容等组成。如图5-54所示，调节电路由左至右依次分为信号检测部分、开关控制部分和电子开关部分。

信号检测部分的作用是检测出供电电压的高低，并将其变为一个信号电压；开关控制部分的作用是把这个信号电压变为控制电子开关通断的控制电压；而电子开关则是一个按照控制电压变化来通断发电机励磁绕组电路的开关装置。

（2） 晶体管调节器的工作过程 如图5-54所示，L为发电机的转子绕组，e1、e2、e3分别为发电机的定子绕组，U为蓄电池。如图，三极管VT3接在发电机的励磁电路中，当发电机电压低于规定的供电电压时，VT3截止，电子开关使励磁电路断开，发电机输出的电压下降。当发电机输出的电压下降到低于规定值后，VT3又导通，开关又接通励磁电

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路，使发电机输出的电压又重新升高。

图5-54 晶体管调节器

闭合点火开关S，蓄电池电压加在R1和R2两端。R2分得的电压U2通过三极管VT1

的发射极和二极管VD2加到稳压管VZ上，VZ承受反向偏置电压。当该反向电压小于它的击穿电压时，稳压管截止。VT1由于无基极电流而截止。VT2在R4的偏置作用下，有基极电流通过，所以VT2导通；由于VT2和VT3是复合管，因此VT3也导通，于是蓄电池通过VT3供给励磁绕组电流，其电路为：蓄电池正极→S→VT3→励磁绕组→搭铁。于是，发电机的输出电压上升。

当发电机电压随转速升高而超过规定值时，U2通过VT1和VD2加在VZ上的反向电压达到其击穿电压，稳压管VZ导通。于是VT1由于有基极电流通过而导通，VT2被短路而截止，同时VT3也截止，切断了励磁电路，使发电机的输出电压下降。

如此往复工作，发电机输出的电压就被保持在规定值。

本章小结

1.半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料是硅和锗，都是四价元素。单晶硅和单晶锗的结晶纯度达到一定值时，称为本征半导体，它的导电能力决定于载流子的数目和速度。

2.在本征半导体中掺入微量5价元素形成N型半导体，在本征半导体中掺入微量3

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价元素形成P型半导体。N型和P型半导体放在一起时，在交界区域形成PN结。PN结具有单向导电性。

3.二极管是利用PN结的单向导电性工作的半导体器件，用于控制电路的通断。二极管正向导通后，硅管的正向压降约为0.7V，锗管的正向压降约为0.3V。按用途可将二极管分为稳压二极管、发光二极管、光电二极管等类型。

4.三极管有导通、截止和放大三种工作状态。它由三层半导体、两个PN结组成，共有三个接线端连接外电路，即基极B、发射极E、集电极C。按用途可分为放大三极管、开关三极管、光敏三极管等多种类型。

5.晶闸管是最基础的电力电子器件。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。由四层半导体、三个PN结组成，引出三个电极分别为阳极A、阴极K、门极G。

6.放大电路是一种最常用的模拟电子电路，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。通过静态分析可以计算放大电路的静态工作点，确定电路工作状态。通过动态分析可以估算放大电路的性能指标。放大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。

7.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，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。多级放大电路能够得到较大的输出信号电压。功率放大器要求输出足够大的功率、效率高、非线性失真小。实际中多采用甲乙类互补对称功率放大电路。

8.汽车点火电路可分为触点式点火电路和电子点火电路。晶体管点火电路是由点火开关、断电器触点、电子点火组件、点火线圈、火花塞等组成的。当断电器触点打开时，点火线圈一次绕组中电流迅速减小，使二次绕组感应出高电压。高压电施加在气缸内的火花塞上时，产生电火花，点燃混合气，驱动发动机工作。

9.汽车电压调节装置可分为触点式电压调节器和电子电压调节器。电子电压调节器又包括晶体管调节器和集成电路调节器。晶体管电压调节电路由三极管、稳压管、二极管以及电阻、电容等组成。当发电机电压低于规定的供电电压时，电子开关使发电机励磁电路断开，发电机输出的电压下降。当发电机输出电压下降到低于规定值后，电子开关又接通

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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

2

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5-45 差动放大电路

差动放大电路如图5-45所示。它是在图5-44的基础之上增加了一个公共的发射极电阻Re；图中Rw（调零电位器），用它来调节IC1 = IC2；辅助电源-UCC的作用是补偿Re上的直流压降，以保证管子有合适的静态工作点。此外，采用双电源供电，可以使UB1＝UB2≈0，从而使电路既能适应正极性输入信号，也能适应负极性输入信号，扩大了应用范围。

五、功率放大电路

多级放大电路的末级或末前级一般都是功率放大级，以将前置电压放大级送来的低频信号进行功率放大，去推动负载工作。例如使扬声器发声，使电动机旋转，使继电器动作，使仪表指针偏转等等。电压放大电路和功率放大电路都是利用晶体管的放大作用将信号放大，所不同的是，前者目的是输出足够大的电压，而后者主要是要求输出最大的功率；前者是工作在小信号状态，而后者工作在大信号状态。两者对放大电路的考虑有各自的侧重面。

对功率放大电路的基本要求如下：

1.在不失真的情况下能输出尽可能大的功率

为了获得较大的输出功率，往往让它工作在极限状态，但要考虑到晶体管的极限参数PCM、ICM和U(BR)CEO。由于信号大，功率放大电路工作的动态范围大，这就要考虑到失真问题。

2.由于功率较大，要求提高效率

所谓效率，就是负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比值。 效率、失真和输出功率这三者之间互有影响，首先讨论提高效率的问题。

放大电路有三种工作状态，如图5-46(a)所示。甲类工作状态：指静态工作点Q大致

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在负载线的中点。我们之前所讲的电压放大电路就是工作在这种状态。在甲类工作状态，当无信号输入时，电源功率全部消耗在管子和电阻上，以管子的集电极损耗为主；当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率PO，信号越大，输出功率也越大；但不论有无输入信号，电源供给的功率PE=UCCIC总是不变的。在理想情况下，甲类功率放大电路的最高效率也只能达到50%。

图5-46 放大电路的工作状态 (a)甲类 (b)甲乙类 (c)乙类

若要提高效率，可以减小电源供给的功率。这就要在UCC一定的条件下使静态电流IC

减小，即将静态工作点Q沿负载线下移，如图5-46(b)所示，这种称为甲乙类工作状态。若将静态工作点下移到IC=0处，则管耗更小，这种称为乙类工作状态，如图5-46(c)所示。在甲乙类和乙类状态下工作时，电源供给的功率应为PE=UCCIC（AV），式中IC（AV）为集电极电流的平均值，而在甲类状态下工作时，集电极电流的静态值即为其平均值。

由图5-46可知，在甲乙类和乙类状态下工作时，虽然提高了效率，但产生了严重的失真。为此下面介绍工作于甲乙类和乙类状态的互补对称放大电路。它既能提高效率，又能减小信号波形的失真。

常用的互补对称放大电路有OTL和OCL两种。 1.OTL的互补对称放大电路

OTL是指无输出变压器。传统的功率放大电路采用变压器耦合，经输出变压器与负载连接。而OTL互补对称放大电路采用大容量电容器CL与负载耦合，没有输出变压器。

如图5-47所示，是无输出变压器互补对称放大电路，VT1（NPN）和VT2（PNP）是两个不同类型的三极管，两管特性基本上相同。

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图5-47 OTL互补对称放大电路

在静态时，调节R3，使A点的电位为

1UCC；并获得合适的UB1B2(即R1和VD1、VD22串联电路上的电压)，使VT1和VT2两管工作于甲乙类状态。

当输入交流信号ui时，在ui正半周，VT1导通，VT2截止，电流ic1的通路如图5-47所示；在ui负半周，VT1截止，VT2导通，电容CL放电，电流ic2的通路如图5-47所示。因此，在输入信号ui的一个周期内，电流ic1和ic2以正反方向交替流过负载电阻RL，在RL上合成而得出一个交流输出信号电压uo。由于静态电流很小，功率损耗也很小，从而提高了效率（为了使输出波形对称，在电容CL放电时电压不能下降过多，因此CL的容量必须足够

大）。

2.OCL的互补对称放大电路

OCL是指无输出电容。OTL互补对称放大电路采用大容量的极性电容器CL与负载耦合，因而影响低频性能，并且无法实现集成化。因此，我们将电容CL除去转变成OCL电路，如图5-48所示，电路工作于甲乙类状态。

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图5-48 OCL互补对称放大电路

OCL电路需用正负两路电源。由于电路对称，静态时两管的电流相等，负载电阻RL

中无电流通过，两管的发射极电位VA＝0。当有信号输出时，两管轮流导通，其工作情况与OTL电路基本相同。

本节介绍了几种常见的基本放大电路，由于这些电路的放大倍数很有限，达不到使用要求，就出现了由这些基本放大电路构成的放大器，在下一章中就会学习到一种用途广泛的集成运算放大器。

第六节 基本开关电路

一、二极管开关电路

以二极管变光开关电路为例，介绍二极管的开关作用。

如图5-49所示，二极管VD 与开关S2并联在一起。当开关S1、S2都闭合时，灯E正常发光；当S1保持闭合、S2打开时，二极管在正向偏置电压的作用下导通，接通电路，灯E发暗光（此时二极管压降不可忽略）；若将S1打开，不管S2闭合与否，灯E都熄灭。该电路通过二极管的作用完成了电路中灯光变换的要求。

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图5-49 二极管变光开关电路

二、三极管开关电路

以三极管接近开关电路为例来分析三极管的开关作用。

以三极管振荡为核心组成的无触点开关是现在应用较多的按近开关，这种开关是当铁磁靠近（无须接触）它的三极管振荡器的空间磁场时，在铁磁体内部产生涡流，消耗振荡能量，使振荡减弱，直至最后停止振荡；而当铁磁体离开后，三极管振荡器重新恢复振荡，即振荡器的振荡取决于铁磁体是否接近开关。按近开关具有反应迅速、定位精确、寿命长以及没有机械碰撞等优点。目前已被应用于行程控制、定位控制以及各种安全保护控制等领域。

如图5-50所示，是其中一种接近开关电路，它是由LC振荡电路、开关电路及射极输出器三部分组成。由VT1组成振荡器，其中L2、C2组成选频电路，L1是反馈线圈，L3是输出线圈，L1、L2、L3三匝线圈绕在同一铁芯上。电路中，我们主要来理解开关电路的工作过程。

图5-50 晶体管接近开关电路

当铁磁体没有靠近开关时，振荡电路维持振荡，L3上有交流输出，经二极管VD1整流后使VT2获得足够偏流而工作于饱和导通状态，此时UCE2≈0，VT3截止，射极输出器无输出，接在输出端的继电器KM不通电。

当铁磁体接近开关时，铁磁体感应产涡流，由于涡流的去磁作用，削弱L1与L2之间的耦合，使得反馈量不足以维持振荡，因而振荡器被迫停振，L3上无交流输出，VT2截止，若R7远远大于R5，此时UCE2≈UCC，射极输出器输出也接近UCC，使继电器KM通电动作。

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