半导体器件、基本放大电路

电工技术半导体器件与基本放大电路。半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信 号和进行能量转换。基本放大电路是电路的一种，可以应用在电路施工中。基本放大电路输入电阻很低，一般只有几欧到几十欧，但其输出电阻却很高。

半导体器件

• 半导体的导电特性
  • 1. 导电性能
    • 导体
    • 绝缘体
    • 半导体:导电性能具有可控性
      • 本征半导体（导电弱）
        • 不含杂质
        • 无晶格缺陷
        • 最外层有4 个电子→共价键
        • 在热或光激发下，共价电子脱离束缚→两种载流子
          • 空穴
            • 空穴吸引临近电子填补=空穴的迁移→空穴是载流子
          • 自由电子
      • 导电能力～载流子浓度～温度
      • 杂质半导体:本征半导体+微量元素→导性发生变化
        • N型（负电）:
          • 硅或锗+5价磷→自由电子浓度升高
          • 多子:电子←掺杂浓度
          • 少子:空穴←温度
        • P型（正电）:
          • 硅或锗晶体+3价硼→空穴浓度升高
          • 多子:空穴←掺杂浓度
          • 少子:电子←温度
        • 杂质半导体中起导电作用的主要是多子，多子数量取决于掺杂浓度，少子数量取决于温度
• PN结及其单项导电性
  • 物质因浓度差产生的运动→扩散
  • 扩散运动使P区和N区的多子浓度降低产生内电场
    • 内电场力阻止扩散运动→漂移运动
      • 扩散运动=漂移运动→动态平衡=PN结形成
  • 外接电压
    • PN结加正向电压（正向结法，正向偏置）
      • 耗尽层变窄~运动加剧～外电源作用产生扩散电流~PN结处于导通状态
    • PN结加反向电压（反向结法，反向偏置）
      • 耗尽层变宽，阻止扩散运动～加剧漂移运动~电流量小～PN结截止
• 二极管
  • 基本结构
    • 点接触型
      • 结面积小、结电容小、正向电流小，适用于高频小功率工作，也用于数字电路中的开关原件
    • 面接触型
      • 结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路
    • 平面型
      • 用于集成电路制作工艺中。PN结可大可小，用于高频整流和开关电路中
  • 伏安特性
    • 
      • 外加电压大于死区电压，二极
      • 外加电压大于反向击穿电压二管才 能导通。极管被击穿，失去单向导电性。
  • 主要参数
    • (1)最大整流电流Iov
      • 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
    • (2)反向工作峰值电压U RWM
      • 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UnR的一-半或三分之二。二极管击穿后单向导电，性被破坏，甚至过热而烧坏。
    • (3)反向峰值电流IRM
      • 指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流越小，表明管子的单向导电性能越好，温度对最大反向电流的影响很大，使用时应注意。
• 稳压二极管
  • 特殊二极管
    • 光电二极管
    • 发光二极管
    • 稳压二极管
      • 符号
        • 
      • 伏安特性
        • 
          • 稳压二极管正常工作时加 反向电压。
          • 稳压二极管反向击穿后， 电流变化很大，但其两端电压 变化很小，利用此特性,稳压 管在电路中可起稳压作用。
      • 主要参数
        • ①稳定电压Uz
          • 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。
        • ②电压温度系数au
          • 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。
        • ③动态电阻
          • r，愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。
        • ④稳定电流I公最大稳定电流IzM
        • ⑤最大允许耗散功率
          • PzM=UzIzM
• 双极型晶体管
  • 基本结构
    • 平面型
    • 
    • 结构示意图和表示符号
      • 
    • 结构特点
      • 
  • 电流分配和放大原理
    • (1)晶体管放大的外部条件
      • 发射结正偏、集电结反偏
        • 从电位的角度:
          • NPN Vp>Vg Vc>Vg
          • PNP Vp<VEVc<Vg
            • 
    • (2)各电极电流关系及电流放大作用
      • 
        • 设Ucc=6V，改变可变电阻Rp,则基极电流Ip、集电极电流Ic和发射极电流Ip都发生变化。
          • 
    • (3)晶体管内部载流子的运动规律
      • 子主题
        • 
  • 特性曲线
    • 输入特性
      • 
    • 输出特性
      • 
        • 放大区
          • 子主题
        • 截止区
          • 
        • 饱和区
          • 
      • 判定状态
        • 
  • 主要参数
    • (1)电流放大系数β, β (共发射极电路)
      • 直流电流放大系数
        • 
      • 交流电流放大系数
        • 
          • 
    • (2)极间反向电流
      • 包括集-基极反向截止电流IcBo和集- 射极反向截止电流IcEo,其中Icpo=(1+B)IcBO，两者受温度影响大，其值越小越好。
    • (3)极限参数
      • 子主题
        • 包括IcM、UBR)CEo和Pcv三个极限参数。
          • 
• 光电器件
  • 发光二极管
    • 发光二极管是一种将电能转换成光能的半导体器件，简称为LED。它的PN结是由磷砷化镓、镓铝砷或磷化镓等材料制成,具有单向导电性。
    • 当PN结正向导通时，由于电子和空穴的复合会释放出能量,产生出光子，因而二极管便发出一定颜色的光。
    • 符号
      • 
  • 光电二极管
    • 光电二极管是利用半导体材料的光敏特性制成
    • 符号
      • 
    • 光电二极管正常工作时应为反向接法。 光电二极管可以作为光电控制器件或用来进行光的测量。
• 基本放大电路
  • 共发射极放大电路的组成
    • 组成
      • 
        • 
    • 基本放大电路各原件的作用
      • (1)晶体管T的作用
        • 放大元件满足ic=βip, T应工作在放大区,即保证集电结反偏，发射结正偏。
      • (2)集电极电源Ucc的作用
        • 集电极电源Ucc作用,是为电路提供能量。并保证集电结反偏。
      • (3)集电极电阻Rc的作用
        • 集电极电阻R。的作用.是将变化的电流转变为变化的电压，以实现电压的放大。
      • (4)基极电阻Rp的作用
        • 基极电阻Rp能提供合适的静态工作点。并保证发射结正偏。
        • (5)耦合电容C和C,作用
          • a.隔直作用
            • 隔离输入、输出与电路的直流通道。
          • b.交流耦合作用
            • 能使交流信号顺利通过。
    • 放大电路的电压放大作用
      • 
        • 结论: (1) 无输入信号电压时，晶体管各电极都是恒定的电压和电流:Ip、Ugp和Ic UcE。
          • 
            • 
        • 结论: (2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了-一个交流量，但方向始终不变。
          • 
        • (3)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。
          • 
        • (4)输出电压与输入电压在相位上相差180°，即共发射极电路具有反相作用。
  • 放大电路的静态分析
    • 静态
      • 放大电路无信号输入(u;=0)时的工作状态。
    • 静态分析
      • 确定放大电路的静态值。一静态 工作点Q: Ip、 Ic UcE
    • 分析方法
      • 估算法
        • (1)直流通路估算Ig
          • 
        • (2)由直流通路估算UcE、Ic
          • 根据电流放大作用Ic=βIp+1cEo≈βIp≈βIp 由KVL: Ucc=IcRc+Ucx所以Ucr=Ucc-IcRc
      • 图解法
        • 优点
          • 能直观的分析和了解静态值的变化对放大电路的影响
        • 步骤
          • (1)用估算法确定Ip，
          • (2)由输出特性确定Ic和UcE
            • 
        • 
    • 分析对象
      • 各极电压电流的直流分量。
    • 所用电路
      • 放大电路的直流通路。
    • 设置Q点的目的:
      • (1)使放大电路的放大信号不失真;
      • (2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。
  • 放大电路动态分析
    • 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Ay输入电阻r、、输出电阻r。等。
      • 1.电压放大倍数的计算
        • 
      • 2.放大电路输入电阻的计算
        • 放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是-一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。
          • 
        • 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。
          • 
      • 3.放大电路输出电阻的计算
        • 放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是-一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。
        • 输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此-般总是希望得到较小的输出电阻。
          • 
  • 静态工作的稳定
    • 1.温度变化对静态工作点的影响
      • Q点的原理，在固定偏置放大电路中，当温度升高时，UBE↓、 β↑、IcBo↑。
        • 
          • 上式表明，当Ucc和Rp- -定时，Ic与 UE、β以及IcEo有关，而这三个参数随温度而变化。
            • 
              • 温度升高时，Ic将增加， 使Q点沿负载线上移。
      • 参数的选择
        • 从Q点稳定的角度来看似乎I2、 Vp越大越好。但I2越大，Rp1 Rp2必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。而Vp过高必使VE 也增高，在Ucc- -定时，势必使 Uce减小，从而减小放大电路输出 电压的动态范围。
          • 在估算时一般选取: I= (5 ~10)1g，Vg= (5 ~10) Upp, Rg1、R2的阻值-般为几十千欧。
      • Q点稳定的过程
        • Rp:温度补偿电阻
          • 对交流: Rp 越大,交流损 失越大，为避免交流损失加
          • 对直流: Rr 越大,稳定Q 点效果越好;
  • 放大电路的频率特性
  • 射极输出器
    • 静态分析
      • 
    • 动态分析
      • 电压放大倍数
        • 
          • 电压放大倍数A,s1且输入输出同相，输出电压跟随 | 输入电压，故称电压跟随器。
      • 输入电阻
        • 
      • 输出电阻
        • 
      • 共集电极放大电路(射极输出器)的特点:
        • 
          • 1.电压放大倍数小于1，约等于1;
          • 2.输入电阻高;
          • 3.输出电阻低;
          • 4.输出与输入同相。
  • 差分放大电路
    • 直接耦合
      • 将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。
        • 
    • 直接耦合存在的两个问题:
      • (1)前后级静态工作点相互影响
      • (2)零点漂移
        • 零点漂移:指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。
          • 
        • 产生的原因:晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。
    • 零点漂移的危害:
      • 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 Au
      • 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。 Au
      • 一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电压作为衡量零点漂移的指标。 Au
        • 
      • 只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。.
    • 静态分析
      • 
        • 两个输入、两个输出;两管静态工作点相同。 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。
          • 零点漂移的抑制
            • 静态时，u;n= u{2=0u.=Vc1- Vc2=0 当温度升高时- >Ic↑- >VC↓(两管变化量相等) u。=(Vc1+OVc1 )-(Vc2+△Vc2)=0 对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。若采用单端输出，无法抑制零点漂移。
          • 分析计算
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    • 动态分析
      • (1)共模信号u1=up2 大小相等、极性相同。
        • 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。
        • 差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。
      • (2)差模信号 un=-up大小相等、极性相反
        • 两管集电极电位一减- -增 ，呈等量异向变化，uo=(Vc1-△Vc1 )-(Vc2+O Vc1 )=- 20Vc1即对差模信号有放大能力。
    • 
      • 
  • 互补对称功率放大电路
    • 对功率放大电路的基本要求
      • (1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。
      • (2)由于功率较大，要求提高效率。
        • 
    • 互补对称放大电路
      • 互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电路。 OTL电路采用单电源供电，OCL电路采用双电源供电。
    • 集成功率放大电路
      • 目前集成功放电路获得了广泛的应用，其内部电路一般均为OTL或OCL电路,集成功放除了具有分立元件OTL或OCL电路的优点外，还具有体积小、工作稳定可靠、使用方便等优点。 低频集成功放的种类很多，下面以LM386为例作一简 单介绍。LM386是一种低电压通用型低频集成功放。该电路功耗低、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少，广泛用于收录机、对讲机、电视伴音等 系统中。
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  • 场效晶体管放大电路
    • 绝缘栅场效晶体管
    • 场效晶体管放大电路