基本电路_二\三极管

一）半导体二极管

1．PN结的伏安特性

PN结的伏安特性描述了PN结两端电压u和流过PN结电流i之间的关系。图2.1 是PN结的伏-安特性曲线。可以看出:        

 

                  

                                                 图2.1

（1）当外加正向电压较小（u_I<U_ON）时，外电场不足以克服PN结内电场对多子扩散所造成的阻力，电流i几乎为0，PN结处于截止状态；

（2）当外加正向电压u_I大于U_ON时，正向电流i随u的增加按指数规律上升且i曲线很陡 。

     （3）当外加反向电压（u<0）时，反向电流很小, 几乎为0，用I_R表示；

     （4）当u ￡ U_(BR) 时,二极管发生电击穿,|u| 稍有增加,|i|急剧增大, u ? U_BR。

   把PN结外加正向电压导通、外加反向电压截止的性能称作单向导电特性.U_ON称作导通电压，也叫开启电压, U_(BR) 称作反向击穿电压，I_R称作反向电流。

   2．半导体二极管应用举例

半导体二极管是将PN结用外壳封装、加上电极引线构成。可以用作限幅电路、开关电路等。

（1）用作限幅电路

图2.2（a）是二极管电路。假设输入电压u _I是一周期性矩形脉冲，输入高电平U_IH=+5V、低电平U_IL=-5V，见图（b）。可以知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，u_O =u _I=+5V，负半周时，二极管截止，i_D?0，u_O ?0，对应波形见图中（c）所示。通过二极管电路，使输出电压负半周的幅度受到了限制。  

      

                      图2.2                                (C)

 (2)用作开关电路  

        在图2.2（a）所示的二极管电路中，假设二极管为理想二极管。可以知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，二极管可以看作只有很小（?0）压降的闭合开关，负半周时，二极管截止，i_D?0，二极管可以看作断开的开关。 在数字电路中，二极管常被当做开关使用。

（二）双极型三极管                            

   1． 双极型三极管及其三种工作状态         

NPN硅三极管的共射输出特性如图2.3所示。

把I_B=0这条曲线以下部分称为截止区,此时,三极管各极电流i_B?i_C?0,对应三极管截止的条件是u_BE<0.5V；在特性的中间部分,曲线是一族近似水平的直线,这个区域称为放大区,此时,I_c=bI_B, 对应三极管放大的条件是u_BE30.5V. u_BC<0V；把输出特性靠近纵轴的上升部分,对应不同的I_B值的各条曲线几乎重叠在一起的区域称为饱和区,此时,U_{C E}￡ U_{C ES},对应三极管饱和的条件是u_BE30.7V. u_BC>0V。

                      

            图2.3

2．三极管的主要参数

（1）共发射极电流放大系数b

共发射极电流放大系数b表示管子做成后，其收集电流和基区复合电流之比，是一个常数。

（2）集电极-发射极饱和电压U_CES

集电极-发射极饱和电压U_CES指管子饱和时，集电极-发射极间的管压降，小功率管￡0.3V。

（3）集电极最大电流I_CM

集电极最大电流I_CM指集电极允许流过的最大电流。

（4）集电极最大功率损耗P_CM

集电极最大功率损耗P_CM指集电极允许的最大功率。

（5）集电极-发射极击穿电压U_CEO

I_CM、P_CM、U_CEO是极限值，使用管子时，不要超过极限值。

 

（三）MOS场效应管

1．MOS场效应管的分类

MOS场效应管按其沟道和工作类型可分为四种：N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型。表2.1列出了四种场效应管的特点。

表2.1

	基片材料	漏源材料	导通沟道类型	阈值 电压	栅极工 作电压	漏源工作电压	其它特点
N沟道增强型	P	N	电子	UTN正	正	正	电子迁移率高，故速度快
P沟道增强型	N	P	空穴	UTP负	负	负	易做，速度慢
N沟道耗尽型	P	N	电子	UI负	零、正、负均可	正	速度较快，可在零栅压下工作
P沟道耗尽型	N	P	空穴	UI正			难制作

 2．特性曲线

图2.4示出了增强型NMOS管共源电路的转移特性和输出特性曲线。 

     

                 图2.4

图（a）的转移特性曲线描述MOS管栅源电压u_GS和漏极电流i_D之间的关系。因为u_GS是输入回路的电压，而i_D是输出回路的电流，故称转移特性。可以看出：

    当u_GS很小时：i_D基本上为0，管子截止；当u_GS大于U_TN（U_TN称作开启电压）时：i_D 随u_GS的增加而增加。

图（b）的输出特性曲线描述漏源电压u_DS和漏极电流i_D之间的关系。可以看出，它分作三个区域：

夹断区: u_GS <U_TN的区域 。在夹断区，管子处于截止状态，漏源间的等效电阻极高。漏极电流几乎为0，输出回路近似开路；

可变电阻区：u_GS >U_TN且u_DS较小的区域 。在可变电阻区，i_D和u_DS之间呈线性关系，u_GS值越大，曲线越陡，漏源间的等效电阻就越小；

恒流区：u_GS >U_TN且u_DS较大的区域 。在恒流区，i_D只取决于u_GS，而与u_DS无关。

表2. 2列出了MOS管工作在截止和导通状态时的条件及特点。

     表2.2

	NMOS管	PMOS管	特         点
截止	uGS TN	uGS >UTP	RDS非常大,相当于开关断开
导通	uGS 3 UTN	uGS ￡ UTP	rON非常小,相当于开关闭合

 

 二、教学要求

· 掌握PN结的单向导电特性、二极管导通电压U_ON的概念；

· 熟悉二极管的特性曲线；

· 了解开关二极管、整流二极管、稳压二极管的基本用途；

· 掌握双极型晶体三极管三个工作区的特点及参数；

· 熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法；

· 熟悉场效应管的分类和符号；

· 熟悉增强型NMOS管的特性曲线；

     · 了解MOS场效应管的主要参数。

三、例题解析（答案供参考） 

     例2.1  在图P2.1（a）（b）（c）所示的电路中，设二极管为理想二极管，输入电压 ，    输入波形如图（d），试分别画出各电路输出u_o的波形。

              

         

 

         解：分析二极管电路，要抓住二极管导通和截止的条件和特点。设理想二极管的导通电压为0V，导通时，管压降为0V（非理想状态一般为0.7V）；二极管两端的正向电压小于0.5V时，管子截止，i_D?0。抓住这些要点，可以知道在输入图（d）所示波形的情况下，

图（a）电路中，在输入信号的正半周，二极管导通，输出电压等于管压降，约为0V，在输入信号的负半周，二极管截止，i_D?0，电阻上的压降?0，输出电压等于输入电压，u_O?u_I；

图（b）电路中，在输入信号的正半周，二极管导通，管压降约为0V，输出电压约等于输入电压，u_O?u_I；在输入信号的负半周，二极管截止，i_D?0，电阻上的压降?0，输出电压等于0；

图（c）电路中，在输入信号的正半周，二极管因反向偏置而截止，i_D?0，电阻上的压降?0，输出电压等于0；在输入信号的负半周，二极管导通，管压降约为0V，输出电压约等于输入电压。相应波形见答图P2.1。

答图P2.1

例2.2  在图P2.2中，若已知管子的导通电压U_ON=0.6V，b=80，管子导通后U_BE =0.7V，U_CES =0.3V，若输入电压u_I幅值为5V、频率为1kHz的脉冲电压源，试分析：

（1）当u_I= U_IL=0V和u_I= U_IH=5V时三极管的工作状态（放大、饱和、截止）；

（2）若R_b值不变，求电路工作在临界饱和区时R_C的最小值；

（3）若R_C值不变，求电路工作在临界饱和区时R_b的最大值。 

           

 

 

 

 

 

图P2.2  

解：分析三极管电路。同样要抓住三极管三种工作状态的条件和特点。

（1）当u _I =U_IL=0时：

    由于u _I < U _ON =0.6V时，管子工作在截止状态；

       当u _I =U_IH=5V时：三极管导通

      i _B =（5-0.7）/40=0.1075mA，  i _c =80′0.1075=8.6 mA，

      u _CE = U _CC- i _c R _c =12-8.6′2= -5.2V，故可判断出管子工作在饱和状态

       [ i _cS =（U _CC- U _CES）/R _c]=（12-0.3）/2=5.85mA，I _BS = I _CS /b = 0.073mA，i _B > I _BS]

    （2）固定R_b值不变，求临界饱和时的R _cmin

   临界饱和时，i _B 3 I _BS= I _CS /b= ，Rc3 ，可解得R_cmin=1.4KW。

   （3）固定R_C值不变，求临界饱和时的R _bmax

临界饱和时，i _B =  3 I _BS ，      R _b￡（5-0.7）/ 0.07，可解得R _bmax=61 KW。