模拟电子技术基础课件多媒体

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1、多媒体教学课件多媒体教学课件模拟电子技术基础模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics童诗白、华成英主编童诗白、华成英主编第第四四版版童童诗诗白白11. 本课程的性质本课程的性质 电子技术基础课电子技术基础课2. 特点特点 非纯理论性课程非纯理论性课程 实践性很强实践性很强 以工程实践的观点来处理电路中的一些问题以工程实践的观点来处理电路中的一些问题3. 研究内容研究内容 以器件为基础、以电信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作以器件为基础、以电信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。原理、特点及性能指标等。4. 教学目标教学目标

2、 能够对一般性的、常用的模拟电子电路进行分析，同时对较简单能够对一般性的、常用的模拟电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。的单元电路进行设计。导导 言言第第四四版版童童诗诗白白25. 学习方法学习方法 重点掌握基本概念；基本电路的结构、性能特点；基本分析估算方法。重点掌握基本概念；基本电路的结构、性能特点；基本分析估算方法。6. 课时及成绩评定标准课时及成绩评定标准课时：课时：80学时学时=64(理论）理论）+16（实验）（实验）平时平时10%+实验实验30%+卷面卷面60%7. 教学参考书教学参考书 康华光主编，康华光主编，电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分 第三版，高教

3、出版社第三版，高教出版社 陈大钦主编，陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题模拟电子技术基础问答：例题 试题试题， 华科大出版社华科大出版社 陈陈 洁主编，洁主编， EDA软件仿真技术快速入门软件仿真技术快速入门- Protel99SE+Multisim10+Proteus 7 中国电力出版社中国电力出版社 导导 言言第第四四版版童童诗诗白白3目录目录1 常用半导体器件常用半导体器件（10学时）学时）2 基本放大电路基本放大电路（8学时）学时）3 多级放大电路多级放大电路4 集成运算放大电路集成运算放大电路（4学时）学时）5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应（6学时）学时）6 放大电路中的

4、反馈放大电路中的反馈（6学时）学时）7 信号的运算和处理信号的运算和处理（6学时）学时）8 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换（6学时）学时）9 功率放大电路功率放大电路（4学时）学时）10 直流稳压电源直流稳压电源（8学时）学时）第第四四版版童童诗诗白白（6学时）学时）4第第四四版版童童诗诗白白电子技术电子技术: : 通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成电路等电子元器件组成并具有一定功能的电路称为电子电路等电子元器件组成并具有一定功能的电路称为电子电路，简称为电路。电路，简称为电路。 一个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组一

5、个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组成，功能电路主要有：放大器、滤波器、信号源、波形成，功能电路主要有：放大器、滤波器、信号源、波形发生电路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟发生电路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟/数数字转换器等。字转换器等。 电子技术就是研究电子技术就是研究电子器件电子器件及及电路系统电路系统设计、分析设计、分析及制造的工程实用技术。目前电子技术主要由及制造的工程实用技术。目前电子技术主要由模拟电子模拟电子技术技术和和数字电子技术数字电子技术两部分组成。两部分组成。 在电子技术迅猛发展的今天，电子电路的应用在日在电子技术迅猛发展的今天，电子电路的应用在日常生

6、活中无处不在，小到门铃、收音机、常生活中无处不在，小到门铃、收音机、DVD播放机、播放机、电话机等，大到全球定位系统电话机等，大到全球定位系统GPS（Global Positioning Systems）、雷达、导航系统等。）、雷达、导航系统等。5第第四四版版童童诗诗白白模拟电子技术：模拟电子技术： 模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。 模拟信号就是幅度连续的信号，如温度、压力、流量等。模拟信号就是幅度连续的信号，如温度、压力、流量等。 数字电子技术主要研究处理数字信号的电子电路。数字电子技术主要研究处理数字信号的电子电路。 数字信号通常是指

7、时间和幅度均离散的信号，如电报信数字信号通常是指时间和幅度均离散的信号，如电报信号、计算机数据信号等等。号、计算机数据信号等等。时间时间时间时间幅度幅度幅度幅度 T 2T 3T 4T 5T 6T数字电子技术：数字电子技术：6第第四四版版童童诗诗白白第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 双极型晶体管双极型晶体管 1.4 场效应管场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件集成电路中的元件7本章讨论的问题：本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗空穴是一种载流

8、子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是什么是N型半导体？什么是型半导体？什么是P型半导体？型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在有单向性？在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？结中另反向电压时真的没有电流吗？5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？们都可以用于放大？1.为什么采

9、用半导体材料制作电子器件？为什么采用半导体材料制作电子器件？第第四四版版童童诗诗白白81.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体纯净的具有晶体结构的半导体导体：体：自然界中很容易自然界中很容易导电的物的物质称称为导体体，金属，金属一般都是一般都是导体。体。绝缘体：体：有的物有的物质几乎不几乎不导电，称，称为绝缘体体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半半导体：体：另有一另有一类物物质的的导电特性特性处于于导体和体和绝缘体体之之间，称，称为半半导体体，如，如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、

10、氧化物等。一、一、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体第第四四版版童童诗诗白白9半半导体体的的导电机理不同于其它物机理不同于其它物质，所以它，所以它具有不同于其它物具有不同于其它物质的特点。例如：的特点。例如：当受外界当受外界热和光的作用和光的作用时，它的它的导电能力明能力明显变化。化。往往纯净的半的半导体中体中掺入某些入某些杂质，会使它的会使它的导电能力明能力明显改改变。光敏器件光敏器件二极管二极管第第四四版版童童诗诗白白10+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体体 称为本征半导体称为本征半导体

11、将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图二二、本征半导体的、本征半导体的晶体结构晶体结构当当温温度度 T = 0 K 时时，半半导导体体不不导导电电，如如同同绝缘体。绝缘体。第第四四版版童童诗诗白白第第四四版版童童诗诗白白11+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由

12、电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。三三、本征半导体、本征半导体中的两种载流子中的两种载流子（动画1-1） （动画1-2）第第四四版版童童诗诗白白12四、本征半导体中本征半导体中载流子的浓度载流子的浓度在一定温度下在一定温度下本征半本征半导体中体中载流子的浓度是一定的，载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半本征半导体中体中载流子的浓度公式：载流子的浓度

13、公式：T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.431010/cm3本征锗的电子和空穴浓度本征锗的电子和空穴浓度: : n = p =2.381013/cm3ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT)本征激发本征激发复合复合动态平衡动态平衡第第四四版版童童诗诗白白131. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由

14、电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni = pi 。4. 由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又 不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。小结：小结：第第四四版版童童诗诗白白141.1.21.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体

15、型半导体P 型半导体型半导体一、一、 N 型半导体型半导体(Negative)在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体( (或或称称电电子子型型半导体半导体) )。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。第第四四版版童童诗诗白白15 本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中 4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多

16、多余余一一个个电电子子只只受受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电子称为多数载流子电子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子。施主原子。第第四四版版童童诗诗白白16+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.3N 型半导体型半导体第第四四版版童童诗诗白白17二、二、 P 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中

17、中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为多数载流子为多数载流子，电子为少数载流子。，电子为少数载流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。第第四四版版童童诗诗白白18图图 1.1.4P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3受主受主原子原子空穴空穴第第四四版版童童诗诗白白19说明：说明：1. 掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决 定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂

18、质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法第第四四版版童童诗诗白白20 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成

19、了一个特殊的薄层，成了一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成一、一、PN 结的形成结的形成1.1.3PN结结第第四四版版童童诗诗白白21 PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩扩 散散运运动动形形成成空空间电荷区间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩散运动。扩散运动。 PN 结结，耗尽层。耗尽层。PN （动画1-3）第第四四版版童童诗诗白白223. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空空间间电电荷荷区区正

20、正负负离离子子之之间间电电位位差差 Uho 电电位位壁壁垒垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内内 电电 场场有有利利于于少少子子运动运动漂移。漂移。 少少 子子的的 运运 动动 与与多多 子子 运运 动动方向相反方向相反 阻挡层阻挡层第第四四版版童童诗诗白白235. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时，PN 结结总

21、总的的电电流流等等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。对称结对称结即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结不对称结第第四四版版童童诗诗白白24二、二、 PN 结的单向导电性结的单向导电性1. PNPN结结结结 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.1.6PN什么是什么是PN结的单向结的单向

22、导电性？导电性？有什么作用？有什么作用？第第四四版版童童诗诗白白25在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. PN PN 结结结结外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了内电场的作用；了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大于扩散电流，电路中产生反向

23、电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第第四四版版童童诗诗白白26耗尽层耗尽层图图 1.1.7PN 结加反相电压时截止结加反相电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第第四四版版童童诗诗白白27 当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的正向电流，的正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当

24、 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几乎等于零，几乎等于零， PN 结处于结处于截止状态截止状态。 （动画1-4） （动画1-5）综上所述：综上所述：可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。第第四四版版童童诗诗白白28IS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， UT 26 mV三、三、 PN 结的电流方程结的电流方程PN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为公式推导过程略公式推导过程略第第四四版版童童诗诗白白29四、四、PN结的伏安特性结的

25、伏安特性i = f ( (u ) )之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu / V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性图图 1.1.10PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿第第四四版版童童诗诗白白30五、五、PN结的电容效应结的电容效应当当PN上的电压发生变化时，上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩

26、散电容1. 势垒电容势垒电容Cb是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV第第四四版版童童诗诗白白31空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，如如同同电电容容的放电和充电过程。的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：由由于于 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 u 而而变变化化，因因此此势势垒垒电电容容 Cb不不是是一一个个常常数数。其其

27、Cb = f ( (U) ) 曲线如图示。曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；：结面积；l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OuCb图图 1.1.11（b)第第四四版版童童诗诗白白322. 扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在在某某个个正正向向电电压压下下，P 区区中中的的电电子子浓浓度度 np( (或或 N 区区的的空空穴穴浓度浓度 pn) )分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x = 0 处处为为 P 与与 耗耗尽层的交界处尽层的交界处当当电电压压加加大大，np

28、 ( (或或 pn) )会会升升高高，如曲线如曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之浓度会降低) )。OxnPQ12 Q当当加加反反向向电电压压时时，扩扩散散运运动动被被削弱，扩散电容的作用可忽略。削弱，扩散电容的作用可忽略。 Q正正向向电电压压变变化化时时，变变化化载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生变变化化，相相当当于于电电容容器器充充电和放电的过程电和放电的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.1.12PNPN 结结第第四四版版童童诗诗白白33综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分两部分。

29、Cb 和和 Cd 值值都都很很小小，通通常常为为几几个个皮皮法法 几几十十皮皮法法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。第第四四版版童童诗诗白白34 1.2 半导体二极管半导体二极管在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个

30、二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型图图1.2.11.2.1二极管的几种二极管的几种外形外形第第四四版版童童诗诗白白351 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图1.2.1半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和变电容小，用于检波和变频等高频电路。频等高频电路。第第四四版版童童诗诗白白363 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和

31、开关电路中。用于高频整流和开关电路中。2 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型4二极管的代表符号二极管的代表符号D第第四四版版童童诗诗白白37 1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.7一、伏安特性一、伏安特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏

32、安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2V第第四四版版童童诗诗白白38二、温度对二极管伏安特性的影响二、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。具有负温度系数。 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020温度增加温度增加第第四四版版童童诗诗白白39 1.2.3 二极管的参数二极管的参数(1) 最大整流电流最大整流电流IF(2) 反向击穿电压反向击穿电压U

33、（BR）和最高反向工作电压和最高反向工作电压URM(3) 反向电流反向电流I IR R(4) 最高工作频率最高工作频率f fM M(5) 极间电容极间电容Cj在实际应用中，应根据管子在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的度等条件，选择满足要求的二极管。二极管。第第四四版版童童诗诗白白40 1.2.4 二极管二极管等效电路等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路 1. 理想模型理想模型第第四四版版童童诗诗白白

34、41 1.2.4 二极管二极管等效电路等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路 2. 恒压降模型恒压降模型第第四四版版童童诗诗白白42 1.2.4 二极管二极管等效电路等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路3. 折线模型折线模型第第四四版版童童诗诗白白43 二、二极管的微变等效电路二、二极管的微变等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下常温下（T=300

35、K）图图1.2.7二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路第第四四版版童童诗诗白白44 应用举例应用举例 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k ）VDD=10V 时时恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设第第四四版版童童诗诗白白451.2.5 稳压二极管稳压二极管一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性(a)符号符号(b)2CW17 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压稳压时

36、工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。电压。DZ第第四四版版童童诗诗白白46(1) 稳定电压稳定电压UZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)温度系数温度系数 VZ二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数第第四四版版童童诗诗白白47 稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 UO =UZ# # 不加不加不加不加R

37、R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？# # 上述电路上述电路上述电路上述电路U UI I为正弦波，且幅为正弦波，且幅为正弦波，且幅为正弦波，且幅值大于值大于值大于值大于U UZ Z ， U UOO的波形是怎样的波形是怎样的波形是怎样的波形是怎样的？的？的？的？（1 1）. .设电源电压波动设电源电压波动设电源电压波动设电源电压波动( (负载不变负载不变负载不变负载不变) )UI UOUZ IZUOUR IR （2 2）. .设负载变化设负载变化设负载变化设负载变化( (电源不变电源不变电源不变电源不变) ) I IOO P25P25例例例例1.2.21.2.2UOUI第第四四版版童童诗诗白白 R

38、 RL L 如电路参数变化？如电路参数变化？48例例1：稳压二极管的应用：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值U UZ Z=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Izminzmin=2mA=2mA，负载电阻，负载电阻R RL L=2k=2k ，输入电压，输入电压u ui i=12V=12V，限流电阻，限流电阻R=200 R=200 ，求，求iZ。若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5 k k - 4 - 4 k k ，是否还能稳压，是否还能稳压？第第四四版版童童诗诗白白49RLuiuO

39、RDZiiziLUZUZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳压管仍能起所以稳压管仍能起稳压作用稳压作用第第

40、四四版版童童诗诗白白50例例2：稳压二极管的应用：稳压二极管的应用解：解： ui和和uo的波形如图所示的波形如图所示 （UZ3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ第第四四版版童童诗诗白白51一、发光二极管一、发光二极管 LED ( (Light Emitting Diode) )1. 符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA， 导通电压导通电压 (1 2) V符号符号u /Vi /mAO2特性特性1.2.6其它类型的二极管其它类型的二极管第第四四版版童童诗诗白白52发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：

41、显示类型： 普通普通 LED ，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED ,第第四四版版童童诗诗白白53二、光电二极管二、光电二极管符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiOE = 200 lxE = 400 lx工作原理：工作原理：三、变容二极管三、变容二极管四、隧道二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管五、肖特基二极管无光照时，与普通二极管一样。无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。有光照时，分布在第三、四象限。第第四四版版童童诗诗白白541.3双极型晶体管双极型晶体管( (BJT) )又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。又称半导体三极管、

42、晶体三极管，或简称晶体管。( (Bipolar Junction Transistor) )三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：三极管有两种类型：NPN 型和型和 PNP 型。型。主要以主要以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形X：低频小功率管：低频小功率管D：低频大功率管：低频大功率管G：高频小功率管：高频小功率管A：高频大功率管：高频大功率管第第四四版版童童诗诗白白551.3.1晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图图1

43、.3.2a三极管的结构三极管的结构( (a) )平面型平面型( (NPN) )( (b) )合金型合金型( (PNP) )NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发射极，发射极，b基极，基极，c 集电极。集电极。发射区发射区集电区集电区基区基区基区基区发射区发射区集电区集电区第第四四版版童童诗诗白白56图图 1.3.2(b)三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP第第四四版版童童诗诗白白57集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电

44、极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.2三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号( (b) )PNP 型型第第四四版版童童诗诗白白581.3.2晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不不具具备备放大作用放大作用第第四四版版童童诗诗白白59三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1. 发射区高掺杂。发射区高掺杂。2. 基

45、基区区做做得得很很薄薄。通通常常只只有有几几微微米米到到几几十十微微米米，而而且且掺掺杂杂较较少少。三三极极管管放放大大的的外外部部条条件件：外外加加电电源源的的极极性性应应使使发发射射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3. 集电结面积大。集电结面积大。第第四四版版童童诗诗白白60becRcRb一、晶体管内部载流子的运动一、晶体管内部载流子的运动I EIB1.发射结加正向电压，扩散发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发到基区，基区的空穴扩散

46、到发射区射区形成发射极电流形成发射极电流 IE ( (基基区多子数目较少，空穴电流可区多子数目较少，空穴电流可忽略忽略) )。2. 扩扩散散到到基基区区的的自自由由电电子子与与空空穴穴的的复复合合运运动动形形成成基基极极电流电流电电子子到到达达基基区区，少少数数与与空空穴穴复复合合形形成成基基极极电电流流 Ibn，复复合合掉掉的的空穴由空穴由 VBB 补充补充。多数电子在基区继续扩散，到达多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。集电结的一侧。晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动第第四四版版童童诗诗白白61becI EI BRcRb3.集集电电结结加加反反向向电电压压，漂漂移移运动形成

47、集电极电流运动形成集电极电流Ic 集集电电结结反反偏偏，有有利利于于收收集集基基区区扩扩散散过过来来的的电电子子而而形形成成集集电电极极电流电流 Icn。其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC 。I C另另外外，集集电电区区和和基基区区的的少少子子在在外外电电场场的的作作用用下下将将进进行行漂漂移移运运动动而而形形成成反反向向饱饱和电流和电流，用用ICBO表示表示。ICBO晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动第第四四版版童童诗诗白白62beceRcRb二、晶体管的电流分配关系二、晶体管的电流分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC = ICn + ICBO IE=

48、 ICn + IBn + IEp = IEn+ IEpIB=IEP+ IBNICBOIE =IC+IB图图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流晶体管内部载流子的运动与外部电流第第四四版版童童诗诗白白63三、晶体管的共射电流放大系数三、晶体管的共射电流放大系数整理可得：整理可得：ICBO 称反向饱和电流称反向饱和电流ICEO 称穿透电流称穿透电流1、共射直流电流放大系数、共射直流电流放大系数2、共射交流电流放大系数、共射交流电流放大系数VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法共发射极接法第第四四版版童童诗诗白白643、共基直流电流放大系数、共基直流电流放大系数或或4、共基交流

49、电流放大系数、共基交流电流放大系数直直流流参参数数 与与交交流流参参数数 、 的的含含义义是是不不同同的的，但但是是，对对于于大大多多数数三三极极管管来来说说， 与与 ， 与与 的的数数值值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。5. 与与 的关系的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法共基极接法第第四四版版童童诗诗白白651.3.3 晶体管的共射特性曲线晶体管的共射特性曲线uCE = 0VuBE /V iB=f(uBE) UCE=const(2) 当当uCE1V时，时， uCB= uCE - - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，

50、集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，在同样的集电子，基区复合减少，在同样的uBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。(1) 当当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。一一. 输入特性曲线输入特性曲线uCE = 0V uCE 1VuBE /V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE第第四四版版童童诗诗白白66饱和区：饱和区：iC明显受明显受uCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般uCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压

51、很小小。iC=f(uCE) IB=const二、输出特性曲线二、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时， uBE小于死区电压，小于死区电压，集电结反偏集电结反偏。放大区：放大区：iC平行于平行于uCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。第第四四版版童童诗诗白白67三极管的参数分为三大类三极管的参数分为三大类: 直流参数、交流参数、极限参数直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数一、直流参数1.1.

52、共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1.3.4晶体管的主要参数2.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数3.集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+ ）ICBO第第四四版版童童诗诗白白68二、交流参数二、交流参数1.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = iC/ iB UCE=const2. 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = iC/ iE UCB=const3.特征频率特征频率 fT 值下降到值下降

53、到1 1的信号频率的信号频率第第四四版版童童诗诗白白691.最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率PCM PCM= iCuCE 三、三、 极限参数极限参数2.最大集电极电流最大集电极电流ICM3. 反向击穿电压反向击穿电压 UCBO发射极开路时的集电结反发射极开路时的集电结反 向击穿电压。向击穿电压。 U EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 UCEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 U UCBOUCEOUEBO第第四四版版童童诗诗白白70 由由PCM、 ICM和和U

54、CEO在输出特性曲线上可以确在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 PCM= iCuCE U (BR) CEOUCE/V第第四四版版童童诗诗白白711.3.5温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对一、温度对ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高100C ， ICBO增加约一倍。增加约一倍。反之，当温度降低时反之，当温度降低时ICBO减少。减少。硅管的硅管的ICBO比锗管的小得多。比锗管的小得多。二、温度对输入特性的影响二、温度对输入特性的影响温度升高时正向

55、特性左移，温度升高时正向特性左移，反之右移反之右移60402000.4 0.8I / mAU / V温度对输入特性的影响温度对输入特性的影响200600三、温度对输出特性的影响三、温度对输出特性的影响温度升高将导致温度升高将导致 IC 增大增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响第第四四版版童童诗诗白白72三极管工作状态的判断三极管工作状态的判断例例1：测量某测量某NPN型型BJT各电极对地的电压值如下，各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？试判别管子工作在什么区域？（1 1） V VC C 6V6V V VB B 0.7V0.7V V VE E 0

56、V0V（2 2） V VC C 6V6V V VB B 4V4V V VE E 3.6V3.6V（3 3） V VC C 3.6V3.6V V VB B 4V4V V VE E 3.4V3.4V解：原则：原则：正偏正偏反偏反偏反偏反偏集电结正偏正偏正偏正偏反偏反偏发射结饱和饱和放大放大截止截止对NPN管而言，放大时V VC C V VB B V VE E 对PNP管而言，放大时V VC C V VB B V VE E （1）放大区）放大区（2）截止区）截止区（3）饱和区）饱和区第第四四版版童童诗诗白白73例例2某放大电路中某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。三个电极的电流如图所示。 IA

57、-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。试判断管脚、管型。解：电流判断法。解：电流判断法。电流的正方向和电流的正方向和KCL。IE=IB+ ICABC IAIBICC为发射极为发射极B为基极为基极A为集电极。为集电极。管型为管型为NPN管。管。管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。第第四四版版童童诗诗白白74例例例例33：测测测测得得得得工工工工作作作作在在在在放放放放大大大大电电电电路路路路中中中中几几几几个个个个晶晶晶晶体体体体管管管管三三三三个个个个电电电电极极极极的的的的电电电电位位位位U U1 1

58、、U U2 2、U U3 3分别为：分别为：分别为：分别为： （1 1）U U1 1=3.5V=3.5V、U U2 2=2.8V=2.8V、U U3 3=12V=12V （2 2）U U1 1=3V=3V、U U2 2=2.8V=2.8V、U U3 3=12V=12V （3 3）U U1 1=6V=6V、U U2 2=11.3V=11.3V、U U3 3=12V=12V （4 4）U U1 1=6V=6V、U U2 2=11.8V=11.8V、U U3 3=12V=12V判判判判断断断断它它它它们们们们是是是是NPNNPN型型型型还还还还是是是是PNPPNP型型型型？是是是是硅硅硅硅管管管管还

59、还还还是是是是锗锗锗锗管管管管？并并并并确确确确定定定定e e、b b、c c。（1 1）U U1 1 b b、U U2 2 e e、U U3 3 c NPN c NPN 硅硅硅硅 （2 2）U U1 1 b b、U U2 2 e e、U U3 3 c NPN c NPN 锗锗锗锗 （3 3）U U1 1 c c、U U2 2 b b、U U3 3 e PNP e PNP 硅硅硅硅 （4 4）U U1 1 c c、U U2 2 b b、U U3 3 e PNP e PNP 锗锗锗锗原则：先求原则：先求UBE，若等于，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗，

60、为锗管。发射结正偏，集电结反偏。管。发射结正偏，集电结反偏。 NPN管管UBE0， UBC0，即即U UC C U UB B U UE E 。 PNP管管UBE0， UBC0，即即U UC C U UB B U UE E 。解：解：解：解：第第四四版版童童诗诗白白751.3.6光电三极管光电三极管一、等效电路、符号一、等效电路、符号二、光电三极管的输出特性曲线二、光电三极管的输出特性曲线ceceiCuCEO图图1.3.11光电三极管的输出特性光电三极管的输出特性E1E2E3E4E0第第四四版版童童诗诗白白76复习复习1.BJT放大电路三个放大电路三个 电流关系电流关系 ？IE =IC+IB2.

61、BJT的输入、输出特性曲线？的输入、输出特性曲线？uCE = 0V uCE 1VuBE /V3.BJT工作状态如何判断？工作状态如何判断？第第四四版版童童诗诗白白771.4场效应三极管场效应三极管场场效效应应管管：一一种种载载流流子子参参与与导导电电，利利用用输输入入回回路路的的电电场场效效应应来来控控制制输输出出回回路路电电流流的的三三极极管管，又又称称单单极极型三极管。型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小

62、小、体体积积小小、成本低。成本低。第第四四版版童童诗诗白白78N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管场效应管分类：分类：第第四四版版童童诗诗白白79DSGN符号符号1.4.1结型场效应管结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在在漏

63、漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电子电子可以导电。可以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。第第四四版版童童诗诗白白80P 沟道场效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区( (N+) )，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS第第四四版版童童诗诗白白81一、结型场效应管工作原

64、理一、结型场效应管工作原理N 沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变 UGS 大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流 ID 减减小小，反反之之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。第第四四版版童童诗诗白白821. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电

65、沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽第第四四版版童童诗诗白白831. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS UGS（Off) ，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off) ， iD 更小。更小。

66、GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )uGD uGS uDS 第第四四版版童童诗诗白白86GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD = UGS(off), 沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改改变变 uGS ，改改变变了了 PN 结结中中电电场场，控控制制了了 iD ，故故称称场场效应管；效应管； ( (2) )结结型型场场效效应应管管栅栅源源之之间间加加反反向向偏偏置置电电压压

67、，使使 PN 反反偏偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (d) )第第四四版版童童诗诗白白873.当当uGD uGS(off)时时 , uGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。在在uGD uGS uDS uGS(off)情况下情况下, 即当即当uDS uGS -uGS(off) 对应于不同的对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同

68、阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时， iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS ，而与而与uDS 无关。此时，无关。此时， 可以把可以把iD近似看成近似看成uGS控制的电流源。控制的电流源。第第四四版版童童诗诗白白89二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )O uGSiDIDSSUGS(off)图图 1.4.6转移特性转移特性uGS = 0 ，iD 最大；最大；uGS 愈负，愈负

69、，iD 愈小；愈小；uGS = UGS(off) ，iD 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UGS(off) ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSiDVDDVGGDSGV + +V + +uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA第第四四版版童童诗诗白白90 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2. 输出特性曲线输出特性曲线 当当栅栅源源 之之间间的的电电压压 UGS 不不变变时时，漏漏极极电电流流 iD 与与漏源之间电压漏源之间电压 uD

70、S 的关系，即的关系，即 结结型型场场效效应应管管转转移移特特性性曲曲线的近似公式：线的近似公式：第第四四版版童童诗诗白白91IDSS/ViD/mAuDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。可变电阻区、恒流区和夹断区。图图 1.4.5( (b) )漏极特性漏极特性输出特性输出特性（漏极特性）漏极特性）曲线曲线夹断区夹断区UDSiDVDDVGGDSGV + +V + +uGS图图 1.4.5(a)特性曲线测试电路特性曲

71、线测试电路+ + mA击穿区击穿区第第四四版版童童诗诗白白92结型结型P 沟道的特性曲线沟道的特性曲线SGD转移特性曲线转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线输出特性曲线iDUGS= 0V+ +uDS+ + +o o栅源加正偏电压，栅源加正偏电压，(PN结反偏结反偏)漏源加反偏电压。漏源加反偏电压。第第四四版版童童诗诗白白931.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Tra

72、nsistor 由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。第第四四版版童童诗诗白白94一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构P

73、型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.7N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDB第第四四版版童童诗诗白白951. 工作原理工作原理 绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管利利用用 UGS 来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由由这这些些“感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况，以控制漏极电流况，以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结，无无论论漏漏源源之之间间

74、加加何何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD第第四四版版童童诗诗白白96( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) )导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启启程程度，出现预夹断。度，出现预夹断。c. UDS UGS UT， UGD UT由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，UDS 逐逐渐渐增增大大时时，导导电电沟沟道道两两端端电电压压基基本本不不变，变， iD因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UTP 型衬底型衬底N+N

75、+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区第第四四版版童童诗诗白白98DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.9UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。此时，此时， 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。第

76、第四四版版童童诗诗白白993. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程( (a) )转移特性转移特性( (b) )输出特性输出特性UGS UT 时时) )三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流区流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断区。、夹断区。UT 2UTIDOuGS /ViD /mAO图图 1.4.10 ( (a) )图图 1.4.10 ( (b) )iD/mAuDS /VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加第第四四版版童童诗诗白白100二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制制造造过过

77、程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在 P 型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“反型层反型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0，UDS 0，产产生生较较大的漏极电流；大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432

78、15101520N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET第第四四版版童童诗诗白白102三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th) 0当当UGS U(BR)GS ，PN 将将被被击击穿穿，这这种种击击穿穿与与电电容容击击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM第第四四版版童童诗诗白白108例例1.4.2电路如图电路如图1.4.14所示，其中管子所示，其中管子T的输出特性曲的输出特性曲线如图线如图1.4.15所示。试分析所示。试分析ui为为0V、8V和和10V三种情况下三种情况下uo分别为多少

79、伏？分别为多少伏？ 图图1.4.14图图1.4.15分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th) 4V第第四四版版童童诗诗白白109解解:(1) ui为为0V ，即，即uGSui0，管子处于夹断状态，管子处于夹断状态所以所以u0 VDD 15V(2) uGSui8V时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V(3) uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而。因而u0 15- 2.2*5 4V但是，但是， uGS 10V

80、时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS= uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区第第四四版版童童诗诗白白110从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得:uGS 10V时时d-s之间的等效电阻之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为所以输出电压为例例1.4.3 自阅自阅第第四四版版童童诗诗白白111晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道

81、C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较第第四四版版童童诗诗白白112噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温 度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不

82、受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管第第四四版版童童诗诗白白113一、单结晶体管的结构和等效电路一、单结晶体管的结构和等效电路N 型硅片型硅片P 区区PN 结结eb1b2单结晶体管单结晶体管又称为又称为双基极晶体管。双基极晶体管。( (a) )结构结构( (b) )符号符号(C)等效电路等效电路图图 1.5.1单结管的结构及符号单结管的结构及符号1.51.5单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管1.5.1单结晶体管单结晶体管第第四四版版童童诗诗白白114二、工作

83、原理和特性曲线二、工作原理和特性曲线+ UA+ UD+ UEB1+ UBB分压比分压比OUEB1IEAPVBIPUP截止区截止区负阻区负阻区饱和区饱和区峰点峰点UP：峰点电压：峰点电压IP：峰点电流：峰点电流谷点谷点UV：谷点电压：谷点电压IV：谷点电流：谷点电流图图 10.9.11( (a) )图图 10.9.11( (b) )第第四四版版童童诗诗白白115三、应用举例：单结管的脉冲发生电路三、应用举例：单结管的脉冲发生电路图图 1.5.3单结管的脉冲发生电路单结管的脉冲发生电路第第四四版版童童诗诗白白1161.5.2晶闸管晶闸管（晶体闸流管）（晶体闸流管）一、结构和等效模型一、结构和等效模

84、型图图 1.5.5晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号CCC阳极阳极阴极阴极控制极控制极第第四四版版童童诗诗白白硅可控元件，由三个硅可控元件，由三个PN结构成的大功率半导体器件。结构成的大功率半导体器件。117二、工作原理二、工作原理图图 1.5.61. 控控制制极极不不加加电电压压，无无论论在在阳阳极极与与阴阴极极之间加正向或反向电压，晶闸管都不导通。之间加正向或反向电压，晶闸管都不导通。称为阻断称为阻断2. 控控制制极极与与阴阴极极间间加加正正向向电电压压，阳阳极极与与阴极之间加正向电压，晶闸管阴极之间加正向电压，晶闸管导通导通。PNPIG1 2IG1IG图图 1.5.5CNPNCC第第四

85、四版版童童诗诗白白C118结论：结论：晶晶闸闸管管由由阻阻断断变变为为导导通通的的条条件件是是在在阳阳极极和和阴阴极极之之间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲；间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲；晶晶闸闸管管由由导导通通变变为为阻阻断断的的条条件件是是减减小小阳阳极极电电流流 IA ，或改变，或改变A-C电压极性的方法实现。电压极性的方法实现。晶闸管导通后，管压降很小，约为晶闸管导通后，管压降很小，约为 0.61.2 V 左右。左右。第第四四版版童童诗诗白白119三、晶闸管的伏安特性三、晶闸管的伏安特性1. 伏安特性伏安特性OUACIAUBOABCIHIG= 0正正向向阻阻断

86、断特特性性：当当 IG= 0 ，而而阳阳极极电电压压不不超超过过一一定定值值时时，管管子子处处于阻断状态。于阻断状态。UBO 正向转折电压正向转折电压正正向向导导通通特特性性：管管子子导导通通后后，伏伏安安特特性性与与二二极管的正向特性相似。极管的正向特性相似。IH 维持电流维持电流当当控控制制极极电电流流 IG 0 时时， 使使晶晶闸闸管管由由阻阻断断变变为为导导通通所需的阳极电压减小。所需的阳极电压减小。IG 增大增大反向特性反向特性：与二极管的反向特性相似。：与二极管的反向特性相似。UBR图图 1.5.7晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线第第四四版版童童诗诗白白120四、晶闸管的四

87、、晶闸管的 主要参数主要参数1.额定正向平均电流额定正向平均电流 IF 2.维持电流维持电流 IH3.触发电压触发电压 UG和触发电流和触发电流 IG4.正向重复峰值电压正向重复峰值电压 UDRM5.反向重复峰值电压反向重复峰值电压 URRM其它：正向平均电压、控制极反向电压等。其它：正向平均电压、控制极反向电压等。第第四四版版童童诗诗白白121例：单相桥式可控整流电路例：单相桥式可控整流电路+- -uG在在 u2 正正半半周周，当当控控制制极极加加触触发脉冲，发脉冲，VT1 和和 VD2 导通；导通；在在 u2 负负半半周周，当当控控制制极极加加触发脉冲，触发脉冲，VT2和和 VD1 导通；

88、导通； ：控制角；：控制角； ：导电角：导电角图图 1.5.8第第四四版版童童诗诗白白122 单结管的触发电路单结管的触发电路第第四四版版童童诗诗白白123小小 结结第第 1 章章第第四四版版童童诗诗白白124一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子空穴空穴两两 种种半导体半导体N 型型 ( (多电子多电子) )P 型型 ( (多空穴多空穴) )二、二、二、二、二极管二极管1. 1. 特性特性特性特性 单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小( (理想为理想为 0) )，反向电阻大反向电阻大( ( ) )。第第四四版版童童诗诗白白125i

89、DO uDU (BR)I FURM2. 2. 主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)( (超过则击穿超过则击穿) )反向饱和电流反向饱和电流 IR ( (IS) )( (受温度影响受温度影响) )IS第第四四版版童童诗诗白白1263. 二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型 ( (大信号状态采用大信号状态采用) )uDiD正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on

90、)正偏电压正偏电压 UD(on) 时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on) = (0.6 0.8) V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3) V0.2 V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)第第四四版版童童诗诗白白1274. 二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5. 特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光电二极

91、管光电二极管反反 偏偏光电转换光电转换第第四四版版童童诗诗白白128三、两种半导体放大器件三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管双极型半导体三极管( (晶体三极管晶体三极管 BJT) )单极型半导体三极管单极型半导体三极管( (场效应管场效应管 FET) )两种载流子导电两种载流子导电多数载流子导电多数载流子导电晶体三极管晶体三极管1. 形式与结构形式与结构NPNPNP三区、三极、两结三区、三极、两结2. 特点特点基极电流控制集电极电流并实现基极电流控制集电极电流并实现放大放大第第四四版版童童诗诗白白129放放大大条条件件内因：发射区载流子浓度高、内因：发射区载流子浓度高、 基区薄、集电区面

92、积大基区薄、集电区面积大外因：外因：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏3. 电流关系电流关系IE = IC + IBIC = IB + ICEO IE = (1 + ) IB + ICEOIE = IC + IBIC = IB IE = (1 + ) IB 第第四四版版童童诗诗白白1304. 特性特性iC / mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 124321O0.4 0.8iB / AuBE / V60402080死区电压死区电压( (Uth) )：0.5 V ( (硅管硅管) ) 0.1 V ( (锗管锗管) )工作电压工作电压(

93、(UBE(on) ) ) ： 0.6 0.8 V 取取 0.7 V ( (硅管硅管) ) 0.2 0.3 V 取取 0.3 V ( (锗管锗管) )饱饱和和区区截止区截止区第第四四版版童童诗诗白白131iC / mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 124321放大区放大区饱饱和和区区截止区截止区放大区特点：放大区特点：1) )iB 决定决定 iC2) )曲线水平表示恒流曲线水平表示恒流3) )曲线间隔表示受控曲线间隔表示受控第第四四版版童童诗诗白白1325. 参数参数特性参数特性参数电流放大倍数电流放大倍数 = /(1 ) = /(1 + )极

94、间反向电流极间反向电流ICBOICEO极限参数极限参数ICMPCMU(BR)CEOuCEOICEOiCICMU(BR)CEOPCM安安 全全 工工 作作 区区= (1 + ) ICBO第第四四版版童童诗诗白白133场效应管场效应管1. 分类分类按导电沟道分按导电沟道分 N 沟道沟道P 沟道沟道按结构分按结构分 绝缘栅型绝缘栅型( (MOS) )结型结型按特性分按特性分 增强型增强型耗尽型耗尽型uGS = 0 时，时， iD = 0uGS = 0 时，时， iD 0增强型增强型耗尽型耗尽型( (耗尽型耗尽型) )第第四四版版童童诗诗白白1342. 特点特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流栅源

95、电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成输入电阻高，工艺简单，易集成由于由于 FET 无栅极电流，故采用无栅极电流，故采用转移特性转移特性和和输出特性输出特性描述描述3. 特性特性不同类型不同类型 FET 的特性比较参见的特性比较参见 图图1.4.13 第第49页。页。第第四四版版童童诗诗白白135不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS /ViD /mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS 管管( (耗尽型耗尽型) )IDSS开启电压开启电压UGS(th)夹断电压夹断电压UGS(off)IDO 是是 uGS = 2UGS(th) 时的时的 iD 值值第第四四版版童童诗诗白白136四、晶体管电路的基本问题和分析方法四、晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态三种工作状态状态状态电流关系电流关系 条条 件件放大放大I C = IB发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏饱和饱和 I C IB两个结正偏两个结正偏ICS = IBS 集电结零偏集电结零偏临界临界截止截止IB U(th) 则则导通导通以以 NPN为为 例：例：UBE UB UE放大放大UE UC UB饱和饱和PNP 管管UC UB UC U B饱和饱和2. 电流判别法电流判别法IB IBS 则则饱和饱和IB IBS 则则放大放大第第四四版版童童诗诗白白138