模拟电子技术基础完整第一章.ppt

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1.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 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5.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）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。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：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1.1 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、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+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 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 本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图二、本征半导体的晶体结构二、本征半导体的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+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 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、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）第第四四版版童童诗诗白白四、本征半导体中载流子的浓度本征半导体中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1.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 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+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图图 P 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 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PN结结第第四四版版童童诗诗白白 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3.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5.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 PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性？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耗尽层耗尽层图图 PN 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 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 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IS：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四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性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 PN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 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2.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(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 PNPN 结结第第四四版版童童诗诗白白综上所述：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。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 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二极管的几种图二极管的几种外形外形第第四四版版童童诗诗白白1 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3 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 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 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（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 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 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 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 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=300K）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 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1.2.5 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(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 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 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UOUI第第四四版版童童诗诗白白 R RL L 如电路参数变化？如电路参数变化？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RLuiuORDZiiziLUZUZ=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四四版版童童诗诗白白例例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发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：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1.3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、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 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。图三极管的结构图三极管的结构(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becRcRb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becI 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beceRcRb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=ICn+IBn+IEp =IEn+IEpIB=IEP+IBNICBOIE=IC+IB图晶体管内部载流子的运动与外部电流图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3、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1.3.3 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，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.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=const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=con