模拟电子技术基础教程.pptx

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1、多媒体教学课件模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics童诗白、华成英主编第四版童诗白11.本课程的性质 电子技术基础课2.特点 非纯理论性课程 实践性很强 以工程实践的观点来处理电路中的一些问题3.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原理、特点及性能指标等。4.教学目标 能够对一般性的、常用的模拟电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。导 言第四版童诗白25.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。6.课时及成绩评定标准课时：80学时=64(理论）+16（实验）平时10%+实验3

2、0%+卷面60%7.教学参考书 康华光主编，电子技术基础 模拟局部 第三版，高教出版社 陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华科大出版社 陈 洁主编，EDA软件仿真技术快速入门-Protel99SE+Multisim10+Proteus 7 中国电力出版社 导 言第四版童诗白3名录1 常用半导体器件（10学时）2 基本放大电路（8学时）3 多级放大电路4 集成运算放大电路（4学时）5 放大电路的频率响应（6学时）6 放大电路中的反馈（6学时）7 信号的运算和处理（6学时）8 波形的发生和信号的转换（6学时）9 功率放大电路（4学时）10 直流稳压电源（8学时）第四版童诗白（6学时）4

3、第四版童诗白电子技术: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，简称为电路。一个完整的电子电路系统通常由假设干个功能电路组成，功能电路主要有：放大器、滤波器、信号源、波形发生电路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟/数字转换器等。电子技术就是研究电子器件及电路系统设计、分析及制造的工程有用技术。目前电子技术主要由模拟电子技术和数字电子技术两局部组成。在电子技术迅猛开展的今天，电子电路的应用在日常生活中无处不在，小到门铃、收音机、DVD播放机、机等，大到全球定位系统GPS（Global Positioning Systems）、雷达、导航

4、系统等。5第四版童诗白模拟电子技术：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。时间时间幅度幅度 T 2T 3T 4T 5T 6T数字电子技术：6第四版童诗白第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件7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？3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体

5、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？它为什么具有单向性？在PN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操作集电极电流的？场效应管是通过什么方式来操作漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？第四版童诗白81.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体 纯洁的具有晶体结构的半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一、导

6、体、半导体和绝缘体第四版童诗白9半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯洁的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。光敏器件二极管第四版童诗白10+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯洁的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体 称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图 1.1.1本征半导体结构示意图二、本征半导体的晶体结构当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。第四版童诗白第四版童诗白11+4+4+4+4+4+4+4+4+4图 1.1.2本征半导

7、体中的 自由电子和空穴自由电子空穴 假设 T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。T 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）第四版童诗白12四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中载流子的浓度公式：T=300 K室温下,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:n=p=2.381013/cm3ni=pi=K1T3/2 e-EGO/(2KT)本征激发

8、复合动态平衡第四版童诗白131.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴 2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会到达平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结：第四版童诗白141.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导体一、N 型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构

9、成 N 型半导体(或称电子型半导体)。常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。第四版童诗白15 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，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 n p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。5 价杂质原子称为施主原子。第四版童诗白16+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图 1.1.3N 型半导体第四版童诗白17二、P 型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、

10、铟等，即构成 P 型半导体。空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3 价杂质原子称为受主原子。第四版童诗白18图 1.1.4P 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3受主原子空穴第四版童诗白19说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。3.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以下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体(b)P 型半导体图 杂质半导体的的简化表示法第四版童诗白20 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型

11、半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。PN PN结图 PN 结的形成一、PN 结的形成1.1.3PN结第四版童诗白21 PN 结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。PN 结，耗尽层。PN（动画1-3）第四版童诗白223.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动漂移。少 子的运动与多子运动方向相反 阻挡层第四版童诗白235.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩

12、散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度到达稳定。对称结即扩散运动与漂移运动到达动态平衡。PN不对称结第四版童诗白24二、PN 结的单向导电性1.PNPN结结 外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图 1.1.6PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？第四版童诗白25在 PN 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 R。2.PN PN 结结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向

13、接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，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。第四版童诗白26耗尽层图 1.1.7PN 结加反相电压时截止 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS 将急剧增大。PN外电场方向内电场方向V RIS第四版童诗白27 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于截止状态。（动画1-4）（动画1-5）综上所述：可见，PN 结

14、具有单向导电性。第四版童诗白28IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300 K)下，UT 26 mV三、PN 结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为公式推导过程略第四版童诗白29四、PN结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.51.02550i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图 1.1.10PN结的伏安特性反向击穿齐纳击穿雪崩击穿第四版童诗白30五、PN结的电容效应当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两局部势垒电容扩散电容1.势垒电容Cb是由 P

15、N 结的空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加正向电压（b)PN 结加反向电压N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+UV第四版童诗白31空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OuCb图 1.1.11（b)第四版童诗白322.扩散电容 CdQ是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所

16、示。x=0 处为 P 与 耗尽层的交界处当电压加大，np(或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。Q正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。图 1.1.12P NPN 结第四版童诗白33综上所述：PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两局部。Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，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 Cj Cb。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

17、认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。第四版童诗白34 1.2 半导体二极管在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型图1.2.1二极管的几种外形第四版童诗白351 点接触型二极管(a)点接触型 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 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第四版童诗白363 平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型4二极管的代表符号D第四版童诗白37 1.

18、2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7一、伏安特性锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V第四版童诗白38二、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，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。50I/mAU/V0.2 0.4 25510150.010.020温度增加第四版童诗白39 1.2.3 二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM(3)反向电流IR(4)最高

19、工作频率fM(5)极间电容Cj在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。第四版童诗白40 1.2.4 二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路 1.理想模型第四版童诗白41 1.2.4 二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路 2.恒压降模型第四版童诗白42 1.2.4 二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路3.折线模型第四版童诗白43 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时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即 根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）

20、图1.2.7二极管的微变等效电路第四版童诗白44 应用举例 二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）VDD=10V 时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设第四版童诗白451.2.5 稳压二极管一、稳压管的伏安特性(a)符号(b)2CW17 伏安特性 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电压。DZ第四版童诗白46(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)温度

21、系数VZ二、稳压管的主要参数第四版童诗白47 稳压电路正常稳压时 UO=UZ#不加 不加R R可以吗？可以吗？#上述电路 上述电路U UI I为正弦波，且幅 为正弦波，且幅值大于 值大于U UZ Z，U UO O的波形是怎样 的波形是怎样的？的？（1 1）.设电源电压波动 设电源电压波动(负载不变 负载不变)UI UOUZ IZUOUR IR（2 2）.设负载变化 设负载变化(电源不变 电源不变)I)IO O P25 P25例 例1.2.2 1.2.2UOUI第四版童诗白 R RL L 如电路参数变化？48例1：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=

22、10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。假设负载电阻变化范围为1.5 k-4 k，是否还能稳压？第四版童诗白49RLuiuORDZiiziLUZUZ=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

23、.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用第四版童诗白50例2：稳压二极管的应用解：ui和uo的波形如下图（UZ3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ第四版童诗白51一、发光二极管 LED(Light Emitting Diode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十 mA，导通电压(1 2)V符号u/Vi/mAO2特性1.2.6其它类型的二极管第四版童诗白52发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：一般 LED，不可见光：红外光点阵 LED 七段 LED,第四版童诗白53二、光电二极管符号和特性符号特性

24、uiOE=200 lxE=400 lx工作原理：三、变容二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管无光照时，与一般二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。第四版童诗白541.3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。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如以下图所示。三极管有两种类型：NPN 型和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。图 1.3.1三极管的外形X：低频小功率管D：低频大功率管G：高频小功率管A：高频大功率管第四版童诗白551.3.1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。图1.3.2a三极管

25、的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe 发射极，b基极，c 集电极。发射区集电区基区基区发射区集电区第四版童诗白56图 1.3.2(b)三极管结构示意图和符号NPN 型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极 c基极 b发射极 eNNP第四版童诗白57集电区集电结基区发射结发射区集电极 c发射极 e基极 bcbe符号NN PPN图 1.3.2三极管结构示意图和符号(b)PNP 型第四版童诗白581.3.2晶体管的电流放大作用以 NPN 型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管假设实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不

26、具备放大作用第四版童诗白59三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。第四版童诗白60becRcRb一、晶体管内部载流子的运动I EIB1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流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射区形成发射极电流 IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空

27、穴由 VBB 补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。晶体管内部载流子的运动第四版童诗白61becI EI BRcRb3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC。I C另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO晶体管内部载流子的运动第四版童诗白62beceRcRb二、晶体管的电流分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEpIB=IEP+IBNICBOIE=I

28、C+IB图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流第四版童诗白63三、晶体管的共射电流放大系数整理可得：ICBO 称反向饱和电流ICEO 称穿透电流1、共射直流电流放大系数2、共射交流电流放大系数VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法第四版童诗白643、共基直流电流放大系数或4、共基交流电流放大系数直流参数 与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与，与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。5.与的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法第四版童诗白651.3.3 晶体管的共射特性曲线uCE=0VuBE/V iB=f(uBE)UCE=c

29、onst(2)当uCE1V时，uCB=uCE-uBE0，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uBE下 IB减小，特性曲线右移。(1)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。一.输入特性曲线uCE=0VuCE 1VuBE/V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE第四版童诗白66饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，一般uCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(uCE)IB=const二、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，uBE小于死区电压

30、，集电结反偏。放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。第四版童诗白67三极管的参数分为三大类:直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数1.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3.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ICEOICEO=（1+）ICBO第四版童诗白68二、交流参数1.共发射极交流电流放大系数=iC/iBUCE=const2.共基极交流电流放大系数=iC/iE UCB=const3.特征频率 fT 值下降到1的信号频率第四版童诗

31、白691.最大集电极耗散功率PCM PCM=iCuCE 三、极限参数2.最大集电极电流ICM3.反向击穿电压 UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。U EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。UCEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系 UCBOUCEOUEBO第四版童诗白70 由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 PCM=iCuCE U(BR)CEOUCE/V第四版童诗白711.3.5温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对ICBO的影响温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温

32、度降低时ICBO减少。硅管的ICBO比锗管的小得多。二、温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移60402000.40.8I/mAU/V温度对输入特性的影响200600三、温度对输出特性的影响温度升高将导致 IC 增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响第四版童诗白72三极管工作状态的判断例1：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1 1）V VC C 6V 6V V VB B 0.7V 0.7V V VE E 0V 0V（2 2）V VC C 6V 6V V VB B 4V 4V V VE E 3.6V 3.6V（3 3）V VC C

33、 3.6V 3.6V V VB B 4V 4V V VE E 3.4V 3.4V解：原则：正偏 反偏 反偏 集电结正偏 正偏 反偏 发射结饱和 放大 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（2）截止区（3）饱和区第四版童诗白73例2某放大电路中BJT三个电极的电流如下图。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+ICAB C IAIBICC为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。管脚、管型的判断法也可采用万用

34、表电阻法。参考实验。第四版童诗白74例 例3 3：测 测得 得工 工作 作在 在放 放大 大电 电路 路中 中几 几个 个晶 晶体 体管 管三 三个 个电 电极 极的 的电 电位 位U U1 1、U U2 2、U U3 3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.

35、8V=11.8V、U U3 3=12V=12V判 判断 断它 它们 们是 是NPN NPN型 型还 还是 是PNP PNP型 型？是 是硅 硅管 管还 还是 是锗 锗管 管？并 并确 确定 定e e、b b、c c。（11）UU11 b b、UU22 e e、UU33 c NPN c NPN 硅硅（22）UU11 b b、UU22 e e、UU33 c NPN c NPN 锗锗（33）UU11 c c、UU22 b b、UU33 e PNP e PNP 硅硅（44）UU11 c c、UU22 b b、UU33 e PNP e PNP 锗锗原则：先求UBE，假设等于0.6-0.7V，为硅管；假设

36、等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。NPN管UBE0，UBC0，即U UC C U UB B U UE E。PNP管UBE0，UBC0，即U UC C U UB B U UE E。解：解：第四版童诗白751.3.6光电三极管一、等效电路、符号二、光电三极管的输出特性曲线ceceiCuCEO图1.3.11光电三极管的输出特性E1E2E3E4E0第四版童诗白76复习1.BJT放大电路三个 电流关系？IE=IC+IB2.BJT的输入、输出特性曲线？uCE=0V uCE 1VuBE/V3.BJT工作状态如何判断？第四版童诗白771.4场效应三极管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入

37、回路的电场效应来操作输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、本钱低。第四版童诗白78N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：第四版童诗白79DSGN符号1.4.1结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P 型区耗尽层(PN 结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体

38、中多数载流子电子可以导电。导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。第四版童诗白80P 沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSD P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。符号GDS第四版童诗白81一、结型场效应管工作原理N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来操作漏极电流 ID 的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道

39、区。第四版童诗白821.当UDS=0 时，uGS 对导电沟道的操作作用ID=0GDSN型沟道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽第四版童诗白831.当UDS=0 时，uGS 对导电沟道的操作作用UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。ID=0GDSP+P+N型沟道(b)UGS(off)UGS 0VGG第四版童诗白841.当UDS=0 时，uGS 对导电沟道的操作作用当 UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+(c)UGS UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示第四版童

40、诗白852.当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时,uDS 对漏极电流iD的影响。uGS=0，uGD UGS（Off)，iD 较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off)，iD 更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD uGS uDS 第四版童诗白86GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断uGS 0,uGD uGS(off),夹断，iD几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改变 uGS，改变了 PN 结中电场，操作了 iD，故称场效应管；(

41、2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)第四版童诗白873.当uGD uGS(off)时,uGS 对漏极电流iD的操作作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的操作作用。场效应管为电压操作元件(VCCS)。在uGD uGS uDS uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。gm=iD/uGS(单位mS)第四版童诗白88小结(1)在uGD uGS uDS uGS(off)情况下,即当uDS uGS-uGS(off)对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS

42、使uGD uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGD uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS 无关。此时，可以把iD近似看成uGS操作的电流源。第四版童诗白89二、结型场效应管的特性曲线1.转移特性(N 沟道结型场效应管为例)O uGSiDIDSSUGS(off)图 1.4.6转移特性uGS=0，iD 最大；uGS 愈负，iD 愈小；uGS=UGS(off)，iD 0。两个重要参数饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的 ID)夹断电压 UGS(off)(ID=0 时的 UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA第四版童诗白90

43、转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图 1.4.6转移特性2.输出特性曲线 当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 iD 与漏源之间电压 uDS 的关系，即 结型场效应管转移特性曲线的近似公式：第四版童诗白91IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7 预夹断轨迹恒流区 可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。图 1.4.5(b)漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS图 1.4.5(a)特性曲线测试电路+mA击穿区第四版童诗白92结型P 沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）

44、IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS=0V+uDS+o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。第四版童诗白931.4.2绝缘栅型场效应管 MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。特点：输入电阻可达 1010 以上。类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第四版童诗白94一、N 沟道增强型 MOS 场效应管 结构P 型衬底N+

45、N+BG S DSiO2 源极 S漏极 D衬底引线 B栅极 G图 1.4.7N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图SGDB第四版童诗白951.工作原理 绝缘栅场效应管利用 UGS 来操作“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以操作漏极电流 ID。2.工作原理分析(1)UGS=0 漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD第四版童诗白96(2)UDS=0，0 UGS UGS(th)P 型衬底N+N+BG S D 栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层

46、变宽。VGG(3)UDS=0，UGS UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的外表电荷层 N 型沟道 反型层、N 型导电沟道。UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。第四版童诗白97(4)UDS 对导电沟道的影响(UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠近漏极沟道到达临界开启程度，出现预夹断。c.UDS UGS UT，UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而

47、基本不变。a.UDS UTP 型衬底N+N+BG S DVGGVDDP 型衬底N+N+BG S DVGGVDDP 型衬底N+N+BG S DVGGVDD夹断区第四版童诗白98DP型衬底N+N+BG SVGGVDDP型衬底N+N+BG S DVGGVDDP型衬底N+N+BG S DVGGVDD夹断区图 1.4.9UDS 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uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS操作的电流源。第四版童诗白993.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS UT 时)三个区：可变电阻区、恒流区(或

48、饱和区)、夹断区。UT 2UTIDOuGS/ViD/mAO图 1.4.10(a)图 1.4.10(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区 可变电阻区夹断区。UGS增加第四版童诗白100二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管P型衬底N+N+BG S D+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；UGS=UP,感应电荷被“耗尽”，iD 0。UP或UGS(off)称为夹断电压

49、图 1.4.11第四版童诗白101N 沟道耗尽型 MOS 管特性工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。iD/mAuGS/V O UP(a)转移特性IDSS耗尽型 MOS 管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=03 V1 V2 V43215 10 1520N 沟道耗尽型MOSFET第四版童诗白102三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当UGS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的操作，漏-源之间应加负电源电压

50、。SGDBP沟道SGDBP沟道四、VMOS管VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。第四版童诗白103种 类 符 号 转移特性曲线 输出特性曲线 结型N 沟道耗尽型 结型P 沟道耗尽型 绝缘栅型 N 沟道增强型SGDSGDiDUGS=0V+uDS+oSGDBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+OiDUGS=0VuDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO第四版童诗白104种 类 符 号 转移特性曲线 输出特性曲线绝缘栅型N 沟道耗尽型绝缘栅型P 沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSG