1、模擬電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)教材童詩(shī)白2022/8/272本課程的任務(wù)是： 介紹常用半導(dǎo)體器件的特性與參數(shù)，重點(diǎn)討論模擬電路中的基本單元電路,研究電路工作原理與基本分析方法，掌握半導(dǎo)體器件的基本運(yùn)用。教學(xué)形式: 課堂采用多媒體授課；課后練習(xí)鞏固。2022/8/273一、模擬電路簡(jiǎn)介模擬電路是一種信號(hào)處理電路，一般可視為雙口網(wǎng)絡(luò)。模擬電路uiuO 輸入信號(hào)按時(shí)間可分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)( 模擬信號(hào) )和離散時(shí)間信號(hào)( 數(shù)字信號(hào)) 。 處理模擬信號(hào)的電子電路稱(chēng)為模擬電路,電路中的晶體管工作在線性放大狀態(tài)。 處理數(shù)字信號(hào)的電子電路稱(chēng)為數(shù)字電路,電路中的晶體管一般在工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1. 模擬電路和數(shù)字電路前言2022

2、/8/2743. 模擬電路的特點(diǎn)：A). 工程性和實(shí)踐性強(qiáng)；信號(hào)按工作頻率可分為低頻、高頻、微波信號(hào)。2. 低頻模擬電路 處理低頻信號(hào)的模擬電路稱(chēng)為低頻模擬電路 ，低頻模擬電路的工作頻率一般低于1MHz, 低頻模擬電路是最基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣泛的電子電路。B). 電路功能多，涉及知識(shí)面廣、靈活性大。內(nèi)容多、教材太精煉、學(xué)時(shí)少、入門(mén)難。本課程存在的問(wèn)題：2022/8/275 上世紀(jì)90年代電子技術(shù)就進(jìn)入了超大規(guī)模集成電路電子時(shí)代。集成電路的發(fā)展促進(jìn)了電子學(xué)、特別是數(shù)字電路和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)開(kāi)始邁進(jìn)信息時(shí)代。 1904年電子管發(fā)明（真正進(jìn)入電子時(shí)代）; 1947年晶體管問(wèn)世; 1959年集成電

3、路出現(xiàn)(SSI、MSI、LSI、VLSI)。二 .電子技術(shù)的發(fā)展歷程電子技術(shù)的發(fā)展以電子器件的更新?lián)Q代為標(biāo)志！電子學(xué)近百年發(fā)展史上三個(gè)重要里程碑：VLSI 超大規(guī)模集成電路2022/8/276摩爾定律：集成電路中的晶體管數(shù)目每?jī)赡暝黾右槐叮?CPU性能每18個(gè)月增加一倍。三. 摩爾定律集成電路的發(fā)展遵從摩爾定律2022/8/277四. 模擬電路常用器件3DG59014+-2N2202TL0842022/8/2781.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2 半導(dǎo)體二極管1.3 晶體三極管1.4 場(chǎng)效應(yīng)管第一章 常用半導(dǎo)體器件2022/8/2791-1 半導(dǎo)體基本知識(shí) 根據(jù)材料導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)

4、體、絕緣體和半導(dǎo)體。 典型的半導(dǎo)體材料有硅(Si)和鍺(Ge)以及砷化鎵(GaAs)等。導(dǎo) 體：電阻率 109 cm半導(dǎo)體：電阻率介于前兩者之間。2022/8/2710 當(dāng)半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力大幅度增強(qiáng)，制成的光敏二極管可以用于光敏控制。半導(dǎo)體三大基本特性：1.半導(dǎo)體的熱敏性(temperature sensitive). 環(huán)境溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大幅度增強(qiáng)，制成的熱敏電阻可以用于溫度控制。T電導(dǎo)率 s 2.半導(dǎo)體的光敏性( light sensitive)IUmA半導(dǎo)體T 1. 5光照度 光照2022/8/27113.半導(dǎo)體的摻雜性 (Doping impuritive) 在半

5、導(dǎo)體中摻入一定濃度的雜質(zhì)后，可改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型，導(dǎo)電能力也會(huì)大幅度增加，利用這種特性可以制造出不同用途的半導(dǎo)體晶體管與集成電路。半導(dǎo)體IUmA高溫?fù)诫s3DG5晶體管2022/8/27121.1.1 本征半導(dǎo)體 一. 本征半導(dǎo)體純度 6個(gè)9(99.9999 %) 半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)：每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)。 完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)取決于原子結(jié)構(gòu)。2022/8/2713 在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+

6、4+4+4+4+4+4+4+4二.半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅單晶材料2022/8/2714三. 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度(T =0K)和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子(即載流子) , 它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。本征半導(dǎo)體中的載流子：自由電子(free electron)空穴(mobile hole)+4+4+4+4空穴自由電子2022/8/2715本征激發(fā)電子空穴對(duì)的產(chǎn)生2022/8/2716空穴的移動(dòng) 在其它力的作

7、用下，空穴吸引臨近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的遷移，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。2022/8/2717* 四.本征半導(dǎo)體中的載流子濃度ni：自由電子的濃度pi：空穴的濃度K1：系數(shù)（與半導(dǎo)體材料有關(guān)）T ：絕對(duì)溫度式中：k：波爾茲曼常數(shù)EG：價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵所需能量, 又叫禁帶寬度 本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的(本征激發(fā))，由半導(dǎo)體物理得：2022/8/2718 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體 摻入五

8、價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體 摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。一般采用高溫?cái)U(kuò)散工藝進(jìn)行摻雜2022/8/2719一. N型半導(dǎo)體本征硅或鍺 +少量磷 N型半導(dǎo)體SiPSiSi自由電子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子很容易被激發(fā)而成為自由電子，磷原子是不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主雜質(zhì)(donor impurity)。2022/8/2720 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子( 多子 )，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是

9、少數(shù)載流子( 少子 ), 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，由于五價(jià)原子釋放電子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。+4+5+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4施主雜質(zhì)自由電子2022/8/2721二. P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些原子被雜質(zhì)取代。硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子, 與相臨的硅或鍺原子形成共價(jià)鍵時(shí), 產(chǎn)生一個(gè)空穴, 這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)。 使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱(chēng)為受主雜質(zhì)(acceptor impurity) 。本征硅或鍺 +少量硼 P型

10、半導(dǎo)體SiBSiSi空穴 在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。受主雜質(zhì)2022/8/2722雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體載流子濃度=雜質(zhì)濃度+熱激發(fā)少子濃度2022/8/2723載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，存在兩種運(yùn)動(dòng)方式： （1）漂移運(yùn)動(dòng)-載流子在外加電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)。（2） 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)-因濃度梯度引起 載流子的定向運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)速度m - 遷移率 1.1.3 PN 結(jié)2022/8/2724 一.PN 結(jié)的形成2022/8/2725濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散

11、最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:+P型區(qū)N型區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)E0離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)。也稱(chēng)耗盡層。2022/8/2726二. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。 1. PN結(jié)加正向電壓時(shí)低電阻大的正向擴(kuò)散電流 正向電壓使PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)減弱，空間電荷區(qū)變薄, 產(chǎn)生較大的正向擴(kuò)散電流。擴(kuò)散大于飄移，正向電流大，PN結(jié)導(dǎo)通。PN結(jié)加正偏時(shí)的導(dǎo)電情況2022

12、/8/2727 2. PN結(jié)加反向電壓時(shí) 高電阻 很小的反向漂移電流， PN結(jié)反向截止。 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，故反向飽和電流很小。 外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬，擴(kuò)散電流趨于零，只存在少數(shù)載流子的漂移 ,形成反向飽和電流，其數(shù)值很小，一般為微安（A）數(shù)量級(jí)。加反偏的PN結(jié)2022/8/2728 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，處于截止?fàn)顟B(tài)。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ?/p>

13、性。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?022/8/2729三. PN結(jié)電流方程式中IS 反向飽和電流UT 溫度的電壓當(dāng)量且在室溫下（T=300K）ui0ISDiDuD+2022/8/2730四. PN結(jié)的伏安特性在室溫下（T=300K），設(shè) u = 100 mV, 而 UT = 26 mV，所以當(dāng) u100 mV 時(shí)， PN結(jié)方程可以簡(jiǎn)化為同樣當(dāng) u -100 mV 時(shí)， PN結(jié)電流方程可以簡(jiǎn)化為ui0IS正向特性反向特性2022/8/2731例：已知室溫(T=300K)下，硅PN結(jié)外加正偏UD為0.7V,正向電流i為1mA,求反向飽和電流IS 。DiDuD+解：由室溫(T=300K)下代入已知條件得：2

14、022/8/2732PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿。 雪崩擊穿 齊納擊穿反向擊穿當(dāng)UBR4V時(shí)稱(chēng)為“齊納擊穿” 當(dāng)UBR7V時(shí)稱(chēng)為“雪崩擊穿”在UBR附近i大幅度變化，而u變化很小，具有穩(wěn)壓特性。利用PN結(jié)的反向擊穿特性可以制成“穩(wěn)壓二極管”。u(V)i(mA)OPN結(jié)的伏安特性2022/8/2733五. PN結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢(shì)壘電容CbPN結(jié)存在兩種電容效應(yīng) + + + + + + + - - - - - - -+q-quS+_PN勢(shì)壘區(qū)+_uS勢(shì)壘區(qū)電荷隨外加反偏uS增大而增大，結(jié)構(gòu)類(lèi)似電容。uS(V)CbO2022

15、/8/27342. 擴(kuò)散電容Cd擴(kuò)散電容示意圖 正偏時(shí)兩區(qū)靠近PN結(jié)附近存在可動(dòng)電荷的積累，具有電容效應(yīng)。此效應(yīng)用擴(kuò)散電容Cd表征。PN+_uSRxnppn2022/8/2735PN結(jié)電容Cj 是一種非線性電容利用PN結(jié)電容特性可制成“變?nèi)荻O管”。對(duì)于一般小功率二極管Cj 1PF100PF 。Cb和Cd一般都很小，低頻時(shí)忽略，高頻時(shí)才考慮結(jié)電容。Cb勢(shì)壘電容，Cd擴(kuò)散電容。uS+_2022/8/2736PN電路符號(hào)PN陽(yáng)極陰極內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)外形1.2 半導(dǎo)體二極管2022/8/2737 半導(dǎo)體二極管的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和

16、平面型三大類(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。外殼觸絲基片2022/8/2738面接觸型PN結(jié)面接觸型的PN結(jié)面積大，用于低頻大電流整流電路。平面型用于集成電路、高頻整流和開(kāi)關(guān)電路。(2)面接觸型和平面型二極管平面型陽(yáng)極N P陰極2022/8/2739半導(dǎo)體二極管圖片2022/8/2740 1.2.2 伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性RDUiDuD+實(shí)際V-I由實(shí)驗(yàn)電路測(cè)量得出u(V)i(mA)O i(A)2022/8/2741伏安特性受溫度的影響u(V)i(mA)O溫度對(duì)二極管伏安特性的影響二極管

17、是對(duì)溫度非常敏感的器件。實(shí)驗(yàn)表明： T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，UBR T（）正向特性左移，反向特性下移2022/8/2742硅和鍺材料二極管伏安特性比較u(V)i(mA)o i(A)2022/8/2743 二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF 指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。它主要取決于PN結(jié)的結(jié)面積大小，當(dāng)流過(guò)二極管的正向平均電流超過(guò)此值時(shí)，會(huì)使PN結(jié)燒壞。2.反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓URM UBR指二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。 URM指保證二極管不被反向擊穿所給出的最高反向工作電壓。通常約為反向擊穿電壓的一半。使用時(shí)，加在二極管上的實(shí)際反向電

18、壓不能超過(guò)此值。RDUiDuD+2022/8/27443.最大反向飽和電流Is 指在二極管上加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。此值愈小，單向?qū)щ娦阅苡?。?dāng)溫度升高時(shí)，反向電流增加，單向?qū)щ娦阅茏儔?，故二極管在高溫條件使用時(shí)要特別注意。4.最高工作頻率fM: 指保證二極管具有良好單向?qū)щ娦阅艿淖罡哳l率。它主要由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。結(jié)面積小的二極管最高工作頻率較高。RDUiDuD+2022/8/27455.二極管的直流電阻RD ： 二極管兩端的直流電壓與流過(guò)二極管的電流之比稱(chēng)為二極管的直流電阻RD。即RDUiDuD+6. 二極管的交流（動(dòng)態(tài)）電阻rD ： 二極管的交流（動(dòng)態(tài)）電阻rD：當(dāng)二極管

19、端電壓在某一確定值（工作點(diǎn)）附近的微小變化與流過(guò)二極管電流產(chǎn)生的微小變化之比稱(chēng)為二極管的交流（動(dòng)態(tài)）電阻rD 。即2022/8/2746RD、rD分析求解rD ：二極管特性曲線工作點(diǎn)Q附近電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量之比。即:圖解法求rD、RDuDOQUDuDiDIDiD如 ID = 2mA時(shí)， rD = 13直流等效電阻 二極管直流電阻RD和動(dòng)態(tài)電阻 rD 的大小與二極管的工作點(diǎn)有關(guān)。對(duì)同一工作點(diǎn)而言，直流電阻RD大于動(dòng)態(tài)電阻 rD，對(duì)不同工作點(diǎn)而言，工作點(diǎn)愈高，RD和rD愈低。 2022/8/2747二極管基本電路及分析方法問(wèn)題：已知R、U ，求iD、 uD 。 iD RuD=URDUi

20、DuD+uD = ?iD = ?2022/8/2748 一. 理想開(kāi)關(guān)模型特點(diǎn)：uD 0時(shí),二極管導(dǎo)通;uD0.7V(硅管)時(shí),二極管導(dǎo)通，uD0)時(shí)， uD= UONU = iDR + uD= iDR + UONiD= (U UON )/R UonD2022/8/2750* 三. 折線模型當(dāng) UD Uon 時(shí)； UD= Uon +iD rD ; rD為Q點(diǎn)折線斜率的倒數(shù)。Uon是二極管的開(kāi)啟電壓。特點(diǎn)： UonrD理想二極管模型uDiD0QUonRDUiDuD+2022/8/2751例1：(填空題)如圖所示電路中，D1D3為理想二極管， A、B、C白熾燈泡功率相同，其中最亮的燈是 。 +D1

21、D2D3USABC解：US正半周時(shí)D1、D3導(dǎo)通， D2截止A、C被短路， US 的 正半周電壓全部加到B上。US負(fù)半周時(shí)D1、D3截止，D2導(dǎo)通B被短路， US 的正半周電壓全部加到A、C上。US全周期加到A、C上的平均電壓只有B的一半。所以最亮的燈是 B 。2022/8/2752例2：圖示電路中 設(shè)D導(dǎo)通時(shí)正向壓降為 0.7V，求流過(guò) 二極管中的電流 ID 。解：運(yùn)用戴維南定理D+ID2.5V1.5KW 二極管正向?qū)ㄆ湔驂航禐?.7V。D5V+3KWID10V3KW 2022/8/2753限幅電路1、二極管單向限幅 （設(shè)D為理想二極管） 當(dāng)輸入電壓小于電池電壓E時(shí)，二極管兩端電壓處于反

22、向偏置，ui E時(shí)，D導(dǎo)通，uo= E限幅 電壓幅度限制uiuoRE+D2022/8/27544截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通08tui0tuo如果考慮二極管導(dǎo)通電壓，則此時(shí)輸出最大正向電壓為4.7V。uiuoRE+D設(shè)：ui 4V時(shí)，D導(dǎo)通，uo= 4V2022/8/2755408tui0tuo導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止uiuoRD14VD24V+2. 二極管雙向限幅例：二極管電路如圖，D1、D2為理想二極管，ui = 8sint ( V )，試畫(huà)出電壓傳輸特性曲線uo= f ( ui ) 。-4 ui 4V時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，uo= 4Vui 100V。u(V)i(mA)OUBR 普通穩(wěn)壓二極

23、管工作電壓UBRUZ = 2.5 30V。穩(wěn)壓二極管特點(diǎn)： PN結(jié)面積大，散熱條件好，反向擊穿是可逆。1.2.5 穩(wěn)壓二極管DZUZIZ+-或2022/8/2759二. 穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線：正向特性和普通二極管相同反向擊穿區(qū)曲線越陡，即動(dòng)態(tài)電阻 rZ 越小，穩(wěn)壓性能越好。DZu(V)imA)OUBR2022/8/27601. 穩(wěn)定電壓UZ 2. 最小穩(wěn)定電流 IZmin3. 最大穩(wěn)定電流 IZMAX 不同型號(hào)的穩(wěn)壓管，都規(guī)定一個(gè)最大穩(wěn)定電流，防止穩(wěn)壓管過(guò)流發(fā)生熱擊穿而損壞。三. 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)保證穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的最小工作電流。IZmin很小，常視為零。u(V)iZ (mA)0IZm

24、inIZmaxUZUZ2.5 30V2022/8/27614. 最大允許耗散功率PZM穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。5. 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻越小穩(wěn)壓管穩(wěn)壓效果越好6. 電壓溫度系數(shù)穩(wěn)壓管受溫度變化的影響系數(shù)。PZM = 0.25 2WIZminIZmaxU(V)I(mA)OUBR2022/8/2762例1. 如圖所示電路中，R = RL = 500 , DZ 的穩(wěn)定工作電壓UZ = 6V ; 求: 當(dāng)Ui = 10V 時(shí)UO = ， IZ = ; 當(dāng) Ui= 20V 時(shí)UO= ， IZ = 。解：Ui =10V時(shí)Ui = 20V時(shí)UO+-RDZ1RLUi+-IZILIR2022/8/2763

25、UO+-1KW25VDZ1DZ2例：如圖所示電路，設(shè)穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2的穩(wěn)定工作電壓分別是5V和10V，試求出電路的輸出電壓UO，判斷穩(wěn)壓二極管所處的工作狀態(tài)。已知穩(wěn)壓二極管正向電壓為0.7V。解：當(dāng)穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2斷開(kāi)時(shí)， DZ1和DZ2同時(shí)加有25V反向電壓。由于DZ1反向擊穿電壓比DZ2小，所以DZ1先被擊穿，輸出電壓UO穩(wěn)定在5V。DZ1處于擊穿狀態(tài)，DZ2處于截止?fàn)顟B(tài)。2022/8/2764 晶體三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱(chēng)為雙極型三極管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。BJT有兩種類(lèi)型：NPN晶體管PNP晶

26、體管互補(bǔ)復(fù)合晶體管*1.3 晶體三極管兩種晶體管在電路中形成互補(bǔ)2022/8/2765BJT常見(jiàn)外形：90143DG52N2202小功率晶體管大功率晶體管ECB2N22021.3.1 晶體管結(jié)構(gòu)及類(lèi)型2022/8/27662022/8/2767電路符號(hào)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)：E(Emitter) ：發(fā)射極B(Base） ：基極C(Collector) ：集電極NPN晶體管PNP晶體管注意：電路符號(hào)中的箭頭方向表示由P指向N的方向CEBCEBNNPCEBPPNCEB2022/8/2768本征半導(dǎo)體三區(qū)兩結(jié)三極集電結(jié)發(fā)射結(jié)N-SiN+P集電極C基極 B發(fā)射極E金屬層N型硅片（襯底）BJT結(jié)構(gòu) ( 以NPN晶體

27、管為例 )BJT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)BJT示意圖N(集電區(qū))N(發(fā)射區(qū))P(基區(qū))EBC2022/8/2769 BJT結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高 ( N+ )； 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大； 基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。N-SiN+PC BEBJT三個(gè)區(qū)的作用 ： 發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子 集電區(qū)：收集載流子 基區(qū)：傳送和控制載流子2022/8/27701.3.2 晶體管的電流放大作用CECBCC一. BJT的三種組態(tài):BJT作為放大器件使用時(shí)將構(gòu)成兩個(gè) 回路，輸入回路與輸出回路，從而形成三種不同的接法，也稱(chēng)為三種組態(tài)。共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。ic

28、ib輸入輸出icie輸入輸出ieib輸入輸出共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示 ；共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示 ;2022/8/2771二. BJT工作在放大狀態(tài)的條件三極管的放大作用是滿足自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的前提下，在一定的外部條件控制下，通過(guò)載流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：BJT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。以硅材料NPN管為例發(fā)射結(jié)正偏 UBE 0.7V；晶體管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。集電結(jié)反偏 UCB 0,UCB=UCC UBE集電結(jié)電場(chǎng)很強(qiáng)。CEBNNPRbUBBIbICUCCJCJE 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高 ( N+ )； 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大

29、； 基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。2022/8/2772對(duì)于NPN管: 正常工作時(shí)要求UC UB UE對(duì)于PNP管: 要求 UC UB UB UEPNP UC UB UE2022/8/2774例: 在晶體管放大電路中，測(cè)得三個(gè)晶體管的各個(gè)電極的電位如圖。試判斷各晶體管的類(lèi)型（是NPN管還是PNP管，是硅管還鍺管），并區(qū)分e、b、c 三個(gè)電極。2V2.7V6V(a)90142.2V5.3V6V(b)90154V1.2V1.4V(c)9016解： (a) 硅NPN管， e ，b ，c ;(b) 硅PNP管， c ，b ，e ;(c) 鍺PNP管， c ，e ，b 。2022

30、/8/2775becNNPRCRBIBIEICJeJcIEP發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏I(xiàn)ENIBN發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成電流IEN?；鶇^(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，形成電流IEP進(jìn)入基區(qū)少數(shù)電子和空穴復(fù)合，形成電流IBN，那么多數(shù)去了？電子流復(fù)合ICNIENIBN從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為基區(qū)的少子，在外電場(chǎng)的作用下，漂移進(jìn)入集電區(qū)而被收集，形成電流ICN。集電結(jié)反偏，少子形成漂移電流ICBO。ICBO三. 晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)2022/8/2776BJT內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程2022/8/2777四. 電流的分配與放大作用IE擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流IB復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流IC漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流I

31、BIEICJeJcbecNNPRCRBIEP電子流復(fù)合ICBOICNIENIBNRCUCCRBUBBIBICIE2022/8/2778IBIEICJeJcbecNNPRCRBIEP電子流復(fù)合ICBOICNIENIBNRCUCCRBUBBIBICIE：共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)同時(shí)，2022/8/2779ICEO集電極發(fā)射極間的穿透電流ICBO集電結(jié)反向 飽和電流2022/8/2780IBIEICJeJcbecNNPRCRBIEP電子流復(fù)合ICBOICNIENIBNRCUCCRBUBBIBICIE：共基極直流電流放大系數(shù)2022/8/2781RCUCCRBUBBIB+IBuIIC+ICIE+IE當(dāng)

32、電路中增加變化量的輸入（動(dòng)態(tài)量）時(shí)，相應(yīng)的電流放大倍數(shù)為交流電流放大倍數(shù)：是BJT最重要的器件參數(shù)，只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。 BJT的放大作用，按電流分配實(shí)現(xiàn)，IB微小的變化會(huì)引起IC較大的變化，故BJT稱(chēng)為電流控制器件。2022/8/27821.3.3 BJT的特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線BJT的特性曲線輸入回路輸出回路實(shí)驗(yàn)電路RCUCCRBUBBIBICIEUCEUBE+-2022/8/2783晶體管特性圖示儀2022/8/2784輸入特性曲線的三個(gè)部分 死區(qū) 0UBEUon= 0.4V 非線性區(qū) UonUBE 0.6一. 輸入特性曲線0 0.4 0.6 UB

33、E/V IB/A 輸入特性曲線是指當(dāng)集射極之間的電壓UCE為某一常數(shù)時(shí)，輸入回路中的基極電流IB與加在基射極間的電壓UBE之間的關(guān)系曲線。icib+UBEUCE+-2022/8/2785UCE對(duì)輸入特性曲線的影響 (基區(qū)調(diào)寬效應(yīng))實(shí)際上BJT的輸入特性要受到UCE變化的影響RbUBBIBUBEJCJENNPUCE+-隨著UCE電壓的增大, 基區(qū)IB的電流通道變窄, IB 減小。要獲得同樣大的 IB , 必需增大UBE 。表現(xiàn)出曲線右移當(dāng)UCE 1V時(shí)，特性曲線右移的距離很小。通常將UCE=1V的特性曲線作為晶體管的輸入特性曲線。BNNPECUCE=00UBEIB0V1V10VUCE 2022/

34、8/2786UCE(V)IC(mA)43210 2 4 6 8100806040iB=20(A)二、輸出特性曲線 輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出電路中集電極電流 IC與集 射極間的電壓UCE之間的關(guān)系曲線。iB=0IB= (UBB -UBE)/RbRCUCCRBUBBIBICIEUCEUBE+-輸出特性曲線2022/8/2787IB3 IB2 IB1 0從輸出特性上，可將三極管分為三個(gè)工作區(qū)(工作狀態(tài))：截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)。 BJT晶體三極管是一種電流控制器件，其集電極電流受到基極電流的控制。 BJT的器件模型可等效為電流控制電流源（CCCS）。UCE(V)IC(mA)432

35、10 2 4 6 8IB5IB4IB3IB2iB = IB1iB=0iCiB+UBEUCE+-飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)2022/8/27881) 截止區(qū)(Cut off region)IB = 0 曲線以下的區(qū)域。條件：發(fā)射結(jié)零偏或反偏集電結(jié)反偏I(xiàn)B = 0, IC = IE = ICEO (穿透電流) 由于ICEO很小，此時(shí)UCE近似等于UCC，C與E之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。UBEUonIB=0RCUCCRBUBBICIEUCEUBEUCE(V)IC(mA)43210 2 4 6 8IB5IB4IB3IB2iB = IB1iB=0截止區(qū)ICEO= (1+ ) ICBO2022/8/27892) 飽和區(qū)

36、(Saturation region)條件：發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)正偏。 即：UBE 0，UBE UCE , UCUB。小功率硅管的 UCES = 0.3V , 小功率鍺管的 UCES = 0.1V。相對(duì)于電源電壓飽和時(shí)UCES 很小，可以忽略。C與E之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。 此時(shí)IB對(duì)IC失去了控制作用， ICIB ，管子處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。飽和時(shí)的UCE電壓記為UCES 。輸出特性曲線靠近縱軸邊UCE很小的區(qū)域。UCESUCE(V)IC(mA)IB5IB4IB3IB2iB = IB1iB=00飽和區(qū)UCES飽和壓降2022/8/27903）放大區(qū)(Active region)條件：發(fā)射結(jié)正偏； 集

37、電結(jié)反偏。特點(diǎn)：特性曲線中，接近水平的部分。UCESUCEUCCUCESUCE(V)IC(mA)IB5IB4IB3IB2iB = IB1iB=00飽和區(qū)放大區(qū)RCUCCRBUBBIBICIEUCEUBE+- 集電極電流與基極電流成正比。因此放大區(qū)又稱(chēng)為線性區(qū)、恒流區(qū)。 2022/8/2791 在放大區(qū)UCE變化時(shí)，IC基本不變。 這就是晶體 管的恒流特性。 特性曲線的均勻間隔反映了晶體管電流放大作用的能力，間隔大，即IC大，因而放大能力（）也大。關(guān)于放大區(qū)：uCE(V)iC(mA)43210 2 4 6 8ICIBQ100806040iB=20(A)三區(qū)偏置特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)集電結(jié)飽和區(qū) 正偏 正偏

38、放大區(qū) 正偏 反偏截止區(qū) 反偏 反偏2022/8/2792RCUCCRBUBBIBICIEUCEUBEICbIBUCE = UCC - IC RCIB IC UCEUCE(min) = UCES = UCC - IC(max) RCICEO IC IC(MAX)IC=ICEO IC(MAX) ; UCE= UCES UCCBJT工作在放大區(qū)時(shí)應(yīng)滿足:放大區(qū)工作條件：UCES UCEUCC2022/8/2793例1：測(cè)量到硅BJT管的三個(gè)電極對(duì)地電位如圖 試判斷三極管的工作狀態(tài)。放大截止飽和(a)8V3.7V3V(b)3V2V12V(c)3V3.7V3.3V2022/8/2794例2.判斷下列硅

39、BJT的工作狀態(tài)解：(a) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏， 管子放大 ;(b) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏， 管子飽和 ;(c) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏， 管子放大。2V2.7V5V(a)2.3V3V2.3V(b)1V3V(c)1.7V2022/8/2795例3: 在圖示電路中,設(shè)b =60 ; UCC=15V;RC=5KW,在給出的三組條件下,求UCE并分別說(shuō)明晶體管工作在何種狀態(tài)。解：此時(shí)BJT工作于飽和狀態(tài)UCE UCES0RBUBBIBICIEUCEUBE+-15V5KW2022/8/2796 解：此時(shí)BJT工作于放大狀態(tài)RBUBBIBICIEUCEUBE+-15V5KW2022/8/2797解

40、： 所以此時(shí)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。 BE結(jié)電壓：反偏 CB結(jié)電壓：反偏RBUBBIBICIEUCEUBE+-15V5KW2022/8/2798 一.電流放大系數(shù) 同一型號(hào)的晶體管，值也有很大差別。一般放大器采用值為3080的晶體管為宜。UCE(V)IC(mA)IB5IB4IB3IB2iB = IB1iB=0DIBDICUCEQ1. 共射電流放大系數(shù)共射直流電流放大系數(shù)共射交流電流放大系數(shù) 由于實(shí)際曲線接近于平行等距1.3.4 BJT的主要參數(shù)2022/8/27992. 共基極電流放大系數(shù) 共基極交流電流放大系數(shù) 共基極直流電流放大系數(shù) 一般情況下 ，同時(shí)， 可以不加區(qū)分。2022/8/27100

41、二.極間反向電流(a) 反向飽和電流 ICBO(b) 穿透電流 ICEO ICBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集基反向飽和電流。通常希望ICBO越小越好。在溫度穩(wěn)定性方面，硅管比鍺管好。 ICEO是基極開(kāi)路時(shí)，從集電極直接穿透三極管到達(dá)發(fā)射極的電流。ICBOICEO2022/8/27101(1) 集電極最大允許電流ICM 三. 極限參數(shù)0UCEICU(BR)CEO（NPN）ICM安全工作區(qū)UCEIC=PCM過(guò)損耗區(qū)集電極電流 IC 超過(guò)一定值時(shí)，值要下降，當(dāng)降到原來(lái)值的2/3時(shí)，對(duì)應(yīng)的IC記為ICM 。(2) 集電極最大允許功率損耗PCM PCM= ICUCE0bICICMb02b0/32022/8/27

42、102(3) 反向擊穿電壓（BreakdownBR） U(BR)CBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)反向擊穿電壓。 U(BR) EBO 集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。 U(BR)CEO基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系 U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR) EBO0UCEICU(BR)CEO（NPN）ICM安全工作區(qū)UCEIC=PCM過(guò)損耗區(qū)由U(BR)CEO、PCM、ICM 共同確定三極管的安全工作區(qū)。2022/8/271031.3.5 溫度對(duì)BJT特性的影響UCE(V)IC(mA)Q0UBEIB2022/8/271041.4 場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管(Field Eff

43、ect Transistor - FET)與雙極型晶體管不同，導(dǎo)電過(guò)程中只有一種載流子參與，所以又稱(chēng)為單極型晶體管。1. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)JFET (Junction type Field Effect Transister) ；2. 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)IGFET ( Insulated Gate Field Effect ransister)， 也簡(jiǎn)稱(chēng)為MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。一. FET的分類(lèi)FET按結(jié)構(gòu)分為兩大類(lèi)：3DJ72022/8/27105存在兩種類(lèi)型的JFET ，四種類(lèi)型的MOSFET。JFETMOSFETN溝道耗盡型(正

44、極性晶體管)N溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)型 (Depletion) (Enhancement)P溝道耗盡型(負(fù)極性晶體管)P溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型JFETGSDMOSFETDGS二 . FET電路符號(hào)D(Drain) 漏極G(Gate) 柵極S(Source)源極2022/8/271061. FET的D到S之間的電流通道稱(chēng)為溝道2. 以N型材料為溝道的FET稱(chēng)為N溝道FET3. 以P型材料為溝道的FET稱(chēng)為P溝道FET4. UGS= 0時(shí)存在溝道的FET稱(chēng)為耗盡型FET5. UGS= 0時(shí)不存在溝道的FET稱(chēng)為增強(qiáng)型FETFET名詞：FET與BJT三電極對(duì)應(yīng)關(guān)系DGSCBECBEDGS增強(qiáng)型DG

45、S耗盡型UGS2022/8/27107三. FET主要特點(diǎn)：1). FET是一種電壓控制器件，其模型具有VCCS特性;2). FET輸入阻抗高,易實(shí)現(xiàn)直接耦合;3). FET工作頻率高,開(kāi)關(guān)速度快；4). FET工藝簡(jiǎn)單，易集成( LSI &VLSI )。5). FET噪聲低，可用于高靈敏放大器。 JFET輸入電阻約為106 109 。而MOSFET輸入電阻可高達(dá)1015 。最早發(fā)明的晶體管是JFET;最有發(fā)展?jié)摿Φ木w管是MOS管;目前大多數(shù)IC內(nèi)部采用的晶體管是MOS管。IG0ID = ISIDIGGSDIS2022/8/271081.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JEFT)一.JFET結(jié)構(gòu)與電路

46、符號(hào)NP+P+G(柵極)S(源極)D(漏極)N溝道JFET電路符號(hào)中箭頭表示PN結(jié)方向( P N）GSDPN+N+G(柵極)S(源極)D(漏極)P溝道JFETGSD導(dǎo)電溝道PN結(jié)耗盡層2022/8/271092022/8/27110GSDPPIDUDSUGSPPPP二.工作原理(以N溝道JFET為例)當(dāng)UDS= 0時(shí)，UGS 對(duì)溝道的控制作用: 當(dāng)UGS0時(shí)， PN結(jié)反偏， | UGS | 耗盡層加厚 溝道變窄。 | UGS | 繼續(xù)增大，溝道繼續(xù)變窄，當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱(chēng)為夾斷電壓UP（或UGS(off）。對(duì)于N溝道的JFET， UP 0時(shí)，N溝道中多子從 S 流向 D，形成

47、漏極電流ID。 ID沿溝道產(chǎn)生的電壓降使柵極與溝道內(nèi)部各點(diǎn)的反向電壓不等，越靠近漏極電壓越大。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。2022/8/27112GSDPPIDUDSUGSPPPP當(dāng)UGDUP 時(shí)，UGS對(duì)ID的控制作用當(dāng)UGDUGS-UDS0時(shí)，在柵極下面的二氧化硅中將產(chǎn)生一個(gè)指向P型襯底、且垂直襯底表面的電場(chǎng)。電場(chǎng)排斥空穴，吸引電子到半導(dǎo)體表面。 繼續(xù)增大UGS形成反型層增寬(N型導(dǎo)電溝道) , 將源區(qū)和漏區(qū)連起來(lái)。UGS越大,反型層越寬,導(dǎo)電溝道電阻越小，DS間的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層 被電場(chǎng)吸引的電子在柵極附近的P型硅表面形成N型薄層稱(chēng)為反型層, 它是由UGS

48、感應(yīng)產(chǎn)生的，也稱(chēng)為感生溝道。2022/8/27120IDP-SiGDSN+N+UGSUDSUT =2 5V將開(kāi)始形成反型層所需的UGS值稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UT 。UGSUT 的某一固定值時(shí)，UDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)UDS=0時(shí)，ID=0；UDS ID ，同時(shí)使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道變窄，使溝道形狀成楔形。當(dāng)UDS增加到使UGD=UT 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)UDS 夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻 ID基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。對(duì)同樣的UDS ， UGS 增加，溝道電阻減小，ID 增加。所以，此時(shí)可以通過(guò)改變UGS 控制ID 的大小，2022/8/271212022/8/27122UDS(V)ID(mA)0 5 10 15 20UGS =8V 7V 6V 5V 4VUGS =UTa).輸出特性曲線UGS UT ID 0UDS =UGS -UT設(shè)UT =3VRDUDDRGUGGIG=0IDISUDSUGS+-N溝道增強(qiáng)型MOSFET特性曲線20