模課程總學時：60(十五周結束);課程學分：4.0；課程類型：專業(yè)必修課。任課教師：馬俊成擬電路基礎感謝同學們的支持和鼓勵1/11/20231本課程的任務是：介紹常用半導體器件的特性與參數(shù)，重點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，掌握半導體器件的基本運用。教學形式:

課堂采用多媒體授課；課后練習鞏固。1/11/20232一、模擬電路簡介模擬電路是一種信號處理電路，一般可視為雙口網(wǎng)絡。模擬電路uiuO輸入信號按時間可分為連續(xù)時間信號(模擬信號)和離散時間信號(數(shù)字信號)。處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路,電路中的晶體管工作在線性放大狀態(tài)。處理數(shù)字信號的電子電路稱為數(shù)字電路,電路中的晶體管一般在工作開關狀態(tài)。1.模擬電路和數(shù)字電路前言1/11/202333.模擬電路的特點：A).工程性和實踐性強；信號按工作頻率可分為低頻、高頻、微波信號。2.低頻模擬電路處理低頻信號的模擬電路稱為低頻模擬電路，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，應用最廣泛的電子電路。B).電路功能多，涉及知識面廣、靈活性大。內(nèi)容多、教材太精煉、學時少、入門難。本課程存在的問題：1/11/20234上世紀90年代電子技術就進入了超大規(guī)模集成電路電子時代。集成電路的發(fā)展促進了電子學、特別是數(shù)字電路和微型計算機的發(fā)展，人類社會開始邁進信息時代?！?904年電子管發(fā)明（真正進入電子時代）;☆1947年晶體管問世;☆

1959年集成電路出現(xiàn)(SSI、MSI、LSI、VLSI)。二.電子技術的發(fā)展歷程電子技術的發(fā)展以電子器件的更新?lián)Q代為標志！電子學近百年發(fā)展史上三個重要里程碑：VLSI——超大規(guī)模集成電路1/11/20235摩爾定律：集成電路中的晶體管數(shù)目每兩年增加一倍；CPU性能每18個月增加一倍。三.摩爾定律集成電路的發(fā)展遵從摩爾定律1/11/20236四.模擬電路常用器件3DG59014~+~-2N2202TL0841/11/20237§1.1

半導體基礎知識§1.2半導體二極管§1.3晶體三極管§1.4場效應管第一章常用半導體器件1/11/20238§1-1半導體基本知識

根據(jù)材料導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

典型的半導體材料有硅(Si)和鍺(Ge)以及砷化鎵(GaAs)等。導體：電阻率ρ<10-4Ω·cm

絕緣體：電阻率ρ>109Ω·cm

半導體：電阻率ρ介于前兩者之間。1/11/20239當半導體受到光照時，導電能力大幅度增強，制成的光敏二極管可以用于光敏控制。半導體三大基本特性：1.半導體的熱敏性(temperaturesensitive).環(huán)境溫度升高時，半導體的導電能力大幅度增強，制成的熱敏電阻可以用于溫度控制。T電導率s2.半導體的光敏性(lightsensitive)IUmA半導體T1.5光照度

光照1/11/2023103.半導體的摻雜性

(Doping

impuritive)在半導體中摻入一定濃度的雜質后，可改變半導體的導電類型，導電能力也會大幅度增加，利用這種特性可以制造出不同用途的半導體晶體管與集成電路。半導體IUmA高溫摻雜3DG5晶體管1/11/202311§1.1.1本征半導體

一.本征半導體純度>6個9(99.9999%)半導體的原子結構為金剛石結構：每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點。完全純凈、結構完整的半導體晶體。稱為本征半導體。半導體的晶體結構取決于原子結構。1/11/202312在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4二.半導體的共價鍵結構共價鍵結構硅單晶材料1/11/202313三.本征半導體的導電機理在絕對0度(T=0K)和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子(即載流子),它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。本征半導體中的載流子：自由電子(freeelectron)空穴(mobilehole)+4+4+4+4空穴自由電子1/11/202314本征激發(fā)——電子空穴對的產(chǎn)生1/11/202315空穴的移動在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的遷移，因此可以認為空穴是載流子。1/11/202316*四.本征半導體中的載流子濃度ni：自由電子的濃度pi：空穴的濃度K1：系數(shù)（與半導體材料有關）T：絕對溫度式中：k：波爾茲曼常數(shù)EG：價電子掙脫共價鍵所需能量,又叫禁帶寬度本征半導體中的自由電子和空穴是成對產(chǎn)生的(本征激發(fā))，由半導體物理得：1/11/202317

§1.1.2雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

N型半導體

——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。一般采用高溫擴散工藝進行摻雜1/11/202318一.N型半導體本征硅或鍺+少量磷N型半導體SiPSiSi自由電子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子很容易被激發(fā)而成為自由電子，磷原子是不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主雜質(donorimpurity)。1/11/202319

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子(多子)，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子(少子),

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，由于五價原子釋放電子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。+4+5+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4施主雜質自由電子1/11/202320二.P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些原子被雜質取代。硼原子的最外層有三個價電子,與相臨的硅或鍺原子形成共價鍵時,產(chǎn)生一個空穴,這個空穴可能吸引束縛電子來填補。使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主雜質(acceptorimpurity)。本征硅或鍺+少量硼

P型半導體SiBSiSi空穴

在P型半導體中空穴是多數(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1/11/202321雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體載流子濃度=雜質濃度+熱激發(fā)少子濃度1/11/202322載流子運動產(chǎn)生電流，存在兩種運動方式：（1）漂移運動---載流子在外加電場作用下的定向移動。（2）

擴散運動---因濃度梯度引起載流子的定向運動。運動速度m

---遷移率

§1.1.3PN結1/11/202323一.PN結的形成1/11/202324濃度差多子的擴散運動

雜質離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場

內(nèi)電場促使少子漂移，阻止多子擴散最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:+++++++++–––––––––+++–––P型區(qū)N型區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場E0離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。也稱耗盡層。1/11/202325二.PN結的單向導電性當外加電壓使PN結中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

1.PN結加正向電壓時低電阻大的正向擴散電流正向電壓使PN結內(nèi)建電場減弱，空間電荷區(qū)變薄,產(chǎn)生較大的正向擴散電流。擴散大于飄移，正向電流大，PN結導通。PN結加正偏時的導電情況1/11/202326

2.PN結加反向電壓時高電阻很小的反向漂移電流，

PN結反向截止。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關，故反向飽和電流很小。外加電場與PN結內(nèi)建電場方向一致，使PN結空間電荷區(qū)變寬，擴散電流趨于零，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。加反偏的PN結1/11/202327

PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流，處于導通狀態(tài)；

PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，處于截止狀態(tài)。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

PN結的單向導電性1/11/202328三.PN結電流方程式中IS——反向飽和電流UT——溫度的電壓當量且在室溫下（T=300K）ui0ISDiDuD+?1/11/202329四.PN結的伏安特性在室溫下（T=300K），設u=100mV,而UT=26mV，所以當u＞100mV時，PN結方程可以簡化為同樣當u＜-100mV時，PN結電流方程可以簡化為∵ui0IS正向特性反向特性1/11/202330例：已知室溫(T=300K)下，硅PN結外加正偏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：1/11/202331PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿反向擊穿當UBR＜4V時稱為“齊納擊穿”當UBR＞7V時稱為“雪崩擊穿”在UBR附近Δi大幅度變化，而Δu變化很小，具有穩(wěn)壓特性。利用PN結的反向擊穿特性可以制成“穩(wěn)壓二極管”。u(V)i(mA)OPN結的伏安特性※1/11/202332五.PN結的電容效應1.勢壘電容CbPN結存在兩種電容效應

++++++++--------+q-quS+_PN勢壘區(qū)+_uS勢壘區(qū)電荷隨外加反偏uS增大而增大，結構類似電容。uS(V)CbO1/11/2023332.擴散電容Cd擴散電容示意圖正偏時兩區(qū)靠近PN結附近存在可動電荷的積累，具有電容效應。此效應用擴散電容Cd表征。PN+_uSRxnppn1/11/202334PN結電容Cj是一種非線性電容利用PN結電容特性可制成“變?nèi)荻O管”。對于一般小功率二極管Cj＝1PF~100PF。Cb和Cd一般都很小，低頻時忽略，高頻時才考慮結電容。Cb勢壘電容，Cd擴散電容。uS+_1/11/202335PN電路符號PN陽極陰極內(nèi)部結構常見外形§1.2半導體二極管1/11/2023361.2.1半導體二極管的幾種常見結構在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。外殼觸絲基片1/11/202337面接觸型PN結面接觸型的PN結面積大，用于低頻大電流整流電路。平面型用于集成電路、高頻整流和開關電路。(2)面接觸型和平面型二極管平面型陽極N

P陰極1/11/202338半導體二極管圖片1/11/202339

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+–實際V-I由實驗電路測量得出u(V)i(mA)Oi(μA)1/11/202340伏安特性受溫度的影響u(V)i(mA)O溫度對二極管伏安特性的影響二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗表明：

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1/11/202341硅和鍺材料二極管伏安特性比較u(V)i(mA)oi(μA)1/11/202342

1.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF∶指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。它主要取決于PN結的結面積大小，當流過二極管的正向平均電流超過此值時，會使PN結燒壞。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，加在二極管上的實際反向電壓不能超過此值。RDUiDuD+–1/11/2023433.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的反向電流。此值愈小，單向導電性能愈好。當溫度升高時，反向電流增加，單向導電性能變壞，故二極管在高溫條件使用時要特別注意。4.最高工作頻率fM:指保證二極管具有良好單向導電性能的最高頻率。它主要由PN結的結電容大小決定。結面積小的二極管最高工作頻率較高。RDUiDuD+–1/11/2023445.二極管的直流電阻RD：二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比稱為二極管的直流電阻RD。即RDUiDuD+–6.二極管的交流（動態(tài)）電阻rD：二極管的交流（動態(tài)）電阻rD：當二極管端電壓在某一確定值（工作點）附近的微小變化與流過二極管電流產(chǎn)生的微小變化之比稱為二極管的交流（動態(tài)）電阻rD。即1/11/202345RD、rD分析求解rD：二極管特性曲線工作點Q附近電壓的變化量與相應的電流變化量之比。即:圖解法求rD、RDuDOQUDuDiDIDiD如

ID

=2mA時，rD=13直流等效電阻二極管直流電阻RD和動態(tài)電阻rD的大小與二極管的工作點有關。對同一工作點而言，直流電阻RD大于動態(tài)電阻rD，對不同工作點而言，工作點愈高，RD和rD愈低。1/11/202346二極管基本電路及分析方法問題：已知R、U，求iD、uD。iDR＋uD=URDUiDuD+–uD=?iD=?1/11/202347

一.理想開關模型特點：uD>0時,二極管導通;uD<0時,二極管截止。RDUiDuD+–uDiD0U=iDR+uD=iDRiD=U/R二極管導通時uD=0引入模型的目的：簡化電路計算；方法：非線性器件作線性化處理。DiDuD+?或1.2.4二極管的等效電路1/11/202348二.恒壓降模型uD>0.7V(硅管)時,二極管導通，uD<0.7V(硅管)時,二極管截止。特點：RDUiDuD+–uDiD0UON硅二極管UON=0.7V鍺二極管UON=0.3V二極管導通(iD>0)時，uD=UONU=iDR+uD=iDR+UONiD=(U–UON)/R

UonD1/11/202349*三.折線模型當

UD＞

Uon時；UD=Uon+iDrD;rD為Q點折線斜率的倒數(shù)。Uon是二極管的開啟電壓。特點：

UonrD理想二極管模型uDiD0QUonRDUiDuD+–1/11/202350例1：(填空題)如圖所示電路中，D1～D3為理想二極管，A、B、C白熾燈泡功率相同，其中最亮的燈是

。+D1D2D3USABC解：US正半周時D1、D3導通，D2截止A、C被短路，US的正半周電壓全部加到B上。US負半周時D1、D3截止，D2導通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。1/11/202351例2：圖示電路中設D導通時正向壓降為0.7V，求流過二極管中的電流ID。解：運用戴維南定理D+?ID2.5V1.5KW

二極管正向導通其正向壓降為0.7V。D5V+?+?3KWID10V3KW

1/11/202352限幅電路1、二極管單向限幅

（設D為理想二極管）當輸入電壓小于電池電壓E時，二極管兩端電壓處于反向偏置，ui<E時，D截止，uo=ui

當輸入電壓大于電池電壓時，二極管兩端電壓處于正向偏置，導通，二極管兩端電壓為0，所以輸出電壓與電池電壓相同。即：ui>E時，D導通，uo=E限幅——電壓幅度限制uiuoRE++??D1/11/2023534截止截止導通導通08tui0tuo如果考慮二極管導通電壓，則此時輸出最大正向電壓為4.7V。uiuoRE++??D設：ui<4V時，D截止，uo=uiui>4V時，D導通，uo=4V1/11/202354408tui0tuo導通導通導通導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)，試畫出電壓傳輸特性曲線uo=f(ui)。-4<ui<4V時，D1、

D2

截止，uo=uiui>4V時，D1導通、D2截止，uo=4Vui<

-4V時，D1截止、

D2導通，uo=-4V如果考慮二極管導通電壓，則此時電壓輸出最大幅度Uom≈4+0.7V。1/11/202355

利用二極管的單向導電性，相當于一個受外加電壓極性控制的開關。二極管開關電路半導體二極管開關特性二極管電路分析方法：1）先將二極管從電路中斷開，分別求出其兩端的正向電壓；2）根據(jù)二極管的單向導電性，二極管承受正向電壓則導通，反之則截止。若電路中存在兩只以上二極管，則正向電壓大的管子優(yōu)先導通。1/11/202356如圖所示電路，D1、D2為理想二極管，我們用列表的方法來分析輸入信號UA，UB和輸出信號UF的關系：導通截止5V導通導通0V導通導通5V導通截止5V如果定義5V電平為邏輯1，0V電平為邏輯0，則該電路實現(xiàn)邏輯“或”的功能：F=A+B。UAUBUFD2D15V5V5V5V0V0V0V0VD1D2R-12VUAUBUF1/11/202357由特殊工藝制造專門工作在反向擊穿狀態(tài)下的二極管稱為穩(wěn)壓二極管。一.穩(wěn)壓二極管普通二極管反向擊穿電壓越大越好，一般UBR>100V。u(V)i(mA)OUBR普通穩(wěn)壓二極管工作電壓UBR＝UZ=2.5~30V。穩(wěn)壓二極管特點：

PN結面積大，散熱條件好，反向擊穿是可逆?！?.2.5穩(wěn)壓二極管DZUZIZ+-或1/11/202358二.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，即動態(tài)電阻

rZ越小，穩(wěn)壓性能越好。DZu(V)imA)OUBR1/11/2023591.穩(wěn)定電壓UZ

2.最小穩(wěn)定電流IZmin3.最大穩(wěn)定電流

IZMAX

不同型號的穩(wěn)壓管，都規(guī)定一個最大穩(wěn)定電流，防止穩(wěn)壓管過流發(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)0IZminIZmaxUZUZ＝2.5～30V1/11/2023604.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.動態(tài)電阻動態(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)OUBR1/11/202361例1.如圖所示電路中，R

=RL=500Ω,DZ的穩(wěn)定工作電壓UZ=6V;求:當Ui=10V時UO=

，IZ

=

;

當Ui=20V時UO=

，IZ

=

。解：Ui=10V時Ui=20V時UO+-RDZ1RLUi+-IZILIR1/11/202362UO+-1KW25VDZ1DZ2例：如圖所示電路，設穩(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：當穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2斷開時，DZ1和DZ2同時加有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處于截止狀態(tài)。1/11/202363

晶體三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。BJT有兩種類型：NPN晶體管PNP晶體管互補復合晶體管*§1.3晶體三極管兩種晶體管在電路中形成互補1/11/202364BJT常見外形：90143DG52N2202小功率晶體管大功率晶體管ECB2N2202§1.3.1晶體管結構及類型1/11/2023651/11/202366電路符號與內(nèi)部結構：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：電路符號中的箭頭方向表示由P指向N的方向CEBCEBNNPCEBPPNCEB1/11/202367本征半導體三區(qū)兩結三極集電結發(fā)射結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結構(以NPN晶體管為例)BJT芯片內(nèi)部結構BJT示意圖N(集電區(qū))N(發(fā)射區(qū))P(基區(qū))EBC1/11/202368BJT結構特點※?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，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。N-SiN+PCBEBJT三個區(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1/11/202369§1.3.2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將構成兩個回路，輸入回路與輸出回路，從而形成三種不同的接法，也稱為三種組態(tài)。共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。icib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;1/11/202370二.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)部結構特點的前提下，在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。內(nèi)部結構：BJT的結構特點

外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏。以硅材料NPN管為例發(fā)射結正偏

UBE≈0.7V；晶體管發(fā)射結導通。集電結反偏

UCB>0,UCB=UCC?UBE集電結電場很強。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；?基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。1/11/202371對于NPN管:正常工作時要求UC>UB>UE對于PNP管:要求UC<UB<UE而：UB?UE≈UBE=0.7V(Si-NPN)UB?UE≈UBE=?0.7V(Si-PNP)發(fā)射結正偏集電結反偏PNP管偏置電路CEBRbUBBIbICUCCJCJEPPNNPN管偏置電路RCUCCRBUBBIBICIEUCEUBE++--1/11/202372①中間電位對應管腳B；②NPN管中間電位靠近低電位UE;③PNP管中間電位靠近高電位UE;④

UB?UE≈0.7V為Si-NPN管;

UB?UE≈-0.3V為Ge-PNP管;..............。3DG5U1U2U3正常工作時BJT的管腳與類型判別：NPN——

UC>UB>UEPNP——UC<UB<UE1/11/202373例:在晶體管放大電路中，測得三個晶體管的各個電極的電位如圖。試判斷各晶體管的類型（是NPN管還是PNP管，是硅管還鍺管），并區(qū)分e、b、c三個電極。2V2.7V6V(a)90142.2V5.3V6V(b)90154V1.2V1.4V(c)9016解：(a)硅NPN管，①－e，②－b，③－c;(b)硅PNP管，①－c，②－b，③－e;(c)鍺PNP管，①－c，②－e，③－b。1/11/202374becNNPRCRBIBIEICJeJcIEP發(fā)射結正偏集電結反偏IENIBN發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成電流IEN?；鶇^(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散，形成電流IEP進入基區(qū)少數(shù)電子和空穴復合，形成電流IBN，那么多數(shù)去了？電子流復合ICNIENIBN從發(fā)射區(qū)擴散來的電子作為基區(qū)的少子，在外電場的作用下，漂移進入集電區(qū)而被收集，形成電流ICN。集電結反偏，少子形成漂移電流ICBO。ICBO三.晶體管內(nèi)部載流子的運動1/11/202375BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程1/11/202376四.電流的分配與放大作用IE－擴散運動形成的電流IB－復合運動形成的電流IC－漂移運動形成的電流IBIEICJeJcbecNNPRCRBIEP電子流復合ICBOICNIENIBNRCUCCRBUBBIBICIE1/11/202377IBIEICJeJcbecNNPRCRBIEP電子流復合ICBOICNIENIBNRCUCCRBUBBIBICIE：共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)同時，1/11/202378ICEO－集電極發(fā)射極間的穿透電流ICBO－集電結反向飽和電流1/11/202379IBIEICJeJcbecNNPRCRBIEP電子流復合ICBOICNIENIBNRCUCCRBUBBIBICIE：共基極直流電流放大系數(shù)1/11/202380RCUCCRBUBBIB+△IB△uIIC+△ICIE+△IE當電路中增加變化量的輸入（動態(tài)量）時，相應的電流放大倍數(shù)為交流電流放大倍數(shù)：

是BJT最重要的器件參數(shù)，只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。BJT的放大作用，按電流分配實現(xiàn)，IB微小的變化會引起IC較大的變化，故BJT稱為電流控制器件。1/11/202381§1.3.3BJT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驗電路RCUCCRBUBBIBICIEUCEUBE++--1/11/202382晶體管特性圖示儀1/11/202383輸入特性曲線的三個部分①

死區(qū)

0<UBE<Uon=0.4V②

非線性區(qū)

Uon<UBE<0.6③線性區(qū)UBE>0.6一.輸入特性曲線①②③00.40.6UBE/VIB/A

輸入特性曲線是指當集—射極之間的電壓UCE為某一常數(shù)時，輸入回路中的基極電流IB與加在基—射極間的電壓UBE之間的關系曲線。icib+UBEUCE+--1/11/202384UCE對輸入特性曲線的影響(基區(qū)調(diào)寬效應)實際上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UCE

≥1V時，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=00UBEIB0V1V10VUCE1/11/202385UCE(V)IC(mA)432102468100806040iB=20(A)二、輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當基極電流IB為常數(shù)時，輸出電路中集電極電流IC與集—射極間的電壓UCE之間的關系曲線。iB=0IB=(UBB-UBE)/RbRCUCCRBUBBIBICIEUCEUBE++--輸出特性曲線1/11/202386IB3>IB2>IB1>0從輸出特性上，可將三極管分為三個工作區(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)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0iCiB+UBEUCE+--飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)1/11/2023871)截止區(qū)(Cutoff

region)IB=0曲線以下的區(qū)域。條件：發(fā)射結零偏或反偏集電結反偏IB=0,IC=IE=ICEO

(穿透電流)

由于ICEO很小，此時UCE近似等于UCC，C與E之間相當于開關斷開。UBE≤UonIB=0RCUCCRBUBBICIEUCEUBEUCE(V)IC(mA)432102468IB5IB4IB3IB2iB=IB1iB=0截止區(qū)ICEO=(1+)ICBO1/11/2023882)飽和區(qū)(Saturationregion)條件：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UBE>0，UBE>UCE,

UC<UB。小功率硅管的

UCES

=0.3V,小功率鍺管的UCES=0.1V。相對于電源電壓飽和時UCES很小，可以忽略。C與E之間相當于開關閉合。此時IB對IC失去了控制作用，IC≠βIB

，管子處于飽和導通狀態(tài)。飽和時的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1/11/2023893）放大區(qū)(Activeregion)條件：發(fā)射結正偏；集電結反偏。特點：特性曲線中，接近水平的部分。UCES<UCE<UCCUCESUCE(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)又稱為線性區(qū)、恒流區(qū)。1/11/202390①在放大區(qū)UCE變化時，IC基本不變。這就是晶體管的恒流特性。②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。關于放大區(qū)：uCE(V)iC(mA)432102468ICIBQ100806040iB=20(A)三區(qū)偏置特點：發(fā)射結集電結飽和區(qū)正偏正偏放大區(qū)正偏反偏截止區(qū)反偏反偏1/11/202391RCUCCRBUBBIBICIEUCEUBEIC＝bIBUCE=UCC-ICRCIB↑→

IC↑→UCE↓UCE(min)=UCES=UCC-IC(max)RCICEO<IC<IC(MAX)IC=ICEO~IC(MAX);UCE=UCES~UCCBJT工作在放大區(qū)時應滿足:放大區(qū)工作條件：UCES<UCE<UCC1/11/202392例1：測量到硅BJT管的三個電極對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)3V3.7V3.3V1/11/202393例2.判斷下列硅BJT的工作狀態(tài)解：(a)發(fā)射結正偏，集電結反偏，管子放大;(b)發(fā)射結正偏，集電結正偏，管子飽和;(c)發(fā)射結正偏，集電結反偏，管子放大。2V2.7V5V(a)2.3V3V2.3V(b)1V3V(c)1.7V1/11/202394例3:在圖示電路中,設b=60;UCC=15V;RC=5KW,在給出的三組條件下,求UCE并分別說明晶體管工作在何種狀態(tài)。①解：此時BJT工作于飽和狀態(tài)UCE＝UCES≈0RBUBBIBICIEUCEUBE++--15V5KW1/11/202395②解：此時BJT工作于放大狀態(tài)RBUBBIBICIEUCEUBE++--15V5KW1/11/202396③解：

所以此時晶體管處于截止狀態(tài)。BE結電壓：反偏CB結電壓：反偏RBUBBIBICIEUCEUBE++--15V5KW1/11/202397

一.電流放大系數(shù)

同一型號的晶體管，值也有很大差別。一般放大器采用值為30~80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)由于實際曲線接近于平行等距§1.3.4BJT的主要參數(shù)1/11/2023982.共基極電流放大系數(shù) 共基極交流電流放大系數(shù)α

共基極直流電流放大系數(shù)

一般情況下，同時，可以不加區(qū)分。1/11/202399二.極間反向電流(a)反向飽和電流ICBO(b)穿透電流ICEO

ICBO是發(fā)射極開路時，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是基極開路時，從集電極直接穿透三極管到達發(fā)射極的電流。ICBOICEO1/11/2023100(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過損耗區(qū)集電極電流IC超過一定值時，值要下降，當降到原來值的2/3時，對應的IC記為ICM。(2)集電極最大允許功率損耗PCMPCM=ICUCE0bICICMb02b0/31/11/2023101(3)反向擊穿電壓（Breakdown——BR）U(BR)CBO——發(fā)射極開路時的集電結反向擊穿電壓。U(BR)EBO——集電極開路時發(fā)射結的反向擊穿電壓。

U(BR)CEO——基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個擊穿電壓有如下關系 U(BR)CBO＞U(BR)CEO＞U(BR)EBO0UCEICU(BR)CEO（NPN）ICM安全工作區(qū)UCEIC=PCM過損耗區(qū)由U(BR)CEO、PCM、ICM共同確定三極管的安全工作區(qū)。1/11/2023102§1.3.5溫度對BJT特性的影響UCE(V)IC(mA)Q0UBEIB1/11/2023103§1.4場效應管場效應管(FieldEffectTransistor---FET)與雙極型晶體管不同，導電過程中只有一種載流子參與，所以又稱為單極型晶體管。1.結型場效應管，簡稱JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransister)；2.絕緣柵型場效應管，簡稱IGFET(InsulatedGateFieldEffectransister)，

也簡稱為MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。一.FET的分類FET按結構分為兩大類：3DJ71/11/2023104存在兩種類型的JFET，四種類型的MOSFET。JFETMOSFETN溝道耗盡型(正極性晶體管)N溝道耗盡型、N溝道增強型(Depletion)(Enhancement)P溝道耗盡型(負極性晶體管)P溝道耗盡型、P溝道增強型JFETGSDMOSFETDGS二.FET電路符號D(Drain)——漏極G(Gate)——柵極S(Source)——源極1/11/20231051.FET的D到S之間的電流通道稱為溝道2.以N型材料為溝道的FET稱為N溝道FET3.以P型材料為溝道的FET稱為P溝道FET4.UGS=0時存在溝道的FET稱為耗盡型FET5.UGS=0時不存在溝道的FET稱為增強型FETFET名詞：FET與BJT三電極對應關系DGSCBECBEDGS增強型DGS耗盡型UGS1/11/2023106三.FET主要特點：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,易實現(xiàn)直接耦合;3).FET工作頻率高,開關速度快；4).FET工藝簡單，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。IG≈0ID=ISIDIGGSDIS1/11/2023107§1.4.1結型場效應管(JEFT)一.JFET結構與電路符號NP+P+G(柵極)S(源極)D(漏極)N溝道JFET電路符號中箭頭表示PN結方向(PN）GSDPN+N+G(柵極)S(源極)D(漏極)P溝道JFETGSD導電溝道PN結耗盡層1/11/20231081/11/2023109GSDPPIDUDSUGSPPPP二.工作原理(以N溝道JFET為例)當UDS=0時，UGS

對溝道的控制作用:當UGS＜0時，PN結反偏，|UGS|耗盡層加厚溝道變窄。

|UGS|繼續(xù)增大，溝道繼續(xù)變窄，當溝道夾斷時，對應的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP（或UGS(off））。對于N溝道的JFET，UP<0。柵極P區(qū)的摻雜濃度很高(P+)，加反偏UGS后PN結向N區(qū)擴展,當UGS較大時，溝道被夾斷。++++++––––––耗盡區(qū)P+NP+N結1/11/2023110GSDPPIDUDSUGSPP

?當UDS增加到使UGD=UP時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷，此時的ID稱為漏極飽和電流，計作IDSS。

?

UDS繼續(xù)夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。PP當UGS=0、UDS>0時，N溝道中多子從S流向D，形成漏極電流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。1/11/2023111GSDPPIDUDSUGSPPPP當UGD<UP時，UGS對ID的控制作用當UGD＝UGS-UDS<UP時，導電溝道夾斷，ID不隨UDS變化；但UGS越小，即|UGS|越大，溝道電阻越大，對同樣的UDS，ID的值越小。所以，此時可以通過改變UGS控制ID的大小，ID與UDS幾乎無關，可以近似看成受UGS控制的電流源。由于漏極電流受柵-源電壓的控制，所以場效應管為電壓控制型器件。1/11/20231121/11/2023113JFET輸出特性曲線1/11/2023114JFET轉移特性曲線1/11/2023115P--SiGDSN+N+P型Si襯底B氧化物(SiO2)層金屬(Al)層§1.4.2絕緣柵型場效應管（IGFET）1.結構

由于SiO2的高絕緣性,柵極與器件其他部分實現(xiàn)了電絕緣，故稱為絕緣柵型場效應管。又因為柵極為金屬鋁，又成為MOS管?！鄏GS=∞IG=01/11/20231161/11/20231172.MOSFET的電路符號②箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)；N溝道FET箭頭向內(nèi)，P溝道FET箭頭向外。N-MOSP-MOSDGS耗盡型DGS耗盡型①D到S之間的線段表示溝道

線段為實線表明UGS=0時,溝道已存在,FET為耗盡型；

線段為虛線表明UGS=0時,溝道不存在,FET為增強型。增強型DGS增強型DGS1/11/2023118P--SiGDSN+N+UGS3.N溝道增強型MOSFET工作原理

當UGS>0時，在柵極下面的二氧化硅中將產(chǎn)生一個指向P型襯底、且垂直襯底表面的電場。電場排斥空穴，吸引電子到半導體表面。

繼續(xù)增大UGS形成反型層增寬(N型導電溝道),將源區(qū)和漏區(qū)連起來。UGS越大,反型層越寬,導電溝道電阻越小，DS間的導電能力越強。反型層被電場吸引的電子在柵極附近的P型硅表面形成N型薄層稱為反型層,它是由UGS感應產(chǎn)生的，也稱為感生溝道。1/11/2023119IDP--SiGDSN+N+UGSUDSUT=25V將開始形成反型層所需的UGS值稱為開啟電壓UT

。UGS>UT的某一固定值時，UDS對溝道的控制作用當UDS=0時，ID=0；UDS

ID

，同時使靠近漏極處的導電溝道變窄，使溝道形狀成楔形。當UDS增加到使UGD=UT時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時UDS

夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。對同樣的UDS，UGS增加，溝道電阻減小，ID增加。所以，此時可以通過改變UGS控制ID的大小，1/11/20231201/11/2023121UDS(V)ID(mA)05101520UGS=8V7V6V5V