《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件

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1、多媒體教學(xué)課件 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) Fundamentals of Analog Electronics 童詩白、華成英 主編 第 四 版 童 詩 白 1 1. 本課程的性質(zhì) 電子技術(shù)基礎(chǔ)課 2. 特點(diǎn) 非純理論性課程 實(shí)踐性很強(qiáng) 以工程實(shí)踐的觀點(diǎn)來處理電路中的一些問題 3. 研究內(nèi)容 以器件為基礎(chǔ)、以電信號(hào)為主線，研究各種模擬電子電路的工作 原理、特點(diǎn)及性能指標(biāo)等。 4. 教學(xué)目標(biāo) 能夠?qū)σ话阈缘?、常用的模擬電子電路進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)較簡單 的單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 導(dǎo) 言 第 四 版 童 詩 白 2 5. 學(xué)習(xí)方法 重點(diǎn)掌握基本概念；基本電路的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)；基本分析估算方法。 6. 課時(shí)及成績?cè)u(píng)

2、定標(biāo)準(zhǔn) 課時(shí)： 80學(xué)時(shí) =64(理論） +16（實(shí)驗(yàn)） 平時(shí) 10%+實(shí)驗(yàn) 30%+卷面 60% 7. 教學(xué)參考書 康華光主編， 電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分 第三版，高教出版社 陳大欽主編， 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)問答：例題 試題 ， 華科大出版社 陳 潔主編， EDA軟件仿真技術(shù)快速入門 - Protel99SE+Multisim10+Proteus 7 中國電力出版社 導(dǎo) 言 第 四 版 童 詩 白 3 目錄 1 常用半導(dǎo)體器件 （ 10學(xué)時(shí)） 2 基本放大電路 （ 8學(xué)時(shí)） 3 多級(jí)放大電路 4 集成運(yùn)算放大電路 （ 4學(xué)時(shí)） 5 放大電路的頻率響應(yīng) （ 6學(xué)時(shí)） 6 放大電路中的反饋 （ 6學(xué)

3、時(shí)） 7 信號(hào)的運(yùn)算和處理 （ 6學(xué)時(shí)） 8 波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換 （ 6學(xué)時(shí)） 9 功率放大電路 （ 4學(xué)時(shí)） 10 直流穩(wěn)壓電源 （ 8學(xué)時(shí)） 第 四 版 童 詩 白 （ 6學(xué)時(shí)） 4 第 四 版 童 詩 白 電子技術(shù) : 通常我們把由電阻、電容、三極管、二極管、集成 電路等電子元器件組成并具有一定功能的電路稱為電子 電路，簡稱為電路。 一個(gè)完整的電子電路系統(tǒng)通常由若干個(gè)功能電路組 成，功能電路主要有：放大器、濾波器、信號(hào)源、波形 發(fā)生電路、數(shù)字邏輯電路、數(shù)字存儲(chǔ)器、電源、模擬 /數(shù) 字轉(zhuǎn)換器等。 電子技術(shù)就是研究 電子器件 及 電路系統(tǒng) 設(shè)計(jì)、分析 及制造的工程實(shí)用技術(shù)。目前電子技術(shù)主

4、要由 模擬電子 技術(shù) 和 數(shù)字電子技術(shù) 兩部分組成。 在電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，電子電路的應(yīng)用在日 常生活中無處不在，小到門鈴、收音機(jī)、 DVD播放機(jī)、 電話機(jī)等，大到全球定位系統(tǒng) GPS（ Global Positioning Systems）、雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。 5 第 四 版 童 詩 白 模擬電子技術(shù)： 模擬電子技術(shù)主要研究處理模擬信號(hào)的電子電路。 模擬信號(hào)就是幅度連續(xù)的信號(hào)，如溫度、壓力、流量等。 數(shù)字電子技術(shù)主要研究處理數(shù)字信號(hào)的電子電路。 數(shù)字信號(hào)通常是指時(shí)間和幅度均離散的信號(hào)，如電報(bào) 信號(hào)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)等等。 時(shí)間 時(shí)間 幅度 幅度 T 2T 3T 4T 5T 6T 數(shù)字電子技

5、術(shù)： 6 第 四 版 童 詩 白 第一章 常用半導(dǎo)體器件 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 半導(dǎo)體二極管 1.3 雙極型晶體管 1.4 場效應(yīng)管 1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管 1.6集成電路中的元件 7 本章討論的問題： 2.空穴是一種載流子嗎？空穴導(dǎo)電時(shí)電子運(yùn)動(dòng)嗎？ 3.什么是 N型半導(dǎo)體？什么是 P型半導(dǎo)體？ 當(dāng)二種半導(dǎo)體制作在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？ 4.PN結(jié)上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？它為什么 具有單向性？在 PN結(jié)中另反向電壓時(shí)真的沒有電流嗎？ 5.晶體管是通過什么方式來控制集電極電流的？場效 應(yīng)管是通過什么方式來控制漏極電流的？為什么它 們都可以用于放大？ 1.為什么采用半導(dǎo)體材

6、料制作電子器件？ 第 四 版 童 詩 白 8 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 1.1.1 本征半導(dǎo)體 純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 導(dǎo)體： 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為 導(dǎo)體 ，金屬 一般都是導(dǎo)體。 絕緣體： 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為 絕緣體 ，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半導(dǎo)體： 另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣 體之間，稱為 半導(dǎo)體 ，如鍺、硅、砷化鎵 和一些硫化物、氧化物等。 一、 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 第 四 版 童 詩 白 9 半導(dǎo)體 的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它 具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)， 它的導(dǎo)電能力明顯變化。 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)， 會(huì)

7、使它的導(dǎo)電能力明顯改變。 光敏器件 二極管 第 四 版 童 詩 白 10 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 完全純凈的 、 不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo) 體 稱為本征半導(dǎo)體 將硅或鍺材料提 純便形成單晶體 ， 它的原子結(jié)構(gòu)為 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 。 價(jià) 電 子 共價(jià) 鍵 圖 1.1.1 本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 二 、本征半導(dǎo)體的 晶體結(jié)構(gòu) 當(dāng)溫度 T = 0 K 時(shí) ， 半導(dǎo)體不導(dǎo)電 ， 如同 絕緣體 。 第 四 版 童 詩 白 第 四 版 童 詩 白 11 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 圖 1.1.2 本征半導(dǎo)體中的 自由電子和空穴 自由電子 空穴 若

8、T ， 將有少數(shù)價(jià) 電子克服共價(jià)鍵的束縛成 為 自由電子 ， 在原來的共 價(jià)鍵中留下一個(gè)空位 空穴 。 T 自由電子 和 空穴 使 本 征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力 ， 但很微弱 。 空穴可看成帶正電的 載流子 。 三 、本征半導(dǎo)體 中的兩種載流子 （ 動(dòng)畫 1-1） （ 動(dòng)畫 1-2） 第 四 版 童 詩 白 12 四、 本征半導(dǎo)體中 載流子的濃度 在一定溫度下 本征半導(dǎo)體中 載流子的濃度是一定的， 并且自由電子與空穴的濃度相等。 本征半導(dǎo)體中 載流子的濃度公式： T=300 K室溫下 ,本征硅的電子和空穴濃度 : n = p =1.43 1010/cm3 本征鍺的電子和空穴濃度 : n = p =

9、2.38 1013/cm3 ni= pi= K1T3/2 e -EGO/(2KT) 本征激發(fā) 復(fù)合 動(dòng)態(tài)平衡 第 四 版 童 詩 白 13 1. 半導(dǎo)體中兩種載流子 帶負(fù)電的 自由電子 帶正電的 空穴 2. 本征半導(dǎo)體中 ， 自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn) ， 稱為 電子 - 空穴對(duì) 。 3. 本征半導(dǎo)體中 自由電子 和 空穴 的濃度 用 ni 和 pi 表示，顯然 ni = pi 。 4. 由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng) ， 自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又 不斷的復(fù)合 。 在一定的溫度下 ， 產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng) 會(huì)達(dá)到平衡 ， 載流子的濃度就一定了 。 5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān) ， 它隨著溫度的升 高 ， 基本

10、按指數(shù)規(guī)律增加 。 小結(jié)： 第 四 版 童 詩 白 14 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種 N 型半導(dǎo)體 P 型半導(dǎo)體 一、 N 型半導(dǎo)體 (Negative) 在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價(jià) 雜質(zhì)元素 ， 如 磷 、 銻 、 砷等 ， 即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體 (或稱電子型 半導(dǎo)體 )。 常用的 5 價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。 第 四 版 童 詩 白 15 本征半導(dǎo)體摻入 5 價(jià)元素后 ， 原來晶體中的某些 硅原子將被雜質(zhì)原子代替 。 雜質(zhì)原子最外層有 5 個(gè)價(jià) 電子 ， 其中 4 個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵 ， 多余一個(gè)電子只受 自身原子核吸引 ， 在室溫下即可成為自由電子 。 自由電子濃度

11、遠(yuǎn)大于空穴的濃度 ， 即 n p 。 電子稱為多數(shù)載流子 (簡稱多子 )， 空穴稱為少數(shù)載流子 (簡稱少子 )。 5 價(jià)雜質(zhì)原子稱為 施主原子。 第 四 版 童 詩 白 16 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 自由電子 施主原子 圖 1.1.3 N 型半導(dǎo)體 第 四 版 童 詩 白 17 二、 P 型半導(dǎo)體 在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià) 雜質(zhì)元素 ， 如 硼 、 鎵 、 銦等 ， 即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體 。 空穴濃度多于電子濃度 ， 即 p n。 空 穴為多數(shù)載流子 ， 電子為少數(shù)載流子 。 3 價(jià)雜質(zhì)原子稱為 受主原子 。 第 四 版 童 詩 白 18 圖 1.

12、1.4 P 型半導(dǎo)體 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 受主 原子 空穴 第 四 版 童 詩 白 19 說明： 1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決 定少數(shù)載流子的濃度 。 3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。 2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 載流子的數(shù)目 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo) 體 ， 因而其導(dǎo)電能力大大改善 。 (a)N 型半導(dǎo)體 (b) P 型半導(dǎo)體 圖 雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法 第 四 版 童 詩 白 20 在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體 ， 另一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體 ， 兩個(gè)區(qū)域的交界處就形 成了一個(gè)特殊的薄層

13、 ， 稱為 PN 結(jié) 。 P N PN結(jié) 圖 PN 結(jié)的形成 一、 PN 結(jié)的形成 1.1.3 PN結(jié) 第 四 版 童 詩 白 21 PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng) 耗盡層 空間電荷區(qū) P N 1. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 2. 擴(kuò)散 運(yùn)動(dòng)形成空 間電荷區(qū) 電子和空 穴濃度差形成 多數(shù)載流子的 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 。 PN 結(jié) ， 耗盡層 。 P N （ 動(dòng)畫 1-3） 第 四 版 童 詩 白 22 3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 P N 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 Uho 空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 Uho 電位壁壘 ； 內(nèi)電場 ；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層 。 4. 漂移運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場 有利于少子 運(yùn)動(dòng) 漂移 。 少子 的 運(yùn) 動(dòng)

14、 與 多 子 運(yùn) 動(dòng) 方向相反 阻擋層 第 四 版 童 詩 白 23 5. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大 ， 擴(kuò)散電流逐漸減??； 隨著內(nèi)電場的增強(qiáng) ， 漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加； 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí) ， PN 結(jié)總的電流等 于零 ， 空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定 。 對(duì)稱結(jié) 即 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 。 P N 不對(duì)稱結(jié) 第 四 版 童 詩 白 24 二、 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN結(jié) 外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài) 又稱正向偏置，簡稱正偏。 外電場方向 內(nèi)電場方向 耗盡層 V R I 空間電荷區(qū)變窄，有利 于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有 較大的正向電流。 圖 1.1.6 P

15、N 什么是 PN結(jié)的單向 導(dǎo)電性？ 有什么作用？ 第 四 版 童 詩 白 25 在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較 大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。 2. PN 結(jié) 外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài) (反偏 ) 反向接法時(shí) ， 外電場與內(nèi)電場的方向一致 ， 增強(qiáng) 了內(nèi)電場的作用； 外電場使空間電荷區(qū)變寬； 不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ， 有利于漂移運(yùn)動(dòng) ， 漂移電流 大于擴(kuò)散電流 ， 電路中產(chǎn)生反向電流 I ； 由于少數(shù)載流子濃度很低 ， 反向電流數(shù)值非常小 。 第 四 版 童 詩 白 26 耗盡層 圖 1.1.7 PN 結(jié)加反相電壓時(shí)截止 反向電流又稱 反向飽和電流 。 對(duì)溫度十分敏

16、感 ， 隨著溫度升高 ， IS 將急劇增大 。 P N 外電場方向 內(nèi)電場方向 V R IS 第 四 版 童 詩 白 27 當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí) ， 回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大 的正向電流 ， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài) ； 當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時(shí) ， 回路中反向電流非常 小 ， 幾乎等于零 ， PN 結(jié)處于 截止?fàn)顟B(tài) 。 （動(dòng)畫 1-4） （動(dòng)畫 1-5） 綜上所述： 可見， PN 結(jié)具有 單向?qū)щ娦?。 第 四 版 童 詩 白 28 )1e(S TUuIi IS ：反向飽和電流 UT ：溫度的電壓當(dāng)量 在常溫 (300 K)下， UT 26 mV 三、 PN 結(jié)的電流方程 PN結(jié)所加端電壓 u與流

17、過的電流 i的關(guān)系為 )1e(S ktuqIi 公式推導(dǎo)過程略 第 四 版 童 詩 白 29 四、 PN結(jié)的伏安特性 i = f (u )之間的關(guān)系曲線 。 60 40 20 0.002 0.004 0 0.5 1.0 25 50 i/ mA u / V 正向特性 死區(qū)電壓 擊穿電壓 U(BR) 反 向 特 性 圖 1.1.10 PN結(jié)的伏安特性 反向擊穿 齊納擊穿 雪崩擊穿 第四 版 童 詩 白 30 五、 PN結(jié)的電容效應(yīng) 當(dāng) PN上的電壓發(fā)生變化時(shí)， PN 結(jié)中儲(chǔ)存的電荷 量將隨之發(fā)生變化，使 PN結(jié)具有電容效應(yīng)。 電容效應(yīng)包括兩部分 勢壘電容 擴(kuò)散電容 1. 勢壘電容 Cb 是由 PN

18、 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。 (a) PN 結(jié)加正向電壓 （ b) PN 結(jié)加反向電壓 N 空間 電荷區(qū) P V R I + U N 空間 電荷區(qū) P R I + U V 第 四 版 童 詩 白 31 空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化 ， 如同電容 的放電和充電過程 。 勢壘電容的大小可用下式表示： l S U QC d d b 由于 PN 結(jié) 寬度 l 隨外 加電壓 u 而變化 ， 因此 勢壘 電容 Cb不是一個(gè)常數(shù) 。 其 Cb = f (U) 曲線如圖示 。 ：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)； S ：結(jié)面積； l ：耗盡層寬度 。 O u Cb 圖 1.1.11（ b) 第 四 版 童 詩 白

19、32 2. 擴(kuò)散電容 Cd Q 是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的 。 在某個(gè)正向電壓下 ， P 區(qū)中的電子濃度 np(或 N 區(qū)的空穴 濃度 pn)分布曲線如圖中曲線 1 所示 。 x = 0 處為 P 與 耗 盡層的交界處 當(dāng)電壓加大 ， np (或 pn)會(huì)升高 ， 如曲線 2 所示 (反之濃度會(huì)降低 )。 O x nP Q 1 2 當(dāng)加反向電壓時(shí) ， 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被 削弱 ， 擴(kuò)散電容的作用可忽略 。 正向電壓變化時(shí) ， 變化載流子積 累電荷量發(fā)生變化 ， 相當(dāng)于電容器充 電和放電的過程 擴(kuò)散電容效應(yīng) 。 圖 1.1.12 P N PN 結(jié) 第 四 版 童 詩 白 33 綜上所述： P

20、N 結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢壘電容 Cb 和擴(kuò)散電容 Cd 兩部分 。 Cb 和 Cd 值都很小 ， 通常為幾個(gè)皮法 幾十皮法 ， 有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法 。 當(dāng)反向偏置時(shí)，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為 Cj Cb。 一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要 作用，即可以認(rèn)為 Cj Cd； 在信號(hào)頻率較高時(shí)，須考慮結(jié)電容的作用。 第 四 版 童 詩 白 34 1.2 半導(dǎo)體二極管 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、面接觸型和平面型 圖 1.2.1二極管的幾種 外形 第 四 版 童 詩 白 35 1 點(diǎn)接觸型二極管 (a)點(diǎn)接觸型 二極管

21、的結(jié)構(gòu)示意圖 1.2.1半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu) PN結(jié)面積小，結(jié) 電容小，用于檢波和變 頻等高頻電路。 第 四 版 童 詩 白 36 3 平面型二極管 往往用于集成電路制造 工藝中。 PN 結(jié)面積可大可小， 用于高頻整流和開關(guān)電路中。 2 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用 于工頻大電流整流電路。 (b)面接觸型 (c)平面型 陰極 引線 陽極 引線 P N P 型支持襯底 4 二極管的代表符號(hào) ( d ) 代表符號(hào) k 陰極陽極 a D 第 四 版 童 詩 白 37 1.2.2二極管的伏安特性 二極管的伏安特性曲線可用下式表示 0 D / V0 .2 0 . 4 0 . 6 0 .8 10

22、 20 3 0 4 0 5 10 1 5 20 10 20 3 0 40 i D / A i D / mA 死區(qū) V thV BR 硅二極管 2CP10的 伏安 特性 + i D v D - R 正向特性 反向特性 反向擊穿特性 開啟電壓： 0.5V 導(dǎo)通電壓： 0.7 )1e(S TUuIi 一、伏安特性 0 D / V0 .2 0 . 4 0 . 6 2 0 4 0 60 5 10 1 5 20 10 20 3 0 40 i D / A i D / mA V th V BR 鍺二極管 2AP15的 伏安 特性 Uon U(BR) 開啟電壓： 0.1V 導(dǎo)通電壓： 0.2V 第 四 版 童

23、詩 白 38 二、溫度對(duì)二極管伏安特性的影響 在環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性將左移，反 向特性將下移。 二極管的特性對(duì)溫度很敏感， 具有負(fù)溫度系數(shù)。 50 I / mA U / V 0.2 0.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 溫度增加 第 四 版 童 詩 白 39 1.2.3 二極管的參數(shù) (1) 最大整流電流 IF (2) 反向擊穿電壓 U（ BR） 和最高反向工作電壓 URM (3) 反向電流 IR (4) 最高工作頻率 fM (5) 極間電容 C j 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)管子 所用的場合，按其所承受的 最高反向電壓、最大正向平 均電流、工作頻率、環(huán)境溫 度等條件，選

24、擇滿足要求的 二極管。 第 四 版 童 詩 白 40 1.2.4 二極管 等效電路 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 1. 理想模型 第 四 版 童 詩 白 41 1.2.4 二極管 等效電路 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 2. 恒壓降模型 第 四 版 童 詩 白 42 1.2.4 二極管 等效電路 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 3. 折線模型 第 四 版 童 詩 白 43 二、二極管的微變等效電路 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi) 時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。 D D d i vr 即 )1( / SD D TVveIi 根據(jù) 得 Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo) Qdv dig

25、D D d Q Vv T Te V I /S D TV ID d d 1 gr 則 DI VT 常溫下（ T=300K） )mA( )mV(26 DD d II Vr T 圖 1.2.7二極管的微變等效電路 第 四 版 童 詩 白 44 應(yīng)用舉例 二極管的靜態(tài)工作情況分析 V 0D V mA 1/DDD RVI 理想模型 （ R=10k） VDD=10V 時(shí) mA 93.0/)( DDDD RVVI 恒壓模型 V 7.0D V （硅二極管典型值） 折線模型 V 5.0th V （硅二極管典型值） mA 9 3 1.0 D thDD D rR VVI k 2.0Dr設(shè) V 69.0DDthD r

26、IVV + D iD V DD + D iD V DD V D + D iD V DD rD V th第 四 版 童 詩 白 45 1.2.5 穩(wěn)壓二極管 一、穩(wěn)壓管的伏安特性 (a)符號(hào) (b)2CW17 伏安特性 利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓 電壓。 DZ 第 四 版 童 詩 白 46 (1) 穩(wěn)定電壓 UZ (2) 動(dòng)態(tài)電阻 rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向 工作電流 IZ下，所對(duì)應(yīng)的 反向工作電壓。 rZ =VZ /IZ (3)最大耗散功率 PZM (4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin (5)溫度系數(shù)

27、VZ 二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 第 四 版 童 詩 白 47 穩(wěn)壓電路 正常穩(wěn)壓時(shí) UO =UZ # 不加 R可以嗎？ # 上述電路 UI為正弦波，且幅 值大于 UZ ， UO的波形是怎 樣的？ （ 1） .設(shè)電源電壓波動(dòng) (負(fù)載不變 ) UI UOUZ IZ UOUR IR （ 2） .設(shè)負(fù)載變化 (電源不變 ) IO P25例 1.2.2 + R - I R + - R L I O V OV I I Z D Z UO UI 第 四 版 童 詩 白 RL 如電路參數(shù)變化？ 48 例 1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用 RL ui uO R DZ i iz iL UZ 穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值 UZ=10V

28、， Izmax=12mA， Izmin=2mA，負(fù)載電阻 RL=2k，輸入電壓 ui=12V，限流電阻 R=200 ，求 iZ。 若 負(fù)載電阻 變化范圍為 1.5 k - 4 k ，是否還能穩(wěn) 壓？ 第 四 版 童 詩 白 49 RL ui uO R DZ i iz iL UZ UZ=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=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

29、, 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） 負(fù)載變化 ,但 iZ仍在 12mA和 2mA之間 , 所以穩(wěn)壓管仍能起 穩(wěn)壓作用 第 四 版 童 詩 白 50 例 2：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用 t u 0 I /V 6 3 t u 0 O1 /V 3 t u 0 O2 /V 3 解： ui和 uo的波形如圖所示 （ UZ 3V） ui u O DZ R (a) (b) ui uO R DZ 第 四 版 童 詩 白 51 一、發(fā)光二極管 LED (Light Emitti

30、ng Diode) 1. 符號(hào)和特性 工作條件： 正向偏置 一般工作電流幾十 mA， 導(dǎo)通電壓 (1 2) V 符號(hào) u /V i /mA O 2 特性 1.2.6其它類型的二極管 第 四 版 童 詩 白 52 發(fā)光類型： 可見光： 紅、黃、綠 顯示類型： 普通 LED ， 不可見光： 紅外光 點(diǎn)陣 LED 七段 LED , 第 四 版 童 詩 白 53 二、光電二極管 符號(hào)和特性 符號(hào) 特性 u i O E = 200 lx E = 400 lx 工作原理： 三、變?nèi)荻O管 四、隧道二極管 五、肖特基二極管 無光照時(shí)，與普通二極管一樣。 有光照時(shí)，分布在第三、四象限。 第 四 版 童 詩 白

31、 54 1.3 雙極型晶體管 (BJT) 又稱半導(dǎo)體三極管 、 晶體三極管 ， 或簡稱晶體管 。 (Bipolar Junction Transistor) 三極管的外形如下圖所示 。 三極管有兩種類型： NPN 型和 PNP 型 。 主要以 NPN 型為例進(jìn)行討論 。 圖 1.3.1 三極管的外形 X：低頻小功率管 D：低頻大功率管 G：高頻小功率管 A：高頻大功率管 第 四 版 童 詩 白 55 1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類型 常用的三極管的結(jié)構(gòu)有硅平面管和鍺合金管兩種類型 。 圖 1.3.2a 三極管的結(jié)構(gòu) (a)平面型 (NPN) (b)合金型 (PNP) N e c N P b 二氧

32、化硅 b e c P N P e 發(fā)射極， b基極， c 集電極。 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 第 四 版 童 詩 白 56 圖 1.3.2(b) 三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào) NPN 型 e c b 符號(hào) 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極 c 基極 b 發(fā)射極 e N N P 第 四 版 童 詩 白 57 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極 c 發(fā)射極 e 基極 b c b e 符號(hào) N N P P N 圖 1.3.2 三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào) (b)PNP 型 第 四 版 童 詩 白 58 1.3.2 晶體管的電流放大作用 以 NPN 型三極管為例討論 c N

33、 N P e b b e c 表面看 三極管若實(shí) 現(xiàn)放大，必須從 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 和 外部所加電源 的極性 來保證。 不具備放大作用 第 四 版 童 詩 白 59 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求： N N P e b c 1. 發(fā)射區(qū)高摻雜 。 2. 基區(qū)做得很薄 。 通常只有 幾微米到幾十微米 ， 而且 摻雜較 少 。 三極管放大的外部條件 ：外加電源的極性應(yīng)使 發(fā)射 結(jié)處于正向偏置 狀態(tài) ， 而 集電結(jié)處于反向偏置 狀態(tài) 。 3. 集電結(jié)面積大 。 第 四 版 童 詩 白 60 b e c Rc Rb 一、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng) I E IB 1. 發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散 運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流 發(fā)射區(qū)的

34、電子越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散 到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā) 射區(qū) 形成發(fā)射極電流 IE (基 區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可 忽略 )。 2. 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與 空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極 電流 電子到達(dá)基區(qū) ， 少數(shù)與空穴復(fù) 合形成基極電流 Ibn， 復(fù)合掉的 空穴由 VBB 補(bǔ)充 。 多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá) 集電結(jié)的一側(cè)。 晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng) 第 四 版 童 詩 白 61 b e c I E I B Rc Rb 3.集電結(jié)加反向電壓 ， 漂移 運(yùn)動(dòng)形成集電極電流 Ic 集電結(jié)反偏 ， 有利于收集基區(qū) 擴(kuò)散過來的電子而形成集電極 電流 Icn。 其能量來自外接電源 VCC 。 I C 另外 ，

35、集電區(qū)和基區(qū)的少 子在外電場的作用下將進(jìn) 行漂移運(yùn)動(dòng)而形成 反向 飽 和電流 ， 用 ICBO表示 。 ICBO 晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng) 第 四 版 童 詩 白 62 b e c e Rc Rb 二、晶體管的電流分配關(guān)系 IEp ICBO IC IB IEn IBn ICn IC = ICn + ICBO IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp IB=IEP+ IBN ICBO IE =IC+IB 圖 1.3.4晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)與外部電流 第 四 版 童 詩 白 63 三、晶體管的共射電流放大系數(shù) C B OB C B OC II II C EOBCBOBC )1(

36、 IIIII 整理可得： ICBO 稱反向飽和電流 ICEO 稱穿透電流 1、共射直流電流放大系數(shù) BC II BE I1I ）（ 2、共射交流電流放大系數(shù) B C I I VCC Rb + VBB C1 T IC IB C2 Rc + 共發(fā)射極接法 第 四 版 童 詩 白 64 3、共基直流電流放大系數(shù) E Cn I I CBOECBOCnC IIIII 1 1 或 4、共基交流電流放大系數(shù) E C i i 直流參數(shù) 與交流參數(shù) 、 的含義是不同的 ， 但是 ， 對(duì)于大多數(shù)三極管來說 ， 與 ， 與 的數(shù)值 卻差別不大 ， 計(jì)算中 ， 可不將它們嚴(yán)格區(qū)分 。 、 5. 與 的關(guān)系 IC IE

37、 + C2 + C1 VEE Re VCC Rc 共基極接法 第 四 版 童 詩 白 65 1.3.3 晶體管的共射特性曲線 uCE = 0V uBE /V iB=f(uBE) UCE=const (2) 當(dāng) uCE1V時(shí)， uCB= uCE - uBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收 集電子，基區(qū)復(fù)合減少，在同樣的 uBE下 IB減小，特性曲線右移。 (1) 當(dāng) uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。 一 . 輸入特性曲線 uCE = 0V uCE 1V uBE /V + - b c e 共射極放大電路 UBB UCC uBE iC i B + - uCE 第四 版 童 詩 白 6

38、6 飽和區(qū)： iC明顯受 uCE控 制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)， 一般 uCE 0.7V(硅管 )。 此時(shí)， 發(fā)射結(jié)正偏，集 電結(jié)正偏或反偏電壓很 小 。 iC=f(uCE) IB=const 二、輸出特性曲線 輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域 : 截止區(qū)： iC接近零的 區(qū)域，相當(dāng) iB=0的曲 線的下方。此時(shí)， uBE小于死區(qū)電壓， 集電結(jié)反偏 。 放大區(qū)： iC平行于 uCE軸的 區(qū)域，曲線基本平行等距。 此時(shí)， 發(fā)射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏 。 第 四 版 童 詩 白 67 三極管的參數(shù)分為三大類 : 直流參數(shù)、交流參數(shù)、極限參數(shù) 一、直流參數(shù) 1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ IC ICEO） /IBI

39、C / IB vCE=const 1.3.4晶體管 的主要參數(shù) 2.共基直流電流放大系數(shù) E C I I 3.集電極基極間反向飽和電流 ICBO 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流 ICEO ICEO=（ 1+ ） ICBO 第 四 版 童 詩 白 68 二、交流參數(shù) 1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =iC/iBUCE=const 2. 共基極交流電流放大系數(shù) =iC/iE UCB=const 3.特征頻率 fT 值下降到 1的信號(hào)頻率 第 四 版 童 詩 白 69 1.最大集電極耗散功率 PCM PCM= iCuCE 三、 極限參數(shù) 2.最大集電極電流 ICM 3. 反向擊穿電壓 UCBO發(fā)射極開路

40、時(shí)的集電結(jié)反 向擊穿電壓。 U EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。 UCEO基極開路時(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 UCBO UCEO UEBO 第 四 版 童 詩 白 70 由 PCM、 ICM和 UCEO在輸出特性曲線上可以確 定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。 輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū) PCM= iCuCE U (BR) CEO UCE/V 第 四 版 童 詩 白 71 1.3.5 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響 一、溫度對(duì) ICBO的影響 溫度每升高 100C ， ICBO增加約一倍。 反之，當(dāng)溫度降低時(shí) ICBO減少。 硅管的 ICBO比鍺管的小得

41、多。 二、溫度對(duì)輸入特性的影響 溫度升高時(shí)正向特性左移， 反之右移 60 40 20 0 0.4 0.8 I / mA U / V 溫度對(duì)輸入特性的影響 200 600 三、溫度對(duì)輸出特性的影響 溫度升高將導(dǎo)致 IC 增大 iC uCE O iB 200 600 溫度對(duì)輸出特性的影響 第 四 版 童 詩 白 72 三極管工作狀態(tài)的判斷 例 1： 測量某 NPN型 BJT各電極對(duì)地的電壓值如下， 試判別管子工作在什么區(qū)域？ （ 1） VC 6V VB 0.7V VE 0V （ 2） VC 6V VB 4V VE 3.6V （ 3） VC 3.6V VB 4V VE 3.4V 解： 原則： 正偏

42、反偏 反偏 集電結(jié) 正偏 正偏 反偏 發(fā)射結(jié) 飽和 放大 截止 對(duì) NPN管而言，放大時(shí) VC VB VE 對(duì) PNP管而言，放大時(shí) VC VB VE （ 1）放大區(qū) （ 2）截止區(qū) （ 3）飽和區(qū) 第 四 版 童 詩 白 73 例 2 某放大電路中 BJT三個(gè)電極的電流如圖所示。 IA -2mA,IB -0.04mA,IC +2.04mA,試判斷管腳、管型。 解：電流判斷法。 電流的正方向和 KCL。 IE=IB+ IC A B C IA IB IC C為發(fā)射極 B為基極 A為集電極。 管型為 NPN管。 管 腳、管型的判斷法也可采用萬用表電阻法。參考實(shí)驗(yàn)。 第 四 版 童 詩 白 74 例

43、 3： 測得工作在 放大電路中 幾個(gè)晶體管三個(gè)電極的電位 U1、 U2、 U3分別為： （ 1） U1=3.5V、 U2=2.8V、 U3=12V （ 2） U1=3V、 U2=2.8V、 U3=12V （ 3） U1=6V、 U2=11.3V、 U3=12V （ 4） U1=6V、 U2=11.8V、 U3=12V 判斷它們是 NPN型還是 PNP型 ？ 是硅管還是鍺管 ？ 并確定 e、 b、 c。 （ 1） U1 b、 U2 e、 U3 c NPN 硅 （ 2） U1 b、 U2 e、 U3 c NPN 鍺 （ 3） U1 c、 U2 b、 U3 e PNP 硅 （ 4） U1 c、 U2

44、 b、 U3 e PNP 鍺 原則：先求 UBE，若等于 0.6-0.7V，為硅管；若等于 0.2-0.3V，為鍺 管。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 NPN管 UBE 0， UBC 0， 即 UC UB UE 。 PNP管 UBE 0， UBC 0， 即 UC UB UE 。 解： 第 四 版 童 詩 白 75 1.3.6 光電三極管 一、等效電路、符號(hào) 二、光電三極管的輸出特性曲線 c e c e iC uCE O 圖 1.3.11光電三極管的輸出特性 E1 E2 E3 E4 E 0 第 四 版 童 詩 白 76 復(fù)習(xí) 1.BJT放大電路三個(gè) 電流關(guān)系 ？ IE =IC+IB BC II BE

45、I1I ）（ 2.BJT的輸入、輸出特性曲線？ uCE = 0V uCE 1V uBE /V 3.BJT工作狀態(tài)如何判斷？ 第 四 版 童 詩 白 77 1.4 場效應(yīng)三極管 場效應(yīng)管： 一種載流子參與導(dǎo)電 ， 利用輸入回路的 電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管 ， 又稱 單極 型三極管 。 場效應(yīng)管分類 結(jié)型場效應(yīng)管 絕緣柵場效應(yīng)管 特點(diǎn) 單極型器件 (一種載流子導(dǎo)電 )； 輸入電阻高； 工藝簡單 、 易集成 、 功耗小 、 體積小 、 成本低 。 第四 版 童 詩 白 78 N溝道 P溝道 增強(qiáng)型 耗盡型 N溝道 P溝道 N溝道 P溝道 （耗盡型） FET 場效應(yīng)管 JFET 結(jié)型 MOS

46、FET 絕緣柵型 (IGFET) 場效應(yīng)管 分類： 第 四 版 童 詩 白 79 D S G N 符號(hào) 1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管 Junction Field Effect Transistor 結(jié)構(gòu) 圖 1.4.1 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖 N 型 溝 道 N型硅棒 柵極 源極 漏極 P+ P+ P 型區(qū) 耗盡層 (PN 結(jié) ) 在漏極和源極之間 加上一個(gè)正向電壓 ， N 型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子 電子 可以導(dǎo)電 。 導(dǎo)電溝道是 N 型的 ， 稱 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管 。 第 四 版 童 詩 白 80 P 溝道場效應(yīng)管 P 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖 N+ N+ P 型 溝 道 G S D P 溝

47、道場效應(yīng)管是在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻 雜的 N 型區(qū) (N+)， 導(dǎo)電溝 道為 P 型 ， 多數(shù)載流子為 空穴 。 符號(hào) G D S 第 四 版 童 詩 白 81 一、結(jié)型場效應(yīng)管工作原理 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管 用改變 UGS 大小來控制漏極電流 ID 的 。 (VCCS) G D S N N 型 溝 道 柵極 源極 漏極 P+ P+ 耗盡層 *在柵極和源極之間 加反向電壓 ， 耗盡層會(huì)變 寬 ， 導(dǎo)電溝道寬度減小 ， 使溝道本身的電阻值增大 ， 漏極電流 ID 減小 ， 反之 ， 漏極 ID 電流將增加 。 *耗盡層的寬度改變 主要在溝道區(qū) 。 第 四 版 童 詩 白 82 1. 當(dāng) U

48、DS = 0 時(shí) ， uGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用 ID = 0 G D S N 型 溝 道 P+ P+ (a) UGS = 0 UGS = 0 時(shí) ， 耗盡層比較窄 ， 導(dǎo)電溝比較寬 第 四 版 童 詩 白 83 1. 當(dāng) UDS = 0 時(shí) ， uGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用 UGS 由零逐漸減小 ， 耗盡層逐漸加寬 ， 導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄 。 ID = 0 G D S P+ P+ N 型 溝 道 (b) UGS(off) UGS UGS（ Off) ， iD 較大 。 G D S P+ N iS iD P+ P+ VDD VGG uGS UGS（ Off) ， iD 更小。 G D S N i

49、S iD P+ P+ VDD 注意：當(dāng) uDS 0 時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。 (a) (b) uGD uGS uDS 第 四 版 童 詩 白 86 G D S P+ N iS iD P+ P+ V DD VGG uGS 0,uGD = UGS(off), 溝道變窄預(yù)夾斷 uGS 0 ,uGD uGS(off),夾斷， iD幾乎不變 G D S iS iD P+ VDD VGG P+ P+ (1) 改變 uGS ， 改變了 PN 結(jié)中電場 ， 控制了 iD ， 故稱場 效應(yīng)管； (2)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓 ， 使 PN 反偏 ， 柵極基本不取電流 ， 因此 ， 場效應(yīng)管輸入電阻很高 。

50、 (c) (d) 第 四 版 童 詩 白 87 3.當(dāng) uGD uGS(off)時(shí) , uGS 對(duì)漏極電流 iD的控制作用 場效應(yīng)管用 低頻跨導(dǎo) gm的大小描述柵源電壓對(duì)漏極電流 的控制作用。 場效應(yīng)管為電壓控制元件 (VCCS)。 在 uGD uGS uDS uGS(off)情況下 , 即當(dāng) uDS uGS -uGS(off) 對(duì)應(yīng)于不同的 uGS ， d-s間等效成不同阻值的電阻。 (2)當(dāng) uDS使 uGD uGS(off)時(shí)， d-s之間預(yù)夾斷 (3)當(dāng) uDS使 uGD uGS(off)時(shí)， iD幾乎僅僅決定于 uGS ， 而與 uDS 無關(guān)。此時(shí)， 可以把 iD近似看成 uGS控制

51、的電流源。 第 四 版 童 詩 白 89 二、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 1. 轉(zhuǎn)移特性 (N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例 ) 常數(shù) DS)( GSD Uufi O uGS iD IDSS UGS(off) 圖 1.4.6 轉(zhuǎn)移特性 uGS = 0 ， iD 最大； uGS 愈負(fù)， iD 愈小； uGS = UGS(off) ， iD 0。 兩個(gè)重要參數(shù) 飽和漏極電流 I DSS(UGS = 0 時(shí)的 ID) 夾斷電壓 UGS(off) (ID = 0 時(shí)的 UGS) UDS iD VDD VGG D S G V V uGS 特性曲線測試電路 mA 第 四 版 童 詩 白 90 轉(zhuǎn)移特性 O uGS/V

52、 ID/mA IDSS UP 圖 1.4.6 轉(zhuǎn)移特性 2. 輸出特性曲線 當(dāng)柵源 之間的電壓 UGS 不變時(shí) ， 漏極電流 iD 與 漏源之間電壓 uDS 的關(guān)系 ， 即 結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲 線的近似公式： 常數(shù) GS)( DSD Uufi )0( )1( GSG S ( o f f ) 2 G S ( o f f ) GS D S SD uU U u Ii 第 四 版 童 詩 白 91 IDSS/V PGSDS UUU iD/mA uDS /V O UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 V8P U 預(yù)夾斷軌跡 恒流區(qū) 可變 電阻區(qū) 漏極特性也有三個(gè)區(qū)： 可變電阻區(qū)

53、 、 恒流區(qū)和夾斷區(qū) 。 圖 1.4.5(b) 漏極特性 輸出特性 （ 漏極特性） 曲線 夾斷區(qū) UDS iD VDD VGG D S G V V uGS 圖 1.4.5(a)特性曲線測試電路 mA 擊穿區(qū) 第 四 版 童 詩 白 92 結(jié)型 P 溝道的特性曲線 S G D 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD U GS（ Off） IDSS O uGS 輸出特性曲線 o 柵源加正偏電壓， (PN結(jié)反偏 ) 漏源加反偏電壓。 第 四 版 童 詩 白 93 1.4.2 絕緣柵型場效應(yīng)管 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金屬 、 氧

54、化物和半導(dǎo)體制成 。 稱為 金屬 -氧化物 -半導(dǎo)體場效應(yīng)管 ， 或簡稱 MOS 場效應(yīng)管 。 特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá) 1010 以上 。 類型 N 溝道 P 溝道 增強(qiáng)型 耗盡型 增強(qiáng)型 耗盡型 UGS = 0 時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱 耗盡型場效應(yīng)管； UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱 增強(qiáng)型場效應(yīng)管 。 第 四 版 童 詩 白 94 一、 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管 結(jié)構(gòu) P 型襯底 N+ N+ B G S D SiO2 源極 S 漏極 D 襯底引線 B 柵極 G 圖 1.4.7 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖 S G D B 第 四 版 童 詩 白 95 1. 工

55、作原理 絕緣柵場效應(yīng)管利用 UGS 來控制 “ 感應(yīng)電荷 ” 的多少 ， 改變由這些 “ 感應(yīng)電荷 ” 形成的導(dǎo)電溝道的 狀況 ， 以控制漏極電流 ID。 2.工作原理分析 (1)UGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠 背的 PN 結(jié) ， 無論漏源之間加何 種極性電壓 ， 總是不導(dǎo)電 。 S B D 第 四 版 童 詩 白 96 (2) UDS = 0， 0 UGS UT) 導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形 。 漏極形成電流 ID 。 b. UDS= UGS UT， UGD = UT 靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程 度 ， 出現(xiàn)預(yù)夾斷 。 c. UDS UGS UT， UGD UT 由于夾斷區(qū)的溝道電 阻很大

56、 ， UDS 逐漸增大時(shí) ， 導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不 變 ， iD因而基本不變 。 a. UDS UT P 型襯底 N+ N+ B G S D VGG VDD P 型襯底 N+ N+ B S D VGG VDD P 型襯底 N+ N+ B G S D VGG VDD 夾斷區(qū) 第 四 版 童 詩 白 98 D P型襯底 N+ N+ B G S VGG VDD P型襯底 N+ N+ B G S D VGG VDD P型襯底 N+ N+ B G S D VGG VDD 夾斷區(qū) 圖 1.4.9 UDS 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 (a) UGD UT (b) UGD = UT (c) UGD UGS UT時(shí)，對(duì)

57、應(yīng)于不同的 uGS就有一個(gè)確定的 iD 。 此時(shí)， 可以把 iD近似看成是 uGS控制的電流源。 第 四 版 童 詩 白 99 3. 特性曲線與電流方程 (a)轉(zhuǎn)移特性 (b)輸出特性 UGS UT 時(shí) ) 三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū) 、 恒 流區(qū) (或飽和區(qū) )、 夾斷區(qū) 。 UT 2UT IDO uGS /V iD /mA O 圖 1.4.10 (a) 圖 1.4.10 (b) iD/mA uDS /V O TGS UU 預(yù)夾斷軌跡 恒流區(qū) 可變電阻區(qū) 夾斷區(qū)。 UGS增加 第 四 版 童 詩 白 100 二、 N 溝道耗盡型 MOS 場效應(yīng)管 P型襯底 N+ N+ B G S D + 制造過程中

58、預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子 ， 這些正離子電場在 P 型襯底中 “ 感應(yīng) ” 負(fù)電荷 ， 形成 “ 反型層 ” 。 即使 UGS = 0 也會(huì)形成 N 型導(dǎo)電溝道 。 + UGS = 0， UDS 0， 產(chǎn)生較 大的漏極電流； UGS 0； UGS 正、負(fù)、 零均可。 iD/mA uGS /V O UP (a)轉(zhuǎn)移特性 IDSS 耗盡型 MOS 管的符號(hào) S G D B (b)輸出特性 iD/mA uDS /V O +1V UGS=0 3 V 1 V 2 V 4 3 2 1 5 10 15 20 N 溝道耗盡型 MOSFET 第 四 版 童 詩 白 102 三、 P溝道 MOS管 1.

59、P溝道增強(qiáng)型 MOS管 的開啟電壓 UGS(th) 0 當(dāng) UGS U(BR)GS ， PN 將被擊穿 ， 這種擊穿與電容擊 穿的情況類似 ， 屬于破壞性擊穿 。 1.最大漏極電流 IDM 第 四 版 童 詩 白 108 例 1.4.2 電路如圖 1.4.14所示，其中管子 T的輸出特性曲線如圖 1.4.15所示。試分析 u i為 0V、 8V和 10V 三種情況下 uo分別為多少伏？ 圖 1.4.14 圖 1.4.15 分析： N溝道增強(qiáng)型 MOS管，開啟電壓 UGS(th) 4V 第 四 版 童 詩 白 109 解 : (1) ui為 0V ，即 uGS ui 0，管子處于夾斷狀態(tài) 所以

60、u0 VDD 15V (2) uGS ui 8V時(shí)， 從輸出特性曲線可知，管子工作 在恒流區(qū)， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V (3) uGS ui 10V時(shí)， 若工作在恒流區(qū)， iD 2.2mA。因而 u0 15- 2.2*5 4V 但是， uGS 10V時(shí)的預(yù)夾斷電壓為 uDS= uGS UT=(10-4)V=6V 可見，此時(shí)管子工作在可變電阻區(qū) 第 四 版 童 詩 白 110 從輸出特性曲線可得 : uGS 10V時(shí) d-s之間的等效電阻 (D在可變電阻區(qū)，任選一點(diǎn)，如圖 ) KiuR D ds ds 3)101 3( 3 所以輸出電壓為 VV RR Ru

61、DD dds ds 6.5 0 例 1.4.3 自閱 第 四 版 童 詩 白 111 晶體管 場效應(yīng)管 結(jié)構(gòu) NPN型、 PNP型 結(jié)型耗盡型 N溝道 P溝道 絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡型 N溝道 P溝道 C與 E一般不可倒置使用 D與 S有的型號(hào)可倒置使用 載流子 多子擴(kuò)散少子漂移 多子運(yùn)動(dòng) 輸入量 電流輸入 電壓輸入 控制 電流控制電流源 CCCS() 電壓控制電流源 VCCS(gm) 1.4.4 場效應(yīng)管與晶體管的比較 第 四 版 童 詩 白 112 噪聲 較大 較小 溫度特性 受溫度影響較大 較小，可有零溫 度系數(shù)點(diǎn) 輸入電阻 幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上 靜電影響 不受

62、靜電影響 易受靜電影響 集成工藝 不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和 超大規(guī)模集成 晶體管 場效應(yīng)管 第 四 版 童 詩 白 113 一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路 N 型硅片 P 區(qū) PN 結(jié) e b1 b2 單結(jié)晶體管 又稱為 雙基極晶體管 。 (a)結(jié)構(gòu) (b)符號(hào) (C)等效電路 圖 1.5.1 單結(jié)管的結(jié)構(gòu)及符號(hào) 1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管 1.5.1單結(jié)晶體管 第 四 版 童 詩 白 114 二、工作原理和特性曲線 + UA + UD + UEB1 + UBB BBBB b2b1 b1 A UUrr rU b2b1 b1 rr r 分壓比 O UEB1 IE A P V B IP UP

63、截止區(qū) 負(fù)阻區(qū) 飽和區(qū) 峰點(diǎn) UP：峰點(diǎn)電壓 IP：峰點(diǎn)電流 谷點(diǎn) UV：谷點(diǎn)電壓 IV：谷點(diǎn)電流 圖 10.9.11(a) 圖 10.9.11(b) 第 四 版 童 詩 白 115 三、應(yīng)用舉例：單結(jié)管的脈沖發(fā)生電路 圖 1.5.3 單結(jié)管的脈沖發(fā)生電路 第 四 版 童 詩 白 116 1.5.2 晶閘管 （晶體閘流管） 一、結(jié)構(gòu)和等效模型 圖 1.5.5 晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) C C C 陽極 陰極 控制極 第 四 版 童 詩 白 硅可控元件 ， 由三個(gè) PN結(jié)構(gòu)成的大功率半導(dǎo)體器件 。 117 二、工作原理 圖 1.5.6 1. 控制極不加電壓 ， 無論在陽極與陰極 之間加正向或反向電壓

64、， 晶閘管都不導(dǎo)通 。 稱為阻斷 2. 控制極與陰極間加正向電壓 ， 陽極與 陰極之間加正向電壓 ， 晶閘管 導(dǎo)通 。 P N P IG 1 2IG 1IG 圖 1.5.5 C N P N C C 第 四 版 童 詩 白 C 118 結(jié)論： 晶閘管由阻斷變?yōu)?導(dǎo)通的條件是在陽極和陰極之 間加正向電壓時(shí) ， 再在控制極加一個(gè)正的觸發(fā)脈沖； 晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)?阻斷的條件是減小陽極電流 IA ， 或改變 A-C電壓極性的方法實(shí)現(xiàn) 。 晶閘管導(dǎo)通后 ， 管壓降很小 ， 約為 0.61.2 V 左右 。 第 四 版 童 詩 白 119 三、晶閘管的伏安特性 1. 伏安特性 O UAC IA UBO A

65、B C IH IG= 0 正向阻斷特性 ：當(dāng) IG= 0 ， 而陽 極電壓不超過一定值時(shí) ， 管子處 于阻斷狀態(tài) 。 UBO 正向轉(zhuǎn)折電壓 正向?qū)ㄌ匦?：管子 導(dǎo)通后 ， 伏安特性與二 極管的正向特性相似 。 IH 維持電流 當(dāng)控制極電流 IG 0 時(shí) ， 使晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通 所需的陽極電壓減小 。 IG 增大 反向特性 ：與二極管的反向特性相似。 UBR 圖 1.5.7晶閘管的伏安特性曲線 第四 版 童 詩 白 120 四、晶閘管的 主要參數(shù) 1.額定正向平均電流 IF 2.維持電流 IH 3.觸發(fā)電壓 UG和觸發(fā)電流 IG 4.正向重復(fù)峰值電壓 UDRM 5.反向重復(fù)峰值電壓 URR

66、M 其它：正向平均電壓、控制極反向電壓等。 第 四 版 童 詩 白 121 例：單相橋式可控整流電路 + - uG 在 u2 正半周 ， 當(dāng)控制極加 觸發(fā)脈沖 ， VT1 和 VD2 導(dǎo)通； 在 u2 負(fù)半周 ， 當(dāng)控制極加 觸發(fā)脈沖 ， VT2和 VD1 導(dǎo)通； ：控制角； ：導(dǎo)電角 圖 1.5.8 第 四 版 童 詩 白 122 單結(jié)管的觸發(fā)電路 第 四 版 童 詩 白 123 小 結(jié) 第 1 章 第 四 版 童 詩 白 124 一、兩種半導(dǎo)體和兩種載流子 兩種載流 子的運(yùn)動(dòng) 電子 空穴 兩 種 半導(dǎo)體 N 型 (多電子 ) P 型 (多空穴 ) 二、 二極管 1. 特性 單向 導(dǎo)電 正向電阻小 (理想為 0)， 反向電阻大 ()。 )1e( D SD T U u Ii )1e( ,0 D SDD TU u Iiu 0 ,0 SD IIu 第 四 版 童 詩 白 125 iD O uD U (BR) I F URM 2. 主要參數(shù) 正向 最大平均電流 IF 反向 最大反向工作電壓 U(BR)(超過則擊穿 ) 反向飽和電流 IR (IS)(受溫度影響 ) IS 第 四 版 童 詩 白