数字电子电路第1章.ppt

模拟电子技术,模拟电子技术,本课程是电类各专业的技术基础课，是必修、考试、主干课程之一，是核心课程。是理论性、实践性较强的课程。通过本课程的学习为后读课程的学习和今后工作打下坚实的基础。,72学时（实验独设课程，实验在电气实验技术课中实施）,1.性质:,2.学时:,选用童诗白、华成英 主编的模拟电子技术基础（第 三版），该教材是一本成熟的经典 教材，优秀教材。,平时成绩占20%， 期末考试成绩占80%。,3.考核:,4.教材:,*参考书：（1）康华光主编的电子技术基础模 拟电子技术部分。 （2）华成英编的模拟电子技术基础 （第三版）习题解答。,（1）常用半导器件; 10学时 （2）基本放大电路; 10+2(习题)学时 （3）多级放大电路； 6学时 （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； 8+2(讨论)学时 （7）信号的运算和处理； 8+2(习题)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）直流电源。 4学时,5. 内容：,学生初步具有一看、二算、三选、四干的能力。,6.课程教学目标,会看，就是能看懂典型的电子设备的原理图，了解各部分的组成及其工作原理；,会算，就是对各环节的工作性能会进行定性或定量分析、估算；,会选和会干，就是遇到本专业的一般性任务，能大致选定方案，选用有关的元、器件，并且通过安装调试把它基本上研制出来。至于会选和会干，将在课程设计、实验课和实训等实践教学环节中培养。,（1）掌握基本概念、基本电路、基本分析方法；,7. 学习本课程的建议,（2）掌握基本单元电路和典型电路的工作原理、及其分析计算方法；,（3）要加强读图能力培养；,（4）要重视实验，立足提高实际工作能力。通过实验及其它实践环节，掌握常用电子仪器的使用方法，模拟电子电路的测试方法、故障的判断和排除方法。提高分析问题和解决问题的能力，实现理论与实践结合，做到会选会干。,（5）学会全面、辩证地分析模拟电子电路中的问 题，只有最合适的电路，没有最好的电路。,（6）注意电路基本定理、定律在模拟电子电路中 的应用，如基尔霍夫定律、戴维宁定理、诺 顿定理等；,（7）充分利用课堂时间，主动学习。课后及时复 习，按时完成作业。,第1章 常用半导体器件,重点：,1. 本征半导体和杂质半导体；,2. PN结的形成及其特性；,3. 半导体二极管特性及主要参数；,4. 半导体三极管放大原理及其特性、主要参数；,5. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,半导体的基本知识,1.1.1 本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体,半导体除了导电能力介于导体与半导体之间外，还具有三个重要的特性：,一、半导体,（1）掺杂：在纯净的半导体（本征半导体）中掺入微量的某种杂质后，导电能力增加。 -利用这一特性可制成各种半导体器件。 （2）温度：T（） 导电能力 -利用这一特性可制成热敏电阻，但是这一特性对半导体器件稳定性不利。 （3）光照：光照后，导电能力增强。 -利用这一特性可制成光电管、光电池等，但是这一特性对半导体器件稳定性不利。,1.1,二、本征半导体,1.晶体结构,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。,本征半导体结构示意图,共价键,价电子,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 。,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,2.两种载流子,若 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。,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,本征半导体中的 自由电子和空穴,空穴可看成带正电的载流子。自由电子与空穴数目相等，是成对出现的。,T ,自由电子,空穴,本征半导体两端外加一电场，则自由电子将产生定向运动，形成电子电流；同时价电子将一定的方向依次填补空穴，即空穴移动，形成空穴电流。它们二者运动方向相反，其电流是两个电流之和。,运载电荷的粒子称为载流子。半导体中存在两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的最大特点，也是与导体导电的本质区别。,三、本征半导体中载流子的浓度,动态平衡,本征激发,复合,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,n = p =2.381013/cm3,本征锗的电子和空穴浓度:,小结：,1. 半导体中两种载流子,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，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,1.1.2 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),在本征硅或锗中掺入微量的5价元素(如磷)，由于磷原子最外层有5个价电子，与硅(锗)原子的价电子组成共价键时，则磷原子还多出一个电子，它不受周围原子核的束缚，易脱离磷原子核对它的束缚而成为自由电,子，如图所示。这样，在硅(或锗)半导体中产生很多自由电子。在常温下，热激发产生电子-空穴对。这样，np，所以称为自由电子为多数载流子，而空穴称为少数载流子。,由于杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子型半导体，因电子带负电，所以称为N型半导体（Ngative）。,二、P型半导体,受主原子,空穴,在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼），由于硼原子最外层只有三个价电子，与硅原子的价电子组成共价键时，则硼原子的周围少一个价电子，即出现一个“空位”（空穴），如图示。,3价杂质原子为受主原子。这种半导体主要靠空穴导电，称之为空穴型半导体，因空穴带正电，所以称为P型半导体（positve)。,P型半导体,空穴为多数载流子，电子为少数载流子。空穴浓度多于电子浓度，即 p n。,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。,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。,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下图所示。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,杂质半导体的的简化表示法,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。,一、PN 结的形成,1.1.3PN结,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 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。,3. 空间电荷区产生内电场,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,5. 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； 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，空间电荷区的宽度达到稳定。,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,二、PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,PN结处于导通状态，呈现正向电阻很小。,PN结加正向电压,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时，外电场与内电场方向一致，使空间电荷变宽，不利于多子扩散，有利于少子漂移运动，漂流电流大于扩散电流，电路中产生反向电流。,PN结加反向电压,由于少子数目很小，因此反向电流很小，常可忽略，认为PN外加反向电压时处于截止状态。PN结呈现的反向电阻很高。,PN结具有单向导电性，即正偏时导通，反偏时 截止。,结论：,IS ：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,四、PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,PN结的伏安特性,齐纳击穿 雪崩击穿,反向击穿,电击穿-可逆,热击穿-不可逆,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。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,是由 PN 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,五、PN结的电容效应,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。,2. 扩散电容 Cd,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)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,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。,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 两部分。Cj= Cb +Cd,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，即可以认为 Cj Cd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,半导体二极管,将PN结用管壳封装起来，并加上电极引线，就构成半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极，常见的外形如图示。,1.2,1.2.1 二极管的结构及分类,一、按内部结构分类,1. 点接触型二极管,特点：PN结的面积小，允许通过电流小，用于小电流整流或作 开关； 结电容小，用于高频检波。,3. 平面型二极管,2. 面接触型二极管,特点：PN结面积大，允许通过的电流大（可达上千安），用于低频整流；结电容大，主要用于低频电路，不能用于高频电路,面接触型,特点：结面积小的管子：结电容小，允许电流小，作开关管；结面积大的管子：允许通过电流大，用于大功率整流。,二、按材料分类,硅二极管，锗二极管。,图形符号如图示。,1.2.2 二极管的伏安特性,一、二极管的伏安特性曲线,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压：0.5V 导通电压：0.7V,开启电压：0.1V 导通电压：0.2V,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,D代表P型Si,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。,1.2.3 二极管的主要参数,（1）最大整流电流IF ：二极管长时间运行时允许通过的最大正向平均电流，IF 值与PN结面积及外部散热条件有关。 （2）最高工作反向电压UR：二极管允许外加的最大反向电压。一般，UR =（1/22/3）U(BR) 。 （3）反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流，IR小，单向导电性好。IR对温度敏感。 IR(Si) IR(Ge)。 (4)最高工作频率fM ：二极管工作的上限频率。超过fM，由于Cj的作用，二极管不能很好体现单向导电性。,（1）由于工艺分散性，半导体器件参数具有分散性，同一型号管子参数不同。使用时注意测试条件，当使用条件与测试条件不同时，参数会发生变化。 （2）根据管子使用场合，按其承受的UR、IF、fM 、环流温度等条件，选择满足要求的二极管。,注：,1.2.4 二极管的等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,U,U,U,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）,电路如图所示，UD =0.7V，试估算开关断开和闭合时， 输出电压UO 。,例1,开关断开时，D导通，,开关闭合时，D截止，,解：,1.2.5 稳压二极管,一、稳压管的伏安特性,稳压管有着与普通二极管类似的伏安特性，如图。但稳压管的反向特性曲线比较陡，且反向击穿是可逆的，只要反向电流不超过一定值，管子不会过热损坏。,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,稳压管的符号及等效电路如图所示。,稳压二极管稳压时工作在反向击穿状态，即利用反向击穿特性实现稳压。,二、稳压管的主要参数,（1）稳定电压UZ ：在规定电流下稳压管的反向击穿电压。 （2）稳定电流 IZ :稳压管工作在稳压状态时的参考电流，常认为IZ = IZmin 。 IZ IZmin 才稳压。 （3）额定功耗PZM :稳定电压 UZ 与最大稳定电流 IZM(IZmax) 的乘积。,（4）动态电阻 rZ :稳压管在稳压时，端电压变化量与其电流变 化量之比，即： , rZ 愈小，稳压特性愈好。,（5）温度系数 :温度每变化 稳压值的变化量, 即 。稳压值小于4V具有负温度系数（属于齐纳击穿）；稳压值大于7V具有正温度系数（属于雪崩击穿）；47V之间的管子，温度糸数非常小，近似为零（齐纳击穿和雪崩击穿均有）。,稳压管正常工作的两个条件： 必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）； 流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。,典型应用如图所示。 当输入电压Ui和负载电阻RL在一定范围内变化时，流过稳压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压Uz变化很小，即输出电压Uo基本稳定。,电阻R的作用:一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,问题：不加R可以吗？ 稳压条件是什么？,稳压二极管的应用,解：,（UZ3V）,例2,ui和uo的波形如图所示,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,特性,1.2.6 其它类型的二极管,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通 LED ，,不可见光：红外光,点阵 LED,七段 LED ,二、光电二极管,符号和特性,符号,特性,工作原理：,三、变容二极管 四、隧道二极管(请同学们查找有关资料） 五、肖特基二极管(请同学们查找有关资料）,无光照时，与普通二极管一样。 有光照时，分布在第三、四象限。,1.3,又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。,(Bipolar Junction Transistor),(a) 小功率管,(b) 小功率管,(c) 中功率管,(d) 大功率管,双极型晶体管(BJT),我国晶体管型号的命名方法,1.3.1 晶体管的结构及类型,具有两个PN结，加上三个电极引线，并用管壳封装就构成晶体管，常见平面型和合金型两种，硅管主要是平面型，锗管都是合金型。,三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e,b,e 发射极，b基极 c 集电极。,基区,发射区,集电区,三极管结构示意图和符号,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,注：符号中，发射极箭头的方向表示发射结正偏时发射极电流的方向，即多子的扩散方向。,NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,注：符号中，发射极箭头的方向表示发射结正偏时发射极电流的方向，即多子的扩散方向。,PNP 型,1.3.2晶体管的电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备 放大作用,1. 放大作用,(1)内部条件,三极管的基区很薄，且掺杂很少（减少复合，利于扩散）； 发射区、集电区掺杂较多； 集电结面积大（利于接收载流子）。,(2)外部条件 外加电源的极性使三极管的发射结正偏，集电结反偏。即,NPN：,PNP:,一、晶体管处于放大工作状态的条件,2.三极管的三种组态,三极管在电路中有三种连接方式（或称三种组态），即共射极，共集电极和共基极。若输入回路和输出回路的共公端点是发射极，称共发射极接法（如A图）。若公共端点是集电极，称为共集电极接法（如B图），若公共端点是基极称为共基极接法（如C图）。,A图,B图,C图,IEP,IE,IEN,晶体管内部载流子的运动与外部电流,1.发射结正偏，扩散运动形成发射极电流IE。,( 很小),二、晶体管内部载流子的运动,三极管发射结正偏，空间电荷区变窄，有利于多子扩散运动，所以发射区的多子（电子）向基区扩散，并不断从电源负极获得补充，形成发射极电子电流IEN;同时基区中多子（空穴）也向发射区扩散形成空穴电流IEP。 发射极电流,e,IEP,ICBO,IE,IB,IEN,IBN,晶体管内部载流子的运动与外部电流,2.扩散到基区的电子扩散与空穴复合形成基极电流IB。,（ 很小，可忽略， 当 ）,二、晶体管内部载流子的运动,由于浓度差，扩散到基区的电子向集电结扩散。在扩散中，绝大部分电子扩散到集电结，极少部分电子与基区空穴复合，复合掉的空穴由VBB补充，形成基区复合电流IBN（很小）。由于集电结反偏，集电区和基区本身少子漂移形成ICBO（反向饱和电流）。形成基极电流,e,由于集电结加反向电压且其结面积大，扩散到基电结的电子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流ICN；同时集电区与基区本身少子漂移电流ICBO。在VCC作用下，漂移运动形成的电流,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IEN,IBn,ICN,晶体管内部载流子的运动与外部电流,3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC。,二、晶体管内部载流子的运动,e,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IEN,IBN,ICN,晶体管内部载流子的运动与外部电流,三、晶体管的电流分配关系,IC = ICN + ICBO,IE= IEN+ IEP,IE =IC+IB,可见，三极管是一个电流控制器件（cccs)。,e,1. 共射电流放大系数,整理可得：,（1）共射直流电流放大系数,（2）共射交流电流放大系数,四、晶体管的电流放大系数,ICEO 是基极开路时，集-射间的电流。,2. 共基极电流放大系数,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,iB=f(uBE) UCE=const,(2) 随着UCE值增大，曲线将右移。,(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,(3)当UCE 1V时，能够到达集电结附近的电子几乎全部被集电极收集，再增加UCE，IB也不会明显地减少，因此，UCE 1V以后几条曲线几乎重合，所以常画UCE = 0和UCE 1V两条特性曲线。,1. 曲线特点 （1）,二、输出特性曲线,很小时，,（2）,时，,曲线平坦。,因为,（即 ）,所以输出特性实质是基区电子不变情况下的集电结反向特性。,2. 输出特性曲线的三个区域,注：当 ，即 时，三极管处于临界状态，即临界饱和或临界放大状态， 。,总之， 三极管具有,放大作用：工作在放大区,开关作用：工作在截止区 或饱和区,一、直流参数,1.共发射极直流电流放大系数,=（ICICEO）/IBIC / IB UCE=const,1.3.4 晶体管的主要参数,三极管的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数,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,4.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,一般选管子时， 左右，ICBO、ICEO尽量最小。,二、交流参数,1. 共发射极交流电流放大系数,3. 特征频率 fT, 值下降到1的信号频率。,2. 共基极交流电流放大系数,U,1. 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ICM,3. 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,1.3.5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。,三、温度对输出特性的影响,温度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,结论：,三极管工作状态的判断,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） VC 6V VB 0.7V VE 0V （2） VC 6V VB 4V VE 3.6V （3）VC 3.6VVB 4VVE 3.4V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,例1,某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。 IA-2mA, IB-0.04mA, IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,电流判断法。 电流的正方向和KCL。IE=IB+ IC,A,B,C,IA,IB,IC,C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表电阻法。参考实验。,例2,解：,测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位V1、V2、V3分别为： （1）V1=3.5V、V2=2.8V、V3=12V （2）V1=3V、 V2=2.8V、 V3=12V （3）V1=6V、 V2=11.3V、V3=12V （4）V1=6V、 V2=11.8V、V3=12V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）V1 b、V2 e、V3 c 、NPN 硅 （2）V1 b、V2 e、V3 c 、NPN 锗 （3）V1 c、V2 b、V3 e 、PNP 硅 （4）V1 c、U2 b、V3 e 、PNP 锗,原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V ， 为锗管。发射结正偏，集电结反偏。 NPN管UBE0， UBC0，即VC VB VE 。 PNP管UBE0， UBC 0，即VC VB VE 。,解：,例3,1.3.6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,复习,1.BJT放大电路三个 电流关系 ？,2.BJT的输入、输出特性曲线？,3.BJT工作状态如何判断？,场效应三极管,场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来控制半导体中多数载流子（即输出电流）的一种半导体器件，由于场效应管中只有一种极性的载流子参与导电，所以称为单极型三极管。,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、成本低。,1.4,N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）,场效应管分类：,符号,1.4.1结型场效应管（Junction Field Effect Transistor）,结构,N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体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。,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,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。,一、结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*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区。,1. uGS 对导电沟道的控制作用（UDS = 0）,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off) 也可用UP表示,2. uDS 对漏极电流iD的影响,uGS = 0，uGD UGS（Off) ，iD 较大。,uGS UGS（Off) ，iD 更小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),(当uGS=UGS(Off) 0的任一值时） uGD uGS uDS,uGS 0,uGD = UGS(off), 沟道变窄预夹断,uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，iD几乎不变,改变 uGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 iD ，故称场效应管; 结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN结反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),3. uGS 对漏极电流iD的控制作用(uGD UGS(off),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控制作用。,场效应管为电压控制元件(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),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控制的电 流源。,二、结型场效应管的特性曲线,与双极性三极管对应，场效应管有共源、共漏、共栅三种组态，以共源为例。,1. 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,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。,(b)漏极特性,输出特性（漏极特性）曲线,夹断区,击穿区,2. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例),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),转移特性,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。,1.4.2绝缘栅型场效应管（IGFET） Metal-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(有资料介绍可达1014）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。,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,1. 工作原理,(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。,(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th),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 耗尽层变宽。,(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的表面电荷层 反型层之间形成可移动、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。,(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 。,UDS= UGS UT， UGD = UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,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因而基本不变。,UDS UT,在UDS 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控制的电流源。,2. 特性曲线与电流方程,(1) 转移特性,(2) 输出特性,UGS UT ，iD = 0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UT 时),三个区：可变电阻区 恒流区(或饱和区) 夹断区。,(a),(b),二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,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,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件： UDS 0； UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的符号,N 沟道耗尽型MOSFET,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)0 UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制， 漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大， 可制成大功率管。,各类场效应管的符号和特性曲线,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UP 或UGS(off),3. 开启电压 UT 或UGS(th),4. 直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上， 绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds 。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,3. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2. 漏源击穿电压 U(BR)DS,4. 栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,1. 最大漏极电流IDM,例1.4.1,已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th) 4V,例1.4.2,电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线如右图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th) 4V,解：,(1) ui为0V ，即uGS= ui = 0，管子处于夹断状态,所以 u0=VDD =15V,(2) uGS= ui = 8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区， iD= 1mA， u0= uDS = VDD - iD RD =10V,(3) uGS= ui =10V时，,若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而u0 15 2.25 4V,但是， uGS = 10V时的预夹断电压为,uDS= uGS UT = (10-4)V = 6V,可见，此时管子工作在可变电阻区。,从输出特性曲线可得 uGS = 10V时d-s之间的等效电阻 (D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,一、单结晶体管的结构和等效电路,N 型硅片,P 区,PN 结,e,b1,b2,单结晶体管又称为双基极晶体管。,(a)结构,(b)符号,(c)等效电路,单结管的结构及符号,单结晶体管和晶闸管（自学）,1.5.1 单结晶体管,* 1.5,特性：,分压比,A,P,V,B,IP,UP,截止区,负阻区,饱和区,峰点,UP：峰点电压,IP：峰点电流,谷点,UV：谷点电压,IV：谷点电流,二、单结管的脉冲发生电路,单结管的脉冲发生电路,三、单结管的触发电路,四、单结管的脉冲发生电路,单结管的脉冲发生电路,1.5.2晶闸管,一、结构和等效模型,晶闸管的结构和符号,C,C,C,阳极,阴极,控制极,二、工作原理,1. 控制极不加电压，无论在阳极与阴极之间加正向或反向电压，晶闸管都不导通。,称为阻断,2. 控制极与阴极间加正向电压，阳极与阴极之间加正向电压，晶闸管导通。,IG,1 2IG,1IG,C,C,结论：,晶闸管由阻断变为导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲； 晶闸管由导通变为阻断的条件是减小阳极电流 IA ，或改变A-C电压极性的方法实现。 晶闸管导通后，管压降很小，约为 0.61.2 V 左右。,三、晶闸管的伏安特性,1. 伏安特性,UBO,A,B,C,IH,IG= 0,正向阻断特性：当 IG= 0 ，而阳极电压不超过一定值时，管子处于阻断状态。,UBO 正向转折电压,正向导通特性：管子导通后，伏安特性与二极管的正向特性相似。,IH 维持电流,当控制极电流 IG 0 时， 使晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压减小。,IG 增大,反向特性：与二极管的反向特性相似。,UBR,晶闸管的伏安特性曲线,四、晶闸管的主要参数,1. 额定正向平均电流 IF,2. 维持电流 IH,3. 触发电压 UG和触发电流 IG,4. 正向重复峰值电压 UDRM,5. 反向重复峰值电压 URRM,其它：正向平均电压、控制极反向电压等。,单相桥式可控整流电路,在 u2 正半周，当控制极加触发脉冲，VT1 和 VD2 导通；,在 u2 负半周，当控制极加触发脉冲，VT2和 VD1 导通；,：控制角； ：导电角,例：,小 结,第 1 章,一、两种半导体和两种载流子,两种载流子的运动,电子,空穴,两种半导体,N 型 (多电子),P 型 (多空穴),二、二极管,1. 特性, 单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,2. 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响),IS,3. 二极管的等效模型,理想模型 (大信号状态采用),正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压 UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(on) = (0.6 0.8) V,估算时取 0.7 V,硅管：,锗管：,(0.1 0.3) V,0.2 V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源 UD(on),4. 二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5. 特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光电二极管,反 偏,光电转换,三、两种半导体放大器件,双极型半导体三极管(晶体三极管 BJT),单极型半导体三极管(场效应管 FET),两种载流子导电,多数载流子导电,晶体三极管,1. 形式与结构,NPN,PNP,三区、三极、两结,2. 特点,基极电流控制集电极电流并实现放大,放 大 条 件,内因：发射区载流子浓度高、 基区薄、集电区面积大,外因：发射结正偏、集电结反偏,3. 电流关系,IE = IC + IB,IC = IB + ICEO,IE = (1 + ) IB + ICEO,IE = IC + IB,IC = IB,IE = (1 + ) IB,4. 特性,死区电压(Uth)：,0.5 V (硅管),0.1 V (锗管),工作电压(UBE(on) ) ：,0.6 0.8 V 取 0.7 V (硅管),0.2 0.3 V 取 0.3 V (锗管),饱 和 区,截止区,放大区,饱 和 区,截止区,放大区特点：,1)iB 决定 iC,2)曲线水平表示恒流,3)曲线间隔表示受控,5. 参数,特性参数,电流放大倍数, = /(1 ), = /(1 + ),极间反向电流,ICBO,ICEO,极限参数,ICM,PCM,U(BR)CEO,ICM,U(BR)CEO,PCM,安 全 工 作 区,= (1 + ) ICBO,场效应管,1. 分类,按导电沟道分,N 沟道,P 沟道,按结构分,绝缘栅型 （MOS),结型,按特性分,增强型,耗尽型,uGS = 0 时， iD = 0,uGS = 0 时， iD 0,增强型,耗尽型,(耗尽型),2. 特点,栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流。,输入电阻高，工艺简单，易集成。,由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述。,3. 特性,不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,(耗尽型),IDSS,开启电压 UGS(th),夹断电压UGS(off),IDO 是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,四、晶体管电路的基本问题和分析方法,三种工作状态,放大,I C = IB,发射结正偏 集电结反偏,饱和,I C IB,两个结正偏,ICS = IBS 集电结零偏,临界,截止,IB 0, IC = 0,两个结反偏,判断导通还是截止：,UBE U(th) 则导通,以 NPN为 例：,UBE U(th) 则截止,判断饱和还是放大：,1. 电位判别法,NPN 管,UC UB UE,放大,UE UC UB,饱和,PNP 管,UC UB UE,放大,UE UC U B,饱和,2. 电流判别法,IB IBS 则饱和,IB IBS 则放大,本章基本要求,1.熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴，扩散与漂移、复合，空间电荷区、PN结、耗尽层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及三个工作区域。 2.掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的工作原理、外特性和主要参数。 3.了解选用器件的原则。,