模拟电子技术-童诗白版.ppt

多媒体教学课件,模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics,1. 成绩评定标准,理论：平时成绩30 作业、期中考、考勤、提问 等 期末考试70 %,2. 教学参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第三版，高教出版社,童诗白主编，模拟电子技术基础 第二版，高教出版社,陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华工出版社,前言,第四版童诗白,目录,第三版童诗白,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,第三版童诗白,本章重点和考点：,1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。,2.三极管的电流放大原理， 如何判断三极管的管型 、管脚和管材。,3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,第三版童诗白,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控制集电极电流的？场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？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？,1.1 半导体的基础知识,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、导体、半导体和绝缘体,PNJunction,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。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。,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,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。,图 1.1.2本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,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。,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）,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/cm3,ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT),本征激发(见动画),复合,动态平衡,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。,小结,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。,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。,5 价杂质原子称为施主原子。,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)。,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、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。,受主原子,空穴,图 1.1.4P 型半导体,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,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。,图 PN 结的形成,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。,（动画1-3）,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。,图 1.1.6,二、 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。,图 1.1.6,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 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。,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。,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 结具有单向导电性。,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,图 1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿,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,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。,图 1.1.12,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。,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。,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,1 点接触型二极管,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。,3 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,4二极管的代表符号,D,1.2.2二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,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,开启电压：0.1V 导通电压：0.2V,二、温度对二极管伏安特性的影响(了解),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。,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,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）,图1.2.7二极管的微变等效电路,应用举例,二极管的静态工作情况分析,分析步骤： 1. 根据已知条件或实际情况确定二极管采用的模型 2. 将二极管断开，分别计算VA, VK 并判断二极管的通断 3. 套入相应的模型对原电路进行变换 4. 计算,应用举例,计算二极管电流和两端的电压,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,应用举例,二极管的静态工作情况分析,折线模型,（硅二极管典型值）,设,P22 例1.2.1,应用举例,例1：P69习题1.2,解：二极管采用理想模型 ui和uo的波形如图所示,1.2.5 稳压二极管,一、稳压管的伏安特性,(a)符号,(b)2CW17 伏安特性,DZ,(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)温度系数VZ,二、稳压管的主要参数,稳压电路,正常稳压时 UO =UZ,# 不加R可以吗？,# 上述电路UI为正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎样的？,（1）.设电源电压波动(负载不变),UI UOUZ IZ,UOUR IR ,（2）.设负载变化(电源不变) 略,如电路参数变化？,例1：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=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。 若负载电阻变化范围为1.5 k - 4 k ，是否还能稳压？,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 , 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）,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,例2：稳压二极管的应用,解： ui和uo的波形如图所示,（UZ3V）,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 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 五、肖特基二极管,无光照时，与普通二极管一样。 有光照时，分布在第三、四象限。,低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流大 .,优点是开关特性好，速度快、工作频率高,1.3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),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种导电类型：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,图 1.3.2(b)三极管结构示意图和符号NPN 型,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,1.3.1晶体管的结构及类型,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,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。,不表示两个二极管连接起来就是三极管,三极管内部结构要求：,1. 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。,一、晶体管内部载流子的运动,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,3.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 。,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。,晶体管内部载流子的运动,二、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE =IC+IB,图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流,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,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，直流和交流的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。,2、共射交流电流放大系数,3、共基直流电流放大系数,或,4、共基交流电流放大系数,5. 的关系,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,iB=f(uBE) UCE=const,(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,iC=f(uCE) IB=const,二、输出特性曲线,测量方法说明,输出特性曲线的三个区域:,放大区： 条件：发射结正偏，集电结反偏 特点：iC的大小不受uCE的影响，只受 IB的控制。 如何根据曲线获得 值,输出特性曲线的三个区域:,截止区： 条件：发射结反偏（不导通），集电结反偏 特点： iC 电流趋近于0。 等效模型：相当于开关断开,输出特性曲线的三个区域:,饱和区： 条件：发射结正偏，集电结正偏 特点： iB 、iC 大到一定数值后三极管进入该区域，UCE电压的数值较小。 等效模型,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=const,1.3.4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ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,二、交流参数,1.共发射极交流电流放大系数 =iC/iBUCE=const,2. 共基极交流电流放大系数 =iC/iE UCB=const,3.特征频率 fT,值下降到1的信号频率,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,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） 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2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。,解：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。,例3：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为： （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 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅 （4）U1 c、U2 b、U3 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UC UB UE 。 PNP管UBE0， UBC0，即UC UB UE 。,解：,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？,1.4场效应三极管,场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制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)；,电压控制型器件；,重量轻、体积小、寿命长等优点。,输入电阻高；,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,图 1.4.1N 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. 当UDS = 0 时， uGS 对导电沟道的控制作用,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. 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。,uGS UGS（Off) ，iD 更小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),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,(1) 改变 uGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 iD ，故称场效应管； (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),3.当uGD uGS(off),时， , uGS 对漏极电流iD的控制作用,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控制作用。,场效应管为电压控制元件(VCCS)。,uGD uGS uDS uGS(off), 即：出现了预夹断之后 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,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。,图 1.4.5(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),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),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 MOSFET 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 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,图 1.4.7N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,1. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“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，以控制漏极电流 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。,(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。,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 之间形成可移动的表面电荷层 ,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。,(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,靠近漏极沟道达到临界开启程度，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因而基本不变。,a. UDS UT,图 1.4.9UDS 对导电沟道的影响,(a) UGD UT,(b) UGD = UT,(c) UGD 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。,3. 特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)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。,图 1.4.10 (a),图 1.4.10 (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,图 1.4.11,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1.4.2,电路如图1.4.14所示，其中管子T的输出特性曲线如图1.4.15所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,图1.4.14,图1.4.15,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th) 4V,解,(1) ui为0V ，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0 VDD 15V,(2) uGSui8V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) uGSui10V时，,若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而u0 15- 2.2*5 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,例1.4.3,晶体管,场效应管,结构,NPN型、PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,绝缘栅增强型 N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子 多子扩散少子漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源 CCCS(),电压控制电流源 VCCS(gm),1.4.4 场效应管与晶体管的比较,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,晶体管,场效应管,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,图 1.5.1单结管的结构及符号,1.5单结晶体管和晶闸管,1.5.1单结晶体管,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,图 10.9.11(a),图 10.9.11(b),二、单结管的脉冲发生电路,图 10.9.12单结管的脉冲发生电路,三、单结管的触发电路,图 10.9.14,图 10.9.15,三、应用举例：单结管的脉冲发生电路,图 1.5.3单结管的脉冲发生电路,1.5.2晶闸管,一、结构和等效模型,图 1.5.5晶闸管的结构和符号,C,C,C,阳极,阴极,控制极,二、工作原理,图 1.5.6,1. 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,图 1.5.5,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,图 1.5.7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。,例：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,图 1.5.8,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,步骤,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 的特性比较参见 图1.4.13 第 43-44页。,不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,IDSS,夹断电压UGS(off),开启电压 UGS(th),IDO 是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,(耗尽型),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,第三版童诗白,第二章 基本放大电路,2.1放大的概念和电路主要指标,2.7场效应管放大电路,2.6晶体管基本放大电路的派生电路,2.5单管放大电路的三种基本接法,2.4放大电路静态工作点的稳定,2.3放大电路的分析方法,2.2基本共射放大电路的工作原理,第三版童诗白,本章重点和考点:,1.共射放大电路的静态工作点分析和动态参数计算。,2.放大电路失真分析和最大输出电压计算。,3.BJT三种组态的特点、FET三种组态的特点。,第三版童诗白,本章讨论的问题：,1.什么是放大？放大电路放大信号与放大镜放大物体意义相同吗？放大的特征是什么？,2.为什么晶体管的输入、输出特性说明它有放大作用？如何将晶体管接入电路才能起到放大作用？组成放大电路的原则是什么？有几种接法？,3.如何评价放大电路的性能？有哪些主要指标？,第三版童诗白,本章讨论的问题：,4.晶体管三种基本放大电路各有什么特点？如何根据它们的特点组成派生电路？,5.如何根据放大电路的组成原则利用场效应管构成放大电路？它有三种接法吗？,6.场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同处？在不同的场合下，应如何选用放大电路？,2.1 放大的概念和电路主要指标,2.1.1 放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,Au,放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。,放大电路放大的本质是能量的控制和转换。,2.1.2.放大电路的性能指标,放大电路示意图,图2.1.2放大电路示意图,一、放大倍数表示放大器的放大能力,根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。,二、输入电阻Ri,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,Ri=Ui / Ii,一般来说， Ri越大越好。,三、输出电阻 Ro,从放大电路输出端看进去的等效电阻。,输入端正弦电压 ，分别测量空载和输出端接负载 RL 的输出电压 、 。,输出电阻愈小，带载能力愈强。,四、通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线,通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。,五、非线性失真系数 D,所有谐波总量与基波成分之比，即,六、最大不失真输出幅度,在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示(Uom 、Iom)。,七、最大输出功率与效率,输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号 Pom表示。, ：效率 PV：直流电源消耗的功率,2.2基本共射放大电路的工作原理,2.2.1基本共射放大电路的组成及各元件作用,T：NPN 型三极管，为放大元件；,VCC：为输出信号提供能量；,RC：当 iC 通过 Rc，将电流的变化转化为集电极电压的变化，传送到电路的输出端；,VBB 、Rb：为发射结提供正向偏置电压，提供静态基极电流(静态基流)。,放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。,2.2.2 设置静态工作点的必要性,一、静态工作点 (Quiescent Point),静 态工作点Q（直流值）：UBEQ、IBQ、 ICQ 和UCEQ,ICQ= IBQ,对于NPN硅管UBEQ0.7V，PNP锗管UBEQ-0.2V,二、为什么要设置静态工作点,输出电压会出现失真,对放大电路的基本要求：,1.输出波形不能失真。 2.输出信号能够放大。,Q点不仅影响放大电路是否会失真， 而且影响放大电路的几乎所有的动态参数。,uCE（-iCRc）,uBE,iB,iC（biB）,电压放大倍数：,B,C,E,一放大原理,2.2.3 基本共射放大电路的工作原理及波形分析,若设置了适当静态工作点,符号说明,基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠RC将电流的变化转化成电压的变化来实现的。,各电压、电流的波形,2.2.4 放大电路的组成原则,一、组成原则,1.必须有为放大管提供合适Q点的直流电源。保证晶体管工作在放大区；（场效应管工作在恒流区）。,2.电阻适当，同电源配合，使放大管有合适Q点。,3.输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。对于晶体管能产生uBE，（对于场效应管能产生uGS，）从而改变输出回路的电流，放大输入信号。,4.当负载接入时，必须保证放大管的输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。,二、画直流通路的原则,1.电容的容抗为无穷大，视为开路 2.电感线圈的阻值很小，相当于短路,举例：画出下图所示电路的直流通路,阻容耦合放大电路的直流通路,原则：令输入信号为零（若信号源有内阻应保留），在直流通路的基础上，利用节点电流定律和回路电压法等列方程求解。 静态工作点（直流）包括（UBEQ，IBQ, ICQ, UCEQ）,三、静态工作点的计算,图例计算结果：,例2：求下图所示电路的静态工作点,ICQ= IBQ,对于NPN硅管UBEQ0.7V，PNP锗管UBEQ-0.2V,常见的共射放大电路,1.直接耦合共射放大电路静Q点的计算,（负载电路RL未接入）,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300k， Rc=2k， VCC= +12V，求：,（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,（2）当Rb=100k时，,静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。,其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：,所以BJT工作在饱和区。,UCEQ不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例题,复习：,1.放大电路的性能指标有哪些？,2.放大电路为什么要设置静态工作点？包括哪几个参数？,3.如何从计算出来的Q点判断放大电路处于什么工作区？,2.3.1 画交流通路的原则,2.3 放大电路的交流通路,共射极放大电路,画出下图的交流通路,2.3.1 交流通路,共射极放大电路,2.3.2如何判断定性判断一个放大电路能否正常放大信号？,依据两个方面 （1）静态 放大电路是否有一个合适的静态工作点 （2）动态 输入的交流信号是否能够正确的作用于输入端，放大后输出的信号是否能够正确的作用于负载。,举例：课本P139 题2.1分析是否能够正常放大,思考题：计算静态工作点,二、静态工作点的估算,由于 IR IBQ， 可得(估算),静态基极电流,2.3.2图解法,在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。,一、静态工作点的分析,1. 先确定输入回路 IBQ、 UBEQ。（一般采用：用估算的方法计算）,2.3.2图解法,2. 用图解法确定输出回路静态值。,方法：根据 uCE = VCC - iCRc 式确定两个特殊点,输出回路,输出特性,由静态工作点 Q 确定的 ICQ、UCEQ 为静态值。,【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知 Rb = 280 k，Rc = 3 k ，集电极直流电源 VCC = 12 V，试用图解法确定静态工作点。,解：首先估算 IBQ,做直流负载线，确定 Q 点,根据 UCEQ = VCC ICQ Rc,iC = 0，uCE = 12 V ；,uCE = 0，iC = 4 mA .,0,iB = 0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.,uCE /V,由 Q 点确定静态值为：,iC /mA,二、 电压放大倍数的分析,1. 交流通路的输出回路,输出通路的外电路是 Rc 和 RL 的并联。,2. 交流负载线,交流负载线斜率为：,3. 动态工作情况图解分析,（动画3-1）,输出回路工作情况分析,4. 电压放大倍数,【例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如右图，RL = 3 k 。,uCE = (4.5 7.5) V = - 3 V,uBE = (0.72 0.68) V = 0.04 V,解：,求 确定交流负载线,取 iB = (60 20) A = 40A,则输入、输出特性曲线上有,三、波形非线性失真的分析,1. 静态工作点过低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真,ib,ui,结论：iB 波形失真, 截止失真,（动画3-2）,iC 、 uCE (uo )波形失真,NPN 管截止失真时的输出 uo 波形。 uo 波形顶部失真,uo = uce,3.用图解法估算最大输出幅度,输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B 所限定的范围。,Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB，CD = DE,问题：如何求最大不失真输出电压？,Uomax=min(UCEQ-UCES),(UCC/-UCEQ),（动画3-4）,4.用图解法分析电路参数对静态工作点的影响,（1） 改变 Rb，保持VCC ，Rc ， 不变；,Rb 增大，,Rb 减小，,Q 点下移；,Q 点上移；,（2）改变 VCC，保持 Rb，Rc ， 不变；,升高 VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大