天津工业大学模拟电子技术.ppt

电气工程及其自动化学院电子教研室,多媒体教学课件,模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronics童诗白、华成英主编,1常用半导体器件(5次),2基本放大电路(5次),3多级放大电路(3次),4集成运算放大电路(不讲),5放大电路的频率响应(不讲),6放大电路中的反馈(4次),7信号的运算和处理(3次),8波形的发生和信号的转换(3次),9功率放大电路(1次),10直流稳压电源(3次),目录,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,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.场效应管的工作原理,本章教学时数：10学时,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，会使它的导电能力明显改变。,1.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体,1.1.2杂质半导体,1.1.3PN结,纯净的具有晶体结构的半导体,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,1.1.1本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,二、本征半导体的晶体结构,价电子,共价键,当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。,自由电子,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,形成两种电流：电子电流和空穴电流,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=300K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=K1T3/2e-EGO/(2KT),本征激发,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。,4.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。,3.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。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。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pn。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,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。,5.扩散与漂移的动态平衡,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。,2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏),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，PN结呈低阻性，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，PN结呈高阻性，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。,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(300K)下，UT26mV,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,若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时,则主要是齐纳击穿。,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,五PN结的电容效应,1.2半导体二极管,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,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,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，具有负温度系数。,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,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(3)反向电流IR,(4)最高工作频率fM,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。,二极管未被击穿时的反向电流。IR越小，二极管的单向导电性越好，IR对温度非常敏感,二极管的上限截至频率，超过此值，由于结电容的存在，就不能很好的体现单向导电性了,1.理想模型,理想二极管：（1）正向导通，导通压降为零，正向导通电流为无穷大。（2）反向截至，反向电流为零。,1.2.4二极管等效电路,2开关等效模型（恒压降模型）,恒压降模型的二极管：（以硅为例）（1）U0.7V，二极管导通，导通压降为0.7V，导通电流无穷大（2）UV阴，二极管导通，UAB=6.7V。,例1：,取B点作为参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V阳V阴,二极管导通,否则，二极管截至,ui8V二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V二极管截止，可看作开路uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出uo波形。,8V,例3,D,8V,R,uo,ui,+,+,1.2.5稳压二极管,IZmin,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,稳压二极管的应用,解：ui和uo的波形如图所示,（UZ3V）,稳压二极管的工作电流IZmin0,ucb0所以：VcVbVe,PNP型：ueb0,ubc0所以：VeVbVc,三极管处于放大状态时，三个极上电位关系：,三极管处于放大状态时，三个极上电流关系：,IBIC0，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。,iB=f(uBE)UCE=const,一.输入特性曲线,二.输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2）uCEIc。,（3）当uCE1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域:,放大区曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：,考虑：给出输出特性曲线，能否从曲线求出值？,放大区,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,uBE0.7V,IB=0，IC0；,截止区,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7V。此时发射结正偏，集电结也正偏。,ICIB,临界饱和：uCE=0.7V,深度饱和：uCES=0.3V,饱和区,三极管工作状态的判断,例1：测量某NPN型硅管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）VC6VVB0.7VVE0V（2）VC6VVB4VVE3.6V（3）VC3.6VVB4VVE3.3V,解：,对NPN管而言，放大时VCVBVE对PNP管而言，放大时VCVBVE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区,Rb,Rc,已知：50，Vi为0V和3V交替工作时，求UO,解：判断三极管类型为NPN型,（1）Vi0V时，IB=0，BJT处于截止状态，IC=0，UO=10V,(2)Vi3V时，BJT的发射结处于导通状态，BJT是放大还是饱和，如何判断？,三极管应用电路：反相器,IB=(UiUbe)/Rb=(Ui-0.7)/22=0.11mA=110A,例：,判断方法2：不直接求UO，而通过观察IC值来判断：,ICmax=10/5K=2mA(此时假设UCE0V）,IB5mA,所以BJT此时处于深度饱和状态，UO=UCES=0.3V,反相器：UI=0VUO=10VUI=3VUO=0.3V,若假设三极管处于放大状态则：IC=IB5mA，则UO=10-5515V（？）UO的最小值为UCES=0.3V,所以BJT此时处于深度饱和状态，UO=UCES=0.3V,判断方法1：通过假设判断,ICmaxIB,练习：电路如图所示，晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析VBB为0V、1V、3V三种情况下T的工作状态及输出电压uo的值。,解：（1）当uI=VBB0时，T截止，uoVCC=12V。,A,（3）当uI=VBB3V时,A,所以工作在饱和区，Uo=0.3V,（2）当uI=VBB1V时，因为Je正偏，JC反偏，T处于放大状态。,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/IBvCE=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（穿透电流）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/iEUCB=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：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压。,UCBO发射极开路时的集电极-基极间的反向击穿电压。,UEBO集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压。,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。,1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响,二、温度对输入特性的影响,温度升高时正向特性左移,1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响,三、温度对输出特性的影响,温度升高将导致IC增大,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,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JunctionFieldEffectTransistor,绝缘栅场效应管Metal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor,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。,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JunctionFieldEffectTransistor,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),UGS对iD电流的影响,UDS对iD电流的影响,栅源电压vGS对电流iD的控制作用,这里要讨论的关系是：,在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0,当vGS=0时，导电沟道最宽。,在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0,当vGS=0时，导电沟道最宽。,当vGS时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,对于N沟道JFET，VGS(off)0,在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0,当vGS=0时，导电沟道最宽。,当vGS时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当vGS到一定值时，沟道会完全合拢。,夹断电压VGS(off)使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压vGS。,注意,可以归纳，vDS0时vGS对导电沟道的控制作用：,此时，vGS变化虽然导电沟道随之变化，但漏极电流iD总是等于0。,若vDS为一固定正值，则iD将受vGS的控制，vGS时，沟道电阻，iD。,vDS对iD的影响,这里要讨论的关系是：,在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。,当vDS=0时，iD=0。,在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。,当vDS=0时，iD=0。,vDSiD靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布,在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。,当vDS=0时，iD=0。,vDSiD靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布,当vDS，使vGD=VGS(off)时，在靠漏极A点处夹断预夹断。,此时iD达到了饱和漏电流IDSS,表示栅源极间短路,在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。,当vDS=0时，iD=0。,vDSiD靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布,当vDS，使vGD=VGS(off)时，在靠漏极A点处夹断预夹断。,vDS再，预夹断点下移,预夹断前，vDSiD预夹断后，vDSiD几乎不变,Why？,图示：改变vDS时JFET导电沟道的变化,综上分析可知：,（d）预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,（a）JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管,（b）JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；,（c）JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；,三.JFET的特性曲线及参数,输出特性曲线,恒流区的特点：iD/vGS=gm常数即：iD=gmvGS（放大原理）,可变电阻区（预夹断前）,恒流区或饱和区（预夹断后），也称线性放大区,夹断区（截止区）,击穿区,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,分四个区：,转移特性曲线,可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。,例：作uDS=10V的一条转移特性曲线,综上分析可知：,（d）预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,（a）JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管,（b）JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；,（c）JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；,场效应管的主要参数,（1）夹断电压VGS(off),（2）饱和漏电流IDSS,（3）低频互导（跨导）gm,结型场效应管的缺点：,1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,1.4.2绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor,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,所谓“增强型”：指vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压vGS的作用，才形成感生沟道的FET，称为增强型FET。,所谓“耗尽型”：指vGS=0时，也会存在导电沟道，iD0的FET，称为耗尽型FET。,一、N沟道增强型MOS场效应管,1.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,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=0，0UT,(b)UGD=UT,(c)UGDUGSUT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。,1.4.4场效应管与晶体管的比较,1.BJT中的b、c、e对应FET的g、d、s，d、s可换，c、e不可换,2.BJT流控器件，基极要取电流IB，FET栅极不取电流，输入电阻高，但BJT放大倍数大,3.BJT两种载流子参与导电，FET只有多子参与导电，对于干扰，辐射，温度变化大的环境下要用BJT。,4.FET更易于集成,小结,第1章,1.半导体的基本知识2.PN结的单向导电性3.二极管的单向导电性及两种模型4.二极管电路分析与计算5.三极管的分类、内部结构、特性曲线6.三极管参数、电极判断7.稳压管参数、工作原理8.理解场效应管的工作原理,从括号中选择正确的答案，用A、B、C填