《模拟电子技术基础》备课笔记第1-2章.doc

模拟电子技术基础导 言本章主要学习的内容本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。一、电子技术的发展二、模拟信号与模拟电路三、电子信息系统的组成四、模拟电子技术基础课的特点五、如何学习这门课程六、课程的目的七、考查方法本章分为4讲，每讲2学时。一、电子技术的发展 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无 孔不入”，应用广泛！广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测医学：刀、CT、B超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照 相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统二、模拟信号与模拟电路1.信号反映消息的物理量，如温度、压力、流量，声音。是消息的表现形式。是存在于消息中的新内容。借组物理量来传递和表示。2.电子电路中信号的分类幅度时间数字信号：离散性 模拟信号：连续性。大多数物理量（如声、光、电）为模拟信号。模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路，其它模拟电路多以放大电路为基础。三、电子信息系统的组成提取-处理-加工 驱动与执行A/D转换计算机处理D/A转换 驱动与执行四、模拟电子技术基础课的特点1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。 定量分析为“估算”。近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。2. 实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法五、如何学习这门课程1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万变 不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种 多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标 和描述方法，因而有不同的分析方法。2. 注意定性分析和近似分析的重要性3. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。4. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用六、课程的目的1. 掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力， 以及将所学知识用于本专业的能力。本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分 析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专 业中的应用打下基础。注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步 的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡 快乐学习！七、考查方法1. 会看：读图，定性分析2. 会算：定量计算 考查分析问题的能力3. 会选：电路形式、器件、参数4. 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA考查解决问题的能力设计能力考查解决问题的能力实践能力第一章 常用半导体器件本章讨论的问题：1.为什么采用半导体材料制作电子器件？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？1.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体 一、导体、半导体和绝缘体纯净的具有晶体结构的半导体根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-310-9 Wcm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：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特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。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。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。（光电）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。（PN）二、本征半导体的晶体结构完全纯净的、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。本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。三、本征半导体中的两种载流子当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。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。小结：1. 半导体中两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴 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杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N型（电子型）半导体；掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P型（空穴型）半导体。杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。多子（自由电子）的数量正离子数少子（空穴）的数量在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多子（空穴）的数量负离子数少子（自由电子）的数量 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，多数载流子为空穴。 N型半导体主要靠自由电子导电。掺入杂质越多，多子浓度（自由电子）越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子为自由电子1,1,3 PN结的形成及其单向导电性半导体中的载流子有两种有序运动：载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。同一块半导体单晶上形成P型和N型半导体区域，在这两个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN结就形成了。当P区的电位高于N区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置），此时，PN结导通，呈现低电阻，流过mA级电流，相当于开关闭合；当N区的电位高于P区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN结截止，呈现高电阻，流过A级电流，相当于开关断开。PN结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性：即当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。这正是PN结具有单向导电性的具体表现。PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。 PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。7、PN结伏安特性PN结伏安特性方程：式中：Is为反向饱和电流；UT为温度电压当量，当T300K时，26mV当u0且u 时，伏安特性呈非线性指数规律 ；当u0且u时，电流基本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电性能。PN结的反向击穿特性：当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。8、PN结温度特性当温度升高时，PN结的反向电流增大，正向导通电压减小。这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。9、PN结电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定:一是势垒电容CB ，二是扩散电容CD，它们均为非线性电容。势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时，才考虑结电容的作用。1.2 半导体二极管本讲重点1、二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路（三个常用模型）；2、稳压管稳压原理及简单稳压电路；3、二极管的箝位、限幅和小信号应用举例；本讲难点1、二极管在电路中导通与否的判断方法，共阴极或共阳极二极管的优先导通问题；2、稳压管稳压原理；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示二极管的结构、伏安特性以及温度对二极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。二极管的箝位、限幅和小信号应用举例可以启发讨论。主要内容1、半导体二极管的几种常见结构及其应用场合在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。点接触型：面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。平面型：结面积可小、可大小的工作频率高，大的结允许的电流大、2、二极管的伏安特性以及与PN结伏安特性的区别半导体二极管的伏安特性曲线如P7图1.9所示，处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。1）正向特性：当V0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：（1）当0VUon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。（2）当VUon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。2）反向特性：当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：（1）当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。（2）当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7 V时，主要是雪崩击穿；若VBR4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V7 V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。3）二极管的伏安特性与PN结伏安特性的区别：二极管的基本特性就是PN结的特性。与理想PN结不同的是，正向特性上二极管存在一个开启电压Uon。一般，硅二极管的Uon=0.5 V左右，锗二极管的Uon=0.1 V左右；二极管的反向饱和电流比PN结大。3、温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降UD大约减小2mV，即具有负的温度系数。4、二极管的等效电路（或称为等效模型）1）理想模型：即正向偏置时管压降为0，导通电阻为0；反向偏置时，电流为0，电阻为。适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。2）简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型，它用两段直线逼近伏安特性，即正向导通时压降为一个常量Uon；截止时反向电流为0。3）小信号电路模型：即在微小变化范围内，将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻rD 。这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。5、二极管的主要参数1）最大整流电流I：二极管长期工作允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。2）最高反向工作电压UBR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。一般取UBR值的一半。3）电流IR：二极管未击穿时的反向电流。对温度敏感。IR越小，则二极管的单向导电性越好。4）最高工作频率fM：二极管正常工作的上限频率。若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。6、稳压二极管（稳压管）及其伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。7、稳压管等效电路稳压管等效电路由两条并联支路构成：加正向电压以及加反向电压而未击穿时，与普通硅管的特性相同；加反向电压且击穿后，相当于理想二极管、电压源Uz和动态电阻rz的串联。如P16图1.18所示。8、稳压管的主要参数1）稳定电压UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压。2）最大稳定工作电流IZMAX 和最小稳定工作电流IZMIN：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin对应UZmin。若IZIZmin，则不能稳压。3）额定功耗PZM：PZM UZ IZMAX ，超过此值，管子会因结温升太高而烧坏。4）动态电阻rZ：rz =DVZ /DIZ，其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压效果愈好。5）温度系数：温度的变化将使UZ改变，在稳压管中，当UZ7 V时，UZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿；当UZ4 V时，UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿；当4 VVZ7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。 9、稳压管稳压电路稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻有两个作用：一是起限流作用，以保护稳压管；二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，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。如P17图1.19所示。10、特殊二极管与普通二极管一样，特殊二极管也具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏特性可制成光电二极管。讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断二极管工作状态的方法？1.3 晶体管三极管本讲重点1、三极管电流放大原理及其电流分配关系式；2、三极管的输入、输出特性；3、三极管三种工作状态的判断方法；本讲难点1、BJT放大原理及电流分配关系式；2、BJT三种工作状态的判断方法；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示三极管的结构、输入与输出特性以及温度对三极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。三极管工作状态、电位和管型的判断方法可以启发讨论。主要内容13.1 晶体管的主要类型和应用场合1，双极型晶体管BJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。三极管常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。2、BJT具有放大作用的内部条件和外部条件1）BJT的内部条件为：BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结（发射结和集电结）、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。2）BJT放大的外部条件为：发射结正偏，集电结反偏。3、BJT的电流放大作用及电流分配关系1.3.2 晶体管的电流放大作用晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流IC，体现出IB对的IC控制作用。此时，可将IC看成电流IB控制的电流源。三个重要的电流分配关系式：IEIBIC ICIBICEOIBICIEICBOIE1.3.3 晶体管的输入特性和输出特性曲线晶体管的输入特性和输出特性表明各电极之间电流与电压的关系。现以共射电路为例说明。1）共射输入特性：iBf (uBE)VCE=常数 如P24图1.26所示。输入特性曲线分为三个区：死区、非线性区和线性区。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时，特性曲线将会向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。2）共射输出特性：iCf (uCE)iB =常数 如P25图1.27所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。对于其中某一条曲线，当vCE=0 V时，iC=0；当vCE微微增大时，iC主要由vCE决定；当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的)。因此，输出特性曲线可以分为三个区域：饱和区、截止区和放大区。3）晶体管工作在三种不同工作区外部的条件和特点工作状态NPN型PNP型特点截止状态E结、C结均反偏VBVE、VBVCE结、C结均反偏VBVE、VBVCIC 0放大状态E结正偏、C结均反偏VC VB VEE结正偏、C结均反偏VC VB VEIC IB饱和状态E结、C结均正偏VB VE、VB VCE结、C结均正偏VB VE、VB VCV CEV CES 1.3 晶体管三极管 （2）1.3.4 晶体管的主要参数一、直流参数(1)共射直流电流放大系数：=（ICICEO）/IBIC/IB |，在放大区基本不变。(2)共基直流放大系数：=（ICICBO）/IEIC/IE显然与之间有如下关系： = IC/IE=IB/(1+)IB=/(1+)(3)穿透电流ICEO：ICEO=（1+）ICBO；式中ICBO相当于集电结的反向饱和电流。二、交流参数(1)共射交流电流放大系数：b=DIC/DIB，在放大区b 值基本不变。(2)共基交流放大系数：=DIC/DIE当ICBO和ICEO很小时，a、b，可以不加区分。(3)特征频率fT ：三极管的b 值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的b 将会下降。当b下降到1时所对应的频率称为特征频率。三、极限参数极限参数和三极管的安全工作区（1）最大集电极电流ICM：当集电极电流增加时，b 就要下降，当b 值下降到线性放大区b值的7030时，所对应的集电极电流称为最大集电极电流ICM。至于b 值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。（2） 最大集电极耗散功率PCM：PCM = iCuCE 。对于确定型号的晶体管，PCM是一个定值。当硅管的结温大于150、锗管的结温大于70时，管子的特性明显变坏，甚至烧坏。（3）极间反向击穿电压：晶体管某一级开路时，另外两个电极之间所允许加的最高反向电压，即为极间反向击穿电压，超过此值管子会发生击穿现象。极间反向电压有三种：UCBO、UCEO和UEBO。由于各击穿电压中UCEO值最小，选用时应使其大于放大电路的工作电源VCC。（4）三极管的安全工作区：由PCM、ICM和击穿电压V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定四个区：过损耗区、过电流区、击穿区和安全工作区。使用时应保证三极管工作在安全区。如P28图1.29所示。6、温度对晶体管特性及参数的影响1）温度对反向饱和电流的影响：温度对ICBO和ICEO等由本征激发产生的平衡少子形成的电流影响非常严重。2）温度对输入特性的影响：当温度上升时，正向特性左移。当温度变化1时，UBE大约下降22.5mV，UBE具有负温度系数。3）温度对输出特性的影响温度升高时，由于ICEO和增大，且输入特性左移，导致集电极电流IC增大，输出特性上移。总之，当温度升高时，ICEO和增大，输入特性左移，最终导致集电极电流增大。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60402000.40.8I / mAU / V200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iCuCEOiB200温度对输入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：对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE 正偏反偏反偏集电结正偏正偏反偏发射结饱和放大截止（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。ABC IAIC解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+ ICC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。解：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 。（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1.3.6 光电三极管一、等效电路、符号 ce iCuCEO图1.3.11光电三极管的输出特性E1E2E3E4E0ce二、光电三极管的输出特性曲线1.4 场效应管（FET）本讲重点 场效应管（MOS管）结构原理；教学组织过程 以教师讲授为主。用多媒体演示FET的结构原理、输出与转移特性等， FET的工作区、管型的判断方法可以启发讨论。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。14.1 场效应管及其类型效应管FET是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构不同可分为两大类：结型场效应管（JFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET简称MOS管）。每一类又有N沟道和P沟道两种类型。其中MOS管又可分为增强型和耗尽型两种。2、N沟道增强型MOS管结构N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出两个电极，漏极D，和源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。因为这种MOS管在VGS=0V时ID=0；只有当UGSUGS(th) 后才会出现漏极电流，所以称为增强型MOS管。3、N沟道增强型MOS管的工作原理1）夹断区工作条件UGS=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，没有导电沟道，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零；当0UGSUGS(th时，由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动，电子向上移动，在P型硅衬底的上表面形成耗尽层，仍然没有漏极电流。 2）可变电阻区工作条件当UGS UGS(th) 时，栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道(反型层)，若D、S间加上正向电压后可产生漏极电流ID。若uDSuGS- UGS(th)，则沟道没夹断，对应不同的uGS，ds间等效成不同阻值的电阻，此时，FET相当于压控电阻。3）恒流区（或饱和区）工作条件当uDS=uGS- UGS(th) 时，沟道预夹断；若uDSuGS - UGS(th)，则沟道已夹断，iD仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，iD近似看成uGS控制的电流源，FET相当于压控流源。可见，对于N沟道增强型MOS管，栅源电压VGS对导电沟道有控制作用，即当UGS UGS(th)时，才能形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。当场效应管工作在恒流区时，利用栅源之间外加电压uGS所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流ID。此时，可将ID看成电压uGS控制的电流源。4、N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，所以当UGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如P45图1.48所示。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当UGS0时，将使ID进一步增加。UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，5、P沟道增强型和耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。6、场效应管的伏安特性场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。以增强型N沟MOSFET为例，输出特性：iDf (uDS)UGS =常数 反映UGSUGS(th) 且固定为某一值时，UDS对ID的影响；转移特性：iDf (uGS)UDS =常数 反映UGS对漏极电流的控制关系；输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程，因此，转移特性可以从输出特性上用作图法一一对应地求出。场效应管的输出特性可分为四个区：夹断区、可变阻区、饱和区（或恒流区）和击穿区。在放大电路中，场效应管工作在饱和区。7、场效应管的主要参数：1） 直流参数（1）开启电压UGS(th)：开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。（2）夹断电压UGS(off)：夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSS：IDSS是耗尽型FET的参数，当UGS=0时所对应的漏极电流。（4）直流输入电阻RGS（DC）：FET的栅源输入电阻。对于JFET，反偏时RGS约大于107；对于MOSFET，RGS约是1091015。 2） 交流参数（1）低频跨导gm：低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。（2）级间电容：FET的三个电极间均存在极间电容。通常Cgs和Cgd约为13pF,而Cds约为0.11pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。3） 极限参数（1）最大漏极电流IDM：是FET正常工作时漏极电流的上限值。 （2）漏-源击穿电压U(BR)DS：FET进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS值称为漏源击穿电压，uDS超过此值会使管子烧坏。（3）最大耗散功率PDM：可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。8、场效应管FET与晶体管BJT的比较1） FET是另一种半导体器件，在FET中只是多子参与导电，故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（BJT）。由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT。2） BJT是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故BJT的输入电阻较低；FET是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，栅极几乎不取用电流，因此，FET的输入电阻很高，可以达到109014。高输入电阻是FET的突出优点。3） FET的漏极和源极可以互换使用，耗尽型MOS管的栅极电压可正可负，因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活。4） FET 和BJT都可以用于放大或作可控开关。但FET还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。1.5 单结晶体管和晶闸管1.5.1 单结晶体管（UJT）一、结构与等效电路单结晶体管又称为双基极晶体管 PN结 N区 P区 等效电路 符号在低掺杂的n型硅棒利用扩散工艺形成一个高掺杂p区，在p区域n区接触面形成pn结。构成单结晶体管（UJT）。二、工作原理和特性曲线三、应用举例：单结管的脉冲发生电路由单结管组成振荡电路，按要求产生信号并输出一定的频率与幅值的电压或电流。1.5.2 晶闸管硅可控元件，由三个PN结构成的大功率半导体器件。（晶体闸流管）一、结构和等效模型晶闸管的结构和符号二、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。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。反向特性：与二极管的反向特性相似。四、晶闸管的 主要参数1.额定正向平均电流 IF 2.维持电流 IH3.触发电压 UG和触发电流 IG4.正向重复峰值电压 UDRM5.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。本章小节本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数。现将各部分归纳如下：1、杂质半导体与PN结本征半导体中掺入不同的杂质就形成N型半导体和P型半导体，控制掺入杂质的多少就可以有效地改变其导电性能，从而实现导电性能的可控性。半导体中有两种载流子：自由电子与空穴。载流子有两种有序运动：因浓度差异而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。将两种杂质半导体制作在同一块硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，上述两种运动达到动态平衡，从而形成PN结。正确理解PN结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。2、半导体二极管一个PN结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流与电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小，体现出单向导电性。、和是二极管的主要参数。 特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏性可制成光电二极管。3、晶体管晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流，体现出（或、）对的控制作用。此时，可将看成为电流控制的电流源。晶体管的输入特性和输出特性表明各极之间电流与电压的关系，、 ()、和是它的主要参数。晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子工作在不同工作区的外部条件。4、场效应管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道：N沟道和P沟道，而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。场效应管工作在恒流区时，利用栅一源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流。此时，可将看成电压控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线描述、和三者之间的关系。、或、和极间电容是它的主要参数。和晶体管相类似，场效应管有夹断区（即截止区）、恒流区（即线性区）和可变电阻区三个工作区域。尽管各种半导体器件的工作原理不尽相同，但在外特性上却有不少相同之处。例如，晶体管的输入特性与二极管的伏安特性相似；二极管的反向特性（特别是光电二极管在第三象限的反向特性）与晶体管的输出特性相似，而场效应管与晶体管的输出特性也相似。实验一、常用元器件的识别与检测一、实验目的1、学会识别电阻、电容、二极管、三极管的常见类 型、外观和相关标识 。 2、掌握使用万用表等仪器检测电阻、电容、二极管、三极管的一般方法 。 二、预习要求1、仔细阅读“第一章 常用半导体器件”中有关二极管、三极管的内容介绍。2、预习此次实验指导内容，了解实验的目的、内容和基本步骤。三、实验说明1、电阻标称阻值的辨识以及实际阻值的测量色环标注法的速记方法：首先熟练掌握颜色与所代表数字的对应，即：棕1、红2、橙3、黄4、绿5、蓝6、紫7、灰8、白9、黑0，将其编为口诀为：“棕1红2橙上3，4黄5绿6是蓝，7紫8灰9雪白，黑色是0须记牢”；其次清楚第一、二环表示的是有效数字，而第三环表示的是有效数字之后零的个数，最后第四环为误差级别，金色为I级误差（5%），银色为II级误差（10%）。 2、电容的类型、极性识别以及漏电流、漏电阻的检测；3、二极管极性与性能判断见“第一章 14-15页单向导电性”的相关内容介绍；4、三极管类型与性能检测见“第一章32-36页晶体三极管”的相关内容介绍。四、实验仪器与器件1、万用电表2、不同类型的电阻、电容、二极管、三极管五、实验内容1、电阻标称阻值的辨识以及实际阻值的测量，完成表1；2、电容类型、极性识别以及漏电阻的检测，完成表2 ；3、二极管极性与性能判断，完成表3 ；4、三极管类型与性能检测，完成表4 。表1 电阻阻值的识别与检测序列号电阻标注色环颜色（按色环顺序）标称阻值及误差（由色环写出）测量阻值（万用表）1234表2 电解电容容值识别以及漏电阻的检测序列号标称容值万用表档位实测漏电阻12表3 二极管极性与性能判断序列号型号标注万用表档 位正向电阻反向电阻质量判别（优/劣）12表4 三极管类型与性能检测序列号标注型号与类型（NPN或PNP）b-e间电阻e-b间电阻b-c间电阻c-b间电阻质量判别（优/劣）12六、实验报告组成及要求1、实验目的； 2、实验原理； 3、实验仪器与器件；4、实验电路； 5、实验内容及实验步骤、实验数据；6、列表整理测量结果，分析产生误差原因；7、总结用万用表检测电阻、电容、二极管、三极管的一般方法 。第 2章 基本放大电路2.1 放大的概念和放大电路的主要性能指标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。放大的对象：变化量u放大的本质：能量的控制u放大的特征：功率放大u放大的基本要求：不失真放大的前提对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件（BJT或FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。2,1,2 放大电路的性能指标一、放大倍数：输出量与输入量之比放大倍数（或增益）：输出变化量幅值与输入变化量幅值之比。或二者的正弦交流值之比，用以衡量电路的放大能力。根据放大电路输入量和输出量为电压或电流的不同，有四种不同的放大倍数：电压放大倍数、电流放大倍数、互阻放大倍数和互导放大倍数。电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 电流放大倍数定义为： 互阻放大倍数定义为： 互导放大倍数定义为：注意：放大倍数、输入电阻