电子线路课件

1、第一编第一编 模拟部分模拟部分 第一章第一章 半导体器件的特性半导体器件的特性 第二章第二章 放大器基础放大器基础 第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器 第四章第四章 反馈放大器反馈放大器 第五章第五章( 模拟模拟)信号运算电路信号运算电路 第六章第六章 波形发生器波形发生器 第七章第七章 功率放大器功率放大器 第一章第一章半导体器件的特性半导体器件的特性 半导体材料、由半导体构成的半导体材料、由半导体构成的PNPN 结、二极管结构特性、三极管结构特性及结、二极管结构特性、三极管结构特性及 场效应管结构特性。场效应管结构特性。 本章主要内容：本章主要内容： 返返 回回前前 进进 1 .1

2、 半导体（半导体（Semiconductor）导电特性）导电特性 根据导电性质把物质分为根据导电性质把物质分为导体、绝导体、绝 缘体、半导体缘体、半导体三大类。三大类。 而半导体又分为而半导体又分为本征半导体、杂质本征半导体、杂质 （掺杂）半导体（掺杂）半导体两种。两种。 1 .1 .1 本征半导体本征半导体 纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材 料有两种：硅（料有两种：硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe）。）。 硅硅Si Si （锗（锗GeGe）的原子结构如下：）的原子结构如下： 这种结构的原子利用共价键构成了这种结构的原子利用共价键构成了本征半

3、导体本征半导体结构。结构。 但在外界激励下，产生但在外界激励下，产生电子电子空穴对（本空穴对（本 征激发）征激发） ，呈现导体的性质。呈现导体的性质。 这种稳定的结构使得本征半导体常温下这种稳定的结构使得本征半导体常温下 不能导电，呈现绝缘体性质。不能导电，呈现绝缘体性质。 但在外界激励下，产生但在外界激励下，产生电子电子空穴对（本空穴对（本 征激发）征激发） ，呈现导体的性质。呈现导体的性质。 这种稳定的结构使得本征半导体常温下这种稳定的结构使得本征半导体常温下 不能导电，呈现绝缘体性质。不能导电，呈现绝缘体性质。 在外界激励下，产生在外界激励下，产生电子电子空穴对（本征激发）空穴对（本征激

4、发）。 空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。 在外界激励下，产生在外界激励下，产生电子电子空穴对（本征激发）空穴对（本征激发）。 空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。 在外界激励下，产生在外界激励下，产生电子电子空穴对（本征激发）空穴对（本征激发）。 空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。 半导体内部存在两种半导体内部存在两种载流子载流子（可导（可导 电的自由电荷）：电子（负电荷）、空电的自由电荷）：电子（负电荷）、空 穴（正电荷）。穴（正电荷）。 在本征半导体中，在本征半导体中，本征激发

5、本征激发产生了产生了 电子电子空穴对空穴对，同时存在电子，同时存在电子空穴对空穴对 的的复合复合 。 电子浓度电子浓度 = 空穴浓度空穴浓度 ni = pi 1 .1 .2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的其他特定元在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。素（称为杂质）而形成的半导体。 根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分 为为N N型半导体型半导体和和P P型半导体型半导体。 常用的杂质材料有常用的杂质材料有5 5价元素磷价元素磷P P和和3 3价元素硼价元素硼B B。 N N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电型

6、半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电 子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流 子（简称少子）。子（简称少子）。 n n p p N N型半导体主要靠电子导电。型半导体主要靠电子导电。 一一 . N N型半导体（型半导体（电子型半导体）电子型半导体） 掺如非金属杂质磷掺如非金属杂质磷 P 的半导体。的半导体。每掺入一个磷每掺入一个磷 原子就相当于向半导体内原子就相当于向半导体内 部注入一个自由电子。部注入一个自由电子。 P P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空 穴属于多数载流子（简称多子）

7、，电子属于少数载流穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流 子（简称少子）。子（简称少子）。 p np n P P型半导体主要靠空穴导电。型半导体主要靠空穴导电。 二二 . P P型半导体（空穴型型半导体（空穴型半导体）半导体） 掺如非金属杂质硼掺如非金属杂质硼 B 的半导体。的半导体。每掺入一个硼每掺入一个硼 原子就相当于向半导体内原子就相当于向半导体内 部注入一个空穴。部注入一个空穴。 杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定， 总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等 量的多数载流子。量的多数载流

8、子。 杂质半导体的简化表示法杂质半导体的简化表示法 1 .2 PN结（结（ PN Junction ） 将一块将一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体有机结合在型半导体有机结合在 一起，其结合部就叫一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。结（该区域具有特殊性质）。 一一. PN结的形成结的形成 多子扩散（在多子扩散（在PNPN结合结合 部形成内电场部形成内电场E EI I）。）。 内电场阻碍多子扩内电场阻碍多子扩 散、利于少子漂移。散、利于少子漂移。 当扩散与漂移相对当扩散与漂移相对 平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。 PN结别名：耗尽层、结别名：耗尽层、 势垒区、电位壁垒、势

9、垒区、电位壁垒、 阻挡层、内电场、空阻挡层、内电场、空 间电荷区等。间电荷区等。 二二. PN结性质结性质单向导电性单向导电性 1. 正向导通正向导通 PNPN结外加正向电压（正向偏置）结外加正向电压（正向偏置）P P接接 + +、N N接接 - - ，形成较，形成较 大正向电流（正向电阻较小）。如大正向电流（正向电阻较小）。如3mA3mA。 2. 反向截止反向截止 PNPN结外加反向电压（反向偏置）结外加反向电压（反向偏置）P P接接 - -、N N接接 + +，形成较，形成较 小反向电流（反向电阻较大）。如小反向电流（反向电阻较大）。如1010A A。 二二. PN结性质结性质单向导电性单

10、向导电性 正偏电压正偏电压U= 0.7V（Si管）管） 0.2V（Ge管管 当电压超过某个值（约零点几伏），全部少子参与导电，形成当电压超过某个值（约零点几伏），全部少子参与导电，形成 “反向饱和电流反向饱和电流I IS S”。 反偏电压最高可达几千伏。反偏电压最高可达几千伏。 1 .3 半导体二极管（半导体二极管（Diode） 二极管的主要结构是二极管的主要结构是PNPN结。结。 1 .3 二极管二极管 用外壳将用外壳将PNPN结封闭，引出结封闭，引出2 2根极线，就构成了二极管根极线，就构成了二极管 。 一二极管伏安特性一二极管伏安特性 正向电流较大（正向电阻正向电流较大（正向电阻 较小）

11、，反向电流较小（反向较小），反向电流较小（反向 电阻较大）。电阻较大）。 门 限 电 压 （ 死 区 电 压 ）门 限 电 压 （ 死 区 电 压 ） V(Si管约为管约为0.5V、Ge管约为管约为 0.1V)，反向击穿电压，反向击穿电压VBR（可（可 高达几千伏）高达几千伏） 二极管电压电流方程：二极管电压电流方程： 二二极管主要参数二二极管主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流IF 2. 最高反向工作电压最高反向工作电压UR 3. 反向电流反向电流IR 4. 最高工作频率最高工作频率fM 由三块半导由三块半导 体构成，分为体构成，分为NPNNPN 型和型和PNPPNP型两种。型两种。 三

12、极管含有三极管含有3 3极、极、 2 2结、结、3 3区。其中区。其中 发射区高掺杂，发射区高掺杂， 基区较薄且低掺基区较薄且低掺 杂，集电区一般杂，集电区一般 掺杂。掺杂。 1 .4 三极管（三极管（Transistor） 1 .4 .1 三极管结构及符号三极管结构及符号 1 .4 三极管（三极管（Transistor） 1 .4 .2 三极管的三种接法（三种组态）三极管的三种接法（三种组态） 三极管在放大电路中有三种接法：共发射极、三极管在放大电路中有三种接法：共发射极、 共基极、共集电极。共基极、共集电极。 1 .4 .3 三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输 下面以共发射极下面以共

13、发射极NPNNPN管为例分析三极管内部载管为例分析三极管内部载 流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。 为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为 交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并 且直流电源的接法必须保证且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、三极管的发射结正偏、 集电结反偏集电结反偏 。 1 .4 .3 三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输 一一. .发射区向基区发射区向基区 发射载流子发射载流子( (电子电子) ) IEN IBN 1 .4

14、.3 三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输 一一. .发射区向基区发射区向基区 发射载流子发射载流子( (电子电子) ) 二二. .电子在基区的电子在基区的 疏运输运和复合疏运输运和复合 IB IE ICBO IC ICN IBN 1 .4 .3 三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输 一一. .发射区向基区发射区向基区 发射载流子发射载流子( (电子电子) ) 二二. .电子在基区的电子在基区的 疏运输运和复合疏运输运和复合 三三. .集电区收集电子集电区收集电子 1 .4 .4 三极管各极电流关系三极管各极电流关系 一一. 各极电流关系各极电流关系 IE = IEN + IBN IE

15、N IB = IBN ICBO IC = ICN + ICBO IE = IC + IB 二二. 电流控制作用电流控制作用 =ICN / IBNIC / IB IC=IB + (1+ )ICBO =IB + ICEO IC =ICN / IENIC / IE IC= IE + ICBO IE 1 .3 .5 共射共射NPN三极管伏安特性曲线三极管伏安特性曲线 一一. 输入特性曲线输入特性曲线 IB = f ( UBE ，UCE ) 实际测试时如下进行：实际测试时如下进行： IB = f ( UBE )|UCE U UCE CE 5V5V的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。的特性曲线基

16、本重合为一条，手册可给出该条曲线。 1 .4 .5 共射共射NPN三极管伏安特性曲线三极管伏安特性曲线 二二. 输出特性曲线输出特性曲线 IC = f ( IB ，UCE ) 实际测试时如此进行：实际测试时如此进行：IC = f ( UCE )|IB 1 .4 .5 共射共射NPN三极管伏安特性曲线三极管伏安特性曲线 二二. 输出特性曲线输出特性曲线 IC = f ( IB ，UCE ) 实际测试时如下进行：实际测试时如下进行： IC = f ( UCE )|IB 发射结正偏、集电结反发射结正偏、集电结反 偏时，三极管工作在放大偏时，三极管工作在放大 区区( (处于放大状态处于放大状态) )，

17、有放，有放 大作用：大作用：I IC C =I =IB B + + I ICEOCEO 两结均反偏时，三极管两结均反偏时，三极管 工作在截至区工作在截至区( (处于截止处于截止 状态状态) ) ，无放大作用。，无放大作用。 I IE E=I=IC C=I=ICEOCEO00 发射结正偏、集电结正发射结正偏、集电结正 偏时，三极管工作在饱和偏时，三极管工作在饱和 区区( (处于饱和状态处于饱和状态) ) ，无，无 放大作用。放大作用。I IE E=I=IC C（较大）（较大） 1 .4 .6 1 .4 .6 三极管主要参数三极管主要参数 一一. . 电流放大系数电流放大系数 1. 1. 共发射极

18、电流放大系数共发射极电流放大系数 直流直流IIC C/I/IB B 交流交流IIC C/I/IB B 均用均用表示。表示。 2. 2. 共基极电流放大系数共基极电流放大系数 直流直流IIC C/I/IE E 交流交流IIC C/I/IE E 均用均用表示。表示。 二二. . 反向饱和电流反向饱和电流 1.1.集电极集电极基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流I ICBOCBO 2.2.集电极集电极发射极间穿透电流发射极间穿透电流I ICEOCEO I ICEO CEO = = (1+)(1+) I ICBOCBO =/(1 =/(1) =/(1+) =/(1+) 1 .4 .6 1 .4 .6

19、三极管主要参数三极管主要参数 一一. . 电流放大系数电流放大系数 IIC C/I/IB B I IC C/I/IE E =/(1=/(1) =/(1+) =/(1+) 二二. . 反向饱和电流反向饱和电流 I ICBO CBO I ICEOCEO I ICEO CEO = = (1+)(1+) I ICBOCBO 三三. . 极限参数极限参数 1. 1. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I ICM CM 2. 2. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗P PCMCM 3. 3. 反向击穿电压反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO 、U U(BR)CBO(BR)CBO 三极管的安全

20、工作区三极管的安全工作区 1 .5 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor ） 场效应管是单极性管子，其输入场效应管是单极性管子，其输入PNPN结处于反偏或结处于反偏或 绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相 反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性 强、便于集成等优点。强、便于集成等优点。 场效应管是电压控制器件，既利用栅源电压控制场效应管是电压控制器件，既利用栅源电压控制 漏极电流漏极电流（i iD D = = g gm mu uGSGS）这一点与三级管（电

21、流控这一点与三级管（电流控 制器件制器件, , 基极电流控制集电极电流基极电流控制集电极电流, ,i iC C = = i iB B）不同，）不同， 而栅极电流而栅极电流i iD D为为0 0（因为输入电阻很大）。（因为输入电阻很大）。 场效应管分为两大类场效应管分为两大类: :结型场效应管结型场效应管（JFETJFET Junction Field Effect TransistorJunction Field Effect Transistor）、绝缘栅型场效应绝缘栅型场效应 管管（IGFETIGFETInsulated Gate Field Effect TransistorInsula

22、ted Gate Field Effect Transistor）。 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 一一. . 结构及符号结构及符号 N N沟道管靠（单一载流子）电子导电，沟道管靠（单一载流子）电子导电，P P沟道管靠沟道管靠 （单一载流子）空穴导电。场效应管的栅极（单一载流子）空穴导电。场效应管的栅极G G、源极、源极S S 和漏极和漏极D D与三级管的基极与三级管的基极b b、发射极、发射极e e和集电极和集电极c c相对应。相对应。 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 二二. .工作原理工作原理（栅源电压（栅源电压U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用

23、）的控制作用） 以以N N沟道管为例。漏源之间的沟道管为例。漏源之间的PNPN结必须反偏。结必须反偏。 N N沟道结型场效应管加上反沟道结型场效应管加上反 偏的栅源电压偏的栅源电压U UGSGS (U (UGSGS0) 0) ， 在漏源之间加上漏源电压在漏源之间加上漏源电压 U UDSDS(U(UDSDS0)0)，便形成漏极电，便形成漏极电 流流I ID D。而且。而且U UGSGS可控制可控制I ID D。 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 二二. .工作原理工作原理（栅源电压（栅源电压U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用）的控制作用） 1.1.当当V VGSGS

24、=0=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，加上时，沟道最宽，沟道电阻最小，加上V VDSDS可形成最大的可形成最大的I ID D； 2.2.当当V VGSGS0 0时，沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐变大，时，沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐变大，I ID D逐渐减小；逐渐减小； 3.3.当当V VGSGS=V=VP P ( (夹断电压夹断电压) )时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，I ID D=0=0。 所以，栅源电压所以，栅源电压V VGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D有控制作用。有控制作用。 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 三三. JFET. JFET特性曲线

25、特性曲线 V VGSGS=0=0时时, ,随着随着V VDSDS的增大的增大, ,沟道变化情况如下沟道变化情况如下: : 加上加上V VGSGS，沟道会进一步变窄。，沟道会进一步变窄。 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 三三. JFET. JFET特性曲线特性曲线 1.1.转移特性曲线转移特性曲线 I ID D =f(=f( U UGSGS )|)|U UDSDS 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 三三. JFET. JFET特性曲线特性曲线 2.2.漏极特性曲线漏极特性曲线 变化变化V VGSGS, ,得到一族得到一族 特性曲线。分为可变特性曲线。分为可变 电阻区、恒流区、击

26、电阻区、恒流区、击 穿区三部分。穿区三部分。 JFETJFET管管 处于恒流状态时，有处于恒流状态时，有 I ID D= =g gm mV VGSGS I ID D =f(=f( U UDSDS )|)|U UGSGS 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 四四. JFET. JFET管工作过程小结管工作过程小结 N N沟道沟道JFET JFET 栅源电压栅源电压V VGSGS为为负值负值，漏源电压，漏源电压V VDSDS为为 正值正值（P P沟道沟道JFETJFET与之相反）。在栅源电压与之相反）。在栅源电压V VGSGS控制下，控制下， 漏极电流漏极电流I ID D随栅源电压而发生变化

27、。并且，随栅源电压而发生变化。并且，V VGSGS=0=0时，时， I ID D最大；最大；V VGSGS= = V VP P 时，时，I ID D=0=0。二者之间关系为：。二者之间关系为： I ID D= =g gm mV VGSGS （栅源间必须反偏）（栅源间必须反偏） 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 三三. JFET. JFET特性曲线特性曲线 3.3.转移转移输出特性关系输出特性关系 由输出特性曲线可得到转移特性曲线由输出特性曲线可得到转移特性曲线 1 .5 .1 结型场效应管结型场效应管 四四. JFET. JFET管工作过程小结管工作过程小结 N N沟道沟道JFET J

28、FET 栅源电压栅源电压V VGSGS为为负值负值，漏源电压，漏源电压V VDSDS为为 正值正值（P P沟道沟道JFETJFET与之相反）。在栅源电压与之相反）。在栅源电压V VGSGS控制下，控制下， 漏极电流漏极电流I ID D随栅源电压而发生变化。并且，随栅源电压而发生变化。并且，V VGSGS=0=0时，时， I ID D最大；最大；V VGSGS= = V VP P 时，时，I ID D=0=0。二者之间关系为：。二者之间关系为： I ID D= =g gm mV VGSGS （栅源间必须反偏）（栅源间必须反偏） 1 .5 .2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻 更高。广泛运用的是金属更高。广泛运用的是金属氧化物氧化物半导体场效应半导体场效应 管管MOSFETMOSFET（MetalMetalOxideOxideSemicondoctor type Semicondoctor type Field Effect TransistorField Effect Transistor），简计为），简计为MOSMOS管。管。分为分为 增强型增强型MOSMOS管和耗尽型管和耗尽型MOSMOS管两类管两类 ，每类又有，每类又有N N沟道沟道 和和P