模电01半导体

1、二零一三年八月1、绪论2、3、二极管的伏安特性授课日期：2013.08.26第一周 周三 3-4节0.1 电信号0.2 电子信号系统0.3 模拟电子技术基础课程第0章绪论绪论 本课程是入门性质的本课程是入门性质的专业专业技术基础课技术基础课 一、电子技术的发展一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上很大程度上反映在元器件的发展上 :u1947年年 贝尔实验室制成第一只晶体管贝尔实验室制成第一只晶体管u1958年年 集成电路集成电路u1969年年 大规模集成电路大规模集成电路u1975年年 超大规模集成电路超大规模集成电路 第一片集成电路只有第一片集成电路只有4个晶体管，而个晶体管，而

2、1997年一片集成电路中有年一片集成电路中有40亿个晶体管。亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按有科学家预测，集成度还将按10倍倍/6年的速度增长，到年的速度增长，到2015或或2020年达到饱和。年达到饱和。中国首批碳化硅半导体外延晶片投产中国首批碳化硅半导体外延晶片投产 F22广泛使用广泛使用2012年年04月月19日日 09:21来源：来源：中国质量报中国质量报 第三代新型半导体材料第三代新型半导体材料碳化硅半导体碳化硅半导体 学习电子技术方面的课程需时刻关注学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！电子技术的发展！ 碳化硅是当前国际上最先进的第三代新型半导体材料，国内目前主要处

3、于研碳化硅是当前国际上最先进的第三代新型半导体材料，国内目前主要处于研发阶段。与传统硅器件相比，碳化硅电力芯片减少能耗发阶段。与传统硅器件相比，碳化硅电力芯片减少能耗75%，大幅降低各项设备，大幅降低各项设备系统的整体成本并提高系统可靠性。碳化硅可广泛应用于国民经济的各个领域，系统的整体成本并提高系统可靠性。碳化硅可广泛应用于国民经济的各个领域，如光伏发电、风力发电、高效电动机、混合和纯电动如光伏发电、风力发电、高效电动机、混合和纯电动汽车汽车、高速列车、智能电网、高速列车、智能电网等。此外，美国在等。此外，美国在F-22战斗机等多种先进武器中也广泛使用碳化硅半导体。战斗机等多种先进武器中也广

4、泛使用碳化硅半导体。第三代新型半导体材料第三代新型半导体材料碳化硅半导体碳化硅半导体学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！绪论绪论 本课程是入门性质的本课程是入门性质的专业专业技术基础课技术基础课 一、电子技术的发展一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上很大程度上反映在元器件的发展上 :忆阻器取代晶体管引全球技术竞赛忆阻器取代晶体管引全球技术竞赛 中国严重落后中国严重落后未来新型取代晶体管新技术未来新型取代晶体管新技术忆阻器忆阻器 忆阻器又名记忆电阻，是一种被动电子元件，忆阻器被认为是电路的第四忆阻器又名记忆电阻，是一种被动

5、电子元件，忆阻器被认为是电路的第四种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元件。种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元件。忆阻器在关掉电源后，仍能忆阻器在关掉电源后，仍能“记忆记忆”通过的电荷。通过的电荷。(1-6)(1-6) 忆阻器又名记忆电阻，是一种被动电忆阻器又名记忆电阻，是一种被动电子元件，忆阻器被认为是电路的第四种基子元件，忆阻器被认为是电路的第四种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元件。忆阻器在关掉电源后，仍能件。忆阻器在关掉电源后，仍能“记忆记忆”通通过的电荷过的电荷。忆阻器的未来忆阻器的未来未来新型取代晶体管新技术未来新型取代晶体管新技术忆

6、阻器忆阻器 目前的技术每个电线间的开关大约是目前的技术每个电线间的开关大约是 3nm x 3nm 大，开关切换的时间约在大，开关切换的时间约在 1ns 左右，整体的运作速度约是左右，整体的运作速度约是 DRAM 的的 1/10 - 还不足以取代还不足以取代 DRAM，但是靠着，但是靠着 1 cm 100 gigabit， 1cm 1 petabit（别忘（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的干掉闪存是绰绰有余的。 HP 关于忆阻器的发现在关于忆阻器的发现在 2008 年时发表于年时发表于自然期刊，自然期刊，2009 年证明了年证明了 Cr

7、oss Latch 的的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。 很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自已实时调整自已的状态来符合运进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自已实时调整自已的状态来符合运算需求的可能性。这点，再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电算需求的可能性。这点，再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电路将可同时共存，而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，路将可同时共存，而且随需

8、要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，可以朝这条路发展下去的话，或许代表着新一代的智慧机器人的诞生。可以朝这条路发展下去的话，或许代表着新一代的智慧机器人的诞生。一、电子技术的发展一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上很大程度上反映在元器件的发展上 :(1-7)电信号是指随时间而变化的电压电信号是指随时间而变化的电压u或电流或电流i ，记作，记作u=f(t) 或或i=f(t) 。2. 2. 电信号电信号 由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，因此电信号成为应用最为广泛的信号。因此电信号

9、成为应用最为广泛的信号。二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路1. 1. 信号：是反映信息的物理量信号：是反映信息的物理量信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。 如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是信息的表现如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是信息的表现形式。形式。3. 电子电路中信号的分类电子电路中信号的分类 模拟信号模拟信号 对应任意时间值对应任意时间值t 均有确定的函数值均有确定的函数值u或或i，并且并且u或或 i 的幅值是连续取值的，即在时间的幅值是连续取值的，即在时

10、间和数值上均具有连续性。和数值上均具有连续性。数字信号数字信号 在时间和数值上均具有离散性，在时间和数值上均具有离散性，u或或 i 的变的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义。值小于最小量值时信号将毫无意义。 大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。 温度传感温度传感（输入（输入）信号放大信号放大信号滤波信号滤波控制执行控制执行（输出）（输出）功率放大功率放大数模转换数模转换数字逻辑数字逻辑电路电路模

11、数转换模数转换恒温恒温装置装置模拟小信号电路模拟小信号电路数字电路数字电路非电子物非电子物理系统理系统模拟大信模拟大信号电路号电路电子系统电子系统4. 电子系统的组成框图电子系统的组成框图1. 输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口2. 小信号放大电路：小信号放大电路：放大信号到所要求的电平放大信号到所要求的电平3. 滤波电路滤波电路：对信号的时域或频域特性加以改变：对信号的时域或频域特性加以改变4. 数字与模拟接口电路：包括模数转换和数模转换数字与模拟接口电路：包括模数转换和数模转换5. 数字逻辑电路：数字信号的处理电路数字逻辑电路：数字信号的处理电

12、路6. 功率放大电路：功率放大电路：放大信号到所要求的功率放大信号到所要求的功率7. 信号产生电路信号产生电路：产生必要的波形：产生必要的波形主要单元主要单元电路有：电路有：8.电源电路：电源电路：提供电子系统的能源供应提供电子系统的能源供应5. 电子系统的根本作用电子系统的根本作用 电子系统的根本作用是完成对信号的各种处理与变换电子系统的根本作用是完成对信号的各种处理与变换 传感器：传感器： 物理量的测量和信号的采集物理量的测量和信号的采集 放大器：放大器： 微弱信号波形的放大微弱信号波形的放大 滤波器：滤波器： 无关信号和噪声的滤除无关信号和噪声的滤除 模数转换：模数转换： 模拟信号变为数

13、字信号模拟信号变为数字信号 数字逻辑电路：数字信号的电路处理数字逻辑电路：数字信号的电路处理 数模转换：数模转换： 数字信号还原为模拟信号数字信号还原为模拟信号 功率放大：功率放大： 放大信号功率放大信号功率1. 输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口2. 小信号放大电路：小信号放大电路：放大信号到所要求的电平放大信号到所要求的电平3. 滤波电路滤波电路：对信号的时域或频域特性加以改变：对信号的时域或频域特性加以改变4. 数字与模拟接口电路：包括模数转换和数模转换数字与模拟接口电路：包括模数转换和数模转换5. 数字逻辑电路：数字信号的处理电路数字逻辑电

14、路：数字信号的处理电路6. 功率放大电路：功率放大电路：放大信号到所要求的功率放大信号到所要求的功率7. 信号产生电路信号产生电路：产生必要的波形：产生必要的波形主要单元主要单元电路有：电路有：8.电源电路：电源电路：提供电子系统的能源供应提供电子系统的能源供应(1-10)6. 模拟电路模拟电路 模拟电路：模拟电路：对模拟量进行处理的电路。对模拟量进行处理的电路。 最基本的处理是对信号的放大。最基本的处理是对信号的放大。 放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。关系。 有源元件：能够控制能量的元件。有

15、源元件：能够控制能量的元件。二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路7. “模拟电子技术基础模拟电子技术基础” 课程的内容课程的内容 半导体器件。半导体器件。 处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能：各种放大电路、运算电路、处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能：各种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、电源电路等等。滤波电路、信号发生电路、电源电路等等。 模拟电路的分析方法。模拟电路的分析方法。 不同的电子电路在电子系统中的作用。不同的电子电路在电子系统中的作用。 传感器：传感器： 物理量的测量和信号的采集物理量的测量和信号的采集 放大器：放大器： 微弱信号波形的放大微弱信号波

16、形的放大 滤波器：滤波器： 无关信号和噪声的滤除无关信号和噪声的滤除 模数转换：模数转换： 模拟信号变为数字信号模拟信号变为数字信号 数字逻辑电路：数字信号的电路处理数字逻辑电路：数字信号的电路处理 数模转换：数模转换： 数字信号还原为模拟信号数字信号还原为模拟信号 功率放大：功率放大： 放大信号功率放大信号功率4 场效应管放大电路场效应管放大电路 2 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路1 绪论绪论 3 半导体三极管及放大电路基础半导体三极管及放大电路基础5 功率放大电路功率放大电路6 集成电路运算放大器集成电路运算放大器7 反馈放大电路反馈放大电路8 信号的运算与处理电路信号的

17、运算与处理电路9 信号产生电路信号产生电路 10 直流稳压电源直流稳压电源 7. “模拟电子技术基础模拟电子技术基础” 课程的内容课程的内容(1-12)三、三、“模拟电子技术基础模拟电子技术基础”课程的特点课程的特点 1、工程性工程性 实际工程需要证明其可行性。实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。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。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。 电子电路的定量分析称为电子电路的定量分析称为“估算估算”。 近似分析要近似分析要“合理合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。

18、 电子电路归根结底是电子电路归根结底是电路电路。 估算不同的参数需采用不同的模型，可用电路的估算不同的参数需采用不同的模型，可用电路的基本理论基本理论分析电子电分析电子电路。路。2、 实践性实践性 实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法：目标，因而要掌握以下方法： 常用电子仪器的使用方法常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法故障的判断与排除方法 EDA软件的模拟仿真应用方法软件的模拟仿真应用方法KCLKVLVCR叠加原理叠加原理等效电源定理等效电源定理二端口网络二端

19、口网络10准则准则(1-13)四、如何学习这门课程四、如何学习这门课程1. 掌握掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，概念是不变的，应用是灵活的， “万变不离其宗万变不离其宗”。 基本电路：基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。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：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。不同的分析方法。2. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题学会辩证、全面地分析电子电路中的问题

20、 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。根据需求，最适用的电路才是最好的电路。 要研究利弊关系，通常要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊有一利必有一弊”。3. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用注意电路中常用定理在电子电路中的应用五、课程的目的五、课程的目的1. 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。掌握基本概念、基本电路、基本分析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。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

21、，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。习电子技术及其在专业中的应用打下基础。 建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。六、六、 电子技术的课程体系电子技术的课程体系理论基础：电路理论、信号与线性系统同步课程：数字电子技术（数字电路与逻辑设计）后续课程：微机原理（计算机类课程）、高频电路（通信类课程）等模拟电子技术和数字电子技术是

22、电子信息类各专业的重要的技术基础课程，模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技术基础课程，对于继续学习有关专业课程（通信类、计算机类、控制类、测量类、对于继续学习有关专业课程（通信类、计算机类、控制类、测量类、电力电力电子类电子类）有着重要的影响。）有着重要的影响。1. 注意系统与电路、电路与器件的关系；注意系统与电路、电路与器件的关系；以路为主以路为主2. 注意分析与综合的关系；注意分析与综合的关系；在弄懂基本原理和掌握基本分析方在弄懂基本原理和掌握基本分析方法上下功夫法上下功夫 注重物理概念；注重物理概念； 对课后习题予以充分重视，独立完成；对课后习题予以充分重视，独立完成；

23、 充分利用实验来消化、理解课程的理论内容；充分利用实验来消化、理解课程的理论内容； 借助借助Pspice程序或其它程序或其它EDA软件进行仿真实验；软件进行仿真实验；3.注意注意工程上简化分析的条件与处理方法；工程上简化分析的条件与处理方法； 10准则准则4. 注意理论与实践相结合：注意理论与实践相结合：5. 至少至少 有一本课程参考书有一本课程参考书1.1 半导体的特性1.2 半导体二极管第1章1.3 双极结型三极管1.4 场效应三极管*1.5 单结晶管和晶闸管*1.6 集成电路中的元件(1-17)第第1章章常用电路元件常用电路元件:电阻元件电阻元件电容元件电容元件电感元件电感元件电源元件电

24、源元件1. 正向导通，反向截止；正向导通，反向截止；2. 有导通压降，反向微电流，反向击穿；有导通压降，反向微电流，反向击穿；3. 导电参数易受温度影响。导电参数易受温度影响。小功率二极管小功率二极管大功率二极管大功率二极管 发光二极管发光二极管电子元器件电子元器件 完全纯净完全纯净的具有晶体的具有晶体结构的半导结构的半导体称为体称为本征本征半导体半导体 。它它具有共价键具有共价键结构。结构。 硅原子硅原子1.1 价价电电子子第第1章章19 在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子载流子。它们成对出现，成对消失。在常温下在常温下受光照和温升作用，受光照和温升作用，自

25、由电子和空穴的形成自由电子和空穴的形成复合自由电子自由电子本征本征激发激发电子空穴电子电子电子空穴电子电子电子电子电子空穴空穴20原理图P自由电子自由电子结构图结构图磷原子磷原子正离子正离子P+ 在硅或锗在硅或锗中掺入少量中掺入少量的五价元素，的五价元素，如磷或砷、如磷或砷、锑，则形成锑，则形成N型半导体型半导体。多余价电子多余价电子电子电子少子少子多子多子正离子正离子在在N N型半导体中，电子是多子，空穴是少子型半导体中，电子是多子，空穴是少子 N N 型半导体型半导体电子空穴21P P型半导体型半导体 在硅或锗在硅或锗中掺入三价中掺入三价元素，如硼元素，如硼或铝、镓，或铝、镓，则形成则形成

26、 P P 型型半导体。半导体。原理图原理图BB- 硼原子硼原子负离子负离子空穴空穴填补空位填补空位结构图结构图在在 P 型半导体中，空穴是多子，电子是少子。型半导体中，空穴是多子，电子是少子。空穴电子电子电子电子电子多子多子少子少子负离子负离子 电子空穴 用专门的制用专门的制造工艺在同一造工艺在同一块半导体单晶块半导体单晶上，形成上，形成P P型半型半导体区域和导体区域和N N型型半导体区域，半导体区域，在这两个区域在这两个区域的交界处就形的交界处就形成一个成一个PNPN结结 。P 区区N N 区区P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合N区的电子向区的电子向P区扩散并与空

27、穴复合区扩散并与空穴复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向 3电子空穴扩散运动扩散运动由于浓度差而产生的运动。由于浓度差而产生的运动。Uho23空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向 在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡动态平衡。P区区N区区多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移电子空穴电子空穴Uho漂移运动漂移运动在电场力作用下，载流子的运动。在电场力作用下，载流子的运动。24 在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。度基本上稳定。内电场阻挡多子的扩散运

28、动，推动少子的漂移运动。内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向PN多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移结结 论论 ：在在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。电子空穴Uho25P区区N区区内电场内电场外电场外电场EI空间电荷区变窄空间电荷区变窄 P P区的空穴进入空间电荷区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和区和一部分负离子中和 N N区电子进入空间电荷区电子进入空间电荷 区和一部分正区和一部分正 离子中和离子中和扩散运动增强，形成较大的正向电流。扩散运动增强，形成较大的正向电流。外加正向电压外

29、加正向电压加正向电压时，加正向电压时，PNPN结电阻很低，正向电流较大。（结电阻很低，正向电流较大。（PNPN结处于结处于导通导通状态）状态）+正向偏置（正偏）正向偏置（正偏）26外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走空间电荷区变宽空间电荷区变宽 内电场内电场外电场外电场少子越过少子越过PN结形成结形成很小的反向电流很小的反向电流ISE 外加反向电压外加反向电压N区区P区区PN结具有结具有单向单向导电性导电性加正向电压时，加正向电压时，PNPN结电阻很低，正向电流较大。（结电阻很低，正向电流较大。（PNPN结处于结处于导通导通状态）状态） 加反

30、向电压时，加反向电压时，PNPN结电阻很高，反向电流很小。（结电阻很高，反向电流很小。（PNPN结结截止截止）PN结具有电容效应（结电容）结具有电容效应（结电容）结电荷量随结电压的变化而改变。结电荷量随结电压的变化而改变。+反向偏置（反偏）反向偏置（反偏）271.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 表示符号表示符号 面接触型面接触型点接触型点接触型引线引线触丝触丝外壳外壳N N型锗片型锗片N型硅型硅阳极引线阳极引线PNPN结结阴极引线阴极引线金锑合金金锑合金底座底座铝合金小球铝合金小球阴极阳极D28小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管 发光发光二极管二极管i

31、uR 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 线性电阻的伏安特性线性电阻的伏安特性即是欧姆定律即是欧姆定律1.2.21.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性-80-40OU/VI/mA604020-50-250.40.8正向正向反向反向击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)硅管的 伏安特性I/A-20-40-250.40.2-5010O155I/mAU/V锗管的伏安特性I/A死区死区电压电压死区电压：硅管约为死区电压：硅管约为：0.5V,锗锗管约为管约为：0.1V。导通时的正向压降：硅管约导通时的正向压降：硅管约为为:0.6V0.8V,锗管约为锗管约为:0.1V0.3V。常温下，反

32、向饱和电流很小常温下，反向饱和电流很小. .当当PNPN结温度升高时，反向电流明结温度升高时，反向电流明显增加显增加。注 意:P6C020C080参表参表1.2.1二极管二极管电流方程：电流方程：)1( TUuSeII式（式（1.2.1）讲讲xt1-2, p34200C时时:A A 800C时时:31-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向正向反向反向击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)I/AU/VP201周周2,5-6节节PN结具有电容效应（结电容）结具有电容效应（结电容）结电荷量随结电压的变化而改变。结电荷量随结电压的变化而改变。 1.2.4 二极管的等效电路及

33、其分析方法二极管的等效电路及其分析方法) 1(DSD TUUeIi2. 二极管二极管V- I 特性的建模特性的建模1. 含非线性元件的电路一般分析方法含非线性元件的电路一般分析方法数学模型方法数学模型方法图解分析方法图解分析方法模型简化方法折线化简化模型模型简化方法折线化简化模型小信号线性化方法小信号线性化方法其本质是对非线性元件伏安特性的模型再构建其本质是对非线性元件伏安特性的模型再构建设有如右图含二极管的非线性设有如右图含二极管的非线性电路，电路分析要解出电路，电路分析要解出iD 和和UD (1) 采用数学模型方法，采用数学模型方法，DUV DDRUVi （2）应用图解分析方法）应用图解分

34、析方法需解非线性方程需解非线性方程据：据：iD=(V-UD)/R当当UD 0 时时 iD=V/ R当当iD 0 时时 UD =V则在两线的交叉点上为所求则在两线的交叉点上为所求 因为加有正向电压，所以在二极管因为加有正向电压，所以在二极管的正向伏安特性上作直流负载线的正向伏安特性上作直流负载线IUOVRVUQIQQ工作点工作点Q二极管的静态电阻二极管的静态电阻: :QQDIUR 讲讲xt1-3, p341周周3,1-2节节33IUQU0NOPU = Uth + rD I(3)(3)应用折线化简化模型方法应用折线化简化模型方法a）折线模型）折线模型正向导通时端电压正向导通时端电压U与电流与电流I

35、成线性关系成线性关系+UthrDb b）恒压降模型）恒压降模型 正向导通时端电压正向导通时端电压U为常量为常量P21+UONU = UONc c）理想模型）理想模型等效为理想二极管等效为理想二极管U = 0阴极阳极D二极管符号二极管符号 理想二极管符号理想二极管符号 UON UthUthUON = 0UON 0 UBCVBVE UBE0即即 VCVB 1BCII 通常通常 为电流放大系数，为电流放大系数，与管子的结构尺与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，寸和掺杂浓度有关，一般一般 = 0.9 0.99ECNII 由由和和所以所以共基交流电流放大系数共基交流电流放大系数 共基直流电流放大系数共基直流

36、电流放大系数 ECNII CBOECIII (1.3.2)BE)1 (II BBII)1( 由由BC II ECII )1( ) (1 ECii -1 1 或或(1.3.6)共基放大电路共基放大电路ECII CBO CBO CBO，有有故故忽忽略略由由于于III (1.3.4)(1.3.13)(1.3.14)CBCiii BCBBC/ )(/iiiii 58OIC = f (UCE )IB 减小减小IB增加增加UCE /VIC /mAIB = 20AIB =60AIB =40AIEIBRBUBICUCCRC- - -UBEUCEIB = 常数常数UCE1VUBE/VIB/AOUCE=0IB =

37、 f (UBE)UC E = 常数常数Bi Ci BCii 1.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线讲仿真三，讲仿真三，p31323周周2,5-6节节593.晶体管输出特性曲线分三个工作区晶体管输出特性曲线分三个工作区UCE /VIC / mA806040 0 IB= 20 AO24681234截止区截止区饱饱和和区区放大区放大区发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用, IC=IB输出曲线具有恒流特性CEB+-+发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用, IC0晶体管C、E之间相当于开路CEB+-+发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路CEB+-+3周周3,1-2节节60

38、 1. 1.3.43.4三极管的主要参数三极管的主要参数集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流 ICBO集电极发射极间穿透电流集电极发射极间穿透电流 ICEOICEO=(1+)ICBO共射共射交流交流电流放大系数电流放大系数 =IC / IB共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 =IC / IBICEOCBEAAICBOCEB60集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM集集- -射反向击穿电压射反向击穿电压 U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCMPCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO注意：受温度注意：受温度影响时，各参影响

39、时，各参数的变化趋势！数的变化趋势！例例1现测得放大电路中两三极管两只脚的电流现测得放大电路中两三极管两只脚的电流, 求另一只脚的电流与求另一只脚的电流与；画出管子符号。画出管子符号。与与电流值近似相等；电流值近似相等； 与与1mA10A例例2B极极据题意知：管子工作在放大区据题意知：管子工作在放大区5.1mA100A解解=1.01mAB极极据据 BE)1 (II BC II E极极C极极NPN管管BCII 100 E极极C极极=5mABCII 50 现测得现测得放大电路中放大电路中三极管三只脚的直流电位三极管三只脚的直流电位, 试判断管子的管型与管脚。试判断管子的管型与管脚。3.7V3V12

40、VNPN: VCVBVE 即即 UBE0 PNP: VCVBVE 即即 UBE0 解解 Si管：管：UBE=0.60.7V Ce管：管：UBE=0.20.3V 15V14.8V12V据题意知：管子工作在放大区据题意知：管子工作在放大区B极极E极极C极极NPN型型Si管管B极极E极极C极极PNNPNNPPNP型型Ce管管T1.8PNP管管3周周4,1-2节节例例3解解现测得现测得在电路中在电路中各三极管三只脚的直流电位各三极管三只脚的直流电位, 试回答下列问题：试回答下列问题： （1）判断管子的管型与管材）判断管子的管型与管材?（2）判断管子处何种工作状态？或有何损坏？）判断管子处何种工作状态？

41、或有何损坏？2.7V2V8VB极极E极极C极极NPN型型Si管管PNN-0.3V0V-5V工作在放大区工作在放大区3V0V12V3.7V3V3.3V3V2V0V 正偏正偏 反偏反偏PN 正偏正偏PE极极C极极 反偏反偏PNP型型Ce管管在放大区在放大区NPE极极B极极 开路开路PC极极PNP型型已损坏已损坏 发射极开路发射极开路B极极E极极PN 正偏正偏C极极N 正偏正偏NPN型型Si管管在饱和区在饱和区PN E极极B极极反偏反偏PNP型型PC极极在截止区在截止区B极极 反偏反偏3周周3,3-4节节 电路如图所示，晶体管导通时电路如图所示，晶体管导通时UBC=0.7V，=100, 饱和管压降饱

42、和管压降UCES=0.4V， 稳压管的稳压稳压管的稳压UZ=4V，正向导通，正向导通电压电压UD=0.7V，稳定电流，稳定电流IZ=(525)mA，试分析，试分析uI为为0V、1.5V、2.5V三种情况下的工作状态和输出电压三种情况下的工作状态和输出电压uO的值。的值。例例4解解 （1） uI=0V时，时， uBE=0V UBC=0.7V，T处截止区，处截止区，C极极E极之间处开路，极之间处开路，假设假设UCE=UZIC（2） uI=1.5V时，时，假设假设T工作在放大区，工作在放大区， uBC=UBC=0.7V，mARUVIIcZCCCDZ81000412 TVCCRb+uO uICEBRc

43、 k1 k10+12VDZIBDZ的电流：的电流：符合电流稳压条件符合电流稳压条件:IZmin IZ IZmax假设成立假设成立, 故故uO=UZ=4V。mAARUuIbBEIB08. 010107 . 05 . 13 mAmAIIBC808. 0100 VRIVUCCCCCE4812)101()1008. 0(1233 VVC4 集电极处反偏，假设成立。集电极处反偏，假设成立。VUuCEO4 （3） uI=2.5V时，时， 假设假设T工作在放大区，工作在放大区， uBC=UBC=0.7V， 电路如图所示，晶体管导通时电路如图所示，晶体管导通时UBC=0.7V，=100, 饱和管压降饱和管压降

44、UCES=0.4V， 稳压管的稳压稳压管的稳压UZ=4V，正向导通，正向导通电压电压UD=0.7V，稳定电流，稳定电流IZ=(525)mA，试分析，试分析uI为为0V、1.5V、2.5V三种情况下的工作状态和输出电压三种情况下的工作状态和输出电压uO的值。的值。例例4解解IC（2） uI=1.5V时，时， 假设假设T工作在放大区，工作在放大区， uBC=0.7V，TVCCRb+uO uICEBRc k1 k10+12VDZIBmARUuIbBEIB08. 0 mAIIBC8 VRIVUCCCCCE4812 集电极处反偏，假设成立。集电极处反偏，假设成立。VUuCEO4 （3） uI=2.5V时

45、，时， 假设假设T工作在放大区，工作在放大区， uBC=UBC=0.7V，mAARUuIbBEIB18. 010107 . 05 . 23 mAmAIIBC1818. 0100 VRIVUCCCCCE61812)101()1018. 0(1233 在在+Vcc供电下供电下UCE不可能不可能UGS（off）UGS（off） uGS =0,且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增增大大。 VDD的增大，的增大，几乎全部用来几乎全部用来克服沟道的电克服沟道的电阻，阻，iD几乎不变，几乎不变，进入恒流区，进入恒流区，iD几乎仅仅决定几乎仅仅决定于于uGS。uGDUGS（off）预夹断预夹断 场效应管工

46、场效应管工作在恒流区的作在恒流区的条件是什么？条件是什么？PP在在g-s 加反向电压加反向电压反向电压反向电压夹断电压夹断电压P20uDS=0常量DS)(GSDUufi2、输出特性输出特性场效应管工作在恒流区，场效应管工作在恒流区，uDS uGS - UGS（off） 即即uGDUGS（off）。2GS(off)GSDSSD)1( :UuIi 在恒流区时在恒流区时 为什么必须用转移特性描述为什么必须用转移特性描述uGS对对iD的控制作用？的控制作用？3、转移特性、转移特性常量DSGSDmUuig 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：夹夹断断

47、电电压压漏极饱漏极饱和电流和电流UGS（off）-4 -3 -2 -1 0UDS = 常数常数P23(1.4.3)电导电导的基本单位的基本单位 是西门子（是西门子（S）Dq7-1,7z1,5-6击击穿穿区区(1-70)可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD246810g-s电压控制电压控制d-s的等效电阻的等效电阻预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。法得到相

48、应的转移特性。UDS = 常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图图 1.4.5在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性常量DS)(GSDUufi3、转移特性、转移特性P2472P P沟道沟

49、道增强型增强型耗尽型耗尽型N N沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型1.4.2 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管基本结构和工作原理基本结构和工作原理BG G栅极栅极D D漏极漏极SiO2P P型硅衬底型硅衬底S S源极源极(N沟道增强型结构示意图沟道增强型结构示意图)N+N+P2473a) a) UGS =0SiO2绝缘层绝缘层高掺杂高掺杂衬底引线衬底引线BUDSID = 0GDSP型硅衬底型硅衬底SiO2N+N+耗尽层耗尽层(1)栅源电压对导电沟道的控制作用栅源电压对导电沟道的控制作用 D D与与S S之间是两个之间是两个PNPN结反向串结反向串联，无论联，无论D D与与S S之间加什么极性

50、的之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。电压，漏极电流均接近于零。P2474b) 0 UGS UGS(th) 栅极下栅极下P P型半导体表型半导体表面形成面形成N N型导电沟道。型导电沟道。 当当D D、S S加上正向电压加上正向电压后可产生漏极电流后可产生漏极电流I ID D 。 N+N+SiO2GDS耗尽层耗尽层BP P型硅衬底型硅衬底UGSN型导电沟道IDUDS uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个变长。当反型层将两个N区相接时，形成区相接时，形成导电沟道。导电沟道。反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启开启电压开启电压P25(

51、1-76)（2）增强型）增强型MOS管管uDS对对iD的影响的影响 用场效应管组成用场效应管组成放大电路时应使之放大电路时应使之工作在恒流区。工作在恒流区。N沟沟道增强型道增强型MOS管工管工作在恒流区的条件作在恒流区的条件是什么？是什么？刚出现夹断刚出现夹断 iD随随uDS的增大而增大，的增大而增大，可变电阻区可变电阻区 uGDUGS（th）, 预夹断预夹断 iD几乎仅仅受控于几乎仅仅受控于uGS，恒流区恒流区 uDS的增大几乎全的增大几乎全部用来克服夹断区部用来克服夹断区的电阻。的电阻。2. 特性曲线特性曲线输输出出特特性性转转移移特特性性P27dq5-6,7z3,7-8增强型增强型NMO

52、S管管2. 特性曲线特性曲线2GS(th)GSDOD)1( UuIi(1.4.4)iD 与与 uGS 的近似关系式的近似关系式uGS 0iDUGS（th）增强型增强型PMOS管管截止区截止区恒流区恒流区可变电可变电阻区阻区2UGS（th）ID0在恒流区时，在恒流区时，DGS(th)GSDO2iUuI时时的的为为 P27播动画播动画4.1 JFET工作工作原理原理dq3-4,7z5,1-278 UGS愈大，导电沟道愈厚愈大，导电沟道愈厚, ,在在U UDSDS电压作用下电压作用下, ,电流电流I ID D愈大。愈大。即通过改变电压即通过改变电压U UGSGS的大小可以改变漏极电流的大小可以改变漏

53、极电流I ID D的大小。的大小。 随着栅极电压随着栅极电压U UGSGS的增加，导电沟道不断增加的场效管称为的增加，导电沟道不断增加的场效管称为增强型场效应管。增强型场效应管。 场效应管只有一种载流子参与导电场效应管只有一种载流子参与导电, ,故称为单极型晶体管。故称为单极型晶体管。普通晶体管中空穴和电子两种载流子参与导电称为双极型晶体管。普通晶体管中空穴和电子两种载流子参与导电称为双极型晶体管。(1-79)3.耗尽型耗尽型MOS管管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结时均可导通，且与结型场效应管不同，由于型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存

54、在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻间电阻非常大的特点。非常大的特点。加正离子加正离子uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道（1）结构特点）结构特点可变电阻区可变电阻区 线性放大区线性放大区输出特性输出特性转移特性转移特性 0uDS/v10201234iD / mAUGS = 0 VUGS = -1 VUGS = -2 VUGS = 1 V截止区截止区UDS = 10 V小到一定小到一定值才夹断值才夹断N沟道耗尽型MOS管的特性曲线UGS = -3 V5iD/mA0uGS/V-212-3-11354IDSSdq1-2,7z5,3-4(1-80)dq1-2,7z5,3-

55、4(1-81)MOS管的特性管的特性1)N沟增强型沟增强型MOS管管2) N沟耗尽型沟耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压2GS(th)GSDOD)1( UuIi(1.4.4)iD 与与 uGS 的近似关系式的近似关系式在恒流区时，在恒流区时，DGS(th)GSDO2iUuI时时的的为为 结型结型N沟沟道道MOS耗耗尽尽型型N沟沟道道P沟沟道道P28场场效效应应管管的的符符号号及及特特性性增增强强型型P沟沟道道MOS耗耗尽尽型型增增强强型型831.4.3场效应管的场效应管的主要参数夹断电压夹断电压UGS(off)：是耗尽型场效应管当ID为一微小电流时的栅源电压。*最大漏源击穿电压最大漏源击穿电压U(BR)DS: :漏极和源极之间的击穿电压。*最大漏极电流最大漏极电流IDM，最大耗散功率，最大耗散功率PDM 。*低频跨导低频跨导gm：在UDS为某一固定值时，漏极电流的微小变化和相应的栅源输入电压变化量之比。*栅源直流输入电阻栅源直流输入电阻RGS：栅源电压和栅极电流的比值。*开启电压开启电压UGS(th)：是增强