模拟电子电路及技术基础第四章

1、第四章 常用半导体器件原理 4.1 基本要求及重点、 难点4.2 习题类型分析及例题精解4.3 习题解答 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理 第四章 常用半导体器件原理 1. 基本要求基本要求(1) 理解本征半导体、 P型和N型半导体以及漂移电流和扩散电流等基本概念。 (2) 掌握PN结的工作原理、 单向导电性、 击穿特性和电容特性等基本知识。 (3) 掌握晶体二极管的伏安特性、 常用参数、 温度特性， 能够应用简化模型对二极管基本应用电路(包括整流、 限幅、 电平选择和峰值检波电路)进行分析和计算。 4.1 基本要求及重点、基本要求及重点、 难点难点 第四章 常用半导体器件原

2、理 (4) 掌握稳压二极管特性及其应用电路的分析、 计算， 掌握包含二极管、 稳压管和运放的电路(包括精密整流电路、 输出限幅比较器、 输出限幅且占空比可调的弛张振荡器等电路)的分析和计算。 (5) 掌握双极型晶体三极管的工作原理、 共射输出特性和输入特性曲线及主要参数， 熟练掌握直流偏置下晶体管的工作状态分析、 计算以及各种晶体管应用电路(包括对数、 反对数、 值测量、 恒流源电路)的分析和计算。 (6) 掌握JFET和MOSFET的工作原理、 输出特性和转移特性曲线及主要参数， 熟练掌握直流偏置下FET的工作状态分析、 计算以及各种FET应用电路(包括方波、 锯齿波发生器， 取样/保持电路

3、， 相敏检波电路)的分析和计算。(7) 了解双极型晶体管和场效应管的性能及参数比较。 第四章 常用半导体器件原理 2. 重点、重点、 难点难点重点： PN结工作原理， 晶体二极管应用电路及晶体三极管和场效应管的工作原理、 特性曲线、 主要参数及其应用电路的分析和计算。难点： 本章概念较多， 晶体三极管尤其是场效应管的工作原理、 特性曲线及其应用电路的分析和计算较难掌握， 教学中应密切联系应用背景， 引起学生的学习兴趣。 第四章 常用半导体器件原理 1.半导体物理基础和半导体物理基础和PN结结作为原理基础篇的开始， 本章涉及到许多新的概念， 原理描述较多， 引入了不少专有名词。 应用时应该注意概

4、念准确， 原理描述简洁， 专有名词拼写正确。 同时， 本章相对和相似的内容较多， 如N型半导体和P型半导体， NPN型晶体管和PNP型晶体管， 三种N沟道场效应管和三种P沟道场效应管， 等等， 学习时应该注意区分， 避免混淆。 4.2 习题类型分析及例题精解习题类型分析及例题精解 第四章 常用半导体器件原理 【例4-1】 半导体中载流子通过什么物理过程产生？ 半导体电流与哪些因素有关？答 本征半导体中的载流子通过本征激发产生。 杂质半导体中， 多子的绝大部分由掺杂产生， 极少部分由本征激发产生； 少子则单纯由本征激发产生。半导体电流分为漂移电流和扩散电流。 漂移电流与电场强度、 载流子的浓度和

5、迁移率有关， 扩散电流与载流子沿电流方向单位距离的浓度差即浓度梯度有关。 第四章 常用半导体器件原理 2. 二极管和稳压二极管二极管和稳压二极管1) 二极管的直流电阻和交流电阻二极管的直流电阻利用其两端的直流电压和其中的直流电流直接计算， 也可以利用伏安特性曲线通过图解法得到。 图解法求交流电阻误差很大， 一般利用热电压和直流电流计算， 不加说明时， 热电压取26 mV。 【例4-2】 二极管的伏安特性如图4-1所示， 计算直流静态工作点Q处的直流电阻RD和交流电阻rD。第四章 常用半导体器件原理 图4-1 例4-2特性曲线第四章 常用半导体器件原理 解 Q处直流电压UDQ=0.7 V, 直流

6、电流IDQ=2.5 mA， 则直流电阻交流电阻2802.5mA0.7VDDDQQIUR4 .102.5mA26mVDTDQIUr第四章 常用半导体器件原理 2) 二极管的管压降和电流二极管中的电流即其所在支路的电流， 如果电流已知， 则可以利用外电路的电压分布间接计算管压降， 反之， 可以利用已知的管压降从外电路计算二极管中的电流。 如果可以精确测量二极管两端的电压， 其变化不大时， 可以利用二极管的交流电阻线性外推二极管中的电流。 【例4-3】 二极管电流测量电路如图4-2所示。 当电源电压E=10 V时， 电流表读数ID1=9.7 mA， 则当E=20 V时， 估计电流表读数ID2。第四章

7、 常用半导体器件原理 图4-2 例4-3电路图第四章 常用半导体器件原理 解 二极管VD的管压降UD(on)=EID1R=10 V9.7 mA1 k=0.3 V 当E=20 V时， 电流表读数19.7mA1k0.3V20VD(on)D2RUEI第四章 常用半导体器件原理 【例4-4】 二极管电压测量电路如图4-3所示。 当电源电压E=13.6 V时， 电压表读数UD1=0.6 V； E增大后， 电压表读数UD2=0.63 V, 估计此时二极管VD中的电流ID2。图4-3 例4-4电路图第四章 常用半导体器件原理 解 当E=13.6 V时， VD中的电流VD的交流电阻 E增大后， VD两端的电压

8、变化不大， 即U=UD2UD1=0.63 V-0.6 V=0.03 V1.7 V时， VD导通， uo=uiUD(on)=ui0.7 V; 当ui0.3 V时， VD导通， uo=E+UD(on)=0.3 V； 当ui1.3 V时， VD截止，当ui1.4 V时， VD截止，当ui0时， A输出负电压， 二极管VD1导通， VD2截止， A存在负反馈， 用作放大器， 电阻R2右端悬空， 其上没有电流， 输出电压uo=u=u+=0； 当ui0时， A2输出正电压， VD截止， A2不存在负反馈， 用作电压比较器， 电阻R1上没有电流， u1=u1+=ui, uo=2u1ui=ui; 当uiUB，

9、 所以集电结反偏， 假设成立， 晶体管处于放大状态， 以上结果正确， UCE=UC=2.55 V。在图4-9(b)中标出PNP型晶体管极电流的实际流向。 发射极经过电阻RE接地， 所以假设晶体管处于放大状态， 则 UCC+IBRBUBE(on)+IERE=UCC+IBRBUBE(on)+(1+)IBRE=12 V+IB100 k(0.7 V)+(1+50)IB2 k=0第四章 常用半导体器件原理 计算出IB=55.9 A0， 确定发射结正偏， 晶体管处于导通状态。 假设晶体管处于放大状态， 则集电极电压UC=UCC+ICRC=UCC+IBRC=12 V+5055.9 A4 k=0.81 V基极

10、电压UB=UCC+IBRB =12 V+55.9 A100 k=6.4 V因为UCUB， 所以集电结正偏， 晶体管处于饱和状态， UCE=UCE(sat)。第四章 常用半导体器件原理 【例4-11】 场效应管直流偏置电路和有关参数如图4-10所示， 判断场效应管的工作状态并计算极间电压UDS。图4-10 例4-11电路图第四章 常用半导体器件原理 解 图4-10(a)中， UGS=0UGS(off)=5 V， 所以场效应管工作在导通区， ID=IDSS=3 mA， UDG=UDSUGS=UDS=UDDIDRD=12 V3 mA1 k=9 VUGS(off)=5 V，所以场效应管工作在恒流区，

11、UDS=UDG=9 V。图4-10(b)中， UGS=UGG=2 VUGS(th)=3 V， 所以场效应管工作在截止区， ID=0， UDS=UDD+IDRD=UDD=12 V。 第四章 常用半导体器件原理 2) 对数和反对数运算电路基本的对数和反对数运算电路可以构成较复杂的模拟运算电路。 对数运算电路中， 输出电压和晶体管发射结电压有关， 输入电压则和集电极电流有关， 电流方程联系了发射结电压和集电极电流， 从而确定了输出电压与输入电压的关系； 反对数运算电路中， 输出电压和输入电压分别与集电极电流和发射结电压有关， 并且通过电流方程关联。 【例4-12】 由对数运算电路构成的模拟运算电路如

12、图4-11所示， 推导输出电压uo的表达式。第四章 常用半导体器件原理 图4-11 例4-12电路图第四章 常用半导体器件原理 解 由得由得1i1sC1TBE1eRuIiUu1si1TBE1lnRIuUu2i2sC2TBE2eRuIiUu2si2TBE2lnRIuUu第四章 常用半导体器件原理 所以i12i21T1si1T2si2TBE1BE2olnlnlnuRuRURIuURIuUuuu第四章 常用半导体器件原理 3) 恒流源电路处于放大状态的晶体管可以实现恒流输出。 如果负载电阻变化， 其上的电压会相应改变， 继而引起晶体管输出电压的变化， 于是工作点会沿输出特性曲线运动。 应该保证工作点

13、不超出放大区， 即不进入饱和区或击穿区， 这样就限制了负载电阻的取值范围。 场效应管的工作点位于恒流区时， 也可以实现输出电流为恒流， 与场效应管输出电压的变化无关。 第四章 常用半导体器件原理 【例4-13】 晶体管恒流源电路和相关的晶体管输出特性曲线分别如图4-12(a)和(b)所示， 在负载电阻变化时， 电路为其提供恒定电流。 稳压二极管VDZ的稳定电压UZ=6 V， 计算负载电阻RL上的输出电流IO， 并确定允许接入的RL的取值范围。第四章 常用半导体器件原理 图4-12 例4-13电路图及输出特性曲线第四章 常用半导体器件原理 解由输出特性曲线可知， 为了保证处于放大状态， 晶体管的

14、输出电压应满足UCE(sat)uCE=UCC-IO(RL+R2)UBR(CEO)即0.1 V36 V20 mA(RL+300 )25 V计算出RL的取值范围为550 RL0时， 二极管VD1导通， VD2截止， 第一级放大器的输出电压uo1=u1=u1+=ui， 集成运放A2的输入电压u2=u2+=ui， 所以电阻R2和Rf2中无电流， 输出电压uo= u2=ui。第四章 常用半导体器件原理 当ui1.3 V时， VD截止， uo=E=2 V； 当ui2.7 V 时， VD截止， uo=ui； 当ui3.7 V时， VD导通， uo=uiEUD(on)=ui3.7 V； 当ui2.3 V时，

15、VD导通， uo=ui+E=ui+3 V； 当ui1.7 V时， VD导通， uo=ui-UD(on)=ui0.7 V； 当ui3.4 V时， VD导通， uo=UD(on)+E=0.7 V+1 V=1.7 V； 当ui0时， 二极管VD导通， 集成运放的输入电压u=u+=ui， 则当ui0时， 二极管VD导通， uo=u=u+=0； 当uiUZ1+UZ2=6 V+4 V=10 V时， VDZ1和VDZ2都击穿， uo=UZ1+ UZ2=10 V； 当ui2UD(on)=20.7 V=1.4 V时， VDZ1和VDZ2都导通， uo=2UD(on) =1.4 V； 而当2UD(on)=1.4

16、VuiUZ1+UD(on)=6 V+0.7 V=6.7 V时， VDZ1击穿， VDZ2导通， uo=UZ1+UD(on)=6.7 V； 当ui(UZ2+UD(on)=(4 V+0.7 V) =4.7 V时， VDZ1导通， VDZ2击穿， uo=(UZ2+UD(on)=4.7 V； 而当(UZ2+UD(on)=4.7Vui2UD(on)=20.7 V=1.4 V时， VDZ1和VDZ2都导通， uo=2UD(on) =1.4 V； 当ui(UZ1+UZ2)=(6 V+4 V)=10 V时， VDZ1和VDZ2都击穿， uo=(UZ1+UZ2)=10 V； 而当(UZ1+UZ2)=10 Vui

17、2UD(on)=1.4 V时， VDZ1和VDZ2都截止， uo=ui。 根据以上分析， 该电路的电压传输特性如图P4-11(c)所示。 第四章 常用半导体器件原理 4-12 求图P4-12所示电路的输出电压UO, 已知稳压二极管VDZ1和VDZ2的稳定电压分别为UZ1=6 V, UZ2=7 V, 导通电压UD(on)均为0.7 V。图 P4-12第四章 常用半导体器件原理 解 图P4-12(a)中， 因为UZ10时， 二极管VD截止， 集成运放A1的输入电压u1=u1+=ui， 输出电压V5V4V51V26V1VV8iiiiouuuuui121i1ouuRRuuu第四章 常用半导体器件原理

18、当ui0时， VD导通， A1构成反相比例放大器， 有 根据以上分析， 在任意时刻， uo =|ui |。ii12ouuRRu第四章 常用半导体器件原理 4-14 电路如图P4-14所示。 设电容C的初始电压为零。 (1) 说明集成运放A1、 A2和A3的功能； (2) 当输入电压ui=8 sint(V)时， 画出各级输出电压uo1、 uo2和uo的波形。 第四章 常用半导体器件原理 图 P4-14第四章 常用半导体器件原理 解 (1) A1构成反相比例放大器， A2构成反相过零简单比较器， A3构成反相积分器。 (2) 当uo10时， uo2 =6 V。 uo2 =6 V时， 电容C充电，

19、uo 随时间线性下降； uo2 =6 V时， C放电， uo 随时间线性上升。 根据以上分析， uo1、 uo2 和uo 的波形如图P4-14所示。 ii12o1uuRRu第四章 常用半导体器件原理 图 P4-14第四章 常用半导体器件原理 4-15 定性画出图P4-15中弛张振荡器的输出电压uo和电容电压uC的波形。 解 图P4-15(a)中， 当uo =UoH=6 V时， 二极管VD截止， uo通过电阻R5对电容C充电； 当uo=UoL=-6 V 时， VD导通， C通过R4R5放电。 根据以上分析， 该电路的充电速度慢， 放电速度快， uo和uC的波形如图P4-15(a)所示， 其中设t

20、=0时， C上的电量为零。 图P4-15(b)中， 当uo=UoH=6 V时， 二极管VD导通， uo通过电阻R4对电容C充电； 当uo=UoL=-6 V时， VD截止， C通过R4+R5放电。 根据以上分析， 该电路的充电速度大于放电速度， uo和uC的波形如图P4-15(b)所示， 其中设t=0时， C上的电量为零。 第四章 常用半导体器件原理 图 P4-15第四章 常用半导体器件原理 图 P4-15第四章 常用半导体器件原理 4-16 电路如图P4-16所示， 画出输出电压uo和电容电压uC的波形。 图 P4-16第四章 常用半导体器件原理 图 P4-16第四章 常用半导体器件原理 解

21、集成运放A1构成反相积分器， A2构成同相迟滞比较器。 当uo=UoH=6 V时， 电容C恒流充电， uC随时间线性下降， 当时， uo=UoL=6 V， C恒流放电， uC随时间线性上升。 根据以上分析， uo和uC的波形如图P4-16所示， 其中设t=0时， C上的电量为零。 V6V6k10k10OH21TLURRUuC第四章 常用半导体器件原理 4-17 判断图P4-17中晶体管和场效应管的工作状态。 解 图P4-17(a)中， 可以确定发射结正偏， 所以晶体管处于放大状态或饱和状态。 假设其处于放大状态， 则IBRB + UBE(on) + (1 + b)IBRE = UCC，即IB

22、370 k + 0.6 V + (1 + 100)IB 2 k = 12 V，计算出IB = 20 A，则IC = bIB = 100 20 A = 2 mA。所以集电结反偏， 假设成立， 晶体管处于放大状态。 04.4Vk5 . 1mA2k370A20)()(CCBBBBCCCCCCBCCBRIRIRIURIUUUU第四章 常用半导体器件原理 图P4-17(b)中， UGS=0 UGS(off)， 所以场效应管工作在恒流区或可变电阻区， 且ID=IDSS=4 mA。所以场效应管工作在恒流区。 DDDDDSDGRIUUUGS(off)V8k1mA)4(V12U第四章 常用半导体器件原理 图 P

23、4-17第四章 常用半导体器件原理 4-18 实验测得图P4-18中两个放大状态下的晶体管三极的电位分别为(1) U1=3 V， U2=6 V， U3=3.7 V； (2) U4=2.7 V， U5=2 V， U6=5 V。 判断每个晶体管的类型， 标出其基极、 发射极和集电极。 解 (1) NPN型晶体管， U1为发射极， U2为集电极， U3为基极；(2) PNP型晶体管， U4为基极， U5为发射极， U6为集电极。 第四章 常用半导体器件原理 图 P4-18第四章 常用半导体器件原理 4-19 实验测得图P4-19中两个放大状态下的晶体管的极电流分别为(1) I1=5 mA， I2=0

24、.04 mA， I3=5.04 mA； (2) I4=1.93 mA， I5=1.9 mA， I6=0.03 mA。 判断每个晶体管的类型， 标出其基极、 发射极和集电极， 并计算直流电流放大倍数和。 解 (1) NPN型晶体管， I1为集电极， I2为基极， I3为发射极， =125 ， =0.992; (2) PNP型晶体管， I4为发射极， I5为集电极， I6为基极， =63.3， =0.984。 第四章 常用半导体器件原理 图 P4-19第四章 常用半导体器件原理 4-20 推导图P4-20中对数运算电路的输出电压uo的表达式。 解 其中所以SCBEolnIiUuuT2i21i1i2

25、i1CRuRuiii2Si21Si1olnRIuRIuUuT第四章 常用半导体器件原理 图 P4-20第四章 常用半导体器件原理 4-21 由对数和反对数运算电路构成的模拟运算电路如图P4-21所示。 求输出电压uo的表达式。 解 电路中电阻R5起调零作用， 所以有uBE1+Ube3uBE4uBE2=0由晶体管的电流方程得 1S1BE1lnRIuUuT2S2BE3lnRIuUuT3S3BE2lnRIuUuT4SoBE4lnRIuUuT第四章 常用半导体器件原理 所以有即1o321uuuu321ouuuu 第四章 常用半导体器件原理 图 P4-21第四章 常用半导体器件原理 4-22 对数运算电

26、路如图P4-22所示。 (1) 说明晶体管V1和V2的功能；(2) 说明热敏电阻R4的功能；(3) 证明输出电压uo的表达式为 证明 节点A的电压 BE1BE2AuUuRi12T43oln1UuRRURRuC1C2SC1SC2lnlnlniIUIiUIIUTTT第四章 常用半导体器件原理 图 P4-22第四章 常用半导体器件原理 其中， ， ， 所以又2RC2RUI1iC2RuiiR21Ti12RTAlnlnuURRUuRRUUuo434AuRRRu第四章 常用半导体器件原理 所以 从以上证明过程中可以看出， 晶体管V1和V2的反相饱和电流彼此相约， 从而抵消了其对温度变化敏感带来的影响。 R

27、4应该具有正温度系数， 可以在一定程度上减弱随温度变化的UT带来的影响。 Ri1243iR2143A43oln1ln11UuRRURRuURRURRuRRuTT第四章 常用半导体器件原理 4-23 图P4-23所示电路中， 稳压二极管的稳定电压为UZ。 推导输出电压UO的表达式。 解 3ZE1C1RUIIZ32CC2C1CC22URRURIUUUZ43242CCE2C2URRRRUUIIZ43525C23URRRRRIUZ435233OURRRRUUU第四章 常用半导体器件原理 图 P4-23第四章 常用半导体器件原理 4-24 图P4-24(a)、 (b)分别给出了两个场效应管的输出特性和转移特性。判断它们的类型， 确定其UGS(off)或U