模拟电路：第一章 常用半导体元件_简版

1、模拟电路基础University of Electronic Science and Technology of China常用半导体器件第一章 常用半导体器件半导体二极管场效应晶体管（FET）双极型晶体管（BJT）11. 半导体二极管1.1二极管的基本特性1.2二极管的主要参数1.3二极管的低频等效模型1.4稳压二极管2根据所用的半导体，有Si管、Ge管和其它材料的二极管。用半导体材料制成PN结，引出两个电极并加以封装，就构成了二极管。1.1 二极管的基本特性什么是半导体二极管半导体二极管是用半导体材料制成的电子元器件中的一个大类。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管什么是半导体？什

2、么是PN结？31.1 二极管的基本特性初识半导体二极管在大多数情况下，可以将半导体二极管看成非线性电阻。4半导体二极管最主要的特性是：单向导电1.1 二极管的基本特性半导体二极管的伏安特性5我们以1N4001型Si半导体二极管为例，测试研究其伏安特性。正向特性测试数据正向特性测试电路mAVERDD为被测二极管R为限流电阻uDiD0.000V0.000A0.100V0.189A0.200V1.496A0.300V10.527A0.400V72.940A0.500V504.126A0.535V1.000mA0.571V2.000mA0.592V3.000mA0.600V3.476mA0.700V2

3、3.625mA0.800V147.375mA0.900V663.944mA1.000V1.796A正向特性曲线电阻性元件的电流与端电压间的关系称为伏安特性。UON 称为开启电压1.1 二极管的基本特性半导体二极管的伏安特性6反向特性测试数据反向特性测试电路D为被测二极管R为限流电阻AVERDuDiD0.000V0.000A-0.0625V-0.022A-0.125V-0.029A-0.250V-0.032A-0.500V-0.032A-1.000V-0.033A-2.000V-0.034A-4.000V-0.036A-8.000V-0.040A-16.000V-0.048A-32.000V-0

4、.064A-50.000V-0.082A-52.907V-1.000A-53.027V-100.000A-53.147V-10.000mA反向特性曲线我们以1N4001型Si半导体二极管为例，测试研究其伏安特性。电阻性元件的电流与端电压间的关系称为伏安特性。IS 称为反向饱和电流U(BR)称为击穿电压1.1 二极管的基本特性半导体二极管的伏安特性7完整的伏安特性曲线如图，包括导通区、截止区和击穿区。材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗Ge0.1V0.10.3V几十A半导体具有热敏性。因此，半导体材料制成的二极管的特性会受到温度的影响。T（） 在电流i不变情况下

5、管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（） 正向特性左移，反向特性下移1.1 二极管的基本特性半导体二极管的伏安特性8正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线UT 是温度的电压当量，常温下约为26mV。伏安特性受温度影响增大1倍/10二极管最主要的特性：单向导电二极管与所有半导体元器件一样，都有最高工作频率限制！利用PN结的电容效应，可以制成变容二极管。1.1 二极管的基本特性半导体二极管电容效应9PN结具有电容效应。半导体二极管由PN结构成，当然也就有电容效应。为什么PN结有电容效应？1.2 二极管的主要参数二极管的主要参数10最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值

6、反向电流 IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应1.3 二极管的低频等效模型二极管的折线模型将伏安特性分段线性化11理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时 UD0截止时IS0导通时UDUon截止时IS0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！?100V？5V？1V？1.3 二极管的低频等效模型12二极管的折线模型将伏安特性分段线性化应用举例：二极管电路直流分析右图电路中，假设二极管为Si管，已知直流电源电压为5V，电阻R的阻值为2.2k。试求出UD，UR和ID。ID1.3 二极管的低频等效模型13二极管的折线模型将伏安特性分段线性化问题：如何判断二极管的工作状态？右

7、图电路中，图中D1、D2为Si二极管。 D1工作在 状态；UA约为 V。0.7V解题方法：先假设所有二极管都截止计算出此时各二极管两端的电压然后根据二极管是否正偏以及正偏电压的大小按顺序判断二极管是否导通 正偏最大的先导通解题过程：先假设D1、D2都截止，可得D1两端电压为+6V，D2先导通，D2两端电压为+9V，D2两端电压实际约+0.7V，D1截止。D1两端电压约为2.3V，截止2.31.3 二极管的低频等效模型14二极管的折线模型将伏安特性分段线性化应用举例：用分段线性法分析串联型二极管双向限幅电路下图电路中，假设D1、D2为理想开关。试分析并画出uO对uI的关系曲线。010203040

8、10203040uI/VuO/V用分段线性法分析非线性电路时，必须要正确判断电路中非线性元件的工作状态！1.3 二极管的低频等效模型二极管的微变模型小信号增量模拟15 当二极管电路在静态基础上有一动态的小信号作用时，二极管两端的电压和流过二极管的电流就会产生微小的变化。对此变化的电压和电流，可将二极管看作一个电阻，称为动态电阻，这就是二极管的微变等效电路。静态电流参见教材22页Q点越高，rd越小。常温下UT26mV1.3 二极管的低频等效模型二极管的微变模型小信号增量模拟16电路如图所示，二极管为硅管，电容C对交流信号可视为短路；ui为正弦波，有效值为10mV。试问二极管中流过的交流电流有效值

9、为多少？已知二极管上的交流电压有效值求流过二极管的交流电流有效值解题思路：求动态电阻（rD=UT/ID）求二极管静态电流例题：解题过程：二极管的静态电流 ID=(V-UD)/R=2.6mA动态电阻 rDUT/ID =10故动态电流有效值 Id=Ui/rD1mA1.3 二极管的低频等效模型二极管的微变模型小信号增量模拟17电路中二极管D的型号是1N4148，电容器C1、 C2的容量为10F。已知输入信号ui(t)是频率1kHz有效值电压为5mV的正弦波。试使用Multisim对电路进行仿真，分别观察UK=+5V和UK=0V两种直流电压时对应的uo(t)稳态输出波形。仿真练习：1.4 稳压二极管伏

10、安特性与主要参数18稳压管利用PN结反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变的特点制成。稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流最大耗散功率 PZM：允许的最大功率， PZM= IZM UZ动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rz=U /I伏安特性符号等效电路IZ约为IZM的5%10%进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流斜率？若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必须要有阻值合适的限流电阻限制稳压管的电流！应用电路1.4 稳压二极管19 设计一个输出电压UO=6V的稳压管稳压电路。已知电源电压UI=811

11、V，负载电流IL=510mA。要求稳压管的最小工作电流是其最大工作电流的20 %。例题：设计稳压管电路的任务是选取稳压管和限流电阻。解方程，得：ILIDZUI最小、IL最大时，IDZ最小UI最大、IL最小时，IDZ最大2. 场效应晶体管（FET）2.1场效应管简介2.2增强型N-MOSFET的基本特性2.3不同类型的场效应管2.4场效应管的等效模型2.5场效应管的主要参数20场效应管依靠半导体中某种类型载流子的沟道导电，它通过电场去控制导电沟道的形状，从而控制其导电性。场效应管是单极型晶体管，具有输入电阻高、噪声小、抗辐射能力强、可低电压工作、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安

12、全工作区域宽等优点。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。放大的本质是能量的控制与转换，放大电路由具有能量控制与转换能力的有源器件构成。最基本的有源器件是晶体管，包括场效应晶体管和双极型晶体管。场效应晶体管（英语：Field-Effect Transistor，缩写：FET）是一种通过电场效应控制电流的电子元件。2.1 场效应管简介212.1 场效应管简介所有的FET都有栅极(g) 、源极(s)、漏极(d) 三个端，除了结型场效应管外，其余的FET还有第四端，被称为体、基(B)或衬底。这些端子的名称和它们的功

13、能有关。22场效应管的电极栅极(gate)可以被认为是控制一个栅门的开关，它可以通过使源极(sourse)和漏极(drain)之间的沟道产生或者消除，从而允许或者阻碍载流子流过。如果受一个外加的电压影响，载流子将从源极流向漏极。衬底就是栅极、源极、漏极所在的半导体的块体，常和源极连在一起。sdg2.2 增强型N-MOSFET的基本特性仿真测试我们以BSD214为例，使用EWB-Multisim对其进行仿真测试研究。23测试项目1：栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻经过测试发现，栅极与源极间的电阻、栅极与漏极间的电阻均为！MOSFET即绝缘栅型FET。警告：不得使用数字万用表的档测试小信号高频MO

14、S管！2.2 增强型N-MOSFET的基本特性仿真测试我们以BSD214为例，使用EWB-Multisim对其进行仿真测试研究。24测试项目2：栅源间电压对漏源间电阻的控制作用uGS1.006V后， uGS上升，D-S间电阻减小栅源电压漏源电阻0.0V1G0.5V1G1.0V1G1.006V40.2k1.2V7251.4V4051.6V2831.8V2192.0V1792.2V1522.4V1332.6V1182.8V1063.0V97刚好使D-S间开始导通时对应的uGS，称为开启电压，记作UGS(th)。警告：不得使用数字万用表的档测试小信号高频MOS管！保持uGS=Vgg=3V不变，改变V

15、dd，观测iD随uDS的变化，绘制曲线：uDS较小时，iD随uDS上升，FET的漏源之间类似一个线性电阻；随着uDS增大，FET漏源之间的电阻增大， iD的上升趋缓；当uDS超过2V后， uDS上升时漏源间电阻急剧增大， iD几乎不再变化（恒流）。保持uGS=Vgg=2.5V不变，改变Vdd，观测iD随uDS的变化，绘制曲线：uDS较小时，iD随uDS上升，FET的漏源之间类似一个线性电阻；随着uDS增大，FET漏源之间的电阻增大， iD的上升趋缓；当uDS超过1.5V后， uDS上升时漏源间电阻急剧增大， iD达到饱和。2.2 增强型N-MOSFET的基本特性仿真测试我们以BSD214为例，

16、使用EWB-Multisim对其进行仿真测试研究。25测试项目3：uGSUGS(th)=1V后漏源间导电沟道的伏安特性uDS/VO12345iD/mA36912uGS=3V2.5V2V1.5V2.25V2.75V1V当uDSuGS-UGS(th)后，iD几乎不再受uDS影响，而是决定于uGS！uDS/VO12345iD/mA36912uGS=3V2.5V2V1.5V2.25V2.75V1V2.2 增强型N-MOSFET的基本特性仿真测试我们以BSD214为例，使用EWB-Multisim对其进行仿真测试研究。26测试项目4： uDSuGS-UGS(th)后uGS对iD的控制作用调节Vgg使uG

17、S从0V到3V改变，在此过程中调节Vdd使uDS保持为4V不变。观测iD随uGS变化的规律，绘制曲线。uGS1V后，iD随uGS接近于按抛物线规律上升。uGS/VO123iD/mA36912uGSiD0.00V0.00mA0.50V0.00mA1.00V0.01mA1.25V0.26mA1.50V0.85mA1.75V1.80mA2.00V3.10mA2.25V4.76mA2.50V6.76mA2.75V9.12mA3.00V 11.83mAuDS=4VUGS(th)2.2 增强型N-MOSFET的基本特性输出特性与转移特性晶体管一般都有3个管脚，可以看作是一个双口网络。如果将FET的s作为公

18、共端，则g-s为输入口，d-s为输出口。27输出特性：输出口的电压-电流关系可变电阻区g-s的电压控制d-s的等效电阻恒流区夹断区（截止区）击穿区uGS=UGS(th)iD几乎仅决定于uGS预夹断轨迹uGD=UGS(th)转移特性：输入量对输出量的控制场效应管工作在恒流区uGSUGS(th)且uGDUGS(th)2UGS(th)IDOiDiDuGS2.3 不同类型的场效应管28场效应管的种类场效应管按结构分为：绝缘栅型场效应管（也就是“金属-氧化物-半导体”场效应管，MOSFET）和结型场效应管（JFET）。按沟道载流子类型：绝缘栅型和结型各分N沟道和P沟道两种。按栅极零偏置时导电沟道是否存在

19、：分为耗尽型与增强型两种。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。2.3 不同类型的场效应管29场效应管的符号2.3 不同类型的场效应管增强型MOSFET： uGS=0时没有导电沟道30N-MOSFET依靠自由电子的沟道导电P-MOSFET依靠空穴的沟道导电iDuDSOuGS=UGS(th)IDOuGS=2UGS(th)uGSUGS(th)iDO2UGS(th)IDOiDuDSOiDuDSOUGS(th)uGS=UGS(th)2UGS(th)IDOIDOuGS=2UGS(th)2.3 不同类型的场效应管耗尽型MOSFET： uGS=0时就存在导电沟道31N-MOSF

20、ET依靠自由电子的沟道导电P-MOSFET依靠空穴的沟道导电iDuDSOuGS=UGS(off)UGS(off)iDOuGSuGS=0IDSSIDSSiDuDSOuGS=UGS(off)UGS(off)uGS=0IDSSiDOIDSSuGS2.3 不同类型的场效应管JFET： 由PN结耗尽层的厚度控制导电沟道32iDuDSOuGS=UGS(off)uGS=0IDSSUGS(off)iDOIDSSuGSUGS(off)iDOuGSIDSSiDuDSOuGS=UGS(off)uGS=0IDSSN-JFET依靠自由电子的沟道导电P-JFET依靠空穴的沟道导电对于JFET，为保证栅极的高阻值，PN结应

21、处于反偏状态。2.4 场效应管的等效模型FET的工作状态（以N沟道为例）放大区（恒流区，饱和区）33增强型uGSUGS(th)，uDSuGS-UGS(th)；耗尽型uGSUGS(off)，uDSuGS-UGS(off)iD为uGS控制的电流源可变电阻区增强型uGSUGS(th)，0uDSUGS(off)，0uDSuGS-UGS(off)d-s间相当于受uGS控制的电阻如果d-s间的电阻值远小于回路中的其它电阻，可视其为接通的开关（短路）截止区（夹断区）增强型uGS0；耗尽型uGS0 d-s间电阻很大，iD 0，相当于断开的开关（开路）2.4 场效应管的等效模型FET的工作状态34分析非线性电路

22、时，必须要正确判断电路中非线性元件的工作状态！FET工作状态的分析判断YesYesNoNoFET截止？假设FET处于恒流区按公式计算iD及uDS与假设矛盾？FET处于截止区FET处于可变电阻区FET处于恒流区2.4 场效应管的等效模型FET的工作状态 分析举例：已知FET的漏极饱和电流IDSS和夹断电压VP，判断它们分别处于什么工作状态。35假设工作在恒流区，有：，没有夹断假设成立，管子工作在恒流区（a）（a）（b），没有夹断管子工作在可变电阻区（b）显然习题：1.13 1.15 1.162.4 场效应管的等效模型FET工作在放大状态时的低频小信号模型36 当FET工作于恒流区时，如果uGS在

23、静态基础上叠加有一动态的小信号，其漏极电流iD也就会在静态基础上产生相应的变化。对小信号而言，FET近似等效为一个电压控制电流源。考虑uds对id的影响（沟道长度调制效应）近似分析时可认为rds为无穷大可根据微分学知识求得2.4 场效应管的等效模型FET工作在放大状态时的高频小信号模型37 考虑MOS电容和结电容。 由于MOS电容和结电容的影响，高频时FET的放大能力下降。连接了输入回路和输出回路2.5 场效应管的主要参数38直流参数开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)漏极饱和电流IDSS交流参数低频跨导gm极间电容极限参数击穿电压：漏-源间击穿电压U(BR)DS，JFET栅极与沟道

24、间PN的结击穿电压，MOSFET绝缘层的击穿电压U(BR)GS最大漏极电流IDM最大耗散功率PDM3. 双极型晶体管（BJT）3.1双极型晶体管简介3.2共射输入特性和输出特性3.3温度对晶体管特性的影响3.4BJT的工作状态与折线等效3.5放大状态BJT的小信号模型3.6BJT主要参数393.1 双极型晶体管简介40BJT的结构与符号在同一片半导体晶体基片上，按类似夹心饼干的样式做出P型半导体和N型半导体，并且在结构和工艺上满足一定的要求，就可以制作出双极型晶体管。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？BJT分为NPN型和PNP型。BJT有三个极、三个区、两个PN结3.1 双极型晶体管简介BJ

25、T的放大作用41BJT放大的外部条件：BJT与FET一样，都可以用于放大器或作为电子开关。发射结正偏，集电结反偏uCuBuEuCuBuE3.1 双极型晶体管简介BJT的放大作用42BJT与FET一样，都可以用于放大器或作为电子开关。BJT放大时的特点发射结正偏导通，iB在一定范围内变化时，uBE 基本上保持为导通电压（只有很小的变化）。发射结对于uBE和iB的变化量而言，相当于一个不大的电阻。集电结反偏，在这种情况下，iC基本上不受uCE变化的影响，而是受到 iE或iB 的控制：称为共基电流放大系数， 1，但非常接近与1。称为共射电流放大系数，其数值一般从几十至几百不等。 或3.1 双极型晶体

26、管简介BJT的放大作用43BJT与FET一样，都可以用于放大器或作为电子开关。BJT放大时的电流分配iE=iB+iC集电结反向饱和电流直流电流放大系数交流电流放大系数穿透电流3.2 共射输入特性与输出特性44晶体管一般都有个管脚，可以看作是一个双口网络。如果将BJT的e作为公共端，则b-e为输入口，c-e为输出口。输入特性：输入口的电压-电流关系输出特性：输出口的电压-电流关系UCE增大曲线右移对于小功率晶体管，UCE大于1V的某条输入特性曲线，可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。像PN结的伏安特性UCE增大到一定值曲线右移就不明显了放大区截止区饱和区uCE小于uBE时，iC随uCE变化

27、很大，进入放大状态后，输出特性曲线几乎是横轴的平行线。3.3 温度对晶体管特性的影响453.4 BJT的工作状态与折线等效BJT的三个工作区46 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。uBEuCEiC截止UonVCCICEO放大 Uon uBEiB饱和 Uon uBEiB 利用EWB-Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。3.4 BJT的工作状态与折线等效BJT的三个工作区47仿真练习：约小于0.5V时截止约大于1V时饱和 以V2作为输入、以BJT的c极作为输出，

28、采用直流扫描的方法可得！描述输出电压与输入电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。3.4 BJT的工作状态与折线等效BJT特性的折线化48当发射结反偏，集电结反偏时，BJT截止iB=0 iC=0 iE=0当发射结正偏导通、集电结反偏时，BJT处于放大状态当发射结正偏导通、集电结也正偏时，BJT饱和uBE=UBE(on) iC=iB iE=(1+)iBuBE=UBE(on) uCE=UCES iCUB，UBE=0.7V，放大UCUB，UBE=0.7V，放大UC=UB，UBE=0.7V，临界饱和UCUB，UBE=0.4V，截止UBE=0.6V，UCE=0.2V UB UE （集电极电位最高）PNP：UE UB UC （集电极电位最低）3.4 BJT的工作状态与折线等效BJT特性的折线化52工作状态分析发射结导通？No 截止状态临界饱和时IC=？此时所需的IB=？Yes 实际的IB小于饱和所需？Yes 放大状态No饱和状态接反 测得设所有的二极管和三极管均为硅管。判断图示电路中T1、T2、T3的工作状态。（浙大2004）3.4 BJT的工作状态与折线等效BJT特性的折线化53练习：UB要等于大约1.8V时发射结和二极管才能导通。E结正偏导通，UE=5.3V。若UCUB