电子技术基础课件VIP

常用半导体器件

一、半导体导体绝缘体半导体：硅（Si）锗（Ge）二、本征半导体的晶体结构图1.1.1

本征半导体中的两种载流子载流子：自由电子空穴图1.1.2四、本征半导体中载流子的浓度本征激发、复合、动态平衡ni、pi:自由电子与空穴浓度（）；T：热力学温度；k：玻尔兹曼常数（）；EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量；K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。在常温下，即T=300K时，硅材料的本征载流子浓度锗材料的本征载流子浓度1.1.2杂质半导体一、N型半导体纯净硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置。杂质原子提供电子，所以称之为施主原子。自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，简称多子和少子。图1.1.3二、P型半导体纯净硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置。杂质原子提供空穴，所以称之为受主原子。空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，简称多子和少子。图1.1.41.1.3PN结一、PN结的形成图1.1.5浓度差—扩散运动复合—空间电荷区内电场—漂移运动多子扩散=少子漂移达到动态平衡，形成PN结。

在空间电荷区内自由电子和空穴都很少，所以称为耗尽层。二、PN结的单向导电性1、外加正向电压时PN结处于导通状态图1.1.6PN结处于正向偏置。外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。因为PN结正向导通电压只有零点几伏，所以在回路中串联电阻以限制电流。2、外加反向电压时PN处于截止状态PN结处于反向偏置状态。外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。因为少子的数目极少，即使都参与漂移，反向电流也非常小，认为PN结处于截止状态。图1.1.7三、PN结的电流方程IS:反向饱和电流；q：电子的电量；k：玻尔兹曼常数；T：热力学温度。;将式中的kT/q用UT取代，则得四、PN结的伏安特性图1.1.10

u＞0,称为正向特性；

u＜0,称为反向特性；当反向电压大于U(BR)

后，反向电流急剧增加，称

为反向击穿。在高掺杂情况下，耗尽

层很窄，不大的反向电压可

在耗尽层产生很大的电场，

直接破坏共价键，产生电子-空穴对，称为齐纳击穿；如果掺杂浓度较低，当反向电压较大时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，又撞出价电子，称为雪崩击穿。在击穿时，若不限制电流，则会造成永久性损坏。五、PN结的电容效应1、势垒电容耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相当于电容的充、放电，其所等效的电容称为势垒电容Cb。见图1.1.11所示。图1.1.112、扩散电容

PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，而远离交界面地方的非平衡少子的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到零，形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩散电流。当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电流增大。当外加正向电压减小时，与上述变化情况相反。扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容Cd。见图1.1.12所示。图1.1.12PN结的结电容Cj是势垒电容Cb和扩散电容Cd之和，即

Cj=Cb+Cd1.2半导体二极管图1.2.11.2.1半导体二极管的常见结构图1.2.2(a)是点接触型；(b)是面接触型；(c)是平面型；(d)是二极管的符号。1.2.2二极管的伏安特性一、二极管和PN结伏安特性的区别由于存在半导体体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，二极管的端电压比PN结上的压降大。如图1.2.3所示。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uon。图1.2.3二、温度对二极管特性的影响如图1.2.3虚线所示，在温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，在室温附近，温度每升高1，正向压降减小2～2.5mV;温度每升高10,反向电流约增大一倍。1.2.3二极管的主要参数1、最大整流电流IF：二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。3、反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流。4、最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。1.2.4二极管的等效电路二极管是非线性器件，在一定条件下用线性元件构成的电路来近似模拟二极管的特性，并取代二极管，称为等效电路或等效模型。一、伏安特性折线化等效电路图1.2.4折线化等效电路（a）理想二极管；（b）正向导通时端电压为常量；（c）正向导通时端电压与电流成线性关系图（a）表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零，称为“理想二极管”。图（b）表明二极管导通时正向压降为一个常量Uon，截止时反向电流为零，等效电路为理想二极管串联电压源Uon。图（c）表明当二极管正向电压大于Uon后其电流i和电压u成线性关系，直线斜率为1/rD。二极管截止时反向电流为零。等效电路为理想二极管串联电压源Uon和电阻rD，且rD=△U/△I。二、二极管的微变等效电路二极管外加直流正向偏置电压时的静态工作点Q，若在Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以Q点为切点的切线来近似微小变化时的曲线。如图1.2.7（a）所示。图1.2.7二极管的微变等效电路（a）动态电阻的物理意义（b）动态电阻动态电阻rd=△uD/△iD，图（b）即为二极管的微变等效电路。rd也可由二极管的电流方程求出：1.2.5稳压二极管一、稳压二极管的伏安特性

图1.2.10稳压管的伏安特性和等效电路（a）伏安特性（b）等效电路二、二极管的主要参数1、稳定电压UZ:在规定电流下稳压管的反向击穿电压。2、稳定电流IZ(Izmin)：稳压管保证稳压效果的最小电流。3、额定功耗PZM：稳压管的稳定电压UZ和最大稳定电流IZM(Izmax)的乘积。可以通过PZM求出IZM的值。4、动态电阻rZ：稳压管在稳压区内，端电压变化量△UZ与其电流变化量△IZ

之比，即△UZ/△IZ

。

rZ愈小则稳压特性愈好。rZ的值一般是几欧到几十欧。5、温度系数α：温度每变化1oC稳压值的变化量。由于稳压管的正常工作电流是大于Izmin，小于Izmax。所以在稳压管电路中要串联一个限流电阻R。例1.2.2在图1.2.11所示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳压值UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA；负载电阻R=600Ω。求解限流电阻R的取值范围。图1.2.11解：IR=IDz+IL；IDz=(5~25)mA,IL=UZ/RL=6V/600Ω=10mA,所以，IR=（15~35）mA。R上的电压UR=UI－UZ=4VRmax=UR/IRmin=4V/15mA=227Ω;Rmin=UR/IRmax=4V/35mA=114Ω。故限流电阻R的取值范围为114~227Ω。1.2.6其它类型二极管一、发光二极管图1.2.12发光二极管（a）外形（b）符号包括可见光、不可见光、激光等不同类型。对于可见光的发光二极管，当外加正向电压使得正向电流足够大时才发光。开启电压较大，红色的在1.6~1.8V之间，绿色的约为2V。发光二极管驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高，广泛用于显示电路之中。二、光电二极管图1.2.13光电二极管（a）外形（b）符号光电二极管是远红外线接收管，是光能与电能进行转换的器件。PN结型光电二极管利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。几种常见外形如图1.2.13（a）所示。图1.2.14（a）为光电二极管的伏安特性。在无光照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。反向电流称为暗电流，通常小于0.2μA。图1.2.14光电二极管的伏安特性（a）伏安特性（b）工作在第一象限的等效电路（c）工作在第一象限的等效电路（d）工作在第一象限的等效电路在有光照时，特性曲线下移，它们分布在第三、四象限内。在反向电压的一定范围内，即第三象限，特性曲线是一组横轴的平行线，光电流受入射光照度的控制。照度一定时，光电二极管等效为恒流源。照度愈大，光电流愈大。在光电流大于几十微安时，与照度成线性关系。此特性广泛用于遥控、报警及光电传感器之中。在第四象限时呈光电池特性，如图（d）表示，入射照度愈大，i愈大，R上获得的能量也愈大，此时光电二极管作为微型光电池。由于光电流较小，所以将其用于测量及控制等电路中时，需首先进行放大和处理。除此之外，还有利用PN结势垒电容制成的变容二极管，可用于电子调谐、频率的自动控制、调频调幅、调相和滤波等电路之中。利用高掺杂材料形成PN结的隧道效应制成的隧道二极管，可用于振荡、过载保护、脉冲数字电路之中。利用金属与半导体之间的接触势垒而制成的肖特基二极管，正向导通电压小，结电容小，常用于微波混频、检测、集成化数字电路等场合。1.3双极型晶体管双极型晶体管(BJT)又称晶体三极管、半导体三极管等，简称晶体管。图1.3.1所示为几种常见外形。图（a）、（b）为小功率管，图（c）为中功率管，图（d）为大功率管。图1.3.1晶体管的几种常见外形1.3.1晶体管的结构及类型根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。图1.3.2（a）为平面型NPN型硅材料晶体管的结构图，上层区是发射区（e），掺杂浓度很高；中层的区称为基区（b），它很薄且杂质浓度很低；下层的区是集电区（c），集电结面积很大。引出的三个电极分别是发射极e、基极b和集电极c。图1.3.2晶体管的结构和符号（a）结构（b）示意（c）符号图（b）为NPN型管的结构示意图，发射区与基区间的PN结称为发射结，基区与集电区间的PN结称为集电结。图（c）为NPN型管和PNP型管的符号。下面以NPN型硅管为主讲述晶体管的放大作用、特性曲线和主要参数。1.3.2晶体管的电流放大作用图1.3.3基本共射放大电路图1.3.3所示为基本放大电路，△uI为输入电压信号，它接入基极—发射极回路（输入回路）；放大后的信号在集电极—发射极回路（输出回路）。发射极是两个回路的公共端，故称其为共射放大电路。为保证发射结正向偏置、集电结反向偏置以使晶体管工作在放大状态。所以要加VBB和VCC。

一、晶体管内部载流子的运动

图1.3.4在图1.3.3中△uI=0时，晶体管内部载流子运动示意图如图1.3.4所示。1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE；2、扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB；3、集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC。二、晶体管的电流分配关系IEN:发射区向基区扩散所形成的电子电流；IEP:基区向发射区扩散所形成的空穴电流；IBN:基区内复合运动所形成的电流；ICN:基区内非平衡少子（发射区扩散到基区但未被

复合的自由电子）漂移到集电区所形成的电流；ICBO:平衡少子在集电区与基区之间漂移运动所形成的电流。IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEPIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP－ICBO=I’B－ICBO从外部看

IE=IC+IB三、晶体管的共射电流放大系数共射直流电流放大系数整理可得上式中ICEO称为穿透电流，物理意义为当基极开路（IB=0）时,在VCC作用下c和e之间形成的电流。ICBO是e开路时集电结的反向饱和电流。一般情况，IB≥ICBO，，所以在图1.3.3中，当有输入电压△uI作用时，在IB和IC基础上将迭加动态电流△iB和△iC，△iC和△iB之比为共射交流电流放大系数β若在△uI作用下β基本不变，则集电极电流

因而当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，ICN与IE之比称为共基直流电流放大系数

根据IC=ICN+ICBO

可得由IE=IC+IB

可得或共基交流电流放大系数的定义为1.3.3晶体管的共射特性曲线输入特性曲线和输出特性曲线用与晶体管的性能、参数和晶体管电路的估算一、输入特性曲线图1.3.5当UCE=0,集电极和发射极短路,发射结和集电结并联,输入特性与PN结的伏安特性相类似,呈指数关系.当UCE增大时,特性曲线右移,这是因为由发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成iC,而另一部分在基区参与复合运动的非平衡少子将随UCE的增大而减小.因此,要获得同样的iB就必须加大uBE,使发射区向基区注入更多的电子.实际上,对于确定的UBE当UCE增大到一定值(如1V)以后,集电结的电场已足够强,可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区,因而再增大UCE,iC也不可能明显增大,即iB已基本不变.因此,当UCE超过一定数值后,输入特性曲线不再右移，曲线基本重合。对于小功率晶体管，可近似地用UCE>1V的来代替UCE>1V的所有曲线。二、输出特性曲线图1.3.6三个工作区域：1、截止区uBEUonuCE>uBEIB=0,iCICEOICEO在几十甚至1微安以下，所以可近似认为iC02、放大区

uBE>Uon,且uCEuBE即发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。iC仅与IB有关，而与uCE无关。3、饱和区uBE>Uon,且

uCE<uBE即发射结和集电结均处于正向偏置。uCE=uBE,即uCB=0iC不随IB变化而变化。当uBE=uCE时，是临界饱和（临界放大）状态。饱和区的重要标志是UCE约等于0。在模拟电路中，绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。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2、共基电流放大系数3、极间反向电流ICBO、ICEO硅管的极间反向电流比锗管的小2~3个数量级，且其温度稳定性也比锗管的好。二、交流参数1、共射交流电流放大系数β2、共基交流电流放大系数α近似分析可以认为3、特征频率fT

使β的数值下降到1的信号频率称为特征频率fT。三、极限参数1、最大集电极耗散功率PCM图1.3.72、最大集电极电流ICM3、极间反向击穿电压

UCBO>UCEX>

UCES>

UCER>

UCEO1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对ICBO的影响温度每升高10oC，ICBO增加约一倍。二、温度对输入特性的影响图1.３.８温度每升高１oC,|UBE|大约下降２～２.５mV。具有负温度系数。三、温度对输出特性的影响图1.3.9温度升高时，晶体管的β值，ICEO值都增大，且输入特性左移，所以导致集电极电流增大。如图中虚线所示。1.3.6光电三极管图1.3.10图1.3.11基极电流IB——入射光照度EE为1000时，光电流从1mA到几mA不等1.4场效应管1.4.1结型场效应管一、结型场效应管的工作原理图1.4.1在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区,并将它们连接在一起，形成栅极g，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区与N区交界面形成耗尽层,漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。图1.4.2图1.4.31、当uDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用uGS=0,耗尽层窄，导电沟道很宽；

|uGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，大到一定值时，耗尽层闭合，沟道消失，此时的电压称为夹断电压UGS(off)。分别如图1.4.3中的（a）、（b）、（c）所示。正常工作时，uGS<0。2、当uGS为UGS(off)~0中某一固定的负电压值时，uDS对漏极电流iD的影响当uDS=0时，不会产生多子的定向移动，所以漏极电流iD=0。

若uDS>0,则有电流iD,如图1.4.4（a）所示。因为栅—漏电压uGD=uGS-uDS，所以当uDS从零逐渐增大时，uGD逐渐减小,靠近漏极一边的沟道变窄，到UGD=UGS(off)时称为预夹断。如图1.4.4（b）所示。在预夹断前，iD随uDS的增大而增大，D-S间呈电阻特性。预夹断后，若uDS继续增加，则uGD夹断区加长，如图1.4.4（c）所示。夹断区加长将使iD减小，但uDS增大使电场增强，从而又使iD增大，所以导致iD基本不变，呈恒流特性。这时uGD=uGS-uDS<UGS(off),即uDS>uGS-UGS(off)时，当uDS为一常量UDS时，对于确定的uGS就有确定对应的iD。此时通过改变uGS的大小来控制iD的大小。漏极电流受栅—源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。

用低频跨导gm来描述栅—源电压ugs对漏极电流iD的控制作用gm=3、当uGD<UGS(off)时，uGS对iD的控制作用二、结型场效应管的特性曲线1、输出特性曲线图1.4.5可变电阻区（非饱和区）恒流区（饱和区）夹断区2、转移特性图1.4.6(UGS(off)<uGS<0)1.4.2绝缘栅型场效应管(IGFET)栅极和源极、漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离。栅极又是金属铝，所以也称为金属—氧化物—半导体（MOS)管。栅—源间电阻可达1010Ω。有N沟道增强型；N沟道耗尽型；

P沟道增强型；P沟道耗尽型；一、N沟道增强型MOS管图1.4.7结构特点：在一块低掺杂的P型硅片衬底上扩散两个高掺杂的N+区,并引出两个电极，分别为s和d。半导体上制作SiO2绝缘层再引出一个金属铝电极，为g。通常衬底和源极连接在一起使用。g和衬底各相当一个极板，中间是绝缘层，形成电容。当g-s电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处的感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。1、工作原理当g-s之间不加电压时，d-s间是两个背向的PN结，不存在导电沟道，所以没有漏极电流。当uDS=0且uGS>0时，由于有SiO2，所以栅极电流为零。但此时栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图1.4.8(a)所示。图1.4.8当uGS增大时，耗尽层加宽，同时将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如图１.4.8(b）所示。这个反型层就构成了漏－源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅源电压称为开启电压UGS(th)。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。图１.4.9uGS大于开启电压后uDS对iD的影响(a)uDS<uGS-UGS(th)，uDS较小，它的增加使iD线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄；(b)uDS=uGS-uGS(th)，即uDS=UGS(th)，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断；(c)uDS再增大，夹断区延长，uDS的增大部分几乎全部克服夹断区对漏极电流的阻力，管子进入恒流区。2、特性曲线与电流方程图1.4.10N沟道增强型MOS管的特性曲线（a）转移特性（b）输出特性；IDO为uGS=2UGS(th)时的iD。二、N沟道耗尽型MOS管图1.4.11在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，则在uGS=0时，在正离子作用下，P型衬底表层就存在反型层,即漏-源间有导电沟道，这时只要在漏-源之间加正向电压，就会有漏极电流，如图1.4.11(a)所示。当uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD变大；而当uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD变小。当uGS减小到某一负值时，反型层消失，漏-源间的导电沟道随之消失，iD=0。此时的uGS称为夹断电压UGS(off)。三、P沟道MOS管P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0；P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)>0。四、VMOS管从结构上解决散热问题。V型槽，漏极散热面积大，便于安装散热器。其耗散功率最大可达千瓦以上。其结构如图1.4.12所示。图1.4.12N沟道增强型VMOS管结构示意图1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数1、开启电压UGS(th):uDS为一常量时，使

iD大于零（5μA)所需的最小|uGS|值。2、夹断电压UGS(off):是结型和耗尽型MOS场效应管iD为规定的微小电流（5mA）时的uGS值。3、饱和漏极电流IDSS:耗尽型管在uGS=0的情况下产生预夹断时的漏极电流。4、直流输入电阻RGS(DC)：栅-源电压和栅极电流之比。结型管的大于107Ω，而MOS管的大于109Ω。二、交流参数1、低频跨导gm:2、极间电容：Cgs和Cgd约为0.1~1

pF，Cds约为1~3pF。三、极限参数1、最大漏极电流IDM2、击穿电压U(BR)DS

对于结型场效应管栅-源PN结反向击穿电压和MOS场效应管栅-源击穿电压为U(BR)GS3、最大耗散功率PDM对于MOS管，栅-衬之间的电容量很小，若感应少量的电荷便会产生很高的电压造成很薄的绝缘层击穿。在存放和在工作电路中，要为栅-源之间提供直流通路，避免栅激悬空，在焊接时要使电烙铁良好接地。1.4.4场效应管与晶体管的比较控制导电噪声使用种类用途晶体管场效应管电流电压多子少子多子大小固定栅-源互换少多放大开关放大开关IC1.5单结晶体管和晶闸管1.5.1单结晶体管一、单结晶体管的结构和等效电路图1.5.1在一个低掺杂N型硅棒上扩散一个高掺杂的P区。只有一个PN结，故称为单结晶体管（UJT）,P区为发射极e，N区引出两个基极b1和b2，所以也称为双基极晶体管。二、工作原理和特性曲线特性曲线：发射极电流IE与e-b1间电压UEB1的关系曲线。图1.5.2分压比η为0.5～0.9UEB1=0时，UEA=－ηVBB。发射极电流IE为二极管的反向电流IEO。UEA接近零时，IE的数值明显减小。当UEB1=UA时，二极管端电压为零，IE=0。UEB1继续增加，到PN结正向导通时，IE为正，此电流由e到b1，P区浓度很高的空穴向电子浓度很低的硅棒的A-b1区注入非平衡少子，注入的载流子使rb1减小，其上压降减小，从而PN结正向电压增大，注入的载流子更多，rb1进一步减小；当IE增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时UEB1将因rb1减小而减小，表现出负阻特性。负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。除了单结晶体管外，负阻器件还有隧道二极管、负阻场效应管和λ双极晶体管等。三、应用举例图1.5.3VBB合闸通电时，电容C充电,其上电压上升，达峰值电压UP时进入负阻区，输入端等效电阻急剧减小，电容迅速放电，达谷点电压UV后，管子截止,电容再次充电，如此循环往复形成振荡。1.5.2晶闸管（Thyristor)

亦称为硅可控元件（SCR)，是由三个PN结构成的大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压、无触点开关电路中。一、结构和等效模型图1.5.4图1.5.5二、工作原理

A-C间加正向电压而控制极G不加电压时，J2结不通，呈阻断状态。A-C间加正向电压且控制极G也加正向电压时，T2导通并发生正反馈，几微秒时间两管全导通，靠正反馈维持导通，控制极G失去作用。此时A-C间电压0.6~1.2V，阳极电流IA可达几十~几千安。晶闸管导通后，采用下列措施才能将其关断：1、使阳极电流减小到小于维持电流IH的数值；2、在阳极和阴极之间加反向电压。三、晶闸管的伏安特性图1.5.7四、晶闸管的主要参数1、额定正向平均电流IF:连续通过的工频正弦波电流平均值。2、维持电流IH:控制极开路，维持导通的最小阳极电流。3、触发电压UG和触发电流IG:u=6v时使晶闸管导通所需最小的控制极电压和电流，一般为1~5V

和几十至几百mA。4、正向重复峰值电压UDRM:控制极开路，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。(UBO·0.8)5、反向重复峰值电压URRM:控制极开路，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。(UBO·0.8)例：可控半波整流图1.5.81.6集成电路中的元件1.6.1集成电路制造工艺简介图1.6.2集成电路剖面图及外形图1.6.3

PN结隔离的制造工艺(a)P型硅衬底(b)氧化(c)光刻(d)腐蚀(e)扩散(f)外延及氧化(g)光刻(h)腐蚀(i)扩散及氧化图1.6.4在隔离岛上制作PNP型管1.6.2集成双极型管一、PNP型管图1.6.5集成电路中的PNP型管图1.6.6多发射极管图1.6.7多集电极管二、其它类型晶体管1.6.3集成单极型管图1.6.8CMOS电路1.6.4集成电路中元件的特点一、具有良好的对称性。二、电阻和电容的数值有一定的限制。电阻几十欧~几百欧，电容一般小于100pF。三、纵向晶体管的β值大，横向晶体管的β值小，PN结耐压高。四、用有源元件取代无源元件。尽量多采用纵向NPN型管,少用电阻和电容。学完本章后，应能掌握以下几点：1、熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴，扩散与漂移，复合，空间电荷区、PN结、耗尽层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及三个工作区域。2、掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的外特性、主要参数的物理意义。3、了解选用器件的原则。*数字逻辑概论*§

1.1数字电路的基础知识

1.1.1数字信号和模拟信号电子电路中的信号模拟信号数字信号随时间连续变化的信号时间和幅度都是离散的例：正弦波信号、锯齿波信号等。例：产品数量的统计、数字表盘的读数、数字电路信号等。*模拟信号tV(t)tV(t)数字信号高电平低电平上跳沿下跳沿*模拟信号：tu正弦波信号t锯齿波信号u*

数字信号在时间上和数值上均是离散的。数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。

图1.1.1典型的数字信号一、数字信号的特点*

有两种逻辑体制：

正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。

负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。

如果采用正逻辑，图1.1.1所示的数字电压信号就成为下图所示逻辑信号。

二、正逻辑与负逻辑

数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。*

三、数字信号的主要参数

一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：

Vm——信号幅度。

T——信号的重复周期。

tW——脉冲宽度。

q——占空比。其定义为：

*

下图所示为三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。*1.1.2数制（1）十进制：以十为基数的记数体制表示数的十个数码：1,2,3,4,5,6,7,8,9,0遵循逢十进一的规律157=*一个十进制数数N可以表示成：

若在数字电路中采用十进制，必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难，而且很不经济。系数基数位数权-mn-1Decimal：十进制的*（2）二进制：以二为基数的记数体制表示数的两个数码：0,1遵循逢二进一的规律（1001)B==(9)DBinary：二进制的*优缺点用电路的两个状态---开关来表示二进制数，数码的存储和传输简单、可靠。位数较多，使用不便；不合人们的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。*（3）十六进制和八进制：十六进制记数码：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A(10),B(11),C(12),D(13),E(14),F(15)(4E6)H=4162+14161+6160=(1254)DHexadecimal：十六进制的

八进制：Octal0，1，2，3，4，5，6，7，逢八进一*十六进制与二进制之间的转换：(0101

1001)B=[027+126+025+124+123+022+021+120]B=[(023+122+021+120)161+(123+022+021+120)160]B=(59)H每四位2进制数对应一位16进制数*十六进制与二进制之间的转换：(10011100101101001000)B=从末位开始

四位一组(1001

11001011

0100

1000)B=()H84BC9=(9CB48)H*八进制与二进制之间的转换：(10011100101101001000)B=从末位开始三位一组(10011

100101101001

000)B=()O01554=(2345510)O32*十进制与二进制之间的转换，可以用二除十进制数，余数是二进制数的第k0位，然后依次用二除所得的商，余数依次是K1、K2、……。转换方法（4）十进制与二进制之间的转换：整数：除基数、得余数、作系数、低到高小数：乘基数、取整数、作系数、高到低*225

余1

K0122

余0

K162

余0

K232

余1

K312

余1

K40整数转换过程：(25)D=(11001)B低高第1位靠近小数点小数转换过程：*0.875*21.7501高*21.501*21.01低(0.875)D=(0.111)B第1位靠近小数点*1.1.3二进制码数字系统的信息数值文字符号二进制代码编码为了表示字符为了分别表示N个字符，所需的二进制数的最小位数：编码可以有多种，数字电路中所用的主要是二–十进制码（BCD-Binary-Coded-Decimal码）。*

用四位二进制数表示0~9十个数码，即为BCD码。四位二进制数最多可以有16种不同组合，不同的组合便形成了一种编码。主要有：8421码、5421码、2421码、余3码等。数字电路中编码的方式很多，常用的主要是二—十进制码（BCD码）。BCD------Binary-Coded-Decimal1.1.3BCD码*BCD码用四位二进制数表示0~9十个数码。四位二进制数最多可以表示16个字符，因此，从16种表示中选十个来表示0~9十个字符，可以有多种情况。不同的表示法便形成了一种编码。这里主要介绍：8421码5421码余3码2421码首先以十进制数为例，介绍权重的概念。(3256)D=3103+2102+5101+6100个位(D0)的权重为100

，十位(D1)的权重为101

，百位(D2)的权重为102

，千位(D3)的权重为103……*十进制数(N)D二进制编码(K3K2K1K0)B(N)D=W3K3+W2K2+W1K1+W0K0W3~W0为二进制各位的权重8421码，就是指W3=8、W3=4、W3=2、W3=1。用四位二进制数表示0~9十个数码，该四位二进制数的每一位也有权重。2421码，就是指W3=2、W3=4、W3=2、W3=1。5421码，就是指W3=5、W3=4、W3=2、W3=1。*000000010010001101100111100010011010101111011110111101011100010001236789101113141551240123578964012356789403456782910123678549二进制数自然码8421码2421码5421码余3码*有权码：位权固定

(473)D

(010001110011)BCD无权码：位权不定余3码格林码表1.4.2ASCІІ码：表1.4.3*§1.2基本逻辑关系1.2.1逻辑代数与基本逻辑关系在数字电路中，我们要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称逻辑电路，相应的研究工具是逻辑代数（布尔代数）。在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（二值变量），即0和1，中间值没有意义，这里的0和1只表示两个对立的逻辑状态，如电位的低高（0表示低电位，1表示高电位）、开关的开合等。*（1）“与”逻辑(and)A、B、C条件都具备时，事件F才发生。EFABC&ABCF逻辑符号基本逻辑关系：规定:

开关合为逻辑“1”

开关断为逻辑“0”

灯亮为逻辑“1”

灯灭为逻辑“0”*F=A•B•C逻辑式逻辑乘法逻辑与AFBC00001000010011000010101001101111真值表真值表特点:

任0则0,全1则10•0=00•1=01•0=01•1=1与逻辑运算规则：*（2）“或”逻辑A、B、C只有一个条件具备时，事件F就发生。1ABCF逻辑符号AEFBC*F=A+B+C逻辑式逻辑加法逻辑或AFBC00001001010111010011101101111111真值表或逻辑运算规则:0+0=00+1=11+0=11+1=1真值表特点：

任1则1,全0则0。*（3）“非”逻辑A条件具备时，事件F不发生；A不具备时，事件F发生。逻辑符号AEFRAF1*逻辑式逻辑非逻辑反真值表AF0110真值表特点:1则0,0则1。运算规则：*（4）几种常用的逻辑关系逻辑“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。与非：条件A、B、C都具备，则F不发生。&ABCF*或非：条件A、B、C任一具备，则F不发生。1ABCF异或：条件A、B有一个具备，另一个不具备则F发生。=1ABCF同或：条件A、B相同，则F发生。=1ABCF*§1.3逻辑函数的表示法四种表示方法逻辑代数式

(逻辑表示式,逻辑函数式)

逻辑电路图:卡诺图n个输入变量种组合。真值表：将逻辑函数输入变量取值的不同组合与所对应的输出变量值用列表的方式一一对应列出的表格。111&&≥1ABY11*将输入、输出的所有可能状态一一对应地列出。n个变量可以有2n个输入状态。A

B

C

F

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1.3.1真值表列真值表的方法：一般按二进制的顺序，输出与输入状态一一对应，列出所有可能的状态。例：设计一个表决电路当ABC中两个以上为1时F为1*1.3.2逻辑函数式逻辑代数式：把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式。也称为逻辑函数式，通常采用“与或”的形式。例：ABCCBACBACBAF+++=A

B

C

F

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

真值表*1.3.3

卡诺图：最小项：构成逻辑函数的基本单元,对应于输入变量的每一种组合。

以三变量的逻辑函数为例,输入变量的八种状态分别唯一地对应着八个最小项。每变量以原变量或反变量在乘积中仅出现一次。

之所以称之为最小项，是因为该项已包含了所有的输入变量，不可能再分解*ABC000111100100100111三变量卡诺图将n个输入变量的全部最小项用小方块阵列图表示，并且将逻辑相临的最小项放在相临的几何位置上，所得到的阵列图就是n变量的卡诺图。

卡诺图的每一个方块（最小项）代表一种输入组合，并且把对应的输入组合注明在阵列图的上方和左方。*逻辑函数及其表示方法示例:解：第一步：设置自变量和因变量。

第二步：状态赋值。

对于自变量A、B、C设：同意为逻辑“1”，不同意为逻辑“0”。对于因变量L设：事情通过为逻辑“1”，没通过为逻辑“0”。一、逻辑函数的建立例1

三个人表决一件事情，结果按“少数服从多数”的原则决定，试建立该逻辑函数。第三步：根据题义及上述规定列出函数的真值表如表。*

一般地说，若输入逻辑变量A、B、C…的取值确定以后，输出逻辑变量L的值也唯一地确定了，就称L是A、B、C的逻辑函数，写作：

L=f（A，B，C…）

逻辑函数与普通代数中的函数相比较，有两个突出的特点：（1）逻辑变量和逻辑函数只能取两个值0和1。（2）函数和变量之间的关系是由“与”、“或”、“非”三种基本运算决定的。*

二、逻辑函数的表示方法1．真值表——将输入逻辑变量的各种可能取值和相应的函数值排列在一起而组成的表格。2．函数表达式——由逻辑变量和“与”、“或”、“非”三种运算符所构成的表达式。

由真值表可以转换为函数表达式。例如，由“三人表决”函数的真值表可写出逻辑表达式：

反之，由函数表达式也可以转换成真值表。

3．逻辑图——逻辑图是由逻辑符号及它们之间的连线而构成的图形。由函数表达式可以画出其相应的逻辑图。*逻辑函数式：ABCCBACBACBAF+++==AB+AC+BC&&&

FABACBC&&&&

BA

F111CABC表决电路逻辑图：ABC000111100100100111卡诺图

逻辑分析*11&&≥1ABF

逻辑电路图:AABAB+ABABB逻辑代数式：A0011B0101F0110真值表：逻辑关系：不同出1同出0异或逻辑应用实例楼道灯控制器：两开关均能控制灯的亮、灭*220VA0011B0101L1001*

本章小结1．数字信号在时间上和数值上均是离散的。2．数字电路中用高电平和低电平分别来表示逻辑1和逻辑0，它和二进制数中的0和1正好对应。因此，数字系统中常用二进制数来表示数据。3．常用BCD码有8421码、242l码、542l码、余3码等，其中842l码使用最广泛。4．在数字电路中，半导体二极管、三极管一般都工作在开关状态，即工作于导通（饱和）和截止两个对立的状态，来表示逻辑1和逻辑0。影响它们开关特性的主要因素是管子内部电荷存储和消散的时间。5．逻辑运算中的三种基本运算是与、或、非运算。6．描述逻辑关系的函数称为逻辑函。逻辑函数中的变量和函数值都只能取0或1两个值。7．常用的逻辑函数表示方法有真值表、函数表达式

、逻辑图等，它们之间可以任意地相互转换。作业:1.2.2;1.4.2

基本放大电路

图2.1.1扩音机示意图2.1.2放大电路的性能指标图2.1.2放大电路的示意图一、放大倍数二、输入电阻三、输出电阻根据图2.1.2有

输入电阻和输出电阻是影响多级放大电路连接的重要参数。图2.1.3两个放大电路的连接四、通频带

通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。图2.1.4fbw=fH-fL五、非线性失真系数六、最大不失真输出电压

当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。此时的非线性失真系数要被定义，如10%。七、最大输出功率与效率2.2基本共射放大电路的工作原理2.2.1基本共射放大电路的组成和各元件的作用图2.2.1

各元件的作用:T:有源元件,放大VBB:提供静态工作点VCC:为输出提供能量Rb:决定静态电流IBRc:将集电极电流变化转换成电压变化

输入回路和输出回路以发射极为公共点,所以称之为共射放大电路,并称公共端为“地”。2.2.2设置静态工作点的必要性一、静态工作点二、为什么要设置静态工作点图2.2.2是没有设置静态工作点的放大电路。图2.2.22.2.3基本共射放大电路的工作原理及波形分析图2.2.1图2.2.32.2.4放大电路的组成原则一、组成原则1、直流工作电源的选择要根据晶体管的类型、需要的输出电压大小。原则是要保证放大管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。2、电阻取值适当，使放大管有合适的静态工作点。3、输入信号必须能作用于放大电路的输入回路。4、当负载接入时，必须保证动态电流能作用于负载，即负载能得到比输入信号大得多的信号输出。图2.2.4二、常见的两种共射放大电路1、直接耦合共射放大电路2、阻容耦合共射放大电路图2.2.52.3放大电路的分析方法解决问题:求解静态工作点和各项动态参数。直流通路:直流电源作用下直流电流流经的通路。电容开路，电感短路，信号源短路但保留其内阻。交流通路：输入信号作用下交流信号流经的通路。容量大的电容视为短路，无内阻的直流电源视为短路。

2.3.1直流通路和交流通路

图2.3.1基本共射放大电路

图2.3.2直接耦合共射放大电路

图2.3.3阻容耦合共射放大电路2.3.2图解法利用放大管的输入、输出特性曲线和外电路特性用作图的方法对放大电路进行分析。一、静态工作点的分析图2.3.4基本共射放大电路1、输入回路（1）输入特性曲线（2）输入电路方程uBE=VBB-iBRb图2.3.5用图解法求解静态工作点和电压放大倍数2、输出回路（1）输出特性曲线（2）输出电路方程：uCE=VCC-iCRc二、电压放大倍数的分析当加入输入信号△uI时，输入回路方程为

uBE=VBB+△uI-iBRbQ点高，同样的△uI产生的△iB越大，因而Au大。Rc变化时，影响负载线的斜率，从而影响Au的大小。图2.3.6基本共射放大电路的波形分析三、波形非线性失真的分析图2.3.7基本共射放大电路的截止失真图2.3.8基本共射放大电路的饱和失真四、直流负载线和交流负载线过Q点作一条斜率为-1/(Rc∥RL)的直线即为交流负载线。

放大电路带负载后，电压放大倍数减小，最大不失真输出电压也将减小。图2.3.9五、图解法的适用范围

多适用于分析输出幅值比较大而工作频率不太高时的情况。常用来分析Q点的位置、最大不失真输出电压和失真情况。2.3.3等效电路法

在一定的条件下将晶体管的非线性特性线性化,就可应用线性电路的分析方法来分析晶体管电路。晶体管有不同的等效模型，用直流模型来分析静态工作点，用低频小信号h参数等效模型来分析放大电路的动态参数。一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算图2.3.11

在上图中,VCC=12V,Rb=510KΩ.Rc=3kΩ,晶体管的β=100,UBEQ

0.7V.

则可得IBQ

22μA,ICQ

2.2mA,UCEQ

5.35V二、晶体管共射h参数等效模型1、h参数等效模型的由来在低频小信号作用下，将共射放大电路中的晶体管看成一个双口网络b-e作为输入端口，c-e作为输出端口。如图2.3.12所示。图2.3.12可以写成关系式:

式中uBE、iC等均为各电量的瞬时总量。为研究低频小信号作用下各变化量之间的关系，对上边两式求全微分，得出：duBE代表uBE的变化部分，可以用取代。所以：2、h参数的物理意义图2.3.13(a)h11e(b)h12e(c)h21e(d)h22e3、简化的h参数等效模型图2.3.14rbe—h11eβ—h21e4、rbe的近似表达式图2.3.15因为所以由于u大于开启电压（0.5V），而常温下UT26mV。所以，代入上式可得当用以点为切点的切线代替点附近的曲线时即根据rbe的定义所以或三、共射放大电路动态参数的分析

图2.3.16

基本共射放大电路（a）交流等效电路（b）输出电阻分析1、电压放大倍数2、输入电阻Ri3、输出电阻Ro分析输出电阻，也可令其信号源电压，但保留其内阻Rs。然后在输出端加一正弦波测试信号Uo，必然产生动态电流Io，为恒压源，其内阻为0，且=0时，=0，=0，所以2.4放大电路工作点的稳定2.4.1静态工作点稳定的必要性图2.4.12.4.2典型的静态工作点稳定电路一、电路组成和Q点稳定原理图2.4.2静态工作点稳定电路

(a)直接耦合

(b)阻容耦合

(c)直流通路B点的电流方程为I2=I1+IBQ一般选择I1»IBQ所以,I2I1B点电位为T(oC)￪IcUEUBEIB

Ic

二、静态工作点的估算由UBQ可以算出IEQ

当然也可以用戴维南等效电路法来计算静态工作点,如图2.4.3所示

图2.4.3图2.4.2(c)所示电路的戴维南等效电路三、动态参数的估算

图2.4.2(b)的交流等效电路如图2.4.4(a)所示,无旁路电容时的交流等效电路如图2.4.4(b)所示。图2.4.4若没有旁路电容，则2.4.3稳定静态工作点的其它措施

上述电路用负反馈来稳定静态工作点Q,下面的方法用温度补偿方法来稳定静态工作点Q。图2.4.52.5晶体管放大电路的三种基本接法2.5.1基本共集放大电路一、电路的组成图2.5.1二、静态分析三、动态分析图2.5.2输入电阻输出电阻图2.5.3产生的从而产生的。令输入信号为0,在输出端加,则输出电阻Ro=Uo/Io,由两部分组成:在Re上产生的电流,另外是作用于基极回路2.5.2基本共基放大电路图2.5.4静态工作点:动态参数:2.5.3三种接法的比较1、共射电路对电压、电流均能放大，输入电阻值居中，输出电阻较大，频带较窄。常用作低频电压放大电路的单元电路。2、共集电路只能放大电流，不能放大电压，输出电压跟随输入电压。输入电阻最大，输出电阻最小。常用于电压放大电路的输入级和输出级，功率放大电路也常用射极输出电路。3、共基电路只能放大电压不能放大电流，输入电阻小，电压放大倍数和输出电阻与共射电路相当。频率特性最好，常用于宽频带放大电路。2、6晶体管放大电路的派生电路2.6.1复合管放大电路一、复合管的组成及电流放大系数图2.6.1复合管二、复合管共射放大电路图2.6.2阻容耦合复合管共射放大电路电压放大倍数、输入电阻和输出电阻三、复合管共集放大电路

图2.6.3阻容耦合复合管放大电路2.6.2共射—共基放大电路

图2.6.4共射--共基放大电路的交流通路2.6.3共集—共基放大电路

图2.6.5交流通路2.7场效应管放大电路2.7.1场效应管放大电路的三种接法共源、共漏、共栅放大电路图2.7.1场效应管放大电路的三种接法2.7.2场效应管放大电路静态工作点的设置方法及其分析估算一、基本共源放大电路图2.7.2图2.7.3静态工作点:UGS=VGG的曲线和符合方程uDS=VDD–iDRd的负载线的交点。也可利用场效应管的电流方程，求出IDQ。二、自给偏压电路图2.7.4三、分压式偏置电路图2.7.52.7.3场效应管放大电路的动态分析一、场效应管的低频小信号等效模型iD=f(uGS,uDS)研究动态信号作用时用全微分表示令

根据上式可以构造出场效应管的低频小信号作用下的等效模型，如图2.7.6所示。图2.7.6跨导gm可以从转移特性曲线求出；电阻rds可以从输出特性曲线求出。如图2.7.7所示。图2.7.7也可以从管子的电流方程来求gm,对增强型MOS管有:在小信号作用时,可用IDQ来近似iD,得出:二、基本共源放大电路的动态分析图2.7.8交流等效电路三、基本共漏放大电路的动态分析图2.7.9输入回路方程和场效应管的电流特性方程联立求出IDQ和UGSQ,再列输出回路方程求出管压降而动态参数为

将输入端短路,在输出端加交流电压Uo,然后求出Io,则输出电阻Ro=Uo/Io。如下图所示：图2.7.10由上图分析可知本章要求:1、掌握以下基本概念和定义：放大、静态工作点、饱和失真与截止失真、直流通路和交流通路、直流负载线与交流负载线、h参数等效模型、放大倍数、输入电阻和输出电阻、最大不失真输出电压、静态工作点的稳定。2、掌握组成放大电路的原则和各种基本放大电路的工作原理及特点，理解派生电路的特点，能够根据具体要求选择电路的类型。3、掌握放大电路的分析方法，能正确估算基本放大电