低频 第一章.ppt

1、低频电子线路,主讲人 刘雪芳 陈梅,2,课程简介,专业基础课 40学时（低频）+20学时（高频） 由易到难：元器件、分立电路、集成电路、应用电路 先修课程：高等数学、普通物理、电路理论,3,课程要求,了解：熟知基本概念和基本原理 理解：概念清楚，原理明白，并具有分析和计算能力。 掌握：比“理解”要求更高，有的知识必须记住。,4,学习要求,复习并掌握先修课的有关内容 课堂：听讲与理解、适当笔记 课后：认真读书、完成作业 实验：充分准备、勇于实践,5,参考书,模拟电子技术基础，孙肖子、张企民编著，西安电子科技大学出版社 模拟电子技术基础，童诗白、华成英主编，高等教育出版社 电子线路：线性部分，谢嘉

2、奎主编，高等教育出版社,6,教材及辅导书,7,仿真软件,Protel Workbench Matlab Multisim,8,MULTISIM的操作界面,Multisim启动界面,9,Multisim主界面,主菜单,器件工具箱,系统工具栏,Multisim设计工具栏,仿真 开关,虚拟仪器工具箱,电路原理图编辑窗口,10,Multisim器件工具箱,电源器件工具箱,无源器件工具箱,二极管器件箱,三极管器件箱,指示器件工具箱,11,Multisim虚拟仪器工具箱,万用表,函数信号发生器,功率表,示波器,12,作业及上课,每章交一次，除第二章和第六章 每次全交，批改一半 不定期抽点名 大作业一次,第

3、 1 章,半导体器件,14,引 言,半导体器件优点：体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小等 目的：正确选用各种合适的半导体器件 本章特点：概念多，琐碎 重点及难点：器件的工作原理、特性曲线、主要参数,16,半导体的基础知识 本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流,第一章 目录,PN结与晶体二极管 PN结的基本原理 晶体二极管 二极管应用电路,特殊二极管,17,晶体三极管 晶体三极管的结构与符号 晶体管的放大原理 晶体三极管特性曲线 晶体管的主要参数,第一章 目录（续）,场效应晶体管 结型场效应晶体管（JFET） 绝缘栅场效应管（IGFET） 场效应管的参数及特点,18,第一章作业(

4、p4447),作业： 3，5，6，7(a,d,f)，10 ，12 15，16，22，24,19,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流,20,半导体,预备知识,常用半导体材料：Si、Ge、GaAs、InP、,（Semiconductor）,21,共价键结构,预备知识,每个原子和相邻的4个原子相互补足8个电子，形成稳定结构。,22,掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而 导电能力显著增强。 用途：可制作各种半导体器件，如二极管和三极管等。,预备知识,为什么要使用半导体？,热敏性：半导体的电阻率随着温度的

5、上升而明显下降，其导电能力增强。 用途：可制作温度敏感元件，如热敏电阻。,23,光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。 用途：可制作各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。,为什么要使用半导体？,预备知识,半导体为什么具备上述特性？,24,半导体的原子结构:,化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。,硅(Si),锗(Ge),本征半导体-定义,25,半导体的共价键结构,共价键,共价键中的两个价电子,原子核,本征半导体-晶体结构,26,价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电

6、的空穴。,该现象称为本征激发(热激发),本征半导体-导电机理,27,成对的电子和空穴,复 合自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子空穴成对消失。,本征半导体-导电机理,（热）温度 光 核辐射,激发,28,温度每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。,本征半导体-载流子密度,29,杂质半导体在本征半导体中掺入微量其它元素而得到的半导体。,杂质半导体可分为： N型(电子)半导体和P型(空穴)半导体两类。,30,1.N型半导体,构成：在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。,结构图,本征半导体 +施主杂质(Donor) = N型半导体,31,提供电子的磷原子因带正电

7、荷而 成为正离子。上述过程称为 施主杂质电离。 5价杂质原子又称施主杂质。,1.N型半导体,N型半导体是带负电的吗？,32,构成：在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。,结构图,2.P型半导体,本征半导体 +受主杂质(Acceptor) = P型半导体,33,接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。 上述过程称为受主杂质电离。3价杂质原子又称受主杂质。,2.P型半导体,P型半导体是带正电的吗？,34,扩散运动载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。 扩散电流载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,扩散电流大小与载流子浓度梯度

8、成正比,1.扩散运动及扩散电流,浓度分布不均匀,35,漂移运动载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。 漂移电流载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,漂移电流大小与电场强度成正比,2.漂移运动及漂移电流,36,半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。 掺入不同杂质，形成N型和P型半导体。 载流子的两种运动：电场作用下的漂移运动和浓度差作用下的扩散运动。,37,1.2 PN结与晶体二极管,1.2.1 PN结的基本原理,1.2.2 晶体二极管,1.2.3 晶体二极管应用电路举例,38,1. PN结的形成,浓度差,空间电荷区,扩散,扩散,漂移,39,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差

9、,P区的一些空 穴向N区扩散,N区的一些电 子向P区扩散,P区留下带负 电的受主离子,N区留下带正 电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,40,U：势垒电压 U= 0.60.8V 或 0.20.3V,PN结平衡,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,1.PN结的形成,空间电荷区的宽度和掺杂浓度成反比。,41,小结 载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。 漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。 PN结没有电流通过。,42,2. PN结的特性,（1） 单向导电性 （2） 击穿特性 （3） 电容特性,特性表现、特性原因、用途,43,(1)单向导电性,PN结加正向电

10、压,内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加，形成较大的扩散电流。,2. PN结的特性,加偏压时的耗尽层,流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称：,PN结正向导通状态,44,U,(1)单向导电性,PN结加反向电压,内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而少子更容易产生漂移运动 。,2. PN结的特性,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称：,PN结反向截止状态,45,小结 PN结加正向电压时，正向扩散电流

11、远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。 PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性。,46,击穿PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。,击穿不一定导致损坏。 利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,击穿电压,2. PN结的特性,（2）击穿特性,击穿分类：雪崩击穿；齐纳击穿。,47,反向电压增大,击穿特性-雪崩击穿,48,齐纳击穿(场致击穿),掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。

12、击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,(2)击穿特性,2. PN结的特性,反向电压足够高,合成电场很强,破坏共价键,产生新的电子空穴对,载流子剧增，电流增大,49,将限制器件工作频率。,(3)电容特性,2. PN结的特性,势垒电容CB,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。,50,扩散电容CD,CD 值与PN结的正向电流I成正比 。,由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。,(3)电容特性,p ：空穴寿命,n ：电子寿命,UT

13、：热电压,I:正向电流,2. PN结的特性,小结 PN结正向运用时 CB、CD同时存在，CD起主要作用 PN结反向运用时，只有CB 。,51,晶体二极管结构与符号 晶体二极管伏安特性 晶体二极管参数 晶体二极管电路分析方法 晶体二极管电路举例,52,点接触型,面结合型,平面型,符号,1. 结构与符号,53,54,伏安特性图,2. 伏安特性,曲线特征： 小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线。,主要参数： 存在门限电压Uth 锗管 Uth 0.2V 硅管 Uth 0.6V,正向特性、反向特性、击穿特性,正向特性,55,伏安特性图,主要参数： 反向饱和电流 IS,2. 伏安特性,反向特性,56

14、,伏安特性图,重要参数：UZ,2. 伏安特性,击穿特性,57,伏安特性的温度特性：,(c)击穿特性,(b)反向特性,(a)正向特性,T则Ur,T则IS ,T则UZ(雪崩击穿) T则UZ(齐纳击穿),2. 伏安特性,课本P10，公式（1-4）（1-5）,58,正向特性近似,; 时,反向特性近似,; 时,3. 伏安特性数学表达式（背过）,59,4. 主要参数,（1）性能参数,直流电阻 RD ：,定义 ：RD= U / I |Q点处 RD是 u 或 i 的函数,60,交流电阻 rd ：,（1）性能参数,势垒电容CB ： 影响器件最高工作频率,4. 主要参数,定义：,61,最大允许整流电流IOM ：

15、工作电流IOM易导致二极管过热失效 最高反向工作电压URM : 允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压 最大允许功耗PDM : 实际功耗大于PDM 时易导致二极管过热损坏,（2）极限参数,4. 主要参数,62,图解法、迭代法、折线化近似法,5.晶体二极管电路分析方法,i = f (u ),图解法,63,迭代法,据电路列方程组,5.晶体二极管电路分析方法,64, 将实际二极管的V-A特性曲线作折线化近似。,折线化近似法工程分析方法,理想特性曲线,只考虑门限 的特性曲线,V-A特性,符号,5.晶体二极管电路分析方法,65,考虑门限电压和 正向导通电阻的 特性曲线,V-A特性,符号,rd：工作点处

16、的动态电阻,折线化近似法,仅考虑正、反向 导通电阻的特性 曲线,5.晶体二极管电路分析方法,66,例1-1：半波整流电路中VD 理想，画出uO (t)波形。,输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断。,1.整流电路,解：,方法：判断二极管处于导通态还是截止态,；VD截止 ui 0V,67,全波怎么做？,68,结合图中给定的参数分析： VD1、VD2 开路时，阳极对地电位为+5V，阴极对 地电位分别为+1V、0V，,是比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。,例1-2： 图a所示二极管门电路（VD 理想） 求：uO,解：,2.门电路,分析方法：,可见VD2导通。

17、,uO = 0,69,例1-3: 限幅电路中VD 理想，求uO(t)并画出波形。,3.限幅电路,解：,；VD截止 ui 5V ；VD导通 ui 5V,负向限幅？双向限幅？,70,理解并掌握二极管的特性曲线,理解二极管的参数,掌握二极管的应用电路的分析方法,71,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压二极管,1.3.2 光电二极管,1.3.3 发光二极管,1.3.4 变容二极管,72,稳压二极管,1.V-A特性及符号,注意符号当中的“+”和“-”的标识。,利用PN结击穿区具有稳定电压的特性工作。,73,2.稳压管主要参数,稳定电压UZ：即PN结击穿电压 稳定电流IZ ： Izmin IZ IZma

18、x 动态电阻rZ ：定义rZ =u/i rZ越小，则稳压性能越好 额定功耗PZ ：实际功耗超过PZ易使稳压管损坏,74,Ur为门限电压,3.稳压管等效电路,这时稳压管 就是一只二极管,稳压管应用：稳压电路、限幅电路,75,变容二极管,(a)符号 (b)特性,变容二极管利用PN结的势垒电容效应制作 变容二极管必须工作于反偏状态。,76,1.4 晶体三极管,1.4.1 晶体三极管的结构与符号,1.4.2 晶体管的运用状态,1.4.3 晶体管的放大原理,1.4.4 晶体三极管特性曲线,1.4.5 晶体管的主要参数,77,三极管存在：两结三区三极,发射区(E区)：发送载流子 基 区(B区)：传送载流子

19、 集电区(C区)：收集载流子,基区,发射区和集 电区由于掺杂 浓度不同， 结构不同因此 不能对调使用,发射区重掺杂 基区薄 集电极面积大,78,三极管四种状态,79,1.载流子的传输过程,80,81,发射区向基区注入电子,注入电子边扩散边复合,集电区收集电子,集电结两边少子定向漂移,82,发射区向基区注入电子( IEn ) ： 发射极电流IE IEn 注入电子在基区边扩散边复合( IBn ) ： 是基极电流IB 的一部分,集电区收集扩散来的电子 ( Icn ) ： Icn构成集电极电流 IC 的主要成份 集电结两边少子定向漂移( ICBO ) ： ICBO对放大无贡献应设法减小,1. 载流子传

20、输过程（以NPN管为例）,晶体三极管又称为双极型晶体管,83,三极管放大应满足两方面条件： 外部条件：发射结正偏 集电结反偏 内部条件：薄基区 发射区重掺杂基区轻掺杂,1. 载流子传输过程（以NPN管为例）,84,2. 电流分配关系,外部电流：,内部电流：,85,2. 电流分配关系,定义,86,2. 电流分配关系,87,共射（CE）放大电路,三极管接法：共基、共射、共集,88,特点： uCE =0V时，特性曲线类似二极管V-A特性 uCE 0V时，特性曲线右移直至uCE 3V时曲线基本重合,1. 共射接法输入特性曲线,89,2. 共射接法输出特性曲线,90,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区

21、 击穿区,截止区： 对应截止状态:E结C结反偏 特点：iE =0 iC =ICBO = iB,2. 共射接法输出特性曲线,91,放大区,放大状态: E结正偏C结反偏,2. 共射接法输出特性曲线,特点1 放大特性,92,特点2： 基调(厄立)效应-UA 表现:曲线略微上斜,2. 共射接法输出特性曲线,93,2. 共射接法输出特性曲线,特点3： 穿透电流： 时的,94,饱和区,特点： 饱和现象：固定uCE ,iC基本不随iB变化 uCE控制iC ：固定iB,iC随uCE剧烈变化,2. 共射接法输出特性曲线,饱和状态: E结正偏C结正偏,95,2. 共射接法输出特性曲线,饱和区,注意： 临界饱和：

22、临界饱和电压：UCES,96,集电极-基极间反向饱和电流ICBO 集电极-发射极穿透电流ICEO 关系：ICEO=(1+ ) ICBO,1. 放大参数,2. 极间反向电流,极限电流-集电极最大允许电流ICM 极限电压-U(BR)CBO，U(BR)CEO,3. 极限参数,97,极限功率-集电极最大允许功耗PCM,安 全 工 作 区,3. 极限参数,98,ICBO 的温度特性 T 100C则ICBO 约1倍 UBEO的温度特性 T 10C则UBEO （ 对于PNP管：UEBO ）(23)mV 的温度特性 T 100C则 (0.51)%,4. 晶体管参数的温度特性,99,本节小结,记忆三极管结构符号

23、 理解外部电流关系 掌握重要参数 理解特性曲线,100,1.5 场效应晶体管,1.5.1 结型场效应晶体管（JFET）,1.5.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,1.5.5 场效应管的参数及特点,101,场效应管：利用电压产生的电场效应来控制 电流的半导体器件。,特点：体积小，重量轻等，输入阻抗高，噪声低等。,1.5 场效应晶体管,102,103,1. JFET结构与符号,P-JFET,N-JFET,104,导电沟道 两个P+区与N区形成两个PN结，夹在其中的N区是电子由源极流向漏极的通道，称为导电沟道。,2. JFET工作原理（以NJFET为例）,105,受控机理 漏极电流iD 受控于uGS

24、。,2. JFET工作原理（以NJFET为例）,106,工作原理-uGS 控制iD (uDS =C0),夹断 uGS = UGS(off),预夹断 uGD = UGS(off),2. JFET工作原理（以NJFET为例）,107,工作原理- uDS 影响 iD (uGS =C0),2. JFET工作原理（以NJFET为例）,108,2. JFET工作原理（以NJFET为例）,109,特别注意： 区别夹断与预夹断： 夹断时： uGS UGS(off) ，iD =0 预夹断时：uGD = UGS(off) (或uGS - uDS = UGS(off) ) iD 0 预夹断前：uGD UGS(off

25、) (或uGS - uDS UGS(off) ) 预夹断后：uGD UGS(off) (或uGS - uDS UGS(off) ),2. JFET工作原理（以NJFET为例）,110,（1） 输出特性曲线,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,111,输出曲线分四区：截止区 放大区 可变电阻区 击穿区,截止区： 对应夹断状态 特点：uGS UGS (off) iD=0,（1） 输出特性曲线,截止区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,112,放大区： 对应管子预夹断后的状态 特点：受控放大， iD 只受uGS控制 uGS 则iD ,放大区,（1） 输出特性曲线-放大区,3. JF

26、ET特性曲线（以NJFET为例）,113,可变电阻区： 对应预夹断前状态 特点： 固定uGS，uDS则iD近似线性 - 电阻特性 固定uDS，变化uGS则阻值变化 -变阻特性,（1） 输出特性曲线-可变电阻区,可变电阻区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,114,击穿区： 对应PN结击穿状态 特点：uDS 很大 iD急剧增加,（1） 输出特性曲线-击穿区,击穿区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,115,（2） 转移特性曲线,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,116,预夹断后转移特性曲线重合 曲线方程,（2） 转移特性曲线,3. JFET特性曲线（以NJFET为例

27、）,117,根据栅极绝缘材料分为: 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET或MOS) 金属-氮化硅-半导体场效应管(MNSFET或MNS) 金属-氧化铝-半导体场效应管(MALSFET) 根据导电沟道类型分为: N沟道和P沟道 根据是否存在原始导电沟道分为:增强型和耗尽型,特点,栅极同其余电极之间绝缘,118,1. 半导体的表面场效应,119,2. N沟道增强型MOSFET,（1） 结构与符号,120,导电沟道 uGS=0时，无导电沟道(夹断状态) uGS UGS(th)时，产生导电沟道(开启状态) 定义开启电压UGS(th) 为刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值,（2） 工作原理,2.

28、N沟道增强型MOSFET,正常工作电压,121,受控机理：漏极电流iD 受控于uGS,通过改变加在绝缘层上的电压(栅源电压)的大小来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流的目的，漏极电流iD 受控于uGS 。,（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,122,uDS0,uDSiD 近似不变,uDS=(uGS-UGS(th) 预夹断状态 uDS iD ,uDS 影响 iD ( uGS = C 0 ),uDS(uGS-UGS(th) 预夹断后,（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,123,小结： iD 受控于uGS : uGS 则 iD 直至iD =0 i

29、D 受uDS影响 : uDS则iD 先增随后近似不变 预夹断前uDS则iD 以预夹断状态为分界线 预夹断后uDS则iD 不变,（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,124,特别注意： 区别夹断与预夹断： 夹断时： uGS UGS(th) ，iD =0 预夹断时：uGD = UGS(th) (或uGS - uDS = UGS(th) iD 0 预夹断前：uGD UGS(th) (或uGS - uDS UGS(th) ) 预夹断后：uGD UGS(th) (或uGS - uDS UGS(th) ),（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,125, 输出特性曲线,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,2. N沟道增强型MOSFET,126,输出特性曲线主要分