《模拟电子技术(童诗白)》课件

1、 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 双极型晶体管双极型晶体管1.4 1.4 场效应管场效应管11.1.熟悉熟悉P P型、型、N N型半导体的基本结构及特性型半导体的基本结构及特性 ；2.2.掌握掌握PNPN结的单向导电性结的单向导电性 。 1. P 1. P型、型、N N型半导体的形成和电结构特点；型半导体的形成和电结构特点； 2. PN2. PN结的正向和反向导电特性结的正向和反向导电特性 。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识2 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识一

2、、本征半导体一、本征半导体1 1、半导体、半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 根据材料的导电能根据材料的导电能力，可以将他们划分为力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是。典型的半导体是硅硅SiSi和和锗锗GeGe，它们都是四价它们都是四价元素元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4下一页上一页章目录 硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。晶体结构是指晶体的周期晶体结构是指晶体的周期性结构。即晶体以其内部性结构。即晶体以其内部原子原子、离子离子、分子

3、分子在空间在空间作三维周期性的规则排列作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征为其最基本的结构特征3空穴空穴自由自由电子电子2 2、本征半导体的晶体结构、本征半导体的晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4（1）共价键共价键：相邻两个原：相邻两个原子共用一对最外层电子（价子共用一对最外层电子（价电子）的组合称为共价键。电子）的组合称为共价键。（2）束缚电子束缚电子：共价键中的：共价键中的价电子受共价键的束缚。价电子受共价键的束缚。（3）自由电子自由电子：共价键中的电子获得一定能量（热：共价键中的电子获得一定能量（热能）后，挣脱共价键的束缚（能）后，挣脱共价键的束缚（本征激发本征激发），形

4、成自由），形成自由电子。电子。（4）空穴空穴：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后，：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后，共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。下一页上一页章目录共价键共价键束缚束缚电子电子4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子运动方向与自由电子运动方向与空穴运动方向相反。空穴运动方向相反。3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子自 由 电自 由 电子子载流子载流子空穴空穴载流子：能够自由移动的带电粒子。载流子：能够自由移动的带电粒子。54 4、本征半导体中载流子的浓度、本征半导体中载流子的浓度 本征激发

5、本征激发：半导体在受热：半导体在受热或光照下产生或光照下产生“电子空穴对电子空穴对”的的现象称为本征激发。现象称为本征激发。 复合复合：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称为复合。为复合。 动态平衡动态平衡：在一定温度下，：在一定温度下，本征激发产生的本征激发产生的“电电子空穴对子空穴对”，与复合的，与复合的“电子空穴对电子空穴对”数目相等，达数目相等，达到到动态平衡动态平衡。在一定温度下，在一定温度下，载流子的浓度一定。载流子的浓度一定。下一页上一页章目录+4+4+4+4+4+4+4+4+46下一页上一页章目录本征半导体载流子浓度为：本征半导体载流子浓度

6、为：/(2)3/21GOEkTiinpK Te T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低，时，本征半导体中载流子的浓度比较低，导电能力差。导电能力差。Si：1.431010cm-3 Ge：2.381013cm-3 T：热力学温度；：热力学温度；k：玻耳兹曼常数（：玻耳兹曼常数（8.6310-5eV/K）；）；K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。（度有关的常量。（Si：3.871016cm-3K-3/2 ， Ge：1.761016cm-3K-3/2 ）；）；EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称：热力学零度时破坏共价键所

7、需的能量，又称禁带宽度禁带宽度 （Si：1.21eV1.21eV，Ge：0.785eV0.785eV）；）；）的浓度（的浓度（分别是自由电子和空穴分别是自由电子和空穴和和其中：其中：3cm iipn7自由电子自由电子施主离子施主离子电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子二、杂质半导体二、杂质半导体1、N型半导体型半导体下一页上一页章目录 掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入杂质元素不同，可形成掺入杂质元素不同，可形成N型半导体型半导体和和P型半导体型半导体。在本征半导体中掺入微量五价元素。在本征半导体中掺入微量五价元素。+N型半导体硅原子硅

8、原子多余电子多余电子磷原子磷原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子-自由电子自由电子 少数载流子少数载流子-空穴空穴 8受主离子受主离子电子空穴对电子空穴对空穴空穴2、P型半导体型半导体下一页上一页章目录在本征半导体中掺入微量三价元素。在本征半导体中掺入微量三价元素。 P型半导体硅原子硅原子空位空位硼原子硼原子多数载流子多数载流子-空穴空穴 少数载流子少数载流子自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴空穴910三、三、PN结结 1、PN结的形成结的形成下一页上一页章目录形成过程：形成过程：P型和型和N型半导体结合型半导体结合扩散运动扩散运动内电场建立内电场

9、建立阻碍扩散运动阻碍扩散运动促使漂移运动促使漂移运动动态平衡动态平衡形成空间电荷区形成空间电荷区PNPN结形成结形成多子浓度差多子浓度差空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层N区区P区区内电场内电场+自由电子自由电子空穴空穴11下一页上一页章目录空间电空间电荷区荷区N区区P区区+内电场内电场外电场外电场 外电场将载流外电场将载流子推入空间电荷区，子推入空间电荷区，抵消一部分空间电荷，抵消一部分空间电荷，使空间电荷区变窄，使空间电荷区变窄，削弱内电场；削弱内电场； 扩散运动增强，扩散运动增强，漂移运动减弱，平衡被漂移运动减弱，平衡被打破，扩散运动大于漂打破，扩散运动大于漂移运动；移运动； 在电源的作用

10、下，扩散运动不断进行，形成正向电在电源的作用下，扩散运动不断进行，形成正向电流，流，PN结处于导通状态。结处于导通状态。I12下一页上一页章目录空间电空间电荷区荷区N区区P区区+内电场内电场外电场外电场 外电场与内电场外电场与内电场方向一致，空间电荷区方向一致，空间电荷区变宽，内电场增强；变宽，内电场增强； 扩散运动减弱，扩散运动减弱，漂移运动增强，平衡被漂移运动增强，平衡被打破，漂移运动大于扩打破，漂移运动大于扩散运动；散运动； 漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电流很小，流很小，PN结处于截止状态。结处于截止状态。IS13(1)qukTS

11、iIe下一页上一页章目录 PN结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处于导通状态；于导通状态； PN结加反向电压，结电阻很大，反向电结加反向电压，结电阻很大，反向电流很小，处于截止状态；流很小，处于截止状态；(1)TuUSiIe其中：其中：IS：反向饱和电流；反向饱和电流； q：电子电量；：电子电量； k：玻耳兹曼常数；：玻耳兹曼常数；T：热力学温度：热力学温度.令：令：(26)TTkTUUmVq常常温温下下，则：则：14下一页上一页章目录uiOU(BR)TuUSiI e 当当uUT 时，时，当当TSuUiI 时时，a、b、当反向电压超过一定数值当反

12、向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，后，反向电流急剧增加，称之为称之为反向击穿。反向击穿。齐纳击穿齐纳击穿:雪崩击穿雪崩击穿:较高反向电压在较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个结空间电荷区形成一个强强电场电场，直接破坏共价键形成，直接破坏共价键形成“电子空穴对电子空穴对”，使得电流急剧增大；使得电流急剧增大；电子及空穴与晶体原子发生电子及空穴与晶体原子发生碰撞碰撞，使共价键，使共价键中电子激发形成自由电子空穴对。中电子激发形成自由电子空穴对。(1)TuUSiI2 半导体二极管半导体二极管1.1.了解二极管的结构和类型了解二极管的结构和类型 2.2.掌握

13、二极管的伏安特性掌握二极管的伏安特性3.3.熟悉二极管的使用方法熟悉二极管的使用方法 4 .了解发光二极管和光电二极管的性能、使用方法了解发光二极管和光电二极管的性能、使用方法 5 .熟悉稳压管的工作原理及使用方法熟悉稳压管的工作原理及使用方法 1.1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.2.二极管的主要二极管的主要参数参数 3.3.稳压管的性能、主要参数稳压管的性能、主要参数 20点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的

14、瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。如也可用来作小电流整流。如2AP1是

15、点接触型锗二极管，最大整是点接触型锗二极管，最大整流电流为流电流为16mA，最高工作频率为，最高工作频率为150MHz。金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型1.2 半导体二极管半导体二极管一、常见结构一、常见结构211.2 半导体二极管半导体二极管阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型 二极管的符号二极管的符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号

16、D平面型二极平面型二极管是集成电管是集成电路中常见的路中常见的一种形式一种形式。面接触型二极管的结构如图（面接触型二极管的结构如图（b）所示。由于这种二极管的所示。由于这种二极管的PN结面积结面积大，可承受较大的电流，但极间电大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如不宜用于高频电路中。如2CP1为面为面接触型硅二极管，最大整流电流为接触型硅二极管，最大整流电流为400mA，最高工作频率只有，最高工作频率只有3kHz。22二二、伏安特性伏安特性1 1、正向导通、正向导通iu0硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V导通压降导

17、通压降反向饱和电流反向饱和电流死死区区电电压压击穿电压击穿电压UBR锗锗伏安特性曲线20 C 80 C 开启电压：开启电压：Uon导通电压：导通电压：硅：硅：0.7 V 锗：锗： 0.2V2 2、反向截止、反向截止反向饱和电流反向饱和电流 IS反向击穿电压反向击穿电压 U（BR）3 3、温度的影响、温度的影响正向特性：正向特性：T 上升上升 ，正向压降下降，正向压降下降22.5mV，曲，曲线左移；线左移；1 C 反向特性：反向特性：T 上升上升 ，IS 增加一倍，曲线下移。增加一倍，曲线下移。 10 C 二极管是非线性元件二极管是非线性元件23三、主要参数三、主要参数1、最大整流电流、最大整流

18、电流 IF 2、最高反向工作电压、最高反向工作电压UR3、反向电流、反向电流 IR 4、最高工作频率、最高工作频率 fM 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。电流过大，结温太高而烧坏二极管。电流过大，结温太高而烧坏二极管。 二极管工作时，允许外加的最大反向电压。超过二极管工作时，允许外加的最大反向电压。超过此值，二极管可能击穿。此值，二极管可能击穿。 二极管未击穿时的反向电流。二极管未击穿时的反向电流。 IR 越小，二极管的越小，二极管的单向导电性越好。单向导电性越好。()12RBRUU 二极管工作的上限频率。二极管工作的上限频率。24四

19、、二极管的等效电路四、二极管的等效电路1 1、折线等效电路折线等效电路 二极管伏安特性具有非线性，分析电路时，常用线二极管伏安特性具有非线性，分析电路时，常用线性元件所构成的电路等效代替。性元件所构成的电路等效代替。iu0（1）理想二极管模型：正向导通压降为）理想二极管模型：正向导通压降为零，反向截止电流为零。零，反向截止电流为零。uiui25iu0uiUon（2）正向导通压降为常数（硅管）正向导通压降为常数（硅管 0.7V；锗管；锗管 0.2V），），反向截止电流为零；反向截止电流为零；uiUon26RV（1）时，DVVUIR两种等效电路：两种等效电路：onVUIR （2）2 2、微变等效电

20、路微变等效电路(:0.7,:0.2 )ioneonSUV GUVDuDiQ 在在Q点附近加上一个点附近加上一个微小微小变变化的量，则可用化的量，则可用Q点为切点的直点为切点的直线近似微小变化时的曲线。线近似微小变化时的曲线。DdDuri iu(动态电阻动态电阻)DIDU271DdDiru DDdidu (1)DTuUSDd Iedu DTIU DTuUSTIeUTdDUrI tiutRuDVU +-RuDuVDiuR幅值由幅值由rd与与R分压决定分压决定28例题例题1 1：试求输出电压试求输出电压uo。5V0VuoR12VD1D2解：解： 两个二极管存在优先两个二极管存在优先导通现象。导通现象

21、。D2导通，导通，D1截止。截止。:0.7:0.2ioneonSUVGUV :5.7:5.2ioeoSuVGuV ?29例题例题2 2： 试画出电压试画出电压uo的波形。的波形。uo+-RuiUREF+-D0-4V4VuitUREFuotUREF解：解： （1）uiUREF时，时，（2）uiUREF时，时，oREFuU oiuu 30五、稳压二极管五、稳压二极管1 1、伏安特性、伏安特性uiUZIZminiuDZ符号：符号：反向特性：反向特性：当当I IZmin时，电压变化量很小，时，电压变化量很小，312、主要参数、主要参数rZ越小，稳压效果越好；越小，稳压效果越好；（2）稳定电流）稳定电流

22、IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效）：电流小于此值时稳压效 果不好；果不好；uiUZIZminuIZM（3）额定功耗）额定功耗PZM：PZM=UZ IZM ；（4）动态电阻）动态电阻rZ：ZZZUrI （1）稳压值）稳压值UZ；ZUT （5）温度系数）温度系数：IZM-最大稳定电流最大稳定电流温度每变化温度每变化1度稳压值的度稳压值的变化量。变化量。32当稳压二极管工作在反向当稳压二极管工作在反向击穿状态下击穿状态下, ,工作电流工作电流I IZ Z在在I IZMZM和和I Izminzmin之间变化时之间变化时, ,其两端电其两端电压近似为常数，所以稳压电路压近似为常数，所以稳压电路中

23、必须串联一个电阻来限制电中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作。流，从而保证稳压管正常工作。UIDZIRIZILRLRUZ+-ZRZIIIZLLUIR RIZRUUUIRR RIZUUUminmaxZZZIII保证稳压管有稳保证稳压管有稳压效果必须：压效果必须：33六、其它类型二极管六、其它类型二极管1、发光二极管、发光二极管具有单向导电性；加正向电压时导通就发光。具有单向导电性；加正向电压时导通就发光。导通时电压比普通二极管大。电流越大，发光导通时电压比普通二极管大。电流越大，发光越强。注意不要超过极限参数。越强。注意不要超过极限参数。发光的颜色取决于所用材料。发光的颜色取决于

24、所用材料。2、光电二极管、光电二极管（自学）（自学）发光二极管符号发光二极管符号34用万用表用万用表 R*100 或或 R*1K 档，任意测量二极管的两根引档，任意测量二极管的两根引线，如果量出的电阻只有几百欧姆（正向电阻），则黑表线，如果量出的电阻只有几百欧姆（正向电阻），则黑表笔（即万用表内电池正极）所接引线为正极，红表笔（即笔（即万用表内电池正极）所接引线为正极，红表笔（即万用表内电源负极）所接引线为负极。万用表内电源负极）所接引线为负极。 用万用表判断二级管正负极：用万用表判断二级管正负极：351.了解三极管的基本结构，熟悉其放大原理；了解三极管的基本结构，熟悉其放大原理； 2.掌握三

25、极管电流分配关系，熟悉其输入、输出特性。掌握三极管电流分配关系，熟悉其输入、输出特性。1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管学习目标：学习目标：1.三极管的电流分配关系和放大原理；三极管的电流分配关系和放大原理；2.三极管的输出特性曲线和基本参数。三极管的输出特性曲线和基本参数。学习重点：学习重点：36一、晶体管的结构及类型一、晶体管的结构及类型晶体三极管又称双极晶体三极管又称双极型晶体管、半导体三型晶体管、半导体三极管、三极管等。极管、三极管等。 发射区发射区集电区集电区基区基区 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂）发射区的掺杂浓度集电区浓度集电区掺杂浓度。掺杂浓度。（2）基

26、区要制造得）基区要制造得很薄且浓度很低。很薄且浓度很低。 半导体三极管由半导体三极管由两个两个PNPN 结结构成。类型构成。类型: :NPN NPN 型和型和PNPPNP 型。型。 c集电极集电极 e发射极发射极 b基极基极NNPNPN型晶体管结构型晶体管结构 集电结集电结(Jc)发射结发射结(Je)集电极集电极37PPNPNP型晶体管结构型晶体管结构 e c bNNPNPN型晶体管结构型晶体管结构 e c bNPN型晶体管符号型晶体管符号PNP型晶体管符号型晶体管符号38二、电流分配与放大原理二、电流分配与放大原理1、内部载流子的运动规内部载流子的运动规律律 以以NPN管共射放大电路为例管共

27、射放大电路为例EcEB放大状态：放大状态：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。39（1）发射区向基区扩散自由电子）发射区向基区扩散自由电子EBRBRCEC 发射结正偏，多数载流发射结正偏，多数载流子（自由电子）的扩散运子（自由电子）的扩散运动加强；动加强； 发射区自由电子不断扩发射区自由电子不断扩散到基区形成电流散到基区形成电流IEN；IEPIEIEN 基区空穴扩散到发射区基区空穴扩散到发射区形成电流形成电流IEP； 发射极电流：发射极电流： IEIEP+IEN ；发射结发射结(Je)40EBRBRCECIEPIEIEN（2）自由电子在基区扩散和复合）自由电子在基区扩散和复合 发射结

28、自由电子浓度很发射结自由电子浓度很高，继续向集电结方向扩高，继续向集电结方向扩散；散；IBN 扩散到基区的自由电子，扩散到基区的自由电子，一部分被电源一部分被电源EB拉走，形拉走，形成电流成电流IBN；41集电结集电结EBRBRCECIEPIEIENIBN（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子发射区扩散到基区并到集电发射区扩散到基区并到集电结边缘的自由电子继续运动结边缘的自由电子继续运动到集电区，形成电流到集电区，形成电流 ICN ；集电结反偏，内电场被加集电结反偏，内电场被加强，漂移运动加强，少数强，漂移运动加强，少数载流子的运动形成电流载流子的运动

29、形成电流 ICBO ，是构成，是构成 IB 与与 IC 的一的一小部分。小部分。ICNICICBOIB42EBRBRCECIEPIEIENIBNICNICICBOIBBNCNEPIIIEI ENEPII BNEPCBOIIIBI CNCBOII CI BCBOII 2、电流分配关系电流分配关系EI BEPCBOIII CCBOEPIIIEBCIII()()43+uiEB+uIRBRCECCCBOBCBOIIII (1)CBCBOBCEOIIIIICNBII IBiBuEuEu3、晶体管的共射电流放大系数晶体管的共射电流放大系数静态（直流）：当静态（直流）：当ui为零时，为零时， uI=EB；

30、动态（交流）：动态（交流）：（1）令）令ui0，即静态，即静态定义共射直流电流放大系数：定义共射直流电流放大系数： ICEO：穿透电流。：穿透电流。CEOBII +uiEB+uIRBRCECICIB44 CBii +uiEB+uIRBRCEC（2）令）令ui0，即动态，即动态 定义共射交流电流放定义共射交流电流放大系数：大系数： iC iB+uiEB+uIRBRCECBBiI 叠叠加加动动态态电电流流基基础础上上基基极极电电流流在在CCiI 叠叠加加动动态态电电流流基基础础上上集集电电极极电电流流在在45CNEII 11或CECBOIII+uiEe+uIReRCECiBiCiE4、共基电流放大

31、系数共基电流放大系数 定义共基直流电流放大定义共基直流电流放大系数：系数：CBEIII CEii 定义共基交流电流放大系数：定义共基交流电流放大系数：46()CEBBEUif u 常常数数三、晶体管的共射特性曲线三、晶体管的共射特性曲线1、输入特性曲线输入特性曲线测量电路测量电路 ICIBRBEBECRCVVAmA +UCE +UBE0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE1VCEu470.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（2）UCE增大，曲线右移；增大，曲线右移；UCE越大，从发射区扩散到基越大，从发射区扩散到基区的自由

32、电子被区的自由电子被VB拉走的数拉走的数量越少，故要获得同样的量越少，故要获得同样的iB，就需加大就需加大uBE；（3）当）当UCE1V时，输入特性曲线重合；时，输入特性曲线重合；（1） UCE 0 时，相当于两个时，相当于两个PN结并联。曲线与结并联。曲线与PN结伏安特结伏安特性相似；性相似；482、输出特性曲线输出特性曲线uCE/ViC/mAIB=0IB=20AIB=40AIB=60A截止区截止区放放饱和区饱和区放大、截止和饱和状态三种工作状态放大、截止和饱和状态三种工作状态（1）放大区（线性区）放大区（线性区）：）：iC与与uCE无关，几乎仅仅受无关，几乎仅仅受iB控制，控制，IC= I

33、B， ic= iB ， 发射结正偏，集电结反发射结正偏，集电结反偏偏。iC=f(uCE) IB=常数常数Ci Bi 大大区区49uCE/ViC/mAIB=0IB=20AIB=40AIB=60A截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区（2）截止区：）截止区：IB0曲线以曲线以下，可靠截止下，可靠截止uBE 0V；发发射结反偏，集电结反偏射结反偏，集电结反偏。模拟电路：放大区模拟电路：放大区 数字电路：截止和饱和区数字电路：截止和饱和区（3）饱和区：）饱和区：uBE=0.7V(si)，且，且UCE UBE ，发射结发射结正偏，集电结正偏正偏，集电结正偏。iB的变化对的变化对iC影响很小，不成正比，影响

34、很小，不成正比， IC0 uGS排斥排斥SiO2附近的空穴，剩附近的空穴，剩下不能移动的离子，形成耗尽下不能移动的离子，形成耗尽层；层；衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个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，即反型层，也是型薄层，即反型层，也是ds之间的导电沟道；之间的导电沟道； 随着随着uGS增大，增大，开启电压开启电压UGS(th)：刚刚形成反型层的：刚刚形成反型层的uGS电压。电压。SDG58+NNP型衬底型衬底uDSuGSuGSU GS (th) ，uDS0 由于有导电沟道，会产由于有导电沟道，会产生漏极电流生漏极电流iD；iD 导电沟道存在电位梯度，

35、导电沟道存在电位梯度，导电沟道不均匀，沿着导电沟道不均匀，沿着sd方向逐渐变窄；方向逐渐变窄； 当当uDS= UGS UGS(th)时，导电沟道出现预夹断；时，导电沟道出现预夹断；当当uDS较大，较大， uDSUGS UGS(th)时，导电沟道出现夹断；时，导电沟道出现夹断； 此时，此时，iD的大小与的大小与uDS无关，由无关，由uGS决定，恒流区。决定，恒流区。 当当uDS较小，较小， uDS UGS UGS(th)时时,uDS增大增大,iD也增大也增大,可变电阻区；可变电阻区；SDG59()GSDDSUif u 常常数数（3 3）特性曲线与电流方程）特性曲线与电流方程输出特性曲线输出特性曲

36、线uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区夹断区夹断区预夹断轨迹预夹断轨迹60输出特性曲线输出特性曲线夹断区：夹断区：uGS 109欧。欧。uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2夹断区夹断区61输出特性曲线输出特性曲线uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区：恒流区：uDSUGS UGS(th)导电沟道出现夹断，导电沟道出现夹断，iD取决于取决于uGS ，而与，而与uDS无关无关 ；恒流区恒流区62输出特性曲线输出特性曲线可变电阻区：可

37、变电阻区： 导电沟道未夹断前，导电沟道未夹断前， ，对应不同的，对应不同的uGS， ds 间可等效不同的电阻；间可等效不同的电阻；uDS UGS UGS(th)常数（电阻）常数（电阻） DDSiuuGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可可变变电电阻阻区区63转移特性曲线转移特性曲线与电流方程与电流方程2()1GSDDOGS thuiIU UGS(th)2UGS(th)IDOuGSiD()DSDGSUif u 常常数数转移特性曲线转移特性曲线:电流方程电流方程:IDO：uGS2UGS(th) 时的时的 iD。uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V

38、)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区恒流区转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线64导电沟道是导电沟道是N型，所以衬底是型，所以衬底是P型。型。GSGSuu够高够高要产生沟道，必须加足要产生沟道，必须加足没有沟道，没有沟道，增强型：增强型：, 0 强强型型的的。时时没没有有沟沟道道，所所以以是是增增三三段段：表表0 GSu沟道。沟道。，说明是，说明是电流的方向。箭头朝里电流的方向。箭头朝里导通，导通，箭头方向说明若衬底与箭头方向说明若衬底与ND或等于源极的电位或等于源极的电位使用时衬底应接至低于使用时衬底应接至低于652 2、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 在在G的下

39、方，在的下方，在Si O2中掺入大量的正离子，中掺入大量的正离子，即使即使uGS0，也会吸引，也会吸引P中的电子形成沟道。中的电子形成沟道。-gs+NdbN+ +P型衬底型衬底uGSuDSiD 想让沟道消失，必须想让沟道消失，必须加足够负电压。加足够负电压。 夹断电压夹断电压UGS(off)：反型：反型层消失时的层消失时的uGS，为负值。，为负值。sgdb符号：符号： N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS管管的的uGS可以为正，也可以为可以为正，也可以为负负。连连通通：耗耗尽尽型型沟道沟道箭头朝里箭头朝里 N:iD66要接高电位。要接高电位。为避免电流从衬底走，为避免电流从衬底走，B)P( 沟道沟道

40、箭头朝外箭头朝外导电沟道是导电沟道是P型，所以衬底是型，所以衬底是N型型。GSGSuu够负的够负的要产生沟道，必须加足要产生沟道，必须加足没有沟道，没有沟道，增强型：增强型：, 0 P沟道沟道MOS的工作原理与的工作原理与N沟道沟道MOS完全相同，只完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同，电流方不过导电的载流子不同，供电电压极性不同，电流方向不同而已。向不同而已。iD67正电压。正电压。足够足够想让沟道消失，必须加想让沟道消失，必须加就有沟道。就有沟道。在在, 0 GSu箭头朝外箭头朝外5、VMOS管（自学）管（自学）68二、结型场效应管二、结型场效应管1 1、结构结构( (以以N

41、沟道为例沟道为例) )NP+P+三个电极：三个电极：g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。型沟道。g 栅极栅极d 漏极漏极s 源极源极-gsdN N沟道沟道-gdsP P沟道沟道符号：符号：1 1、工作原理工作原理 N沟道结型场效应管正常工作，应在沟道结型场效应管正常工作，应在uGS0，形成漏极电流，形成漏极电流iD。（1 1） uGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用耗尽层耗尽层NP+P+sdg当当uGS到一定值时到一定值时 ，沟，沟道会完全合拢。道会完全合拢。 uGS=UGS(off)夹夹断电压。断电压。 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uG

42、S ，令，令uDS =0当当uGS=0时，导电沟道最时，导电沟道最 宽。宽。当当uGS时，沟道电阻增时，沟道电阻增大。大。 VGG（uGS）70（2 2）当）当uGS为为0UGS(off)中某一值，中某一值，uDS对对iD的影响的影响NP+P+dgs VGG（uGS） VDD（uDS）iD当当uDS=0时，时， iD=0。当当uDS0且较小时，从且较小时，从ds电位依次减小，即电位依次减小，即耗尽层承受的反向电压耗尽层承受的反向电压由由ds逐渐减小，故宽逐渐减小，故宽度也沿着度也沿着ds方向逐渐方向逐渐变窄。变窄。uDS iD当当uDS=uGS uGS(off)，即，即uGD= UGS(off

43、)时，漏极的耗尽层出时，漏极的耗尽层出现预夹断。现预夹断。uDSuGSuGD71NP+P+dgs VGG（uGS） VDD（uDS）iD当当uDSuGS uGS(off) ，即即uGD UGS(off)时，漏极的耗尽层夹时，漏极的耗尽层夹断层加长。断层加长。uDS增大，电流增大，电流iD基本不变。基本不变。（3 3）当）当uGDUGS(off)时，时，uGS对对i iD的控制作用的控制作用 当当uGD UGS(off)时，当时，当uDS为常量时，为常量时，uGS的大小影响的大小影响iD的大小，也就是说，可以通过的大小，也就是说，可以通过改变改变uGS控制控制iD的大小的大小。随随uDS 的加大

44、，的加大， uGD 越来越负。越来越负。72DmGSigu 场效应管是场效应管是电压控制元件电压控制元件，用，用gm（低频跨导）来（低频跨导）来描述动态的栅源电压对漏极电流的控制作用：描述动态的栅源电压对漏极电流的控制作用：N N沟道沟道结型结型场效应管场效应管小结：小结：（1）当）当 uDS uGS uGS(off )时，导电沟道出现夹断，时，导电沟道出现夹断，iD取决于取决于uGS ，而与，而与uDS无关无关。（4） uGS0,PN 结反偏，结反偏，iG 0。733、 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线（1 1）输出特性曲线输出特性曲线可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区击穿区击穿区

45、夹断区夹断区iD(mA)uDS(V)uGS0VuGS1VuGS2VuGS3VuGS4V预夹断轨迹预夹断轨迹()GSDDSUif u 常常数数可变电阻区：导电沟道未可变电阻区：导电沟道未夹断前，夹断前，uDS与与iD线性关系，线性关系，对应不同的对应不同的uGS， ds 间可间可等效不同的电阻；等效不同的电阻；恒流区：导电沟道出现夹恒流区：导电沟道出现夹断，断，iD取决于取决于uGS ，而与，而与uDS无关无关 ；预夹断轨迹：预夹断轨迹：uDS uGS uGS(off)夹断区：夹断区：uGS UGS(off)时，导电沟道完全被夹断，时，导电沟道完全被夹断，iD0。74（2）转移特性曲线转移特性曲

46、线2()1GSDDSSGS offuiIU iD(mA)uDS(V)uGS0VuGS1VuGS2VuGS3VuGS4V0-3-12iD(mA)uGS（V）1-4-243UGS（off）IDSS恒流区的转移特恒流区的转移特性曲线近似一条性曲线近似一条()DSDGSuif u 常常数数 IDSS：饱和漏电流。：饱和漏电流。uGS=0时，时，产生预夹断后的漏极电流；产生预夹断后的漏极电流；1.15 1.1675三、场效应管的主要参数三、场效应管的主要参数1、直流参数直流参数（1）开启电压开启电压UGS(th)： 增强型增强型MOS管的参数管的参数（2）夹断电压夹断电压UGS(off)： 结型场效应管

47、和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管的参数管的参数（3）饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：耗尽型管，在耗尽型管，在UGS0时产生预时产生预夹断后的漏极电流夹断后的漏极电流P 49 图图1.4.13 场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性76DSDmGSUigu 常常数数2、交流参数交流参数（4）直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC): 栅源电压与栅极电流之比。结型管大于栅源电压与栅极电流之比。结型管大于107，MOS 管大于管大于109。（1）低频跨导低频跨导gm：表示表示uGS对对iD控制作用的强弱控制作用的强弱uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS

48、2iDuGSuGSiDiDuGS某点切线某点切线斜率斜率3、极限参数极限参数（2）极间电容极间电容： 场效应管的三个极之间均存在极间电容。高频电路中，场效应管的三个极之间均存在极间电容。高频电路中，考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率fM是综合考是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。（1）最大漏极电流最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。（2）击穿电压击穿电压：U (BR)DS：管子进入恒流区后，使管子进入恒流区后，使iD骤然增大的骤然增大的uDS。U

49、 (BR)GS：结型管：使栅极与沟道间结型管：使栅极与沟道间PN结反向击穿的结反向击穿的uGS。 MOS管：使绝缘层击穿的管：使绝缘层击穿的uGS。78（3）最大耗散功率最大耗散功率PDM： PDM决定管子允许的温升。决定管子允许的温升。 PDM确定后，可在管子确定后，可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线，再根据由的输出特性曲线上画出临界最大功耗线，再根据由IDM和和U(BR)DS可得到管子的安全工作区。可得到管子的安全工作区。四、四、MOS管使用注意事项管使用注意事项2 2、在使用场效应管时，要注意漏源电压、漏源电、在使用场效应管时，要注意漏源电压、漏源电流及耗散功率等，不要超过规定的

50、最大允许值。流及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。1 1、保存、保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空；管应使三个电极短接，避免栅极悬空；79 MOSMOS场效应管的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但在使场效应管的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但在使用上却带来新的问题用上却带来新的问题 由于输入阻抗高，当带电荷物体一旦靠近栅极时，在栅极感应由于输入阻抗高，当带电荷物体一旦靠近栅极时，在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄放掉，电荷的累积造成了电压的出来的电荷就很难通过这个电阻泄放掉，电荷的累积造成了电压的升高，尤其是在极间电容比较小的情况本下，少量的电荷就会产生升高，尤其是在极

51、间电容比较小的情况本下，少量的电荷就会产生较高的电压，以至管子还没使用或者在焊接时就已经击穿或者出现较高的电压，以至管子还没使用或者在焊接时就已经击穿或者出现指标下降的现象，特别是指标下降的现象，特别是MOSMOS管，其绝缘层很薄，更易击穿损坏。管，其绝缘层很薄，更易击穿损坏。 保存保存MOSMOS管应使三个电极短接，避免栅极悬管应使三个电极短接，避免栅极悬空空80易受静电影响易受静电影响不受静电影响不受静电影响静电影响静电影响较小较小较大较大噪声噪声电压输入电压输入电流输入电流输入输入量输入量电压控制电流源电压控制电流源电流控制电流源电流控制电流源控制控制 多子参与导电多子参与导电多子与少子

52、同时参与多子与少子同时参与导电导电导电载流子导电载流子 单极型场效应管单极型场效应管双极型三极管双极型三极管几十到几千欧几十到几千欧输入电阻输入电阻几兆欧以上几兆欧以上三个电极三个电极发射极与集电极不能发射极与集电极不能互换使用互换使用漏极与源极可以互换漏极与源极可以互换使用使用五、场效应管与晶体管的比较五、场效应管与晶体管的比较81晶体管噪声晶体管噪声 在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。晶体管噪声是晶体管的重要参数。 晶体管按工作原理可分为两大类，一类是双极型晶体管；另一类是单极型晶体管,即场效应

53、晶体管（FET）。 双极型晶体管的噪声按物理来源通常分为四类：热噪声、散粒噪声、配分噪声和1/f噪声。 热噪声热噪声 晶体管的基区或各项电阻上载流子的不规则热运动产生的电流起伏，即为热噪声。由于热噪声频谱是均匀分布的，又称为白噪声。 散粒噪声散粒噪声 晶体管中少数载流子通过发射极基极结注入到基区时,少数载流子的数目和速度都有起伏,引起通过结的电流的微小变化。同时，少数载流子在基区内的不规则运动，包括所产生的复合过程也将引起电流起伏，这些都属于晶体管的散粒噪声。散粒噪声与频率无关。 配分噪声配分噪声 在晶体管基区中，发射极电流的一部分变为集电极电流，另一部分变为基极电流，有一个由空穴电子复合作用

54、而定的电流分配系数。复合现象本身同样受到热起伏效应的影响，因此分配系数不是恒定的。它的微小变化也会引起集电极电流的起伏，这就是晶体管的配分噪声。 参考资料：参考资料：82 1/f 噪声噪声 在晶体管噪声频谱(图)中，低频时噪声急剧上升,呈1/fn关系。随工艺条件、表面处理和环境气氛等的不同，n取12之间,故常称为1/f噪声。低频噪声产生的原因和机理很复杂,尚待深入研究。 噪声系数噪声系数 晶体管的噪声系数有多种定义方法。常用输入信噪比与输出信噪比的相对比值作为晶体管的噪声系数,即 。噪声系数通常以分贝为单位来表示。降低晶体管噪声的主要途径是提高截止频率和降低基区电阻。场效应晶体管噪声场效应晶体

55、管噪声 FET的噪声源一般有三项:热噪声、感应栅噪声和1/f噪声。FET的热噪声主要来源于沟道电阻、栅电阻和源串联电阻。感应栅噪声是因为沿沟道的噪声电压起伏通过电容耦合到栅极上感应出的电荷变化而出现的噪声电流。由于沟道的热噪声和感应栅噪声都是由相同的噪声电压在沟道中引起的，因而它们之间有部分相关性。FET噪声频谱与双极型晶体管类似。减小FET噪声的主要途径是提高跨导,减小栅电容和降低寄生电阻RS和Rg值。由于由于FET是多数载流子器件是多数载流子器件,从原理上讲，比双极型晶体管工作频率高，噪声从原理上讲，比双极型晶体管工作频率高，噪声系数低。系数低。83第二章第二章 基本放大电路基本放大电路

56、2.1放大的概念和放大电路的主要性能指标放大的概念和放大电路的主要性能指标一、放大的概念一、放大的概念 将微弱的电信号（电压或电流）放大成将微弱的电信号（电压或电流）放大成的电信的电信号。放大的对象为变化量。号。放大的对象为变化量。能量的控制与转换。能量的控制与转换。不失真不失真:输出量和输入量始终保持线输出量和输入量始终保持线性关系）性关系） 84二、放大电路的性能指标二、放大电路的性能指标放大电路的输入电阻放大电路的输入电阻Ri、输出电阻、输出电阻Ro 。断开时的输出电压。断开时的输出电压。载电阻载电阻是空载输出电压，即负是空载输出电压，即负LoRU 同一个的放大电路，在幅值相同但频率不同

57、的同一个的放大电路，在幅值相同但频率不同的 下，下， 也会不同。也会不同。iUoU信号源由信号源由 和内阻和内阻RS串联组成，串联组成， 是放大电路的输入电压；是放大电路的输入电压； 是放大电路的输出电压。是放大电路的输出电压。iUsUoU放大电路不包放大电路不包括负载电阻括负载电阻1.示意图示意图输入电流输入电流输出电流输出电流85 放大倍数放大倍数输入电阻：从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电阻：从放大电路输入端看进去的等效电阻。2.放大电路的性能指标：放大电路的性能指标： 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标，其放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标，其值为输出量与输入

58、量之比。值为输出量与输入量之比。电压放大倍数：电压放大倍数：iouuuUUAA电流放大倍数：电流放大倍数：ioiiiIIAA互阻放大倍数：互阻放大倍数：iouiIUA互导放大倍数：互导放大倍数：ioiuUIA iiiIUR重点重点 放大电路是信号源的负载。放大电路是信号源的负载。Ri越大，加到放大电路的输越大，加到放大电路的输入电压入电压 越大，信号电压越大，信号电压 在内阻上的损失越小。在内阻上的损失越小。iUSU放大电路放大电路信号源信号源86输出电阻输出电阻 任何放大电路从输出端向左看都可以等效任何放大电路从输出端向左看都可以等效成一个有内阻的电压源，其中的内阻称为成一个有内阻的电压源，

59、其中的内阻称为输输出电阻出电阻Ro。 Ro可以从放大电路本身来计算，可以从放大电路本身来计算，也可以通过实验室测量出也可以通过实验室测量出Uo ，U o和和RL由下式由下式计算：计算：LoooooLLoRUURURRRU 1 输出电阻输出电阻Ro越小，负载电阻越小，负载电阻RL变化时，变化时，Uo的变化越小，放大的变化越小，放大电路的带负载能力越强。电路的带负载能力越强。在多级放大电路中：在多级放大电路中： 后一级放大电路是前一级的负载，即放大电路后一级放大电路是前一级的负载，即放大电路的的Ri2是放大是放大电路电路的负载电阻。而前一级放大电路是后一级的信号源，即的负载电阻。而前一级放大电路是

60、后一级的信号源，即放大电路放大电路是放大电路是放大电路的信号源，其内阻为的信号源，其内阻为Ro1。放大电路放大电路87通频带通频带非线性失真系数非线性失真系数 通频带用于衡量放通频带用于衡量放大电路对不同频率信号大电路对不同频率信号的放大能力。的放大能力。LHbwfff 通频带通频带 二极管、三极管和场效应管是非线性元件，若输入信号幅值二极管、三极管和场效应管是非线性元件，若输入信号幅值太大，经过放大电路后输出电压会产生非线性失真。太大，经过放大电路后输出电压会产生非线性失真。输出波形输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D。