电子基础教案

1、电 子基础教案第一章 半导体基础知识本章主要内容本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。本章学时分配本章分为4讲，每讲2学时。第一讲 常用半导体器件本讲重点1、PN结的单向导电性；2、PN结的伏安特性；本讲难点1、 半导体的导电机理:两种载流子参与导电；2、 掺杂半导体中的多子和少子3、 PN结的形成；教学组织过程 本讲宜教师讲授。用多媒

2、体演示半导体的结构、导电机理、PN结的形成过程及其伏安特性等，便于学生理解和掌握。主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-310-9 W·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有

3、结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空

4、穴数相等。4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。5、杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N型（电子型）半导体；掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P型（空穴型）半导体。杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温

5、度越高，其导电能力越强。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。多子（自由电子）的数量正离子数少子（空穴）的数量在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多子（空穴）的数量负离子数少子（自由电子）的数量6、PN结的形成及其单向导电性半导体中的载流子有两种有序运动：载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。同一块半导体单晶上形成P型和N型半导体区域，在这两个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN结就形成了。当P区的电位高于N区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置），此时，PN结导通，呈现

6、低电阻，流过mA级电流，相当于开关闭合；当N区的电位高于P区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN结截止，呈现高电阻，流过A级电流，相当于开关断开。PN结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性：即当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。这正是PN结具有单向导电性的具体表现。7、PN结伏安特性PN结伏安特性方程：式中：Is为反向饱和电流；UT为温度电压当量，当T300K时，26mV当u0且u >>时，伏安特性呈非线性指数规律 ；当u0且

7、u>>时，电流基本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电性能。PN结的反向击穿特性：当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。8、PN结温度特性当温度升高时，PN结的反向电流增大，正向导通电压减小。这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。9、PN结电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定:一是势垒电容CB ，二是扩散电容CD，它们均为非线性电容。势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压

8、等因素有关。扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时，才考虑结电容的作用。第二讲 半导体二极管本讲重点1、二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路（三个常用模型）；2、稳压管稳压原理及简单稳压电路；3、二极管的箝位、限幅和小信号应用举例；本讲难点1、二极管在电路中导通与否的判断方法，共阴极或共阳极二极管的优先导通问题；2、稳压管稳压原理；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示二极管的结构、伏安特性以及温度对二极管特性的影响等

9、，便于学生理解和掌握。二极管的箝位、限幅和小信号应用举例可以启发讨论。主要内容1、半导体二极管的几种常见结构及其应用场合在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。2、二极管的伏安特性以及与PN结伏安特性的区别半导体二极管的伏安特性曲线如P7图1.9所示，处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特

10、性曲线。1）正向特性：当V0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：（1）当0VUon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。（2）当VUon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。2）反向特性：当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：（1）当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。（2）当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7 V时，主要是雪崩击穿；若VBR4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V7 V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。3）二极管的伏安特性与PN

11、结伏安特性的区别：二极管的基本特性就是PN结的特性。与理想PN结不同的是，正向特性上二极管存在一个开启电压Uon。一般，硅二极管的Uon=0.5 V左右，锗二极管的Uon=0.1 V左右；二极管的反向饱和电流比PN结大。3、温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降UD大约减小2mV，即具有负的温度系数。4、二极管的等效电路（或称为等效模型）1）理想模型：即正向偏置时管压降为0，导通电阻为0；

12、反向偏置时，电流为0，电阻为。适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。2）简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型，它用两段直线逼近伏安特性，即正向导通时压降为一个常量Uon；截止时反向电流为0。3）小信号电路模型：即在微小变化范围内，将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻rD 。这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。5、二极管的主要参数1）最大整流电流I：二极管长期工作允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。2）最高反向工作电压UBR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过

13、此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。一般取UBR值的一半。3）电流IR：二极管未击穿时的反向电流。对温度敏感。IR越小，则二极管的单向导电性越好。4）最高工作频率fM：二极管正常工作的上限频率。若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。6、稳压二极管（稳压管）及其伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。7、稳压管等效电路稳压管等效电路由两条并联支路构成：加正向电压以及加反向

14、电压而未击穿时，与普通硅管的特性相同；加反向电压且击穿后，相当于理想二极管、电压源Uz和动态电阻rz的串联。如P16图1.18所示。8、稳压管的主要参数1）稳定电压UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压。2）最大稳定工作电流IZMAX 和最小稳定工作电流IZMIN：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin对应UZmin。若IZIZmin，则不能稳压。3）额定功耗PZM：PZM UZ IZMAX ，超过此值，管子会因结温升太高而烧坏。4）动态电阻rZ：rz =DVZ /DIZ，其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向

15、特性上求取的。RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压效果愈好。5）温度系数：温度的变化将使UZ改变，在稳压管中，当êUZê7 V时，UZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿；当êUZê4 V时，UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿；当4 VêVZê7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。 9、稳压管稳压电路稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻有两个作用：一是起限流作用，以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起

16、到稳压作用。如P17图1.19所示。10、特殊二极管与普通二极管一样，特殊二极管也具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏特性可制成光电二极管。第三讲 双极型晶体管本讲重点1、BJT电流放大原理及其电流分配关系式；2、BJT的输入、输出特性；3、BJT三种工作状态的判断方法；本讲难点1、BJT放大原理及电流分配关系式；2、BJT三种工作状态的判断方法；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示三极管的结构、输入与输出特性以及温度对三极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。三极管工作状态、电位和管型的判断方法可以启发讨论。主要内容1

17、、晶体管的主要类型和应用场合双极型晶体管BJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。BJT常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。2、BJT具有放大作用的内部条件和外部条件1）BJT的内部条件为：BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结（发射结和集电结）、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。2）BJT放大的外部条件为：发射结正偏，集电结反偏。3、BJT的电流放大作用及电流分配关系晶体管

18、具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流IC，体现出IB对的IC控制作用。此时，可将IC看成电流IB控制的电流源。三个重要的电流分配关系式：IEIBIC ICIBICEOIBICIEICBOIE4、晶体管的输入特性和输出特性晶体管的输入特性和输出特性表明各电极之间电流与电压的关系。现以共射电路为例说明。1）共射输入特性：iBf (uBE)VCE=常数 如P24图1.26所示。输入特性曲线分为三个区：死区、非线性区和线性区。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特

19、性曲线。当vCE1V时，特性曲线将会向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。2）共射输出特性：iCf (uCE)iB =常数 如P25图1.27所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。对于其中某一条曲线，当vCE=0 V时，iC=0；当vCE微微增大时，iC主要由vCE决定；当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的)。因此，输出特性曲线可以分为三个区域：饱和区、截止区和放大区。3）晶体管工作在三种不同工作区外部的条件和特点工作状态NPN型

20、PNP型特点截止状态E结、C结均反偏VBVE、VBVCE结、C结均反偏VBVE、VBVCIC 0放大状态E结正偏、C结均反偏VC VB VEE结正偏、C结均反偏VC VB VEIC IB饱和状态E结、C结均正偏VB VE、VB VCE结、C结均正偏VB VE、VB VCV CEV CES5、晶体管的主要参数1）直流参数(1)共射直流电流放大系数：=（ICICEO）/IBIC/IB |，在放大区基本不变。(2)共基直流放大系数：=（ICICBO）/IEIC/IE显然与之间有如下关系： = IC/IE=IB/(1+)IB=/(1+)(3)穿透电流ICEO：ICEO=（1+）ICBO；式中ICBO相

21、当于集电结的反向饱和电流。2）交流参数(1)共射交流电流放大系数：b=DIC/DIB½，在放大区b 值基本不变。(2)共基交流放大系数：=DIC/DIE½当ICBO和ICEO很小时，a、b，可以不加区分。(3)特征频率fT ：三极管的b 值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的b 将会下降。当b下降到1时所对应的频率称为特征频率。3）极限参数和三极管的安全工作区（1）最大集电极电流ICM：当集电极电流增加时，b 就要下降，当b 值下降到线性放大区b值的7030时，所对应的集电极电流称为最大集电极电流ICM。至于b 值下降多少，不

22、同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。 （2） 最大集电极耗散功率PCM：PCM = iCuCE 。对于确定型号的晶体管，PCM是一个定值。当硅管的结温大于150、锗管的结温大于70时，管子的特性明显变坏，甚至烧坏。（3）极间反向击穿电压：晶体管某一级开路时，另外两个电极之间所允许加的最高反向电压，即为极间反向击穿电压，超过此值管子会发生击穿现象。极间反向电压有三种：UCBO、UCEO和UEBO。由于各击穿电压中UCEO值最小，选用时应使其大于放大电路的工作电源VCC。（4）三极管的安全工作区：由PCM、ICM和击穿电压V(BR)CEO在输出特性

23、曲线上可以确定四个区：过损耗区、过电流区、击穿区和安全工作区。使用时应保证三极管工作在安全区。如P28图1.29所示。6、温度对晶体管特性及参数的影响1）温度对反向饱和电流的影响：温度对ICBO和ICEO等由本征激发产生的平衡少子形成的电流影响非常严重。2）温度对输入特性的影响：当温度上升时，正向特性左移。当温度变化1时，UBE大约下降22.5mV，UBE具有负温度系数。3）温度对输出特性的影响温度升高时，由于ICEO和增大，且输入特性左移，导致集电极电流IC增大，输出特性上移。总之，当温度升高时，ICEO和增大，输入特性左移，最终导致集电极电流增大。第四讲 场效应管本讲重点 1、MOS管结构

24、原理；2、MOS管的伏安特性及其在三个工作区的工作条件；本讲难点：1、MOS管各工作区的工作条件；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示FET的结构原理、输出与转移特性等，便于学生理解和掌握。FET的工作区、管型的判断方法可以启发讨论。主要内容、效应管及其类型效应管FET是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构不同可分为两大类：结型场效应管（JFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET简称MOS管）。每一类又有N沟道和P沟道两种类型。其中MOS管又可分为增强型和耗尽型两种。2、N沟道增强型MOS管结构N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P

25、型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出两个电极，漏极D，和源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。因为这种MOS管在VGS=0V时ID=0；只有当UGSUGS(th) 后才会出现漏极电流，所以称为增强型MOS管。如P42图1.44所示。3、N沟道增强型MOS管的工作原理1）夹断区工作条件UGS=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，没有导电沟道，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零；当0UGSUGS(th时，由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动，电子向上移动，在P型硅衬底的上

26、表面形成耗尽层，仍然没有漏极电流。 2）可变电阻区工作条件当UGS> UGS(th) 时，栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道(反型层)，若D、S间加上正向电压后可产生漏极电流ID。若uDSuGS- UGS(th)，则沟道没夹断，对应不同的uGS，ds间等效成不同阻值的电阻，此时，FET相当于压控电阻。3）恒流区（或饱和区）工作条件当uDS=uGS- UGS(th) 时，沟道预夹断；若uDSuGS - UGS(th)，则沟道已夹断，iD仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，iD近似看成uGS控制的电流源，FET相当于压控流源。可见，对于N沟道增强型MOS管，栅源电压VGS对导电沟道有控

27、制作用，即当UGS> UGS(th)时，才能形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。当场效应管工作在恒流区时，利用栅源之间外加电压uGS所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流ID。此时，可将ID看成电压uGS控制的电流源。4、N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，所以当UGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如P45图1.48所示。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当UGS0时，将使ID进一步增加。UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐

28、减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，5、P沟道增强型和耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。6、场效应管的伏安特性场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。以增强型N沟MOSFET为例，输出特性：iDf (uDS)UGS =常数 反映UGSUGS(th) 且固定为某一值时，UDS对ID的影响；转移特性：iDf (uGS)UDS

29、=常数 反映UGS对漏极电流的控制关系；输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程，因此，转移特性可以从输出特性上用作图法一一对应地求出。场效应管的输出特性可分为四个区：夹断区、可变阻区、饱和区（或恒流区）和击穿区。在放大电路中，场效应管工作在饱和区。7、场效应管的主要参数：1） 直流参数（1）开启电压UGS(th)：开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。（2）夹断电压UGS(off)：夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSS：IDSS是耗尽型FET的参数，当UGS=0时所对应的漏极

30、电流。（4）直流输入电阻RGS（DC）：FET的栅源输入电阻。对于JFET，反偏时RGS约大于107；对于MOSFET，RGS约是1091015。 2） 交流参数（1）低频跨导gm：低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。（2）级间电容：FET的三个电极间均存在极间电容。通常Cgs和Cgd约为13pF,而Cds约为0.11pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。3） 极限参数（1）最大漏极电流IDM：是FET正常工作时漏极电流的上限值。 （2）漏-源击穿电压U(BR)DS：FET进入恒流区后，使iD骤然增

31、大的uDS值称为漏源击穿电压，uDS超过此值会使管子烧坏。（3）最大耗散功率PDM：可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。8、场效应管FET与晶体管BJT的比较1） FET是另一种半导体器件，在FET中只是多子参与导电，故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（BJT）。由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT。2） BJT是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故BJT的输入电阻较低；FET是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，

32、栅极几乎不取用电流，因此，FET的输入电阻很高，可以达到109014。高输入电阻是FET的突出优点。3） FET的漏极和源极可以互换使用，耗尽型MOS管的栅极电压可正可负，因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活。4） FET 和BJT都可以用于放大或作可控开关。但FET还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。本章小节本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数。现将各部分归纳如下：1、杂质半导体与PN结本征半导体中掺入不同的杂质就形成N型半导

33、体和P型半导体，控制掺入杂质的多少就可以有效地改变其导电性能，从而实现导电性能的可控性。半导体中有两种载流子：自由电子与空穴。载流子有两种有序运动：因浓度差异而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。将两种杂质半导体制作在同一块硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，上述两种运动达到动态平衡，从而形成PN结。正确理解PN结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。2、半导体二极管一个PN结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流与电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小

34、，体现出单向导电性。、和是二极管的主要参数。 特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏性可制成光电二极管。3、晶体管晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流，体现出（或、）对的控制作用。此时，可将看成为电流控制的电流源。晶体管的输入特性和输出特性表明各极之间电流与电压的关系，、 ()、和是它的主要参数。晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子工作在不同

35、工作区的外部条件。4、场效应管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道：N沟道和P沟道，而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。场效应管工作在恒流区时，利用栅一源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流。此时，可将看成电压控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线描述、和三者之间的关系。、或、和极间电容是它的主要参数。和晶体管相类似，场效应管有夹断区（即截止区）、恒流区（即线性区）和可变电阻区三个工作区域。尽管各种半导体器件的工作原理不尽相同，但在外特性上却有不少相同之处。例如，晶体管的输入特性与二极管的伏安特性

36、相似；二极管的反向特性（特别是光电二极管在第三象限的反向特性）与晶体管的输出特性相似，而场效应管与晶体管的输出特性也相似。第二章 基本放大电路本章主要内容 本章重点讲述基本放大电路的组成原理和分析方法，分别由BJT和FET组成的三种组态基本放大电路的特点和应用场合。多级放大电路的耦合方式和分析方法。 首先介绍基本放大电路的组成原则。三极管的低频小信号模型。固定偏置共射放大电路的图解法和等效电路法静态和动态分析，最大不失真输出电压和波形失真分析。分压式偏置共射放大电路的分析以及稳定静态工作点的方法。共集和共基放大电路的分析，由BJT构成的三种组态放大电路的特点和应用场合。然后介绍由FET构成的共

37、源、共漏和共栅放大电路的静态和动态分析、特点和应用场合。最后介绍多级放大电路的两种耦合方式、直接耦合多级放大电路的静态偏置以及多级放大电路的静态和动态分析。通过习题课掌握放大电路的静态偏置方法和性能指标的分析计算方法。 学时分配本章有七讲，每讲两个学时。第五讲 放大电路的主要性能指标及基本共射放大电路组成原理本讲重点1、放大的本质；2、放大电路工作原理及静态工作点的作用；3、利用放大电路的组成原则判断放大电路能否正常工作；本讲难点1、放大电路静态工作点的设置方法；2、利用放大电路的组成原则判断放大电路能否正常工作；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示放大电路的组成原理、信号传输过程和

38、设置合适Q点的必要性等，便于学生理解和掌握。判断放大电路能否正常工作举例可以启发讨论。主要内容1、放大的概念在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件（BJT或FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。2、电路的主要性能指标1）

39、输入电阻：从输入端看进去的等效电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大小。2） 输出电阻：从输出端看进去的等效输出信号源的内阻，说明放大电路带负载的能力。3） 放大倍数（或增益）：输出变化量幅值与输入变化量幅值之比。或二者的正弦交流值之比，用以衡量电路的放大能力。根据放大电路输入量和输出量为电压或电流的不同，有四种不同的放大倍数：电压放大倍数、电流放大倍数、互阻放大倍数和互导放大倍数。 电压放大倍数定义为： 电流放大倍数定义为： 互阻放大倍数定义为： 互导放大倍数定义为：注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。4）

40、最大不失真输出电压：未产生截止失真和饱和失真时，最大输出信号的正弦有效值或峰值。一般用有效值UOM表示；也可以用峰峰值UOPP表示。5）上限频率、下限频率和通频带：由于放大电路中存在电感、电容及半导体器件结电容，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的幅值会下降并产生相移。一般，放大电路只适合于放大某一特定频率范围内的信号。如P75图2.1.4所示。上限频率fH（或称为上限截止频率）：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值等于中频段的0.707倍时的频率值即为上限频率。下限频率fL（或称为下限截止频率）：在信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值等于中频段的0.707倍时的频率值即为上限频率

41、。通频带fBW：fBW = fH - fL 通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。6）最大输出功率POM与效率：POM是在输出信号基本不失真的情况下，负载能够从放大电路获得的最大功率，是负载从直流电源获得的信号功率。此时，输出电压达到最大不失真输出电压。为直流电源能量的利用率。 式中为电源消耗的功率 7）非线性失真系数D：在某一正弦信号输入下，输出波形因放大器件的非线性特性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比。即 ，式中：为基波幅值，、为各次谐波幅值；3、两种常见的共射放大电路组成及各部分作用1）直接耦合共射放大电路：信号源与放大电路、放大电路与负载之间均直接相连。适

42、合于放大直流信号和变化缓慢的交流信号。2）阻容耦合共射放大电路：信号源与放大电路、放大电路与负载之间均通过耦合电容相连。不能放大直流信号和变化缓慢的交流信号；只能放大某一频段范围的信号。如P72图2.7所示。3）放大电路中元件及作用（1）三极管T 起放大作用。（2）集电极负载电阻RC 将变化的集电极电流转换为电压输出。 （3）偏置电路VCC，Rb使三极管工作在放大区，VCC还为输出提供能量。（4）耦合电容C1，C2输入电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。4、静态工作点设置的必要性对放大电路的基本要求一是不失真，二是能放大。只有保证在交

43、流信号的整个周期内三极管均处于放大状态，输出信号才不会产生失真。故需要设置合适的静态工作点。Q点不仅电路是否会产生失真，而且影响放大电路几乎所有的动态参数。5、基本共射放大电路的工作原理及波形分析对于基本放大电路，只有设置合适的静态工作点，使交流信号驮载在直流分量之上，以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。波形分析见P74图2.8所示。 基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠将电流的变化转化为电压的变化来实现的。6、放大电路的组成原则1）为了使BJT工作于放大区、FET工作于恒流区,必须给放大电路设置合适的静态工作点，

44、以保证放大电路不失真。2）在输入回路加入ui应能引起uBE的变化,从而引起iB和iC的变化。3）输出回路的接法应当使iC尽可能多地流到负载RL中去,或者说应将集电极电流的变化转化为电压的变化送到输出端。 第六讲 放大电路的基本分析方法本讲重点1、基本放大电路静态工作点的估算； 2、BJT的h参数等效模型及放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；本讲难点1、 放大电路的微变等效电路的画法；2、放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示图解法求Q点、及分析非线形失真；用直流通路估算Q点；BJT的h参数模型建立、微变等效电路的画法及动态参数

45、计算等，便于学生理解和掌握。主要内容1、直流通路、交流通路及其画法（1）直流通路：在直流电源的作用下，直流电流流经的通路，用于求解静态工作点Q的值。（2）直流通路的画法：电容视为开路、电感视为短路；信号源视为短路，但应保留内阻。（3）交流通路：在输入信号作用下，交流信号流经的通路，用于研究和求解动态参数。（4）交流通路的画法：耦合电容视为短路；无内阻直流电源视为短路；2、放大电路的静态分析和动态分析（1）静态分析：就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，BJT或FET各电极间的电流和电压就是Q点。可用估算法或图解法求解。（2）动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。通常，利用三极管h参数等效

46、模型画出放大电路在小信号作用下的微变等效电路，并进而计算输入电阻、输出电阻与电压放大倍数。或利用图解法确定最大不失真输出电压的幅值、分析非线性失真等情况。放大电路的分析应遵循“先静态，后动态”。的原则，只有静态工作点合适，动态分析才有意义；Q点不但影响电路输出信号是否失真，而且与动态参数密切相关。3、图解法确定Q点和最大不失真输出电压 （1）用图解法确定Q点的步骤：已知晶体管的输出特性曲线族由直流通路求得IBQ 列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线在输出特性曲线平面上作出直流负载线由IBQ所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。（2）输出波形的非线性失真非线性失真包括饱和失真和截止

47、失真。饱和失真是由于放大电路中三极管工作在饱和区而引起的非线性失真。截止失真是由于放大电路中三极管工作在截止区而引起的非线性失真。放大电路要想获得大的不失真输出，需要满足两个条件：一是Q点要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；二是要有合适的交流负载线。（3）直流负载线和交流负载线 由放大电路输出回路电压方程所确定的直线称为负载线。由直流通路确定的负载线为直流负载线；由交流通路确定的负载线为交流负载线，可通过Q、B两点作出。对于放大电路与负载直接耦合的情况，直流负载线与交流负载线是同一条直线；而对于阻容耦合放大电路，只有在空载情况下，两条直线才合二为一。（4）最大不失真输出电压有效值 式中：说明

48、：当放大电路带上负载后，在输入信号不变的情况下，输出信号的幅度变小。举例：如P83例2.2图2.17所示，放大电路静态工作点和动态范围的确定。4、等效电路法求解静态工作点即利用直流通路估算静态工作点、和。其中硅管的；锗管的，无须求解；其余三个参数的求解方法为：（1）列放大电路输入回路电压方程可求得；（2）根据放大区三极管电流方程可求得；（3）列放大电路输出回路电压方程可求得；5、5、BJT的h参数等效模型（1）BJT等效模型的建立：三极管可以用一个二端口模型来代替；对于低频模型可以不考虑结电容的影响；小信号意味着三极管近似在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。（2）BJT的h参数方程及等

49、效模型 或简化为： BJT的h参数等效模型如P31图1.31所示。（3）h参数的物理意义1即rbe：三极管的交流输入电阻，对于小功率三极管可用近似公式计算如下：2电压反馈系数：反映三极管内部的电压反馈，因数值很小，一般可以忽略。3：在小信号作用时，表示晶体管在Q点附近的的电流放大系数b 。4：三极管输出电导，反映输出特性上翘的程度。常称1/为c-e间动态电阻。通常的值小于10-5S，当其与电流源并联时，因分流极小，可作开路处理。注意：h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关，在放大区基本不变。h参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析6、等效电路法求解放大电路的动态

50、参数将BJT的h参数等效模型代入放大电路的交流通路，即为放大电路的微变等效电路。放大电路的动态分析就是利用放大电路的微变等效电路计算输入电阻、输出电阻与电压放大倍数。第七讲 放大电路静态工作点的稳定本讲重点1、放大电路稳定静态工作点的原理和常用方法；2、 分压式偏置电路Q的估算； 3、 分压式偏置电路动态性能指标的计算；本讲难点1、稳定静态工作点的原理和措施；2、分压式偏置电路微变等效电路画法及动态性能指标的计算；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示稳定静态工作点的原理和常用方法、分压式偏置电路Q的估算、动态性能指标的计算等，便于学生理解和掌握。主要内容1、静态工作点稳定的必要性 静

51、态工作点不但决定了电路是否产生失真，而且还影响着电压放大倍数和输入电阻等动态参数。实际上，电源电压的波动、元件老化以及因温度变化所引起的晶体管参数变化，都会造成静态工作点的不稳定，从而使动态参数不稳定，有时甚至造成电路无法正常工作。在引起Q点不稳定的诸多因素中，温度对晶体管的影响是最主要的。2、温度变化对静态工作点产生的影响温度变化对静态工作点的影响主要表现为，温度变化影响晶体管的三个主要参数：、和。这三者随温度升高产生变化，其结果都使值增大。硅管的小，受温度影响小，故其和受温度影响是主要的；锗管的大，受温度影响是主要的。3、稳定静态工作点的原则和措施为了保证输出信号不失真，对放大电路必须设置

52、合适的静态工作点，并保证工作点的稳定。（1）采用不同偏置电路稳定静态工作点的原则是：当温度升高使增大时，要自动减小以牵制的增大。（2）稳定静态工作点可以归纳为三种方法：P89图2.21所示。（1）温度补偿；（2）直流负反馈；（3）集成电路中采用恒流源偏置技术；4、典型静态工作点稳定电路分压式偏置电路的分析 1）Q点稳定原理分压偏置电路如P90图2.22所示。稳定静态工作点的条件为：I1IB和VBUBE；此时， ，即当温度变化时，基本不变。T（）（）（因为基本不变） 静态工作点的稳定过程为： 当温度降低时，各物理量向相反方向变化。这种将输出量（）通过一定的方式（利用将的变化转化为电压的变化）引回

53、到输入回路来影响输入量的措施称为反馈。可见，在Q点稳定过程中，作为负反馈电阻起着重要的作用。典型静态工作点稳定电路利用直流负反馈来稳定Q点。2）分压式偏置电路的静态分析分压式偏置电路的静态分析有两种方法：一是戴维南等效电路法；二是估算法，这种方法的使用条件为I1IBE，或者。 3）分压式偏置电路的动态分析 动态分析时，射极旁路电容应看成短路。画放大电路的微变等效电路时，要特别注意射极电阻有无被射极旁路电容旁路，正确画出“交流地”的位置，根据实际电路进行计算即可。第八讲 共集放大电路和共基放大电路本讲重点1、共集和共基放大电路的性能指标计算；2、三种接法放大电路的特点及应用场合；本讲难点1、共集

54、和共基放大电路微变等效电路的画法；2、共集和共基放大电路微变等效电路的输入、输出电阻计算；教学组织过程 本讲以教师讲授为主。用多媒体演示三种接法电路的构成方法，便于学生理解和掌握。启发讨论三种不同接法电路各自特点及应用场合。主要内容1、三极管放大电路的基本接法三极管放大电路的基本接法亦称为基本组态，有共射（包括工作点稳定电路）、共基和共集三种。共射放大电路以发射极为公共端，通过iB 对ic的控制作用实现功率放大。共集放大电路以集电极为公共端，通过iB对iE的控制作用实现功率放大。共基放大电路以基极为公共端，通过iE对iB的控制作用实现功率放大。2、共集放大电路的组成及静态和动态分析1） 共集放

55、大电路的组成共集放大电路亦称为射极输出器如P92图2.23（a）所示，为了保证晶体管工作在放大区，在晶体管的输入回路，、与VCC共同确定合适的静态基极电流；晶体管输出回路中，电源 VCC，提供集电极电流和输出电流，并与配合提供合适的管压降UCE 。 2）共集放大电路的静态分析与共射电路静态分析方法基本相同。（1）列放大电路输入方程可求得；（2）根据放大区三极管电流方程可求得；（3）列放大电路输出方程可求得； 3）共集放大电路的动态分析共集放大电路的动态分析方法与共射电路基本相同，只是由于共集放大电路的“交流地”是集电极，一般习惯将“地”画在下方，所以微变等效电路的画法略有不同，如P92图2.23（d）所示。 3、共基放大电路的静态和动态分析1）共基放大电路的