低频模拟电路第一章

1、半导体器件2 半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 载流子运动方式及形成电流载流子运动方式及形成电流 PNPN结与晶体二极管结与晶体二极管 PNPN结的基本原理（结的基本原理（掌握掌握） 晶体二极管（特性、参数）（晶体二极管（特性、参数）（掌握掌握） 晶体二极管应用电路晶体二极管应用电路内容提要3 晶体三极管晶体三极管 晶体三极管的结构与符号晶体三极管的结构与符号 晶体管的放大原理（晶体管的放大原理（掌握掌握） 晶体三极管特性曲线（晶体三极管特性曲线（掌握掌握） 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 场效应晶体管场效应晶体管 结型场效应晶体管（结型场效应晶体

2、管（JFETJFET） 绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（IGFETIGFET） 场效应管的参数及特点场效应管的参数及特点 内容提要（续）4v作业：作业： 1-3 1-5 1-6 1-7(a)(d)(f) 1-10 1-12 1-15 1-16 1-22 1-2351.1 半导半导体体的基础知识的基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流载流子的运动方式及形成的电流6v 半导体：半导体： 导体 : 电阻率小于10-3cm； 绝缘体:大于108cm 半导体:介于导体和绝缘体之间 半导体特性：半导体特性： 掺杂性掺杂性：掺杂后其电

3、阻率大大地下降。晶体管 热敏性热敏性：电阻率随着温度的上升而明显下降。热敏元件 光敏性：光敏性：电阻率随着光照的增强而明显下降。光敏元件 半导体半导体介于导体和绝缘体之间半导体特性半导体特性掺杂性 热敏性 光敏性1.1.1 本征半导体7v纯净的、不含杂质纯净的、不含杂质的半导体的半导体1.1.1 本征半导体84 本征激发产生的本征激发产生的 价电子受热或受光照价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为脱原子核的束缚，成为自由电自由电子子（带负电），同时共价键中（带负电），同时共价键中留下一个带正电的留下一个带正电的空穴空穴。本征激发产生的本征激发

4、产生的1.1.1 本征半导体94 在热激发下，本征半导体中存在在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒两种能参与导电的载运电荷的粒子子( (载流子载流子) )：成对的电子和空穴成对的电子和空穴：自由电子回到共价自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子键结构中的现象。此时电子- -空穴成对消失。空穴成对消失。1.1.1 本征半导体10自由电子和空穴自由电子和空穴成对产生成对产生的同时，又的同时，又不断复合不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目半导体中载流子便维持一定的数目。1.1.1 本

5、征半导体11v杂质半导体分杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类vN型半导体 1.1.2 杂质半导体半导体掺少量掺少量5价元素价元素12电子电子 正离子对正离子对施主杂质原子电离施主杂质原子电离 电子电子 空穴对空穴对 热激发热激发 载流子载流子1.1.2 杂质半导体半导体 N型半导体中型半导体中电子电子为多数载流子为多数载流子(多子），多子）， 空穴空穴为少数载流子（少子为少数载流子（少子）。）。呈电中性呈电中性 13v P型半导体型半导体 掺少量掺少量3价元素价元素1.1.2 杂质半导体半导体14 空穴空穴 负离子对负离子对受主杂质原子电离受主杂质原子电离 空穴空穴 电子对电子对 热激发

6、热激发 载流子载流子 P型半导体中型半导体中空穴空穴为多数载流子为多数载流子(多子），多子）， 电子电子为少数载流子（少子）。为少数载流子（少子）。1.1.2 杂质半导体半导体呈电中性呈电中性 15v 扩散运动及扩散电流扩散运动及扩散电流扩散运动扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。1.1.3 载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比浓度差浓度差 扩散运动扩散运动 扩散电流扩散电流扩散力16v 漂移运动和漂移电流漂移运动和漂移电流 漂移运动漂移运动

7、：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。漂移电流漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。1.1.3 载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 漂移电流大小与电场强度成正比漂移电流大小与电场强度成正比电位差电位差 漂移运动漂移运动 漂移电流漂移电流电场力171.2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管1.2.1 PN结的基本原理结的基本原理1.2.2 晶体二极管晶体二极管1.2.3 晶体二极管应用电路举例晶体二极管应用电路举例18v PN结的形成结的形成1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理191.2.1 PNPN结基本原理结基本原理PNPN结平衡结平衡 U U阻止多子继续阻

8、止多子继续扩散，同时有利少扩散，同时有利少子定向漂移子定向漂移U：势垒电压势垒电压U= 0.60.8V（Si） 或或 0.20.3V（Ge）20扩散扩散交界处的浓度差交界处的浓度差P区的空穴要区的空穴要向向N区扩散区扩散N区的电子要区的电子要向向P区扩散区扩散P区留下带负区留下带负电的受主离子电的受主离子N区留下带正区留下带正电的施主离子电的施主离子内建电场内建电场漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流PN 结结动态平衡动态平衡1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理211.2.1 PN结基本原理结基本原理小结小结n 载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互

9、相矛盾。相矛盾。n 漂移运动漂移运动=扩散运动时，扩散运动时，PN结形成且处于动态平结形成且处于动态平 衡状态。衡状态。 PN结没有电流通过。结没有电流通过。n 若若P区和区和N区掺杂浓度相同，则区掺杂浓度相同，则 ; 若为若为P+N结，则结，则 。NPxxPNxx22v PN结特性结特性 单向导电性 击穿特性 电容特性1.2.1 PN结基本原理结基本原理23v 单向导电性单向导电性 PN结加正向电压结加正向电压流过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。该状态称为PN结正向结正向导通状态。导通状态。PN正向运用 1.2.1 PN结基本原理结基本原理24 PN结加反向电压

10、结加反向电压流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称为PN结反向结反向截止状态。截止状态。PN反向运用 1.2.1 PN结基本原理结基本原理 (单向导电性:续)25小结小结n PN结加正向电压时，正向扩散电流结加正向电压时，正向扩散电流 远大远大于漂移电流，于漂移电流，PN结导通；结导通；PN结结 加反向电压加反向电压时，仅有很小的反向饱时，仅有很小的反向饱 和电流和电流IS,考虑到考虑到IS 0，则，则PN结截止。结截止。n PN结正向导通、反向截止的特性称结正向导通、反向截止的特性称PN结结的单向导电特性。的单向导电特性。1.2.1 PN结基本原理结基本原理

11、 (单向导电性:续)26击穿击穿：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。击穿分类：击穿分类：雪崩击穿；齐纳击穿。击穿电压：击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:UZ)1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理v 击穿特性击穿特性 27v 电容特性 PN结存在电容效应，限制器件工作频率。分类：分类：势垒电容CB ；扩散电容CD 1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理28BB0/()CCUU由势垒区内电荷存储效应引起。由势垒区内电荷存储效应引起。CB值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。值随外加

12、电压的改变而改变，为非线性电容。CB0为外加电压为零时的势垒电容，为外加电压为零时的势垒电容，U为为PN结的结的外加电压（加反向电压时外加电压（加反向电压时UIOM易导致二极管过热失效易导致二极管过热失效最高反向工作电压最高反向工作电压URM:允许加到二极管允许加到二极管(非稳压管非稳压管)的最高反向电压的最高反向电压最大允许功耗最大允许功耗PDM :实际功耗实际功耗PDM 时易导致二极管过热损坏时易导致二极管过热损坏 1.2.2 晶体二极管晶体二极管 ( (主要参数主要参数: :续续) )极限参数极限参数43（1 1）图解法）图解法iRUuUi1.2.31.2.3晶体二极管电路分析方法晶体二

13、极管电路分析方法RUQDIDU外电路管子特性U44) 1(TDUUSDeIIRIUUDD（2 2）迭代法）迭代法RUUIIIUUDDSDTD)/(1)/(ln外电路管子特性非线性电路 非线性解 迭代法45（3 3）折线化近似法）折线化近似法 将实际二极管的伏安特性曲线作折线化近似。将实际二极管的伏安特性曲线作折线化近似。理想特性曲线理想特性曲线只考虑门限只考虑门限的特性曲线的特性曲线伏安特性伏安特性符号符号46（3 3）折线化近似法）折线化近似法考虑门限电压和考虑门限电压和正向导通电阻的正向导通电阻的特性曲线特性曲线伏安特性伏安特性符号符号rd：工作点处的动态电阻：工作点处的动态电阻仅考虑正、

14、反向仅考虑正、反向导通电阻的特性导通电阻的特性曲线曲线47 1.2.3 晶体二极管应用电路举例晶体二极管应用电路举例核心问题：核心问题：如何判断二极管是处于导通或是截止状态？如何判断二极管是处于导通或是截止状态？ 1 1，整流电路，整流电路 )(0)(iOtutu；VD截止截止 ui 0V；VD导通导通 ui 0V48（b）（a）方法：比较各二极管的正向开路电压，方法：比较各二极管的正向开路电压， 正向开路电压最大的二极管抢先导通。正向开路电压最大的二极管抢先导通。2，门电路，门电路 1.2.3 晶体二极管应用电路举例晶体二极管应用电路举例VD2导通导通493 3，限幅电路，限幅电路 1.2.

15、3 晶体二极管应用电路举例晶体二极管应用电路举例 V5)()(iOtutu；VD截止截止 ui 5V；VD导通导通 ui 5V50晶体二极管电路分析举例V5 . 2Ou511.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1 稳压管稳压管1.3.2 光电二极管光电二极管1.3.3 发光二极管发光二极管1.3.4 变容二极管变容二极管52V-A特性及符号利用利用PN结击穿特性结击穿特性工作于反偏状态反偏状态（反向电压需达到一定程度）（反向电压需达到一定程度）1.3.1 稳压管稳压管53稳压管主要参数稳定电压稳定电压UZ：即即PN结击穿电压结击穿电压稳定电流稳定电流IZ ：Izmin IZ IEp ， 因此发射

16、极电流 IE IEn 。 形成复合电流IBn，它是基极电流IB 的主要成分。形成ICn，构成集电极电流 IC 的主要成份。集电结两边 少子漂移ICBO ,该电流对放大作用没有贡献且受温度影响很大，应设法减小。1.4.3 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续发射区向基区注入电子集电区收集电子注入电子边扩散边复合67v 三极管各级电流三极管各级电流 1.4.3 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续EnEIIBnCnEnIIIBCEIIICBOBnBIIICBOCnCIII68v 电流分配关系电流分配关系 1.4.3 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续定义：定义：Bn

17、CnEIII基区复合电流量传输到集电极的电流分ECnEEIIII发射极电流量传输到集电极的电流分1CBIIECII169v 电流分配关系电流分配关系 1.4.3 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续CBOECIIICBOEBIII)1 (CBOBEIII)1 ()1 (CBOBCIII)1 (70v 放大作用放大作用 1.4.3 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理 : :续续待放大信号待放大信号ui发射结信号发射结信号uBE基极电流基极电流iB放大的集电极电流放大的集电极电流iC放大输出信号放大输出信号uCE71v共射接法共射接法输入特性曲线输入特性曲线1.4.4 晶体三极管特性曲

18、线晶体三极管特性曲线),()(1CEBEuBEBuufufiCE常数特点：特点： uCE =0V时，特性曲线类似二时，特性曲线类似二极管极管V-A特性特性uCE 0V时，特性曲线右移直时，特性曲线右移直至至uCE 3V时曲线基本重合时曲线基本重合721.4.4 晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线: :续续v共射接法共射接法输出特性曲线输出特性曲线),()(2BCEiCECiufufiB常数731.4.4 晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续曲线分为四区：曲线分为四区：截止区截止区 放大区放大区 饱和区饱和区 击穿区击穿区截止区截止区截止区：截止区： 三极管状态三极管状态:E结、结

19、、C结反偏截止态结反偏截止态 特点：特点：0uBE0 UDDiD uDS uDS uDS UDDUGGdgsiD 0iD=C=C 0 0初始初始沟道沟道UDDUGGdgsiD = 0预夹断预夹断uGD = UGS(off) iD 0iD UDDUGGdgsiD 901.5.1 结型管JFET :工作原理续 工作原理工作原理-uGS GS 控制控制iD D ( (uDS DS =C=C 0)0) uGS UDDUGGdgsiD iD 夹断夹断uGS = UGS(off) UDDUGGdgsiD 0初始初始沟道沟道UGGdgsiD UDDiD uGS uGS UDDUGGdgsiD =0iD =

20、0预夹断预夹断uGD = UGS(off) 911.5.1 结型结型场效应管JFETv 特性曲线（特性曲线（N-JFETN-JFET管为例管为例）v 输出特性曲线输出特性曲线指uGS为参变量，iD随uDS变化的关系曲线),(1DSGSDuufi921.5.1 结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续输出曲线分四区：输出曲线分四区： 截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区截止区：截止区： 对应夹断状态对应夹断状态 特点：特点：uGS = = UGS (off) ) iD=0=0 U UGSGS ( (off)off)931.5.1 结型结型场效应管JFET:特性曲线

21、续特性曲线续输出曲线分四区：输出曲线分四区： 截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区可可变变电电阻阻区区预夹断预夹断轨迹线轨迹线可变电阻区：可变电阻区： 对应预夹断前状态对应预夹断前状态 特点：特点： uDS 则则iD近似线性近似线性 - - 电阻特性电阻特性 uDS变化则阻值变化变化则阻值变化 -变阻特性变阻特性 941.5.1 结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续输出曲线分四区：输出曲线分四区： 截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区放大区放大区预夹断预夹断轨迹线轨迹线放大区：放大区： 对应管子预夹断对应管子预夹断 后夹断前的状态后

22、夹断前的状态 特点：受控放大特点：受控放大 uGS 则则 iD 951.5.1 结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续输出曲线分四区：输出曲线分四区： 截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区击击穿穿区区U UGSGS ( (off)off)击穿区：击穿区： 对应击穿状态对应击穿状态 特点：特点：uDS 很大很大 iD急剧增加急剧增加 961.5.1 结型管JFET :工作原理续小结：小结： iD D 受控于受控于uGSGS : : uGS GS 则则 iD D 直至直至iD D =0=0 JFET JFET管随管随uGSGS值的增加经预夹断至夹断状态值的增加经预

23、夹断至夹断状态 iD D 受受uDSDS影响影响 : : uDSDS 则则iD D 先增随后近似不变先增随后近似不变 预夹断前预夹断前uDSDS 则则iD D 以预夹断状态为分界线以预夹断状态为分界线 预夹断后预夹断后uDSDS 则则iD D 不变不变97v 转移特性曲线转移特性曲线1.5.1 结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续指uDS为参变量，iD随uGS 变化的关系曲线),(2DSGSDuufi夹断电压夹断电压uGS(off)饱和漏饱和漏电流电流IDSS预夹断后转移特性曲线重合预夹断后转移特性曲线重合曲线方程曲线方程 条件条件 DSoffGSGSuUu)(02)()1 (off

24、GSGSDSSDUuIi981.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管IGFETv 概念概念 特点：特点：栅极同其余电极之间绝缘栅极同其余电极之间绝缘 分类：分类：MNSFET MALSFET NMOS MOSFET PMOS 增强型增强型增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型991.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管IGFETv 结构与符号结构与符号 ( (以增强型以增强型NMOSNMOS管为例管为例) )PMOSFETNMOSFET1001.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管IGFETv 工作原理工作原理 导电沟道：导电沟道：uGS=0=0时，无时，无导电通道导电通道( (夹断状态夹断状态) ) uGS UGS(

25、th)时，产生时，产生导导电沟道电沟道( (开启状态开启状态) ) 定义定义开启电压开启电压UGS(th)为刚开始出现为刚开始出现反型层反型层（或刚（或刚产生产生导电通道）导电通道） 时的栅源控压时的栅源控压UDDUGG1011.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管 :工作原理续 工作原理工作原理-uDS 影响影响 iD (uGS =C 0)uGSUGS(th)开启状态开启状态iD 0uDSiD 近似不变近似不变uGD=UGS(th)预夹断预夹断状态状态uDS iD gggdddUGGUGGUGGUDDUDDUDDiDiDiD102v 特性曲线特性曲线（增强型增强型NMOSNMOS管为例管为例） 输出

26、特性曲线输出特性曲线指uGS 为参变量，iD随uDS变化的关系曲线),(1DSGSDuufi1.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管=103 11.5.2 绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续输出特性曲线主要分三区：输出特性曲线主要分三区： 截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区U UGSGS ( (th)th)截止区截止区放大区放大区可可变变电电阻阻区区1041.5.2 绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续截止区：截止区： 对应夹断状态对应夹断状态特点：特点：uGS = UGS (th) ,iD=0 1051.5.2 绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续可变电阻区：可变电阻区： 对应预夹断

27、前状态对应预夹断前状态 特点：特点： uDS 则则iD近似线性近似线性 - - 电阻特性电阻特性 uDS变化则阻值变化变化则阻值变化- - 变阻特性变阻特性1061.5.2 绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续放大区：放大区： 对应管子预夹断后夹断前对应管子预夹断后夹断前的状态的状态 特点：特点：受控放大受控放大uGS 则则 iD 107小结：小结： iD 受控于受控于uGS : uGS 则则 iD ， iD 受受uDS影响影响 : uDS 则则 iD 先增随后近似不变先增随后近似不变 预夹断前预夹断前uDS 则则iD 以预夹断状态为分界线以预夹断状态为分界线 预夹断后预夹断后uDS 则则iD

28、不变不变1.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管 :工作原理续108预夹断后转移特性曲线重合预夹断后转移特性曲线重合曲线方程曲线方程 条件条件 DSthGSGSuUu)(02)()(thGSGSpDUuKi 转移特性曲线转移特性曲线指uDS 为参变量，iD随uGS变化的关系曲线),(2DSGSDuufi1.5.2 绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续开启电压开启电压UGS(th)109v 衬调效应（衬调效应（增强型增强型NMOSNMOS管为例管为例） 1.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管 uBS 0 0且且uBS 00时时iD 受控于受控于uBS 的特性的特性 衬调效应又称衬调效应又称背栅效应，体效应背栅

29、效应，体效应uBSgdsbUGGUDD110v 耗尽型耗尽型NMOSNMOS管管1.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管存在存在原始导电原始导电沟道沟道的的FETFET管管uGS =0时管子内已时管子内已有的导电通道有的导电通道111转移特性转移特性输输出出特特性性112v PMOS管特点特点: : 导电载流子为空穴导电载流子为空穴 uGS (uDS )电压极性及电压极性及iD电流流电流流 向与向与NMOSNMOS管相反管相反1.5.2 绝缘栅绝缘栅场效应管v FETFET管特性汇总表管特性汇总表1131.5.3 场效应管工作状态的分析场效应管工作状态的分析如何确定场效应管是否工作在放大区呢？如何确定场效应管是否工作在放大区呢？判断的原则：判断的原则： 判别场效应管的类型和其是否导通？判别场效应管的类型和其是否导通？ GSGS(off )uU GS(th)orUGSGS(off )uU GS(th)orU对于对于N沟道，沟道， 对于对于P沟道，沟道， 1141.5.3 场效应管工作状态的分析场效应管工作状态的分析 判别场效应管工作于放大区还是可变电阻区？判别场效应管工作于放大区还是可变电阻区？场效应管工作在放大区的条件是：场效应管工作在放大区的条件是：对于对于N沟道要求：沟道要求：对于对于P沟道要求：沟道要求： DSGSGS(off )