大学课件-模拟电子技术(全套)

1、第2章 半导体二极管及其基本电路2.1 半导体基本知识2.2 PN结2.3 半导体二极管2.4 二极管基本电路的分析方法 2.5 稳压二极管 2.6 其它类型二极管 2.7 二极管的选择与简易检测本章学习目的和要求1. 了解半导体的导电特性；2. 熟悉PN结的形成及其单向导电性；3. 掌握半导体二极管的伏安特性及主要参数；4. 学会在实际中判断、测试和选择二极管；5. 熟悉半导体二极管的基本应用，能用理想二极 管模型分析二极管电路；6. 熟悉常用的一些特殊二极管的特性及应用。2.1 半导体基本知识2.1.1 本征半导体 2.1.2 杂质半导体 物体按其导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体。

2、 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间， 其电阻率在(10-2109) cm范围内。典型半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电特性： 热敏特性 半导体的温度升高时，其导电能力显著增强。 光敏特性 半导体受到光照射时，其导电能力显著增强。 掺杂特性 纯净的半导体中掺入微量杂质，半导体的导电能 力将大大增强 图2.1.1 硅和锗的原子结构模型 2.1.1 本征半导体纯净而且结构完整的单晶半导体称为本征半导体 。1.本征半导体中的共价键结构图2.1.2 硅晶体的空间排列图2.1.3 硅共价键结构平面示意图 运载电荷的粒子称为载流子。半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。 2. 本征

3、半导体中的两种载流子空穴共价键中的空位。电子-空穴对由于热激发而产生的自由电子和空穴对。 半导体在外部能量激励下(主要是热激发)，产生电子空穴对的现象称为本征激发。 图2.1.4 本征半导体中的电子-空穴对 空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。 在外电场力作用下，带负电的自由电子和带正电的空穴，由于所带电荷极性不同，它们的运动方向相反，因此本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和。 自由电子在运动过程中与空穴相遇时就会填补空穴，这种现象称为复合。 图2.1.5 载流子在电场力作用下的运动2.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的

4、导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 1. N型半导体（电子型半导体） 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 N型半导体中自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 五价杂质原子可以提供自由电子，称为施主原子。因带正电荷而成为正离子。图2.1.6 N型半导体 2. P型半导体（空穴型半导体） 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时

5、，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 由于三价原子中的空位吸引电子，起着接受电子的作用，使杂质原子成为负离子，故称三价杂质原子为受主原子。图2.1.7 P型半导体 3. 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106倍/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/c

6、m3 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主原子、受主原子 2.2 PN结 2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结的伏安特性 2.2.4 PN结的反向击穿 2.2.5 PN结的电容效应 采用掺杂工艺，通过扩散作用，将一块N型(P型)半导体(通常是硅或锗)的局部掺入浓度较大的三价(五价)元素，使其局部成为P型(N型)半导体。 P型半导体和N型半导体的交界面将形成一个空间电荷区，称为PN结。 PN结具有单向导电特性和电容效应。 2.2.1 PN结的形成漂移运动在电场作用引起的载流子的运动。

7、 载流子作漂移运动所形成的电流称为漂移电流。扩散运动由载流子浓度差引起的载流子的运动。 载流子作扩散运动所形成的电流称为扩散电流。图2.2.1 PN结的形成 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 2.2.2 PN结的单向导电性 当外加电使压PN结中P区电位高于N区电位，称为加正向电压（PN结正向偏置）；反之称为加反向电压（PN结反向偏置）。 1. 外加正向电压， P

8、N结导通 低电阻 大的正向扩散电流 高电阻 有很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流，用Is表示。 2. 外加反向电压， PN结截止 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。 由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。2.2.3 PN结的伏安特性PN结V-I 特性表达式：其中IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K） 2.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一

9、定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 1. 势垒电容CB 2.2.5 PN结的电容效应 电荷的空间积累和消散就是电容效应。PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频特性和开关特性。2. 扩散电容CD图2.2.5 PN结的扩散电容PN结的结电容是扩散电容CD和势垒电容CB的综合反映。 2.3 半导体二极管2.3.1 二极管的常见结构2.3.2 二极管的伏安特性2.3.3 二极管的主要参数 将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。 由P区引出的电极称为正极或阳极，用字母A表示；由N区引出的电极称为负极或阴极，用字

10、母K表示。 2.3.1 二极管的常见结构适用于低频整流电路集成电路图2.3.2 半导体二极管的结构适用于高频电路和数字电路 图2.3.5 二极管正向特性测试电路 图2.3.6 二极管反向特性测试电路2.3.2 二极管的伏安特性二极管伏安特性的测试电路：2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示：图2.3.3 硅二极管2CP10的伏安特性 图2.3.4 锗二极管2AP15的伏安特性2.3.2 二极管的伏安特性图2.3.4 锗二极管2AP15的伏安特性 1.正向特性（右图第段） 门坎电压（开启电压或死区电压）： 硅二极管Vth=0.5V; 锗二极管Vth=0.1V 正向导通电压：

11、 硅二极管VD=0.7V； 锗二极管VD=0.2V 2. 反向特性（右图第段） 反向饱和电流IS 3. 反向击穿特性（右图第段） 反向电压增加到一定值VBR时，反 向电流剧增，二极管反向击穿。 在室温附近，温度每升高1 ，正向压降VD减小22.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。 2.3.3 二极管的主要参数1直流参数最大整流电流IF最高反向工作电压VRM 反向电流IR 直流电阻RD 正向电压降VF 2交流参数(1) 交流电阻rd rd是指在Q点附近电压变化量VD与电流变化量ID之比，即(2) 极间电容Cd Cd=CD+CB(3) 最高工作频率fM2.3.3 二极管的主要参数2.4 二

12、极管基本电路的分析方法2.4.1 二极管电路的图解分析法2.4.2 二极管电路的简化模型分析法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂。常用的是较为简单的图解分析法和简化模型分析法。每一种分析法都有其优缺点，都有其相应的适用条件和适用范围。 2.4.1 二极管电路的图解分析法图解分析法比较简单，但是必须已知二极管的V -I 特性曲线。例2.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。解：由电路的KVL方程，可得 即 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 交点Q的坐标值（VD，I

13、D）即为所求。Q点称为电路的工作点1. 二极管的简化模型 将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型 2.4.2 二极管电路的简化模型分析法图2.4.3 二极管的理想模型（2）恒压降模型（3）折线模型（4）小信号模型vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。vs =Vmsint 时（VmVT 。 2二极管基本电路分析示例（1）整流电路 利用二极管的单向导电性，将正、负交替变的交流电变换成单向脉动的直流电，这一过程称为整流。 常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。在整流电路中，输入交流电压的峰值一般比二极管的导通电压大得多，二极管常常可以看

14、做是理想二极管。 例2.4.2 由二极管构成的单向半波整流电路如图2.4.9(a)所示，D为理想二极管，设输入为工频交流电，电源变压器副边电压有效值V2=20V，频率f=50Hz。试画出输出电压的波形，并计算输出电压的平均值。 例2.4.2 由二极管构成的单向半波整流电路如图2.4.9(a)所示，D为理想二极管，设输入为工频交流电，电源变压器副边电压有效值V2=20V，频率f=50Hz。试画出输出电压的波形，并计算输出电压的平均值。解：采用二极管的理想模型。在v2的正半周，二极管D导通，相当于短路，输出电压vO=v2；在v2负半周，二极管D截止，相当于开路，输出电压vO=0，变压器副边电压和输

15、出电压如图2.4.9(b)所示。该电路输出只剩下输入信号的半个周期，因此称为半波整流电路。 半波整流电路简单，输出电压低，输出波动大，整流效率低，损失半周期的信号。适用于小电流低要求场合 。 设输入电压v2 = sint， 则输出电压在周期内平均值： (2) 限幅电路 限幅电路的作用是利用二极管在正向电压超过阈值电压Vth时导通，使信号的幅值电压限制在一定范围内。 例2.4.3 图2.4.10所示为二极管限幅电路，R=1k，VREF=2V，二极管为硅二极管，输入信号为vI。 1) 若vI为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型和折线模型计算电流ID和输出电压VO。 2) 若vI=10si

16、nt(V)，分别采用理想模型、恒压降模型和折线模型求输出电压的波形。 例2.4.3 图2.4.10所示为二极管限幅电路，R=1k，VREF=2V，二极管为硅二极管，输入信号为vI。 1) 若vI为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型和折线模型计算电流ID和输出电压VO。 2) 若vI=10sint(V)，分别采用理想模型、恒压降模型和折线模型求输出电压的波形。 解：1)二极管采用理想模型，假设先断开二极管D，判断二极管阳极电位和阴极电位的大小。如果二极管阳极电位高于阴极电位，则二极管导通；反之，则二极管截止。 断开二极管后，二极管阳极电位为5V，阴极电位为2V，二极管导通。输出电流为

17、采用恒压降模型，由于VIVREF + VD，二极管导通。 VD=0.7V，则输出电压为 ： Vo= VREF+VD=2+0.7=2.7(V)输出电流为 采用折线模型，VIVREF + Vth，二极管导通。Vth=0.5V，设导通电流为2mA,VD=0.7V，输出电流为 则：输出电压为 VO=VREF=2(V) 输出电压为 Vo= VREF+Vth+IDrD=2+0.5+0.00227100=2.727(V) 2) 采用理想模型： 当VIVREF时，二极管导通，相当于短路，VO=VREF。 采用恒压降模型：当VIVREF+VD时，二极管反偏截止，相当于开路，回路无电流，VO=VI；当VIVREF

18、+VD时，二极管导通，相当于短路，VO=VREF+VD，输出电压被限制在VREF+VD，波形上部被削去。 采用折线模型：当VIVREF+Vth时，二极管导通，VO=VREF+Vth+ IDrD，输出电压被限制在VREF+Vth+ IDrD附近 本例说明，理想模型易得近似结果，电源电压不很大时，有可见误差；恒压降模型结果较为接近，误差比明显降低。而折线模型则能提供更为合理更为准确的结果。正确选择器件的模型，是电子电路工作者需要掌握的基本技能。 （3）钳位电路 其作用是使整个信号电压进行直流平移。 图（a）为一种简单的二极管钳位电路。若输入电压vi=Vmsint，波形如图(b)。将二极管视为为理想

19、二极管，电容初始电压为零，试画出电容C两端电压vC波形和输出电压vO的波形。 （4）低压稳压电路 利用二极管的正向曲线很陡的伏安特性设计的稳压电路，可以获得较好的稳压性能。 设低电压稳压电路如图（a）所示。合理选取电路参数，对于硅二极管，可以获得输出电压vO(=VD)近似等于0.7V，若采用几只二极管串联，则可获得1V以上的输出电压。 图2.4.13 低电压稳压电路 （5）开关电路 例2.4.5 二极管开关电路如图（a）所示。利用二极管理想模型，求：当viA、viB、viC分别为0V或5V时，viA、viB、viC的值不同组合情况下，输出电压vO的值。 解： 当输入电压viA=viB=viC=

20、5V时，二极管均截止，输出电压vO=5V；当viA、viB、viC中有一个为0V、其余都为5V时，输入电压为0V的那个二极管导通，其他二极管截止，输出vO=0.7V。 利用二极管的单向导电可接通或断开电路，做成开关电路。这在数字电路中得到广泛的应用。 图2.4.14 二极管开关电路 电路只有输入全为高电平5V时，输出才为高电平5V；只要其中一个输入端输入为低电平(0V)，输出就为低电平（0.7V）。这就是数字电路中与门电路。 表2.4.1 与门电路输入输出电压状态表viA/V viB/V viC/V二极管工作状态vO/VD1D2D30 0 00 0 50 5 00 5 55 0 05 0 55

21、 5 05 5 5导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止导通导通截止截止导通截止导通截止导通截止导通截止0.70.70.70.70.70.70.75（6）小信号工作情况分析 二极管处于正向偏置且vDVT时，可以利用小信号模型分析二极管电路。但要特别注意微变电阻rd与静态工作点Q有关。一般首先分析电路的静态工作情况，求得静态工作点Q；其次，根据Q点算出微变电阻rd；然后，根据小信号模型交流电路模型，求出小信号作用下电路的交流电压、电流；最后与静态值叠加，得到完整的结果。 例2.4.6 在图2.4.15(a)所示的二极管电路中，VDD=5V，R=5k,恒压降模型的VD=0.7V，交流信号

22、vS=0.1sint(V)。试求： 1) 输出电压vO的交流量和总量； 2) 绘出vO的波形。 例2.4.6 在图2.4.15(a)所示的二极管电路中，VDD=5V，R=5k,恒压降模型的VD=0.7V，交流信号vS=0.1sint(V)。试求：1) 输出电压vO的交流量和总量； 2) 绘出vO的波形。解： 1) 根据叠加原理，将两个电压源VDD 和vS的作用分别单独考虑，得到相应的电路模型如图2.4.15(b)和(c)。 图2.4.15(b)中只有直流分量，称为直流通路，它反映了电路的直流工作情况即静态情况。 (c)称为交流通路，电路中只有交流分量，只反映电路的交流(动态)工作情况。据图(b

23、)，二极管导通，故电路的静态工作点为VD=0.7V, ID=(VDDVD)/R=(5V-0.7V)/5 k=0.86mA输出电压的直流分量为 VO= ID R =0.86mA5 k=4.3V 图2.4.15所以输出电压的总量为 vO= VD +vo=4.3+0.0994sint(V) 2) 输出电压vO 的波形如图(d)所示，输出的交流量叠加在直流量上。 直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在以后放大电路的分析中非常重要。2.5 稳压二极管2.5.1 稳压二极管的伏安特性2.5.2 稳压二极管的主要参数2.5.3 稳压二极管的稳压电路 稳压二极管简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范

24、围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。 2.5.1 稳压二极管的伏安特性 稳压管内部的杂质浓度比较高，空间电荷区易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿。 VZ： 稳压管的稳定电压，是测试电流IZT下的电压值。VZ0：过Q点(测试工作点)的切线与横轴的交点，切线的 斜率为1/rZ。其中，rZ=VZIZIZmin和IZmax：稳压管正常稳压状态的最小和最大工作电流。 VZ= VZ0+ rZIZ 稳压管的稳压作用在于，电流增量IZ很大，却只引起很小的电压变化VZ。 1.稳定电压VZ4. 动态电阻rZ规定电流下稳压管的反向击穿电压。rZ

25、=VZ /IZ 3.额定功耗 PZmax2.稳定电流 IZmax 和 IZmin5.温度系数2.5.2 稳压二极管的主要参数=VZT 2.5.3 稳压二极管稳压电路图2.5.2 简单并联型稳压电路限流电阻R：使稳压二极管DZ工作在稳压区，即IZminIZIZmax，同时保护稳压二极管不会过流损坏。该电路负载RL与稳压管两端并联，因而称为并联式稳压电路。 1.稳压原理（1）设输入电压VI发生变化，负载电阻不变： VIVO(VZ)IzIRVRVO正常稳压时 VO =VZ(2)若输入电压VI不变， 负载电阻RL变小:利用稳压二极管的电流调整作用，通过限流电阻R上的电压 变化进行补偿，实现稳压的目的；

26、稳压管的击穿特性越陡，稳压性能越好；限流电阻R越大，稳压性能越好；有差调节系统。2.限流电阻的确定要使：IZminIZIZmax。 由电路得：RminRRmax 例2.5.2 稳压二极管组成的稳压电路如图2.5.2所示。图中限流电阻R=2k，输入电压VI=20V，稳压二极管的稳定电压VZ=8V，最大稳定电流IZmax =25mA，负载电阻RL=2k，动态电阻rd可忽略。试求：(1) 输出电压VO、负载电流IL、IR及流过稳压管的电流IZ；(2) 当VI降低为15V时的VO、IL、IR及IZ的值。解： 1) 先判断DZ是否击穿： 设DZ断开，则 则稳压管工作于稳压状态VO=VZ=8V 满足条件I

27、ZminIZIZmax，结果正确。图2.5.2 2) 当 时 稳压管未击穿，不满足稳压条件，则：2.6 其他类型二极管2.6.1 变容二极管2.6.2 肖特基二极管2.6.3 光电二极管2.6.4 发光二极管2.6.5 激光二极管2.6.1 变容二极管变容二极管利用PN结的电容效应工作，工作于反向偏置状态。变容二极管的电容量与外加反向电压有关，反向电压小时，结电容大，反向电压大时结电容小，表现为一个压控电容器。 2.6.2 肖特基二极管肖特基势垒具有和PN结类似的单向导电性。与PN结二极管相比，肖特基二极管是依靠多数载流子导电的，由于消除了少子的存储效应，因而具有良好的高频特性。肖特基二极管的

28、导通电压和反向击穿电压均比PN结低0.2V。 当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特基二极管。2.6.3 光电二极管 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，是把光信号转换成电信号的光电传感器。管壳上的玻璃窗口用来接受外部的光照。 发光二极管在反向电压下受到光照而产生的电流称为光电流。 光的强度越大，反向电流也就越大，特性曲线下移，呈线性关系，是一组与横坐标轴平行的曲线。 光照强度一定时，光电二极管可等效成恒流源，能够把光信号转换成电信号，成为光电传感器，广泛应用于遥控、报警及光电传感器中。 图(b)，光电二极管外加正向

29、电压，和普通二极管特性相同。 图(c)是在有光照条件下，光电流和光照强度呈线性关系，电阻R将电流的变化转换成电压的变化，即vR=iR。 图(d) ，当电阻R一定时，光照强度越大，电流i也就越大，R上获得的能量也愈大，此时光电二极管作为微型光电池。2.6.4 发光二极管 发光二极管(Light Emitting Diode)简称LED。 LED伏安特性与普通二极管相似，但正向导通电压较大；正偏导通时发光，光亮度随电流增大而增强，工作电流典型值10mA；反向击穿电压一般大于5V，为安全起见一般工作在5V以下。 LED主要用作显示器件 ，如电源指示灯，七段数码管等。图2.6.6 发光二极管 LED另

30、一重要用途是将电信号变为光信号。 发光二极管发射电路通过光缆驱动一光电二极管电路。在发射端一个05V的脉冲信号，通过500的电阻作用于LED，这个驱动电路可使LED产生一数字光信号，并作用于光缆。在接收端，传送的光耦合到光电二极管，以至在接收电路的输出端复原为05V电平的数字信号。图2.6.7 光电传输系统 把LED和光电器件组合起来可以实现光电耦合。发光二极管D1发出的光强度按照输入信号的规律变化，光电二极管D2接收到光信号后，还原为按照输入信号规律变化的电信号输出，从而实现信号的光电耦合。光电耦合器2.6.5 激光二极管 激光二极管是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过

31、抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，PN结发射出光来并与光谐振腔相互作用，进一步激励从结上发射出单波长的光。同时，光在光谐振腔中产生振荡并被放大，形成激光。 2.7 二极管的选择和简易测试1.二极管的选择按照具体使用场合确定二极管类型。 若用于整流电路，由于工作电流大、反向电压高，而工作频率不高，故选用整流二极管； 若用于高频检波，由于高频电压值一般不大，只有1V的数量级，所以要求导通电压小、工作频率高而电流不大，故应该选用点接触型锗管； 若用于高速开关电路，则须选用开关速度足够的开关二极管。(2) 尽量选用反向电流小、正向压降小的管子。 (3) IF、VRM是保证

32、二极管安全工作的重要参数，选用时要留有足够的裕量。2. 二极管的识别和简易检测 二极管外壳标记有箭头、色点和色环三种方式，箭头方向或靠近色环的一端为负极，有色点的一端为正极。若不能由标记来判断，通常利用万用表来检测正、负极性。（1）二极管的模拟 (指针式)万用表检测法 图2.7.1 模拟万用表检测二极管正向电阻将万用表置于Rlk挡，调零后将两表笔跨接于二极管的两端引脚，读取电阻值，然后将表笔位置互换再读一次电阻值，正常情况下应分别读得大、小两个电阻值。由于模拟万用表置欧姆档的黒表笔连接表内电池的正极，红表笔连接表内电池的负极，因此测得较小电阻时，与黑表笔相接的一端就是二极管正极。 图2.7.2

33、 模拟万用表检测二极管反向电阻(2) 二极管的数字万用表检测法将数字万用表置二极管( )档，将两表笔跨接于二极管的两端引脚，读显示值。然后将表笔位置互换再读一次，应分别显示0.20.7V范围内的某数值或超量程。显示的0.20.7V是二极管的正向压降，由于数字万用表的红表笔接表内电池正极，黑表笔接表内电池负极，所以此时与红表笔相接的就是二极管的正极。示值0.2V左右的为锗管，示值0.50.7V的为硅管。若两次测量都显示超量程，说明二极管内部已经断路；若都显示0，则二极管内部已经短路。本章小结 1半导体有电子和空穴两种载流子参与导电。本征半导体的载流子由本征激发产生，自由电子和空穴成对出现、浓度较

34、低、导电能力较差。本征半导体中掺入五价元素杂质成为N型半导体，电子是多子，空穴是少子；掺入三价元素杂质成为P型半导体，空穴是多子，电子是少子。多子由掺杂产生，浓度很大且基本不受温度影响。杂质半导体中的少子由本征激发产生，其浓度随温度升高而增加，导电性能对温度敏感。 2PN结由P型半导体和N型半导体相结合而形成，也称耗尽区、势垒区或阻挡层，是构成各种半导体器件的核心，其主要特性是单向导电性。当反偏电压超过反向击穿电压时，PN结反向击穿。PN结存在电容效应，在高频电路中必须考虑其影响。 3普通二极管本质上是PN结，具有PN结的伏安特性，其理论表达式为硅管死区电压为0.5V，导通电压为0.7V，锗管

35、死区电压为0.1V，导通电压为0.2V。温度升高时，反向电流增加，死区电压和导通电压减小。可用二极管构成整流、限幅、钳位、开关、低电压稳压等电路。二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向电流和最高工作频率。 4二极管是非线性器件，工程应用中采用理想模型、恒压降模型、折线模型、小信号模型等四种简化模型来分析二极管电路。对于直流和大信号工作电路，应采用理想模型或恒压降模型；当二极管回路的 当信号很微小而且有正向导通的静态偏置时，才采用小信号模型。指数模型主要在计算机仿真模型中 用。 5稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，构成稳压管稳压电路，必使之工作于反向击穿区，并串接限流电阻，

36、使稳压管电流IZ满足IzminIzIzmax。 6. 其他类型二极管如变容二极管，肖特基二极管，光电、发光和激光二极管等都具有非线性的特点。变容二极管用在高频电路中作压控电容；肖特基二极管内部是金属半导体结，导通电压0.4V，适于高频高速电路；发光二极管使用时加正向电压并串接限流电阻，典型工作电流为10mA左右；光电二极管使用时加反向电压，其反向电流将随光照强度变化而变化；将发光器件和光电器件组合，可以实现信号的光电耦合和光传输。第4章 场效应管放大电路 4.1 场效应管 4.2 场效应管放大电路场效应管利用电场效应来控制载流子运动。依靠半导体多数载流子导电工作，又称为单极型晶体管。具有输入阻

37、抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、 制造工艺简单、便于集成等优点。场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)简称场效应管。 本章学习目的和要求 熟悉场效应晶体管(JFET和MOSFET)的基本 结构及工作原理；2. 掌握场效应管的伏安特性，熟悉其主要参 数,并能依据特效参数正确选用场效应管； 掌握场效应管放大电路的小信号模型分析 法，会分析场效应管基本放大电路； 会分析比较场效应管放大电路与晶体管基本 放大电路的异同点，熟悉场效应管基本放大 电路的频率特性。4.1 场效应管4.1.1 金属-氧化物-半导体场效应管4.1.2 结型场效应管4.1.3 场效应管的主

38、要参数 4.1.4 各种场效应管的特性比较4.1.5 场效应管使用注意事项 4.1 场效应管 按基本结构分为两大类：金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)和结型场效应管(JFET) 。 从载流子的带电极性来看:有N沟道FET和P沟道 FET。 按照导电沟道形成机理的不同，MOSFET又可分为增强 型(简称E型)和耗尽型(简称D型)两种。 MOSFET有四种：N沟道增强型MOS管(E型NMOS管)、 N沟道耗尽型MOS管(D型NMOS管)、 P沟道增强型MOS管(E型PMOS管)、 P沟道耗尽型MOS管(D型PMOS管)。 JFET都是耗尽型的，也有N沟道和P沟道两种。 4.1.1 金属-氧

39、化物-半导体（MOS）场效应管 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)，是由金属(铝)、氧化物(二氧化硅)及半导体材料构成的，简称MOS管，又称绝缘栅场效应管 (IGFET)。1. N沟道增强型MOS场效应管 (1) 结构漏极 d源极 S栅极 g 图4.1.1 N沟道增强型MOSFET结构图L ：沟道长度W ：沟道宽度tox ：绝缘层厚度1. N沟道增强型MOS场效应管 (1) 结构图4.1.1 N沟道增强型MOSFET(2) 工作原理1) vGS对iDS的控制作用 时，没有导电沟道， 时，在电场作用下，出现N型沟道。这时如果加上电压vDS，将会产生漏极电流。 使沟道刚刚形成时的栅源电压

40、vGS称为开启电压VT。 vGS 越大，导电沟道越厚，沟道电阻越小。2) vDS对iDS的影响 靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGSVT，导电沟道形成 。vDSID沟道电位梯度 当vDS增加到vGD=vGS-vDS =VT时，漏极一端的沟道厚度为零，在紧靠漏极处出现预夹断。整个沟道呈楔形分布。预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变。 vGSVT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT时的iD V-I 特性：图4.1.3 N沟道增强型MOS管的输出特性 2）转移特性饱和区内，iD受vDS的影响很小，所以不同vDS下的转移特性基本重合。 转移特性是指漏源电压vDS一定时，漏极

41、电流与栅源电压之间的关系： 图4.1.4 N沟道增强型MOS管的转移特性(3) 特性曲线() 沟道长度调制效应实际输出特性曲线在饱和区会略向上倾斜，即vSD增加时，iD会略有增加。这是因为vDS对沟道长度L的调制作用，常用沟道长度调制参数对描述输出特性的公式进行修正。 L的单位为m2. N沟道耗尽型MOS场效应管 (1) 结构和工作原理 SiO2绝缘层中掺入大量正离子。在正离子的作用下，即使vGS=0，也会在P型衬底上感应出电子，形成N型沟道，此时只要加上正的vDS，就会产生电流iD。 图4.1.5 N沟道耗尽型MOS场效应管 当vGS0时，沟道变宽，沟道电阻减小，iD增加。当vGS 0，vG

42、S=0或vGS (vGS VP)时的转移特性 耗尽型MOS管特性曲线分为截止区、可变电阻区和饱和区。N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为负值。N沟道增强型MOS管的开启电压VT为正值。 耗尽型MOSFET的电流方程：截止区，vGS VP，0vDSVP，vDS vGS-VP，忽略 项， 当vGS=0，vDS=vGSVP时，由上式可得 IDSS为饱和漏极电流。 如果考虑沟道长度调制效应，则上式修正为3. P沟道MOS场效应管 P沟道MOS管在N型衬底表面生成P型反型层作为沟道，有增强型和耗尽型两种。 图4.1.7 P沟道MOS场效应管电路符号(a) 增强型 (b) 耗尽型P沟道MOS管的vGS、v

43、DS 极性与N沟道MOS管相反，漏极供电电源极性为-VDD，漏极电流从漏极流出。P沟道增强型MOS管的开启电压VT是负值。P沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为正值。 P沟道增强型MOS管沟道产生的条件为vGSVT 可变电阻区与饱和区的界线为：vDS= vGSVT 可变电阻区内：vGSVT，vDSvGS-VT，电流正向流入漏极时，饱和区内：vGSVT，vDSvGS-VT，电流iD为 ，KP是P沟道器件的电导参数，可表示为 其中：W、L、分别是沟道宽度、沟道长度、栅极氧化物单位面积上电容。 是空穴反型层中空穴的迁移率。通常，空穴的迁移率比电子迁移率要小，约为n/2。 4.1.2 结型场效应管1结构

44、 图4.1.8 结型场效应管的结构与符号箭头方向代表了栅-源电压处于正向偏置时栅极电流的实际方向。 2工作原理 vGS对沟道的控制作用：图4.1.9 vDS=0时，vGS对沟道的控制作用vGS0， PN结反偏耗尽层变宽沟道变窄，电阻增大。 vGS负值增加到某一数值VGS(off)时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层夹断，沟道电阻趋于无穷大，这时的栅源电压VP称为夹断电压。 vDS对沟道的控制作用图4.1.11 vDS沟道的影响(a) vGS=0， vDS |VP| vGS=0时，vDSID 耗尽层不均匀加宽 （漏端比源端宽） 沟道变窄，沟道电阻增大，iD增长变慢， 当vDS=|VP|时，沟道在

45、近漏端出现预夹断。 此时vDS 夹断区延长沟道电阻ID基本不变。再增加vDS，则栅漏间的PN结将产生雪崩击穿，iD剧增 。3.特性曲线 （1）输出特性3.特性曲线 （1）输出特性图4.1.10 N沟道结型场效应管的输出特性 可分为4个区域： 1) 截止区。 2）可变电阻区。 3）恒流区。 4） 击穿区。 对于vGS的一个确定数值，可测得一条对应的输出特性曲线。 (2) 转移特性 3.特性曲线 图4.1.12 N沟道结型场效应管的转移特性 (VPvGS0) vGS=0时的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS，使iD接近于零的栅源电压为夹断电压VP。 4.1.3 场效应管的主要参数1直流参数(2)开启

46、电压VT （增强型参数）(1) 夹断电压VP （耗尽型参数）(3) 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）(4) 直流输入电阻RGS （1091015 ） 指在vDS一定值下，使iD为一微小电流时，栅-源之间所加的电压。 指在vDS一定值下，使iD为一微小电流时，栅-源之间所加的电压。 2交流参数 (1) 低频互导gm考虑到 则反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力。 其中2交流参数 (2) 输出电阻rds 当不考虑沟道调制效应时，0，rds 说明了vDS对iD的影响，是输出特性某一点上切线斜率的倒数。 考虑沟道调制效应时，N沟道增强型MOS管(3)极间电容Cgs、Cgd和Cds 3极限参数 (1)

47、 最大栅-源电压V(BR)GS(2) 最大漏-源电压V(BR)DS(3) 最大漏极电流IDM(4) 最大耗散功率PDM4.1.4 各种场效应管的特性比较图4.1.13 各种场效应管的符号图4.1.14 各种场效应管的特性曲线4.1.5 场效应管使用注意事项MOS管使用时，应将衬底与源极连在一起，以减小源极、衬底之间电压对管子导电性能的影响。场效应管的源极与漏极一般可以互换。结型场效应管的栅源电压不能接反，但可开路保存。绝缘栅型场效应管，在存放和工作中，应避免栅极悬空。可在栅源极之间提供直流通路或加双向稳压对管保护。焊接时，烙铁外壳必须良好接地，以屏蔽交流电场，防止损坏管子。特别是焊接MOSFE

48、T时，最好断电后再焊。 4.2 场效应管放大电路4.2.1 场效应管共源放大电路4.2.2 场效应管共漏放大电路 4.2.3 场效应管共栅放大电路4.2.4 场效应管与晶体管放大电路的比较4.2.5 场效应管放大电路的频率响应 场效应管基本放大电路也有三种组态，即共源组态放大电路、共漏组态放大电路和共栅组态基本放大电路，与双极型晶体管基本放大电路的共射组态放大电路、共集组态放大电路和共基组态基本放大电路相对应。 4.2.1 场效应管共源放大电路1. 静态分析(1) 自给偏压电路 图4.2.1 场效应管共源自给偏压电路 自给偏压电路适用于结型场效应管基本放大电路和耗尽型绝缘栅型场效应管。 静态工

49、作点IDQ、VDSQ和VGSQ的计算： 静态时栅极电流为零，栅极电位VG=0V，则栅源为负偏压，即： 解得IDQ、VDSQ和VGSQ (2) 分压式偏置电路 1. 静态分析图4.2.2 场效应管共源分压偏置电路该偏置电路适合各种类型的场效应管放大电路。图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，R是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。 图4.2.3 分压式偏置电路的直流通路可解得IDQ、VDSQ和VDSQ 对于增强型绝缘栅型场效应管，其漏极电流方程为式中，IDO是vGS=2VT时所对应的iD。 (2) 分压偏置电路 例4.2.1 电路如图4.2.4所示，已知场效应管的VP=1V，IDSS=0.5mA，其余电路

50、参数如图中标注，试确定Q点。 图4.2.5 例4.2.1电路 解：将已知条件带入以下两式 得 mA 而IDSS=0.5mA，IDQ不应大于IDSS，所以IDQ=(0.95-0.64)mA=0.31mA将IDQ分别代入VGSQ和VDSQ的表达式，可解得：VGSQ0.22V，VDSQ8.1V2. 动态分析 (1) 场效应管的小信号模型 图4.2.5 场效应管的低频小信号模型 由于栅源之间的输入电阻非常大，认为栅极电流为零，输入回路只有栅源电压存在。输出回路是受控源并联输出电阻rds。受控源为电压控制电流源。一般rds为几十千欧到几百千欧，通常可以忽略其影响。 该模型仅适用于中低频段。 (2) 动态

51、分析图4.2.6 图4.2.1(a)电路的小信号等效电路 1) 电压增益因vi=vGS，所以式中RL=Rd/RL。 式中Ri是放大电路输入电阻 。 2) 输入电阻 3) 输出电阻 图4.2.7 求解图4.2.1(a)电路输出电阻的小信号等效电路 例4.2.2 绘出例4.2.1电路的小信号等效电路，求出该电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。解： (1) 小信号等效电路如图4.2.8所示。 (2) 电压增益 (3) 输入电阻和输出电阻 4.2.2 场效应管共漏放大电路图4.2.9 共漏极基本放大电路 场效应管共漏基本放大电路从源极输出，故又称为源极输出器。 1. 静态分析 需要满足 ，否则管子工作

52、在截止区。 图4.2.10 直流通路假设工作在恒流区，即 ，有 联立，求出静态工作点Q 但是要验证是否满足 如果不满足，说明假设错误，应当再假设工作在可变电阻区， 则有 解出IDQ、VGSQ和VDSQ，注意剔除一组不合理的解 2. 动态分析 图4.2.11 共漏极低频小信号等效电路 (1) 电压增益 式中 表明，Av略小于1且接近1，输出电压与输入电压同相。所以，共漏极放大电路也称作电压跟随器或源极跟随器。 (2) 输入电阻 (3) 输出电阻 图4.2.12 共漏极放大电路的输出电阻 例4.2.3 在图4.2.9所示的共漏极基本放大电路中，设VDD=24V，Rs=10k，Rg1=3M，Rg2=

53、5M，Rg3=100M，负载电阻RL=10 k，并且已知场效应管在Q处的互导gm=1.8mS，试估算放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻 解： 图4.2.9 共漏极基本放大电路 4.2.3 场效应管共栅放大电路1静态分析 图4.2.13 N沟道增强型绝缘栅场效应管共栅极放大电路 2动态分析 图4.2.14 图4.2.13电路的小信号等效电路 (1)电压增益式中RL=Rd/RL。 (2) 输入电阻 (3) 输出电阻 场效应管共栅极放大电路的电压增益为正值，说明输入、输出电压同相；输入电阻小，输出电阻大。 2动态分析 4.2.4 场效应管与晶体管放大电路的比较1. 场效应管与晶体管的性能比较 (

54、1) 场效应管是电压控制器件，输入电阻为1071015，栅极基本不取电流。而晶体管是电流控制器件，输入电阻一般小于104，基极必须取一定的电流。因此，对于信号源额定电流极小的情况，应选用场效应管。 (2) 场效应管具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声性。 (3) 场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用。 (4) 场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用；耗尽型MOS管的栅源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管(结构不对称)更为灵活。 (5) 场效应管制造工艺简单，占用芯片面积比晶体三极管要小得多，故场效应管适合于大规模集成。 (6)场效应

55、管的跨导较小，当组成放大电路时，在相同的负载电阻下，电压增益比晶体三极管低。 2. 场效应管与晶体管基本放大电路的性能比较组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：输出电阻：BJTFET输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：4.2.5 场效应管放大电路的频率响应1场效应管的高频小信号模型 图4.2.15 场效应管的高频小信号模型 在低频小信号模型的基础上增加了三个极间电容，其中栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd一般在10pF以内，漏源电容Cds一般不到1pF。在MOS管中，衬底B与源极s相

56、连，所以栅极和衬底间的电容Cgb。可以归纳到Cgs中。 2. 场效应管共源放大电路的频率响应 图4.2.16 共源极放大电路 图4.2.17 共源极放大电路的高频等效电路图4.2.18 图4.2.17电路的简化高频等效电路 因Co远小于Ci，故可以忽略Co的影响，得到如图4.2.19所示的共源极放大电路的高频简化电路。图4.2.19 图4.2.18电路的高频简化电路 式中 所以，上限截止频率为 场效应管共源极放大电路的幅频特性曲线和相频特性曲线如图4.2.20所示。 图4.2.20 共源极放大电路的频率响应本 章 小 结 1. 场效应管是一种具有放大作用的电压控制器件，利用栅源电压去控制漏极电

57、流。工作时只有多数载流子参与导电，属于单极型器件；场效应管与晶体三极管相比，具有输入电阻高、功耗低、体积小、噪声小、热稳定性能好、易于集成等优点，广泛应用于各种电子电路中。 2. 场效应管主要分为JFET和MOSFET两大类，根据导电沟道载流子的不同，又可分为N沟道和F沟道两类。其中MOSFET又可分成耗尽型与增强型两种，耗尽型MOS管具有原始导电沟道，正常工作时栅源电压VGS可正偏、零偏或反偏。增强型MOS管只有外加的栅源电压VGS超过开启电压VT才能形成导电沟道，正常工作时，栅源电压和漏源电压必须同极性偏置。而JFET在正常工作时必须反极性偏置，即栅源电压VGS和漏源电压VDS极性相反。M

58、OSFET因其制造工艺简单，集成度高，应用十分广泛。 3. 场效应管的主要参数可分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。其中低频跨导gm反映栅源电压对漏极电流的控制能力，是衡量场效应管放大能力的重要参数。因为场效应管的与为平方律关系，而晶体管的与为指数关系，单个场效应管放大能力一般不及晶体管。 4. 场效应管放大电路的的直流偏置通常采用自给偏置和分压式偏置两种方式。分压式偏置电路适用于各种类型的场效应管组成的放大电路，而自给偏置电路只适用于JFET和耗尽型MOS管。直流分析有图解法和计算法，用于求解管子的静态工作点Q(VGSQ、IDQ、VDSQ)是否工作在恒流区。 5. 场效应管放大电路的共源

59、极、共漏极、共栅极三种基本组态，与晶体管的共发射极、共集极、共基极三种组态分别对应。动态分析也可采用图解法和小信号模型等效电路法，用于计算电路的Av、Ri、Ro。共源极放大电路电压增益最高，适用于多级放大电路的中间级；共漏放大电路输入电阻高，输出电阻低，可作阻抗变换，适用于放大电路的输出级、缓冲级或输入级；共栅极放大电路的高频特性好。第5章 集成运算放大电路5.1 集成运放的特点与基本组成5.2 集成运放中的电流源电路5.3 差分放大电路5.4 集成运算放大电路5.5 集成运算放大电路的模型 集成电路（Integrated Circuits，简称IC）是把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，

60、以实现特定功能的电子电路，具有体积小、重量轻等优点。 本章学习目的和要求 1.了解集成运算放大器的工作特点和基本组成； 2.熟悉各种电流源电路的结构以及工作原理； 3.熟悉差分放大电路放大差模信号、抑制共模信号的原理； 4.掌握差分式放大电路差模放大倍数、差模输入电阻、差模输出电阻、共模放大倍数、共模输入电阻、共模输出电阻以及共模抑制比的计算； 5.了解常见集成运算放大器的各部分结构的工作原理，掌握其电压传输特性。5.1 集成运放的特点与组成5.1.1 集成运放的结构特点5.1.2 集成运放的基本组成 电路的元器件及其相关连接线制作在同一块半导体硅片上，并能完成特定功能的电子电路，称为集成电路