低频电子线路课件

第1章半导体器件第1章半导体器件2

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

PN结与晶体二极管

PN结的基本原理晶体二极管晶体二极管电路第一章目录2半导体的基础知识第一章目录3

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

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

第一章目录（续）3晶体三极管第一章目录（续）41.1半导体的基础知识41.1半导体的基础知识5

半导体1.1.1本征半导体<10-3Ω·cm:导体

>108Ω·cm:绝缘体介于导体和绝缘体之间:半导体纯净而不含杂质的半导体本征半导体:常用半导体材料：Si、Ge、GaAs5半导体1.1.1本征半导体<10-3Ω·6

共价键结构1.1.1本征半导体

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。

硅(Si)锗(Ge)半导体的原子结构:6共价键结构1.1.1本征半导体每个原子和硅和锗的原子结构和共价键结构硅和锗的原子结构和共价键结构8本征激发与复合1.1.1本征半导体

激发：价电子获取外能由束缚状态变为自由状体的过程（热）温度光核辐射……激发一对载流子电子空穴（带正电）8本征激发与复合1.1.1本征半导体激发：价电子本征激发产生电子空穴对本征激发产生电子空穴对10热敏性

半导体的电阻率随着温度的上升而明显地下降

1.1.1本征半导体光敏性

半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降10热敏性1.1.1本征半导体光敏性11

复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态即自由电子与空穴成对消失的过程。

1.1.1本征半导体本征激发与复合载流子的密度复合11复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态121.1.1本征半导体本征半导体中的载流子密度热(T)载流子密度复合激发载流子密度热平衡T=300KSi温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。121.1.1本征半导体本征半导体中的载流子密度热(T)13

半导体掺杂性

半导体掺杂后其电阻率大大地下降。掺杂后的半导体称作杂质半导体。

1.1.1本征半导体13半导体掺杂性1.1.1本征半导体14小结（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。14小结（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子15（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。（5）空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。小结15（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能16杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类1.1.2杂质半导体

结构图本征半导体+施主杂质=

N型半导体N型半导体(五价元素)16杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类1.1.2杂

N型半导体的共价键结构N型半导体的共价键结构18电子正离子

杂质原子电离

电子空穴

热激发1.1.2杂质半导体

N型半导体中的多数载流子(即多子）为电子。空穴为少数载流子（即少子）18电子正离子杂质原子电离电子空穴热19

P型半导体

结构图1.1.2杂质半导体本征半导体+受主杂质=

P型半导体(三价元素)19P型半导体结构图1.1.2杂质半导体本征半导体(三

P型半导体共价键结构P型半导体共价键结构21空穴负离子

杂质原子电离

空穴电子

热激发

P型半导体中的多数载流子(多子）为空穴。电子为少数载流子（即少子）1.1.2杂质半导体21空穴负离子杂质原子电离空穴电子22

漂移运动和漂移电流

1.1.3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。22漂移运动和漂移电流1.1.3载流子运动方式及其电23

扩散运动及扩散电流1.1.3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。23扩散运动及扩散电流1.1.3载流子运动方式及其电流241.2PN结与晶体二极管

241.2PN结与晶体二极管25

PN结的形成1.2.1PN结基本原理空间电荷区/耗尽层内建电场25PN结的形成1.2.1PN结基本原理空间电荷区/耗26扩散交界处的浓度差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结动态平衡1.2.1PN结基本原理抑制扩散26扩散交界处的浓度差P区的一些空N区的一些电P区留下带负N271.2.1PN结基本原理UΦ阻止多子继续扩散，同时有利少子定向漂移UΦ：势垒电压UΦ=0.6~0.8V 0.2~0.3V空间电荷区/耗尽层UΦ内建电场271.2.1PN结基本原理UΦ阻止多子继续扩散，同小结

载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移电流=扩散电流时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。掺杂越重，结宽越窄。小结载流子的扩散运动和漂移运动既互29

PN结特性单向导电性击穿特性电容特性1.2.1PN结基本原理29PN结特性1.2.1PN结基本原理加偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场PN结加正向电压1.2.1PN结基本原理PN结外加正向电压时，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。

未加偏压时的耗尽层

单向导电性PN结呈现为小电阻

结宽变窄PN结正向导通状态加偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场PN结加正向电压1.2.

PN结外加正向电压PN结外加正向电压加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场PN结加反向电压1.2.1PN结基本原理PN外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，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。未加偏压时的耗尽层流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。结宽增加。该状态称为PN结反向截止状态。加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场PN结加反向电压1.

PN结外加反向电压PN结外加反向电压PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，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。

外电压可改变结宽。

小结PN结加正向电压时，正向扩散电流小结35

击穿概念：

PN结外加反向电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加的现象。1.2.1PN结基本原理

击穿特性

击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:Uz)击穿分类：

雪崩击穿齐纳击穿35击穿概念：1.2.1PN结基本原理击穿特性361.2.1PN结基本原理雪崩击穿:反向电压内建电场漂移少子碰撞中性原子产生新的电子空穴对反向电流特点：Uz>6V361.2.1PN结基本原理雪崩击穿:反向电压内建电场漂移371.2.1PN结基本原理利用PN结击穿特性可以制作稳压管。特点：Uz<6V齐纳击穿重掺杂产生新的电子空穴对反向电流反向电压PN结宽度内建电场破坏共价键371.2.1PN结基本原理利用PN结击穿特性可以制作稳压势垒电容CT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。1.2.1PN结基本原理

电容特性

势垒电容CT由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它扩散电容CDCD

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。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近；同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合贮存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。1.2.1PN结基本原理p

：空穴寿命n

：电子寿命UT

：热电压I:正向电流扩散电容CDCD值与PN结的正向电流I成正比。由小结PN结正向运用时CT、CD同时存在，CD起主要作用PN结反向运用时，只有CT

。PN结存在电容效应将限制器件工作频率利用PN结反向运用时的CT

可制作变容二极管1.2.1PN结基本原理小结1.2.1PN结基本原理411.2.2晶体二极管

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411.2.2晶体二极管晶体二极管结构与符号42点接触型面结合型平面型符号1.2.2晶体二极管

结构与符号42点接触型面结合型平面型符号1.2.2晶体二极管半导体二极管图片半导体二极管图片低频电子线路课件45伏安特性图

1.2.2晶体二极管

伏安特性

正向特性：存在门限Ur锗管Ur

0.2V硅管Ur

0.6或0.7V小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线45伏安特性图1.2.2晶体二极管伏安特性正向特性：46反向特性曲线近似呈水平线，略有倾斜反向电流反向饱和电流Is击穿特性反向电流急剧增加而二极管端压近似不变。1.2.2晶体二极管(V-A特性:续)46反向特性1.2.2晶体二极管(V-A特性:续)47伏安特性的温度特性：1.2.2晶体二极管

(V-A特性:续)T则UrT则IST则Uz雪崩击穿T则Uz齐纳击穿47伏安特性的温度特性：1.2.2晶体二极管(V-A特性48√正向特性近似

;时

;时

伏安特性的数学表达式√反向特性近似48√正向特性近似49表征性能性能参数表征安全工作范围极限参数参数

主要参数

晶体二极管49表征性能性能参数表征安全工作范围极限参数参数主要参数50直流电阻

RD：定义

RD=U/I|Q点处

RD是

u或

i的函数

晶体二极管性能参数50直流电阻RD：晶体二极管性能参数51交流电阻

rd：定义rd=du/di|Q点处计算rd=UT/IQ

晶体二极管

(主要参数:续)性能参数势垒电容CT：影响器件最高工作频率51交流电阻rd：晶体二极管(主要参数:续)性能参数势52最大允许整流电流IOM：工作电流>IOM易导致二极管过热失效晶体二极管(主要参数:续)极限参数最高反向工作电压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>PDM时易导致二极管过热损坏52最大允许整流电流IOM：晶体二极管(主要参数:续)极53

晶体二极管

特殊二极管稳压管V-A特性及符号53晶体二极管特殊二极管V-A特性及符号54晶体二极管(特殊二极管:续)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<IZmax动态电阻rZ

：定义rZ=u/i

rZ，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54晶体二极管(特殊二极管:续)稳压管主要参数稳定电压UZ：55晶体二极管(特殊二极管:续)稳压管等效电路Ur为门限电压

反向运用正向运用稳压管等效电路55晶体二极管(特殊二极管:续)稳压管等效电路Ur为门限电压56变容二极管

晶体二极管(特殊二极管:续)(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。56变容二极管 晶体二极管(特殊二极管:续)(a)符号57光电二极管光电二极管工作于反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。光电二极管可用作光测量。晶体二极管(特殊二极管:续)发光二极管

发光二极管工作于正偏状态。其发光强度随正向电流增大而增大。发光二极管主要用作显示器件。57光电二极管晶体二极管(特殊二极管:续)发光二极管58

晶体二极管电路分析方法图解法迭代法折线化近似58晶体二极管电路分析方法图解法59

晶体二极管电路分析方法图解法

i=f(u)

晶体二极管59晶体二极管电路分析方法i=f(u)晶体60计算机辅助分析法（迭代法）据电路列方程组采用牛顿-拉夫森迭代算法迭代公式：

晶体二极管(电路分析方法:续)60计算机辅助分析法（迭代法）据电路列方程组采用牛顿-拉夫森61晶体二极管(电路分析方法:续)折线化近似法理想特性曲线只考虑门限的特性曲线考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线61晶体二极管(电路分析方法:续)折线化近似法理想特性曲线62

晶体二极管应用电路门电路整流电路限幅电路62晶体二极管应用电路门电路63电路变化后（图c）:

uO=-2.5V(c)

晶体二极管电路举例门电路

晶体二极管例1：图a示二极管门电路（VD

理想）求：uO

解：uO=063电路变化后（图c）:uO=-2.5V(c)晶体二64

整流电路

例2：半波整流电路中VD

理想，画出uO(t)波形

解：输出uO(t)取决于VD

的工作状态是通还是断晶体二极管(电路举例:续)；VD截止ui<0V；VD导通ui>0V解：64整流电路解：输出uO(t)取决于VD的工作状态是65限幅电路

例3:限幅电路中VD

理想，求uO(t)并画出波形。

晶体二极管(电路举例:续)解：；VD截止

ui<5V；VD导通ui

5V65限幅电路晶体二极管(电路举例:续)解：；VD截66

RL上所得电压值即为VZ管所承受的反向电压值，分别为：8V、7.2V、4V和2.4V。

图示稳压电路中：uI=12V，

UZ=6V，

R=4K。当RL分别为8K、6K、2K和1K时，求对应输出电压uO。稳压电路

解：故：uO分别为：6V、6V、4V和2.4V。

输出电压uO(t)取决于VZ

的工作状态，即：击穿与否。

晶体二极管(电路举例:续)66RL上所得电压值即为VZ管所承受的反向电压值，分别为67

小结PN结的形成是本节的基础。通过PN结特性理解二极管的特性及参数。晶体二极管的应用电路。理解晶体二极管特性、参数掌握晶体二极管应用电路67小结PN结的形成是本681.3晶体三极管681.3晶体三极管69三极管存在：两结三区三极晶体三极管结构及符号

结构与符号发射极基极集电极发射区集电区基区发射结集电结N+NPNP+PE区B区C区C结E结EBCBCEPNPCEBNPN发射区(E区)：发送载流子基区(B区)：传输载流子集电区(C区)：收集载流子69三极管存在：两结三区三极晶体三极管结构及符号结构与符

常见的三极管外形常见的三极管外形7171727273发射区重掺杂基区薄集电极面积大晶体三极管结构及符号

三极管结构特点73发射区重掺杂晶体三极管结构及符号三极管结构特点74

集电结

运用状态发射结正向运用反向运用正向运用饱和状态放大状态反向运用反向放大状态截止状态一般不用

三极管工作状态

三极管四种状态晶体三极管结构及符号

:续74集电结75晶体管的放大原理载流子的传输

载流子的传输过程

75晶体管的放大原理载流子的传输载流子的传输过程76形成IEn，同时基区也向发射区注入空穴形成IEp

。由于IEn>>IEp，因此发射极电流IEIEn。

形成复合电流IBn，它是基极电流IB的一部分。形成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,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。晶体三极管放大原理: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76形成IEn，同时基区也向发射区注入空穴形成IEp77发射区向基区注入电子(IEn

)：发射极电流IEIEn

注入电子在基区边扩散边复合(IBn

)：是基极电流IB的一部分

晶体三极管放大原理:续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晶体三极管又称为双极型三极管

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：

基区薄发射区重掺杂77发射区向基区注入电子(IEn)：78

电流关系发射极电流：

IE=

Ibn+Icn

基极电流：

IB=

Ibn-

ICBO

集电极电流：

IC=

Icn

+ICBO

晶体三极管放大原理:续78电流关系晶体三极管放大原理:续79

基区非平衡载流子的密度分布

指由发射区注入到基区的载流子非平衡载流子密度分布图

晶体三极管放大原理:续79基区非平衡载流子的密度分布指由发射区注入到基区的80定义：时有：

电流分配关系

晶体三极管放大原理:续80定义：时有：电流分配关系晶体三极管放大原理:续81

晶体三极管放大原理:续电流分配关系：穿透电流：81晶体三极管放大原理:续电流分配关系：穿透电流：82

关于电流放大倍数的几点说明

手册上的值是实测得到的它们的大小与工作电流有关这组电流关系也适用于PNP管，但各极定义的电流方向相反

晶体三极管放大原理:续82关于电流放大倍数的几点说明手册上的83

共射接法输入特性曲线晶体三极管特性曲线指uCE为参变量，iB随uBE变化的关系曲线特点：特性曲线类似二极管V-A特性uCE增大时，特性曲线右移uCE1V时曲线基本重合83共射接法输入特性曲线晶体三极管特性曲线指uCE为参变84

晶体三极管特性曲线:续

共射接法输出特性曲线指iB为参变量，iC随uCE变化的关系曲线84晶体三极管特性曲线:续共射接法输出特性曲线85曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区截止区：对应截止状态:E结C结反偏特点：iE=0iC=ICBO=–iB晶体三极管特性曲线:续85曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区截止区：晶体86曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区放大区：对应放大状态:E结正偏C结反偏特点：放大效应----

定义

晶体三极管特性曲线:续86曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区放大区：87

特点：基调(厄立)效应----UA表现:曲线略微上斜晶体三极管特性曲线:续87特点：晶体三极管特性曲线:续88

特点：穿透电流----ICEO

计算:ICEO=(1+)ICBO曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区

晶体三极管特性曲线:续88特点：曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区89曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区饱和状态:E结正偏C结正偏特点：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剧烈变化晶体三极管特性曲线:续89曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区饱和状态:90曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区注意：

临界饱和：UBC=0（考虑到发射结导通存在门限电压的作用，则：

UBC=UBEO

）临界饱和电压：UCES晶体三极管特性曲线:续90曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区注意：晶体三91晶体三极管特性曲线:续

对于PNP型管其特性规律一样,但变量极性相反

特性曲线还有共基﹑共集两种91晶体三极管特性曲线:续对于PNP型管其特性规律92晶体三极管主要参数电流放大系数

关系极间反向电流

集电极-基极间反向饱和电流ICBO

集电极-发射极穿透电流ICEO

发射极-基极间反向饱和电流

IEBO92晶体三极管主要参数电流放大系数关系极间反向电流93

晶体三极管主要参数极限参数集电极最大允许电流ICM

反向击穿电压

U(BR)CBO，U(BR)CEO,U(BR)EBO

93晶体三极管主要参数极限参数94

晶体三极管主要参数集电极最大允许功耗PCM安全工作区94晶体三极管主要参数集电极最大允许功耗PCM安全951.4.5晶体三极管主要参数:续

晶体管参数的温度特性UBEO

T1度则UBEO(22.5)mVICBO

T10度则ICBO约1倍

T1度则

(0.51)%951.4.5晶体三极管主要参数:续晶体管参数的温度961.5场效应晶体管961.5场效应晶体管97FETJFETIGFET增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道

场效应晶体管的分类97FETJFETIGFET增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N98

结型场效应管JFET

结构与符号N-JFETP-JFET98结型场效应管JFET结构与符号N-JFETP-JF99结型场效应管JFET

工作原理（N-JFET管为例）

导电沟道：漏极到源极的导电通道受控机理：漏极电流iD受控于uGS99结型场效应管JFET工作原理（N-JFET管为例）100结型管JFET:工作原理续

工作原理------uGS控制iD(uDS=C0)uGS

UDDUGGdgsiD

iD

夹断uGS=UGS(off)

UDDUGGdgsiD

0初始沟道UGGdgsiD

UDDiD

uGS

uGS

UDDUGGdgsiD

=0iD

=0预夹断uGD=UGS(off)

100结型管JFET:工作原理续工作原理------u101

结型管JFET

:工作原理续

工作原理-----uDS影响iD

(uGS=C0)UGGdgs

iD

>0

UDDiD

uDS

uDS

uDS

UDDUGGdgsiD

0iD=C0初始沟道UDDUGGdgsiD

=0预夹断uGD=UGS(off)

iD

0iD

UDDUGGdgsiD

101结型管JFET:工作原理续工作原理-----102结型场效应管JFET

工作原理（N-JFET管为例）iD受控于取决于iD端压uDS沟道电阻R沟道控制电压uGS102结型场效应管JFET工作原理（N-JFET管为例）103小结：

iD受控于uGS:uGS则iD直至iD

=0

iD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不变结型管JFET:工作原理续103小结：结型管JFET:工作原理续104

结型场效应管JFET

特性曲线（N-JFET管为例）

输出特性曲线指uGS为参变量，iD随uDS

变化的关系曲线104结型场效应管JFET特性曲线（N-JFET管为例105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：uGSUGS(off)iD=0

截止区

结型场效应管JFET:特性曲线续105输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区击穿106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放大区输出曲线分四区：截止区

放大区可变电阻区击穿区结型场效应管JFET:特性曲线续106放大区：放大区输出曲线分四区：截止区放大区可变107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

输出曲线分四区：截止区放大区

可变电阻区击穿区可变电阻区结型场效应管JFET:特性曲线续107可变电阻区：输出曲线分四区：截止区放大区可变电108击穿区：对应击穿状态

特点：uDS很大

iD急剧增加

输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区

击穿区击穿区结型场效应管JFET:特性曲线续108击穿区：输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区109指uDS为参变量，iD随uGS

变化的关系曲线

转移特性曲线结型场效应管JFET:特性曲线续109转移特性曲线结型场效应管JFET:特性曲线续110

预夹断后转移特性曲线重合曲线方程条件

结型场效应管JFET:特性曲线续110预夹断后转移特性曲线重合结型场效应管JFET:特性曲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)根据是否存在原始导电沟道分为:增强型和耗尽型根据导电沟道类型分为:N沟道和P沟道

特点——栅极同其余电极之间绝缘绝缘栅场效应管IGFET

概念根据栅极绝缘材料分为:特点——栅极同其余电极之间绝缘绝缘栅场112绝缘栅场效应管IGFET

结构与符号(以增强型NMOS管为例)PMOSFETNMOSFET112绝缘栅场效应管IGFET结构与符号(以增强型NM113

导电沟道uGS=0时，无导电沟道(夹断状态)uGSUGS(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绝缘栅场效应管IGFET

工作原理113导电沟道绝缘栅场效应管IGFET工作原理114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。绝缘栅场效应管:工作原理续114受控机理：漏极电流iD受控于uGS通过改变加在绝缘层115uDS<(uGS-UGS(th))开启状态iD>0uDSiD

近似不变uDS=(uGS-UGS(th))预夹断状态uDSiDuDS影响iD(uGS=C0)uDS≥(uGS-UGS(th))预夹断后绝缘栅场效应管:工作原理续115uDS<(uGS-UGS(th))uDSiD近似116小结：

iD受控于uGS:uGS则iD直至iD

=0

iD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不变绝缘栅场效应管:工作原理续116小结：绝缘栅场效应管:工作原理续117

特别注意：区别夹断与预夹断：夹断时：uGSUGS(th)，iD=0

预夹断时：uGD=UGS(th)(或uGS-uDS=UGS(th))iD0

预夹断前：uGD>UGS(th)(或uGS-uDS

>

UGS(th))

预夹断后：uGD<UGS(th)(或uGS-uDS

<

UGS(th)

)绝缘栅场效应管:工作原理续117特别注意：绝缘栅场效应管:工作原理续118

特性曲线（增强型NMOS管为例）

输出特性曲线指uGS

为参变量，iD随uDS变化的关系曲线绝缘栅场效应管118特性曲线（增强型NMOS管为例）绝缘栅场效应管119输出特性曲线主要分三区：

截止区放大区可变电阻区可变电阻区放大区截止区绝缘栅场效应管:特性曲线续119输出特性曲线主要分三区：120绝缘栅场效应管:特性曲线续截止区：对应夹断状态特点：uGS<UGS(th)iD=0

120绝缘栅场效应管:特性曲线续截止区：121绝缘栅场效应管:特性曲线续放大区：对应管子开启和预夹断后的状态特点：受控放大,uGS则

iD↑121绝缘栅场效应管:特性曲线续放大区：122绝缘栅场效应管:特性曲线续可变电阻区：对应预夹断前状态特点：

uDS则iD近似线性-----电阻特性

uGS变化则阻值变化------变阻特性122绝缘栅场效应管:特性曲线续可变电阻区：123开启电压UGS(th)预夹断后转移特性曲线重合曲线方程条件

转移特性曲线指为uDS参变量，iD随uGS变化的关系曲线绝缘栅场效应管:特性曲线续123开启电压UGS(th)预夹断后转移特性曲线重合转移124

衬调效应（增强型NMOS管为例）

绝缘栅场效应管

uBS

0且uBS<0时iD受控于uBS的特性

衬调效应又称背栅效应，体效应uSBgdsbUGGUDD124衬调效应（增强型NMOS管为例）绝缘栅125

耗尽型NMOS管绝缘栅场效应管存在原始导电沟道的FET管uGS=0时管子内已有的导电通道125耗尽型NMOS管绝缘栅场效应管存在原始导电沟道的F

N沟道耗尽型MOS管的结构与符号N沟道耗尽型MOS管的结构与符号转移特性曲线输出特性曲线转移特性曲线输出特性曲线128

PMOS管特点:导电载流子为空穴

uGS(uDS)电压极性及iD电流流向与NMOS管相反绝缘栅场效应管

FET管特性汇总表P40128PMOS管绝缘栅场效应管FET管特性汇总表P4129直流参数:饱和漏极电流IDSS:uGS=0时的iD值夹断电压UGS(off):iD0时的uGS值开启电压UGS(th)

:增强型管刚开始导电时的uGS值直流输入电阻RGS:RGS=UGS/IG

场效应管参数及特点

参数耗尽管参数增强管参数129直流参数:场效应管参数及特点参数耗尽管参数增强管参130跨导

场效应管参数及特点:续交流参数:增强型耗尽型背栅跨导跨导比130跨导 场效应管参数及特点:续交流参数:增强型耗尽型背131交流参数:输出电阻

场效应管参数及特点:续极间电容

CgsCgd

Cds(CbsCbdCbg)131交流参数:输出电阻 场效应管参数及特点:续132场效应管参数及特点:续极限参数：

栅源击穿电压UBR(GS)

漏源击穿电压UBR(DS)

最大功耗PDM:参数的温度特性：在特定电流电压下，管子参数的温度系数可以为零

耗尽型增强型132场效应管参数及特点:续极限参数：参数的温度特性：耗尽133导电方式载流子运动方式控制方式输入电阻漂移

扩散漂移压控流控高低场效应管参数及特点

特点多子单极型多子少子双极型FETBJT133导电方式载流子控制方式输入电阻漂移扩散134场效应管参数及特点:续

特点FETBJT噪声小大抗辐射力强弱热稳定性好差134场效应管参数及特点:续特点FETBJT噪声小大抗辐135第1章要点

了解有关半导体的基本概念理解PN结的特性理解半导体器件的特性曲线、参数及温度特性掌握半导体器件的有关公式及电流关系掌握二极管、稳压管电路的分析135第1章要点了解有关半导体的基本概念136作业

1-3(1-3)1-5(1-5)1-6(1-6)1-7(a)(d)(f)(1-7)(a)(d)(f)

1-12(1-12)1-15(1-15)

1-16(1-16)注：红字对应新版教材136作业1-3(1-3)1-5(1-5)137答疑安排周次时间地点原志强3，8，13，17每周三晚上6：40-8：50；五一后为7：10-9：20C楼1楼休息室刘雪芳4，9同上C楼1楼休息室吴炜5，10，14，同上C楼1楼休息室陈健刘向丽6，11，15，18同上C楼1楼休息室傅丰林杨清海7，12，16同上C楼1楼休息室第19周期后考试，安排统一答疑137答疑安排周次时间地点原志强3，8，13，17每周三晚上人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。人有了知识，就会具备各种分析能力，低频电子线路课件第1章半导体器件第1章半导体器件141

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

PN结与晶体二极管

PN结的基本原理晶体二极管晶体二极管电路第一章目录2半导体的基础知识第一章目录142

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

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

第一章目录（续）3晶体三极管第一章目录（续）1431.1半导体的基础知识41.1半导体的基础知识144

半导体1.1.1本征半导体<10-3Ω·cm:导体

>108Ω·cm:绝缘体介于导体和绝缘体之间:半导体纯净而不含杂质的半导体本征半导体:常用半导体材料：Si、Ge、GaAs5半导体1.1.1本征半导体<10-3Ω·145

共价键结构1.1.1本征半导体

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。

硅(Si)锗(Ge)半导体的原子结构:6共价键结构1.1.1本征半导体每个原子和硅和锗的原子结构和共价键结构硅和锗的原子结构和共价键结构147本征激发与复合1.1.1本征半导体

激发：价电子获取外能由束缚状态变为自由状体的过程（热）温度光核辐射……激发一对载流子电子空穴（带正电）8本征激发与复合1.1.1本征半导体激发：价电子本征激发产生电子空穴对本征激发产生电子空穴对149热敏性

半导体的电阻率随着温度的上升而明显地下降

1.1.1本征半导体光敏性

半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降10热敏性1.1.1本征半导体光敏性150

复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态即自由电子与空穴成对消失的过程。

1.1.1本征半导体本征激发与复合载流子的密度复合11复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态1511.1.1本征半导体本征半导体中的载流子密度热(T)载流子密度复合激发载流子密度热平衡T=300KSi温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。121.1.1本征半导体本征半导体中的载流子密度热(T)152

半导体掺杂性

半导体掺杂后其电阻率大大地下降。掺杂后的半导体称作杂质半导体。

1.1.1本征半导体13半导体掺杂性1.1.1本征半导体153小结（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。14小结（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子154（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。（5）空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。小结15（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能155杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类1.1.2杂质半导体

结构图本征半导体+施主杂质=

N型半导体N型半导体(五价元素)16杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类1.1.2杂

N型半导体的共价键结构N型半导体的共价键结构157电子正离子

杂质原子电离

电子空穴

热激发1.1.2杂质半导体

N型半导体中的多数载流子(即多子）为电子。空穴为少数载流子（即少子）18电子正离子杂质原子电离电子空穴热158

P型半导体

结构图1.1.2杂质半导体本征半导体+受主杂质=

P型半导体(三价元素)19P型半导体结构图1.1.2杂质半导体本征半导体(三

P型半导体共价键结构P型半导体共价键结构160空穴负离子

杂质原子电离

空穴电子

热激发

P型半导体中的多数载流子(多子）为空穴。电子为少数载流子（即少子）1.1.2杂质半导体21空穴负离子杂质原子电离空穴电子161

漂移运动和漂移电流

1.1.3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。22漂移运动和漂移电流1.1.3载流子运动方式及其电162

扩散运动及扩散电流1.1.3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。23扩散运动及扩散电流1.1.3载流子运动方式及其电流1631.2PN结与晶体二极管

241.2PN结与晶体二极管164

PN结的形成1.2.1PN结基本原理空间电荷区/耗尽层内建电场25PN结的形成1.2.1PN结基本原理空间电荷区/耗165扩散交界处的浓度差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结动态平衡1.2.1PN结基本原理抑制扩散26扩散交界处的浓度差P区的一些空N区的一些电P区留下带负N1661.2.1PN结基本原理UΦ阻止多子继续扩散，同时有利少子定向漂移UΦ：势垒电压UΦ=0.6~0.8V 0.2~0.3V空间电荷区/耗尽层UΦ内建电场271.2.1PN结基本原理UΦ阻止多子继续扩散，同小结

载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移电流=扩散电流时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。掺杂越重，结宽越窄。小结载流子的扩散运动和漂移运动既互168

PN结特性单向导电性击穿特性电容特性1.2.1PN结基本原理29PN结特性1.2.1PN结基本原理加偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场PN结加正向电压1.2.1PN结基本原理PN结外加正向电压时，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。

未加偏压时的耗尽层

单向导电性PN结呈现为小电阻

结宽变窄PN结正向导通状态加偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场PN结加正向电压1.2.

PN结外加正向电压PN结外加正向电压加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场PN结加反向电压1.2.1PN结基本原理PN外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，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。未加偏压时的耗尽层流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。结宽增加。该状态称为PN结反向截止状态。加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场PN结加反向电压1.

PN结外加反向电压PN结外加反向电压PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，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。

外电压可改变结宽。

小结PN结加正向电压时，正向扩散电流小结174

击穿概念：

PN结外加反向电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加的现象。1.2.1PN结基本原理

击穿特性

击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:Uz)击穿分类：

雪崩击穿齐纳击穿35击穿概念：1.2.1PN结基本原理击穿特性1751.2.1PN结基本原理雪崩击穿:反向电压内建电场漂移少子碰撞中性原子产生新的电子空穴对反向电流特点：Uz>6V361.2.1PN结基本原理雪崩击穿:反向电压内建电场漂移1761.2.1PN结基本原理利用PN结击穿特性可以制作稳压管。特点：Uz<6V齐纳击穿重掺杂产生新的电子空穴对反向电流反向电压PN结宽度内建电场破坏共价键371.2.1PN结基本原理利用PN结击穿特性可以制作稳压势垒电容CT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。1.2.1PN结基本原理

电容特性

势垒电容CT由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它扩散电容CDCD

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。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近；同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合贮存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。1.2.1PN结基本原理p

：空穴寿命n

：电子寿命UT

：热电压I:正向电流扩散电容CDCD值与PN结的正向电流I成正比。由小结PN结正向运用时CT、CD同时存在，CD起主要作用PN结反向运用时，只有CT

。PN结存在电容效应将限制器件工作频率利用PN结反向运用时的CT

可制作变容二极管1.2.1PN结基本原理小结1.2.1PN结基本原理1801.2.2晶体二极管

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411.2.2晶体二极管晶体二极管结构与符号181点接触型面结合型平面型符号1.2.2晶体二极管

结构与符号42点接触型面结合型平面型符号1.2.2晶体二极管半导体二极管图片半导体二极管图片低频电子线路课件184伏安特性图

1.2.2晶体二极管

伏安特性

正向特性：存在门限Ur锗管Ur

0.2V硅管Ur

0.6或0.7V小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线45伏安特性图1.2.2晶体二极管伏安特性正向特性：185反向特性曲线近似呈水平线，略有倾斜反向电流反向饱和电流Is击穿特性反向电流急剧增加而二极管端压近似不变。1.2.2晶体二极管(V-A特性:续)46反向特性1.2.2晶体二极管(V-A特性:续)186伏安特性的温度特性：1.2.2晶体二极管

(V-A特性:续)T则UrT则IST则Uz雪崩击穿T则Uz齐纳击穿47伏安特性的温度特性：1.2.2晶体二极管(V-A特性187√正向特性近似

;时

;时

伏安特性的数学表达式√反向特性近似48√正向特性近似188表征性能性能参数表征安全工作范围极限参数参数

主要参数

晶体二极管49表征性能性能参数表征安全工作范围极限参数参数主要参数189直流电阻

RD：定义

RD=U/I|Q点处

RD是

u或

i的函数

晶体二极管性能参数50直流电阻RD：晶体二极管性能参数190交流电阻

rd：定义rd=du/di|Q点处计算rd=UT/IQ

晶体二极管

(主要参数:续)性能参数势垒电容CT：影响器件最高工作频率51交流电阻rd：晶体二极管(主要参数:续)性能参数势191最大允许整流电流IOM：工作电流>IOM易导致二极管过热失效晶体二极管(主要参数:续)极限参数最高反向工作电压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>PDM时易导致二极管过热损坏52最大允许整流电流IOM：晶体二极管(主要参数:续)极192

晶体二极管

特殊二极管稳压管V-A特性及符号53晶体二极管特殊二极管V-A特性及符号193晶体二极管(特殊二极管:续)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<IZmax动态电阻rZ

：定义rZ=u/i

rZ，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54晶体二极管(特殊二极管:续)稳压管主要参数稳定电压UZ：194晶体二极管(特殊二极管:续)稳压管等效电路Ur为门限电压

反向运用正向运用稳压管等效电路55晶体二极管(特殊二极管:续)稳压管等效电路Ur为门限电压195变容二极管

晶体二极管(特殊二极管:续)(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。56变容二极管 晶体二极管(特殊二极管:续)(a)符号196光电二极管光电二极管工作于反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。光电二极管可用作光测量。晶体二极管(特殊二极管:续)发光二极管

发光二极管工作于正偏状态。其发光强度随正向电流增大而增大。发光二极管主要用作显示器件。57光电二极管晶体二极管(特殊二极管:续)发光二极管197

晶体二极管电路分析方法图解法迭代法折线化近似58晶体二极管电路分析方法图解法198

晶体二极管电路分析方法图解法

i=f(u)

晶体二极管59晶体二极管电路分析方法i=f(u)晶体199计算机辅助分析法（迭代法）据电路列方程组采用牛顿-拉夫森迭代算法迭代公式：

晶体二极管(电路分析方法:续)60计算机辅助分析法（迭代法）据电路列方程组采用牛顿-拉夫森200晶体二极管(电路分析方法:续)折线化近似法理想特性曲线只考虑门限的特性曲线考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线61晶体二极管(电路分析方法:续)折线化近似法理想特性曲线201

晶体二极管应用电路门电路整流电路限幅电路62晶体二极管应用电路门电路202电路变化后（图c）:

uO=-2.5V(c)

晶体二极管电路举例门电路

晶体二极管例1：图a示二极管门电路（VD

理想）求：uO

解：uO=063电路变化后（图c）:uO=-2.5V(c)晶体二203

整流电路

例2：半波整流电路中VD

理想，画出uO(t)波形

解：输出uO(t)取决于VD

的工作状态是通还是断晶体二极管(电路举例:续)；VD截止ui<0V；VD导通ui>0V解：64整流电路解：输出uO(t)取决于VD的工作状态是204限幅电路

例3:限幅电路中VD

理想，求uO(t)并画出波形。

晶体二极管(电路举例:续)解：；VD截止

ui<5V；VD导通ui

5V65限幅电路晶体二极管(电路举例:续)解：；VD截205

RL上所得电压值即为VZ管所承受的反向电压值，分别为：8V、7.2V、4V和2.4V。

图示稳压电路中：uI=12V，

UZ=6V，

R=4K。当RL分别为8K、6K、2K和1K时，求对应输出电压uO。稳压电路

解：故：uO分别为：6V、6V、4V和2.4V。

输出电压uO(t)取决于VZ

的工作状态，即：击穿与否。

晶体二极管(电路举例:续)66RL上所得电压值即为VZ管所承受的反向电压值，分别为206

小结PN结的形成是本节的基础。通过PN结特性理解二极管的特性及参数。晶体二极管的应用电路。理解晶体二极管特性、参数掌握晶体二极管应用电路67小结PN结的形成是本2071.3晶体三极管681.3晶体三极管208三极管存在：两结三区三极晶体三极管结构及符号

结构与符号发射极基极集电极发射区集电区基区发射结集电结N+NPNP+PE区B区C区C结E结EBCBCEPNPCEBNPN发射区(E区)：发送载流子基区(B区)：传输载流子集电区(C区)：收集载流子69三极管存在：两结三区三极晶体三极管结构及符号结构与符

常见的三极管外形常见的三极管外形2107121172212发射区重掺杂基区薄集电极面积大晶体三极管结构及符号

三极管结构特点73发射区重掺杂晶体三极管结构及符号三极管结构特点213

集电结

运用状态发射结正向运用反向运用正向运用饱和状态放大状态反向运用反向放大状态截止状态一般不用

三极管工作状态

三极管四种状态晶体三极管结构及符号

:续74集电结214晶体管的放大原理载流子的传输

载流子的传输过程

75晶体管的放大原理载流子的传输载流子的传输过程215形成IEn，同时基区也向发射区注入空穴形成IEp

。由于IEn