模电第一章晶体二极管及其基本电路Yl2010

模拟电子技术闫林电子系副教/p>

答疑地点3-209时间

主要参考书江晓安模拟电子技术西安电子科技大学出版社童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》，（第四版），高等教育出版社<清华大学>康华光，《电子技术基础(模拟部分)》，第四版，高等教育出版社<华中科技大学>第一节半导体的特性本征半导体杂质半导体下页总目录第一章半导体器件1.半导体(semiconductor)共价键Covalentbond半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsicsemiconductors)价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4下页首页上页2.本征半导体(intrinsicsemiconductors)纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K，在绝对零度(-273℃)时）

价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子Freeelectron带正电的空穴hole如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子-空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为电子–空穴对本征载流子的浓度对温度十分敏感电子-空穴对两种载流子浓度相等下页上页首页半导体中的载流子——自由电子和空穴

在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，称为本征激发。

空穴的出现是半导体的特点1.N型（或电子型）半导体(N-typesemiconductor)二、杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，下页上页在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子首页+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子Majoritycarrier少数载流子Minoritycarrier下页上页5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。首页+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空位2.P型半导体(P-typesemiconductor)

当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。空位为电中性。下页上页首页硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。下页上页3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子首页在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结上页首页第二节半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管总目录下页-++++++++++++-----------1.PN结中载流子的运动-++++++++++++-----------空间电荷区内电场Uho又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.6~0.8）V锗约为（0.2~0.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移下页上页首页正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2.PN结的单向导电性加正向电压+-U-++++++++++++-----------RE耗尽层内电场Uho-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏）forwardbiasPN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。下页上页首页+-U-++++++++++++-----------RE称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，E超过某一值后I饱和，称为反向饱和电流IS

。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场外电场Uho+U空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。加反向电压I反向电流IS

对温度十分敏感。下页上页首页动画二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1.二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。

二极管的符号阳极anode阴极cathode下页上页首页302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2.二极管的伏安特性下页上页首页动画当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mAO

二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：正向特性下页上页首页反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压若|U|>>UT则I≈-

IS

式中：

IS为反向饱和电流

UT

是温度电压当量，

常温下UT近似为26mV。反向特性24-I/μAI/mAU/V2010O若U

>>UT则下页上页首页三、二极管的主要参数最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。

最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR

。下页上页首页室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。

最高工作频率fM值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。下页上页反向电流IR首页二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。扩散电容Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。下页上页首页4二极管基本电路及其分析方法4.1二极管正向V-特性的建模1.理想模型在正向偏置时，其管压降为0V;而在反向偏置时，认为电阻无穷大。iDVDiDvD2.恒压降模型二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不随电流而变化,典型值是

0.7V。不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。3.折线模型二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加。Vth约为0.5V,其中，Vth和rD的值不是固定不变的。(见例题)DivDiDVDrDthv2.4.2模型分析法1.限幅电路在电子技术中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。（见例题）2.开关电路在开关电路中，利用二极管的单向导电性以接通或断开电路。在分析这种电路时，应掌握一条基本原则，即判断电路中二极管处于导

通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。（见例题）3.低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常见的组成部分。利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构成低电压稳压电路。（见例题）1–4-3二极管基本应用电路利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。一、二极管整流电路把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1–17(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输出波形见图1–17(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。图1–17二极管半波整流电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系二、二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。一个简单的上限幅电路如图1–19(a)所示。当ui≥E+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui<2.7V时，V截止，二极管支路开路，uo=ui。图1–19(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。将输入信号中高出2.7V的部分削平了。1–5–1稳压二极管(齐纳二极管)特殊工艺制造，杂质浓度比较大。稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。一、稳压二极管的特性稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图1–21所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZmin<I<IZmax)，其两端电压几乎不变。1–5其它二极管简介图1-21稳压二极管及其特性曲线（a)电路符号（b)伏安特性曲线稳压管特点：1、PN结易击穿，其击穿电压比普通二极管击穿电压低很多；2、PN结面积大，散热条件好，使反向击穿在较大范围内是可逆的。稳压管特性：当稳压管处于正向偏置时，其特性和普通二极管特性相同。当稳压管处于反向偏置时，（1）如果电压较小，（＜UZ）则处于截止状态，电流近似为0；（2）如果电压达到击穿电压值（UZ），电流迅速增大，稳压管处于稳压状态。这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。图1–22稳压二极管稳压电路二、稳压二极管的主要参数1.稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。2额定功耗PZPZ是由管子结温限制所限定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。3稳压电流IZIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。4动态电阻rZrZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。rZ随工作电流增大而减小。rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。5温度系数αα是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常，UZ<5V时具有负温度系数(因齐纳击穿具有负温系数)；UZ>7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数)；而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小。三、稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路如图1–22所示。图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui>UZ。R为限流电阻，RL为负载。图1–22稳压二极管稳压电路1–5–2变容二极管如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图1–23所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系由式(1–5)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。图1–23变容二极管符号1–5–3光电二极管光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图1–25示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。图1–25光电二极管符号1–5–4发光二极管发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成，其电路符号如图1–26所示。当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。图1–26发光二极管符号

三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD＝0.7V。

电路举例：判各二极管状态，求Uo值。四、已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。

图T1.4解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。

1.4电路如图P1.4所示，已知ui＝5sinωt(V)，二极管导通电压UD＝0V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。

1.5电路如图P1.5（a）所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD＝0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。图P1.5[例1.2.1]已知Ui=

Umsinωt，画出uo和uD的波形VDR+-+-uiuo+-uDioUmωtuooωtuDoui

＞0

时二极管导通，uo=

uiuD

=

0ui

＜0

时二极管截止，uD

=

uiuo=

0-UmioUmωtuio下页上页首页[例1.2.2]二极管可用作开关EVDESEVDES正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。下页上页首页四、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：ΔUΔI+-IUO

稳压管的伏安特性和符号ΔUΔI值很小有稳压特性阴极阳极下页上页首页1.稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流Iz

，稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rz

，稳压管两端电压和电流的变化量之比。

rz=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU，稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗Pz

，电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：下页上页首页使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UoRLVDZRUiIRIoIZ++--

稳压管电路稳压管必须工作在反向击穿区，稳压管应与负载RL并联，必须限制流过稳压管的电流IZ，下页上页首页[例1.2.3]电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,

对应ΔUZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻R。下页上页首页UoRLVDZRUiIRIoIZ++--+-UZ解：IZ=IR-Io=UI-UZR-UZRLIZmax＞UImax-UZR-UZRLmaxIZmin

＜UImin-UZR-UZRLminrZ

=ΔIZΔUZ=6.7Ω15

-

650

+61=160

ΩR＞R＜10

-

65

+60.6=267

ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mA下页上页首页UoRLVDZRUiIRIoIZ++--+-UZ+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例1.2.4]有两个稳压管

VD1和

VD2，它们的稳压值为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为

UD=0.6

V，将它们串联可得到几种稳压值。U=UD+UD=1.2VU=UZ1+UD=6.6VU=UZ1+UZ2=14VU=UD+UZ2=8.6V下页上页首页上页首页课堂练习第三节双极型三极管三极管的结构三极管中载流子的运动和电流分配关系三极管的特性曲线三极管的主要参数总目录下页1.3半导体三极管几种半导体三极管的外形1.3.1三极管的结构及类型三极管的结构示意图和符号

无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区:发射区、基区和集电区,并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处,形成两个PN结,分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。半导体三极管晶体管(transistor)双极型三极管或简称三极管制作材料：分类：它们通常是组成各种电子电路的核心器件。双极结型又称为：硅或锗NPN型PNP型下页上页首页一、三极管的结构三个区发射区：杂质浓度很高基区：杂质浓度低且很薄集电区：无特别要求发射结集电结集电区基区发射区cbeNPN型三极管的结构和符号两个PN结发射结集电结三个电极发射极

e基极

b集电极

c集电极

ccollector基极

bbase发射极

eemitterNPN下页上页首页RbRcEBECecb发射极电流二、三极管中载流子的运动和电流分配关系发射:发射区大量电子向基区发射。2.复合和扩散：电子在基区中复合扩散。3.收集：将扩散过来的电子收集到集电极。同时形成反向饱和电流ICBO。IEICIBICNIENIBNICBO集电极电流基极电流下页上页首页动画RbRcEBECecbIEICIBICNIENIBNICBOIC

=

ICN+

ICBOIE

=

ICN+

IBNIC

=αIE+

ICBO将代入IC

=

ICN+

ICBO得当ICBO

<<IC时，可得≈ICIEαIEN

=

ICN+

IBNIE

=

IENIE

=

IC+

IB下页上页ICNα=IE通常将定义为共基直流电流放大系数。首页β≈ICIBIE

=

IC+

IBβ称为共射直流电流放大系数。IE=IC+IBIC

≈βIBIE=（1+β）IB下页上页首页β1+βα

=β=α1-α1.3.4三极管的特性曲线图1–33三极管共发射极特性曲线测试电路三、三极管的特性曲线1.输入特性IB=f（UBE）UCE=

常数UCE=0VUCE=2V当UCE大于某一数值后，各条输入特性十分密集，通常用UCE

>1时的一条输入特性来代表。UBE/ViB/μAO

三极管的输入特性下页上页UBEib+-UCE=0VBBRbbec

三极管的输入回路首页2.输出特性iC/mAOuCE/ViB=80μА6040200IC=f(UCE)IB=常数饱和区放大区截止区：IB≤0的区域，IC

≈0，发射结和集电结都反偏。2.

放大区：发射结正偏集电结反偏ΔIC=βΔIB

3.

饱和区：发射结和集电结都正偏，UCE较小，IC

基本不随IB

而变化。当UCE=UBE时，为临界饱和；当UCE<UBE

时过饱和。截止区下页上页首页动画发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换

EB极性。发射结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换

EC极性,或将VT更换为PNP型。两PN结均正偏三极管工作在饱和区。[例1.3.1]判断图示各电路中三极管的工作状态。0.7VVT0.3V下页上页RbRcECEBVTRbRcECVT首页EB=IBRb+UBEIBICIB

=

46.5

μAβIB

=

2.3mA假设三极管饱和，UCES=0.3

V则ICS=EC-UCESRc=4.85

mAβIB

<ICS假设不成立，三极管工作在放大区。或者IC=βIB

=

2.3mAUCE=EC-ICRc=5.4

V发射结正偏集电结反偏，三极管工作在放大区。下页上页RbRCECEBVT2k200k10V10Vβ=50首页EB=IBRb+UBEIBICIB

=

465

μAβIB

=

23mA假设三极管饱和，UCES=0.3

V则ICS=EC-UCESRc=4.85

mAβIB

>ICS假设成立，三极管工作在饱和区。或者IC=βIB

=

23mAUCE=EC-ICRc=-36

V发射结正偏集电结正偏，三极管工作在饱和区。下页上页RbRCECEBVT2k20k10V10Vβ=50首页四、三极管的主要参数2.反向饱和电流β=ΔICΔIBβ≈ICIB共基直流电流放大系数αα=ΔICΔIE

共基电流放大系数αα=ICNIEβ共射直流电流放大系数集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO集电极和发射极之间的穿透电流

ICEOICEO=（1+）ICBOβ两者满足1.电流放大系数

共射电流放大系数β下页上页首页3.极限参数a.集电极最大允许电流

ICMiC/mAOuCE/V三极管的安全工作区过流区集射反向击穿电压U(BR)CEO集基反向击穿电压U(BR)CBOICUCE=PCM过压区安全工作区ICM过损耗区U(BR)CEOc.极间反向击穿电压b.集电极最大允许耗散功率

PCM下页上页首页下页上页五、PNP型三极管PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同，但外加电源的极性相反。~VBBuiRbRcVT+-uoVCC~VBBuiRbRcVT+-uoVCC首页在由PNP三极管组成的放大电路中，三极管中各极电流和电压的实际方向如图(a)所示，根据习惯三极管中电流和电压的规定正方向如图(b)所示。UCE

UBE

IE

IC

IB

cbe(-)

(+)

(+)

(-)

(a)UCE

UBE

IE

IC

IB

cbe(-)

(+)

(+)

(-)

(b)定量计算中，将得出PNP三极管的UBE和UCE为负值。在PNP三极管的输入和输出特性曲线中，电压坐标轴上将分别标注“-UBE”和“-UCE”。电流实际方向与规定方向一致，电压实际方向与规定方向相反。下页上页首页上页首页课堂练习第四节场效应三极管结型场效应管绝缘栅场效应管场效应管的主要参数下页总目录场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道下页上页首页一、结型场效应管1.结构N型沟道耗尽层GDSGDSP+P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅极漏极源极下页上页首页2.工作原理UGS=0UGS<0UGS=UGS(off)⑴当UDS=0时，UGS对耗尽层和导电沟道的影响。ID=0ID=0下页上页首页N型沟道GDSP+P+N型沟道GDSP+P+GDSP+P+IS=IDIDISIDISUGS=0，UDG<|UGS(off)|UGS<0，UDG<|UGS(off)|⑵.当UDS＞0时，UGS对耗尽层和ID的影响。NP+P+VGGVDDGDSNP+P+VDDGDS沟道较宽，ID

较大。沟道变窄，

ID

较小。下页上页首页NP+P+IDISVGGVDDP+P+IDISVGGVDDUGS<0，UDG=|UGS(off)|，UGS≤

UP，UDG

>

|UGS(off)|，ID≈0，导电沟道夹断。ID更小，导电沟道预夹断。下页上页首页动画3.特性曲线⑴.转移特性ID=f（UGS）|UDS=常数GDSmAVVIDVGGVDD场效应管特性曲线测试电路Ｎ沟道结型场效应管转移特性

IDSSUP饱和漏极电流栅源间加反向电压UGS

<

0利用场效应管输入电阻高的优点。UGS/VID/mAO下页上页首页⑵.漏极特性ID=f（UDS）|UGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSUGS=0-4-2-6-8ID/mAUDS/VO|UDS-UGS|=|UP|可变电阻区：ID与UDS基本上线性关系，但不同的UGS其斜率不同。恒流区：又称饱和区，ID几乎与UDS无关，ID的值受UGS控制。N沟道结型场效应管的漏极特性击穿区：反向偏置的PN结被击穿，

ID电流突然增大。夹断电压下页上页首页二、绝缘栅场效应管1.N沟道增强型MOS场效应管⑴.结构P型衬底N+N+BSGDSiO2铝P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其它电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。SGDB下页上页首页P型衬底N+SGDBN+开启电压，用UT表示⑵.工作原理当UGS增大到一定值时，形成一个N型导电沟道。N型沟道UGS>UT时形成导电沟道VGG导电沟道的形成假设UDS=0，同时UGS

>0

靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增大UGS

，则耗尽层变宽。又称之为反型层导电沟道随UGS增大而增宽。下页上页首页UDS对导电沟道的影响UGS为某一个大于UT的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且UDS<

UGS

-UT即UGD=UGS-UDS

>UT则有电流ID

产生，ID使导电沟道发生变化。当UDS

增大到UDS=UGS

-UT即UGD=UGS-UDS

=UT

时，沟道被预夹断，

ID

饱和。P型衬底N+N+SGDBVGGN型沟道VDDUDS对导电沟道的影响下页上页首页⑶.特性曲线IDOUT2UT预夹断轨迹可变电阻区恒流区ID/mAUDS/VOUGS/VID/mAO当UGS

≥

UGS(th)时。下页上页截止区转移特性曲线可近似用一下公式表示：首页2.N沟道耗尽型MOS场效应管预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，使UGS=0时，产生N型导电沟道。当UGS<0时，沟道变窄，达到某一负值时被夹断，ID≈0，称为夹断电压。UGS>0时，沟道变宽，ID增大。GDSB下页上页首页P型衬底N+N+SGDBN型沟道++++++动画耗尽型：UGS

=0时无导电沟道。增强型：UGS

=0时有导电沟道。特性曲线IDSSUP预夹断轨迹可变电阻区恒流区IDSSID/mAUDS/VOUGS=0-2-1+1+2UGS/VOID/mA下页上页截止区首页三、场效应管的主要参数1.直流参数⑴.饱和漏极电流IDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零，而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。⑵.夹断电压UP是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。下页上页首页⑶.开启电压UGS(th)UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。⑷.直流输入电阻RGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上，绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。下页上页首页2.交流参数⑴.低频跨导gm用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。⑵.极间电容场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD和CDS。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。下页上页首页3.极限参数⑴.漏极最大允许耗散功率PDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即PD=iDuDS。⑵.

漏源击穿电压U（BR）DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS

。⑶.栅源击穿电压U（BR）GS下页上页首页上页首页课堂练习1.3半导体三极管图1-28几种半导体三极管的外形1.3.1三极管的结构及类型图1–29三极管的结构示意图和符号无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区:发射区、基区和集电区,并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处,形成两个PN结,分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。1.3.2三极管的三种连接方式图1-30三极管的三种连接方式1.3.3三极管的放大作用1.载流子的传输过程发射。(2)扩散和复合。(3)收集。图1–31三极管中载流子的传输过程2.电流分配图1-32三极管电流分配集电极电流ＩＣ由两部分组成：ＩＣｎ和ＩＣＢＯ,前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的,后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。于是有ＩＣ＝ＩＣｎ＋ＩＣＢＯ(1-6)发射极电流ＩＥ也由两部分组成：ＩＥｎ和ＩＥｐ。ＩＥｎ为发射区发射的电子所形成的电流,ＩＥｐ是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂,所以ＩＥｐ忽略不计,即ＩＥ≈ＩＥｎ。ＩＥｎ又分成两部分,主要部分是ＩＣｎ,极少部分是ＩＢｎ。ＩＢｎ是电子在基区与空穴复合时所形成的电流,基区空穴是由电源ＵＢＢ提供的,故它是基极电流的一部分。基极电流ＩＢ是ＩＢｎ与ＩＣＢＯ之差：(1-7)(1-8)发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成集电极电流,即要求ＩＣｎ>>ＩＢｎ。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系,用α来表示,其定义为(1-9)一般三极管的α值为0.97～0.99。将(１-９)式代入(１-６)式,可得(1-10)通常ＩＣ>>ＩCBO,可将ＩＣＢＯ忽略,由上式可得出(1-11)三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即将此式代入(1-10)式得(1-12)经过整理后得令

β称为共发射极直流电流放大系数。当IC>>ICBO时,β又可写成(1-13)(1-14)则其中ICEO称为穿透电流,即一般三极管的β约为几十～几百。β太小,管子的放大能力就差,而β过大则管子不够稳定。表1-3三极管电流关系的一组典型数据IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比,定义为共基极交流电流放大系数,即故显然β与β,α与α其意义是不同的,但是在多数情况下β≈β,α≈α。例如,从表１-３知,在ＩＢ＝００３mA附近,设ＩＢ由００２mA变为００４mA,可求得1.3.4三极管的特性曲线图1–33三极管共发射极特性曲线测试电路1.输入特性当ＵＣＥ不变时,输入回路中的电流ＩＢ与电压ＵＢＥ之间的关系曲线称为输入特性,即图1-34三极管的输入特性2.输出特性当ＩＢ不变时,输出回路中的电流ＩＣ与电压ＵＣＥ之间的关系曲线称为输出特性,即图1-35三极管的输出特性