模拟电子技术-童诗白版

模拟电子技术-童诗白版第一页，共634页。1.成绩评定标准

理论： 平时成绩30％ 作业、期中考、考勤、提问等期末考试70%2.教学参考书

康华光主编，《电子技术基础》模拟部分第三版，高教出版社

童诗白主编，《模拟电子技术基础》第二版，高教出版社

陈大钦主编，《模拟电子技术基础问答：例题•试题》，华工出版社前言第二页，共634页。第四版童诗白目录1

常用半导体器件2

基本放大电路3

多级放大电路4

集成运算放大电路5

放大电路的频率响应6

放大电路中的反馈7

信号的运算和处理8

波形的发生和信号的转换9

功率放大电路10

直流稳压电源第三页，共634页。第三版童诗白第一章常用半导体器件1.1

半导体基础知识

1.2

半导体二极管

1.3

双极型晶体管

1.4

场效应管

1.5单结晶体管和晶闸管

1.6集成电路中的元件第四页，共634页。第三版童诗白本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。

2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型、管脚和管材。

3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。

第五页，共634页。第三版童诗白本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？第六页，共634页。

1.1半导体的基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一、导体、半导体和绝缘体PNJunction第七页，共634页。

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：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杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。光敏器件二极管第八页，共634页。+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图本征半导体结构示意图二、本征半导体的晶体结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。第九页，共634页。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴

若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）第十页，共634页。四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中载流子的浓度公式：T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.43×1010/cm3本征锗的电子和空穴浓度:

n=p=2.38×1013/cm3ni=

pi=

K1T3/2e-EGO/(2KT)本征激发(见动画)复合动态平衡第十一页，共634页。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。

3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi

表示，显然ni

=pi

。

4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。

5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结第十二页，共634页。杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。第十三页，共634页。

本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。第十四页，共634页。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.3

N型半导体5价杂质原子称为施主原子。第十五页，共634页。

自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。

电子称为多数载流子(简称多子)，

空穴称为少数载流子(简称少子)。第十六页，共634页。二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。

3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图P型半导体第十七页，共634页。说明：

1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。

2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图杂质半导体的的简化表示法第十八页，共634页。

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图PN结的形成一、PN结的形成

PN结第十九页，共634页。PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动

2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN

（动画1-3）第二十页，共634页。3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。

4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。

少子的运动与多子运动方向相反

阻挡层第二十一页，共634页。5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN第二十二页，共634页。二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI图PN第二十三页，共634页。二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图PN第二十四页，共634页。在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I

；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第二十五页，共634页。耗尽层图PN结加反相电压时截止反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，

随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS第二十六页，共634页。

当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。

（动画1-4）

（动画1-5）综上所述：可见，PN结具有单向导电性。第二十七页，共634页。IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，

UT

26mV三、PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为公式推导过程略第二十八页，共634页。四、PN结的伏安特性

i=f

(u

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图PN结的伏安特性反向击穿第二十九页，共634页。五、PN结的电容效应当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容1.势垒电容Cb是由PN结的空间电荷区变化形成的。(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压-N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+-UV第三十页，共634页。空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于PN结宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)

曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OuCb图1.1.11（b)第三十一页，共634页。2.扩散电容CdQ是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。x=0处为P与耗尽层的交界处当电压加大，np(或pn)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。Q正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。图PNPN结第三十二页，共634页。综上所述：PN结总的结电容Cj

包括势垒电容Cb和扩散电容Cd

两部分。Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法~几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为Cj

Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为Cj

Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。第三十三页，共634页。

1.2

半导体二极管在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型图二极管的几种外形第三十四页，共634页。1点接触型二极管(a)点接触型

二极管的结构示意图半导体二极管的几种常见结构PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第三十五页，共634页。3平面型二极管

往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型4二极管的代表符号D第三十六页，共634页。

二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7一、伏安特性锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V第三十七页，共634页。二、温度对二极管伏安特性的影响(了解)在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加第三十八页，共634页。

二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM(5)极间电容Cj在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。第三十九页，共634页。

1.2.4二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路1.理想模型2.恒压降模型3.折线模型第四十页，共634页。

二、二极管的微变等效电路

二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）图1.2.7二极管的微变等效电路第四十一页，共634页。

应用举例

二极管的静态工作情况分析

分析步骤：

1.根据已知条件或实际情况确定二极管采用的模型

2.将二极管断开，分别计算VA,VK

并判断二极管的通断

3.套入相应的模型对原电路进行变换

4.计算第四十二页，共634页。

应用举例

计算二极管电流和两端的电压理想模型（R=10k）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）第四十三页，共634页。

应用举例

二极管的静态工作情况分析（R=10k）VDD=10V时折线模型（硅二极管典型值）设P22例第四十四页，共634页。应用举例例1：P69习题1.2解：二极管采用理想模型

ui和uo的波形如图所示

第四十五页，共634页。1.2.5稳压二极管一、稳压管的伏安特性(a)符号(b)2CW17伏安特性

利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ第四十六页，共634页。(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)温度系数——VZ二、稳压管的主要参数第四十七页，共634页。

稳压电路正常稳压时UO=UZ#不加R可以吗？#上述电路UI为正弦波，且幅值大于UZ

，UO的波形是怎样的？（1）.设电源电压波动(负载不变)UI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑↓UO↓←UR↑←IR↑（2）.设负载变化(电源不变)略如电路参数变化？UOUI第四十八页，共634页。例1：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5k--4k，是否还能稳压？第四十九页，共634页。RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用第五十页，共634页。例2：稳压二极管的应用解：ui和uo的波形如图所示

（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ第五十一页，共634页。一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几mA，导通电压(12)V符号u/Vi

/mAO2特性其它类型的二极管第五十二页，共634页。发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,第五十三页，共634页。二、光电二极管符号和特性符号特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：三、变容二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流大.优点是开关特性好，速度快、工作频率高第五十四页，共634页。1.3双极型晶体管(BJT)又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种导电类型：NPN型和PNP型。

主要以NPN型为例进行讨论。图三极管的外形X：低频小功率管D：低频大功率管G：高频小功率管A：高频大功率管第五十五页，共634页。图1.3.2(b)三极管结构示意图和符号NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP晶体管的结构及类型第五十六页，共634页。集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN图1.3.2©三极管结构示意图和符号(b)PNP型第五十七页，共634页。晶体管的电流放大作用以NPN型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不表示两个二极管连接起来就是三极管第五十八页，共634页。三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP

1.发射区高掺杂。

2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。

三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。第五十九页，共634页。becRcRb一、晶体管内部载流子的运动IEIB发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流

IE

(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流

电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB

补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。晶体管内部载流子的运动第六十页，共634页。becIEIBRcRb3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic

集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流

Icn。其能量来自外接电源VCC

。IC另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO晶体管内部载流子的运动第六十一页，共634页。beceRcRb二、晶体管的电流分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBOIE=IC+IB图晶体管内部载流子的运动与外部电流第六十二页，共634页。三、晶体管的共射电流放大系数整理可得：ICBO称反向饱和电流ICEO称穿透电流1、共射直流电流放大系数VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法第六十三页，共634页。直流参数与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，直流和交流的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。2、共射交流电流放大系数第六十四页，共634页。3、共基直流电流放大系数或4、共基交流电流放大系数5.的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法第六十五页，共634页。1.3.3晶体管的共射特性曲线uCE=0VuBE

/V

iB=f(uBE)

UCE=const(2)当uCE≥1V时，uCB=uCE

-uBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，在同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。一.输入特性曲线uCE=0VuCE

1VuBE

/V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE第六十六页，共634页。iC=f(uCE)

IB=const二、输出特性曲线+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE测量方法说明第六十七页，共634页。输出特性曲线的三个区域:放大区：条件：发射结正偏，集电结反偏

特点：iC的大小不受uCE的影响，只受IB的控制。

如何根据曲线获得

值第六十八页，共634页。输出特性曲线的三个区域:截止区：条件：发射结反偏（不导通），集电结反偏

特点：iC

电流趋近于0。

等效模型：相当于开关断开第六十九页，共634页。输出特性曲线的三个区域:饱和区：条件：发射结正偏，集电结正偏

特点：iB

、iC

大到一定数值后三极管进入该区域，UCE电压的数值较小。

等效模型第七十页，共634页。三极管的参数分为三大类:

直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数1.共发射极直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const晶体管的主要参数2.共基直流电流放大系数3.集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO第七十一页，共634页。二、交流参数1.共发射极交流电流放大系数

=iC/iBUCE=const2.

共基极交流电流放大系数α

α=iC/iE

UCB=const3.特征频率fT值下降到1的信号频率第七十二页，共634页。1.最大集电极耗散功率PCM

PCM=iCuCE

三、极限参数2.最大集电极电流ICM3.

反向击穿电压

UCBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。UEBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。

UCEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系

UCBO＞UCEO＞UEBO第七十三页，共634页。

由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区

PCM=iCuCE

U(BR)CEOUCE/V第七十四页，共634页。温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对ICBO的影响温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。硅管的ICBO比锗管的小得多。二、温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移60402000.40.8I/mAU/V温度对输入特性的影响200600三、温度对输出特性的影响温度升高将导致IC

增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响第七十五页，共634页。三极管工作状态的判断[例1]：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）

VC

＝6V

VB

＝0.7V

VE

＝0V（2）VC

＝6V

VB

＝4V

VE

＝3.6V（3）VC

＝3.6V

VB

＝4V

VE

＝3.4V解：原则：正偏反偏反偏集电结正偏正偏反偏发射结饱和放大截止对NPN管而言，放大时VC

＞VB

＞VE

对PNP管而言，放大时VC

＜VB

＜VE

（1）放大区（2）截止区（3）饱和区第七十六页，共634页。[例2]

某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。

IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,试判断管脚、管型。解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC

IAIBICC为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。第七十七页，共634页。例[3]：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：

（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V

（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V

（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V

（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。（1）U1b、U2e、U3cNPN硅（2）U1b、U2e、U3cNPN锗（3）U1c、U2b、U3ePNP硅（4）U1c、U2b、U3ePNP锗原则：先求UBE，若等于，为硅管；若等于，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。

NPN管UBE＞0，UBC＜0，即UC

＞UB

＞UE

。

PNP管UBE＜0，UBC＜0，即UC

＜UB

＜UE

。解：第七十八页，共634页。光电三极管一、等效电路、符号二、光电三极管的输出特性曲线ceceiCuCEO图1.3.11光电三极管的输出特性E1E2E3E4E＝0第七十九页，共634页。复习1.BJT放大电路三个电流关系？IE=IC+IB2.BJT的输入、输出特性曲线？uCE=0VuCE

1VuBE

/V3.BJT工作状态如何判断？第八十页，共634页。1.4场效应三极管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；

电压控制型器件；重量轻、体积小、寿命长等优点。

输入电阻高；第八十一页，共634页。N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：第八十二页，共634页。DSGN符号结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结构图N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。第八十三页，共634页。P沟道场效应管

P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS第八十四页，共634页。一、结型场效应管工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层

*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。第八十五页，共634页。1.当UDS=0时，uGS

对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型沟道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS

＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示第八十六页，共634页。2.当uGS

为UGS（Off)~0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。uGS=0，uGD>UGS（Off)

，iD

较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

uGS<0，uGD>UGS（Off)

，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当uDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD

＝uGS

－uDS

第八十七页，共634页。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,沟道变窄预夹断uGS<0,uGD<uGS(off),夹断，iD几乎不变(1)

改变uGS，改变了PN结中电场，控制了iD

，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)NGSD

+VGGP+P+VDD+-A第八十八页，共634页。3.当uGD<uGS(off),时，,uGS对漏极电流iD的控制作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。场效应管为电压控制元件(VCCS)。uGD

＝uGS

－uDS<uGS(off),即：出现了预夹断之后uDS为一常量时，对应于确定的uGS

，就有确定的iD。gm=iD/uGS(单位mS)第八十九页，共634页。小结(1)在uGD

＝uGS

－uDS>uGS(off)情况下,即当uDS<uGS-uGS(off)

对应于不同的uGS

，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD

＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGD<uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS

，而与uDS

无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。第九十页，共634页。二、结型场效应管的特性曲线1.输出特性曲线当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS

的关系，即第九十一页，共634页。IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区

可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。图(b)漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS图1.4.5(a)特性曲线测试电路+mA击穿区第九十二页，共634页。2.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

uGSiDIDSSUGS(off)图转移特性uGS=0，iD最大；uGS

愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)

，iD0。两个重要参数饱和漏极电流

IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)

(ID=0时的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA第九十三页，共634页。

转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性

结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤第九十四页，共634页。＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS=0V+uDS++o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。第九十五页，共634页。绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第九十六页，共634页。一、N沟道增强型MOS场效应管

结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB第九十七页，共634页。1.工作原理

绝缘栅场效应管利用UGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0

漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD第九十八页，共634页。(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型衬底N+N+BGSD

栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2

一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大UGS

耗尽层变宽。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)

或UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。第九十九页，共634页。(4)

UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID

。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区第一百页，共634页。DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图UDS

对导电沟道的影响(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD

。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。第一百零一页，共634页。3.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS<UT，iD=0；

UGS

≥

UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UT

时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图1.4.10(a)图1.4.10(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区

可变电阻区夹断区。UGS增加第一百零二页，共634页。二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；

UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD

减小；

UGS=

UP,感应电荷被“耗尽”，iD

0。UP或UGS(off)称为夹断电压图第一百零三页，共634页。N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS

正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型MOS管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N沟道耗尽型MOSFET第一百零四页，共634页。三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)

，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)＞0UGS

可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道四、VMOS管VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。第一百零五页，共634页。SGDSGDiDUGS=0V+uDS++oSGDBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0V---uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO第一百零六页，共634页。IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+第一百零七页，共634页。场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UP或UGS(off)3.开启电压UT

或UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。第一百零八页，共634页。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容

用以描述栅源之间的电压uGS

对漏极电流iD

的控制作用。单位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西门子(mS)

这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。第一百零九页，共634页。三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS

由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。

场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS

，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流IDM第一百一十页，共634页。例电路如图所示，其中管子T的输出特性曲线如图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？

图图分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)

＝4V第一百一十一页，共634页。解(1)ui为0V，即uGS＝ui＝0，管子处于夹断状态

所以u0＝VDD

＝15V(2)uGS＝ui＝8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD＝1mA，u0＝uDS

＝VDD-iD

RD

＝10V(3)uGS＝ui＝10V时，若工作在恒流区，iD＝2.2mA。因而u0＝15-2.2*5

＝4V但是，uGS

＝10V时的预夹断电压为uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区第一百一十二页，共634页。从输出特性曲线可得uGS

＝10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为[例1.4.3]第一百一十三页，共634页。晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子运动输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4场效应管与晶体管的比较第一百一十四页，共634页。噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响晶体管场效应管第一百一十五页，共634页。一、单结晶体管的结构和等效电路N型硅片P区PN结eb1b2单结晶体管又称为双基极晶体管。(a)结构(b)符号(C)等效电路图

单结管的结构及符号1.5单结晶体管和晶闸管单结晶体管第一百一十六页，共634页。特性：+-UA+-UD+-UEB1+-UBB——分压比OUEB1IEAPVBIPUP截止区负阻区饱和区峰点UP：峰点电压IP：峰点电流谷点UV：谷点电压IV：谷点电流图

(a)图

(b)第一百一十七页，共634页。二、单结管的脉冲发生电路图

单结管的脉冲发生电路第一百一十八页，共634页。三、单结管的触发电路图

图

第一百一十九页，共634页。三、应用举例：单结管的脉冲发生电路图

单结管的脉冲发生电路第一百二十页，共634页。晶闸管一、结构和等效模型图

晶闸管的结构和符号CCC阳极阴极控制极第一百二十一页，共634页。二、工作原理图

1.控制极不加电压，无论在阳极与阴极之间加正向或反向电压，晶闸管都不导通。——称为阻断

2.控制极与阴极间加正向电压，阳极与阴极之间加正向电压，晶闸管导通。PNPIGβ1β2IGβ1IG图

CNPNCC第一百二十二页，共634页。结论：晶闸管由阻断变为导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲；晶闸管由导通变为阻断的条件是减小阳极电流IA

，或改变A-C电压极性的方法实现。晶闸管导通后，管压降很小，约为0.6~1.2V左右。第一百二十三页，共634页。三、晶闸管的伏安特性1.伏安特性OUAKIAUBOABCIHIG=0正向阻断特性：当IG=0，而阳极电压不超过一定值时，管子处于阻断状态。UBO——正向转折电压正向导通特性：管子导通后，伏安特性与二极管的正向特性相似。IH

——维持电流当控制极电流IG0时，使晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压减小。IG

增大反向特性：与二极管的反向特性相似。UBR图

晶闸管的伏安特性曲线第一百二十四页，共634页。四、晶闸管的主要参数1.额定正向平均电流IF

2.维持电流IH3.触发电压UG和触发电流IG4.正向重复峰值电压UDRM5.反向重复峰值电压URRM其它：正向平均电压、控制极反向电压等。第一百二十五页，共634页。例：单相桥式可控整流电路+-uG在u2正半周，当控制极加触发脉冲，VT1和VD2导通；在u2负半周，当控制极加触发脉冲，VT2和VD1导通；αθ：控制角；：导电角图

第一百二十六页，共634页。小结第1

章第一百二十七页，共634页。一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子空穴两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二极管1.特性—单向导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。第一百二十八页，共634页。2.主要参数正向—最大平均电流IF反向—最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IR(IS)(受温度影响)ISiDO

uDU(BR)IFURM第一百二十九页，共634页。3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)uDiD正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压UD(on)

时导通等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.60.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.10.3)V0.2V折线近似模型相当于有内阻的恒压源UD(on)第一百三十页，共634页。4.二极管的分析方法步骤5.特殊二极管工作条件主要用途稳压二极管反偏稳压发光二极管正偏发光光电二极管反偏光电转换第一百三十一页，共634页。三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管(晶体三极管

BJT)单极型半导体三极管(场效应管

FET)两种载流子导电多数载流子导电晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大第一百三十二页，共634页。放大条件内因：发射区载流子浓度高、

基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=

IB+ICEO

IE=(1+)

IB+ICEOIE=IC+IBIC=

IB

IE=(1+)

IB

第一百三十三页，共634页。4.特性iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O369124321O0.40.8iB

/AuBE/V60402080死区电压(Uth)：0.5V(硅管)0.1V(锗管)工作电压(UBE(on))

：0.60.8V取0.7V

(硅管)0.20.3V取0.3V

(锗管)饱和区截止区第一百三十四页，共634页。iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O369124321放大区饱和区截止区放大区特点：1)iB决定iC2)曲线水平表示恒流3)曲线间隔表示受控第一百三十五页，共634页。5.参数特性参数电流放大倍数

=/(1)=/(1+

)极间反向电流ICBOICEO极限参数ICMPCMU(BR)CEOuCEOICEOiCICMU(BR)CEOPCM安全工作区=(1+)ICBO第一百三十六页，共634页。场效应管1.分类按导电沟道分N沟道P沟道按结构分绝缘栅型(MOS)结型按特性分增强型耗尽型uGS=0时，iD

=0uGS=0时，iD

0增强型耗尽型(耗尽型)第一百三十七页，共634页。2.特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成由于FET无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述3.特性不同类型FET的特性比较参见图1.4.13第43-44页。第一百三十八页，共634页。不同类型FET转移特性比较结型N沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS管IDSS夹断电压UGS(off)开启电压UGS(th)IDO

是uGS=2UGS(th)时的iD值(耗尽型)第一百三十九页，共634页。四、晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态放大I

C=

IB发射结正偏集电结反偏饱和

IC

IB两个结正偏ICS=

IBS集电结零偏临界截止IB<0,IC=0两个结反偏判断导通还是截止：UBE>U(th)

则导通以NPN为例：UBE<U(th)

则截止第一百四十页，共634页。判断饱和还是放大：1.电位判别法NPN管UC>UB>UE放大UE<UC

UB饱和PNP管UC<UB<UE放大UE>UC

U

B饱和2.电流判别法IB>IBS

则饱和IB<IBS则放大第一百四十一页，共634页。第三版童诗白第二章基本放大电路2.1放大的概念和电路主要指标2.7场效应管放大电路2.6晶体管基本放大电路的派生电路2.5单管放大电路的三种基本接法2.4放大电路静态工作点的稳定2.3放大电路的分析方法2.2基本共射放大电路的工作原理第一百四十二页，共634页。第三版童诗白本章重点和考点:1.共射放大电路的静态工作点分析和动态参数计算。2.放大电路失真分析和最大输出电压计算。3.BJT三种组态的特点、FET三种组态的特点。第一百四十三页，共634页。第三版童诗白本章讨论的问题：1.什么是放大？放大电路放大信号与放大镜放大物体意义相同吗？放大的特征是什么？2.为什么晶体管的输入、输出特性说明它有放大作用？如何将晶体管接入电路才能起到放大作用？组成放大电路的原则