模电第1,2章课件

模拟电子技术

Analogueelectronictechnology

北京联合大学电子工程系主讲：刘元盛yuansheng@QQ:1963648933第一次作业上交时间：第三周周一10:00前，已班为单位发送E-MAIL到我的邮箱。主题：论文内容：通过网络调查国内2个以上大学（境外1个大学）《模拟电子技术》课程的基本内容，下载其课件和习题，观看其录像。将你做的工作和对本课程的认识已论文的形式表现出来。本课程概述课程性质：

是电气、电子信息类专业一门重要的技术基础理论课程，同时也是该类专业的必修课（5学分）。课程任务：●使学习者熟悉并掌握基本模拟电子电路的器件知识、放大器的工作原理和基本分析方法。●要求能对主要功能电路进行分析和设计；具备根据实践的具体要求，运用所学知识构成实用模拟电子系统的能力；为后续专业课打下坚实的基础。本课程概述授课学时：48学时+16学时实验考试成绩：平时考勤作业15%+实验15%+期中考试20%+期末50%教学目标：实现三个融合，即1.技术理论教学和工程实践的融合；2.技术理论教学与计算机方法的融合。3.基础技术理论教学与现代电子技术的融合。教学方法：课堂面授+课堂讨论+理论、实际应用教材:

《模拟集成电路基础》李金平主编参考书:1.<<电子技术基础>>模拟部分康华光主编高等教育出版社2.<<电子基础及其应用基础>>模拟部分李哲英主编高等教育出版社3.西安交通大学电子课件是指电子电路的基本分析方法。

是指基本的电子器件和电子电路的性能以及其主要应用。

是指电子测试技术、电子电路的分析计算能力和识图能力。基本技能基本知识基本理论(1)电子器件，包括集成电路。暂不深入讨论器件内部微观的物理过程及生产工艺

学习的重点a.掌握电子器件的外部特性b.掌握电子器件在电路中的基本应用注意的事项课程内容的重点(2)

电路学习的重点(a)

最基本的电路结构(b)电路的工作原理(c)电路的分析方法(d)电路的组合规律(e)

典型应用电路(3)

器件、电路、应用三者学习的关系管、路、用结合，管为路用，以路为主。(b)

分立电路仍然是电子电路中最核心的电路。(4)分立电路与集成电路的关系(a)

分立电路逐渐被集成电路所替代。(c)

分立电路是集成电路中的基本单元电路。(d)

分立为基础，集成是重点，分立为集成服务。本课程的特点和学习方法1.

本课程的主要特点d.电路种类多。a.内容比较庞杂。b.技术术语多。c.基本概念多。e.课程的难点都集中在前几章，初学者都会有

“入门难”的感觉。(1)注重物理概念(2)采用工程观点2.

本课程的学习方法实际工程问题的特点a.电子器件的特性具有分散性b.元器件的实际参数值与标称值有一定的偏差d.难以进行精确计算c.实际参数值受环境温度等因素的影响而偏离设计值实际工程问题的算法——估算法a.忽略一些次要的因素。b.采用简化的工程模型。工程问题合理估算的依据估算结果所产生的误差应不超过10%c.有些实际问题的简化处理往往是经验，或者由实验证明而得出的结论。工程估算的目的a.不是为了获得精确的结果。b.而是为了获得清晰的、定性的概念和结论。c.

利用获得概念和结论，进一步指导电路和系统的设计和实验。3．重视实验技术a.实用的电子电路必须经过反复调试才能达到预期指标b.实验是训练电子电路的测试方法、故障的判断和排除方法的必经之路c.高水平的实验技术是生产高质量电子设备的必要条件之一d.实验能够加深对基本概念的理解e.实验是理论与实践结合的桥梁f.实验是培养发现问题和解决问题能力的有效途径g.EDA工具的使用Multisim●电子电路：

由电子器件组成,并完成一定功能的电路。●组成电子电路的目的：对信号进行传输、处理或产生某些信号。●电子电路的发展，依赖于电子器件的发展。第1章绪论1904年发明了真空二极管——第一代电子器件诞生。1948年研制出晶体三极管——第二代电子器件出现。

50年代末研制出小规模集成电路——第三代电子器件出现。近几十年来集成电路的规模由:电子电路的发展经历了以下几个阶段：中规模(MSI)（单片含数百只晶体管)大规模(LSI)（60年代末：单片含数千只晶体管)超大规模(VLSI)（70年代中期：单片含数万只晶体管)小规模（SSI）（单片集成的元、器件较少)目前：单片集成度已达上千万个元件今后：单片集成晶体管数每14个月翻一番电子管的结构和工作原理d.电子受外加电场和磁场的作用，在真空中运动就形成了电子管中的电流。a.有密封的管壳，内部抽到高真空。b.在热阴极电子管中，有一个阴极。c.阴极可由灯丝加热，使温度升高，发射出电子。a.体积小、重量轻。e.加电压不能太高。晶体管的主要特点b.寿命长、功耗低。c.受温度变化的影响较大。d.过载能力较差。电子技术应用有线载波通信、激光通信、光纤维通信等。(1)通信系统无线电通信(包括广播、电报、电视等)、特点：快速、灵敏、精确等。(2)自动控制在自动化技术中，电子控制是后起之秀。电测量的主要特点a.准确度和灵敏度高，测量范围广。b.可以智能化。c.可以进行远距离测量。(3)测量方面的应用a.电量测量b.非电量电测量电子技术学科按功能可划分为两类：(1).模拟电子技术：主要研究对模拟信号的处理。模拟信号：信号幅值随时间连续变化。(2).数字电子技术：研究逻辑电路，对数字信号进行处理。数字信号：信号在时间、取值上都是离散的、不连续的。电路中电子器件的工作状态模拟电路数字电路电子器件工作在放大状态电子器件工作在开关状态1.2放大器的基本概念放大器—能将微弱电信号增强的电子电路。

放大器应具有的特点：１．输出功率PO大于输入功率Pi，即功率放大倍数AP=PO/Pi

1

。2.理想放大器应该能进行不失真的放大，即输出电流、电压信号的变化规律与输入信号的变化规律相同。

1.2放大器的基本概念放大器框图

UiUoIiIo放大器的性能指标UiUoIiIo1.

增益—反映放大器放大特性的参数。常用的增益表示形式有：1)电压增益AU：

定义为输出电压Uo与输入电压Ui之比，即2)2)电流增益AI：

定义为输出电流Io与输入电流Ii之比，即3）3)功率增益AP：

定义为输出功率Po与输入功率Pi之比，即放大器的性能指标UiUoIiIo增益的分贝（dB）表示电压增益定义为

电流增益定义为功率增益定义为放大器的性能指标UiUoIiIo2.

输入电阻Ri——定义为放大器输入电压Ui与输入电流Ii之比，即2Ri的大小，反映了放大器对信号源的负载效应。RiRo3.

输出电阻Ro——定义为放大器输出电压Uo与输出电流Io之比，即2Ro的大小，反映了放大器带动负载的能力。RO越小，放大器带动负载的能力越强。放大器的性能指标4.频率特性

放大器的输入信号是由许多不同频率成分组合而成的复杂信号。由于放大电路中电抗元件、控制器件极间电容以及杂散电容的存在，所以对不同频率的信号放大器增益的大小和相位都不同。5.非线性失真

由晶体管非线性特性引起的波形失真，称为非线性失真。非线性失真的大小通常用谐波失真系数D衡量，D的定义为其中，e1代表基波；e2代表二次谐波；en代表n(n=3,4,

)次谐波。

放大器的性能指标6.效率

虽然频率失真和非线性失真都会引起输出信号波形失真，但两者具有本质的区别。频率失真仅使信号中各频率分量的相对大小发生变化，不会产生频率成分；而非线性失真则产生输入信号中本没有的新的频率分量。

强调指出

放大器实质上是一种能量转换装置，它在输入信号的控制下，将直流电源供给功率的一部分转换为交流功率输出，完成放大作用。能量转换的效率

定义为Po-负载上得到的输出信号功率；Pdc-直流电源供给的总功率。

第2章半导体器件基础半导体材料的基本物理特性及PN结原理半导体二极管双极型晶体管场效应管的构成及其工作特性集成元器件及其特点。

本章提要一、半导体的特性：1.什么是导体、绝缘体、半导体：(1).导体：导电性能良好的物质。(3).半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。第一节半导体基础知识2.半导体的特性：(1).掺杂特性。(掺入杂质则导电率激增)(2).热敏特性。(温增则导电率显增)(3).光敏特性。(光照可增加导电率、产生电动势)导电率为105s.cm-1量级，如：金、银、铜、铝。(2).绝缘体：几乎不导电的物质。导电率10-22-10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电率为10-9-102s.cm-1量级，如：硅、锗、砷化镓等。本征半导体

本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流本征半导体1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动由此我们可以看出：电子和空穴产生过程动画演示半导体导电机理动画演示本征半导体

本征半导体的载流子的浓度电子浓度ni:表示单位体积的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积的空穴数。A0—与材料有关的常数EG—禁带宽度T—绝对温度K—玻尔曼常数结论1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi

2.载流子的浓度与T、EG有关

(1)在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的本质区别a.电阻率大(2)本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大小结带正电的空穴带负电的自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入的三价元素如硼、铝、铟等，形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入的五价元素如磷、砷、锑等，形成N型半导体，也称电子型半导体杂质半导体

N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素如磷。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子空穴是少子主要有杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子N型半导体形成过程动画演示杂质半导体

P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如硼。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子主要由杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的形成过程动画演示在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。例如：T=300k时，锗本征激发的电子浓度ni=2.5×1013/cm3,锗原子密度为4.4×1022/cm3,若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。则施主杂质浓度为：ND=10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3（比ni大十万倍）杂质半导体的载流子浓度在杂质型半导体中：多子浓度比本征半导体的浓度大得多；载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增。结论N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半导体为基片通过半导体扩散工艺3.PN结的形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(1)在浓度差的作用下，电子从N区向P区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(2)在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。小结N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------即PN结空间电荷层N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------形成内电场内电场方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结一方面阻碍多子的扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------另一方面加速少子的漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------势垒U0形成电位势垒N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结形成过程动画演示PN结的单向导电性1．PN结正向偏置

PN结正向偏置——当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，简称正偏。PN结反向偏置——当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，简称反偏。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正向偏置内电场被削弱PN结变窄PN结呈现低阻、导通状态多子进行扩散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正偏动画演示内电场增强PN结变宽PN结呈现高阻、截止状态不利多子扩散有利少子漂移2．PN结反向偏置

------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E此电流称为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结反偏动画演示PN结的电压与电流关系++++++_PN_____ui)1e(S-=TUuIiIS——

PN结反向饱和电流UT——

热电压式中UT=KTqq——电子电量T——绝对温度在室温（T=300K)时。K——玻耳兹曼常数其中mV26»TU)1e(S-=TUuIi(1)当u=0时，i=0；(3)当u<0，且|u|>>UT时，i

–IS。讨论(2)当u>0，且u>>UT时，；TUuIieS»

势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。PN结电容效应

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。

扩散电容CDPN结电容效应

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。PN结的反向击穿反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象

雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离，产生新的电子空穴对，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。

齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生不可逆击穿—热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁

晶体二极管的结构类型晶体二极管在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点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路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。1.2.2

半导体二极管的伏安特性硅管00.8反向特性正向特性击穿特性00.8反向特性锗管正向特性uDiD)(DDufi=mA/DiV/DumA/DiV/Du(2)

有死区（iD≈0的区域)1．正向特性死区电压约为硅管0.5V锗管0.1VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD(1)

近似呈现为指数曲线，即TUuIiDeSD»(3)导通后（即uD大于死区电压后）管压降uD

约为硅管0.6~0.8V锗管0.2~0.3V通常近似取uD

硅管0.7V锗管0.2VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD即uD略有升高，

iD急剧增大。TTUuUiUIdudiTDSDD1eD»»2．反向特性IS=硅管小于0.1微安锗管几十到几百微安(1)当时，。OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD(BR)DUu<SDIi»(2)

当时，反向电流急剧增大，击穿的类型根据击穿可逆性分为电击穿热击穿二极管发生反向击穿。OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD(BR)DUu>晶体二极管

晶体二极管的电阻非线性电阻直流电阻R(也称静态电阻）交流电阻r（又称动态电阻或微变电阻）一、直流电阻及求解方法定义二极管两端的直流电压UD与电流ID之比IDIUUDD晶体二极管

晶体二极管的电阻直流电阻的求解方法：借助于静态工作点来求1.首先确定电路的静态工作点Q：借助于图解法来求IDEDRLUDIU由电路可列出方程：UD=E-IDRL直流负载线UD=0ID=E/RLID=0UD=EED/RLEDQIDUD2.直流负载线与伏安特性曲线的交点由Q得ID和UD，从而求出直流电阻R晶体二极管

晶体二极管的电阻二、交流电阻rRLEDDuIQU

U

I或实质是特性曲线静态工作点处的切线斜率交流电导：g=dI/dU=I/UT交流电阻：r=1/g=UT/I室温下：UT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA)晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：由此可得：二极管的主要参数1.最大整流电流IF指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。使用时其正向平均电流I应小于IF。2.最大反向工作电压URM指二极管使用时所允许加的最大反向工作电压，通常取UB/2作为URM。使用时反向电压应小于此值。3.反向电流IRIR=IS其值越小，单向导电性越好，IR与温度有关。4.最高工作频率fM当工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。特殊类型的二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压特性：在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变正向部分与普通二极管相同工作区在反向击穿区RZUZ特性参数：1.稳定电压UZ:反向击穿电压2.最大工作电流Izmax:受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻特殊类型的二极管

稳压二极管特性参数：1.稳定电压VZ:2.最大工作电流Izmax:3.动态电阻RZ很小，十几欧姆~几十欧姆

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。特殊类型的二极管

变容二极管利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。符号：注意：使用时，应加反向电压§1-3光电二极管与发光二极管光电二极管发光二极管光电二极管

定义：有光照射时，将有电流产生的二极管

类型：PIN型、PN型、雪崩型

结构：和普通的二极管基本相同

工作原理：利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子—空穴对，在外电场的作用下形成光生电流DEDDRLUDIP注意：应在反压状态工作UD=-IPRL发光二极管

定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光

常用驱动电路：直流驱动电路交流驱动电路注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的保护二极管发光二极管只有在加正向电压时才发光§1-4二极管的应用整流电路显示电路限幅电路钳位电路~220Vu2iDuL二极管应用

整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，半波整流u2U2m+-iDuL整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。~220Vu2iDuL+-Udc≈0.45U2输入交流电压：u2=U2msint

经整流；直流输出电压为：（平均值）=U2m/=0.318U2m≈0.45U2

U2为u2的有效值优点：电路简单缺点：输出直流电压低二极管应用

整流电路全波整流~220VuLioRLu2u22’+--+~220VuLioRLu2’u2-+-+u2uLUdc≈0.9U2优点：输出电压高缺点：变压器需要抽头二极管应用

整流电路桥式整流~220Vu2uL+-~220Vu2uL+-u2uLUdc≈0.9U2m优点：输出电压高，二极管承受的反压小。变压器不需要抽头。

依靠电容的充放电作用可减小纹波：当电压小于电容两端电压时，由电容向负载放电。当电压大于电容两端电压时，由电压向电容充电，并向负载提供电压。二极管应用

电容滤波电路直流信号电容相当于开路交流信号二.限幅与箝位电路1）限幅电路限幅电路顾名思义就是限制输出幅度的电路，通常用于有选择的输出任意波形的一部分，或用来保护某些电路元件。图2—32限幅电路分析URui原理:设D为理想二极管;当输入电压ui<UR时，D截止，uo=ui；当输入电压ui>UR时，D导通，uo=UR,即输出波形被限幅。DRUiuououiuR2）箝位电路箝位电路是指能把一个周期信号转变为单向的（只有正向或只有负向）或叠加在某一直流电平上，而不改变它的波形的电路。在箝位电路中，电容是不可缺少的元件

工作原理:设t=0ˉ时电容上的初始电压为零;t=0+时，ui=Um,电容也被充上了大小为Um的电压，极性如图。此刻uo=0并且uo=0将一直保持到t=t1。

uiDR+—+tuouiUm2Umt1t2t2t1+-C此后，ui突降到–Um,二极管截止，如果电阻和电容再足够大，RC时间常数远大于输入信号周期,则C上的充电电压一直保持Um,于是输出电压为uo=ui–Um=–2Um,并一直保持到t2;显然，输出信号总不会是正值，所以称为正箝位电路。1.输入电压变化时:

Ui↑Uo↑IZ↑IR↑UR↑

Uo↓2.当负载变化时：

RL↓

IL↑

UO↓(趋)

IZ↓

IR(不变)

UO(稳定)

三.稳压电路：二极管应用

LED显示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共阳极电路共阴极电路控制端为高电平对应二极管发光控制端为低电平对应二极管发光e小结

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。

PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。

晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(eU/UT-1).硅管：当UD>0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD>0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V

稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。

晶体二极管基本用途是整流稳压、限幅和钳位等。

半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光—电、电—光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。小结重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子

2.PN结的形成3.单向导电性

4.载流子的运动重点难点半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：附录半导体二极管图片附录半导体二极管图片附录半导体二极管图片附录2023/11/25

晶体三极管有两大类型:

双极型三极管

场效应管（单极性）双极型三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件;由两个PN结组合而成;是电流控制电流(CCCS)器件。

场效应管仅由一种载流子参与导电;是电压控制电流(VCCS)器件。第四节双极型晶体三极管

2023/11/25（一）晶体三极管的结构（二）晶体三极管内部载流子传输过程（三）晶体三极管的电流关系（四）晶体三极管的特性曲线（五）晶体三极管的参数（六）晶体三极管的型号

一.晶体三极管的工作原理2023/11/25

两种极性的双极型三极管（一）晶体三极管的结构双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。分两种类型:NPN型和PNP型：E-B间的PN结称为发射结(Je)C-B间的PN结成为集电结(Jc)

称为基区，加上电极称为基极，用B或b表示（Base）；

称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；

称为集电区，电极称为集电极，用C或c表示（Collector）。＋＋1.符号：双极型三极管的符号如图:2.特点:

（1）.发射区的掺杂浓度大。

（2）.集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。

（3）.基区要制造得浓度低，且很薄。（其厚度一般在几个微米至几十个微米）发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。++2023/11/25（二）.三极管内部载流子的传输过程1.三极管具有放大功能的条件：

必须满足：(1).内部条件:发射区浓度高，基区浓度低且薄。(2).外部条件:发射结加正向电压,集电结加反向电压。1.使三极管的发射区向基区注入电子;2.通过发射结位垒的控制和基区的传送;3.最后由集电极收集电子。结论满足上述条件，则在三极管内部完成如下过程：晶体管的电流分配2.载流子的传输过程:ICN使扩散到集电结边沿的电子,很快被收集到集电区;形成集电极电流ICN。(3)因集电结反偏:IENICBO(1).由于发射结正偏:有大量的电子从发射极向基区扩散，形成的电流IEN。基区的空穴从基区向发射区扩散，形成的电流IEP(2)基区的空穴和发射区扩散到基区的电子复合，形成的电流IBN

E

B

C

N+

P

N

UEB

UCB

IEPIBN使集电结两侧的少子形成漂移电流ICBO晶体管的电流分配关系动画演示

三极管的三种组态

双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；晶体管的电流分配关系3.晶体管共基组态电流分配关系

IE=IEN＋IEP

且有IEN>>IEP

IEN=ICN+IBN

且有ICN>>IBNIC=ICN+ICBO

E

B

C

N+

P

N

UEB

UCB

IENIEPIBNICNICBOIEIBICIB=IEP+IBN－ICBOIE=IC+IB共基组态共基极直流放大系数说明从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合。共基(CB)组态电流分配关系由前面得到的电流之间的分配关系IC=ICN+ICBO

，IB=IEP+IBN－ICBO，IE=IC+IB

IC-ICBOICNα=IE=IE定义为从发射区注入的载流子到达集电极部分所占的百分比。的数值一般在0.9~0.99之间。集电极电流ICIC=IE+ICBO≈IE共射极直流电流放大系数

共射(CE)组态电流分配关系集电极电流IC将IE=IC+IB代入

IC=IE+ICBO可得IC=

1-IB+ICBO

1-1IC=

IB+ICBO)(1+IC=

IB+ICEOICBO)(1+ICEO=IC≈

IB

1-＝数值一般在几十~几百之间共射极C-E穿透电流共集(CC)组态电流分配关系发射极电流IE将代入IE=IC+IB

可得IC=

IB+ICEOIE=IB+ICEO)(1+结论：无论那种组态，输入电流对输出电流都有控制作用，所以晶体管称为电流控制器件。三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性指管子各电极的电压与电流的关系曲线B是输入电极，C是输出电极，E是公共电极。iB是输入电流，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E两电极取出。输入特性曲线:

ib=f(uBE)

uCE=C输出特性曲线:

iC=f(uCE)

ib=C本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线：特性曲线

三极管输入特性曲线1.Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。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，且基区复合减少，IC/IB

增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。输入特性曲线分三个区②非线性区①死区③线性区①②③正常工作区，发射极正偏NPNSi:Ube=0.6~0.7VPNPGe:Ube=-0.2~-0.3V特性曲线

三极管输出特性曲线IC=f(Uce)

Ib=C2-2饱和区:(1)

IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce＜0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏(2)Uces=0.3V左右截止区：——Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0Ic=IceoNPN：Ube0.5V,管子就处于截止态通常该区：发射结反偏，集电结反偏。输出特性曲线可以分为三个区域:特性曲线

三极管输出特性曲线放大区—IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。(1)

发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管)。(2)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。(3)≈判断三极管工作状态的依据：饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集电结反偏或：Ube0.5V（Si)Ube0.2V（Ge)放大区:发射结正偏，集电结反偏三极管的特性参数1.

直流参数共基直流电流放大系数共射直流电流放大系数注意：并不是常数，随IC不同而变化，如图所示。IC极间反向电流特性参数1.集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极，

O是Open的字头，代表第三个电极E开路。

Ge管：

A量级Si管：nA量级2.集电极发射极间的穿透电流ICEO

ICEO和ICBO有如下关系

ICEO=（1+）ICBO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流。注意：ICBO和ICEO受温度影响较大，是不稳定因素，选管时，它们的值越小越好。三极管的特性参数2.交流参数共基交流电流放大系数

共射交流电流放大系数

α=

iC

iE

uCB=0

uCE=0

=

iC

iB特征频率fT指

随工作频率增加而下降到1时对应的频率。它反映晶体管的最高可用频率。

ffT10（1）集电极最大允许电流ICM

当集电极电流增大到一定值时，

就要下降，取

值下降到最高值

m的2/3时所对应的集电极电流为ICM3.极限参数晶体管特性参数当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低。ICb

mICM3.极限参数晶体管特性参数（2）反向击穿电压UCBO,BUCEO,BUCES,BUCER,B表示三极管电极间承受反向电压的能力UCBO,B≈UCES,B>UCER,B>UCEO,B>>UEBO,B3.极限参数晶体管特性参数(3)集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗为PC=ICUCE，要保证晶体管安全，必须使PC<PCM。PCM功耗线安全区uCEiC2023/11/25四.半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

用字母表示同一型号中的不同规格用数字表示同种器件型号的序号用字母表示器件的种类用字母表示材料

三极管第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：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、K开关管2023/11/25

表双极型三极管的参数注：*为f

参

数型

号

PCMmWICMmAUCBO,BV

V

VICBO

μAf

T

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5A5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DKG23250W30A4003258UCEO,BUEBO,B1.UBEO的温度漂移温度对晶体管参数的影响晶体管参数随温度的变化，称为“温度漂移”，简称“温漂”。

T

U

UBEO

室温下，2.ICBO的温度漂移3.的温度漂移T

niICBO

T

扩散速度

基区复合机会

2023/11/25第五节场效应晶体管

场效应管的主要参数及特点绝缘栅（MOS）场效应管结型场效应管场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)。(a)

输入电阻高，可达107~1015W。(b)

起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。(c)

体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)

噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e)

在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。场效应管的主要特点1.

结型场效应管，简称JFET(JunctionFieldEffectTransistor)。场效应管按结构可分为场效应管的类型2.

绝缘栅型场效应管，简称IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)。场效应管的特点与分类绝缘栅型场效应管(MOSFET)场效应管的特点：输入阻抗高、动态范围大、热稳定性好、抗辐射能力强，制造工艺简单、便于集成等。

结型场效应管(JFET)场效应管与晶体管的区别1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子（多子），因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102~104

；场效应管的输入电阻高，可达109~1014

场效应管的分类：MOS场效应极管MOS场效应管分为P沟道器件（空穴作为载流子）

N沟道器件（电子作为载流子）

增强型（E型）增强型（E型）耗尽型（D型）耗尽型（D型）栅压为零时无沟道栅压为零时有沟道MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管

结构漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管N沟道增强型MOS场效应极管

当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UGS,th时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。UDSID++--++--++++----UGS反型层

当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加何种极性的电压都不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.

当UGS>UGS,th时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加开始无导电沟道，当在UGSUGS,th时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管N沟道增强型MOS管工作原理

漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用

当UGS＞UGS,th，且固定为某一值时，UDS的不同变化对沟道的影响。UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS

所以有

UGD＞UGS此时UDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID增强型MOS管

当UDS增加到使UGD=UGS,th时，

当UDS增加到UGD

UGS,th时，增强型MOS管漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用

这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID

基本饱和

此时夹断区域加长，伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。增强型NMOS管工作原理动画演示UGS固定

沟道大小固定

沟道电阻固定

UDS与漏极电流ID之间呈线性关系。漏源电压UDS对沟道影响（1）可变电阻区:UDS<UGS-UGS,th时，UDS对沟道影响很小ID=f(UDS)

UGS=CID

K2(UGS–UGS,th)

UDSK为导电因子（mA/V2)N沟道增强型MOS管特性曲线输出特性曲线UGS为参变量时，ID随UDS变化的关系曲线。

n—沟道内电子的表面迁移率COX—单位面积栅氧化层电容W—沟道宽度L—沟道长度Sn—沟道宽长比K'—本征导电因子（1）可变电阻区由ID

K2(UGS–UGS,th)

UDS

可得UGS一定时，沟道导通电阻N沟道增强型MOS管特性曲线UGS恒定时Ron近似为常数，此时Ron

为恒阻（又称恒阻区）；Ron随UGS而变化，故又称可变电阻区。结论：输出特性曲线2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UGS,th=3VUGS(V)ID(mA)N沟道增强型MOS管特性曲线ID=K(UGS–UGS,th)2短沟道时：ID=K(UGS–UGS,th)2(1+UDS)—沟道调制长度系数输出特性曲线3.击穿区：

UDS

增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS

增加到某一临界值时，ID开始剧增,此时UDS称为漏－源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UGS,th=3VUGS(V)ID(mA)N沟道增强型MOS管特性曲线转移特性曲线N沟道增强型MOS管特性曲线漏极输出特性曲线转移特性曲线UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线

转移特性曲线N沟道增强型MOS管特性曲线转移特性曲线ID=f(UGS)

UDS=CUGS对ID的控制关系可用如图曲线描述，称为转移特性曲线(1)UGS<UGS,th时：沟道未形成，

ID=0管子截止状态(2)UGS

UGS,th时：沟道形成，

ID>0随UGS

沟道加厚

ID

UDS正向减小，曲线右移。在恒流区转移特性曲线中ID

与UGS的关系为：ID=K(UGS–UGS,th)2短沟道时：ID=K(UGS–UGS,th)2(1+UDS)N沟道增强型MOS管转移特性曲线增强型MOS管

MOS管衬底的处理

保证两个PN结反偏，源极—沟道—漏极之间处于绝缘态NMOS管—UBS加一负压PMOS管—UBS加一正压处理原则：处理方法：N沟道箭头向里衬底连通

N沟道耗尽型MOS场效应管结构+++++++

耗尽型MOS管存在原始导电沟道N沟道耗尽型MOS管当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一步增加。当UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS,off表示。UGS(V)ID(mA)UGS,offN沟道耗尽型MOS管工作原理转移特性曲线在恒流区ID≈K(UGS-UGS,off)2沟道较短时，ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)UGS(V)ID(mA)UGS,offID≈IDSS(1-UGS/UGS,off)2常用关系式：N沟道耗尽型MOS管特性曲线N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>0UGS=0VUDS/V恒阻区恒流区击穿区输出特性曲线也分为三个区，即1.恒阻区（或可变电阻区）2.恒流区（或放大区）3.击穿区N沟道耗尽型MOS管特性曲线输出特性曲线结型场效应管的分类结型场效应管的结构结型场效应管的工作原理结型场效应管的特性曲线结型场效应管

结型场效应管（JFET)结构

结型场效应管（JFET)分类可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107

。P+P+NGSDN沟道结型场效应管导电沟道结型场效应管结型场效应管

结型场效应管（JFET)的工作原理

根据结型场效应管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS预夹断UGS=UGS,off夹断状态ID=0

当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当UGS＜0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS,off。

结型场效应管

结型场效应管（JFET)的工作原理结型场效应管

结型场效应管（JFET)的特性曲线

与MOS的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅压可正可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。UGS,off转移特性曲线输出特性曲线结型场效应管

在恒流区，JFET的转移特性数学表示式与耗尽型MOSFET相似，即或各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型N沟道UDS为“＋”，P沟道U