模拟电路课件

常用半导体器件§1.1半导体的基本知识1.1.1本征半导体

1）导体、半导体和绝缘体导体：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。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，会使它的导电能力明显改变。2）本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。1.1.2

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.3PN

结

1）PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV01、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:2）PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE§1.2

半导体二极管1.2.1基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：1.2.2伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR1.2.3主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。1.2.4二极管的等效电路

1）微变电阻rDiDuDIDUDQ

iD

uDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。2）二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-NCB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd二极管：死区电压=0.5V，正向压降

0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo1.2.5稳压二极管

UIIZIZmax

UZ

IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数

U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:负载电阻。要求当输入电压由正常值发生

20%波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。——方程1令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：1.2.6其他二极管

1）光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加2）发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。§1.3双极型晶体管1.3.1

晶体管的结构及类型BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BECNNP基极发射极集电极发射结集电结1.3.2晶体管的电流放大作用BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO

ICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。IB=IBE-ICBO

IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管1.3.3

晶体管的共射特性曲线ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

实验线路一、输入特性UCE

1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE

0.6~0.7V,锗管UBE

0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020

A40

A60

A80

A100

A此区域满足IC=

IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=

IB。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020

A40

A60

A80

A100

A此区域中UCE

UBE,集电结正偏，

IB>IC，UCE

0.3V称为饱和区。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020

A40

A60

A80

A100

A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=

IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE

0.3V(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k

，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k

，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：USB

=5V时:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k

，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIC>

Icmax(=2mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB

已不是

的关系）1.3.4晶体管的主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为

IB，相应的集电极电流变化为

IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

例：UCE=6V时：IB=40

A,IC=1.5mA；IB=60

A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

=2.集-基极反向截止电流ICBO

AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBE

IBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流

IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的

值的下降，当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25

C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6.集电极最大允许功耗PCM

集电极电流IC

流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE

必定导致结温上升，所以PC

有限制。PC

PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区§1.4场效应晶体管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构1.4.1结型场效应管:导电沟道NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGSPNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS二、工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS

0V，漏极电流ID=0A。IDPGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS>0、UGD<VP时耗尽区的形状NN越靠近漏端，PN结反压越大IDPGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS较大时UGD<VP时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。IDGSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN漏端的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。IDGSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID三、特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVP输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。1.4.2绝缘栅场效应管:一、结构和电路符号PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型N沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道GSDNPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道二、MOS管的工作原理以N沟道增强型为例PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区PNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS足够大时（UGS>VT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGSPNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。PNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。三、增强型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT输出特性曲线IDUDS0UGS>0四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0IDUGSVT输出特性曲线IDUDS0UGS=0UGS<0UGS>0

半导体二极管及其基本电路2.1半导体的基本知识*2.1.1半导体材料2.1.2半导体的共价键结构2.1.3本征半导体2.1.4杂质半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的重要特点1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力*2.1.2半导体的共价键结构原子结构简化模型—完全纯净、结构完整的半导体晶体。2.1.3本征半导体在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电两个价电子的共价键正离子核*

2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用温度

光照自由电子空穴本征激发空穴

——共价键中的空位空穴的移动——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。由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。温度

载流子浓度

＋**半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响

温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑2.1.4杂质半导体N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）自由电子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由电子＝少子由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷*

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=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响*本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价)多数载流子、少数载流子杂质半导体复合*半导体导电特点1： 其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力2.2PN结的形成及特性*

2.2.1PN结的形成

2.2.2PN结的单向导电性

*

2.2.3PN结的反向击穿

2.2.4PN结的电容效应*2.2.1PN结的形成1.浓度差

多子的扩散运动2.扩散

空间电荷区

内电场3.内电场

少子的漂移运动

阻止多子的扩散4、扩散与漂移达到动态平衡载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步(动画)内电场*PN结形成的物理过程：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

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。扩散>漂移否是宽2.2.2PN结的单向导电性*只有在外加电压时才…扩散与漂移的动态平衡将…定义：加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏扩散>漂移大的正向扩散电流（多子）低电阻

正向导通漂移>扩散很小的反向漂移电流（少子）高电阻

反向截止*2.2.2PN结的单向导电性

PN结特性描述2、PN结方程PN结的伏安特性陡峭电阻小正向导通1、PN结的伏安特性特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）近似估算正向：反向：*2.2.3PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，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*2.2.4PN结的电容效应

(1)势垒电容CB势垒电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容CD2.3半导体二极管*2.3.1半导体二极管的结构2.3.2二极管的伏安特性2.3.3二极管的参数PN结加上引线和封装

二极管按结构分类点接触型面接触型平面型*半导体二极管图片点接触型面接触型平面型*半导体二极管图片***2.3.2二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）注意1.死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流 硅：0.1

A；锗：10A*2.3.3二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB硅二极管2CP10的V-I特性2.4二极管基本电路及其分析方法*2.4.1二极管V-I特性的建模2.4.2模型分析法应用举例

4、应用电路分析举例2、二极管状态判断1、二极管电路的分析概述

3、等效电路（模型）分析法讲课思路：1、二极管电路的分析概述*应用电路举例例2.4.2（习题2.4.12）习题2.4.5整流 限幅习题2.4.6初步分析——依据二极管的单向导电性D导通：vO=vI-vDD截止：vO=0D导通：vO=vDD截止：vO=vI左图中图显然，vO与

vI的关系由D的状态决定而且，D处于反向截止时最简单！分析思路分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（iD

0，ROFF

∞）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法——将非线性线性先静态（直流），后动态（交流）静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI

0*1、二极管电路的分析概述2、二极管状态判断*例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿iD=

？vD=

？二极管状态判断方法假设D截止(开路)，求D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向导通？-VBR<VD

0VD反向截止,ID=0VD

-VBRD反向击穿,VD=-VBRD正向导通？D正向导通！*习题2.4.4试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?图题2.4.4(a)例2:习题2.4.3电路如下图所示，判断D的状态2、二极管状态判断*

3、等效电路（模型）分析法（2.4.1二极管V-I特性的建模）

(1)理想模型(3)折线模型(2)恒压降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）*

3、等效电路（模型）分析法(4)小信号模型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为:微变电阻根据得Q点处的微变电导常温下（T=300K）*

4、应用电路分析举例例2.4.1求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V时（b）VDD=1V时VDD理想模型恒压模型折线模型理想模型恒压模型折线模型*二极管应用举例

uiuoOO

t

t(b)

2

2DuiuoRL(a)++--（1）二极管整流电路*（2）二极管限幅电路

t+­RDE2Vuiuo+­+­(a)05ui

/V­5

23)(b

t02.7uo

/V­5

232.7*D1

钳位作用D2隔离作用(3)开关电路D3.4V0.3V1D23.9k-12VABY*

例2.4.3一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-

0

0*

解：(1)当V1=0V,V2=5V时,D1为正向偏置，

V0=0V,此时D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向偏置，故D2截止。

(2)以此类推，将V1和V2的其余三种组合及输出电压列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V导通导通

0V

0V

5V导通截止

0V

5V

0V截止导通

0V

5V

5V截止截止

5V*

由上表可见，在输入电压V1和V2中，只要有一个为0V，则输出为0V;只有当两输入电压均为5V时，输出才为5V，这种关系在数字电路中称为“与”逻辑。

注意：即判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳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。*（4）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。*

例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压V

的正常值为10V，R=10k,当V

变化±1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？

*

解：(1)当V

的正常值为10V时，利用二极管恒压降模型有VD≈0.7V，由此可得二极管的电流为

此电流值可证实二极管的管压降为0.7V的假设。

(2)在此Q点上，*

(3)按题意，V

有±1V的波动，它可视为峰-峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二极管电压Vd的变化为±2.79mV。*

4、应用电路分析举例例2.4.4求

vD、

iD。VI=

10V，vi=

1Vsin

t解题步骤:(1)静态分析(令vi=0）由恒压降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)动态分析(令VI=0）由小信号模型得分析方法小结*2.4二极管基本电路及其分析方法假设D截止（开路）求D两端开路电压VD

0.7VD正向导通-VBR<VD

0.7VD反向截止ID=0(开路)VD

-VBRD反向击穿VD=-VBR(恒压)VD=0.7V(恒压降)状态等效电路条件将不同状态的等效电路（模型）代入原电路中，分析vI和vO

的关系画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求

vD（波动）小信号模型和叠加原理恒压降模型2.5特殊二极管*2.5.1稳压二极管（齐纳）2.5.2变容二极管2.5.3光电子器件1.光电二极管2.发光二极管3.激光二极管反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。请自学！*2.5.1稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)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（齐纳击穿）。*(1)稳定电压VZ(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)稳定电压温度系数——

VZ2.稳压二极管主要参数2.5.1稳压二极管*2.5.1稳压二极管3.稳压电路正常稳压时VO=VZ#

稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？自动调整过程：*

例：如图所示是一个简单的并联稳压电路。

R为限流电阻，求R上的电压值VR和电流值。R*解：假定输入电压在（7--10V）内变化。R习题与预习习题2.4.12.4.32.5.4预习3.1半导体BJT**一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（）自测题解：（1）√（2）×（3）√

*

1）PN结加正向电压时，空间电荷区将

。

A.变窄B.基本不变C.变宽

2）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是

。

A.ISeUB.

C.3）稳压管的稳压区是其工作在

状态。

A.正向导通B.反向截止C.反向击穿解：（1）A（2）C（3）C

二、选择正确答案填入空内。*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。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。图T1.3*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。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

图T1.4*1.1

选择合适答案填入空内。（1）在本征半导体中加入

元素可形成N型半导体，加入

元素可形成P型半导体。

A.五价B.四价C.三价（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将

。

A.增大B.不变C.减小习题解：（1）A，C（2）A

*1.2能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？

解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。*

1.7

现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？

解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值。（2）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等两种稳压值。*1.8

已知稳压管的稳定电压UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA，最大功耗PZM＝150mW。试求图P1.8所示电路中电阻R的取值范围。

图P1.8

解：稳压管的最大稳定电流

IZM＝PZM/UZ＝25mA电阻R的电流为IZM～IZmin，所以其取值范围为

*

1.9

已知图P1.9所示电路中稳压管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZmin＝5mA，最大稳定电流IZmax＝25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；

（2）若UI＝35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？图P1.9

*解：（1）当UI＝10V时，若UO＝UZ＝6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故稳压管将因功耗过大而损坏。

当UI＝15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin，所以

UO＝UZ＝6V

同理，当UI＝35V时，UO＝UZ＝6V。（2）29mA＞IZM＝25mA，

基本放大电路§2.1放大的概念和电路主要指标2.1.1放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：uiuoAu2.1.2放大电路的性能指标一、电压放大倍数AuUi和Uo分别是输入和输出电压的有效值。二、输入电阻ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。AuIi~USUi三、输出电阻roAu~US放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。~roUS'如何确定电路的输出电阻ro

？步骤：1.所有的电源置零(将独立源置零，保留受控源)。2.加压求流法。UI方法一：计算。方法二：测量。Uo1.测量开路电压。~roUs'2.测量接入负载后的输出电压。~roUs'RLUo'步骤：3.计算。四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截止频率fH上限截止频率通频带：fbw=fH–fL放大倍数随频率变化曲线2.1.3符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量§2.2基本共射放大电路的工作原理三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理2.2.1共射放大电路的基本组成放大元件iC=

iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出？参考点RB+ECEBRCC1C2T集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2T使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电源与基极电阻RB+ECEBRCC1C2T耦合电容隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。RB+ECEBRCC1C2T可以省去电路改进：采用单电源供电RB+ECEBRCC1C2T单电源供电电路+ECRCC1C2TRB2.2.3基本共射放大电路的工作原理及波形分析ui=0时由于电源的存在IB

0IC

0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ一、静态工作点RB+ECRCC1C2TIBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)RB+ECRCC1C2T(IBQ,UBEQ)

和(ICQ,UCEQ

)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQIBUBEQICUCEuCE怎么变化？假设uBE有一微小的变化ibtibtictuituCE的变化沿一条直线uce相位如何？uce与ui反相！ICUCEictucet各点波形RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB实现放大的条件1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。§2.3放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法计算机仿真2.3.1直流通道和交流通道放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。例：对直流信号（只有+EC）开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC对交流信号(输入信号ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路一、直流负载线ICUCEUCE~IC满足什么关系？1.三极管的输出特性。2.UCE=EC–ICRC。ICUCEECQ直流负载线与输出特性的交点就是Q点IB直流通道RB+ECRC2.3.2图解法

1、直流负载线和交流负载线二、交流负载线ic其中：uceRBRCRLuiuo交流通路iC

和uCE是全量，与交流量ic和uce有如下关系所以：即：交流信号的变化沿着斜率为：的直线。这条直线通过Q点，称为交流负载线。交流负载线的作法ICUCEECQIB过Q点作一条直线，斜率为：交流负载线2.3.3等效电路法

1）静态分析一、估算法（1）根据直流通道估算IBIBUBERB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。+EC直流通道RBRC（2）根据直流通道估算UCE、IBICUCE直流通道RBRC二、图解法先估算IB，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。ICUCEQEC例：用估算法计算静态工作点。已知：EC=12V，RC=4k

，RB=300k

，

=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级。2）动态分析一、三极管的微变等效电路1.输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。

uBE

iB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。rbe的量级从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：2.输出回路iCuCE所以：(1)输出端相当于一个受ib控制的电流源。近似平行(2)考虑uCE对iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。rce的含义

iC

uCEubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。3.三极管的微变等效电路rbe

ibibrcerbe

ibibbce等效cbe二、放大电路的微变等效电路将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:交流通路RBRCRLuiuouirbe

ibibiiicuoRBRCRL三、电压放大倍数的计算特点：负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL四、输入电阻的计算对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。输入电阻的定义：是动态电阻。rbeRBRCRL电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。五、输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：(1)所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。(2)所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。所以：用加压求流法求输出电阻：rbeRBRC002.3.4失真分析在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。iCuCEuo可输出的最大不失真信号选择静态工作点ibiCuCEuo1.Q点过低，信号进入截止区放大电路产生截止失真输出波形输入波形ibiCuCE2.Q点过高，信号进入饱和区放大电路产生饱和失真ib输入波形uo输出波形§2.4静态工作点的稳定为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、

和ICEO决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。TUBE

ICEOQ一、温度对UBE的影响iBuBE25ºC50ºCTUBEIBIC二、温度对

值及ICEO的影响T

、ICEOICiCuCEQQ´总的效果是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。小结：TIC

固定偏置电路的Q点是不稳定的。Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。分压式偏置电路：RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo一、静态分析I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2直流通路I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2直流通路可以认为与温度无关。似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k

。I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2直流通路TUBEIBICUEIC本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2二、动态分析+ECuoRB1RCC1C2RB2CERERLuirbeRCRLR'B微变等效电路uoRB1RCRLuiRB2交流通路CE的作用：交流通路中，CE将RE短路，RE对交流不起作用，放大倍数不受影响。问题1：如果去掉CE，放大倍数怎样？I1I2IBRB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo去掉CE后的交流通路和微变等效电路：rbeRCRLRER'BRB1RCRLuiuoRB2RERB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2问题2：如果电路如下图所示，如何分析？I1I2IBRB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2静态分析：直流通路RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2动态分析：交流通路RB1RCRLuiuoRB2RE1交流通路：RB1RCRLuiuoRB2RE1微变等效电路：rbeRCRLRE1R'B问题：Au和Aus的关系如何？定义：放大电路RLRS§2.5单管放大电路的三种基本接法

2.5.1基本共集放大电路RB+ECC1C2RERLuiuoRB+ECRE直流通道一、静态分析IBIE折算RB+ECRE直流通道二、动态分析RB+ECC1C2RERLuiuorbeRERLRB微变等效电路1.电压放大倍数rbeRERLRB1.所以但是，输出电流Ie增加了。2.输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。结论：2.输入电阻rbeRERLRB输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。3.输出电阻用加压求流法求输出电阻。rorbeRERBRSrbeRERBRS电源置0一般：所以：射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。射极输出器的使用1.将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。2.将射极输出器放在电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能。3.将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。§2.7场效应管放大电路(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法：2.6.1场效应管的微变等效电路GSD跨导漏极输出电阻uGSiDuDS很大，可忽略。

场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds2.6.2场效应管的共源极放大电路一、静态分析求：UDS和

ID。设：UG>>UGS则：UG

US而：IG=0所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kuoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析sgR2R1RGRL'dRLRD微变等效电路sgR2R1RGRL'dRLRDro=RD=10k

2.6.3源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析US

UGUDS=UDD-US

=20-5=15Vuo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro

ro

gR2R1RGsdRLRS微变等效电路二、动态分析riro

ro

gR2R1RGsdRLRS微变等效电路输入电阻ri输出电阻ro加压求流法gd微变等效电路ro

ro

R2R1RGsRS场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。

半导体三极管

及放大电路基础

Jc反偏3.1.1BJT的结构简介基区发射区集电区

发射极Emitter集电极Collector

基极Base1、结构和符号发射结(Je)

集电结(Jc)PNPNPN发射载流子(电子)收集载流子(电子)复合部分电子控制传送比例由结构展开联想…2、工作原理3、实现条件外部条件 内部条件

结构特点：

Je正偏掺杂浓度最高掺杂浓度低于发射区且面积大掺杂浓度远低于发射区且很薄*NPNebcecbNPN型BJT(a)管芯结构剖面图(b)表示符号发射极基极集电极发射区集电区基区3.1.2BJT的电流分配与放大原理*1.内部载流子的传输过程2.电流分配关系4.三极管的三种组态3.放大作用发射结正偏发射区发射载流子基区：传送和控制载流子集电区收集载流子本质:电流分配5.共射极连接方式集电结反偏*3.1.2BJT的电流分配与放大原理1.内部载流子的传输过程RLecb1k

VEEVCCIBIEICVEB+vEB放大电路+iEii+-

vI+iC+iB

vO+-io放大作用？（原理）关键：

iC与

iE的关系

三极管的放大