模拟电子技术课件

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晶体三极管§1.4场效应管

§1.1

半导体基础知识二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体本节知识点要求：理解并掌握本征半导体与杂质半导体（P型与N型）的导电原理，本征激发与复合、多子与少子、漂移电流与扩散电流的区别；理解并掌握PN结的形成原理（耗尽层、空间电荷区和势垒区的含义）；理解PN结的单向导电特性与电容效应一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体：铁、铝、铜等金属元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流绝缘体：惰性气体、橡胶等，最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到相当程度时才可能导电半导体:硅(Si)、锗(Ge)均为四价元素，最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间无杂质稳定的结构硅、锗原子的结构

GeSi+4硅Si

锗Ge

是典型的半导体共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅、锗原子的共价键结构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，因此半导体自由电子很少化学成分纯净（99.999%以上）在物理结构上呈单晶体形态完全纯净的结构完整的半导体晶体2.本征半导体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+4+4+4+4自由电子束缚电子载流子:自由电子和空穴在常温下，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，称为空穴空穴在外电场的作用下自由电子将作定向运动,形成电流空穴被邻近的价电子定向补位,也形成电流半导体中电子和空穴都可以形成电流,而导体没有空穴导电的概念.热激发使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+4+4+4+4本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

ni

=pi

=1.4×1010/cm32

本征硅Si的原子浓度:

4.96×1022/cm3

1本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。（有敝有利）本征浓度

锗Ge

的本征浓度是Si的103倍3由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的游离使共价键中留有一个空位置，称为空穴

自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键温度一定，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡

二、杂质半导体在本征半导体中掺入某微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

ni=pi

=1.4×1010/cm31

2某种掺杂半导体中的自由电子浓度:

no

=5×1016/cm3掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体本征硅Si的原子浓度:4.96×1022/cm3

N型半导体—掺入五价杂质元素（如磷）的半导体P型半导体—掺入三价杂质元素（如硼） 的半导体为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入微量的价电子数接近的三价或五价元素。+5+3N型半导体五价杂质原子在与硅原子形成共价键时，多的一个电子形成自由电子在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质+4+4+5+4多余电子磷原子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，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）N型半导体中的载流子包括++++++++++++++++++++++++N型半导体模型

+4+4+5+4P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成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+4+4+3+4空穴硼原子+4+4+3+4－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P

型半导体模型

P型半导体中空穴是多子，电子是少子

本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念

自由电子、空穴N型半导体、P型半导体

多数载流子、少数载流子思考：P型半导体带正电吗？N型半导体带负电吗？Si半导体比Ge半导体高温性能更好的原因？对掺杂半导体，温度变化主要影响少子还是多子浓度的变化？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会形成PN结。三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。++++P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散使空间电荷区逐渐加宽内电场越强，漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄空间电荷区也称耗尽层（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载流子，其厚度约为0.5μｍ（2）内电场的大小：对硅半导体：VD≈0.6～0.8V

对锗半导体：VD≈0.2～0.4V（3）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称（4）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P区N区1.空间电荷区中内电场阻碍P

区中的空穴

N

区中的电子（都是多子）向对方运动

(扩散运动）2.P

区中的电子和N区中的空穴（都是少子）数量有限－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P区N区PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，PN结正向偏置，简称正偏

PN结加正向电压时的导电情况(1)PN结正偏时耗尽层变窄，扩散加剧，因外电源的作用，形成大的扩散电流，PN结处于导通状态，低电阻。PN结的单向导电性－－－－++++PN－－－－++++E+_R

内电场外电场变薄正向电流内电场被削弱，多子扩散加强，形成较大的扩散电流当外加电压使PN结中N区的电位高于P区的电位，称为加反向电压，简称反偏

PN结加反向电压时的导电情况(2)PN结反偏时：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成很小的反向漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。

(不导通，高电阻)内电场外电场+_REPN－－－－++++++++－－－－反偏使内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流（pA）

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流由此可以得出结论：

PN结具有单向导电性正偏导通，反偏截止问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？四、PN结的电容效应1.

势垒电容CT

：正偏V加大空间电荷区变窄极板距离减小CT↑↑反偏V加大空间电荷区变宽极板距离变宽CT↓2.

扩散电容CD

两区在PN结正偏时，多子存在净的越结扩散，进入对方区域中成为非平衡少子，在空间电荷区两侧积累，形成非平衡少子浓度分布nP(x)和pn(x)

存在非平衡少子浓度分布的两个区域→扩散区CD

∝PN结正向直流电流PN结反偏时扩散电容CD

为零势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd结电容：结电容不是常量！（why?)由于Cj的存在，若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！§1.2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管本节知识点要求：理解并掌握二极管单向导电原理及二极管伏安特性方程；理解二极管特性随温度变化的机理；理解并掌握二极管的四种等效电路及选用原则与区别；理解并掌握二极管主要参数；了解不同种类二极管区别（原理），了解硅管与锗管的区别；理解稳压二极管的工作原理。

一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管

一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。

二、二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性从二极管的伏安特性可以反映出：

1.单向导电性2.

伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃三、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？2.微变等效电路Q点越高，rd越小当二极管在静态导通时,一小动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路ui=0时，直流电源作用小信号作用

小信号模型

二极管工作在正向特性某一小范围内时，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四、二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应第四版——P20讨论：如何判断二极管的工作状态？问：D1D2的工作状态如何？Uo等于多少？D1不通，D2导通Uo=

-1.3V2)图解法求二极管工作点（VD

和ID

的值）

1)估算法：对于导通的Si管，取Von=0.7vVD=0.7VID=(3-0.7)/300=7.67mAvDiDQ1037.60.72/mA/viD=(E–vD)/R2)图解法讨论：2.什么情况下应选用二极管的什么等效电路？对V(直流大信号）和ui(交流小信号）二极管的模型有什么不同？例：估算二极管上交流电压与电流的振幅值

vdm

和idmiD7.60.72Q解1）v(t)=0V

时：VD=0.72VID=7.6mA

则：rd=VT/

ID=26mv/7.6mA=3.42W五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2.主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ电流太小则不稳压，电流太大会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻斜率？六、变容二极管

利用反偏时,势垒电容CT工作的二极管

→变容二极管，简称变容管考虑CT和CD在Q点处二极管的小信号模型为下图:CT和CD均为非线性电容，按增量电容定义：CT和CD对外电路并连，总的等效电容：

Cj=CT+CDCj称为PN结的结电容一般CT在几个PF量级，CD在几十PF量级

极间电容C

和最高工作频率C的阻抗＝1/(ωC)高频时：二极管失去单向导电特性变容二极管广泛用于高频电路在压控振荡器(VCO)中作频率控制元件LC+-R电路中各元件的作用？特殊二极管（了解）请阅读教材

太阳能电池光电二极管发光二极管肖特基二极管电源插板指示灯电路课堂作业：设计发光二极管§1.3晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数要求：理解并掌握晶体三极管（以NPN为主）的电流放大（控制）原理，基本电路（以共射为例）的输入/输出特性、三个工作区域（截止、放大和饱和）状态及特点；了解温度对晶体管特性的影响；理解并掌握晶体三极管主要参数（直流、交流、极限参数）三极管一、晶体管的结构和符号两种类型的三极管++基区集电区

发射区发射结(Je)

集电结(Jc)

基极（Base）用B或b表示

发射极（Emitter）用E或e表示集电极（Collector）用C或c表示+两种类型的三极管三极管符号++结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，几微米至几十微米，掺杂浓度最低管芯结构剖面图+1.

BJT放大状态及电流分配关系1.内部载流子的传输过程

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。

外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

（以NPN为例）

二、晶体管的放大原理iEPiBNiEN以上看出：三极管内有两种载流子参与导电

(自由电子和空穴)双极性晶体三极管(BJT)BipolarJunctionTransistoriEPiBNiEN（内部关系）iEPiBNiEN通常

iC>>ICBO（外部关系）

为共基极直流电流放大系数，与管子结构和掺杂浓度有关，一般：

=0.9

0.99iE=iB+

iCCBECBEiE=iB+iC

是共发射极直流电流放大系数，它也与管子结构和掺杂浓度有关，通常：

>>1

==电流分配：

IE＝IB＋ICIE－扩散运动形成的电流

IB－复合运动形成的电流

IC－漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向电流解：和的方向和大小表明该管处于放大偏置，断开E点时表读数是集电结反向饱和电流，断开B点时表读数是穿透电流，即例：图中断开B点时，表的读数为240μA，断开E点时表的读数为6μA，求该管的和CBECBE

共基极交流电流放大系数：

=0.9

0.99

共射极交流电流放大系数:：

>>1

当BJT工作

于放大区时：

≈

≈例：VCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mAIB=60A,IC=2.3mACBE放大的外部条件：发射结正偏，集电结反偏高低更高低高更低NPN管CBEEBCPNP管V+。V+。NPN管放大偏置CBE

PNP管放大偏置V-。V-。EBC放大偏置BJT偏压与电流的关系1.发射结正向电压VBE对各极电流的控制作用:VBE变化将控制ie,ib,ic

的变化（可利用）CBE2.集电结反向电压VCB对各极电流的影响:VCB

变化将影响ie,ib,ic

（量小,不希望,应避免）控制各极电流变化的真正原因是发射结正向电压的变化RvCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB

=f(vBE)

vCE

=const

vCE

时，集电结反偏，集电结变宽，基区宽度变小，

同样的vBE下IB减小，特性曲线右移vCE=1VvCE=10V1.共射输入特性曲线三、晶体管的共射输入特性和输出特性

输入特性曲线非线性区死区线性区+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE2.共射输出特性曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEiC=f(vCE)

iB

=constiC=f(vCE)

iB

=const输出特性曲线的三个区域截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压，集电结反偏。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。还有一个击穿区饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，vCE＜0.3V(硅管)，发射结正偏，集电结反偏电压很小。+-bceRL共射极放大电路

vI+-iCiBVCCVBB1.VCE

接近0V，IC不可能再随IB增大2.此时IC

明显受VCE

控制3.这是放大电路不希望的关于饱和区的解释：晶体管的三个工作区域在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB

控制的电流源iC

状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE四、温度对晶体管特性的影响五.BJT的主要参数

2.极间反向电流1.电流放大系数

3.极限参数4.特征频率fT

=IC

/

IB

vCE

=

const1.电流放大系数

1)共发射极直流电流放大系数+-bceVBBVCCvBEiCiB+-vCE2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=constCBE

2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流

ICEO

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值，ICEO也称为集电极发射极间穿透电流1)集电极最大允许电流ICM2)集电极最大允许功率损耗

PCM=ICVCE

3.极限参数+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

BVCEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压(集电结反偏)3)反向击穿电压

BVCBO——

发射极开路时的集电结反向击穿电压BVEBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压几个击穿电压有如下关系

BVCBO＞BVCEO＞BVEBO4)特征频率fT

BJT工作在高频时：当：时此时的频率称为BJT的特征频率fT截止频率特征频率利用Multisim测试晶体管的输出特性利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。

以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！约小于0.5V时截止约大于1V时饱和

描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。§1.4场效应管1.4.1结型场效应管1.4.2绝缘栅型场效应管1.4.3场效应管的分类要求：理解并掌握场效应管(以N沟道增强型为主)的工作(电压控制电流)原理，对比基本电路（以共源为例）与晶体三极管状态及特点的异同（输入/输出特性、三个工作区域、主要参数等）；了解场效应管的主要种类FET与BJT不同，它是一种载流子（多子）参与导电（单极性）；温度稳定性好；输入阻抗高（109以上）；功耗低；体积小，易于集成；内部噪声小，工作频率高。FET按结构可分为两大类：FETJFETN沟道P沟道MOSFET增强型耗尽型N沟道N沟道P沟道P沟道一.N沟道JFET的结构和工作原理结构S(源极)NG(栅极)D(漏极)PPP区导电N沟道PN结N型衬底工作原理①在VDS=0的条件下，导电沟道随VGS，的变化情况:SNGDVGSVDS.PP当VGS<0时，PN结反偏变宽，沟道变窄；VGS越负，PN结越宽，沟道越窄；当VGS负到某一值时，PN结变宽碰在一起，沟道被夹断。SNGDPPVGS.沟道被夹断VDS=0VGS=

Voff夹断电压Voff沟道刚好被夹断对应的VGS称为夹断电压Voff

4.JFET正常工作,VGS应满足：Voff<VGS<02.当VGS<Voff时，与VGS=Voff时情况基本相同，沟道仍然是夹断状态，如VGS继续减小，会使

PN结反向击穿3.当VGS>0时,PN结正偏，PN结变窄,沟道变宽；如VGS>+0.5V,PN结导通,丧失JFET的功能②VGS=0，导电沟道与iD随VDS

变化情况：为保证VDS

加入后PN结仍然反偏应满足VDS＞0SNGDPPVDS.VGS=0iDVDS使沟道产生电位梯度，进而使PN结的反偏电压也沿沟道产生梯度，形成非均匀沟；SNGDPPVGS=0VDS非均匀沟道.iD沟道电位梯度产生沟道漂移电流

iD=vDS/RDSRDS为沟道电阻VDS越大，PN结的反偏电压越大，PN结越宽，沟道越窄，相应沟道电阻RDS越大；因此iD随VDS的变化呈饱和增长趋势。SNGDPPvGS=0vDS.iD当VDS=–Voff（即VGD=–VDS=Voff）时，PN结最宽处碰在一起，沟道被预夹断；此时的iD称为饱和漏极电流，记为IDSS（VGS=0时的饱和iD

）SNGDPPvDS沟道被预夹断.vGS=0iDSNGDPPVDS.VGS=0沟道部分夹断VDS继续增大（VDS

＞–Voff）,沟道变短，称为部分夹断；夹断部分是高阻区，VDS增大部分加在高阻区，沟道上电压并未增加，iD基本保持为IDSSiD部分夹断时沟道随VDS的增大逐步变短，相应沟道电阻RDS逐步减小，故iD随VDS的增大而略有增大，这种现象称为VDS再增大，会使PN结反向击穿SNGDPPVDS.VGS=0沟道部分夹断iD沟道调制效应③在VGS和VDS同时作用下，导电沟道与iD的变化情况SNGDPPVGSVDS.将VGS固定在大于Voff的各值，分别讨论沟道与iD随VDS的变化情况iDSNGDVGSVDS.当:vGD

=vGS+vSD=vGS–vDS=voff时PPvDS=vGS–voff预夹断方程iD①输出特性曲线iD(mA)VDS0VGS=0VGS=Voff<0VDS=VGS–Voff可变电阻区—压控电阻特性控制电压VGS恒流区(放大区)—压控电流源特性控制电压VGS截止区击穿区N沟道JFET的特性曲线....iD(mA)VDS0VGS=0VGS=VoffVDS=VGS–Voff可变电阻区—压控电阻特性控制电压VGS可变电阻区：Voff<VGS<0，VDS<VGS–VoffN沟道JFET各工作区的条件：....恒流区(放大区)—压控电流源特性控制电压vGSiD(mA)VDS0VGS=0VGS=VoffVDS=VGS–Voff恒流区(放大区):Voff<VGS<0，VDS>VGS–Voff....iD(mA)VDS0VGS=0VGS=VoffVDS=VGS–Voff截止区截止区:VGS<Voff

，VDS>0iD(mA)VDS0VGS=0VGS=Voff②转移特性曲线IDSS放大区ID也称为JFET放大区的平方率公式JFET的转移特性曲线满足：IDSS（VGS=0时的饱和iD

）iD(mA)VGS0VoffIDSS..iD(mA)VDS0VGS=0VGS=VoffVDS=VGS–Voff③JFET的小信号模型

gm---跨导相应的小信号模型：vgs＋＋－－vdsid

gmvgsrdsGSDiD(mA)VDS0VGS=0VGS=VoffVDS=VGS–Voff2.转移特性Voff1.输出特性恒流区(放大区):SNGDVGSVDS.PP沟道部分夹断

JFET在正常放大作用时，沟道处于什么状态？PN+N+B二、N沟道增强型MOSFET

的结构和工作原理P型衬底N区金属(铝)PN结SiO2绝缘层GSD栅极漏极源极①导电沟道的形成当vGS=0时，没有导电沟道存在PNNVDSVGS.DSG虽vDS≠0D→S也没有电流VDS

=0，VGS＞0时,产生垂直电场，衬底表面形成耗尽层PNNDSG.VDS=0VGSN沟道开始形成

当VGS=Vth

时，开始形成反型层，形成耗尽层当VGS>Vth

时，形成均匀的导电沟道N沟道形成反型层刚形成所对应的VGS称为开启电压VthPNNN沟道刚开始形成DSG.VDS=0VGSVGS=Vth

VGS>Vth

，沟道与iD随VDS的变化情况:为保证VDS加入后与衬底间的PN结反偏，应满足VDS＞0DSG.VDSVGSPNNN沟道由于VDS的存在，沿沟道形成电位梯度，进而使PN结的宽度也沿沟道形成梯度，形成非均匀沟道；PNNVDSVGS非均匀沟道DSG.VGS>Vth沟道电位梯度产生沟道漂移电流：

VDS越大，PN结越宽，沟道越窄，沟道电阻RDS也越大；因此，iD随VDS的变化呈饱和增长趋势PNNVDSVGSDSG.iD=VDS/RDS

RDS为沟道电阻iD(mA)VDS(V)0PNNVDSVGSSGD.VGD=VGS–VDS=Vth时，

VDS=VGS–Vth预夹断方程D端反型层消失，导电沟道被预夹断；此时的iD称为饱和漏极电流，VDS称为饱和电压VDSsat予夹断iD(mA)VDS(V)0VDSsat.VDS继续增大（VDS＞VGS–Vth），沟道变短，称为部分夹断；夹断部分是高阻区，VDS增大部分落在高阻区，沟道上的电压并未增加，iD基本保持为IDSSPNVDSVGSSGD.N部分夹断iD(mA)VDS(V)0VDSsat.IDSS部分夹断时沟道电阻RDS随VDS的增大而略有减小，iD随VDS增大略有增大，这种现象称为沟道调制效应VDS再增大，会使与衬底间的PN结反向击穿PNVDSVGSSGD.NiD(mA)VDS(V)0VDSsat.iD(mA)VDS(V)oVGS=VthVDS=VGS–Vth可变电阻区—压控电阻特性恒流区(放大区)—压控电流源特性截止区击穿区N沟道增强型MOSFET的特性曲线①输出特性曲线....VGS1VGS2VGS3VGS4N沟道增强型MOSFET各工作区的条件：可变电阻区：VGS>Vth>0

VDS<VGS–VthiD(mA)vDS(V)oVGSVGS=VthvDS=vGS–vth可变电阻区—压控电阻特性....iD(mA)vDS(V)ovGSvGS=VthvDS=vGS–Vth恒流区(放大)—压控电流源特性恒流区(放大区)：VGS>Vth>0 VDS>VGS–Vth截止区：VGS<Vth

VDS>0iD(mA)VDSovGSVGS=VthvDS=vGS–Vth截止区

击穿区VDS过大②转移特性曲线也称为增强型MOSFET放大区的平方率公式VTVVTV放大区的电压，电流关系：可变电阻区的电压，电流关系：可以利用该区特性实现压控电阻Vth请问:用哪个量实现压控?VGSVDSV耗尽型MOS管

耗尽型MOS管在

uGS＞0、uGS

＜0、uGS

＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道场效应管与三极管的性能比较

场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。(2)场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB控制iC。(3)场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。(4)场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。(5)场效应管在源极未与衬底连在一起时，源和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大。(6)场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。(7)场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。各种场效应管的符号和特性曲线N沟道耗尽型MOSFETN沟道增强型MOSFET输出特性转移特性符号种类P沟道耗尽型MOSFETP沟道增强型MOSFET输出特性转移特性符号种类-结型P沟道结型N沟道输出特性转移特性符号种类N沟道增强型N沟道耗尽型dsgN沟道JFETP沟道JFETP沟道耗尽型P沟道增强型dsgdsg虚线表示沟道在施加外电压后才形成－增强型实线表示沟道在施加外电压前就存在－耗尽型箭头朝里表示N沟道箭头朝外表示P沟道

四种MOS管偏置的比较

对于N沟道器件，VDS必为正值，衬底必须接在电路中的最低电位上。对于P沟道器件，VDS必为负值，衬底必须接在电路中的最高电位上。VGS：

增强型器件是单极性的，

N沟道为正值，P沟道为负值，耗尽型器件可正可负。N沟道器件，VGS向正值方向增大，ID

越大；

P沟道器件，VGS向负值方向增大，ID越大。使用场效应管的注意事项(1)从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。(2)当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。(3)MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。§2.1放大的概念与放大电路

的性能指标放大电路的应用：传感器电路现代通信电路自动控制电路电子测量电路本节知识点要求：深刻理解电信号放大的对象、本质、特征及要求；理解信号源（内阻）、负载电阻等概念；理解并掌握放大电路的主要性能指标（增益/放大倍数、输入/输出电阻、通频带、线性范围、效率等）放大电路---保持信号不失真，将微弱信号（电压、电流、功率）放大，且增益大于1的电子线路

BJT，FET是构成放大电路的核心元件一、放大的概念放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制与转换放大的特征：功率放大（电压或电流）放大的基本要求：不失真或失真小于一定值VCC直流电源供电负载信号源放大器通常是由信号源、放大电路及负载构成的Rs放大电路

ioii+–uo+–us+–uiRL直流供电

放大器通用小信号模型输入端口等效为一个电阻，放大电路是信号源的负载输出端口等效为电压源和电阻的串联，放大电路是负载的信号源放大电路可视为双口网络二、性能指标1.放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流2.输入电阻和输出电阻将输出等效成电压源，内阻就是输出电阻空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值输入电压与输入电流有效值之比从输入端看进去的等效电阻3.通频带由于耦合电容、电感及放大管PN结的电容效应，放大电路在信号频率较低和较高时放大倍数下降，并产生相移衡量放大电路对不同频率信号的放大能力下限频率上限频率Rs放大电路

ioii+–uo+–us+–uiRL4.最大不失真输出电压Uom：交流有效值5.最大输出功率Pom和效率η：功率放大电路的参数§2.2基本共射放大电路一、电路的组成及各元件的作用二、设置静态工作点的必要性三、波形分析四、放大电路的组成原则本节知识点要求：深刻理解静态工作点设置的必要性；掌握放大电路基本组成与静态工作点设置的原则；理解截止失真与饱和失真；能够通过（测试）波形判断静态工作点的设置情况。一、电路的组成及各元件的作用1.电路组成基本共射极放大电路共射VBB、Rb：使UBE＞Uon且有合适的IBVCC：使UCE≥UBERc：将ΔiC转换成ΔuCE(uo)动态信号作用时：2、各元件的作用ui=0时，晶体管各极的电流、电压、称为静态工作点Q，记作UBEQ、IBQ、ICQ、UCEQ二、设置静态工作点的必要性输出电压波形必然发生（严重）失真！要解决失真问题，必需设置合适的静态工作点；并且，Q点还影响着所有的动态参数！为什么放大的对象是动态信号，却要求晶体管有合适的静态工作点？

核心器件BJT

偏置电路

输入、输出电路

vi=0三、基本共射放大电路的波形分析vi=Vsin

tvCE

=VCC-iC

RC输出和输入反相！动态信号驮载在静态之上与iC

变化方向相反饱和失真底部失真截止失真顶部失真不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区静态工作点合适：

合适的直流电源、合适的电路（元件）参数2.动态信号能够作用于晶体管的输入回路，负载上

能够获得放大了的动态信号3.对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类少、负载上无直流分量四、放大电路的组成原则直流工作点Q：IBICVCE+-++-1.静态工作点合适+-++-2.能够加入交流小信号并放大3.解决：共地、电源种类少、负载上无直流分量（1）直接耦合放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”共地,并通过Rb1

使信号驮载在静态之上静态时，动态时，VCC和ui同时作用于晶体管的输入回路将两个电源合二为一有直流分量有交流损失－＋UBEQ（2）电容耦合放大电路耦合电容的容量足够大，对交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”静态时:C1、C2上电压？C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQ动态时:uBE=ui+UBEQ

信号驮载在静态之上,负载上只有交流信号§2.3放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路二、图解法三、等效电路法本节知识点要求：掌握放大电路的直流通路与交流通路的分解等效；理解图解法分析静态工作点、放大倍数等的原理以及截止失真与饱和失真在图解分析上的异同点；深刻理解并掌握等效电路分析法（直流模型分析静态工作点，交流h参数模型分析动态性能指标）一、放大电路的直流通路和交流通路直流通路确定原则：①

信号

Us=0，保留Rs②电容开路

③电感短路（线圈直流电阻为0）2.交流通路确定原则：①直流电源短路（内阻为0）②大容量电容短路③电感开路放大电路中直流电源和交流信号的作用共存，为简化分析，将它们分开，引入直流（偏置）通路和交流（信号）通路的概念。电容耦合共射放大电路的直流通路IbRbRCceVccICb

共射极放大电路例：ß

=80，Rb=300k，

Rc=2k，VCC=12V求：放大电路的Q点。此时

BJT工作在哪个区域？解：静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V）BJT工作在放大区当Rb=100k时，再求Q点

此时BJT工作在哪个区域？

所以BJT工作在饱和区VCE最小只能为0

IC的最大电流为：此时，Q（120uA，6mA，0V），解：电容耦合共射放大电路的交流通路交流分析？直流电源对交流信号短路非线性线性电路vCE

1Vic已知BJT的输入输出特性曲线二、图解法

1.图解分析静态工作点

共射极放大电路

首先，画出直流通路IbRbRCceVccICVCEVBE++--

列输入回路方程：

VBE=VCC－IBRb

在输入特性曲线上，作出直线：

VBE=VCC－IBRb

两线的交点即是Q点得到IBQIBRbRCceVccICVCEVBE++--iC在输出曲线上，作出直流负载线，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ

和ICQ直流通路

列输出回路方程（直流负载线）

VCE=VCC－ICRcQIbRbRCceVccICVCEVBE++--2.电压放大倍数的分析斜率不变

1.vi

vBE

iB

iC

vCE

|vo|

2.vo与vi相位相反；

3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；

4.可以确定最大不失真输出幅度。3.失真分析截止失真消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。截止失真是在输入回路首先产生失真！减小Rb能消除截止失真吗？tVBB

Q点过低，信号产生截止失真(输出波形正半周切顶)icvo输出波形输入波形ibvCE波形失真非线性失真vi

vbe

ib

ic饱和失真消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，减小VBB，增大VCCRb↑或β↓或VBB↓Rc↓或VCC↑饱和失真（主要）是输出回路产生的失真最大不失真输出电压Uom

：

(UCEQ-UCES)与(VCC-UCEQ)，取其小者，除以

(?)不是好办法！icvCEib输入波形vo输出波形vi

vbe

ib

ic波形失真非线性失真

Q点过高，信号产生饱和失真(输出波形负半周切顶)电容耦合共射放大电路的交流通路vce=-ic

(Rc//RL)直流电源对交流信号短路输出回路方程由交流通路得交流负载线：

共射极放大电路vce=-ic

(Rc//RL)交流负载线必过Q点，因此过输出特性曲线上的Q点,做斜率为-1/R

L

的直线，该直线即为交流负载线。R

L=RL∥RC是交流负载电阻

交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹icQ4.直流与交流负载线讨论：1.是什么参数、如何变化使Q1→Q2→Q3→Q4？从输出电压上看，哪个Q点最易产生截止失真？哪个Q点最易产生饱和失真？哪个Q点下Uom最大？3.设计放大电路时，应根据什么选择VCC？ic可输出的最大不失真信号ibvcevoQ点要设置在放大区的中间部位

放大电路的

动态范围vi

vbe

ib

ic要有合适的交流负载线

t三、等效电路法半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化,等效就是用线性元件建立模型，近似地描述非线性器件的特性1.直流模型：适于Q点的分析求解静态工作点，实质上是利用了直流模型输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制电流源+-cUceQ+-eUbeQbUonIbQIcQbIbQ2.晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）在交流通路晶体管看成一个二端口网络，输入输出回路各为一个端口小信号作用下的关系式电阻无量纲无量纲电导交流等效模型（按方程画模型）电阻无量纲无量纲电导h

参数的物理意义b-e间的动态电阻内反馈系数交流电流放大系数c-e间的电导电阻无量纲无量纲电导分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？简化的

h

参数等效电路－交流等效模型查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得Q点越高，rbe越小！输入电阻不含Rs!输出电阻不含RL!交流等效电路3.放大电路的动态分析例：已知：求：解：求静态Q点

Q（22uA，1.77mA，6.7V）BJT工作在放大区交流等效模型讨论一2.用PNP晶体管组成共射放大电路画出电路的直流通路和交流通路2.空载和带载两种情况下Uom分别为多少？讨论二已知ICQ=2.5mAUCES=0.7V1.当输入信号增大时，电路首先出现饱和失真还是截止失真？3.增强电压放大能力的方法？讨论三：直接耦合共射放大电路的静态分析和动态分析QIBQ≈35μAUBEQ≈0.65V讨论四：阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析讨论五：波形分析失真了吗？如何判断？原因？饱和失真§2.4静态工作点的稳定一、温度对静态工作点的影响二、静态工作点稳定的典型电路三、稳定静态工作点的原理

本节知识点要求：深刻理解稳定静态工作点的必要性;理解反馈的基本概念;理解稳定静态工作点的基本方法(直流反馈与温度补偿)以及注意事项。

ICBO

ICEO

T

IB

IC

IbRbRCceVccICVCEVBE++--一、温度对静态工作点的影响

Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变Q’就是要Q’回到Q二、静态工作点稳定的典型电路

直流通路Ce为旁路电容，在交流通路中视为短路

分压射极偏置

固定偏置RbRCVcc如果温度变化时，B点电位能基本不变，可实现静态工作点的稳定b点电位基本不变的条件：

I1>>IBI1I2IBRb1VccRCC1C2Rb2Reb三、稳定工作点原理I1I2IBRb1VccRCC1C2Rb2ReRLui

b使I1>>IB则：不会随温度变化而变化一般取I1=(5~10)IB，Vb=3V~5V

I1I2IBRb1VccRCC1C2Rb2ReRLui

bT

IC

IE

IC

VE

、VB不变

VBE

IB

（反馈控制）并且Re可取大些，反馈控制作用更强

I1I2IBRB1VccRCcRB2RE直流通路算法：e

两种偏置电路的计算静态：I1I2IBRb1VccRCC1C2Rb2Re讨论一图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？若采用了措施，则是什么措施？§2.5晶体管放大电路的三种接法一、基本共集放大电路二、基本共基放大电路三、三种接法放大电路的比较本节知识点要求：掌握三种基本放大电路的动态等效电路分析;了解它们各自的特点。R1VCCR2RE＋－uoRL＋－uiC1C2..没有RC一、共集放大电路uiuo其交流通路：

VCC

＋－uo

＋－uiC1C2..R1R2RERL＋＋－－uiuoRERLR2.R1交流通路：将BJT用h

参数模型代替：＋＋－－uiuoRLRBREbibrbeicibieceb.＋＋－－uiuoRERLRB.求:电压增益＋＋－－

uiuoRLRBRE

bibrbeicibiebec.R1VCCR2RE＋－uoRL＋－

uiC1C2CC放大器又称为射极跟随器..放大电流，不放大电压；有电压跟随作用！有功率增益！＋＋－－

uiuoRLRBRE

bibrbeicibieRi′Ri比较CE放大器：输入电阻大.cebii求:输入电阻＋＋－－uiuoRLRBREbibrbeicibieRo用外加电源法求输出电阻Ro.ceb求：输出电阻Roit外加测试电压ut＋－utREbibrbeicibieRo.ceb比较CE放大器：输出电阻小it＋－utREbibrbeicibieRo.cebRs考虑信号源内阻uiRCR1VCCR2＋－uoRLC1C2CBuiRE..C的作用？二、共基放大电路静态工作点的计算？uouiRCR1VCCR2＋－uoRLC1

C2CBuiRE..＋＋－－

uiuoRCRLRE其交流通路：.没有

R1R2

？？CB交流通路：＋＋－－

uiuo

RC

RL

RE将BJT用h

参数模型代替：.＋＋－－

uiuoRLRERCbibrbeicibiebec.求:电压增益输入电阻输出电阻比较CE放大器：大小相等（同相）ecb＋＋－－

uiuoRLRERCbibicibierbe.uo比较CE放大器：输入电阻很小Ri′Ri＋＋－－

uiRLRERCbibrbeicibie.Ro＋＋－－

uiuo

RL

RERCbib

rbeicibebc.输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！

三种组态的比较电压增益

Au

输入电阻

Ri

输出电阻

Ro

大，反相大，同相

小，同相

中

小

大大大

小CE放大器CB放大器CC放大器讨论一：

图示电路为哪种基本接法