《模拟电子技术基础》教材 童诗白解读课件.ppt

2022/11/30,1,模,课程总学时： 60 (十五周结束); 课 程 学 分 ： 4.0 ；课 程 类 型 ：专业必修课。,任课教师：马俊成,拟,电,路,基,础,感谢同学们的支持和鼓励,2022/11/30,2,本课程的任务是： 介绍常用半导体器件的特性与参数，重点讨论模拟电路中的基本单元电路,研究电路工作原理与基本分析方法，掌握半导体器件的基本运用。,教学形式: 课堂采用多媒体授课；课后练习巩固。,2022/11/30,3,一、模拟电路简介,模拟电路是一种信号处理电路，一般可视为双口网络。,输入信号按时间可分为连续时间信号( 模拟信号 )和离散时间信号( 数字信号) 。,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路,电路中的晶体管工作在线性放大状态。,处理数字信号的电子电路称为数字电路,电路中的晶体管一般在工作开关状态。,1. 模拟电路和数字电路,前言,2022/11/30,4,3. 模拟电路的特点：,A). 工程性和实践性强；,信号按工作频率可分为低频、高频、微波信号。,2. 低频模拟电路,处理低频信号的模拟电路称为低频模拟电路 ，低频模拟电路的工作频率一般低于1MHz, 低频模拟电路是最基础，应用最广泛的电子电路。,B). 电路功能多，涉及知识面广、灵活性大。,内容多、教材太精炼、学时少、入门难。,本课程存在的问题：,2022/11/30,5,上世纪90年代电子技术就进入了超大规模集成电路电子时代。集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。, 1904年电子管发明（真正进入电子时代）; 1947年晶体管问世; 1959年集成电路出现(SSI、MSI、LSI、VLSI)。,二 .电子技术的发展历程,电子技术的发展以电子器件的更新换代为标志！,电子学近百年发展史上三个重要里程碑：,VLSI 超大规模集成电路,2022/11/30,6,摩尔定律：集成电路中的晶体管数目每两年增加一倍； CPU性能每18个月增加一倍。,三. 摩尔定律,集成电路的发展遵从摩尔定律,2022/11/30,7,四. 模拟电路常用器件,2022/11/30,8,1.1 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,第一章 常用半导体器件,2022/11/30,9,1-1 半导体基本知识,根据材料导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)等。,导 体：电阻率 109 cm半导体：电阻率介于前两者之间。,2022/11/30,10,当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光敏二极管可以用于光敏控制。,半导体三大基本特性：,1.半导体的热敏性(temperature sensitive).,环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成的热敏电阻可以用于温度控制。,电导率 s ,2.半导体的光敏性( light sensitive),T 1. 5光照度,2022/11/30,11,3.半导体的掺杂性 (Doping impuritive),在半导体中掺入一定浓度的杂质后，可改变半导体的导电类型，导电能力也会大幅度增加，利用这种特性可以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路。,晶体管,2022/11/30,12,1.1.1 本征半导体,一. 本征半导体,纯度 6个9(99.9999 %),半导体的原子结构为金刚石结构：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。,完全纯净、结构完整的半导体晶体。称为本征半导体。,半导体的晶体结构取决于原子结构。,2022/11/30,13,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,二.半导体的共价键结构,共价键结构,硅单晶材料,2022/11/30,14,三. 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。,本征半导体中的载流子：,自由电子(free electron),空穴(mobile hole),空穴,自由电子,2022/11/30,15,本征激发电子空穴对的产生,2022/11/30,16,空穴的移动,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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迁移，因此可以认为空穴是载流子。,2022/11/30,17,* 四.本征半导体中的载流子浓度,ni：自由电子的浓度,i：空穴的浓度,K1：系数（与半导体材料有关）,T ：绝对温度,式中：,k：波尔兹曼常数,EG：价电子挣脱共价键所需能量, 又叫禁带宽度,本征半导体中的自由电子和空穴是成对产生的(本征激发)，由半导体物理得：,2022/11/30,18,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,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。,一般采用高温扩散工艺进行掺杂,2022/11/30,19,一. N型半导体,本征硅或锗 +少量磷 N型半导体,自由电子,2022/11/30,20,在N型半导体中自由电子是多数载流子( 多子 )，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子( 少子 ), 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，由于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,施主杂质,自由电子,2022/11/30,21,二. 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），晶体点阵中的某些原子被杂质取代。硼原子的最外层有三个价电子, 与相临的硅或锗原子形成共价键时, 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，所以称为受主杂质(acceptor impurity) 。,本征硅或锗 +少量硼 P型半导体,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。,受主杂质,2022/11/30,22,杂质半导体的示意表示法,P 型半导体,N型半导体,载流子浓度=杂质浓度+热激发少子浓度,2022/11/30,23,载流子运动产生电流，存在两种运动方式：,（1）漂移运动-载流子在外加电场作用下的定向移动。,（2） 扩散运动-因浓度梯度引起 载流子的定向运动。,运动速度,m - 迁移率,1.1.3 PN 结,2022/11/30,24,一.PN 结的形成,2022/11/30,25,浓度差多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场 内电场促使少子漂移，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。,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。也称耗尽层。,2022/11/30,26,二. PN结的单向导电性,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，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,1. PN结加正向电压时,低电阻大的正向扩散电流,正向电压使PN结内建电场减弱，空间电荷区变薄, 产生较大的正向扩散电流。,扩散大于飘移，正向电流大，PN结导通。,2022/11/30,27,2. PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流， PN结反向截止。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，故反向饱和电流很小。,外加电场与PN结内建电场方向一致，使PN结空间电荷区变宽，扩散电流趋于零，只存在少数载流子的漂移 ,形成反向饱和电流，其数值很小，一般为微安（A）数量级。,2022/11/30,28,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，处于导通状态； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，处于截止状态。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结的单向导电性,2022/11/30,29,三. PN结电流方程,式中,IS 反向饱和电流,UT 温度的电压当量,且在室温下（T=300K）,2022/11/30,30,四. PN结的伏安特性,在室温下（T=300K），设 u = 100 mV, 而 UT = 26 mV，,所以当 u100 mV 时， PN结方程可以简化为,同样当 u -100 mV 时， PN结电流方程可以简化为,正向特性,反向特性,2022/11/30,31,例：已知室温(T=300K)下，硅PN结外加正偏UD为0.7V,正向电流i为1mA,求反向饱和电流IS 。,解：由,室温(T=300K)下,代入已知条件得：,2022/11/30,32,PN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。,雪崩击穿,齐纳击穿,反向击穿,当UBR4V时称为“齐纳击穿” 当UBR7V时称为“雪崩击穿”,在UBR附近i大幅度变化，而u变化很小，具有稳压特性。利用PN结的反向击穿特性可以制成“稳压二极管”。,2022/11/30,33,五. PN结的电容效应,1. 势垒电容Cb,PN结存在两种电容效应,势垒区电荷随外加反偏uS增大而增大，结构类似电容。,2022/11/30,34,2. 扩散电容Cd,扩散电容示意图,正偏时两区靠近PN结附近存在可动电荷的积累，具有电容效应。此效应用扩散电容Cd表征。,2022/11/30,35,PN结电容Cj 是一种非线性电容,利用PN结电容特性可制成“变容二极管”。对于一般小功率二极管Cj 1PF100PF 。Cb和Cd一般都很小，低频时忽略，高频时才考虑结电容。,Cb势垒电容，Cd扩散电容。,2022/11/30,36,电路符号,内部结构,常见外形,1.2 半导体二极管,2022/11/30,37,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,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、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,外壳,触丝,基片,2022/11/30,38,面接触型的PN结面积大，用于低频大电流整流电路。,平面型用于集成电路、高频整流和开关电路。,(2)面接触型和平面型二极管,2022/11/30,39,半导体二极管图片,2022/11/30,40,1.2.2 伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,二极管的V-I 特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,实际V-I由实验电路测量得出,2022/11/30,41,伏安特性受温度的影响,二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明： T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，UBR T（）正向特性左移，反向特性下移,2022/11/30,42,硅和锗材料二极管伏安特性比较,2022/11/30,43,1.2.3 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。它主要取决于PN结的结面积大小，当流过二极管的正向平均电流超过此值时，会使PN结烧坏。,2.反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM UBR指二极管反向击穿时的电压值。 URM指保证二极管不被反向击穿所给出的最高反向工作电压。通常约为反向击穿电压的一半。使用时，加在二极管上的实际反向电压不能超过此值。,2022/11/30,44,3.最大反向饱和电流Is 指在二极管上加最高反向工作电压时的反向电流。此值愈小，单向导电性能愈好。当温度升高时，反向电流增加，单向导电性能变坏，故二极管在高温条件使用时要特别注意。,4.最高工作频率fM: 指保证二极管具有良好单向导电性能的最高频率。它主要由PN结的结电容大小决定。结面积小的二极管最高工作频率较高。,2022/11/30,45,5.二极管的直流电阻RD ： 二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比称为二极管的直流电阻RD。即,6. 二极管的交流（动态）电阻rD ： 二极管的交流（动态）电阻rD：当二极管端电压在某一确定值（工作点）附近的微小变化与流过二极管电流产生的微小变化之比称为二极管的交流（动态）电阻rD 。即,2022/11/30,46,RD、rD分析求解,rD ：二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比。,即:,如 ID = 2mA时， rD = 13,直流等效电阻,二极管直流电阻RD和动态电阻 rD 的大小与二极管的工作点有关。对同一工作点而言，直流电阻RD大于动态电阻 rD，对不同工作点而言，工作点愈高，RD和rD愈低。,2022/11/30,47,二极管基本电路及分析方法,问题：已知R、U ，求iD、 uD 。,iD RuD=U,uD = ?,iD = ?,2022/11/30,48,一. 理想开关模型,特点：uD 0时,二极管导通;uD 0时,二极管截止。,U = iDR +uD= iDRiD=U/R,二极管导通时uD = 0,引入模型的目的：简化电路计算；方法：非线性器件作线性化处理。,1.2.4 二极管的等效电路,2022/11/30,49,二. 恒压降模型,uD0.7V(硅管)时,二极管导通，uD0.7V (硅管)时,二极管截止。,特点：,UON,硅二极管UON = 0.7V锗二极管UON = 0.3V,二极管导通(iD 0)时， uD= UON,U = iDR + uD= iDR + UON,iD= (U UON )/R,2022/11/30,50,* 三. 折线模型,当 UD Uon 时；,UD= Uon +iD rD ; rD为Q点折线斜率的倒数。,Uon是二极管的开启电压。,特点：,2022/11/30,51,例1：(填空题)如图所示电路中，D1D3为理想二极管， A、B、C白炽灯泡功率相同，其中最亮的灯是 。,解：US正半周时D1、D3导通， D2截止A、C被短路， US 的 正半周电压全部加到B上。,US负半周时D1、D3截止，D2导通B被短路， US 的正半周电压全部加到A、C上。,US全周期加到A、C上的平均电压只有B的一半。所以最亮的灯是 B 。,2022/11/30,52,例2：图示电路中 设D导通时正向压降为 0.7V，求流过 二极管中的电流 ID 。,解：运用戴维南定理,二极管正向导通,其正向压降为0.7V。,2022/11/30,53,限幅电路,1、二极管单向限幅 （设D为理想二极管）,当输入电压小于电池电压E时，二极管两端电压处于反向偏置，,ui E 时，D截止，uo= ui,当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为0，所以输出电压与电池电压相同。,即：ui E时，D导通，uo= E,限幅 电压幅度限制,2022/11/30,54,4,截止,截止,导通,导通,如果考虑二极管导通电压，则此时输出最大正向电压为4.7V。,设：,ui 4V时，D 截止，uo= ui,ui 4V时，D导通，uo= 4V,2022/11/30,55,4,2. 二极管双向限幅,例：二极管电路如图，D1、D2为理想二极管，ui = 8sint ( V )，试画出电压传输特性曲线uo= f ( ui ) 。,-4 ui 4V时，D1、 D2 截止，uo= ui,ui 4V时，D1导通、D2截止，uo= 4V,ui -4V时， D1截止、 D2导通，uo= -4V,如果考虑二极管导通电压，则此时电压输出最大幅度Uom4+0.7 V。,2022/11/30,56,利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。,二极管开关电路,半导体二极管开关特性,二极管电路分析方法 ：,1）先将二极管从电路中断开，分别求出其两端的正向电压；,2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。若电路中存在两只以上二极管，则正向电压大的管子优先导通。,2022/11/30,57,如图所示电路，D1、D2为理想二极管，我们用列表的方法来分析输入信号UA，UB和输出信号UF的关系：,如果定义 5V电平为逻辑 1，0V电平为逻辑 0，则该电路实现逻辑“或”的功能： F = A+B 。,2022/11/30,58,由特殊工艺制造专门工作在反向击穿状态下的二极管称为稳压二极管。,一.稳压二极管,普通二极管反向击穿电压越大越好，一般UBR 100V。,普通稳压二极管工作电压UBRUZ = 2.5 30V。,稳压二极管特点： PN结面积大，散热条件好，反向击穿是可逆。,1.2.5 稳压二极管,2022/11/30,59,二. 稳压二极管的伏安特性曲线：,正向特性和普通二极管相同,反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，稳压性能越好。,2022/11/30,60,1. 稳定电压UZ,2. 最小稳定电流 IZmin,3. 最大稳定电流 IZMAX,不同型号的稳压管，都规定一个最大稳定电流，防止稳压管过流发生热击穿而损坏。,三. 稳压二极管的主要参数,保证稳压管稳压性能的最小工作电流。IZmin很小，常视为零。,UZ2.5 30V,2022/11/30,61,4. 最大允许耗散功率PZM,稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。,5. 动态电阻,动态电阻越小稳压管稳压效果越好,6. 电压温度系数,稳压管受温度变化的影响系数。,PZM = 0.25 2W,2022/11/30,62,例1. 如图所示电路中，R = RL = 500 , DZ 的稳定工作电压UZ = 6V ;,求: 当Ui = 10V 时UO = ， IZ = ;,当 Ui= 20V 时UO= ， IZ = 。,解：Ui =10V时,Ui = 20V时,2022/11/30,63,例：如图所示电路，设稳压二极管DZ1和DZ2的稳定工作电压分别是5V和10V，试求出电路的输出电压UO，判断稳压二极管所处的工作状态。已知稳压二极管正向电压为0.7V。,解：当稳压二极管DZ1和DZ2断开时， DZ1和DZ2同时加有25V反向电压。由于DZ1反向击穿电压比DZ2小，所以DZ1先被击穿，输出电压UO稳定在5V。,DZ1处于击穿状态，DZ2处于截止状态。,2022/11/30,64,晶体三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,BJT有两种类型：,NPN晶体管,PNP晶体管,互补复合晶体管*,1.3 晶体三极管,两种晶体管在电路中形成互补,2022/11/30,65,BJT常见外形：,小功率晶体管,大功率晶体管,1.3.1 晶体管结构及类型,2022/11/30,66,2022/11/30,67,电路符号与内部结构：,E(Emitter) ：发射极B(Base） ：基极C(Collector) ：集电极,NPN晶体管,PNP晶体管,注意：电路符号中的箭头方向表示由P指向N的方向,2022/11/30,68,本征半导体,三区两结三极,集电结,发射结,N-Si,N+,P,集电极C,基极 B,发射极E,金属层,N型硅片（衬底）,BJT结构 ( 以NPN晶体管为例 ),BJT芯片内部结构,BJT示意图,2022/11/30,69,BJT结构特点, 发射区的掺杂浓度最高 ( N+ )；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,BJT三个区的作用 ： 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,2022/11/30,70,1.3.2 晶体管的电流放大作用,CE,CB,CC,一. BJT的三种组态:BJT作为放大器件使用时将构成两个 回路，输入回路与输出回路，从而形成三种不同的接法，也称为三种组态。,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示 ；,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示 ;,2022/11/30,71,二. BJT工作在放大状态的条件,三极管的放大作用是满足自身的内部结构特点的前提下，在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。内部结构：BJT的结构特点 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,以硅材料NPN管为例,发射结正偏 UBE 0.7V；晶体管发射结导通。,集电结反偏 UCB 0,UCB=UCC UBE集电结电场很强。, 发射区的掺杂浓度最高 ( N+ )； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,2022/11/30,72,对于NPN管: 正常工作时要求UC UB UE,对于PNP管: 要求 UC UB UE,而： UB UE UBE= 0.7V(Si -NPN),UB UE UBE= 0.7V(Si -PNP),发射结正偏集电结反偏,2022/11/30,73,中间电位对应管脚B ；NPN管中间电位靠近低电位UE ; PNP管中间电位靠近高电位UE ; UB UE 0.7V为 Si -NPN管 ; UB UE -0.3V为 Ge -PNP管; . 。,正常工作时BJT的管脚与类型判别：,NPN UC UB UE,PNP UC UB UE,2022/11/30,74,例: 在晶体管放大电路中，测得三个晶体管的各个电极的电位如图。试判断各晶体管的类型（是NPN管还是PNP管，是硅管还锗管），并区分e、b、c 三个电极。,解： (a) 硅NPN管， e ，b ，c ;,(b) 硅PNP管， c ，b ，e ;,(c) 锗PNP管， c ，e ，b 。,2022/11/30,75,发射结正偏,集电结反偏,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成电流IEN。,基区空穴向发射区扩散，形成电流IEP,进入基区少数电子和空穴复合，形成电流IBN，那么多数去了？,电子流,复合,从发射区扩散来的电子作为基区的少子，在外电场的作用下，漂移进入集电区而被收集，形成电流ICN。,集电结反偏，少子形成漂移电流ICBO。,三. 晶体管内部载流子的运动,2022/11/30,76,BJT内部载流子的传输过程,2022/11/30,77,四. 电流的分配与放大作用,IE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,2022/11/30,78,：共发射极直流电流放大系数,同时，,2022/11/30,79,ICEO集电极发射极间的穿透电流,ICBO集电结反向 饱和电流,2022/11/30,80,：共基极直流电流放大系数,2022/11/30,81,当电路中增加变化量的输入（动态量）时，相应的电流放大倍数为交流电流放大倍数：,是BJT最重要的器件参数，只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。,BJT的放大作用，按电流分配实现，IB微小的变化会引起IC较大的变化，故BJT称为电流控制器件。,2022/11/30,82,1.3.3 BJT的特性曲线,输入特性曲线,输出特性曲线,BJT的特性曲线,输入回路,输出回路,2022/11/30,83,晶体管特性图示仪,2022/11/30,84,输入特性曲线的三个部分, 死区 0UBEUon= 0.4V, 非线性区 UonUBE 0.6, 线性区UBE 0.6,一. 输入特性曲线,输入特性曲线是指当集射极之间的电压UCE为某一常数时，输入回路中的基极电流IB与加在基射极间的电压UBE之间的关系曲线。,2022/11/30,85,UCE对输入特性曲线的影响 (基区调宽效应),实际上BJT的输入特性要受到UCE变化的影响,随着UCE电压的增大, 基区IB的电流通道变窄, IB 减小。要获得同样大的 IB , 必需增大UBE 。表现出曲线右移当UCE 1V时，特性曲线右移的距离很小。通常将UCE=1V的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。,1V,10V,UCE ,2022/11/30,86,100,80,60,40,iB=20(A),二、输出特性曲线,输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流 IC与集 射极间的电压UCE之间的关系曲线。,iB=0,IB= (UBB -UBE)/Rb,输出特性曲线,2022/11/30,87,IB3 IB2 IB1 0,从输出特性上，可将三极管分为三个工作区(工作状态)：,截止区、饱和区、放大区。,BJT晶体三极管是一种电流控制器件，其集电极电流受到基极电流的控制。 BJT的器件模型可等效为电流控制电流源（CCCS）。,饱和区,放大区,截止区,2022/11/30,88,1) 截止区(Cut off region),IB = 0 曲线以下的区域。,条件：发射结零偏或反偏,集电结反偏,IB = 0, IC = IE = ICEO (穿透电流),由于ICEO很小，此时UCE近似等于UCC，C与E之间相当于开关断开。,UBEUon,IB=0,截止区,ICEO= (1+ ) ICBO,2022/11/30,89,2) 饱和区(Saturation region),条件：发射结正偏， 集电结正偏。 即：UBE 0，UBE UCE , UCUB。,小功率硅管的 UCES = 0.3V , 小功率锗管的 UCES = 0.1V。相对于电源电压饱和时UCES 很小，可以忽略。C与E之间相当于开关闭合。,此时IB对IC失去了控制作用， ICIB ，管子处于饱和导通状态。饱和时的UCE电压记为UCES 。,输出特性曲线靠近纵轴边UCE很小的区域。,饱和区,UCES饱和压降,2022/11/30,90,3）放大区(Active region),条件：发射结正偏； 集电结反偏。,特点：,特性曲线中，接近水平的部分。,UCESUCEUCC,饱和区,放大区,集电极电流与基极电流成正比。因此放大区又称为线性区、恒流区。,2022/11/30,91, 在放大区UCE变化时，IC基本不变。 这就是晶体 管的恒流特性。, 特性曲线的均匀间隔反映了晶体管电流放大作用的能力，间隔大，即IC大，因而放大能力（）也大。,关于放大区：,三区偏置特点：,2022/11/30,92,ICbIB,UCE = UCC - IC RC,IB IC UCE,UCE(min) = UCES = UCC - IC(max) RC,ICEO IC IC(MAX),IC=ICEO IC(MAX) ; UCE= UCES UCC,BJT工作在放大区时应满足:,放大区工作条件：,UCES UCEUCC,2022/11/30,93,例1：测量到硅BJT管的三个电极对地电位如图 试判断三极管的工作状态。,放大,截止,饱和,2022/11/30,94,例2.判断下列硅BJT的工作状态,解：,(a) 发射结正偏，集电结反偏， 管子放大 ;,(b) 发射结正偏，集电结正偏， 管子饱和 ;,(c) 发射结正偏，集电结反偏， 管子放大。,2022/11/30,95,例3: 在图示电路中,设b =60 ; UCC=15V;RC=5KW,在给出的三组条件下,求UCE并分别说明晶体管工作在何种状态。,解：,此时BJT工作于饱和状态UCE UCES0,2022/11/30,96, 解：,此时BJT工作于放大状态,2022/11/30,97,解：,所以此时晶体管处于截止状态。 BE结电压：反偏 CB结电压：反偏,2022/11/30,98,一.电流放大系数,同一型号的晶体管，值也有很大差别。一般放大器采用值为3080的晶体管为宜。,1. 共射电流放大系数,共射直流电流放大系数,共射交流电流放大系数 ,由于实际曲线接近于平行等距,1.3.4 BJT的主要参数,2022/11/30,99,2. 共基极电流放大系数,共基极交流电流放大系数,共基极直流电流放大系数,一般情况下 ，同时， 可以不加区分。,2022/11/30,100,二.极间反向电流,(a) 反向饱和电流 ICBO,(b) 穿透电流 ICEO,ICBO是发射极开路时，集基反向饱和电流。通常希望ICBO越小越好。在温度稳定性方面，硅管比锗管好。,ICEO是基极开路时，从集电极直接穿透三极管到达发射极的电流。,2022/11/30,101,(1) 集电极最大允许电流ICM,三. 极限参数,安全工作区,集电极电流 IC 超过一定值时，值要下降，当降到原来值的2/3时，对应的IC记为ICM 。,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICUCE,2022/11/30,102,(3) 反向击穿电压（BreakdownBR）, U(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。, U(BR) EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压。, U(BR)CEO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 U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR) EBO,由U(BR)CEO、PCM、ICM 共同确定三极管的安全工作区。,2022/11/30,103,1.3.5 温度对BJT特性的影响,2022/11/30,104,1.4 场效应管,场效应管(Field Effect Transistor - FET)与双极型晶体管不同，导电过程中只有一种载流子参与，所以又称为单极型晶体管。,1. 结型场效应管，简称JFET (Junction type Field Effect Transister) ；,2. 绝缘栅型场效应管，简称IGFET ( Insulated Gate Field Effect ransister)， 也简称为MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。,一. FET的分类,FET按结构分为两大类：,2022/11/30,105,存在两种类型的JFET ，四种类型的MOSFET。,JFET,MOSFET,N沟道耗尽型(正极性晶体管),N沟道耗尽型、N沟道增强型 (Depletion) (Enhancement),P沟道耗尽型(负极性晶体管),P沟道耗尽型、P沟道增强型,二 . FET电路符号,D(Drain) 漏极,G(Gate) 栅极,S(Source)源极,2022/11/30,106,1. FET的D到S之间的电流通道称为沟道2. 以N型材料为沟道的FET称为N沟道FET3. 以P型材料为沟道的FET称为P沟道FET4. UGS= 0时存在沟道的FET称为耗尽型FET5. UGS= 0时不存在沟道的FET称为增强型FET,FET名词：,FET与BJT三电极对应关系,DGS,CBE,增强型,2022/11/30,107,三. FET主要特点：,1). FET是一种电压控制器件，其模型具有VCCS特性;,2). FET输入阻抗高,易实现直接耦合;,3). FET工作频率高,开关速度快；,4). FET工艺简单，易集成( LSI &VLSI )。,5). FET噪声低，可用于高灵敏放大器。,JFET输入电阻约为106 109 。而MOSFET输入电阻可高达1015 。,最早发明的晶体管是JFET;,最有发展潜力的晶体管是MOS管;,目前大多数IC内部采用的晶体管是MOS管。,IG0ID = IS,2022/11/30,108,1.4.1 结型场效应管(JEFT),一.JFET结构与电路符号,电路符号中箭头表示PN结方向( P N）,导电沟道,PN结耗尽层,2022/11/30,109,2022/11/30,110,二.工作原理(以N沟道JFET为例),当UDS= 0时，UGS 对沟道的控制作用:,当UGS0时， PN结反偏， | UGS | 耗尽层加厚 沟道变窄。 | UGS | 继续增大，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP（或UGS(off）。对于N沟道的JFET， UP 0。,栅极P区的掺杂浓度很高(P+)，加反偏UGS后PN结向N区扩展 , 当UGS较大时，沟道被夹断。,2022/11/30,111, 当UDS增加到使UGD=UP 时，在紧靠漏极处出现预夹断，此时的ID称为漏极饱和电流，计作IDSS。 UDS 继续 夹断区延长沟道电阻 ID基本不变，表现出恒流特性。,当UGS= 0、UDS 0时，N沟道中多子从 S 流向 D，形成漏极电流ID。 ID沿沟道产生的电压降使栅极与沟道内部各点的反向电压不等，越靠近漏极电压越大。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,2022/11/30,112,当UGDUP 时，UGS对ID的控制作用,当UGDUGS-UDSUP 时，导电沟道夹断， ID不随UDS 变化 ； 但UGS 越小，即|UGS| 越大，沟道电阻越大，对同样的UDS ， ID 的值越小。所以，此时可以通过改变UGS 控制ID 的大小，,ID与UDS 几乎无关，可以近似看成受UGS 控制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型器件。,2022/11/30,113,2022/11/30,114,JFET输出特性曲线,2022/11/30,115,JFET转移特性曲线,2022/11/30,116,P-Si,N+,N+,P型Si衬底,B,氧化物(SiO2)层,金属(Al)层,1.4.2 绝缘栅型场效应管（IGFET）,1.结构,由于SiO2的高绝缘性,栅极与器件其他部分实现了电绝缘，故称为绝缘栅型场效应管。又因为栅极为金属铝，又成为MOS管。,rGS= ,IG= 0,2022/11/30,117,2022/11/30,118,2. MOSFET的电路符号,箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)；N沟道FET箭头 向内，P沟道FET箭头向外。,N-MOS,P-MOS,D到S之间的线段表示沟道 线段为实线表明UGS = 0时, 沟道已存在, FET为耗尽型； 线段为虚线表明UGS = 0时, 沟道不存在, FET为增强型。,2022/11/30,119,3. N沟道增强型MOSFET工作原理,当UGS 0时，在栅极下面的二氧化硅中将产生一个指向P型衬底、且垂直衬底表面的电场。电场排斥空穴，吸引电子到半导体表面。,继续增大UGS形成反型层增宽(N型导电沟道) , 将源区和漏区连起来。UGS越大,反型层越宽,导电沟道电阻越小，DS间的导电能力越强。,反型层,被电场吸引的电子在栅极附近的P型硅表面形成N型薄层称为反型层, 它是由UGS感应产生的，也称为感生沟道。,2022/11/30,120,UT =2 5V,将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压UT 。,UGSUT 的某一固定值时，UDS对沟道的控制作用,当UDS=0时，ID=0；UDS ID ，同时使靠近漏极处的导电沟道变窄，使沟道形状成楔形。当UDS增加到使UGD=UT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时UDS 夹断区延长沟道电阻 ID基本不变，表现出恒流特性。,对同样的UDS ， UGS 增加，沟道电阻减小，ID 增加。所以，此时可以通过改变UGS 控制ID 的大小，,2022/11/30,121,2022/11/30,122,UGS =8V,7V,6V,5V,4V,UGS =UT,a).输出特性曲线,UGS UT ID 0,设UT =3V,N沟道增强型MOSFET特性曲线,2022/11/30,123,从输出特性上, 可将FET分为三个工作区:,可变电阻区。UGS越大，漏源间等效交流电阻越小。,线性放大区 (恒流区, 饱和区),夹断区（截止区）,UDS UGS -UT,UDS UT ）,UGS UT,2022/11/30,124,FET正常工作时UGS UT ，UDS UGS UT 。,b).转移特性曲线,2022/11/30,125,4. N沟道耗尽型MOSFET, UGS= 0时