模 拟 电 子 技 术第 1 章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识
1.2 半导体二极管
1.3 二极管电路的分析方法
1.4 特殊二极管小 结
1.5 双极型半导体三极管
1.6 场效应管模 拟 电 子 技 术
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体
1.1.3 PN结模 拟 电 子 技 术
1.1.1 本征半导体半导体 —导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征 半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。
载流子 — 自由运动的带电粒子。
共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
模 拟 电 子 技 术硅 (锗 )的原子结构简化模型惯性核硅 (锗 )的共价键结构价电子自由电子
(束缚电子 )
空穴空穴空穴可在共价键内移动模 拟 电 子 技 术本征激发：
复 合：
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程 。
漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位 (空穴 )的过程。
模 拟 电 子 技 术两种载流子电子 (自由电子 )
空穴两种载流子的运动自由电子 (在共价键以外 )的运动空穴 (在共价键以内 )的运动结论,
1,本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；
2,半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；
3,本征半导体导电能力弱，并与温度有关 。
模 拟 电 子 技 术
1.1.2 杂质半导体一,N 型半导体和 P 型半导体
N 型
+5
+4 +4+4
+4+4
磷原子 自由电子电子为 多 数载流 子空穴为 少 数载流 子载流子数? 电子数模 拟 电 子 技 术
1.1.2 杂质半导体一,N 型半导体和 P 型半导体
P 型
+3
+4 +4+4
+4+4
硼原子 空穴空穴 — 多子电子 — 少子载流子数? 空穴数模 拟 电 子 技 术二、杂质半导体的导电作用
I I
PI
N
I = IP + IN
N 型半导体 I? IN
P 型半导体 I?IP
模 拟 电 子 技 术三,P 型,N 型半导体的简化图示负离子多数载流子 少数载流子正离子多数载流子 少数载流子模 拟 电 子 技 术
1.1.3 PN 结一,PN 结 (PN Junction)的形成
1,载流子的 浓度差 引起多子的 扩散
2,复合使交界面 形成空间电荷区 (耗尽层 )
空间电荷区特点,
无载流子,阻止扩散进行,利于少子的漂移。
内建电场模 拟 电 子 技 术
3,扩散和漂移达到 动态平衡扩散电流 等于漂移电流，
总电流 I = 0。
二,PN 结的单向导电性
1,外加 正向 电压 (正向偏置 ) — forward bias
模 拟 电 子 技 术
P 区 N 区内电场外电场外电场使多子向 PN 结移动,
中和部分离子 使空间电荷区变窄。
IF
限流电阻扩散运动加强形成正向电流 IF 。
IF = I多子? I少子? I多子
2,外加 反向 电压 (反向偏置 ) — reverse bias
P 区 N 区内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动，
空间电荷区变宽。
IR
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大 ;
反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
漂移运动加强形成反向电流 IR
IR = I少子? 0
模 拟 电 子 技 术三,PN 结的伏安特性
)1e( /S TUuII
反向饱和电流温度的电压当量
q
kTU
T?
电子电量 玻尔兹曼常数当 T = 300(27?C)：
UT = 26 mV
O u /V
I /mA
正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时 i≈–IS
模 拟 电 子 技 术
1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型
1.2.2 二极管的伏安特性
1.2.3 二极管的主要参数模 拟 电 子 技 术
1.2.1 半导体二极管的结构和类型构成,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)
符号,A (anode) C (cathode)
分类：
按材料分 硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型模 拟 电 子 技 术点接触型正极引线触丝
N 型锗片外壳负极引线负极引线面接触型
N型锗
PN 结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型
P
N
P 型支持衬底模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术
1.2.2 二极管的伏安特性一,PN 结的伏安方程
)1e( /SD D TUuIi
反向饱和电流温度的电压当量
q
kTU
T?
电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27?C),UT = 26 mV
模 拟 电 子 技 术二、二极管的伏安特性
O uD /V
iD /mA
正向特性
Uth
死区电压
iD = 0
Uth = 0.5 V
0.1 V
(硅管 )
(锗管 )
U? Uth iD 急剧上升
0? U? Uth
UD(on) = (0.6? 0.8) V 硅管 0.7 V
(0.1? 0.3) V 锗管 0.2 V
反向特性
ISU (BR)
反向击穿
U(BR)? U? 0 iD = IS < 0.1?A(硅 )几十?A (锗 )
U < U(BR) 反向电流急剧增大 (反向击穿 )
模 拟 电 子 技 术反向击穿类型：
电击穿热击穿反向击穿原因,
齐纳击穿,
(Zener)
反向电场太强，将电子强行拉出共价键。
(击穿电压 < 6 V,负 温度系数 )
雪崩击穿,反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。
— PN 结未损坏，断电即恢复。
— PN 结烧毁。
(击穿电压 > 6 V，正 温度系数 )
击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。
模 拟 电 子 技 术硅管的伏安特性 锗管的伏安特性
60
40
20
– 0.02
– 0.04
0 0.4 0.8
–25–50
iD / mA
uD / V
iD / mA
uD / V0.2 0.4
– 25– 50
5
10
15
–0.01
–0.02
0
模 拟 电 子 技 术温度对二极管特性的影响
60
40
20
– 0.02
0 0.4
–25–50
iD / mA
uD / V
20?C
90?C
T 升高时，
UD(on)以 (2? 2.5) mV/?C 下降模 拟 电 子 技 术
1.2.3 二极管的主要参数
1,IF — 最大整流电流 (最大正向平均电流 )
2,URM — 最高反向工作电压,为 U(BR) / 2
3,IR — 反向电流 (越小单向导电性越好 )
4,fM — 最高工作频率 (超过时单向导电性变差 )
iD
uDU (BR)
I F
URM O
模 拟 电 子 技 术影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应结论：
1,低频 时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。
高频 时，因容抗增大，使 结电容分流,导致 单向导电性变差。
2,结面积小时结电容小，工作频率高。
模 拟 电 子 技 术
1.3 二极管电路的分析方法
1.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似
1.3.2 图解法和微变等效电路法模 拟 电 子 技 术
1.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管特性
uD
iD
符号及等效模型 S S
正偏导通,uD = 0；反偏截止,iD = 0 U(BR) =?
模 拟 电 子 技 术二、二极管的恒压降模型
uD
iD
UD(on)
uD = UD(on) 0.7 V (Si)
0.2 V (Ge)
模 拟 电 子 技 术三、二极管的折线近似模型
uD
iD
UD(on)?U
I
I
Ur
D
斜率 1/ rD
rD1
UD(on)
模 拟 电 子 技 术
UD(on)
例 1.3.1 硅二极管,R = 2 k?,分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD
= 10 V 时 IO 和 UO 的值 。
模 拟 电 子 技 术
[解 ] VDD = 2 V
理想 IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 V
恒压降 UO = VDD – UD(on) = 2? 0.7 = 1.3 (V)
IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA)
VDD = 10 V
理想 IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)
恒压降 UO = 10? 0.7 = 9.3 (V)
IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)
VDD 大，
采用理想模型
VDD 小，
采用恒压降模型模 拟 电 子 技 术例 1.3.2 试求电路中电流 I1,I2,IO 和输出电压
UO 的值 。
解,假设二极管断开
UP = 15 V
( V) 9 12 31 3NU
UP > UN 二极管导通等效为 0.7 V 的恒压源
P N
模 拟 电 子 技 术
UO = VDD1? UD(on)= 15? 0.7 = 14.3 (V)
IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)
I2 = (UO? VDD2) / R = (14.3? 12) / 1 = 2.3 (mA)
I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)
模 拟 电 子 技 术例 1.3.3 二极管构成,门,电路,设 V1,V2 均为理想二极管,当输入电压 UA,UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时,求输出电压 UO 的值 。
0 V 正偏导通
5 V 正偏导通
0 V
模 拟 电 子 技 术输入电压 理想二极管 输出电压UA UB V1 V2
0 V 0 V 正偏导通 正偏导通 0 V
0 V 5 V 正偏导通 反偏截止 0 V
5 V 0 V 反偏截止 正偏导通 0 V
5 V 5 V 正偏导通 正偏导通 5 V
模 拟 电 子 技 术例 1.3.4 画出硅二极管构成的桥式整流电路在
ui = 15sin?t (V) 作用下输出 uO 的波形。
(按理想模型 )
O t
ui / V
15
RL
V1
V2
V3
V4
ui BA uO
模 拟 电 子 技 术
O t
uO/ V
15
若有条件,可切换到 EWB 环境观察桥式整流波形 。
模 拟 电 子 技 术例 1.3.5 ui = 2 sin?t (V),分析二极管的限幅作用 。
ui 较小，宜采用恒压降模型
ui < 0.7 V
V1,V2 均截止 uO = ui
uO = 0.7 V
ui? 0.7 V
V2 导通 V１ 截止
ui <? 0.7 V
V1 导通 V2 截止 uO =? 0.7 V
模 拟 电 子 技 术思考题,
V1,V2 支路各串联恒压源,
输出波形如何？ (可 切至 EWB )
O t
uO/ V
0.7
O t
ui / V
2
0.7
模 拟 电 子 技 术
1.3.2 图解法和微变等效电路法一、二极管电路的直流图解分析
uD = VDD? iDR
iD = f (uD)
1.2 V
100? iD / mA
12
8
4
0 0.3 0.6 uD / V1.20.9
M
N
直流负载线斜率? 1/R
静态工作点斜率 1/RD
iD
QIQ
UQ
模 拟 电 子 技 术也可取 UQ = 0.7 V
IQ= (VDD? UQ) / R = 5 (mA)
二极管直流电阻 RD
( 14 0)k( 14.05/7.0
Q
Q
D I
UR
模 拟 电 子 技 术
iD /
mA
uD /VO
二、交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中 含交、直流 成分
C 隔直流 通交流当 ui = 0 时 iD = IQ
UQ= 0.7 V (硅 ),0.2 V (锗 )
R
UVI QDD
Q
设 ui = sin?t
VDD
VDD/ R
QIQ
t
O
ui
UQ
斜率 1/rd
模 拟 电 子 技 术
iD /
mA
uD /VO
VDD
VDD/ R
QIQ
t
O
ui
UQ
iD /
mA
tO
dQD iIi
dQD uUu
id
斜率 1/rd
Qu
i
r D
D
d d
d1?
)1e( /SD D TUuIi?
T
U
U
T U
I
U
I
r
T QS
d
Q
e1
rd = UT / IQ= 26 mV / IQ
当 ui 幅度较小时,
二极管伏安特性在
Q点附近近似为直线模 拟 电 子 技 术
ui udR
id
rd
三、微变等效电路分析法对于交流信号电路可等效为例 1.3.6 ui = 5sin?t (mV),VDD= 4 V,R = 1 k?，
求 iD 和 uD。
[解 ] 1,静态分析 令 ui = 0，取 UQ? 0.7 V
IQ = (VDD?UQ) / R = 3.3 mA
模 拟 电 子 技 术
2,动态分析
rd = 26 / IQ = 26 / 3.3? 8 (?)
Idm= Udm/ rd= 5 /8? 0.625 (mA)
id = 0.625 sin?t
3,总电压、电流
dQD uUu
dQD iIi
= (0.7 + 0.005 sin?t ) V
= (3.3 + 0.625 sin?t ) mA
模 拟 电 子 技 术
1.4 特殊二极管
1.4.1 稳压二极管
1.4.2 光电二极管模 拟 电 子 技 术
1.4.1 稳压二极管一、伏安特性符号工作条件,反向击穿
iZ /mA
uZ/VO
UZ
IZmin
IZmax?U
Z
IZ? IZ
特性模 拟 电 子 技 术二、主要参数
1,稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。
2,稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，
小于 Imin 时不稳压。
3,最大工作电流 IZM
最大耗散功率 PZM P ZM = UZ IZM
4,动态电阻 rZ
rZ =?UZ /?IZ 越小稳压效果越好。
几 几十?
模 拟 电 子 技 术
5,稳定电压温度系数 CT
%100Z
Z
T
T
U
U
C
一般，
UZ < 4 V,CTV < 0 (为齐纳击穿 )具有负温度系数；
UZ > 7 V,CTV > 0 (为雪崩击穿 )具有正温度系数；
4 V < UZ < 7 V,CTV 很小。
模 拟 电 子 技 术例 1.4.1 分析简单稳压电路的工作原理，
R 为限流电阻。
IR = IZ + IL
UO= UI – IR R
UI UO
R
RL
ILIR
IZ
模 拟 电 子 技 术
1.4.2 发光二极管与光敏二极管一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)
1,符号和特性工作条件,正向偏置一般工作电流几十 mA，
导通电压 (1? 2) V
符号
u /V
i /mA
O 2
特性模 拟 电 子 技 术
2,主要参数电学参数,I FM,U(BR),IR
光学参数,峰值波长?P,亮度 L,光通量?
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,
模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术二、光敏二极管
1．符号和特性符号 特性
u
i
O暗电流
E = 200 lx
E = 400 lx
工作条件：
反向偏置
2,主要参数电学参数：
暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：
光谱范围，灵敏度，峰值波长 实物照片模 拟 电 子 技 术补充,选择二极管限流电阻步骤：
1,设定工作电压 (如 0.7 V； 2 V (LED)； UZ )
2,确定工作 电流 (如 1 mA； 10 mA； 5 mA)
3,根据欧姆定律求电阻 R = (UI? UD)/ ID
(R 要选择标称值 )
模 拟 电 子 技 术
1.5 双极型 半导体三极管
1.5.1 晶体三极管
1.5.2 晶体三极管的特性曲线
1.5.3 晶体三极管的主要参数模 拟 电 子 技 术
(Semiconductor Transistor)1.5.1 晶体三极管一、结构、符号和分类
N
N
P
发射极 E
基极 B
集电极 C
发射结集电结
—基区
—发射区
—集电区
emitter
base
collector
NPN 型
P
P
N
E
B
C
PNP 型E
C
B
E
C
B
模 拟 电 子 技 术分类,
按材料分,硅管、锗管按功率分,小功率管 < 500 mW
按结构分,NPN,PNP
按使用频率分,低频管、高频管大功率管 > 1 W
中功率管 0.5?1 W
模 拟 电 子 技 术二、电流放大原理
1,三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏
2,满足放大条件的三种电路
ui uo
CE
B E
CB
ui uo
E
C
B
ui uo
共发射极 共集电极共基极模 拟 电 子 技 术实现电路,
模 拟 电 子 技 术
3,三极管内部载流子的传输过程
1) 发射区向基区注入多子 电子,
形成发射极电流 IE。I CN
多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。
IE
少数与空穴复合，形成 IBN 。I BN
基区空穴来源基极电源提供 (IB)
集电区少子漂移 (ICBO)
I CBO
IB
IBN? IB + ICBO即：
IB = IBN – ICBO
2)电子到达基区后
(基区空穴运动因浓度低而忽略 )
模 拟 电 子 技 术
I CN
IE
I BN
I CBO
IB
3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC
IC
I C = ICN + ICBO
模 拟 电 子 技 术
4,三极管的电流分配关系当管子制成后,发射区载流子浓度,基区宽度,集电结面积等确定,故电流的比例关系确定,即：
IB = I BN? ICBO IC = ICN + ICBO
BN
CN
I
I
C E OBC B OBC )1( IIIII
穿透电流
C B OB
C B OC
II
II
模 拟 电 子 技 术
IE = IC + IB
C E OBC III
BCE III
BC II
BE )1( II
C E OBE )1( III
模 拟 电 子 技 术
1.5.2 晶体三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路常数 CE)( BEB uufi
0CE?u
与二极管特性相似模 拟 电 子 技 术
BEu
Bi
O
0CE?u
V 1CE?u
0CE?u
V 1CE?u 特性基本 重合 (电流分配关系确定 )
特性右移 (因集电结开始吸引电子 )
导通电压 UBE(on) 硅管,(0.6? 0.8) V锗管,(0.2? 0.3) V 取 0.7 V取 0.2 V
模 拟 电 子 技 术二、输出特性常数?
B
)( CEC iufi
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
1,截止区：
IB? 0
IC = ICEO? 0
条件,两个结反偏截止区I
CEO
模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
2,放大区：
C E OBC III
放大区截止区条件：
发射结正偏集电结反偏特点：
水平、等间隔
ICEO
模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
3,饱和区：
uCE? u BE
uCB = uCE? u BE? 0
条件,两个结正偏特点,IC IB
临界饱和时：
uCE = uBE
深度饱和时：
0.3 V (硅管 )U
CE(SAT)= 0.1 V (锗管 )
放大区截止区饱和区
ICEO
模 拟 电 子 技 术三、温度对特性曲线的影响
1,温度升高，输入特性曲线 向左移。
温度每升高 1?C,UBE? (2? 2.5) mV。
温度每升高 10?C,ICBO 约增大 1 倍。
BEu
Bi
O
T2 >T1
模 拟 电 子 技 术
2,温度升高，输出特性曲线 向上移。
iC
uCE
T1
iB = 0
T2 >
iB = 0i
B = 0
温度每升高 1?C,(0.5? 1)%。
输出特性曲线间距增大。
O
模 拟 电 子 技 术
1.5.3 晶体三极管的主要参数一、电流放大系数
1,共发射极电流放大系数
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
—直流电流放大系数
B
C
C B OB
C B OC
BN
CN
I
I
II
II
I
I?
— 交流电流放大系数
Bi
i C 一般为几十? 几百
Q
82A1030 A1045.2 6
3
8010 8.0A1010 A10)65.145.2( 6
3
模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
2,共基极电流放大系数
11BC
C
E
C
II
I
I
I
1 一般在 0.98 以上。
Q
9 8 8.0180 80
二、极间反向饱和电流
CB 极 间反向饱和电流 ICBO,CE 极 间反向饱和电流 ICEO。
模 拟 电 子 技 术三、极限参数
1,ICM — 集电极最大允许电流，超过时? 值明显降低。
2,PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC? uCE。
iC
ICM
U(BR)CEO uCE
PCM
O
ICEO
安全工作区模 拟 电 子 技 术
U(BR)CBO—发射极开路时 C,B 极 间反向击穿电压。
3,U(BR)CEO — 基极开路时 C,E 极 间反向击穿电压。
U(BR)EBO—集电极极开路时 E,B 极 间反向击穿电压。
U(BR)CBO > U(BR)CEO > U(BR)EBO
(P34 2.1.7)已知,
ICM = 20 mA,PCM = 100 mW，
U(BR)CEO = 20 V，
当 UCE = 10 V 时,IC < mA
当 UCE = 1 V，则 IC < mA
当 IC = 2 mA，则 UCE < V
10
20
20
模 拟 电 子 技 术
1.6 场效应管引 言
1.6.1 结型场效应管
1.6.3 场效应管的主要参数
1.6.2 MOS 场效应管模 拟 电 子 技 术引 言场效应管 FET (Field Effect Transistor)
类型：
结型 JFET (Junction Field Effect Transistor)
绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)
模 拟 电 子 技 术特点：
1,单极性器件 (一种载流子导电 )
3,工艺简单、易集成、功耗小、
体积小、成本低
2,输入电阻高
(107? 1015?,IGFET 可高达 1015?)
模 拟 电 子 技 术
1.6.1 结型场效应管
1,结构与符号
N 沟道 JFET P 沟道 JFET
模 拟 电 子 技 术
2,工作原理
uGS? 0,uDS > 0
此时 uGD = UGS(off)；
沟道楔型耗尽层刚相碰时称 预夹断。
预夹断当 uDS?,预夹断 点 下移。
模 拟 电 子 技 术
3,转移特性和输出特性
UGS(off)
当 UGS(off)?uGS? 0 时,
2
G S ( o ff )
GS
D S SD )1( U
uIi
uGS
iD I
DSS
uDS
iD
uGS = – 3 V
– 2 V
– 1 V
0 V
– 3 VO
O
模 拟 电 子 技 术一、增强型 N 沟道 MOSFET
(Mental Oxide Semi— FET)
1.6.2 MOS 场效应管
1,结构与符号
P 型衬底
(掺杂浓度低 )
N+ N+ 用扩散的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层
S D
用金属铝引出源极 S 和漏极 D
G
在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G
B
耗尽层
S — 源极 Source
G — 栅极 Gate
D — 漏极 Drain
S
G
D
B
模 拟 电 子 技 术
2,工作原理
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
反型层
(沟道 )
模 拟 电 子 技 术
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
a,当 UGS = 0,DS 间为两个背对背的 PN 结；
b,当 0 < UGS < UGS(th)(开启电压 )时,GB 间的垂直电场吸引 P 区中电子形成离子区 (耗尽层 )；
c,当 uGS? UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，
形成导电沟道。 uGS 越大 沟道越厚。
模 拟 电 子 技 术
2) uDS 对 iD的影响 (uGS > UGS(th))
DS 间的电位差使沟道呈楔形,uDS?，
靠近漏极端的沟道厚度变薄 。
预夹断 (UGD = UGS(th)),漏极附近反型层消失。
预夹断发生之前,uDS? iD?。
预夹断发生之后,uDS? iD 不变。
模 拟 电 子 技 术
3,转移特性曲线
DS)( GSD Uufi?
2 4 6
4
3
2
1
uGS /V
iD /mA
UDS = 10 V
UGS (th) 当 uGS > UGS(th) 时：
2
G S ( t h )
GSDOD )1(
U
uIi
uGS = 2UGS(th)时的 iD 值开启电压
O
模 拟 电 子 技 术
4,输出特性曲线
GS)( DSD Uufi?
可变电阻区 uDS < uGS? UGS(th)
uDS iD?，直到预夹断饱和 (放大区 ) uDS?,iD 不变
uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区 uGS?UGS(th) 全夹断 iD = 0
iD /mA
uDS /V
uGS = 2 V
4 V
6 V
8 V
截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区
O
模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
S
G
D
B
Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，
uGS? UGS(off)时，全夹断。
模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
输出特性
uGS /V
iD /mA
转移特性
IDSS
UGS(off)
夹断电压饱和漏极电流当 uGS? UGS(off) 时,2
( o f f )
)1(
GS
GS
D S SD U
uIi
uDS /V
iD /mA
uGS =? 4 V
2 V
0 V
2 V
O O
模 拟 电 子 技 术三,P 沟道 MOSFET
增强型 耗尽型
S
G
D
B
S
G
D
B
模 拟 电 子 技 术
N 沟道 增强型S
G
D
B
iD
P 沟道 增强型
S
G
D
B
iD
2– 2 O uGS /V
iD /mA
UGS(th)
S
G
D
B
iD
N 沟道耗尽 型
iD
S
G
D
B
P 沟道耗尽 型
UGS(off) IDSS
uGS /V
iD /mA
– 5 O 5
FET 符号、特性的比较模 拟 电 子 技 术
O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 V
–2 VuGS = 2 V
0 V
– 2 V
– 5 V
N 沟道结 型
SG
D
iD
SG
D
iD
P 沟道结 型
uGS /V
iD /mA
5– 5 O
IDSSUGS(off)
O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 VuGS = 0 V
– 2 V
– 5 V
模 拟 电 子 技 术
1.6.3 场效应管的主要参数
1,开启电压 UGS(th)(增强型 )
夹断电压 UGS(off)(耗尽型 )
指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。
UGS(th)UGS(off)
2,饱和漏极电流 IDSS
耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。
IDSS
uGS /V
iD /mA
O
模 拟 电 子 技 术
UGS(th)UGS(off)
3,直流输入电阻 RGS
指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。
JFET,RGS > 107?
MOSFET,RGS = 109? 1015
IDSS
uGS /V
iD /mA
O
模 拟 电 子 技 术
4,低频跨导 gm
常数
DSGS
D
m Uu
ig
反映了 uGS 对 iD 的控制能力，
单位 S(西门子 )。一般为几 毫西 (mS)
uGS /V
iD /mA
Q
O
模 拟 电 子 技 术
PDM = uDS iD，受温度限制。
5,漏源动态电阻 rds
常数
GSd
DS ds uiur
6,最大漏极功耗 PDM
模 拟 电 子 技 术小 结第 1 章模 拟 电 子 技 术一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 —自由电子空穴 —价电子两 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 (?)。
)1e(
D
SD T
U
u
Ii
)1e(,0
D
SDD
TU
u
Iiu
0,0 SD IIu
模 拟 电 子 技 术
iD
O uD
U (BR)
I F
URM
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 )
IS
模 拟 电 子 技 术
3,二极管的等效模型理想模型 (大信号状态采用 )
uD
iD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 U
D(on)正偏电压? U
D(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) = (0.6? 0.8) V 估算时取 0.7 V硅管：
锗管,(0.1? 0.3) V 0.2 V
折线近似模型相当于有内阻的恒压源 UD(on)
模 拟 电 子 技 术
4,二极管的分析方法图解法微变等效电路法
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 光光敏二极管 反 偏 光电转换模 拟 电 子 技 术三、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 放大模 拟 电 子 技 术放大条件内因：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 + IB
IC =? IB + ICEO
IE = (1 +?) IB + ICEO
IE = IC + IB
IC =? IB
IE = (1 +? ) IB
模 拟 电 子 技 术
4,特性
iC / mA
uCE /V
100 μA
80 μA
60 μA
40 μA
20 μA
IB = 0
O 3 6 9 12
4
3
2
1
O 0.4 0.8
iB /?A
uBE / V
60
40
20
80
死区电压 (Uth),0.5 V (硅管 ) 0.1 V (锗管 )
工作电压 (UBE(on) ),0.6? 0.8 V 取 0.7 V (硅管 )
0.2? 0.3 V 取 0.3 V (锗管 )
饱和区截止区模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
100 μA
80 μA
60 μA
40 μA
20 μA
IB = 0
O 3 6 9 12
4
3
2
1
放大区饱和区截止区放大区特点：
1)iB 决定 iC
2)曲线水平表示恒流
3)曲线间隔表示受控模 拟 电 子 技 术
5,参数特性参数电流放大倍数 =? /(1 )? =? /(1 +? )
极间反向电流 ICBO
ICEO
极限参数
ICM
PCM
U(BR)CEO
uCEOICEO
iC
ICM
U(BR)CEO
PCM安 全工作区
= (1 +?) ICBO
模 拟 电 子 技 术场效应管
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 = 0u
GS = 0 时,iD? 0
增强型耗尽型
(耗尽型 )
模 拟 电 子 技 术
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 表 1-2 第 6 4页模 拟 电 子 技 术不同类型 FET 转移特性比较结型
N 沟道
uGS /V
iD /mA
O
增强型耗尽型
MOS 管
(耗尽型 )
2
G S ( t h )
GS
DOD )1( U
uIi
IDSS 开启电压U
GS(th)
夹断电压 U
GS(off)
2
G S ( o f f )
GS
D S SD )1( U
uIi
IDO 是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值模 拟 电 子 技 术四、晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态状态 电流关系 条 件放大 I C =? IB 发射结正偏集电结反偏饱和 I C 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 截止模 拟 电 子 技 术判断饱和还是放大：
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
)( EC
C E ( s a t )CCCS
BS RR
UVII
1.1 半导体的基础知识
1.2 半导体二极管
1.3 二极管电路的分析方法
1.4 特殊二极管小 结
1.5 双极型半导体三极管
1.6 场效应管模 拟 电 子 技 术
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体
1.1.3 PN结模 拟 电 子 技 术
1.1.1 本征半导体半导体 —导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征 半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。
载流子 — 自由运动的带电粒子。
共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
模 拟 电 子 技 术硅 (锗 )的原子结构简化模型惯性核硅 (锗 )的共价键结构价电子自由电子
(束缚电子 )
空穴空穴空穴可在共价键内移动模 拟 电 子 技 术本征激发：
复 合：
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程 。
漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位 (空穴 )的过程。
模 拟 电 子 技 术两种载流子电子 (自由电子 )
空穴两种载流子的运动自由电子 (在共价键以外 )的运动空穴 (在共价键以内 )的运动结论,
1,本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；
2,半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；
3,本征半导体导电能力弱，并与温度有关 。
模 拟 电 子 技 术
1.1.2 杂质半导体一,N 型半导体和 P 型半导体
N 型
+5
+4 +4+4
+4+4
磷原子 自由电子电子为 多 数载流 子空穴为 少 数载流 子载流子数? 电子数模 拟 电 子 技 术
1.1.2 杂质半导体一,N 型半导体和 P 型半导体
P 型
+3
+4 +4+4
+4+4
硼原子 空穴空穴 — 多子电子 — 少子载流子数? 空穴数模 拟 电 子 技 术二、杂质半导体的导电作用
I I
PI
N
I = IP + IN
N 型半导体 I? IN
P 型半导体 I?IP
模 拟 电 子 技 术三,P 型,N 型半导体的简化图示负离子多数载流子 少数载流子正离子多数载流子 少数载流子模 拟 电 子 技 术
1.1.3 PN 结一,PN 结 (PN Junction)的形成
1,载流子的 浓度差 引起多子的 扩散
2,复合使交界面 形成空间电荷区 (耗尽层 )
空间电荷区特点,
无载流子,阻止扩散进行,利于少子的漂移。
内建电场模 拟 电 子 技 术
3,扩散和漂移达到 动态平衡扩散电流 等于漂移电流，
总电流 I = 0。
二,PN 结的单向导电性
1,外加 正向 电压 (正向偏置 ) — forward bias
模 拟 电 子 技 术
P 区 N 区内电场外电场外电场使多子向 PN 结移动,
中和部分离子 使空间电荷区变窄。
IF
限流电阻扩散运动加强形成正向电流 IF 。
IF = I多子? I少子? I多子
2,外加 反向 电压 (反向偏置 ) — reverse bias
P 区 N 区内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动，
空间电荷区变宽。
IR
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大 ;
反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
漂移运动加强形成反向电流 IR
IR = I少子? 0
模 拟 电 子 技 术三,PN 结的伏安特性
)1e( /S TUuII
反向饱和电流温度的电压当量
q
kTU
T?
电子电量 玻尔兹曼常数当 T = 300(27?C)：
UT = 26 mV
O u /V
I /mA
正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时 i≈–IS
模 拟 电 子 技 术
1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型
1.2.2 二极管的伏安特性
1.2.3 二极管的主要参数模 拟 电 子 技 术
1.2.1 半导体二极管的结构和类型构成,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)
符号,A (anode) C (cathode)
分类：
按材料分 硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型模 拟 电 子 技 术点接触型正极引线触丝
N 型锗片外壳负极引线负极引线面接触型
N型锗
PN 结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型
P
N
P 型支持衬底模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术
1.2.2 二极管的伏安特性一,PN 结的伏安方程
)1e( /SD D TUuIi
反向饱和电流温度的电压当量
q
kTU
T?
电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27?C),UT = 26 mV
模 拟 电 子 技 术二、二极管的伏安特性
O uD /V
iD /mA
正向特性
Uth
死区电压
iD = 0
Uth = 0.5 V
0.1 V
(硅管 )
(锗管 )
U? Uth iD 急剧上升
0? U? Uth
UD(on) = (0.6? 0.8) V 硅管 0.7 V
(0.1? 0.3) V 锗管 0.2 V
反向特性
ISU (BR)
反向击穿
U(BR)? U? 0 iD = IS < 0.1?A(硅 )几十?A (锗 )
U < U(BR) 反向电流急剧增大 (反向击穿 )
模 拟 电 子 技 术反向击穿类型：
电击穿热击穿反向击穿原因,
齐纳击穿,
(Zener)
反向电场太强，将电子强行拉出共价键。
(击穿电压 < 6 V,负 温度系数 )
雪崩击穿,反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。
— PN 结未损坏，断电即恢复。
— PN 结烧毁。
(击穿电压 > 6 V，正 温度系数 )
击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。
模 拟 电 子 技 术硅管的伏安特性 锗管的伏安特性
60
40
20
– 0.02
– 0.04
0 0.4 0.8
–25–50
iD / mA
uD / V
iD / mA
uD / V0.2 0.4
– 25– 50
5
10
15
–0.01
–0.02
0
模 拟 电 子 技 术温度对二极管特性的影响
60
40
20
– 0.02
0 0.4
–25–50
iD / mA
uD / V
20?C
90?C
T 升高时，
UD(on)以 (2? 2.5) mV/?C 下降模 拟 电 子 技 术
1.2.3 二极管的主要参数
1,IF — 最大整流电流 (最大正向平均电流 )
2,URM — 最高反向工作电压,为 U(BR) / 2
3,IR — 反向电流 (越小单向导电性越好 )
4,fM — 最高工作频率 (超过时单向导电性变差 )
iD
uDU (BR)
I F
URM O
模 拟 电 子 技 术影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应结论：
1,低频 时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。
高频 时，因容抗增大，使 结电容分流,导致 单向导电性变差。
2,结面积小时结电容小，工作频率高。
模 拟 电 子 技 术
1.3 二极管电路的分析方法
1.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似
1.3.2 图解法和微变等效电路法模 拟 电 子 技 术
1.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管特性
uD
iD
符号及等效模型 S S
正偏导通,uD = 0；反偏截止,iD = 0 U(BR) =?
模 拟 电 子 技 术二、二极管的恒压降模型
uD
iD
UD(on)
uD = UD(on) 0.7 V (Si)
0.2 V (Ge)
模 拟 电 子 技 术三、二极管的折线近似模型
uD
iD
UD(on)?U
I
I
Ur
D
斜率 1/ rD
rD1
UD(on)
模 拟 电 子 技 术
UD(on)
例 1.3.1 硅二极管,R = 2 k?,分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD
= 10 V 时 IO 和 UO 的值 。
模 拟 电 子 技 术
[解 ] VDD = 2 V
理想 IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 V
恒压降 UO = VDD – UD(on) = 2? 0.7 = 1.3 (V)
IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA)
VDD = 10 V
理想 IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)
恒压降 UO = 10? 0.7 = 9.3 (V)
IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)
VDD 大，
采用理想模型
VDD 小，
采用恒压降模型模 拟 电 子 技 术例 1.3.2 试求电路中电流 I1,I2,IO 和输出电压
UO 的值 。
解,假设二极管断开
UP = 15 V
( V) 9 12 31 3NU
UP > UN 二极管导通等效为 0.7 V 的恒压源
P N
模 拟 电 子 技 术
UO = VDD1? UD(on)= 15? 0.7 = 14.3 (V)
IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)
I2 = (UO? VDD2) / R = (14.3? 12) / 1 = 2.3 (mA)
I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)
模 拟 电 子 技 术例 1.3.3 二极管构成,门,电路,设 V1,V2 均为理想二极管,当输入电压 UA,UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时,求输出电压 UO 的值 。
0 V 正偏导通
5 V 正偏导通
0 V
模 拟 电 子 技 术输入电压 理想二极管 输出电压UA UB V1 V2
0 V 0 V 正偏导通 正偏导通 0 V
0 V 5 V 正偏导通 反偏截止 0 V
5 V 0 V 反偏截止 正偏导通 0 V
5 V 5 V 正偏导通 正偏导通 5 V
模 拟 电 子 技 术例 1.3.4 画出硅二极管构成的桥式整流电路在
ui = 15sin?t (V) 作用下输出 uO 的波形。
(按理想模型 )
O t
ui / V
15
RL
V1
V2
V3
V4
ui BA uO
模 拟 电 子 技 术
O t
uO/ V
15
若有条件,可切换到 EWB 环境观察桥式整流波形 。
模 拟 电 子 技 术例 1.3.5 ui = 2 sin?t (V),分析二极管的限幅作用 。
ui 较小，宜采用恒压降模型
ui < 0.7 V
V1,V2 均截止 uO = ui
uO = 0.7 V
ui? 0.7 V
V2 导通 V１ 截止
ui <? 0.7 V
V1 导通 V2 截止 uO =? 0.7 V
模 拟 电 子 技 术思考题,
V1,V2 支路各串联恒压源,
输出波形如何？ (可 切至 EWB )
O t
uO/ V
0.7
O t
ui / V
2
0.7
模 拟 电 子 技 术
1.3.2 图解法和微变等效电路法一、二极管电路的直流图解分析
uD = VDD? iDR
iD = f (uD)
1.2 V
100? iD / mA
12
8
4
0 0.3 0.6 uD / V1.20.9
M
N
直流负载线斜率? 1/R
静态工作点斜率 1/RD
iD
QIQ
UQ
模 拟 电 子 技 术也可取 UQ = 0.7 V
IQ= (VDD? UQ) / R = 5 (mA)
二极管直流电阻 RD
( 14 0)k( 14.05/7.0
Q
Q
D I
UR
模 拟 电 子 技 术
iD /
mA
uD /VO
二、交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中 含交、直流 成分
C 隔直流 通交流当 ui = 0 时 iD = IQ
UQ= 0.7 V (硅 ),0.2 V (锗 )
R
UVI QDD
Q
设 ui = sin?t
VDD
VDD/ R
QIQ
t
O
ui
UQ
斜率 1/rd
模 拟 电 子 技 术
iD /
mA
uD /VO
VDD
VDD/ R
QIQ
t
O
ui
UQ
iD /
mA
tO
dQD iIi
dQD uUu
id
斜率 1/rd
Qu
i
r D
D
d d
d1?
)1e( /SD D TUuIi?
T
U
U
T U
I
U
I
r
T QS
d
Q
e1
rd = UT / IQ= 26 mV / IQ
当 ui 幅度较小时,
二极管伏安特性在
Q点附近近似为直线模 拟 电 子 技 术
ui udR
id
rd
三、微变等效电路分析法对于交流信号电路可等效为例 1.3.6 ui = 5sin?t (mV),VDD= 4 V,R = 1 k?，
求 iD 和 uD。
[解 ] 1,静态分析 令 ui = 0，取 UQ? 0.7 V
IQ = (VDD?UQ) / R = 3.3 mA
模 拟 电 子 技 术
2,动态分析
rd = 26 / IQ = 26 / 3.3? 8 (?)
Idm= Udm/ rd= 5 /8? 0.625 (mA)
id = 0.625 sin?t
3,总电压、电流
dQD uUu
dQD iIi
= (0.7 + 0.005 sin?t ) V
= (3.3 + 0.625 sin?t ) mA
模 拟 电 子 技 术
1.4 特殊二极管
1.4.1 稳压二极管
1.4.2 光电二极管模 拟 电 子 技 术
1.4.1 稳压二极管一、伏安特性符号工作条件,反向击穿
iZ /mA
uZ/VO
UZ
IZmin
IZmax?U
Z
IZ? IZ
特性模 拟 电 子 技 术二、主要参数
1,稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。
2,稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，
小于 Imin 时不稳压。
3,最大工作电流 IZM
最大耗散功率 PZM P ZM = UZ IZM
4,动态电阻 rZ
rZ =?UZ /?IZ 越小稳压效果越好。
几 几十?
模 拟 电 子 技 术
5,稳定电压温度系数 CT
%100Z
Z
T
T
U
U
C
一般，
UZ < 4 V,CTV < 0 (为齐纳击穿 )具有负温度系数；
UZ > 7 V,CTV > 0 (为雪崩击穿 )具有正温度系数；
4 V < UZ < 7 V,CTV 很小。
模 拟 电 子 技 术例 1.4.1 分析简单稳压电路的工作原理，
R 为限流电阻。
IR = IZ + IL
UO= UI – IR R
UI UO
R
RL
ILIR
IZ
模 拟 电 子 技 术
1.4.2 发光二极管与光敏二极管一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)
1,符号和特性工作条件,正向偏置一般工作电流几十 mA，
导通电压 (1? 2) V
符号
u /V
i /mA
O 2
特性模 拟 电 子 技 术
2,主要参数电学参数,I FM,U(BR),IR
光学参数,峰值波长?P,亮度 L,光通量?
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,
模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术二、光敏二极管
1．符号和特性符号 特性
u
i
O暗电流
E = 200 lx
E = 400 lx
工作条件：
反向偏置
2,主要参数电学参数：
暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：
光谱范围，灵敏度，峰值波长 实物照片模 拟 电 子 技 术补充,选择二极管限流电阻步骤：
1,设定工作电压 (如 0.7 V； 2 V (LED)； UZ )
2,确定工作 电流 (如 1 mA； 10 mA； 5 mA)
3,根据欧姆定律求电阻 R = (UI? UD)/ ID
(R 要选择标称值 )
模 拟 电 子 技 术
1.5 双极型 半导体三极管
1.5.1 晶体三极管
1.5.2 晶体三极管的特性曲线
1.5.3 晶体三极管的主要参数模 拟 电 子 技 术
(Semiconductor Transistor)1.5.1 晶体三极管一、结构、符号和分类
N
N
P
发射极 E
基极 B
集电极 C
发射结集电结
—基区
—发射区
—集电区
emitter
base
collector
NPN 型
P
P
N
E
B
C
PNP 型E
C
B
E
C
B
模 拟 电 子 技 术分类,
按材料分,硅管、锗管按功率分,小功率管 < 500 mW
按结构分,NPN,PNP
按使用频率分,低频管、高频管大功率管 > 1 W
中功率管 0.5?1 W
模 拟 电 子 技 术二、电流放大原理
1,三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏
2,满足放大条件的三种电路
ui uo
CE
B E
CB
ui uo
E
C
B
ui uo
共发射极 共集电极共基极模 拟 电 子 技 术实现电路,
模 拟 电 子 技 术
3,三极管内部载流子的传输过程
1) 发射区向基区注入多子 电子,
形成发射极电流 IE。I CN
多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。
IE
少数与空穴复合，形成 IBN 。I BN
基区空穴来源基极电源提供 (IB)
集电区少子漂移 (ICBO)
I CBO
IB
IBN? IB + ICBO即：
IB = IBN – ICBO
2)电子到达基区后
(基区空穴运动因浓度低而忽略 )
模 拟 电 子 技 术
I CN
IE
I BN
I CBO
IB
3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC
IC
I C = ICN + ICBO
模 拟 电 子 技 术
4,三极管的电流分配关系当管子制成后,发射区载流子浓度,基区宽度,集电结面积等确定,故电流的比例关系确定,即：
IB = I BN? ICBO IC = ICN + ICBO
BN
CN
I
I
C E OBC B OBC )1( IIIII
穿透电流
C B OB
C B OC
II
II
模 拟 电 子 技 术
IE = IC + IB
C E OBC III
BCE III
BC II
BE )1( II
C E OBE )1( III
模 拟 电 子 技 术
1.5.2 晶体三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路常数 CE)( BEB uufi
0CE?u
与二极管特性相似模 拟 电 子 技 术
BEu
Bi
O
0CE?u
V 1CE?u
0CE?u
V 1CE?u 特性基本 重合 (电流分配关系确定 )
特性右移 (因集电结开始吸引电子 )
导通电压 UBE(on) 硅管,(0.6? 0.8) V锗管,(0.2? 0.3) V 取 0.7 V取 0.2 V
模 拟 电 子 技 术二、输出特性常数?
B
)( CEC iufi
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
1,截止区：
IB? 0
IC = ICEO? 0
条件,两个结反偏截止区I
CEO
模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
2,放大区：
C E OBC III
放大区截止区条件：
发射结正偏集电结反偏特点：
水平、等间隔
ICEO
模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
3,饱和区：
uCE? u BE
uCB = uCE? u BE? 0
条件,两个结正偏特点,IC IB
临界饱和时：
uCE = uBE
深度饱和时：
0.3 V (硅管 )U
CE(SAT)= 0.1 V (锗管 )
放大区截止区饱和区
ICEO
模 拟 电 子 技 术三、温度对特性曲线的影响
1,温度升高，输入特性曲线 向左移。
温度每升高 1?C,UBE? (2? 2.5) mV。
温度每升高 10?C,ICBO 约增大 1 倍。
BEu
Bi
O
T2 >T1
模 拟 电 子 技 术
2,温度升高，输出特性曲线 向上移。
iC
uCE
T1
iB = 0
T2 >
iB = 0i
B = 0
温度每升高 1?C,(0.5? 1)%。
输出特性曲线间距增大。
O
模 拟 电 子 技 术
1.5.3 晶体三极管的主要参数一、电流放大系数
1,共发射极电流放大系数
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
—直流电流放大系数
B
C
C B OB
C B OC
BN
CN
I
I
II
II
I
I?
— 交流电流放大系数
Bi
i C 一般为几十? 几百
Q
82A1030 A1045.2 6
3
8010 8.0A1010 A10)65.145.2( 6
3
模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
2,共基极电流放大系数
11BC
C
E
C
II
I
I
I
1 一般在 0.98 以上。
Q
9 8 8.0180 80
二、极间反向饱和电流
CB 极 间反向饱和电流 ICBO,CE 极 间反向饱和电流 ICEO。
模 拟 电 子 技 术三、极限参数
1,ICM — 集电极最大允许电流，超过时? 值明显降低。
2,PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC? uCE。
iC
ICM
U(BR)CEO uCE
PCM
O
ICEO
安全工作区模 拟 电 子 技 术
U(BR)CBO—发射极开路时 C,B 极 间反向击穿电压。
3,U(BR)CEO — 基极开路时 C,E 极 间反向击穿电压。
U(BR)EBO—集电极极开路时 E,B 极 间反向击穿电压。
U(BR)CBO > U(BR)CEO > U(BR)EBO
(P34 2.1.7)已知,
ICM = 20 mA,PCM = 100 mW，
U(BR)CEO = 20 V，
当 UCE = 10 V 时,IC < mA
当 UCE = 1 V，则 IC < mA
当 IC = 2 mA，则 UCE < V
10
20
20
模 拟 电 子 技 术
1.6 场效应管引 言
1.6.1 结型场效应管
1.6.3 场效应管的主要参数
1.6.2 MOS 场效应管模 拟 电 子 技 术引 言场效应管 FET (Field Effect Transistor)
类型：
结型 JFET (Junction Field Effect Transistor)
绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)
模 拟 电 子 技 术特点：
1,单极性器件 (一种载流子导电 )
3,工艺简单、易集成、功耗小、
体积小、成本低
2,输入电阻高
(107? 1015?,IGFET 可高达 1015?)
模 拟 电 子 技 术
1.6.1 结型场效应管
1,结构与符号
N 沟道 JFET P 沟道 JFET
模 拟 电 子 技 术
2,工作原理
uGS? 0,uDS > 0
此时 uGD = UGS(off)；
沟道楔型耗尽层刚相碰时称 预夹断。
预夹断当 uDS?,预夹断 点 下移。
模 拟 电 子 技 术
3,转移特性和输出特性
UGS(off)
当 UGS(off)?uGS? 0 时,
2
G S ( o ff )
GS
D S SD )1( U
uIi
uGS
iD I
DSS
uDS
iD
uGS = – 3 V
– 2 V
– 1 V
0 V
– 3 VO
O
模 拟 电 子 技 术一、增强型 N 沟道 MOSFET
(Mental Oxide Semi— FET)
1.6.2 MOS 场效应管
1,结构与符号
P 型衬底
(掺杂浓度低 )
N+ N+ 用扩散的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层
S D
用金属铝引出源极 S 和漏极 D
G
在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G
B
耗尽层
S — 源极 Source
G — 栅极 Gate
D — 漏极 Drain
S
G
D
B
模 拟 电 子 技 术
2,工作原理
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
反型层
(沟道 )
模 拟 电 子 技 术
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
a,当 UGS = 0,DS 间为两个背对背的 PN 结；
b,当 0 < UGS < UGS(th)(开启电压 )时,GB 间的垂直电场吸引 P 区中电子形成离子区 (耗尽层 )；
c,当 uGS? UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，
形成导电沟道。 uGS 越大 沟道越厚。
模 拟 电 子 技 术
2) uDS 对 iD的影响 (uGS > UGS(th))
DS 间的电位差使沟道呈楔形,uDS?，
靠近漏极端的沟道厚度变薄 。
预夹断 (UGD = UGS(th)),漏极附近反型层消失。
预夹断发生之前,uDS? iD?。
预夹断发生之后,uDS? iD 不变。
模 拟 电 子 技 术
3,转移特性曲线
DS)( GSD Uufi?
2 4 6
4
3
2
1
uGS /V
iD /mA
UDS = 10 V
UGS (th) 当 uGS > UGS(th) 时：
2
G S ( t h )
GSDOD )1(
U
uIi
uGS = 2UGS(th)时的 iD 值开启电压
O
模 拟 电 子 技 术
4,输出特性曲线
GS)( DSD Uufi?
可变电阻区 uDS < uGS? UGS(th)
uDS iD?，直到预夹断饱和 (放大区 ) uDS?,iD 不变
uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区 uGS?UGS(th) 全夹断 iD = 0
iD /mA
uDS /V
uGS = 2 V
4 V
6 V
8 V
截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区
O
模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
S
G
D
B
Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，
uGS? UGS(off)时，全夹断。
模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
输出特性
uGS /V
iD /mA
转移特性
IDSS
UGS(off)
夹断电压饱和漏极电流当 uGS? UGS(off) 时,2
( o f f )
)1(
GS
GS
D S SD U
uIi
uDS /V
iD /mA
uGS =? 4 V
2 V
0 V
2 V
O O
模 拟 电 子 技 术三,P 沟道 MOSFET
增强型 耗尽型
S
G
D
B
S
G
D
B
模 拟 电 子 技 术
N 沟道 增强型S
G
D
B
iD
P 沟道 增强型
S
G
D
B
iD
2– 2 O uGS /V
iD /mA
UGS(th)
S
G
D
B
iD
N 沟道耗尽 型
iD
S
G
D
B
P 沟道耗尽 型
UGS(off) IDSS
uGS /V
iD /mA
– 5 O 5
FET 符号、特性的比较模 拟 电 子 技 术
O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 V
–2 VuGS = 2 V
0 V
– 2 V
– 5 V
N 沟道结 型
SG
D
iD
SG
D
iD
P 沟道结 型
uGS /V
iD /mA
5– 5 O
IDSSUGS(off)
O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 VuGS = 0 V
– 2 V
– 5 V
模 拟 电 子 技 术
1.6.3 场效应管的主要参数
1,开启电压 UGS(th)(增强型 )
夹断电压 UGS(off)(耗尽型 )
指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。
UGS(th)UGS(off)
2,饱和漏极电流 IDSS
耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。
IDSS
uGS /V
iD /mA
O
模 拟 电 子 技 术
UGS(th)UGS(off)
3,直流输入电阻 RGS
指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。
JFET,RGS > 107?
MOSFET,RGS = 109? 1015
IDSS
uGS /V
iD /mA
O
模 拟 电 子 技 术
4,低频跨导 gm
常数
DSGS
D
m Uu
ig
反映了 uGS 对 iD 的控制能力，
单位 S(西门子 )。一般为几 毫西 (mS)
uGS /V
iD /mA
Q
O
模 拟 电 子 技 术
PDM = uDS iD，受温度限制。
5,漏源动态电阻 rds
常数
GSd
DS ds uiur
6,最大漏极功耗 PDM
模 拟 电 子 技 术小 结第 1 章模 拟 电 子 技 术一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 —自由电子空穴 —价电子两 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 (?)。
)1e(
D
SD T
U
u
Ii
)1e(,0
D
SDD
TU
u
Iiu
0,0 SD IIu
模 拟 电 子 技 术
iD
O uD
U (BR)
I F
URM
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 )
IS
模 拟 电 子 技 术
3,二极管的等效模型理想模型 (大信号状态采用 )
uD
iD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 U
D(on)正偏电压? U
D(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) = (0.6? 0.8) V 估算时取 0.7 V硅管：
锗管,(0.1? 0.3) V 0.2 V
折线近似模型相当于有内阻的恒压源 UD(on)
模 拟 电 子 技 术
4,二极管的分析方法图解法微变等效电路法
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 光光敏二极管 反 偏 光电转换模 拟 电 子 技 术三、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 放大模 拟 电 子 技 术放大条件内因：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 + IB
IC =? IB + ICEO
IE = (1 +?) IB + ICEO
IE = IC + IB
IC =? IB
IE = (1 +? ) IB
模 拟 电 子 技 术
4,特性
iC / mA
uCE /V
100 μA
80 μA
60 μA
40 μA
20 μA
IB = 0
O 3 6 9 12
4
3
2
1
O 0.4 0.8
iB /?A
uBE / V
60
40
20
80
死区电压 (Uth),0.5 V (硅管 ) 0.1 V (锗管 )
工作电压 (UBE(on) ),0.6? 0.8 V 取 0.7 V (硅管 )
0.2? 0.3 V 取 0.3 V (锗管 )
饱和区截止区模 拟 电 子 技 术
iC / mA
uCE /V
100 μA
80 μA
60 μA
40 μA
20 μA
IB = 0
O 3 6 9 12
4
3
2
1
放大区饱和区截止区放大区特点：
1)iB 决定 iC
2)曲线水平表示恒流
3)曲线间隔表示受控模 拟 电 子 技 术
5,参数特性参数电流放大倍数 =? /(1 )? =? /(1 +? )
极间反向电流 ICBO
ICEO
极限参数
ICM
PCM
U(BR)CEO
uCEOICEO
iC
ICM
U(BR)CEO
PCM安 全工作区
= (1 +?) ICBO
模 拟 电 子 技 术场效应管
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 = 0u
GS = 0 时,iD? 0
增强型耗尽型
(耗尽型 )
模 拟 电 子 技 术
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 表 1-2 第 6 4页模 拟 电 子 技 术不同类型 FET 转移特性比较结型
N 沟道
uGS /V
iD /mA
O
增强型耗尽型
MOS 管
(耗尽型 )
2
G S ( t h )
GS
DOD )1( U
uIi
IDSS 开启电压U
GS(th)
夹断电压 U
GS(off)
2
G S ( o f f )
GS
D S SD )1( U
uIi
IDO 是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值模 拟 电 子 技 术四、晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态状态 电流关系 条 件放大 I C =? IB 发射结正偏集电结反偏饱和 I C 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 截止模 拟 电 子 技 术判断饱和还是放大：
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
)( EC
C E ( s a t )CCCS
BS RR
UVII
