电子电路基础
—— 多媒体教学东南大学仪器科学与工程系金伟明 副教授
Tel,83793228 Email,jinwm@seu.edn.cn
1,本课程的性质是一门技术基础课
2,特点
非纯理论性课程
实践性很强
以工程实践的观点来处理电路中的一些问题
3,研究内容以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。
4,教学目标能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，
同时对较简单的单元电路进行设计。
5,学习方法重点掌握基本概念、基本电路、基本方法。
6,成绩评定平时,20 %( 作业、点名和当堂作业）
考试,80 %
7,参考书康华光主编,,电子技术基础,模拟部分 第四版，
高教出版社童诗白主编,,模拟电子技术基础,第二版，高教出版社陈大钦主编,,模拟电子技术基础问答：例题? 试题,,
华工出版社第一章 半导体器件概述
§ 1.1 PN结 及二极管
§ 1.4 场集成运算放大器
§ 1.2 半导体三极管
§ 1.3 半导体场效应管
§ 1.1 PN结及二极管
1.1.1 半导体及 PN结
1.1.4 特殊二极管
1.1.2 二极管的基本特性
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数导体,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。
1.1.1 半导体及 PN结半导体 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。
1.1.1 半导体及 PN结一、本征半导体
Ge Si
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。
1.1.1 半导体及 PN结
（一）本征半导体的结构特点本征半导体,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：
1.1.1 半导体及 PN结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
1.1.1 半导体及 PN结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
1.1.1 半导体及 PN结
（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
1.1.1 半导体及 PN结
+4 +4
+4 +4
自由电子空穴束缚电子
1.1.1 半导体及 PN结
2.本征半导体的导电机理在其它力的作用下，
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。
+4 +4
+4 +4
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 。
1.1.1 半导体及 PN结温度越高，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。
1.1.1 半导体及 PN结二,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）。
1.1.1 半导体及 PN结
（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 。
1.1.1 半导体及 PN结
+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 ）。
1.1.1 半导体及 PN结
（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 。
1.1.1 半导体及 PN结
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。
+4 +4
+3 +4
空穴硼原子
1.1.1 半导体及 PN结
（一） 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，在它们的交界面形成一个具有特殊性责的薄层，称之
PN 结。
1.1.1 半导体及 PN结三,PN结扩散运动,当 P 型半导体和 N 型半导体“结合”在 一起时，由于在两侧的空穴和电子存在浓度差，因而 N区的多数载流子电子向 P区运动，同时 P区内的 多数载流子 空穴向 N区运动，
此运动称为扩散运动。
扩散运动 内电场 E
交界面
P区留下负离子
N区留下正离子
P型半导体 N型半导体扩散运动 漂移运动
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
－
－
－
－
内电场 E
耗尽层空间电荷区电位 V
V0
1.1.1 半导体及 PN结漂移运动,内电场将阻止多子的扩散运动，而将 N区的少子空穴向 P区运动，同时将 P区内的 少子 电子向 N区运动，
此运动称为漂移运动。
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。
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。
（二） 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。
1.1.1 半导体及 PN结内电场外电场变薄
R E
－
－
－
－
+
+
+
+
P N
+ _
内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。
1.1.1 半导体及 PN结内电场变厚
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。
外电场R E
+_ －
－
－
－
+
+
+
+
P N
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
内电场被加强，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。
1.1.1 半导体及 PN结
)1()1( /S/SD DD TVvkTqv eIeIi
当 PN结正偏时，形成较大电流,PN结处于正向导通状态； 当 PN结反偏时，只有非常小的反向饱和电流,PN结处于反向截止状态。
PN结 V- I 特性表达式：
其中,IS — 反向饱和电流 VT — 温度的电压当量常温下（ T=300K）
2 6 m VV026.0 qkTV T
PN结的单向导电性：
K— 玻耳兹曼常数 =8.63× 10-5eV/K=1.38× 10-23J/K
q — 电子电量 =1.6× 10-19C(库仑 )
1.1.1 半导体及 PN结
TVvHTD eI，iUv /SD D 时当
SD0 I，ivU DDR 时当
vD/V
iD/mA
UDR IS
UTH
击穿迅速增大时当,，iUv DRD D?
1.1.1 半导体及 PN结
（三） PN结的击穿
① 齐纳击穿：
② 雪崩击穿：
A.掺杂浓度高
B.耗尽层宽度较窄
C.较小的反向电压，很强电场
D.直接破坏共价键，拉出电子，
产生电子 -空穴对
A.掺杂浓度不高
B.耗尽层宽度较宽
C.较大的反向电压，很强电场
D.漂移运动的少子被加速，将共价键中的价电子碰撞出来,
形成电子 -空穴对,以此循环
1.1.1 半导体及 PN结
③ 电击穿：
④ 热击穿：
A.采取限流措施
B.控制 PN结温度
C.PN结不会损坏
D.取消反向击穿电压后,恢复正常
A.反向电流过大
B,PN结温度快速升高
C.PN结损坏
D.取消反向击穿电压后,不能恢复
1.1.1 半导体及 PN结
（四） PN结电容
① 势垒电容 CB,耗尽层中的电荷量随外加电压的变化而变化形成的电容效应。
电容 CB的特点：
B,CB为非线电容，反偏加电压越高,CB 越小；正偏电压越高,CB
越大 。
A.外加电压的变化频率高,电容效应明显。
1.1.1 半导体及 PN结
② 扩散电容 CD：
电容 CD的特点,B,CD为非线电容，反偏时,CD很小，可忽略；正偏电压越高,CD
越大 。
A.外加电压的变化频率高,电容效应明显。
耗尽层中的电荷量随外加电压的变化引起 PN结两侧区域内积累电荷量的变化形成的电容效应。
1.1.1 半导体及 PN结
③ PN结电容的高频等效：
Cj
rj
其中：
rj — PN结电阻
Cj — PN结电容 =CB+CD
正偏时,rj较小,cj较大（主要是 CD）
反偏时,rj较大,cj较小（主要是 CB）
一、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
P N
二极管的电路符号：
1.1.2 二极管的基本特性二、伏安特性
U
I
1.1.2 二极管的基本特性死区电压硅管 0.5V,
锗管 0.1V。
UTH
正向特性反向特性导通压降,硅管 0.6~0.8V,锗管 0.2~0.3V。
UON
UBR
反向击穿电压 IS
反向饱和电流：
硅管 0.1uA以下，
锗管 几十微安。
三、二极管的开关特性
1.1.2 二极管的基本特性二极管在正向导通与反向截止两中状态之间的转换过程。
（一） 反向恢复过程
RLui
uD
+
-
iU
F
t
ui
-UR t1
0
tre=ts+tt反向恢复时间
IF
t
i
t10 L
F
R
uU
R
UI
L
DF
F
tt
0.1IR
tt渡越时间ts存储时间-I
R t
s
L
R
R R
UI?
1.1.2 二极管的基本特性
（二） 反向恢复过程形成的原因由于 扩散电容 效应,PN结加正向电压时（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。
当 PN结由正偏突变为反偏时，两侧的少子的积累并不马上消失，在反向电场的作用下，一方面与多子复合，另一方面将漂移到原来的区域，即 N区的空穴漂移到 P区，而 P
区的电子被拉到 N区。
此时 PN结仍处于正偏,PN结电阻很小，与 RL相比可忽略，因而有较大的反向电流 IR。 L
R
L
DR
R R
U
R
uUI
（三） 反极管的开通时间二极管从反向截止转为正向导通的时间。
U
iD
0
(a)伏安特性
U
iD
0
(a)伏安特性一、电路模型
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
（一） 理想模型 （二） 直流恒压模型
UD(ON)
(b)代表符号
+ -
(b)代表符号
+ -
U
iD
0
(a)伏安特性
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
（三） 小信号模型
IDQ
UDQ
Q
I
U
(b)代表符号
rd? uD
+
-
iD
IUrd
微变电阻由二极管伏安特性表达式可得：
T
DU
U
T
s
U
U
s
d U
Ie
U
I
dU
eId
U
I
r
T
T
1
1
即：
D
Td IUr?
在室温下有：
Dd I
mVr )(26?
二、二极管的主要参数
1.最大整流电流 IF
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.最高反向工作电压 UR
二极管在使用时所允许外加的最大反向电压。手册上给出的最高反向工作电压 UWRM一般是 UBR的一半。
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
3,反向电流 IR
二极管在室温下加反向峰值工作电压时的反向电流。
反向电流越小越好，表明管子的单向导电性越好。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，锗管的反向电流比硅管大几十到几百倍。
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
4.最高工作频率 fM
不破坏二极管单向导电性的前提下的外加信号的最高工作频率。其取决于 PN结电容。
5.极间电容 Cj
指二极管的结电容，即为势垒电容与扩散电容之和。直接决定 fM的大小。
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 =0
RLui uo
ui
uo
t
t
二极管的应用举例 1,二极管半波整流
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数二极管的应用举例 2：
t
t
t
ui
uR
uo
R RLui uR
uo
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数一,稳压二极管
U
I
IZ
IZmax?UZ
IZ
稳压误差曲线越陡，
电压越稳定。
UZ
动态电阻：
Z
Z
I
U
Zr?
rz越小，稳压性能越好。
1.1.4 特殊二极管
+
-
电路符号
（ 4） 稳定电流 IZ,最大、最小稳定电流 Izmax,Izmin。
（ 5）最大允许功耗
m a xZZZM IUP?
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
Z
Z
I
U
Zr?
1.1.4 特殊二极管
(1-44)
二、变容 二极管
1.1.4 特殊二极管
k
a
电路符号二极管的结电容 Cj不为常数而与外加的电压有关。在加反向电压下，其容值随电压值的增大而减小，这种效应显著的二极管就称为变容二极管。
(1-45)
三、光电 二极管
1.1.4 特殊二极管
k
a
电路符号反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加特性曲线
k
等效电路
iP u
P
a
+
-
(1-46)
4、发光 二极管
1.1.4 特殊二极管
k
a
电路符号在外加正向电压时，电子与空穴直接复合释放能量，从而发光。其光谱较窄，由半导体材料决定，用由砷化稼及磷化稼等化合物制成。
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。
稳压二极管的应用举例
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
5m A
20m A,V,10
m i n
m a x
z
zzW
I
IU
稳压管的技术参数,
k2LR
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。
mA25m a x
L
ZW
z R
UIi
102521 RUiRu,zWi —— 方程 1
1.1.4 特殊二极管令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为 Izmin 。
mA10m i n
L
ZW
z R
UIi
101080 RUiRu,zWi —— 方程 2
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
联立方程 1,2，可解得：
k50V7518,R,.u i
1.1.4 特殊二极管
(1-49)
§ 1.2 半导体三极管
1.2.1 三极管的基本工作原理
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
1.2.2 三极管的基本特性一,基本结构
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极NPN型
P
N
P
集电极基极发射极
B
C
E
PNP型
1.2.1 三极管的基本工作原理
(1-51)
B
E
C
NPN型三极管
B
E
C
PNP型三极管三 极管符号
N
P
N
C
B
E
P
N
P
C
B
E
1.2.1 三极管的基本工作原理
B
E
C
N
N
P
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
1.2.1 三极管的基本工作原理
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极发射结集电结
1.2.1 三极管的基本工作原理
(1-54)
二、三极管内部载流子的传输过程
B
E
C
N
N
P
IE
IBN
1.2.1 三极管的基本工作原理
VBE
RB
VCE
RC
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。
进入 P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流 IBN,多数扩散到集电结。
基区空穴向发射区的扩散可忽略。
ICN
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 ICN。
ICBO
集电结反偏，有少子漂移形成的反向电流 ICBO。
(1-55)
1.2.1 三极管的基本工作原理
B
E
C
N
N
P
IBN
VBE
RB
VCE
RCICNICBOI
B=IBN-ICBO
IC=ICN+ICBO
IE
IB
IC
ICN=IE-IBN
三极管工作时，内部两种载流子均参与导电，故又称为双 极型三极管。
三、电流分配关系
1.2.1 三极管的基本工作原理
IB=IBN-ICBO
IC=ICN+ICBO
IE=ICN+IBN
IB=IBN-ICBO
IC=ICN+ICBO
IE=IB+IC
引入 α=ICN/IE,称为 共基极直流 电流放大倍数 。
由于 ICBO很小，故通常 α≈ IC/IE。
1
令,为共射极直流放大系数
C B OEC III
1
1
1IB=(1-α)IE-ICBO
IC=αIE+ICBO
C B OC E O II )1(
为穿透电流
(1-57)
此即为三极管中流过的直流 电流 之间的近似分配关系
1.2.1 三极管的基本工作原理
C E OBC III
则：
当 ICEO,IC，忽略 ICEO
则有：
BC II
BE II )1(
B
C II
(1-58)
在信号放大作用分析中，通常需知道三个电极中的电流微小变化量之间的关系。
1.2.1 三极管的基本工作原理故引入三个电极的电流微小变化量?IB,?IC
和?IE。
并引入 β =?IC /?IB 为共射交流电流放大系数；
α =?IC /?IE为 共基交流电流放大系数 。
则 α,β 有,,
1?
1
α,β 与 α,β 的物理意义完全不同，但通常由于其两两的数值相差不大，故在后面的数值计算和电路分析时，不再进行区分。
(1-59)
四、放大作用
1.2.1 三极管的基本工作原理
iB=IB+?IB
VCC?Ui
VBB
CB
E
RL
UBE+
-
UO
+
-
iC=IC+?IC
iE=IE+?IE
设,?=50,?Ui =12mV，
引起?IB =20uA。
则,?IC =?,?IB =1(mA)
UO=-?IC,RL=-1(V)
电压放大倍数,
50
i
o
u U
UA?
(1-60)
1.2.2 三极管的基本特性
mA
EC
IC
A
V V UCEUBERB
IB
实验线路由于半导体三极管为非线性器件，其特性常用伏安特性曲线来描述。
UCE?1V
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
工作压降,硅管
UBE?0.6~0.7V,锗管
UBE?0.2~0.3V。
UCE=0V
UCE =0.5V
死区电压：
硅管 0.5V，
锗管 0.2V。
一、输入特性曲线
1.2.2 三极管的基本特性
C O N S TuBEB CEufi
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?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。
1.2.2 三极管的基本特性二、输出特性曲线
C O N S TuCEC Bufi
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A此区域中 UCE?UBE,
集电结正偏，
IB>IC,UCE?0.3V
称为饱和区。
1.2.2 三极管的基本特性
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A此区域中,
IB=0,IC=ICEO
,UBE< 死区电压，称为截止区。
1.2.2 三极管的基本特性输出特性三个区域的特点,
(1)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
1.2.2 三极管的基本特性
(1-66)
1.2.2 三极管的基本特性三、三极管的开关特性当输入 uI 为低电平，使
uBE < Uth时，三极管截止。
iB ≈ 0,iC ≈ 0,C,E 间相当于开关断开。
三极管关断的条件和等效电路
IC(sat)
Q
A
uCEUCE(sat)O
iC
M
N
IB(sat)
T S
负载线临界饱和线饱和区放大区截止区
uBE < Uth
B
E
C 三极管截止状态等效电路
uI=UIL uBE
+
-
(一 )开关作用
(1-67)
1.2.2 三极管的基本特性
IC(sat)
Q
A
uCEUCE(sat)O
iC
M
N
IB(sat)
T S
临界饱和线饱和区放大区截止区
uBE < Uth
B
E
C
uI=UIH
三极管开通的条件和等效电路当输入 uI 为高电平,使
iB ≥ IB(sat),三极管饱和 。
uBE+
-
uBE ≈ UCE(sat) ≈ 0.3V ≈ 0,
C,E 间相当于开关合上。 i
B≥IB(sat)
B
E
UBE(sat)
C
UCE(sat)
三极管截止状态等效电路三极管饱和状态等效电路
(1-68)
1.2.2 三极管的基本特性
iB 愈大于 IB(Sat)，
则饱和愈深。
由于 UCE(Sat) ≈ 0,因此饱和后 iC 基本上为恒值,
iC≈ IC(Sat) =
C
CC
C
C E ( s at )CC
R
V
R
UV
C
CCC ( s at )B ( s at )
R
VII
开关工作的条件截止条件 饱和条件
uBE ＜ Uth iB ＞ IB(Sat)
可靠截止条件为
uBE ≤ 0
(1-69)
1.2.2 三极管的基本特性
（二）三极管的开关时间
IC(sat)
O
O
O
uI
iC
uO
t
t
t
UIH
UIL
VCC
UCE(sat)
上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为,
uI 从 UIL 正跳到
UIH 时，三极管将由截止转变为饱和,iC 从 0
逐渐增大到 IC(sat),uC
从 VCC 逐渐减小为
UCE(sat)。
uI 从 UIH 负跳到时
UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。
(1-70)
1.2.2 三极管的基本特性
IC(sat)
O
O
O
uI
iC
uO
t
t
t
UIH
UIL
VCC
UCE(sat)
0.9IC(sat)
ton
0.1IC(sat)
toff
uI 正跳变到 iC 上升到
0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。
通常工作频率不高时，
可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。
uI 负跳变到 iC 下降到
0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。
通常 toff > ton
开关时间主要由于 电荷存储效应 引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。
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：
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
mA2612m a x
C
SC
C R
UI
IB=0,IC=0
IC最大饱和电流：Q位于截止区
1.2.2 三极管的基本特性例,?=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 。
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
USB =2V时：
9 m A01070 702,.R UUI
B
BESB
B?
0,9 5 m A9 m A01050,II BC?
1.2.2 三极管的基本特性
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？
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
Q 位于饱和区，此时 IC 和 IB已不是? 倍的关系。
mA061070 705,.R UUI
B
BESB
B?
c m axB I..I 5m03mA0 6 1050?
mA2 c m a xc II
1.2.2 三极管的基本特性一、主要参数
① 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,
B
C
I
I?_ _ _?
② 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：
BI
I C
1,电流放大倍数
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(1-75)
③ 相应地共基 直流电流放大倍数,
E
C
I
I?_ _ _?
④ 相应地共基 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。集电极电流的变化量为?IC,发射极电流变化为?IE，
则 交流电流放大倍数 为：
EI
I C
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
2.集 -基极反向截止电流 ICBO
A
ICBO
ICBO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。
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
B
E
C
N
N
P
ICBO
ICEO=? IBE+ICBO
IBE
IBE
ICBO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 ICBO
3,集 -射极反向截止电流 ICEO
ICEO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 。
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
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。
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型此外还有 U(BR)CBO,U(BR)CER和 U(BR)CES 。
由于 U(BR)CBO >U(BR)CES >U(BR)CER > U(BR)CEO
通常只给出 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?PCM
IC
UCE
ICUCE=PCM
ICM
U(BR)CEO
安全工作区
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(1-80)
二、电路模型
1,直流模型
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
UBE
IB
UCE
IC IB
UBE
UBE（ ON）
条件,工作在放大区
IB
rCE UCE
IC
rce很大，一般忽略。应用,分析直流静态工作点
(1-81)
2,混合 π模型
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(a)物理模拟电路
rbb’为基区体电阻,
rbb’≈100 ～ 300?
rb’e为发射结电阻,其实为从基极看进去的等效 PN结电阻。
( m A )EI
2 6 ( m V )
β)(1eb'r
Cb’e为发射结电容,含Ｃ Ｂ
和Ｃ Ｄ,但因发射结正偏，
故主要为扩散电容Ｃ Ｄ,手册上常用 Cπ
rb’c为集电结电阻,但因发射结反偏，故很大，往往可忽略 。
rb’eCb’e
rb’cCb’c
rceg
mUb’e
rbb’
c
b
e
(1-82)
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(b)混合 π型
Cb’c为集电结电容,因集电结反偏，故主要为势垒电容Ｃ Ｂ,手册上常用 Cμ
gmub’c为等效受控电流源,
反映三极管的放大能力,gm
为跨导或互导。
rce为极间电阻,其数值很大，在许多场合可忽略 。
常数
CE
u
EB'U
CI
mg
0
ce
uu
i
eb'
c
mg或
rb’eCb’e
rb’c
Cb’c
rce
gmUb’e
c
rbb’
b
e e
Ib Ic
(1-83)
3,常用的简化 π模型
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(a)忽略 rb’c 和 rce后的简化混合 π 模型
Ib
rb’e C
b’e
Cb’c
gmUb’e
c
rbb’
b
e e
Ic
(b)忽略 Cb’c 和 Cb’e 后的低频简化 π 模型
rb’e
gmUb’e
c
rbb’
b
e
IcIb
b’
(1-84)
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型因而三极管的低频等效模型也可如下图表示,
由上图可得,
ic=gmub’e
又 ub’e=ib.rb’e
ic=β,ib
所以 β=gm.rb’e
或 gm=β/rb’e
=β.IE /[(1+β).UT]
≈38.5IEQ(mS)
≈38.5ICQ(mS)
rbe
gmUb’e
cb
e
IcIb
其中 rbe= rbb’+rb’e
(1-85)
§ 1.3 半导体场效应管
1.3.1 结型场效应管
1.3.3 场效管的主要参数及电路模型
1.3.2 绝缘栅场效应管
(1-86)
1.3.1 结型场效应管
★ 场效应管与双极型晶体管不同,
三极管,
场效应管,
① 两种载流子参于导电
① 多数载流子参于导电
② 电流控制电流
② 电场 (电压 )控制电流
★ 场效应管的分类,N沟道
P沟道增强型耗尽型
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET
场效应管
JFET
结型
MOSFET
绝缘栅型
(IGFET)
N
基底,N型半导体
P P
两边是 P区G(栅极 )
S源极
D漏极一、结构导电沟道
1.3.1 结型场效应管
N
P P
G(栅极 )
S源极
D漏极 N沟道结型场效应管
D
G
S
D
G
S
1.3.1 结型场效应管
P
N N
G(栅极 )
S源极
D漏极 P沟道结型场效应管
D
G
S
D
G
S
1.3.1 结型场效应管二、工作原理（以 P沟道为例） UDS=0V时
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
IDPN结反偏,UGS
越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
ID
UDS=0V时
UGS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。
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
UDS=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。
ID
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS>0,UGD<VP时
N N
越靠近漏端,PN
结反压越大
ID
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS较大时 UGD<VP时
N N
沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。 ID
1.3.1 结型场效应管
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N N
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。
ID
1.3.1 结型场效应管
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N N
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
1.3.1 结型场效应管三、特性曲线
UGS0
ID
IDSS
VP
饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线
1.3.1 结型场效应管
c o n s t,vGSD DS)v(fi
)Vv0()
V
v1(Ii
PGS
2
P
GS
D S SD
予夹断曲线可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线
ID
U DS
2V
UGS=0V
1V
3V
4V
5V
0
1.3.1 结型场效应管
c o ns t,DSD GS)( vvfi
★ N沟道结型场效应管的特性曲线
UGS
0
ID
IDSS
VP
1.3.1 结型场效应管转移特性曲线
c o n s t,vGSD DS)v(fi
)0()1( GSP2
P
GS
D S SD vVV
vIi
ID
U DS0
UGS=0V
-1V
-3V
-4V
-5V
1.3.1 结型场效应管输出特性曲线
c o ns t,DSD GS)( vvfi
★ 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。
1.3.1 结型场效应管一、结构和电路符号
P
N N
GS D
P型基底两个 N区
SiO2绝缘层导电沟道金属铝
G
S
D
N沟道增强型
1.3.2 绝缘栅 场效应管
N 沟道耗尽型
P
N N
GS D
予埋了导电沟道
G
S
D
1.3.2 绝缘栅 场效应管
N
P P
GS D
G
S
D
P 沟道增强型
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P 沟道耗尽型
N
P P
GS D
G
S
D
予埋了导电沟道
1.3.2 绝缘栅 场效应管二,MOS管的工作原理以 N 沟道增强型为例
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS=0时
D-S 间相当于两个反接的
PN结
ID=0
对应截止区
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS>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
1.3.2 绝缘栅 场效应管
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。
P
N N
GS D
UDSUGS
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P
N N
GS D
UDSUGS
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。
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P
N N
GS D
UDSUGS
夹断后，即使
UDS 继续增加，
ID仍呈恒流特性 。
ID
UDS增加,UGD=VT 时，
靠近 D端的沟道被夹断，
称为予夹断。
1.3.2 绝缘栅 场效应管三、增强型 N沟道 MOS管的特性曲线
1.3.2 绝缘栅 场效应管转移特性曲线
c o n s t,vGSD DS)v(fi
)Vv()
V
v1(Ii
TGS
2
T
GS
DOD
0
ID
UGS
VT
IDO
2VT
ID
U DS0
UGS>0
1.3.2 绝缘栅 场效应管输出特性曲线
c o ns t,DSD GS)( vvfi
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
0
ID
UGS
VT
1.3.2 绝缘栅 场效应管输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0
UGS<0
UGS>0
1.3.2 绝缘栅 场效应管
(1-115)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型一、主要参数
1.直流参数
① 夹断电压 VP (或 VGS(off)),耗尽型管子的参数,VDS一定时，
漏极电流约为零时的 VGS值 。
② 开启电压 VT (或 VGS(th)),增强型管子的参数,VDS一定时，
漏极电流略大于零时的 VGS值 。
③ 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型管子的参数,VGS=0,VDS
大于 VP时，对应的漏极电流。
④ 直流输入电阻 RGS,结型场效应管，反偏时 R
GS大于
107Ω；而绝缘栅场效应管,RGS大于 109Ω。
(1-116)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型
① 低频跨导 gm：
DS
GS
D
m Vv
ig
时）（当 0
)1(2
GSP
P
P
GS
D S S
m
vV
V
V
v
I
g
或低频跨导反映了 vGS对 iD的控制作用。 gm
可以在转移特性曲线上求得，单位是 mS(毫西门子 )。
③ 输出电阻 rd：
GS
D
DS
d Vi
vr
2.交流参数
② 极间电容,栅源电容 Cgs、栅漏电容 Cgd和漏源电容 Cds。
(1-117)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型
3.极限参数
② 最大漏极功耗 PDM
③ 最大漏源电压 V(BR)DS
④ 最大栅源电压 V(BR)GS
① 最大漏 极 电 流 IDM
(1-118)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型二、电路模型近似等效原则,当工作在小信号模式下，用一线性的电路模型来替代原非线性电路。
rgs C
gs
Cgd
gmUgs
d
s
+
Id
rds Cds
g
-
Ugs
+
-
Uds
(a)场效应管的电路模型
(1-119)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型
(b)场效应管低频微变等效电路模型 rgs
gmUgs
d
s
+ Id
rds
g
-
Ugs
+
-
Uds
(c)场效应管简化低频微变等效电路模型 gmUgs
d
s
+ I
d
g
-
Ugs
+
-
Uds
(1-120)
§ 1.4 集成运算放大器
1.4.1 集成运放的基本特性
1.4.2 理想运算放大器
(1-121)
1.4.1 集成运放的基本特性一、基本符号及定义
★ 集成电路,将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。
★ 集成电路的优点,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。
★ 集成电路的分类,① 模拟集成电路和数字集成电路；
② 小、中、大、超大规模集成电路； ……..
★ 集成运算放大器,模拟集成电路的一种，具有较高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
(1-122)
1.4.1 集成运放的基本特性运算放大器的符号：
国际符号：
＋
－u-
u+
uo
VCC
-VEE
反相输入端同相输入端输出端直流电源正端直流电源负端
(1-123)
1.4.1 集成运放的基本特性二、运算放大器中的几个基本概念差模信号
uu=u -id
共模信号
)uu(
2
1=u
-ic
2
uu=u id
ic-?
2
u
u=u idic
则有
uo＋
－
u-
u+
+
+
-
-
(1-124)
1.4.1 集成运放的基本特性根据上式电路等效成如图右 uid/2
uo＋
－
uid/2
-
-
+
+
uic -
+
由电路叠加原理得：
ooo uu=u
idodicoc uAuA
其中：
LR
id
o
od
u
u
A
LR
id
o
od
u
u
lg20dBA
ic
o
oc
u
u
A
ic
o
oc
u
u
lg20dBA
(1-125)
1.4.2 理想运算放大器共模抑制比
oc
od
C M R
A
A
K
oc
od
C M R
A
A
lg20dBK?
★ 运放的特性,① 极高的差模放大倍数和共模抑制比；
在非精密运算时，可为 KCMR=∞。
② 极高的差模输入电阻 rid和共模输入电阻 ric；在非精密运算时，可将输入端看做开路而没有输入电流。
③ 极小的输出阻抗。
(1-126)
1.4.1 集成运放的基本特性理想运放,将集成运算放大器的各项技术指标理想后的器件。
② rid=ric=∞
一、理想运放的技术指标理想运放的主要技术指标：
① Aod=∞,Aoc=0
③ rio=∞
④ KCMR=∞
(1-127)
1.4.1 集成运放的基本特性二、理想运放在线性区工作是的特点
＋
－u-
u+
uo
i-
i+ idodicoco uAuAu
由前面知：
又因 Aod=∞,Aoc=0
所以 uo=-Aod.uic=Aod(u+-u-)
则 u+-u-= uo/Aod=0 即 u+=u-
反相输入端和同相输入端等电位 —— 虚短又因 rid=∞ 所以 i+=i-=0
反相输入端和同相输入端均无电流 —— 虚断
(1-128)
1.4.1 集成运放的基本特性三、理想运放在非线性区工作是的特点
+UOPP
-UOPP
线性区非线性区 非线性区理想特性 实际特性非线性区是指运放的输出信号与输入信号不存在性线关系。
对理想运放来说，当
uid>0时,uo=+UOPP；当
uid<0时,uo=-UOPP。
对实际运放来说，当
|Aod.uid|>UOPP时，运放工作在非线性区。
电子技术第一章结束模拟电路部分
—— 多媒体教学东南大学仪器科学与工程系金伟明 副教授
Tel,83793228 Email,jinwm@seu.edn.cn
1,本课程的性质是一门技术基础课
2,特点
非纯理论性课程
实践性很强
以工程实践的观点来处理电路中的一些问题
3,研究内容以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。
4,教学目标能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，
同时对较简单的单元电路进行设计。
5,学习方法重点掌握基本概念、基本电路、基本方法。
6,成绩评定平时,20 %( 作业、点名和当堂作业）
考试,80 %
7,参考书康华光主编,,电子技术基础,模拟部分 第四版，
高教出版社童诗白主编,,模拟电子技术基础,第二版，高教出版社陈大钦主编,,模拟电子技术基础问答：例题? 试题,,
华工出版社第一章 半导体器件概述
§ 1.1 PN结 及二极管
§ 1.4 场集成运算放大器
§ 1.2 半导体三极管
§ 1.3 半导体场效应管
§ 1.1 PN结及二极管
1.1.1 半导体及 PN结
1.1.4 特殊二极管
1.1.2 二极管的基本特性
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数导体,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。
1.1.1 半导体及 PN结半导体 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。
1.1.1 半导体及 PN结一、本征半导体
Ge Si
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。
1.1.1 半导体及 PN结
（一）本征半导体的结构特点本征半导体,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：
1.1.1 半导体及 PN结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
1.1.1 半导体及 PN结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
1.1.1 半导体及 PN结
（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
1.1.1 半导体及 PN结
+4 +4
+4 +4
自由电子空穴束缚电子
1.1.1 半导体及 PN结
2.本征半导体的导电机理在其它力的作用下，
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。
+4 +4
+4 +4
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 。
1.1.1 半导体及 PN结温度越高，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。
1.1.1 半导体及 PN结二,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）。
1.1.1 半导体及 PN结
（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 。
1.1.1 半导体及 PN结
+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 ）。
1.1.1 半导体及 PN结
（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 。
1.1.1 半导体及 PN结
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。
+4 +4
+3 +4
空穴硼原子
1.1.1 半导体及 PN结
（一） 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，在它们的交界面形成一个具有特殊性责的薄层，称之
PN 结。
1.1.1 半导体及 PN结三,PN结扩散运动,当 P 型半导体和 N 型半导体“结合”在 一起时，由于在两侧的空穴和电子存在浓度差，因而 N区的多数载流子电子向 P区运动，同时 P区内的 多数载流子 空穴向 N区运动，
此运动称为扩散运动。
扩散运动 内电场 E
交界面
P区留下负离子
N区留下正离子
P型半导体 N型半导体扩散运动 漂移运动
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
－
－
－
－
内电场 E
耗尽层空间电荷区电位 V
V0
1.1.1 半导体及 PN结漂移运动,内电场将阻止多子的扩散运动，而将 N区的少子空穴向 P区运动，同时将 P区内的 少子 电子向 N区运动，
此运动称为漂移运动。
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。
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。
（二） 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。
1.1.1 半导体及 PN结内电场外电场变薄
R E
－
－
－
－
+
+
+
+
P N
+ _
内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。
1.1.1 半导体及 PN结内电场变厚
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。
外电场R E
+_ －
－
－
－
+
+
+
+
P N
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
内电场被加强，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。
1.1.1 半导体及 PN结
)1()1( /S/SD DD TVvkTqv eIeIi
当 PN结正偏时，形成较大电流,PN结处于正向导通状态； 当 PN结反偏时，只有非常小的反向饱和电流,PN结处于反向截止状态。
PN结 V- I 特性表达式：
其中,IS — 反向饱和电流 VT — 温度的电压当量常温下（ T=300K）
2 6 m VV026.0 qkTV T
PN结的单向导电性：
K— 玻耳兹曼常数 =8.63× 10-5eV/K=1.38× 10-23J/K
q — 电子电量 =1.6× 10-19C(库仑 )
1.1.1 半导体及 PN结
TVvHTD eI，iUv /SD D 时当
SD0 I，ivU DDR 时当
vD/V
iD/mA
UDR IS
UTH
击穿迅速增大时当,，iUv DRD D?
1.1.1 半导体及 PN结
（三） PN结的击穿
① 齐纳击穿：
② 雪崩击穿：
A.掺杂浓度高
B.耗尽层宽度较窄
C.较小的反向电压，很强电场
D.直接破坏共价键，拉出电子，
产生电子 -空穴对
A.掺杂浓度不高
B.耗尽层宽度较宽
C.较大的反向电压，很强电场
D.漂移运动的少子被加速，将共价键中的价电子碰撞出来,
形成电子 -空穴对,以此循环
1.1.1 半导体及 PN结
③ 电击穿：
④ 热击穿：
A.采取限流措施
B.控制 PN结温度
C.PN结不会损坏
D.取消反向击穿电压后,恢复正常
A.反向电流过大
B,PN结温度快速升高
C.PN结损坏
D.取消反向击穿电压后,不能恢复
1.1.1 半导体及 PN结
（四） PN结电容
① 势垒电容 CB,耗尽层中的电荷量随外加电压的变化而变化形成的电容效应。
电容 CB的特点：
B,CB为非线电容，反偏加电压越高,CB 越小；正偏电压越高,CB
越大 。
A.外加电压的变化频率高,电容效应明显。
1.1.1 半导体及 PN结
② 扩散电容 CD：
电容 CD的特点,B,CD为非线电容，反偏时,CD很小，可忽略；正偏电压越高,CD
越大 。
A.外加电压的变化频率高,电容效应明显。
耗尽层中的电荷量随外加电压的变化引起 PN结两侧区域内积累电荷量的变化形成的电容效应。
1.1.1 半导体及 PN结
③ PN结电容的高频等效：
Cj
rj
其中：
rj — PN结电阻
Cj — PN结电容 =CB+CD
正偏时,rj较小,cj较大（主要是 CD）
反偏时,rj较大,cj较小（主要是 CB）
一、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
P N
二极管的电路符号：
1.1.2 二极管的基本特性二、伏安特性
U
I
1.1.2 二极管的基本特性死区电压硅管 0.5V,
锗管 0.1V。
UTH
正向特性反向特性导通压降,硅管 0.6~0.8V,锗管 0.2~0.3V。
UON
UBR
反向击穿电压 IS
反向饱和电流：
硅管 0.1uA以下，
锗管 几十微安。
三、二极管的开关特性
1.1.2 二极管的基本特性二极管在正向导通与反向截止两中状态之间的转换过程。
（一） 反向恢复过程
RLui
uD
+
-
iU
F
t
ui
-UR t1
0
tre=ts+tt反向恢复时间
IF
t
i
t10 L
F
R
uU
R
UI
L
DF
F
tt
0.1IR
tt渡越时间ts存储时间-I
R t
s
L
R
R R
UI?
1.1.2 二极管的基本特性
（二） 反向恢复过程形成的原因由于 扩散电容 效应,PN结加正向电压时（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。
当 PN结由正偏突变为反偏时，两侧的少子的积累并不马上消失，在反向电场的作用下，一方面与多子复合，另一方面将漂移到原来的区域，即 N区的空穴漂移到 P区，而 P
区的电子被拉到 N区。
此时 PN结仍处于正偏,PN结电阻很小，与 RL相比可忽略，因而有较大的反向电流 IR。 L
R
L
DR
R R
U
R
uUI
（三） 反极管的开通时间二极管从反向截止转为正向导通的时间。
U
iD
0
(a)伏安特性
U
iD
0
(a)伏安特性一、电路模型
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
（一） 理想模型 （二） 直流恒压模型
UD(ON)
(b)代表符号
+ -
(b)代表符号
+ -
U
iD
0
(a)伏安特性
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
（三） 小信号模型
IDQ
UDQ
Q
I
U
(b)代表符号
rd? uD
+
-
iD
IUrd
微变电阻由二极管伏安特性表达式可得：
T
DU
U
T
s
U
U
s
d U
Ie
U
I
dU
eId
U
I
r
T
T
1
1
即：
D
Td IUr?
在室温下有：
Dd I
mVr )(26?
二、二极管的主要参数
1.最大整流电流 IF
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.最高反向工作电压 UR
二极管在使用时所允许外加的最大反向电压。手册上给出的最高反向工作电压 UWRM一般是 UBR的一半。
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
3,反向电流 IR
二极管在室温下加反向峰值工作电压时的反向电流。
反向电流越小越好，表明管子的单向导电性越好。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，锗管的反向电流比硅管大几十到几百倍。
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数
4.最高工作频率 fM
不破坏二极管单向导电性的前提下的外加信号的最高工作频率。其取决于 PN结电容。
5.极间电容 Cj
指二极管的结电容，即为势垒电容与扩散电容之和。直接决定 fM的大小。
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 =0
RLui uo
ui
uo
t
t
二极管的应用举例 1,二极管半波整流
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数二极管的应用举例 2：
t
t
t
ui
uR
uo
R RLui uR
uo
1.1.3 二极管的电路模型及主要参数一,稳压二极管
U
I
IZ
IZmax?UZ
IZ
稳压误差曲线越陡，
电压越稳定。
UZ
动态电阻：
Z
Z
I
U
Zr?
rz越小，稳压性能越好。
1.1.4 特殊二极管
+
-
电路符号
（ 4） 稳定电流 IZ,最大、最小稳定电流 Izmax,Izmin。
（ 5）最大允许功耗
m a xZZZM IUP?
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
Z
Z
I
U
Zr?
1.1.4 特殊二极管
(1-44)
二、变容 二极管
1.1.4 特殊二极管
k
a
电路符号二极管的结电容 Cj不为常数而与外加的电压有关。在加反向电压下，其容值随电压值的增大而减小，这种效应显著的二极管就称为变容二极管。
(1-45)
三、光电 二极管
1.1.4 特殊二极管
k
a
电路符号反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加特性曲线
k
等效电路
iP u
P
a
+
-
(1-46)
4、发光 二极管
1.1.4 特殊二极管
k
a
电路符号在外加正向电压时，电子与空穴直接复合释放能量，从而发光。其光谱较窄，由半导体材料决定，用由砷化稼及磷化稼等化合物制成。
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。
稳压二极管的应用举例
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
5m A
20m A,V,10
m i n
m a x
z
zzW
I
IU
稳压管的技术参数,
k2LR
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。
mA25m a x
L
ZW
z R
UIi
102521 RUiRu,zWi —— 方程 1
1.1.4 特殊二极管令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为 Izmin 。
mA10m i n
L
ZW
z R
UIi
101080 RUiRu,zWi —— 方程 2
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
联立方程 1,2，可解得：
k50V7518,R,.u i
1.1.4 特殊二极管
(1-49)
§ 1.2 半导体三极管
1.2.1 三极管的基本工作原理
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
1.2.2 三极管的基本特性一,基本结构
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极NPN型
P
N
P
集电极基极发射极
B
C
E
PNP型
1.2.1 三极管的基本工作原理
(1-51)
B
E
C
NPN型三极管
B
E
C
PNP型三极管三 极管符号
N
P
N
C
B
E
P
N
P
C
B
E
1.2.1 三极管的基本工作原理
B
E
C
N
N
P
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
1.2.1 三极管的基本工作原理
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极发射结集电结
1.2.1 三极管的基本工作原理
(1-54)
二、三极管内部载流子的传输过程
B
E
C
N
N
P
IE
IBN
1.2.1 三极管的基本工作原理
VBE
RB
VCE
RC
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。
进入 P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流 IBN,多数扩散到集电结。
基区空穴向发射区的扩散可忽略。
ICN
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 ICN。
ICBO
集电结反偏，有少子漂移形成的反向电流 ICBO。
(1-55)
1.2.1 三极管的基本工作原理
B
E
C
N
N
P
IBN
VBE
RB
VCE
RCICNICBOI
B=IBN-ICBO
IC=ICN+ICBO
IE
IB
IC
ICN=IE-IBN
三极管工作时，内部两种载流子均参与导电，故又称为双 极型三极管。
三、电流分配关系
1.2.1 三极管的基本工作原理
IB=IBN-ICBO
IC=ICN+ICBO
IE=ICN+IBN
IB=IBN-ICBO
IC=ICN+ICBO
IE=IB+IC
引入 α=ICN/IE,称为 共基极直流 电流放大倍数 。
由于 ICBO很小，故通常 α≈ IC/IE。
1
令,为共射极直流放大系数
C B OEC III
1
1
1IB=(1-α)IE-ICBO
IC=αIE+ICBO
C B OC E O II )1(
为穿透电流
(1-57)
此即为三极管中流过的直流 电流 之间的近似分配关系
1.2.1 三极管的基本工作原理
C E OBC III
则：
当 ICEO,IC，忽略 ICEO
则有：
BC II
BE II )1(
B
C II
(1-58)
在信号放大作用分析中，通常需知道三个电极中的电流微小变化量之间的关系。
1.2.1 三极管的基本工作原理故引入三个电极的电流微小变化量?IB,?IC
和?IE。
并引入 β =?IC /?IB 为共射交流电流放大系数；
α =?IC /?IE为 共基交流电流放大系数 。
则 α,β 有,,
1?
1
α,β 与 α,β 的物理意义完全不同，但通常由于其两两的数值相差不大，故在后面的数值计算和电路分析时，不再进行区分。
(1-59)
四、放大作用
1.2.1 三极管的基本工作原理
iB=IB+?IB
VCC?Ui
VBB
CB
E
RL
UBE+
-
UO
+
-
iC=IC+?IC
iE=IE+?IE
设,?=50,?Ui =12mV，
引起?IB =20uA。
则,?IC =?,?IB =1(mA)
UO=-?IC,RL=-1(V)
电压放大倍数,
50
i
o
u U
UA?
(1-60)
1.2.2 三极管的基本特性
mA
EC
IC
A
V V UCEUBERB
IB
实验线路由于半导体三极管为非线性器件，其特性常用伏安特性曲线来描述。
UCE?1V
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
工作压降,硅管
UBE?0.6~0.7V,锗管
UBE?0.2~0.3V。
UCE=0V
UCE =0.5V
死区电压：
硅管 0.5V，
锗管 0.2V。
一、输入特性曲线
1.2.2 三极管的基本特性
C O N S TuBEB CEufi
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?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。
1.2.2 三极管的基本特性二、输出特性曲线
C O N S TuCEC Bufi
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A此区域中 UCE?UBE,
集电结正偏，
IB>IC,UCE?0.3V
称为饱和区。
1.2.2 三极管的基本特性
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A此区域中,
IB=0,IC=ICEO
,UBE< 死区电压，称为截止区。
1.2.2 三极管的基本特性输出特性三个区域的特点,
(1)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
1.2.2 三极管的基本特性
(1-66)
1.2.2 三极管的基本特性三、三极管的开关特性当输入 uI 为低电平，使
uBE < Uth时，三极管截止。
iB ≈ 0,iC ≈ 0,C,E 间相当于开关断开。
三极管关断的条件和等效电路
IC(sat)
Q
A
uCEUCE(sat)O
iC
M
N
IB(sat)
T S
负载线临界饱和线饱和区放大区截止区
uBE < Uth
B
E
C 三极管截止状态等效电路
uI=UIL uBE
+
-
(一 )开关作用
(1-67)
1.2.2 三极管的基本特性
IC(sat)
Q
A
uCEUCE(sat)O
iC
M
N
IB(sat)
T S
临界饱和线饱和区放大区截止区
uBE < Uth
B
E
C
uI=UIH
三极管开通的条件和等效电路当输入 uI 为高电平,使
iB ≥ IB(sat),三极管饱和 。
uBE+
-
uBE ≈ UCE(sat) ≈ 0.3V ≈ 0,
C,E 间相当于开关合上。 i
B≥IB(sat)
B
E
UBE(sat)
C
UCE(sat)
三极管截止状态等效电路三极管饱和状态等效电路
(1-68)
1.2.2 三极管的基本特性
iB 愈大于 IB(Sat)，
则饱和愈深。
由于 UCE(Sat) ≈ 0,因此饱和后 iC 基本上为恒值,
iC≈ IC(Sat) =
C
CC
C
C E ( s at )CC
R
V
R
UV
C
CCC ( s at )B ( s at )
R
VII
开关工作的条件截止条件 饱和条件
uBE ＜ Uth iB ＞ IB(Sat)
可靠截止条件为
uBE ≤ 0
(1-69)
1.2.2 三极管的基本特性
（二）三极管的开关时间
IC(sat)
O
O
O
uI
iC
uO
t
t
t
UIH
UIL
VCC
UCE(sat)
上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为,
uI 从 UIL 正跳到
UIH 时，三极管将由截止转变为饱和,iC 从 0
逐渐增大到 IC(sat),uC
从 VCC 逐渐减小为
UCE(sat)。
uI 从 UIH 负跳到时
UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。
(1-70)
1.2.2 三极管的基本特性
IC(sat)
O
O
O
uI
iC
uO
t
t
t
UIH
UIL
VCC
UCE(sat)
0.9IC(sat)
ton
0.1IC(sat)
toff
uI 正跳变到 iC 上升到
0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。
通常工作频率不高时，
可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。
uI 负跳变到 iC 下降到
0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。
通常 toff > ton
开关时间主要由于 电荷存储效应 引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。
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：
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
mA2612m a x
C
SC
C R
UI
IB=0,IC=0
IC最大饱和电流：Q位于截止区
1.2.2 三极管的基本特性例,?=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 。
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
USB =2V时：
9 m A01070 702,.R UUI
B
BESB
B?
0,9 5 m A9 m A01050,II BC?
1.2.2 三极管的基本特性
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？
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
Q 位于饱和区，此时 IC 和 IB已不是? 倍的关系。
mA061070 705,.R UUI
B
BESB
B?
c m axB I..I 5m03mA0 6 1050?
mA2 c m a xc II
1.2.2 三极管的基本特性一、主要参数
① 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,
B
C
I
I?_ _ _?
② 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：
BI
I C
1,电流放大倍数
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(1-75)
③ 相应地共基 直流电流放大倍数,
E
C
I
I?_ _ _?
④ 相应地共基 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。集电极电流的变化量为?IC,发射极电流变化为?IE，
则 交流电流放大倍数 为：
EI
I C
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
2.集 -基极反向截止电流 ICBO
A
ICBO
ICBO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。
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
B
E
C
N
N
P
ICBO
ICEO=? IBE+ICBO
IBE
IBE
ICBO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 ICBO
3,集 -射极反向截止电流 ICEO
ICEO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 。
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
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。
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型此外还有 U(BR)CBO,U(BR)CER和 U(BR)CES 。
由于 U(BR)CBO >U(BR)CES >U(BR)CER > U(BR)CEO
通常只给出 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?PCM
IC
UCE
ICUCE=PCM
ICM
U(BR)CEO
安全工作区
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(1-80)
二、电路模型
1,直流模型
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
UBE
IB
UCE
IC IB
UBE
UBE（ ON）
条件,工作在放大区
IB
rCE UCE
IC
rce很大，一般忽略。应用,分析直流静态工作点
(1-81)
2,混合 π模型
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(a)物理模拟电路
rbb’为基区体电阻,
rbb’≈100 ～ 300?
rb’e为发射结电阻,其实为从基极看进去的等效 PN结电阻。
( m A )EI
2 6 ( m V )
β)(1eb'r
Cb’e为发射结电容,含Ｃ Ｂ
和Ｃ Ｄ,但因发射结正偏，
故主要为扩散电容Ｃ Ｄ,手册上常用 Cπ
rb’c为集电结电阻,但因发射结反偏，故很大，往往可忽略 。
rb’eCb’e
rb’cCb’c
rceg
mUb’e
rbb’
c
b
e
(1-82)
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(b)混合 π型
Cb’c为集电结电容,因集电结反偏，故主要为势垒电容Ｃ Ｂ,手册上常用 Cμ
gmub’c为等效受控电流源,
反映三极管的放大能力,gm
为跨导或互导。
rce为极间电阻,其数值很大，在许多场合可忽略 。
常数
CE
u
EB'U
CI
mg
0
ce
uu
i
eb'
c
mg或
rb’eCb’e
rb’c
Cb’c
rce
gmUb’e
c
rbb’
b
e e
Ib Ic
(1-83)
3,常用的简化 π模型
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型
(a)忽略 rb’c 和 rce后的简化混合 π 模型
Ib
rb’e C
b’e
Cb’c
gmUb’e
c
rbb’
b
e e
Ic
(b)忽略 Cb’c 和 Cb’e 后的低频简化 π 模型
rb’e
gmUb’e
c
rbb’
b
e
IcIb
b’
(1-84)
1.2.3 三极管的主要参数及电路模型因而三极管的低频等效模型也可如下图表示,
由上图可得,
ic=gmub’e
又 ub’e=ib.rb’e
ic=β,ib
所以 β=gm.rb’e
或 gm=β/rb’e
=β.IE /[(1+β).UT]
≈38.5IEQ(mS)
≈38.5ICQ(mS)
rbe
gmUb’e
cb
e
IcIb
其中 rbe= rbb’+rb’e
(1-85)
§ 1.3 半导体场效应管
1.3.1 结型场效应管
1.3.3 场效管的主要参数及电路模型
1.3.2 绝缘栅场效应管
(1-86)
1.3.1 结型场效应管
★ 场效应管与双极型晶体管不同,
三极管,
场效应管,
① 两种载流子参于导电
① 多数载流子参于导电
② 电流控制电流
② 电场 (电压 )控制电流
★ 场效应管的分类,N沟道
P沟道增强型耗尽型
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET
场效应管
JFET
结型
MOSFET
绝缘栅型
(IGFET)
N
基底,N型半导体
P P
两边是 P区G(栅极 )
S源极
D漏极一、结构导电沟道
1.3.1 结型场效应管
N
P P
G(栅极 )
S源极
D漏极 N沟道结型场效应管
D
G
S
D
G
S
1.3.1 结型场效应管
P
N N
G(栅极 )
S源极
D漏极 P沟道结型场效应管
D
G
S
D
G
S
1.3.1 结型场效应管二、工作原理（以 P沟道为例） UDS=0V时
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
IDPN结反偏,UGS
越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
ID
UDS=0V时
UGS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。
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
UDS=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。
ID
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS>0,UGD<VP时
N N
越靠近漏端,PN
结反压越大
ID
1.3.1 结型场效应管
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS较大时 UGD<VP时
N N
沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。 ID
1.3.1 结型场效应管
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N N
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。
ID
1.3.1 结型场效应管
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N N
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
1.3.1 结型场效应管三、特性曲线
UGS0
ID
IDSS
VP
饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线
1.3.1 结型场效应管
c o n s t,vGSD DS)v(fi
)Vv0()
V
v1(Ii
PGS
2
P
GS
D S SD
予夹断曲线可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线
ID
U DS
2V
UGS=0V
1V
3V
4V
5V
0
1.3.1 结型场效应管
c o ns t,DSD GS)( vvfi
★ N沟道结型场效应管的特性曲线
UGS
0
ID
IDSS
VP
1.3.1 结型场效应管转移特性曲线
c o n s t,vGSD DS)v(fi
)0()1( GSP2
P
GS
D S SD vVV
vIi
ID
U DS0
UGS=0V
-1V
-3V
-4V
-5V
1.3.1 结型场效应管输出特性曲线
c o ns t,DSD GS)( vvfi
★ 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。
1.3.1 结型场效应管一、结构和电路符号
P
N N
GS D
P型基底两个 N区
SiO2绝缘层导电沟道金属铝
G
S
D
N沟道增强型
1.3.2 绝缘栅 场效应管
N 沟道耗尽型
P
N N
GS D
予埋了导电沟道
G
S
D
1.3.2 绝缘栅 场效应管
N
P P
GS D
G
S
D
P 沟道增强型
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P 沟道耗尽型
N
P P
GS D
G
S
D
予埋了导电沟道
1.3.2 绝缘栅 场效应管二,MOS管的工作原理以 N 沟道增强型为例
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS=0时
D-S 间相当于两个反接的
PN结
ID=0
对应截止区
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS>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
1.3.2 绝缘栅 场效应管
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。
P
N N
GS D
UDSUGS
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P
N N
GS D
UDSUGS
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。
1.3.2 绝缘栅 场效应管
P
N N
GS D
UDSUGS
夹断后，即使
UDS 继续增加，
ID仍呈恒流特性 。
ID
UDS增加,UGD=VT 时，
靠近 D端的沟道被夹断，
称为予夹断。
1.3.2 绝缘栅 场效应管三、增强型 N沟道 MOS管的特性曲线
1.3.2 绝缘栅 场效应管转移特性曲线
c o n s t,vGSD DS)v(fi
)Vv()
V
v1(Ii
TGS
2
T
GS
DOD
0
ID
UGS
VT
IDO
2VT
ID
U DS0
UGS>0
1.3.2 绝缘栅 场效应管输出特性曲线
c o ns t,DSD GS)( vvfi
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
0
ID
UGS
VT
1.3.2 绝缘栅 场效应管输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0
UGS<0
UGS>0
1.3.2 绝缘栅 场效应管
(1-115)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型一、主要参数
1.直流参数
① 夹断电压 VP (或 VGS(off)),耗尽型管子的参数,VDS一定时，
漏极电流约为零时的 VGS值 。
② 开启电压 VT (或 VGS(th)),增强型管子的参数,VDS一定时，
漏极电流略大于零时的 VGS值 。
③ 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型管子的参数,VGS=0,VDS
大于 VP时，对应的漏极电流。
④ 直流输入电阻 RGS,结型场效应管，反偏时 R
GS大于
107Ω；而绝缘栅场效应管,RGS大于 109Ω。
(1-116)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型
① 低频跨导 gm：
DS
GS
D
m Vv
ig
时）（当 0
)1(2
GSP
P
P
GS
D S S
m
vV
V
V
v
I
g
或低频跨导反映了 vGS对 iD的控制作用。 gm
可以在转移特性曲线上求得，单位是 mS(毫西门子 )。
③ 输出电阻 rd：
GS
D
DS
d Vi
vr
2.交流参数
② 极间电容,栅源电容 Cgs、栅漏电容 Cgd和漏源电容 Cds。
(1-117)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型
3.极限参数
② 最大漏极功耗 PDM
③ 最大漏源电压 V(BR)DS
④ 最大栅源电压 V(BR)GS
① 最大漏 极 电 流 IDM
(1-118)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型二、电路模型近似等效原则,当工作在小信号模式下，用一线性的电路模型来替代原非线性电路。
rgs C
gs
Cgd
gmUgs
d
s
+
Id
rds Cds
g
-
Ugs
+
-
Uds
(a)场效应管的电路模型
(1-119)
1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型
(b)场效应管低频微变等效电路模型 rgs
gmUgs
d
s
+ Id
rds
g
-
Ugs
+
-
Uds
(c)场效应管简化低频微变等效电路模型 gmUgs
d
s
+ I
d
g
-
Ugs
+
-
Uds
(1-120)
§ 1.4 集成运算放大器
1.4.1 集成运放的基本特性
1.4.2 理想运算放大器
(1-121)
1.4.1 集成运放的基本特性一、基本符号及定义
★ 集成电路,将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。
★ 集成电路的优点,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。
★ 集成电路的分类,① 模拟集成电路和数字集成电路；
② 小、中、大、超大规模集成电路； ……..
★ 集成运算放大器,模拟集成电路的一种，具有较高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
(1-122)
1.4.1 集成运放的基本特性运算放大器的符号：
国际符号：
＋
－u-
u+
uo
VCC
-VEE
反相输入端同相输入端输出端直流电源正端直流电源负端
(1-123)
1.4.1 集成运放的基本特性二、运算放大器中的几个基本概念差模信号
uu=u -id
共模信号
)uu(
2
1=u
-ic
2
uu=u id
ic-?
2
u
u=u idic
则有
uo＋
－
u-
u+
+
+
-
-
(1-124)
1.4.1 集成运放的基本特性根据上式电路等效成如图右 uid/2
uo＋
－
uid/2
-
-
+
+
uic -
+
由电路叠加原理得：
ooo uu=u
idodicoc uAuA
其中：
LR
id
o
od
u
u
A
LR
id
o
od
u
u
lg20dBA
ic
o
oc
u
u
A
ic
o
oc
u
u
lg20dBA
(1-125)
1.4.2 理想运算放大器共模抑制比
oc
od
C M R
A
A
K
oc
od
C M R
A
A
lg20dBK?
★ 运放的特性,① 极高的差模放大倍数和共模抑制比；
在非精密运算时，可为 KCMR=∞。
② 极高的差模输入电阻 rid和共模输入电阻 ric；在非精密运算时，可将输入端看做开路而没有输入电流。
③ 极小的输出阻抗。
(1-126)
1.4.1 集成运放的基本特性理想运放,将集成运算放大器的各项技术指标理想后的器件。
② rid=ric=∞
一、理想运放的技术指标理想运放的主要技术指标：
① Aod=∞,Aoc=0
③ rio=∞
④ KCMR=∞
(1-127)
1.4.1 集成运放的基本特性二、理想运放在线性区工作是的特点
＋
－u-
u+
uo
i-
i+ idodicoco uAuAu
由前面知：
又因 Aod=∞,Aoc=0
所以 uo=-Aod.uic=Aod(u+-u-)
则 u+-u-= uo/Aod=0 即 u+=u-
反相输入端和同相输入端等电位 —— 虚短又因 rid=∞ 所以 i+=i-=0
反相输入端和同相输入端均无电流 —— 虚断
(1-128)
1.4.1 集成运放的基本特性三、理想运放在非线性区工作是的特点
+UOPP
-UOPP
线性区非线性区 非线性区理想特性 实际特性非线性区是指运放的输出信号与输入信号不存在性线关系。
对理想运放来说，当
uid>0时,uo=+UOPP；当
uid<0时,uo=-UOPP。
对实际运放来说，当
|Aod.uid|>UOPP时，运放工作在非线性区。
电子技术第一章结束模拟电路部分
