1、工业电子学全册配套最完整工业电子学全册配套最完整 精品课件精品课件1 2 第一章 半导体器件基础 3 第一章第一章 半导体器件半导体器件 1.1 半导体的半导体的基基本知识本知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.4 场效应晶体管场效应晶体管 4 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属 一般都是导体。一般都是导体。 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一
2、类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 5 半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有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：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化（热敏性和光敏性）。力明显变化（热敏性和光敏性）。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。 6 一
3、、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点 GeSi 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。 1.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 7 本征半导体：本征半导体：完全纯净的（纯度达完全纯净的（纯度达99.9999999%）、）、 结构完整的半导体晶体。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
4、的中心，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与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价 电子。电子。 硅和锗的晶硅和锗的晶 体结构：体结构： 8 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构 共价键共共价键共 用电子对用电子对 +4+4 +4+4 +4+4表示除表示除 去价电子去价电子 后的原子后的原子 9 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成
5、为自自 由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。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。八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 10 二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理 在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有
6、可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电 能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，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，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由 电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。 1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 11 +4+4 +4+4 自由电子自由电子 空穴空穴 束缚电子束缚电子 12 2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，在其它力的作
7、用下， 空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流 子。子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子自由电子和和空穴空穴。 13 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，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，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一
8、大特点。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：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。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。 14 这是因为这是因为游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称 为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变 成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电 子空穴对的增多，自由电子复合的机会
9、（撞上空穴的机子空穴对的增多，自由电子复合的机会（撞上空穴的机 会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和符会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和符 合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才 能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从这里我们能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从这里我们 可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴 浓度只和温度有关系，是温度的函数。浓度只和温度有关系，是温度的函数。 本征载流子浓度的计算我们给出一个公式：本征载流子浓度的计算我们给出一个公式
10、： 3 2 2 ( )( ) g Ekt ii n Tp TATe 15 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。 N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。也称为（电
11、子半导体）。 16 一、一、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷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（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，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，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，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。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一
12、个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。 17 +4+4 +5+4 多余多余 电子电子 磷原子磷原子 N 型半导体中型半导体中 的载流子是什的载流子是什 么？么？ 1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。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。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流 子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少
13、子）。）。 18 二、二、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼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（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，半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为 受主原子受主原子。
14、 +4+4 +3+4 空穴空穴 硼原子硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。 19 三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法 P 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体型半导体 杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。 20 从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与子浓度的乘积
15、在从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与子浓度的乘积在 一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。所以可以所以可以 通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子 的浓度。对于的浓度。对于N N型半导体来说，型半导体来说， 对于对于P P型半导体来说。因此对于掺杂半体来说，型半导体来说。因此对于掺杂半体来说， 掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大 很多倍；而少数载流子浓度会大大降低，比本征载流子浓度很多倍；而少数载流子浓度会大大降低，
16、比本征载流子浓度 小好多倍。小好多倍。 22 ii D nn p nN 22 ii A nn n pN 21 1.2.1 PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导 体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。 1.2 半导体二极管半导体二极管 22 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E 漂移运动漂移运动 扩散的结果是使
17、空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。荷区越宽。 内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。间电荷区变薄。 空间电荷区，空间电荷区， 也称耗尽层。也称耗尽层。 23 漂移运动漂移运动 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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，空间电荷区的厚相当于两个区之
18、间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。度固定不变。 24 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间空间 电荷电荷 区区 N型区型区P型区型区 电位电位V V0 25 1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。 2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴. .N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散 运动运动）。）。 3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限
19、，因此由它们形成的电流很小。 注意注意: : 26 1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区 加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区 加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。 27 + + + + RE 一、一、PN 结正向偏置结正向偏置 内电场内电场 外电场外电场 变薄变薄 PN + _ 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。较大的扩散电流。 28 二、二、PN
20、结反向偏置结反向偏置 + + + + 内电场内电场 外电场外电场 变厚变厚 NP + _ 内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反 向电流。向电流。 RE 29 1.2.3 半导体二极管半导体二极管 一、基本结构一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线引线 外壳线外壳线 触丝线触丝线 基片基片 点接触型点接触型 PN结结 面接触型面接触型 PN 二极管的电路符号：二极管的电路符号： 30 二、伏安特性二、伏安
21、特性 U I 死区电压死区电压 硅管硅管 0.6V,锗管锗管0.2V。 导通压降导通压降: : 硅硅 管管0.60.7V,锗锗 管管0.20.3V。 反向击穿反向击穿 电压电压UBR 31 三、主要参数三、主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。正向平均电流。 2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的过热而烧坏。手册上
22、给出的最高反向工作电最高反向工作电 压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。 32 3. 反向电流反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。硅管大几十到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二
23、极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。保护等等。下面介绍两个交流参数。 33 4. 微变电阻微变电阻 rD iD uD ID UD Q iD uD rD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工 作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与 电流的变化之比：电流的变化之比： D D D i u r 显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小 变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。 34 1.2.4二极管的极间电容二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有
24、电容，此电容由两部分组成： 势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。 势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是的电容是势垒电容势垒电容。 扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流 （扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的少子区的少子 （电子）在（电子）在P 区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠 近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电区有电 子的积累。同理，在子的积累。同理，在N区有空穴的区有
25、空穴的 积累。正向电流大，积累的电荷积累。正向电流大，积累的电荷 多。多。这样所产生的电容就是扩散这样所产生的电容就是扩散 电容电容CD。 P +- N 35 CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。 PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电 容的综合效应容的综合效应 rd 36 二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0
26、，正向压降，正向压降=0 RL uiuo ui uo t t 二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流 37 二极管的应用举例二极管的应用举例2： t t t ui uR uo RRL uiuR uo 38 1.2.5 稳压二极管稳压二极管 U I IZ IZmax UZ IZ 稳压稳压 误差误差 曲线越陡，曲线越陡， 电压越稳电压越稳 定。定。 + - UZ 动态电阻：动态电阻： Z Z I U Z r rz越小，稳越小，稳 压性能越好。压性能越好。 39 （4）稳定电流稳定电流IZ、 、最大、最小稳定电流 最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功
27、耗）最大允许功耗 maxZZZM IUP 稳压二极管的参数稳压二极管的参数: （1）稳定电压稳定电压 UZ （2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻）动态电阻 Z Z I U Z r 40 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其 次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻 上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的 工作电流，从而起到稳压作用。 应用电路 41 1.2.6光电二极管光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照
28、度增加照度增加 42 1.2.7发光二极管发光二极管 有正向电流流过有正向电流流过 时，发出一定波长时，发出一定波长 范围的光，目前的范围的光，目前的 发光管可以发出从发光管可以发出从 红外到可见波段的红外到可见波段的 光，它的电特性与光，它的电特性与 一般二极管类似。一般二极管类似。 43 1.3.1 基本结构基本结构 B E C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 NPN型型 基极基极 P N P 集电极集电极 发射极发射极 B C E PNP型型 1.3 半导体三极管半导体三极管 44 B E C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 基区：较薄，基区：较薄，
29、掺杂浓度低掺杂浓度低 集电区：集电区： 面积较大面积较大 发射区：掺发射区：掺 杂浓度较高杂浓度较高 45 B E C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 发射结发射结 集电结集电结 46 1.3.2 电流放大原理电流放大原理 B E C N N P EB RB EC IE 基区空穴基区空穴 向发射区向发射区 的扩散可的扩散可 忽略。忽略。 IBE 进入进入P区的电子区的电子 少部分与基区的少部分与基区的 空穴复合，形成空穴复合，形成 电流电流IBE ，多数，多数 扩散到集电结。扩散到集电结。 发射结正发射结正 偏，发射偏，发射 区电子不区电子不 断向基区断向基区 扩散，形扩散，
30、形 成发射极成发射极 电流电流IE。 47 B E C N N P EB RB EC IE 集电结反偏，有少集电结反偏，有少 子形成的反向电流子形成的反向电流 ICBO。 ICBO IC=ICE+ICBO ICE IBE ICE 从基区扩从基区扩 散来的电散来的电 子作为集子作为集 电结的少电结的少 子，漂移子，漂移 进入集电进入集电 结而被收结而被收 集，形成集，形成 ICE。 ECEBE III 48 IB=IBE-ICBO IBE IB B E C N N P EB RB EC IE ICBO ICE IC=ICE+ICBO ICE IBE ECB I =I +I 49 ICE与与IBE
31、之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流，必须使发射结正要使三极管能放大电流，必须使发射结正 偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。 B C CBOB CBOC BE CE I I II II I I 事实上当管子做好以后各区载流子浓度是事实上当管子做好以后各区载流子浓度是 一定的这样扩散和复合的规模之比是一定一定的这样扩散和复合的规模之比是一定 的着也是说是一定的。一般来说由于基区的着也是说是一定的。一般来说由于基区 掺杂浓度很小所以一般很大所以可以看出掺杂浓度很小所以一般很大所以可以看出 基极电流的很小变化就能引起集电极和发基极电流的很小变化就能引起集电极和发 射机电流的很
32、大变化也就是说三极管具有射机电流的很大变化也就是说三极管具有 放大作用。放大作用。 50 B E C IB IE IC NPN型三极管型三极管 B E C IB IE IC PNP型三极管型三极管 51 1.3.3 特性曲线特性曲线 IC mA A VVUCEUBE RB IB EC EB 实验线路实验线路 52 一、一、输入特性输入特性 UCE 1V IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 工作压降：工作压降： 硅管硅管 UBE 0.60.7V,锗锗 管管UBE 0.20.3V。 UCE=0V UCE =0.5V 死区电死区电 压，硅管压，硅管 0.5V，锗，锗 管
33、管0.2V。 53 二、二、输出特性输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此区域满此区域满 足足IC= IB 称为线性称为线性 区（放大区（放大 区）。区）。 当当UCE大于一大于一 定的数值时，定的数值时， IC只与只与IB有关，有关， IC= IB。 54 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此区域中此区域中UCE UBE, 集电结正偏，集电结正偏， IBIC， ，UCE 0.3V 称为饱和区。称为饱和区。 55 I
34、C(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO, UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE0时时 UGS足够大时足够大时 （UGSVT）感）感 应出足够多电子，应出足够多电子， 这里出现以电子这里出现以电子 导电为主的导电为主的N型型 导电沟道。导电沟道。 感应出电子感应出电子 VT称为阈值电压称为阈值电压 80 三、增强型三、增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 0 ID UGS VT 81 输出特性曲线输出特性曲线
35、ID U DS 0 UGS0 82 四、耗尽型四、耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线 耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向 电压才能夹断。电压才能夹断。 转移特性曲线转移特性曲线 0 ID UGS VT 83 输出特性曲线输出特性曲线 ID U DS 0 UGS=0 UGS0 五五. .场效应管的主要参数场效应管的主要参数 (1)(1) 开启电压开启电压VT VT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不场效应管不 能导通。能导通。 （2）夹断电压）夹断电压VP VP
36、 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当VGS=VP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。 （3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET, 当当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管, RGS可达可达1091015。 （5） 低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 （6） 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM= VDS ID，与双极型三
37、极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。 六六. .双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 86 第一章 结束 第二章第二章 基本放大电路基本放大电路 2.1 2.1 放大电路的基本概念及性能指标放大电路的基本概念及性能指标 一一. .放大的基本概念放大的基本概念 放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放 大，这里大，这里主要讲电压放大电路。主要讲电压放大电路。 二二. .放大电路的主要技术指标放大电路的主要技术指标 1.1.放大倍数放大倍数表示放大器的放大能力表示放大器的放大能力 根据
38、放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种 类型，所以有四种类型，所以有四种放大倍数的定义。放大倍数的定义。 （1）电压放大倍数）电压放大倍数定义为定义为: AU=UO/UI （2）电流放大倍数）电流放大倍数定义为定义为: AI=IO/II （3）互阻增益）互阻增益定义为定义为: Ar=UO/II （4）互导增益）互导增益定义为定义为: Ag=IO/UI 2. 输入电阻输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效从放大电路输入端看进去的等效 电阻电阻 ii ui 输入电阻：输入电阻： Ri=ui / ii Ri uS R
39、S 信号源信号源 一般来说，一般来说， Ri越大越好。越大越好。 （1）Ri越大，越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。就越小，从信号源索取的电流越小。 （2）当信号源有内阻时，）当信号源有内阻时， Ri越大，越大， ui就越接近就越接近uS。 Au 输入端输入端 输出端输出端 Au uS 3. 输出电阻输出电阻Ro从放大电路输出端从放大电路输出端 看进去的等效电阻。看进去的等效电阻。 输出端输出端 Ro us o 输出端输出端 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放大电路带负载的能力越小，放大电路带负载的能力 越强，反之则差。越强，反之则差。
40、 0, . o . o o SL = UR I U R 输出电阻输出电阻的定义：的定义： 4. 通频带通频带 f A Am 0.7Am fL下限截下限截 止频率止频率 fH上限截上限截 止频率止频率 通频带：通频带： fbw=fHfL 放大倍数随频率放大倍数随频率 变化曲线变化曲线幅幅 频特性曲线频特性曲线 3dB带宽带宽 2.2 2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理 一三极管的放大原理一三极管的放大原理 三极管工作在放大区：三极管工作在放大区： 发射结正偏，发射结正偏， 集电结反偏。集电结反偏。 UCE（-ICRc） - + +V T 1 2 3 U R B I R
41、BB BE C CC C b （+12V） I U V CE 放大原理：放大原理： i U BE +U I U UBEIB B +I IC + IC（ IB） 电压放大倍数：电压放大倍数： o U U+ CE UO i o u U U A Rb +VCC VBB RC C1 C2 T 放大元件放大元件iC= iB， 工作在放大区，工作在放大区， 要保证集电结反要保证集电结反 偏，发射结正偏。偏，发射结正偏。 ui uo 输入输入 输出输出 参考点参考点 RL 二二. .单管共单管共射射极放大电路的结构及各元件的作用极放大电路的结构及各元件的作用 共射放大电路组成共射放大电路组成 使发射结正偏，
42、使发射结正偏， 并提供适当的并提供适当的 静态工作点静态工作点IB 和和UBE。 Rb +VCC VBB RC C1 C2 T RL 基极电源与基极电源与 基极电阻基极电阻 集电极电源，集电极电源， 为电路提供能为电路提供能 量。并保证集量。并保证集 电结反偏。电结反偏。 Rb +VCC VBB RC C1 C2 T RL 共射放大电路共射放大电路 集电极电阻，集电极电阻， 将变化的电流将变化的电流 转变为变化的转变为变化的 电压。电压。 Rb +VCC VBB RC C1 C2 T RL 耦合电容：耦合电容： 电解电容，有极性，电解电容，有极性， 大小为大小为10 F50 F 作用：作用：隔
43、直通交隔直通交 隔离输入输出与隔离输入输出与 电路直流的联系，电路直流的联系， 同时能使信号顺同时能使信号顺 利输入输出。利输入输出。 Rb +VCC VBB RC C1 C2 T RL + + ui uo 单电源供电单电源供电 可以省去可以省去 Rb +VCC VBB RC C1 C2 T RL Rb 单电源供电单电源供电 +VCC RC C1 C2 T RL Rb +VCC RC C1 C2 T ui=0时时 由于电由于电 源的存源的存 在在IB 0 IC 0 IC IE=IB+IC RL IB 无信号输入时无信号输入时 1.静态工作点静态工作点Ui=0时电路的工作状态时电路的工作状态 三
44、三. . 静态工作点静态工作点 Rb +VCC RC C1 C2 T IC UBE UCE ( IC,UCE ) (IB,UBE) RL IB 静态工作点静态工作点 (IB,UBE) 和和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲分别对应于输入输出特性曲 线上的一个点称为线上的一个点称为静态工作点静态工作点。 IB UBE Q IB UBE Q UCE IC IC UCE IB 为什么要设置静态工作点？为什么要设置静态工作点？ 放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以 保证信号不失真。保证信号不失真。 开路开路
45、Rb +VCC RC C1 C2 RL 画出放大电路的直流通路画出放大电路的直流通路 2. 2. 静态工作点的估算静态工作点的估算 将交流电压源短路，将电容开路。将交流电压源短路，将电容开路。 直流通路的画法：直流通路的画法： 开路开路 Rb +VCC RC 直流通道直流通道 （1）估算）估算IB（ UBE 0.7V) Rb +VCC RC IB UBE b BECC B R UV I b CC7 . 0 R V bR VCC Rb称为称为偏置电阻偏置电阻，IB称称 为为偏置电流偏置电流。 用估算法分析放大器的静态工作用估算法分析放大器的静态工作 点（点（ IB、UBE、IC、UCE） （2）
46、估算）估算UCE、IC Rb +VCC RC IC UCECCCCCE RIVU IC= IB 例：用估算法计算静态工作点。例：用估算法计算静态工作点。 已知：已知：VCC=12V，RC=4K ，Rb=300K ， =37.5。 解：解： A400.04mA 300 12 R V I b CC B 37.5 0.04 1.5CBIImA 6V41.512RIVUCCCCCE 请注意电路中请注意电路中IB和和IC的数量级的数量级 UBE 0.7V 一一. 用图解法分析放大器的静态工作点用图解法分析放大器的静态工作点 UCE=VCCICRC VCC IC UCE C CC R V 直流负载线直流负
47、载线 由估算法求出由估算法求出I IB B，I IB B 对应的输出特性与直对应的输出特性与直 流负载线的交点就是流负载线的交点就是 工作点工作点Q Q Q IB 静态静态UCE 静态静态IC 2.3 2.3 放大电路分析方法放大电路分析方法 IB UBE Q IC UCE ui ib ibic uCE怎么变化怎么变化 1. 交流放大原理（设输出空载）交流放大原理（设输出空载） 假设在静态工作点的基础上，假设在静态工作点的基础上， 输入一微小的正弦信号输入一微小的正弦信号 ui 静态工作点静态工作点 二二. 用图解法分析放大器的动态工作情况用图解法分析放大器的动态工作情况 IC UCE ic
48、uCE也沿着也沿着 负载线变化负载线变化 uCE UCE与与Ui反相！反相！ Rb +VCC RC C1 C2 ui iB iC uCE uo 各点波形各点波形 uo比比ui幅度放大且相位相反幅度放大且相位相反 工作原理演示工作原理演示 结论：结论：（1）放大电路中的信号是交）放大电路中的信号是交 直流共存，可表示成：直流共存，可表示成： ceCECE cCC bBB beBEBE uUu iIi iIi uUu 虽然交流量可正负变化，但瞬时量方虽然交流量可正负变化，但瞬时量方 向始终不变向始终不变 （2 2）输出）输出u uo o与输入与输入u ui i相比，幅度被放大了，相比，幅度被放大了
49、， 频率不变，但相位相反。频率不变，但相位相反。 对交流信号对交流信号(输入信号输入信号ui) 短路短路 短路短路 置零置零 2.放大器的交流通路放大器的交流通路 Rb +VCC RC C1 C2 RLui uo 1/ C 0 将直流电压源短路，将电容短路。将直流电压源短路，将电容短路。 交流通路交流通路分析动态工作情况分析动态工作情况 交流通路的画法：交流通路的画法： Rb RCRL ui uo 交流通道交流通道 Rb +VCC RC C1 C2 RL 3.交流负载线交流负载线 输出端接入负载输出端接入负载RL：不影响不影响Q 影响动态！影响动态！ 交流负载线交流负载线 Rb RCRL ui
50、 uo ic uce 其中：其中：CLLR/RR uce=-ic（RC/RL） = -ic RL 交流量交流量ic和和uce有如下关系：有如下关系： 这就是说，交流负载线的斜率为：这就是说，交流负载线的斜率为： L R 1 uce=-ic（RC/RL）= -ic RL 或或ic=（-1/ RL） uce 交流负载线的作法：交流负载线的作法： 斜斜 率为率为- -1/RL 。（ RL= RLRc ） 经过经过Q点。点。 交流负载线的作法交流负载线的作法 IC UCE VCC C CC R V Q IB 交流负载线交流负载线 直流负载线直流负载线 斜斜 率为率为- -1/RL 。 （ RL= RL
