1、电子器件与电子电路基础全册电子器件与电子电路基础全册 配套最完整精品课件配套最完整精品课件1 第一篇 电子器件与 电子电路基础 第一章 半导体二极管及其电路分析 1.1.1 二极管的结构、特性与参数 电路符号 空心三角形箭头表示实际电流方向：空心三角形箭头表示实际电流方向： 电流从电流从P流向流向N。 一、二极管的结构与类型 （P）（N） 二极管由一个PN结， 加相应的电极引线和 管壳封装而成。 半导体的导电特性半导体的导电特性 1. 本征半导体 r PN结的机理与特性 (p.597附录A) 导电性能介于导体（如铜、铁等）与绝缘体（如 石头、木头）之间； 主要有：Si（硅） Ge（锗） GaA
2、s（砷化镓）； 影响半导体的导电性能： 温度、纯度。 纯净的半导体称为本征半导体。 以硅(Si)为例： 最外层有4个电子，受 原子核的束缚力最小， 称为价电子价电子。导电性 能与价电子有关。 硅原子结构 简化模型 (+4)表示原子核和内层 电子所组成的惯性核 的电荷。 硅制成单晶后，原子按一定规律整齐排列。 价电子受相邻原子核 的作用，形成共价键共价键。 共价键中的价电子获 得足够的能量时（温 度或光照）挣脱共价 键的束缚，成为自由自由 电子电子。同时，在共价 键中留下空位，称为 空穴空穴。 自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对电子空穴对。 电子空穴对的产生称为本征激发本征激发（热激发热
3、激发）。 在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流子参 加导电。空穴也可以看成是携带正电荷的载流子。 出现空穴后，共价键中的价电子就较易填补到这个 空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移 动。 在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可 能重新回到共价键中，称为复合复合。 在一定温度下，电子空穴对的热激发与复合达到动 态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。 导电能力由电子空穴对的浓度决定。常温下，本征 硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的 3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。 2. 杂质半导体 为了提高提高半导体的导电能力导电能力，掺入某些微量的元 素作为杂质，称为杂质半导
4、体。 (1) N型半导体型半导体 掺入磷、砷等五价 元素。 多余的价电子成为自 由电子，且浓度远远 超过电子空穴对。 自由电子为多子多子； 空穴为少子少子。 (2) P型半导体型半导体 掺入硼、镓等三价 元素。 空穴为多子； 自由电子为少子。 这种半导体以空穴 导电为主，称为P型 半导体。 杂质半导体中，多子浓度由杂质的含量决定，少 子的浓度主要由温度决定。 3. 半导体中载流子的运动 漂移运动 扩散运动 在电场作用下的定向运 动。自由电子与空穴产 生的电流方向一致。 载流子由浓度高的区域向 浓度低的区域扩散。 PN结的形成 在N型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺， 掺入三价元素，使之形成
5、P型区，则在P区和N区 之间的交界面处将形成一个很薄的空间电荷层， 称为PN结。PN结的典型厚度为0.5m。 P区空穴(多子)向N区扩散， 留下不能移动的负离子； N区电子(多子)向P区扩散， 留下不能移动的正离子； 正负离子形成空间电荷层。 内电场是多子的扩散运 动引起的。 内电场的影响： 阻碍多子的扩散运动 促进少子的漂移运动 多子扩散运动使PN结变厚 少子漂移运动使PN结变薄 没有外加电压时，多子扩散电流与少子漂移电流达 到动态平衡。 名称：空间电荷层空间电荷层、势垒区势垒区、 阻挡层阻挡层、高阻区高阻区 阻挡层阻挡层：强调对多子扩散运动的阻挡作用 耗尽层耗尽层：强调PN结内的载流子浓度
6、减到最小 PN结的单向导电性 正偏正偏：P() N() 外加电场与PN结内电场 方向相反 N区电子进入空间电荷 层，使PN结厚度变薄。 多子的扩散电流大大增加 少子的漂移电流远远小于 扩散电流 正向电流近似为多子的扩正向电流近似为多子的扩 散电流散电流 反偏反偏：P() N() 外加电场与内电场方向一致 P区电子（少子）进入空间 电荷层，使PN结厚度变厚。 多子的扩散电流大大减小 少子的漂移电流占优势 反向电流近似为少子的漂反向电流近似为少子的漂 移电流移电流 少子浓度很小，因此反向电反向电 流远远小于正向电流流远远小于正向电流； 少子浓度与外加电压无关， 故称反向饱和电流反向饱和电流。 PN
7、结的正向伏安特性： 正偏时PN结导通，电流由 外加电压和限流电阻决定。 PN结的反向伏安特性： 反偏时PN结的电流很小， 称为截止。 PN结的反向击穿特性 PN结的温度特性 PN结的电容效应 二极管的特性与PN结相 似，参见二极管一节 二极管分类 点接触型 面结合型平面型 结面积结电容应 用 点接触型小小较高频率，检波、混频 平结合型较大大 工频或低频，大电流整流 较大较大大功率整流 平面型 较小较小脉冲数字电路 二、二极管的特性与参数 1. 伏安特性 ) 1( T Vv S eIi IS：反向饱和电流 VT：电压当量，室温下 VT26mV D E OA：死区 开启电压：Vth AB：近似指数
8、规律 BC：近似恒压源 导通电压：Von OD：近似恒流源 DE：反向击穿特性 击穿电压：V(BR) 反向电流：IR 硅二极管与锗二极管的比较 硅二极管锗二极管 开启电压 Vth0.5V0.1V 导通电压 Von0.60.8V(取 0.7V) 0.20.3V(取 0.3V) 反向电流 IR较小(nA 级)较大(A 级) 击穿电压 VBR较大较小 硅2CP6 锗2AP15 击穿特性 当外加反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧 增大，称为反向击穿。 齐纳击穿齐纳击穿： 雪崩击穿雪崩击穿： 外加电场将价电子直接从共价键中拉出 来，使电子空穴对增多，电流增大 当电场足够强时，载流子的漂移运动被 加速，
9、将中性原子中的价电子“撞”出 来，产生新的电子空穴对。形成连锁反 应，使电流剧增。 齐纳击穿多发生在高掺杂 的PN结中 雪崩击穿多发生在低掺杂 的PN结中 4V以下为齐纳击穿 7V以上为雪崩击穿 47V可同时存在 温度特性 温度升高时,反向饱和电流增大,正向电流也增大。 PN结结正向电压正向电压具有具有负温度系数。负温度系数。 温度升高10，IS约增加 1倍，电压减小25mV。 2. 二极管的电容效应 PN结电压变化将引起结区及结外侧载流子数量(电 荷量)的变化，这一效应可用结电容Cj来模拟。 DBj CCC CB(垫垒电容垫垒电容)：PN结外加电压增大，空间电荷层变 窄。所以，垫垒区的电荷量
10、随电压变化而变化。 Barrier Diffusion CD(扩散电容扩散电容)：PN结外侧非平衡载流子有一浓度分 布曲线，当外加电压增大，浓度分布曲线变化相当 于电荷量变化。 非线性 几十pF 正偏时以垫垒电容为主 反偏时以扩散电容为主 3. 二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF 是二极管长期运行时允许通过的最大半波整流电 流平均值。整流电流超过此值时，二极管将被烧坏。 反向击穿电压反向击穿电压V(BR) 当反向电压超过V(BR)时，反向电流剧增，二极管 的单向导电性能被破坏，甚至引起二极管损坏。 反向电流反向电流IR 反向电流越小，管子的单向导电性越好。 1.1.2 二极管基本应
11、用电路分析举例 一、二极管模型 对二极管的非线性进行线性化线性化处理。 大信号模型大信号模型 理想二极管模型理想二极管模型 恒压降模型恒压降模型 当二极管在某一工作点附近电压或电流变化电压或电流变化时的 模型称为小信号模型。 rd称为动态电阻（微变等效电阻） rd的数值与静态工作点静态工作点(Q点)有关 小信号模型小信号模型 tan 1 Qd i v r 二、二极管基本应用电路分析举例 半波整流 整流电路整流电路 tVvsin2 22 22 2T 0 2)( 45. 0 2 22 sin2 1 VVdttV T v AVO 2RM 2VV反向峰值电压 全波整流 tVvvsin2 22221 |
12、sin2| 2 tVvO 22 0 2)( 9 . 0 22 sin2 1 VV dttVv AVO 2RM 22VV 限幅电路限幅电路 |vi| 0.7V，D1、D2截止，vo= vi vi 0.7V，D1导通，vo= 0.7V 上限幅 vi -0.7V，D2导通，vo= -0.7V下限幅 数字电路中，输入只有2种 状态：要么是高电平(+3V)， 要么是低电平(0V)。 VAVBDADBVO 0 V 0 V 0.7 V0 V 3 V 0.7 V3 V 0 V 3.7 V3 V 3 V 0.7 V导通 导通 导通 导通 导通 导通 截止 截止 LLH LHL HHH LLL 真值表真值表 00
13、1 010 111 000 VAVBVO 输入VA“与”VB都有效(高 电平)时，输出VO才有效 (高电平)，称为“与”逻 辑。 “与与”门电路门电路 低压稳压电路低压稳压电路 VO 2VD 1.4V 当由于某种原因（如电网波动、负载变化）引起VI 变化时，VO也将变化。分析VO的变化情况需要用 微变等效电路微变等效电路。 微变等效电路微变等效电路 I d I d d O V R r V rR r V 2 2 2 【例1.1.1】 在低压稳压电路中，设VI12V， R5.1k。若VI变化（10%）， 问输出电压VO变化多少？ I d I d d O V R r V rR r V 2 2 2 解
14、：解： 应先求rd： ) 1( T Vv S eIi di dv rd tan 1 Qd i v r T Vv T S V i e V I dv di T 应先求iID 在分析小信号性能时，应先求电路的静态工作点静态工作点， 然后计算小信号模型参数小信号模型参数，最后求得电路的小信小信 号性能指标号性能指标。 D T d i V r 在低压稳压电路中，设VI12V， R5.1k。若VI变化（10%）， 问输出电压VO变化多少？ 解：解：VO1.4 V mA 08. 2 1 . 5 4 . 112 R VV I OI D 5 .12 08. 2 26 D T d i V r mV 88. 5)2
15、 . 1( 101 . 5 5 .122 2 2 2 3 I d I d d O V R r V rR r V 1.1.3 特种二极管 利用反向击穿特性 稳压范围从1V到几百伏 一、稳压二极管 主要参数： 稳定电压VZ 动态电阻rz ZZz IVr rz愈小，则击穿特性愈 陡，稳压特性愈好。 最大允许耗散功率PZM 最大稳定电流IZ(max) ZZMZ VPI (max) 最小稳定电流IZ(min) 反向击穿区起始电流 【例1.1.2】 设计一个硅稳压管稳压电路，要求输出电压VO6V， 最大负载电流为20mA，设外加输入电压VI为+12V。 解：解：电路结构如图所示。 选用2CW14，其稳定电
16、 压VZ6V，稳定电流 为 10 mA，最大稳定电 流为33mA。 200 k02. 0k01. 0 V6V12 (max)LZ OI II VV R R选标称值为200 的电阻。 33mAmA30 (max) R VV I OI Z 二、发光二极管 电致发光器件，将电信号转换成 光信号。 通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化 镓（GaP)制成 光的波长（颜色）与材料有关 正偏导通时发光 发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二 极管大，正向电压一般为1.32.4V。亮度与正向 电流成正比，一般需要几个毫安以上。 三、光电二极管 正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反 向饱和电流，称为暗电
17、流；有光照时，PN结受光 激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光电流。 通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。 光电二极管的电流与照度成正比，用于信号检测、 光电传感器、电机转速测量等。 四、变容二极管 反向偏置时，PN结 的等效电阻很大， 等效电容与所加反 向电压的大小有关。 变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，通常 用于高频电路，如电视机高频头中的压控可变电 容器。 五、肖特基二极管 主要特点是导通电压较低(0.4V左右)，导通 时存储的非平衡载流子数量少，夹断时间很夹断时间很 短短，在高速数字电路高速数字电路中获得很好的应用。 第二章 半导体三极管及其电路分析 1.2.1 三极
18、管的结构、特性与参数 一、三极管的结构与类型 半导体三极管又称为晶体管、三极管、双 极型晶体管、BJT 。 三极管由2个背靠背的PN结组成，分为 NPN型、PNP型。 三极管又分为硅三极管、锗三极管。 NPN型三极管 箭头表示发射结 正偏时的实际电 流方向。 采用平面管制造工艺，在 N型底层上形成两个PN结。 c：Collector 集电极 b：base 基极 e：emitter 发射极 工艺特点：e区掺杂浓度高， b区薄， c结面积大 。 PNP型三极管 发射结正偏（VBE 0）时，电流从b 极流出。 在P型底层上形成 两个PN结。 载流子运动 (以NPN管为例） 发射区向基区大量 注入电子
19、（多子）； 新注入的电子小部 分被基区的多子 （ 空穴）复合； 大部分注入的电子 被拉入集电区。 集电结反偏，少子 形成反向饱和电流 ICBO。 条件（放大状态）： 发射结正偏(VBE0) 集电结反偏(VCB0) 三极管内部结构特点 发射区掺杂浓度远 大于集电区，以尽 可能多提供载流子； 基区很薄，且掺杂浓 度低，以减小载流子 的复合机会； 集电区结面积较大，以利于收集载流子。 CBE III 1 BC II EEC III 对于PNP型三极管 三极管存在电流控 制能力。 四种工作状态 发射结正偏正偏，集电结反偏反偏：放大放大工作状态 发射结反偏反偏，集电结反偏反偏：截止截止工作状态 发射结正
20、偏正偏，集电结正偏正偏：饱和饱和工作状态 发射结反偏反偏，集电结正偏正偏：倒置倒置工作状态 模拟电路 数字 电路 较少应用 三种基本组态 集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。 共基组态（CB） 输入：发射极 输出：集电极 公共端：基极(此处接地) VBE0，发射结正偏， VCB0（VCCVBB）， 集电结反偏。所以三极 管工作在放大状态。 共射组态（CE）共集组态（CC） Je正偏，Jc反偏 定义 E CN E CBOC I I I II E CBOEC I III 称为共基极直流电流共基极直流电流 放大系数放大系数， 995. 095. 0 ICBO称为集电结反向饱集电结反向饱 和电流
21、和电流，其值很小，常 可忽略。 一定条件下，输入/出电流成线性关系，三极管是 一种电流控制器件 共基组态时电流关系（放大状态） 共射组态时电流关系（放大状态） 定义 B C B CEOC I I I II B CEOBC I III 称为共射极直流电流共射极直流电流 放大系数放大系数， 20020 ICEO称为穿透电流穿透电流，其 值较小，也常可忽略。 CBOCB CBOEC III III )( CBOBC III 1 1 1 CBOCEO II)1 ( , 1 , 1 共集组态时电流关系（放大状态） B CEOB CBE I II III )1 ( )1 ( 无论哪种组态，输入电流对输出电
22、流都具有 控制作用，因此三极管是一种电流控制器件。 并且共射和共集组态还具有电流放大作用。 二、三极管的伏安特性曲线 1. 共射极输入特性基极电流iB与发射结电压 vBE之间的关系 constvBEB CE vfi | )( 与PN结正向伏安特 性曲线相似，当vCE 1时，输入伏安特 性基本不变。 集电极电流iC与集-射间电压vCE之间的关系 2. 共射极输出特性 constiCEC B vfi | )( 输出特性曲线族 截止区 饱和区 放大区 发射结反偏，集电结反偏 截止区 thBE Vv硅0.5V，锗0.1V 等效电路 0 , 0 CB ii 发射结正偏，集电结正偏 饱和区 0 , 0 C
23、BBE Vv 其特征是iC随vCE下降而减小。 当vCE不变时, 若增大iB, 则iC基 本不变, 三极管失去放大能力。 当集电结零偏零偏(vCB=0)时称为临临 界饱和界饱和。VCES称饱和压降，ICS 称集电极饱和电流， IBS称基基 极临界饱和电流极临界饱和电流。 IBSICS VCES 当iBIBS时，三极 管进入深饱和 饱和区模型 等效电路 临界饱和： VCES0.7V 深度饱和： VCES0.3V 简化等效电路 发射结正偏，集电结反偏 放大区 V7 . 0 , 0 CEB vi 等效电路 特征是i iC C仅受仅受i iB B控制控制，与与v vCE CE 的大小无关的大小无关，具
24、有恒流恒流特性。 BC ii vBE、vCE 为负值 PNP型三极管 iB、iC的实际流向与 NPN型管相反 横坐标为-vBE、-vCE 三、三极管的主要参数 1. 电流放大倍数 共射极直流电流放大倍数共射极直流电流放大倍数 B C B CEOC I I I II 共射极交流电流放大倍数共射极交流电流放大倍数 12 12 BB CC B C ii ii i i 典型值为20200 共基极直流电流放大倍数共基极直流电流放大倍数 E C E CBOC I I I II 共射极交流电流放大倍数共射极交流电流放大倍数 12 12 EE CC E C ii ii i i 典型值为0.950.995 2.
25、 极间反向电流 集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流 ICBO 是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压 时的反向饱和电流(A级)。与单个PN结的反向电 流一样，主要取决于温度和少子浓度。 穿透电流穿透电流 ICEO 是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压 时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。 CBOCEO II)1 ( ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一， 其值愈小愈好。 ICBO和ICEO与温度密切相关。 3. 极限参数 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当iC超过ICM时，电流放大倍数将显著下降。 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗 PCM PC
26、M表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主 要由管子所允许的温升及散热条件决定。当超过 PCM时，管子可能烧毁。 反向击穿电压反向击穿电压 超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击 穿电压的大小不仅与管子本身的特性有关，还与外 电路的接法有关。 CEOBRCERBRCESBRCBOBR VVVV )()()()( 4. 安全工作区与温度稳定性 安全工作区安全工作区 由三极管的三个极 限参数：PCM、ICM 和V(BR)CEO，在输出 特性曲线上可画出 安全工作区 。 温度稳定性温度稳定性 输入特性：温度上升时，发射结电压下降发射结电压下降（负 温度特性）,温度系数约为-2.5mV/ 。 输出特
27、性：温度上升时，输出特性曲线上移曲线上移， 间距增大间距增大。 1.2.2 三极管放大电路的组成原理 一、放大电路的组成与各元件的作用 共射放大电路共射放大电路 NPN管:放大器件，核心元件 Rb和Rc:提供适合偏置-发射 结正偏，集电结反偏 C1、C2：隔直(耦合)电 容。隔直流通交流。 vs ，Rs: 信号源电压与 内阻 RL:负载电阻,将集电极电流的 变化iC转换为集电极与发 射极间的电压变化vCE 。 二、放大电路的基本工作原理 静态静态(vi=0,假设工作在放大状态) 集电极电流： IC=ICQ=IBQ 集-射间电压： VCE=VCEQ=VCC-ICQRc 静态分析静态分析:又称直流
28、分析，计算三极管的电流和 极间电压值，应采用直流通路(电容开路)。 基极电流： IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb 直流通路 动态动态(vi0) vBE=VBEQ+vbe=VBEQ+vi iB=IBQ+ib iC=ICQ+ic=ICQ+ib vCE=VCEQ+vce=VCEQ-icRL vo=vce=-icRL 输入电压变化会引起输出电压的变 化，这时电路所处的状态称为动态。 放大电路对信号的放大放大 作用是利用三极管的电作用是利用三极管的电 流控制作用来实现流控制作用来实现 ，其 实质上是一种能量转换能量转换 器器。 大写大下标大写大下标：直流量，如IB、 IBQ、VCEQ。 符号表示
29、符号表示 小写小下标小写小下标：交流量，如ib、 vce、vi、vo。 小写大下标小写大下标：瞬时量，如iB、 vCE。 大写小下标大写小下标：交流量的有效值、峰值或 峰峰值，如Ib、Vo、 Vom 、 Vopp。 例：V sin38tvCE V 3 oce VV VCEQ8 V oce vtvV sin3 V 32 omcem VV 瞬时量 直流量(静态分量) 交流量(动态分量) 交流分量的有效值 峰值 构成放大电路的基本原则构成放大电路的基本原则 放大电路必须有合适的静态工作点静态工作点：直流电源的 极性与三极管的类型相配合，电阻的设置要与电 源相配合，以确保器件工作在放大区工作在放大区。
30、 外加输入信号能有效地加到放大器件的输入端加到放大器件的输入端， 使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比 例变化。 经三极管放大后的输出信号（如ic=ib）应能有效 地转变为负载上转变为负载上的输出电压信号。 1.2.3 电压传输特性和静态工作点 一、单管放大电路的电压传输特性 BEB BEB b BEI B vi vfi R vv i , )( 输入回路方程 图解分析法 输入特性曲线 CEC BCEC c CECC C vi ivfi R vV i , ),( 输出回路方程 输出特性曲线 BCDEFG段：放大区放大区 GHI段：饱和区饱和区 AB段：截止区截止区，对应于输 出特性曲线中i
31、B0的 作为放大应用时：Q点应置于E处（放大区中心放大区中心） 若Q点设置C处，易引起截止失真 若Q点设置F处，易引起饱和失真 用于开关控制场合：工作在截止区和饱和区上 二、单管放大电路静态工作点(公式法计算) 单电源固定偏置电路 目的目的：选择合适的Rb，Rc， 使电路工作在放大状态 cCQCCCEQ BCQ b BEQCC BQ RIVV II R VV I 设计时通常令: VBEQ=0.7V,VCEQ=VCC/2， ICQ=XmA 由此求两个偏置电阻 前提前提:已知三极管的参数 【例1.2.2】 已知VCC=12V，VBE=0.7V，=50。 (1)若Rb=280k，RC=3k，求静态工
32、作点Q； (2)若Rb改为110k，其余参数不变，重新计算Q值。 解：解： A40 b BEQCC BQ R VV I (1) 假定工作在放大状态 mA2 BQCQ II 假设成立。 V3 . 0V6 cCQCCCEQ RIVV A 103 b BEQCC BQ R VV I 同样先假定工作在放大状态 mA15. 5 BQCQ II 假设不成立,电路处于饱和状态,需重新计算 mA9 . 3/ )( V3 . 0 cCESCCCSCQ CESCEQ RVVII VV (2) 若Rb改为110k 说明电阻的改变会引起题中的静态工作点变化。 单电源固定偏置电路单电源固定偏置电路不不具有保持具有保持Q
33、点稳定的能力点稳定的能力。 V3 . 0V45. 3 cCQCCCEQ RIVV 110k 在例1.2.2中，若值未知，而已知输出特性 曲线，则可用图解法以求Q点。 直流负载线方程： cCCCCE RIVV 从图中直接读出：ICQ2 mA，VCEQ6 V。 与估算法结果基本相同。 放大电路的Q点确定以后，希望Q点稳定不变点稳定不变。 分压式偏置电路 电路工作原理 时）当 B bb b CCB II RR R VV 1 21 2 ( eCeEE RIRIV 分压式偏置电路的Q点与其参数 (如)无关, 也不受温度的影响。 工作点稳定的偏置电路 V7 . 0 BEQeEBBE VRIVV CQeC
34、bb b CC IRI RR R V 7 . 0 21 2 稳定工作点的另一种解释 温度TICIEVE(=IERe) (VB固定) IC IB VBE (=VB-VE) 在静态情况下，温度上升引起IC增加，由于基极电 位VB固定，该电流增量通过Re产生负反馈，迫使IC 自动下降,使Q点保持稳定。 Re愈大，负反馈作用愈强，稳定性也愈好。但Re过 大，输出的动态范围(vCE)变小，易引起失真。 Rb1、Rb2愈小，VB愈稳定。但它们过小将使放大 能力下降 。 经验公式： I1=(510)IBQ VEQ=IEQRe=0.2VCC (或VEQ=13V) 工程设计时，应综合考虑电阻阻值的影响。 【例1
35、.2.3】 已知VCC=15V, Rb1=36k, Rb2=10k, Rc=3.6k, Re=2k，=60 ， VBE=0.7V。 (1) 估算法求Q点; (2) 验算电路参数是否满足Q点的稳定工作条件。 解：解：(1)求Q点: V26. 3 1036 10 15 21 2 bb b CCB RR R VV mA28. 1 e BEB EQCQ R VV II A21/ CQBQ II V83. 7)( ecCQCCCEQ RRIVV mA 33. 0 1036 15 21 1 bb CC RR V I (2) 验证电路参数是否满足Q点的稳定工作条件 V 56. 2 eEQEQ RIV 7 .
36、 15 021 . 0 33 . 0 1 BQ I I 满足I1 IBQ条件 满足VEQ=13V条件 电路参数满足静态工作点的稳定工作条件。 【例1.2.4】 设VBE=0.7V，=75，其余参数如图中所示。 (1) 用估算法求Q点； (2) 用图解法求Q点。 解：解：(1)估算法: mA 7 . 5)1 ( mA, 63. 5 BQEQBQCQ IIII eBEbBQ eEQBEbBQBB RVRI RIVRIV )1 ( V3 . 0V 37. 6)6 . 04 . 0(63. 512 )( ecCQCCeEQcCQCCCEQ RRIVRIRIVV A 75 6 . 07625 7 . 0
37、6 BQ I (2) 图解法： 输出回路方程 : )( ecCCCCE RRIVV 从图中直接读出: ICQ5.6mA，VCEQ6.4V。 kIV CQCEQ 1V12 称为直流负载线方程直流负载线方程 【例1.2.5】 设计一个PNP管的偏置电路， 设VEB=0.6V,=60，其余参数如 图中所示。为使VECQ=2.5V,试确 定基极偏置电阻Rb的值 。 解：解： A 5 .20 61 25. 1 1 EQ BQ I I BBbBQEBeEEE VRIVRIV mA 25. 1 2 5 . 25 e ECQEE EQ R VV I 或 A 8 .20 60 25. 1 CQ BQ I I k
38、 190 5 .20 225. 16 . 025 b R 1.2.4 三极管的放大与开关应用举例 一、用作放大器 为了用作放大器，三极管必须工作在放大区放大区，外电 路参数应保证电路工作在电压传输特性曲线的线性线性 控制区控制区。 第一步:进行静态分析， 求静态工作点； 第二步:动态分析，求 放大倍数等动态参数。 图中 vI=VBB+vi 设 vi=0.5sint (V) 图1.2.14(a) p.34 静态分析（分析当vi0时的状态） 调节VBB值，使Q点位于E处。 V 6 . 1 V10 V,7 . 0 mA5 . 1 A,35 bBQBEQBB CEQBEQ CQBQ RIVV VV I
39、I 动态分析（考虑vi变化时的状态） 先由输入特性先由输入特性 曲线与曲线与vI求求iB： vI=VBB+vi =1.6+0.5sint (V) iB=IBQ+ib =35+20sint (A) b BEI B R vv i 直线斜率保持不变，直线斜率保持不变，iB 沿输入特性曲线正弦变化。沿输入特性曲线正弦变化。 然后由输出特性曲线与然后由输出特性曲线与iC求求vCE： iC =ICQ+ic =1.5+0.8sint(mA) 12 sin5 . 0 sin6 t t v v V V A i o i o v vCE=VCEQ+vce =10-6sint (V) c CECC C R vV i
40、负载线保持不变，负载线保持不变，iB变化，变化， 工作点工作点沿负载线正弦变化。沿负载线正弦变化。 当输入方波信号时，三极管交替工作在截止区和 饱和区，类似于一个可控开关。 vI=0:三极管截止, iC=0, vO=20V vI=3V:三极管饱和mA 96. 3 mA, 092. 0 25 7 . 03 BCB iii )7 . 0(V 9 . 68 . 696. 320 CES VVvCE 二、用作可控开关（或反相器） 第三章 场效应晶体管及其电路分析 1.3.1 场效应管的结构、特性与参数 场效应管用FET表示（Field Effect Transistor）。具 有输入电阻高、热稳定性好
41、、工艺简单、易于集成 等优点。 绝缘栅型IGFET(或MOS) （Insulted Gate Type） 增强型MOS （Enhancement） 耗尽型MOS （Depletion） 每一种又可分为 N沟道和P沟道。 结型JFET （Junction Type） 本质上是耗尽型，分为N沟道和P沟道。 场效应管分类：场效应管分类： Metal-Oxide-Semiconductor 一、绝缘栅场效应管（IGFET） NMOS增强型增强型 在P型衬底上加2个N+ 区，P型表面加SiO2绝 缘层，在N +区加铝极。 MOS管的栅极与其它 电极绝缘绝缘，所以输入电 阻近似为， iG0 。 s：Sou
42、rce 源极 d：Drain 漏极 g：Gate 栅极 B：Base 衬底 PMOS增强型增强型 箭头表示沟道的 实际电流方向。 PMOS与NMOS的工作原 理完全相同，只是电流 和电压方向不同。 增强型MOS管工作原理 (以NMOS为例） vGS=0, vDS较小：没有导电 沟道(漏源间只是两个“背 向”串联的PN结)， 所以d- s间呈现高阻，iD 0。 当vGS0，且当vGS增强到 足够大：d-s之间便开始形 成导电沟道。 开始形成导电沟道所需的 最 小 电 压 称 为 开 启 电 压开 启 电 压 VGS(th)(习惯上常表示为VT)。 vGS将在栅极与衬底这间产生 一个垂直电场(方向
43、为由栅极 指向衬底)，它使漏-源之间的 P型硅表面感应出电子层(反型反型 层层)使两个N+区连通，形成N型型 导电沟道导电沟道。d、s间呈低阻，所 以在vDS的作用下产生一定的 漏极电流iD。 vGSVT时，vGS对iD的控制作用。 当vGS0时没有导电沟道，而当vGS 增强到VT时 才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且vGS越越 大大，导电沟道越厚，等效电阻越小，iD越大越大。 漏-源电压vDS产生横向电场横向电场：由于沟道电阻的存在， iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生 不均匀分布。近s端电压较高，为vGS；近d端电压 较低，为vGDvGS-vDS，所以沟道呈楔形分布楔形分
44、布。 vGSVT且为定值时，vDS对iD的影响 TGSDS TDSGS Vvv Vvv 0 当 vDS较小时： vDS对导电 沟道的影响不大，沟道主 要受vGS控制， 所以在为 定值时，沟道电阻保持不 变，iD随随vDS 增加而线性增加而线性 增加增加。 TGSDS TDSGS Vvv Vvv TGSDS TDSGS Vvv Vvv 当 vDS增加到vGS-vDSVT时 （即vDSvGS-VT）：漏端 沟道消失，称为“预夹预夹 断断”。 当 vDS再增加时（即vDS vGS-VT）：iD将不再增加将不再增加， 趋向饱和趋向饱和。因为vDS再增加 时，近漏端上的预夹断点 向s极延伸，使vDS的增
45、加部 分降落在预夹断区，以维 持iD的大小。 伏安特性与电流方程 (1) 增强型NMOS管的转移特性 在一定vDS下，栅-源电压vGS与漏极电流iD之间的 关系 constvGSD DS vfi | )( 2 ) 1( T GS DOD V v Ii IDO是vGS=2VT时的 漏极电流。 IDO 表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系 (2) 输出特性(漏极特性) constvDSD GS vfi | )( 可变电阻区 放大区(恒流区、饱和区) 截止区(夹断区) 特性与三极管相似，分为 3个工作区，但工作区的 作用有所不同。 管子导通，但尚未预夹断，即满足的条件为： 可变电阻区 TDS
46、GSTGS VvvVv, 可变电阻区的特征是iD不仅不仅 受受vGS的控制，而且随的控制，而且随vDS增增 大而线性增大大而线性增大。可模拟为 受vGS控制的压控电阻RDS。 constv D DS DS GS i v R 又称恒流区、饱和区。条件是： 放大区 特征是iC主要受主要受vGS控制控制， 与与vDS几乎无关几乎无关，表现为较 好的恒流恒流特性。 TDSGSTGS VvvVv, 夹断区 又称截止区。指管子未导通( vGSVT )时的状态。 0 D i 耗尽型MOS管 制造过程人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入 了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子 。 vGS=0，靠正离子作用，
47、使P型衬底表面感应出N型 反型层，将两个N+区连通，形成原始的形成原始的N型导电型导电 沟道沟道。 vDS一定，外加正栅压(vGS0)，导电沟道变厚，沟 道等效电阻下降，漏极电流iD增大增大； 外加负栅压(vGS0)时，沟道变薄，沟道电阻增大， iD减小减小。 vGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电夹断电 压压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD0，管 子截止 。 放大区的电流方程： 耗尽型NMOS的伏安特性 2 )1 ( P GS DSSD V v Ii IDSS为饱和漏极电流饱和漏极电流， 是vGS=0时耗尽型MOS 管的漏极电流。 NMOS PMOS 二、结型效应
48、管（JFET） 结构与符号 N区作为N型导电沟道，引出s极和d极。 在N区两侧扩散两个P区，形成两个PN结。 两个P区相连，引出g极，没有衬底B极。 N沟道P沟道 JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截 面积）控制iD，称为体内场效应体内场效应器件； MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制 iD，称为表面场效应表面场效应器件。 vGS0时，存在N型导电沟道 （N型区）。 vGS0时，耗尽层增厚，导电 沟道变薄。 所 以 属 于 耗 尽 型 F E T ， 原 理 和 特 性 与 耗 尽 型 MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个两个 PN结必须反偏结必须反偏
49、，如对N沟道JFET，要求vGS0。 工作原理 JFET的伏安特性 （以N沟道JFET为例） 伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。 但要求VGS不能正偏。 三、场效应管的主要参数 直流参数 开启电压开启电压 VT 增强型管的参数。 夹断电压夹断电压 VP 耗尽型管的参数。 输入电阻输入电阻 RGS(DC) 因iG=0，所以输入电阻很大。JFET大于107， MOS管大于109 。 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 指耗尽型管在vGS=0时的漏极电流。 交流参数 低频跨导低频跨导(互导互导) gm 交流输出电阻交流输出电阻 rds const DS v GS D m v i g c
50、onst GS v D DS ds i v r 跨导gm反映了栅压对漏极电流的控制能力，且 与工作点有关，是转移特性曲线的斜率。gm的 单位是mS。 rds反映了漏-源电压变化量对漏极电流变化量的 影响，在恒流区内，是输出特性曲线的切线斜 率的倒数。其值一般为若几十k。 极限参数 最大漏最大漏-源电压源电压 V(BR)DS 漏极附近发生雪崩击穿时的vDS。 最大栅最大栅-源电压源电压 V(BR)GS 栅极与源极间PN结的反向击穿电压 。 最大耗散功率最大耗散功率 PDM 同三极管的PCM相似。受管子的最高工作温度 及散热条件决定。当超过PDM时，管子可能烧 坏。 1.3.2 场效应管放大电路
