第四章 常用半導(dǎo)體器件原理

第四章常用半導(dǎo)體器件原理第一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.1.1本征半導(dǎo)體純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。

硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子，每個(gè)價(jià)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷。因?yàn)檎麄€(gè)原子呈電中性，而其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價(jià)電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡化模型代表。2第二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五每個(gè)原子最外層軌道上的四個(gè)價(jià)電子為相鄰原子核所共有，形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。

價(jià)電子可以獲得足夠大的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價(jià)鍵處留下帶有一個(gè)單位的正電荷的空穴。這個(gè)過程稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。3第三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五

價(jià)電子的反向遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等價(jià)為空穴在半導(dǎo)體中自由移動(dòng)。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。

自由電子和空穴在自由移動(dòng)過程中相遇時(shí)，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對載流子，這個(gè)過程稱為復(fù)合，4第四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五

平衡狀態(tài)時(shí)，載流子的濃度不再變化。分別用ni和pi表示自由電子和空穴的濃度(cm-3)，理論上其中T為絕對溫度(K)；EG0為T=0K時(shí)的禁帶寬度，硅原子為1.21eV，鍺為0.78eV；k=8.6310-5eV/K為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)，硅材料為3.871016cm-3K-3/2，鍺為1.761016cm-3K-3/2。4.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對很少，這說明本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。我們可以人工少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這樣獲得的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

5第五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五一、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)原子，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子，就提供一個(gè)自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度一一施主電離多數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一空穴但半導(dǎo)體仍保持電中性

熱平衡時(shí)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度ni的平方，所以空穴的濃度pn為

因?yàn)閚i容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化，所以pn也隨環(huán)境的改變明顯變化。自由電子濃度雜質(zhì)濃度6第六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)原子，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子，就提供一個(gè)空穴，從而大量增加了空穴的濃度一一受主電離多數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一自由電子但半導(dǎo)體仍保持電中性

而自由電子的濃度np為環(huán)境溫度也明顯影響np的取值?？昭舛葥诫s濃庹7第七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.1.3漂移電流和擴(kuò)散電流

半導(dǎo)體中載流子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，就會形成半導(dǎo)體中的電流。半導(dǎo)體電流

半導(dǎo)體電流漂移電流：在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流，該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強(qiáng)度。擴(kuò)散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時(shí)，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散電流，該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。8第八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.2PN結(jié)

通過摻雜工藝，把本征半導(dǎo)體的一邊做成P型半導(dǎo)體，另一邊做成N型半導(dǎo)體，則P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面處會形成一個(gè)有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為PN結(jié)。4.2.1PN結(jié)的形成多子擴(kuò)散

空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生少子漂移動(dòng)態(tài)平衡9第九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五

空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對稱的PN結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一邊延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。10第十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸?、正向偏置的PN結(jié)正向偏置耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱正向電流二、反向偏置的PN結(jié)反向偏置耗盡區(qū)變寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)反向電流11第十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕篜N結(jié)只需要較小的正向電壓，就可以使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。而在反偏時(shí)，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。4.2.3PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)PN結(jié)上的反向電壓足夠大時(shí)，其中的反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿。

雪崩擊穿：反偏的PN結(jié)中，耗盡區(qū)中少子在漂移運(yùn)動(dòng)中被電場作功，動(dòng)能增大。當(dāng)少子的動(dòng)能足以使其在與價(jià)電子碰撞時(shí)發(fā)生碰撞電離，把價(jià)電子擊出共價(jià)鍵，產(chǎn)生一對自由電子和空穴，連鎖碰撞使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的PN結(jié)中。齊納擊穿：在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強(qiáng)的電場。電場強(qiáng)到能直接將價(jià)電子拉出共價(jià)鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使得反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。

PN結(jié)擊穿時(shí)，只要限制反向電流不要過大，就可以保護(hù)PN結(jié)不受損壞。PN結(jié)擊穿12第十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.2.4PN結(jié)的電容特性

PN結(jié)能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關(guān)，這說明PN結(jié)具有電容效應(yīng)。一、勢壘電容CT0為u=0時(shí)的CT，與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在1/3~6之間。當(dāng)反向電壓u絕對值增大時(shí)，CT將減小。13第十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、擴(kuò)散電容

PN結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴(kuò)散電容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，CD遠(yuǎn)大于CT，即Cj

CD；反偏的PN結(jié)中，CT遠(yuǎn)大于CD，則Cj

CT。14第十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.3晶體二極管

二極管可以分為硅二極管和鍺二極管，簡稱為硅管和鍺管。4.3.1二極管的伏安特性一一指數(shù)特性IS為反向飽和電流，q為電子電量(1.60

10-19C)；UT=kT/q，稱為熱電壓，在室溫27℃即300K時(shí)，UT=26mV。一、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿當(dāng)uD>0且超過特定值UD(on)時(shí)，iD變得明顯，此時(shí)認(rèn)為二極管導(dǎo)通，UD(on)稱為導(dǎo)通電壓(死區(qū)電壓)；uD<0時(shí)，二極管是截止的；當(dāng)反向電壓足夠大時(shí)，PN結(jié)擊穿，二極管中的反向電流急劇增大，二極管被擊穿。15第十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、二極管的管壓降

當(dāng)電源電壓E變化時(shí)，負(fù)載線平移到新的位置，雖然ID有比較大的變化，UD變化卻不大，仍然近似等于UD(on)，所以也可以認(rèn)為UD(on)是導(dǎo)通的二極管兩端固定的管壓降。三、二極管的電阻直流電阻交流電阻16第十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五RD

和rD隨工作點(diǎn)的位置變化而改變4.3.2溫度對二極管伏安特性的影響T增大；

Is增大，T增大10倍，Is增大一倍。減小，雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。17第十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.3.3二極管的近似伏安特性和簡化電路模型18第十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五【例4.3.1】電路如圖(a)所示，計(jì)算二極管中的電流ID。已知二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.6V，交流電阻rD近似為零。解：可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將相應(yīng)的電路模型代入，得到圖(b)。節(jié)點(diǎn)A的電壓UA

=E

-I1R1

=-I2R2

=-E

+UD(on)

=-5.4，解得I1

=5.7mA，I2

=5.4mA，于是ID

=I1

+I2

=11.1mA。19第十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五工作電流IZ可以在IZmin到IZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向電壓成為穩(wěn)定電壓UZ。IZ應(yīng)大于IZmin以保證較好的穩(wěn)壓效果。同時(shí)，外電路必須對IZ進(jìn)行限制，防止其太大使管耗過大，甚至燒壞PN結(jié)，如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為PM，則IZ應(yīng)小于IZmax

=PM

/UZ。

4.3.4穩(wěn)壓二極管20第二十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五21第二十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.3.2］穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓UZ=6V。當(dāng)限流電阻R=200時(shí)，求工作電流IZ

和輸出電壓UO；當(dāng)R=11k時(shí)，再求IZ

和UO。

解：當(dāng)R=200

時(shí)，穩(wěn)壓二極管DZ處于擊穿狀態(tài)當(dāng)R=11k

時(shí)，DZ處于截止?fàn)顟B(tài)，IZ

=022第二十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.3.5二極管應(yīng)用電路舉例

一、整流電路

［例4.3.3］分析圖(a)所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。

23第二十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：當(dāng)ui>0.7V時(shí)，D處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓uo=ui-0.7；當(dāng)ui<0.7V時(shí)，D處于截止?fàn)顟B(tài)，等效成開路，所以uo=0。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(b)所示，傳輸特性則如圖(c)所示。電路實(shí)現(xiàn)的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on)

得到輸出。

24第二十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.3.4］分析圖(a)所示的二極管橋式整流電路的工作原理，其中的二極管D1~D4為理想二極管，輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。

25第二十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：當(dāng)ui>0時(shí)，D1和D2上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而D3和D4上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出電壓uo的正極與ui的正極通過D1相連，它們的負(fù)極通過D2相連，所以uo=ui；當(dāng)ui<0時(shí)，D1和D2上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，而D3和D4上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)。uo的正極與ui的負(fù)極通過D4相連，D3則連接了uo的負(fù)極與ui的正極，所以uo=-ui。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(b)所示，傳輸特性則如圖(c)所示。電路實(shí)現(xiàn)的是全波整流。

26第二十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.3.5］分析圖示電路的輸出電壓uo的波形和傳輸特性。

27第二十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：當(dāng)輸入電壓ui>0時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，電路等效為圖(b)所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；當(dāng)ui<0時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，等效電路如圖(c)所示，此時(shí)uo=u-=u+=0。據(jù)此可以根據(jù)ui的波形畫出uo的波形以及傳輸特性，如圖(d)所示。

28第二十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五例4.3.5給出的是精密半波整流電路。為了實(shí)現(xiàn)精密全波整流，可以利用集成運(yùn)放加法器，將半波整流的輸出與原輸入電壓加權(quán)相加。如圖所示，uo=-ui-2uo1。當(dāng)ui>0時(shí)，uo1=-ui，uo=ui；當(dāng)ui<0時(shí)，uo=-ui。

因此在任意時(shí)刻有uo=|ui|，所以該電路也稱為絕對值電路。

29第二十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、限幅電路［例4.3.6］二極管限幅電路如圖(a)所示，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

30第三十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：D處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時(shí)，其支路兩端電壓為

E+UD(on)=2.7V。當(dāng)ui>2.7V時(shí)，D導(dǎo)通，所以uo=2.7V；當(dāng)ui<2.7V時(shí)，D截止，其支路等效為開路，uo=ui。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖(c)所示，該電路把ui超出2.7V的部分削去后進(jìn)行輸出，是上限幅電路。

31第三十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.3.7］二極管限幅電路如圖(a)所示，其中二極管D1和D2的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.3V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

32第三十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：D1處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時(shí)，其支路兩端電壓為-E-UD(on)=-2.3V。當(dāng)ui<-2.3V時(shí)，D1導(dǎo)通，uo=-2.3V；當(dāng)ui>-2.3V時(shí)，D1截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D1實(shí)現(xiàn)了下限幅；D2處于臨界狀態(tài)時(shí)，其支路兩端電壓為

E+UD(on)=2.3V。當(dāng)ui>2.3V時(shí)，D2導(dǎo)通，uo=2.3V；當(dāng)ui<2.3V時(shí)，D2截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D2實(shí)現(xiàn)了上限幅。綜合uo的波形如圖(c)所示，該電路把ui超出2.3V的部分削去后進(jìn)行輸出，完成雙向限幅。

33第三十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍，以保護(hù)后級電路的安全工作。設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，在圖中，當(dāng)-0.7V<ui<0.7V時(shí)，二極管D1和D2都截止，電阻R1和R2中沒有電流，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間的電壓為ui；當(dāng)ui>0.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，R1、D1和R2構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運(yùn)放輸入端的電壓被限制在UD(on)=0.7V；當(dāng)ui<-0.7V時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，R1、D2和R2構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運(yùn)放輸入端的電壓被限制在-UD(on)=-0.7V。該電路把ui限幅到0.7V到-0.7V之間，保護(hù)集成運(yùn)放。34第三十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五圖中，當(dāng)-0.7V<ui<5.7V時(shí)，二極管D1和D2都截止，ui直接輸入A/D；當(dāng)ui>5.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，A/D的輸入電壓被限制在5.7V；當(dāng)ui<-0.7V時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，A/D的輸入電壓被限制在-0.7V。該電路對ui的限幅范圍是-0.7V到5.7V。35第三十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.3.8］穩(wěn)壓二極管限幅電路如圖(a)所示，其中穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓UZ=5V，導(dǎo)通電壓UD(on)

近似為零。輸入電壓ui的波形在圖(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

36第三十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：當(dāng)|ui|<1V時(shí)，DZ1和DZ2都處于截止?fàn)顟B(tài)，其支路相當(dāng)于開路，電路是電壓放大倍數(shù)為-5的反相比例放大器，uo=-5ui，uo最大變化到5V；當(dāng)|ui|>1V時(shí)，DZ1和DZ2一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)擊穿，此時(shí)反饋電流主要流過穩(wěn)壓二極管支路，uo穩(wěn)定在5V。由此得到圖(c)所示的uo波形。

37第三十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五圖示電路為單運(yùn)放弛張振蕩器。其中集成運(yùn)放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或-UEE，R3隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2限幅后的電壓。仍然認(rèn)為DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ，而導(dǎo)通電壓UD(on)近似為零。經(jīng)過限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH=UZ或低電壓UOL=-UZ。38第三十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五三、電平選擇電路［例4.3.9］圖(a)給出了一個(gè)二極管電平選擇電路，其中二極管D1和D2為理想二極管，輸入信號ui1和ui2的幅度均小于電源電壓E，波形如圖(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號uo的波形。

39第三十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五解：因?yàn)閡i1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)。不妨假設(shè)ui1<ui2，則D1導(dǎo)通后，uo=ui1，結(jié)果D2上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)；反之，當(dāng)ui1>ui2時(shí)，D2導(dǎo)通，D1截止，uo=ui2；只有當(dāng)ui1=ui2時(shí)，D1和D2才同時(shí)導(dǎo)通，uo=ui1=ui2。uo的波形如圖(b)所示。該電路完成低電平選擇功能，當(dāng)高、低電平分別代表邏輯1和邏輯0時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了邏輯“與”運(yùn)算。

40第四十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五四、峰值檢波電路［例4.3.10］分析圖示峰值檢波電路的工作原理。

解：電路中集成運(yùn)放A2起電壓跟隨器作用。當(dāng)ui>uo時(shí)，uo1>0，二極管D導(dǎo)通，uo1對電容C充電，此時(shí)集成運(yùn)放A1也成為跟隨器，uo=uCui，即uo隨著ui增大；當(dāng)ui<uo時(shí)，uo1<0，D截止，C不放電，uo=uC保持不變，此時(shí)A1是電壓比較器。波形如圖(b)所示。電路中場效應(yīng)管V用作復(fù)位開關(guān)，當(dāng)復(fù)位信號uG到來時(shí)直接對C放電，重新進(jìn)行峰值檢波。

41第四十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.4雙極型晶體管

NPN型晶體管

PNP型晶體管

晶體管的物理結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)相對基區(qū)重?fù)诫s；基區(qū)很薄，只有零點(diǎn)幾到數(shù)微米；集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積。

42第四十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子

電子注入電流IEN，空穴注入電流IEP

二、基區(qū)中自由電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合

基區(qū)復(fù)合電流IBN

三、集電區(qū)收集自由電子

收集電流ICN

反向飽和電流ICBO4.4.1晶體管的工作原理43第四十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五晶體管三個(gè)極電流與內(nèi)部載流子電流的關(guān)系：

44第四十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關(guān)系：晶體管的放大能力參數(shù)

45第四十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五晶體管的極電流關(guān)系

描述：描述：

46第四十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.2晶體管的伏安特性一、輸出特性

放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏)共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：共基極交流電流放大倍數(shù)：近似關(guān)系：

恒流輸出和基調(diào)效應(yīng)飽和區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏)

飽和壓降

uCE(sat)

截止區(qū)(發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏)

極電流絕對值很小47第四十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、輸入特性

當(dāng)uBE大于導(dǎo)通電壓UBE(on)時(shí)，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下uBE近似等于UBE(on)，所以也可以認(rèn)為UBE(on)是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)uBE<UBE(on)時(shí)，晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。晶體管電流方程：48第四十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.3晶體管的近似伏安特性和簡化直流模型近似伏安特性簡化直流模型I——放大區(qū)II——飽和區(qū)III——截止區(qū)49第四十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.4直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析實(shí)際應(yīng)用需要使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。這是通過控制發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的正偏與反偏來實(shí)現(xiàn)的。

確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：

1．根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。如果發(fā)射結(jié)反偏或正偏電壓不到|UBE(on)|，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IB、IC和IE均為零，再由外電路計(jì)算極間電壓UBE、UCE和UCB；2．如果第1步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達(dá)到|UBE(on)|，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。如果集電結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時(shí)UBE=UBE(on)。根據(jù)外電路和UBE(on)計(jì)算IB，接下來IC=bIB，IE=IB+IC。再由這三個(gè)極電流和外電路計(jì)算UCE和UCB；3．如果第2步判斷集電結(jié)正偏，則晶體管處于飽和狀態(tài)。這時(shí)UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)，UCB=UCE-UBE，再由這三個(gè)極間電壓和外電路計(jì)算IB、IC和IE。50第五十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.4.1］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=0.6V，=50。當(dāng)輸入電壓UI分別為0V、3V和5V時(shí)，判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算輸出電壓UO。

解：晶體管三個(gè)極電流的正方向如圖中所示。當(dāng)UI=0V時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；當(dāng)UI=3V時(shí)，晶體管處于放大或飽和狀態(tài)，假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，IB=[UI-UBE(on)]/RB

=40A，IC=bIB=2mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V>0，所以集電結(jié)反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)UI=5V時(shí)，計(jì)算得到UCB=-3.28V<0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat)

。

51第五十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.4.2］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=-0.7V，=50。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算IB、IC和UCE。

解：圖中晶體管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A<0，所以晶體管處于放大或飽和狀態(tài)。IC=bIB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V<0，所以集電結(jié)反偏，晶體管處于放大狀態(tài)，IB=-37.4A，IC=-1.87mA，UCE=UCB+UBE(on)=-4.44V。

52第五十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.5晶體管應(yīng)用電路舉例

一、對數(shù)和反對數(shù)運(yùn)算電路

晶體管的電流方程圖中，UO=-UBE=-UTln(IC/IS)，又IC=UI/R，所以這樣就實(shí)現(xiàn)了對數(shù)運(yùn)算。53第五十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五圖中，輸出電壓UO=ICR=-ISRexp(-UBE/UT)，而輸入電壓UI=-UBE，因此從而實(shí)現(xiàn)了UO和UI之間的反對數(shù)(指數(shù))運(yùn)算。

54第五十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、

值測量電路

圖示電路用以測量晶體管的共發(fā)射極電流放大倍數(shù)

。因?yàn)镮C

=(U1

-U2)/R1，IB

=UO

/R2，所以

據(jù)此可以根據(jù)電壓表的讀數(shù)UO，結(jié)合預(yù)設(shè)電壓U1和U2以及電阻R1和R2計(jì)算

。

55第五十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五三、恒流源電路

如圖所示，穩(wěn)壓二極管DZ的穩(wěn)定電壓UZ

=6V。UZ通過集成運(yùn)放A傳遞到電阻R2上端，于是有IO

=IC

IE

=UZ

/R2

=20mA。

56第五十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.5.1結(jié)型場效應(yīng)管

4.5場效應(yīng)管

57第五十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五一、工作原理

飽和電流IDSS夾斷電壓UGS(off)

柵極電流IG

0輸入阻抗很大UGS增大導(dǎo)電溝道變窄ID減小58第五十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二、輸出特性恒流區(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|=|uDS

-uGS|>|UGS(off)|)uGS和iD為平方率關(guān)系。預(yù)夾斷導(dǎo)致uDS對iD的控制能力很弱?？勺冸娮鑵^(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且

|uDG|<|UGS(off)|)

uDS的變化明顯改變iD的大小。

截止區(qū)(|uGS|>|UGS(off)|)

iD

=059第五十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五三、轉(zhuǎn)移特性預(yù)夾斷60第六十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.5.2絕緣柵場效應(yīng)管

絕緣柵場效應(yīng)管記為MOSFET，根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)電溝道，MOSFET又分為增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET。

61第六十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五一、工作原理

UGS=0ID＝0UGS>UGS(th)電場反型層導(dǎo)電溝道ID>0UGS控制ID的大小N溝道增強(qiáng)型MOSFET62第六十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五N溝道耗盡型MOSFET在UGS

=0時(shí)就存在ID=ID0。UGS的增大將增大ID。當(dāng)UGS

<0時(shí)，且|UGS|足夠大時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，ID

=0，此時(shí)的UGS為夾斷電壓UGS(off)

。

N溝道耗盡型MOSFET二、特性曲線

預(yù)夾斷N溝道增強(qiáng)型MOSFET63第六十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五n為導(dǎo)電溝道中自由電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；Cox為單位面積的柵極電容；W和L分別為導(dǎo)電溝道的寬度和長度，W/L為寬長比。64第六十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五N溝道耗盡型MOSFET65第六十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五4.5.3各種場效應(yīng)管的比較以及場效應(yīng)管與晶體管的對比

電路符號

特性曲線66第六十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五［例4.5.1］判斷