第十四章電路

1、緒 論 一、電子技術的發(fā)展一、電子技術的發(fā)展 二、模擬信號與模擬電路二、模擬信號與模擬電路 三、電子信息系統(tǒng)的組成三、電子信息系統(tǒng)的組成 四、模擬電子技術基礎課的特點四、模擬電子技術基礎課的特點 五、如何學習這門課程五、如何學習這門課程 六、課程的目的六、課程的目的 一、電子技術的發(fā)展 電子技術的發(fā)展，推動計算機技術的發(fā)展，使之電子技術的發(fā)展，推動計算機技術的發(fā)展，使之“無孔不無孔不 入入”，應用廣泛！，應用廣泛！ 廣播通信：發(fā)射機、接收機、擴音、錄音、程控交換機、電廣播通信：發(fā)射機、接收機、擴音、錄音、程控交換機、電 話、手機話、手機 網(wǎng)絡：路由器、網(wǎng)絡：路由器、ATMATM交換機、收發(fā)器、

2、調制解調器交換機、收發(fā)器、調制解調器 工業(yè)：鋼鐵、石油化工、機械加工、數(shù)控機床工業(yè)：鋼鐵、石油化工、機械加工、數(shù)控機床 交通：飛機、火車、輪船、汽車交通：飛機、火車、輪船、汽車 軍事：雷達、電子導航軍事：雷達、電子導航 航空航天：衛(wèi)星定位、監(jiān)測航空航天：衛(wèi)星定位、監(jiān)測 醫(yī)學：醫(yī)學：刀、刀、CTCT、B B超、微創(chuàng)手術超、微創(chuàng)手術 消費類電子：家電（空調、冰箱、電視、音響、攝像機、照消費類電子：家電（空調、冰箱、電視、音響、攝像機、照 相機、電子表）、電子玩具、各類報警器、保安系統(tǒng)相機、電子表）、電子玩具、各類報警器、保安系統(tǒng) 電子技術的發(fā)展很大程度上反映在元器件的發(fā)展 上。從電子管半導體管集成

3、電路 1904年年 電子管問世電子管問世 1947年年 晶體管誕生晶體管誕生 1958年集成電年集成電 路研制成功路研制成功 電子管、晶體管、集成電路比較電子管、晶體管、集成電路比較 半導體元器件的發(fā)展 1947年年 貝爾實驗室制成第一只晶體管貝爾實驗室制成第一只晶體管 1958年年 集成電路集成電路 1969年年 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 1975年年 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 第一片集成電路只有第一片集成電路只有4個晶體管，而個晶體管，而1997年一片集成電路年一片集成電路 中有中有40億個晶體管。有科學家預測，集成度還將按億個晶體管。有科學家預測，集成度還將按10倍倍/6年年

4、 的速度增長，到的速度增長，到2015或或2020年達到飽和。年達到飽和。 二、模擬信號與模擬電路 1. 電子電路中信號的分類電子電路中信號的分類 數(shù)字信號數(shù)字信號：離散性：離散性 模擬信號：連續(xù)性。模擬信號：連續(xù)性。大多數(shù)物理量為模擬信號。大多數(shù)物理量為模擬信號。 2. 模擬電路模擬電路 模擬電路模擬電路是對模擬信號進行處理的電路。是對模擬信號進行處理的電路。 最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放 大電路。大電路。 其它模擬電路多以放大電路為基礎。其它模擬電路多以放大電路為基礎。 “1”的電的電 壓當量壓當量 “1”的倍數(shù)的倍數(shù) 介

5、于介于K與與K+1之之 間時需根據(jù)閾值間時需根據(jù)閾值 確定為確定為K或或K+1 任何瞬間的任何任何瞬間的任何 值均是有意義的值均是有意義的 三、電子信息系統(tǒng)的組成 模擬電子電路模擬電子電路 數(shù)字電子電路（系統(tǒng)）數(shù)字電子電路（系統(tǒng)） 傳感器傳感器 接收器接收器 隔離、濾隔離、濾 波、放大波、放大 運算、轉運算、轉 換、比較換、比較 功放功放 模擬模擬- -數(shù)字混合電子電路數(shù)字混合電子電路 模擬電子系統(tǒng)模擬電子系統(tǒng) 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 四、模擬電子技術基礎課的特點 1、工程性工程性 實際工程需要證明其可行性。實際工程需要證明其可行性。強調定性分析。強調定性分析。 實際工程在滿足基本性能指標的前提下總

6、是容許存實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許存 在一定的誤差范圍的。在一定的誤差范圍的。 定量分析為定量分析為“估算估算”。 近似分析要近似分析要“合理合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 電子電路歸根結底是電路。電子電路歸根結底是電路。不同條件下構造不同模型。不同條件下構造不同模型。 2. 實踐性實踐性 常用電子儀器的使用方法常用電子儀器的使用方法 電子電路的測試方法電子電路的測試方法 故障的判斷與排除方法故障的判斷與排除方法 EDA軟件的應用方法軟件的應用方法 五、如何學習這門課程 1. 掌握掌握基本概念、基本電路和基本分析方法基本概念、基本電路和基本分

7、析方法 基本概念：基本概念：概念是不變的，應用是靈活的，概念是不變的，應用是靈活的， “萬萬 變不離其宗變不離其宗”。 基本電路：基本電路：構成的原則是不變的，具體電路是多種構成的原則是不變的，具體電路是多種 多樣的。多樣的。 基本分析方法：基本分析方法：不同類型的電路有不同的性能指標不同類型的電路有不同的性能指標 和描述方法，因而有不同的分析方法。和描述方法，因而有不同的分析方法。 2. 注意定性分析和近似分析的重要性注意定性分析和近似分析的重要性 3. 學會辯證、全面地分析電子電路中的問題學會辯證、全面地分析電子電路中的問題 根據(jù)需求，最適用的電路才是最好的電路。根據(jù)需求，最適用的電路才是

8、最好的電路。 要研究利弊關系，通常要研究利弊關系，通常“有一利必有一弊有一利必有一弊”。 4. 注意電路中常用定理在電子電路中的應用注意電路中常用定理在電子電路中的應用 六、課程的目的 1. 掌握基本概念、基本電路、基本方法和基本實驗技能。掌握基本概念、基本電路、基本方法和基本實驗技能。 2. 具有能夠繼續(xù)深入學習和接受電子技術新發(fā)展的能力，具有能夠繼續(xù)深入學習和接受電子技術新發(fā)展的能力， 以及將所學知識用于本專業(yè)的能力。以及將所學知識用于本專業(yè)的能力。 本課程通過對常用電子元器件、模擬電路及其系統(tǒng)的分本課程通過對常用電子元器件、模擬電路及其系統(tǒng)的分 析和設計的學習，使學生獲得模擬電子技術方面

9、的基礎知析和設計的學習，使學生獲得模擬電子技術方面的基礎知 識、基礎理論和基本技能，為電子技術及其在專業(yè)中的應識、基礎理論和基本技能，為電子技術及其在專業(yè)中的應 用打下基礎。用打下基礎。 七、考查方法 1. 會看：讀圖，定性分析會看：讀圖，定性分析 2. 會算：定量計算會算：定量計算 考查分析問題的能力考查分析問題的能力 3. 會選：電路形式、器件、參數(shù)會選：電路形式、器件、參數(shù) 4. 會調：儀器選用、測試方法、故障診斷、會調：儀器選用、測試方法、故障診斷、EDA 考查解決問題的能力設計能力考查解決問題的能力設計能力 考查解決問題的能力實踐能力考查解決問題的能力實踐能力 綜合應用所學知識的能力

10、綜合應用所學知識的能力 14章半導體器件 1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管 1.3 1.3 雙極型晶體管雙極型晶體管 1.4 1.4 光電光電 器件器件 1 半導體基礎知識 一、本征半導體一、本征半導體 二、雜質半導體二、雜質半導體 三、三、PNPN結的形成及其單向導電性結的形成及其單向導電性 四、四、PNPN結的電容效應結的電容效應 引言引言 半導體特性半導體特性 1、半導體主要利用的原材料、半導體主要利用的原材料 硅硅（ Si）、）、鍺鍺（ Ge ） 2、元素原子序數(shù)及其電子層數(shù)、元素原子序數(shù)及其電子層數(shù) Ge Si 鍺鍺 序數(shù)序數(shù)32

11、、4個電子層個電子層硅硅 序數(shù)序數(shù)14、3個電子層個電子層 3、原子核對外層電子束縛力、原子核對外層電子束縛力 GeSi 束縛力與電子層數(shù)成反比，束縛力與電子層數(shù)成反比，硅原子核對硅原子核對 外層電子吸引力極強。外層電子吸引力極強。 4 、元素原子的簡化表示法、元素原子的簡化表示法 - - - 價電子價電子 （1）價電子）價電子 原子最外層的電子數(shù)稱為價電子。原子最外層的電子數(shù)稱為價電子。 Ge Si （2）半導體的簡化表示方法）半導體的簡化表示方法 （a）、（）、（b）均為）均為4個價電子個價電子 由由4個正離子及其周圍的個正離子及其周圍的4個價電子表示個價電子表示 （a）鍺）鍺（b）硅）硅

12、 5、晶格結構、晶格結構 在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點 陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原 子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間 形成共價鍵，共用一對價電子。形成共價鍵，共用一對價電子。 硅和鍺的硅和鍺的 晶體結構：晶體結構： 晶體結構晶體結構 原子原子 共價鍵共價鍵 正四面體正四面體 +4+4 +4+4 價電子價電子 +4+4表示除表示除 去價電子去價電子 后正離子后正離子 一對價電子組成一對價電子組成 共價鍵共價鍵 形成共

13、價鍵后，每個原子的最外層電子是八形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八 個，構成穩(wěn)定結構。個，構成穩(wěn)定結構。 +4+4 +4+4 共價鍵有很強的結合力，使原共價鍵有很強的結合力，使原 子規(guī)則排列，形成晶體。子規(guī)則排列，形成晶體。 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱 為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自 由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本 征半導體的導電能力很弱，稱為半導體。征半導體的導電能力很弱，稱為半導體。 本征半導體的共價鍵結構

14、本征半導體的共價鍵結構 束縛電子束縛電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4+4 在絕對溫度在絕對溫度T=0K時，時， 所有的價電子都被共價鍵所有的價電子都被共價鍵 緊緊束縛在共價鍵中，不緊緊束縛在共價鍵中，不 會成為會成為自由電子自由電子，因此本因此本 征半導體的導電能力很弱，征半導體的導電能力很弱， 接近絕緣體。接近絕緣體。 一. 本征半導體 本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體晶體?；瘜W成分純凈的半導體晶體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常，常 稱為稱為“九個九個9”。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)

15、本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 當溫度升高或受到當溫度升高或受到 光的照射時，束縛光的照射時，束縛 電子能量增高，有電子能量增高，有 的電子可以掙脫原的電子可以掙脫原 子核的束縛，而參子核的束縛，而參 與導電，成為與導電，成為自由自由 電子電子。 自由電子自由電子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空穴 自由電子產生的自由電子產生的 同時，在其原來的共同時，在其原來的共 價鍵中就出現(xiàn)了一個價鍵中就出現(xiàn)了一個 空位，稱為空位，稱為空穴空穴。 可見本征激發(fā)同時產生可見本征激發(fā)同時產生 電子空穴對。電子空穴對。 外加能量越高（外加能量越高（溫度溫度 越高），產生的電子空越高），

16、產生的電子空 穴對越多。穴對越多。 動畫動畫演示演示 與本征激發(fā)相反的與本征激發(fā)相反的 現(xiàn)象現(xiàn)象復合復合 在一定溫度下，本征激在一定溫度下，本征激 發(fā)和復合同時進行，達發(fā)和復合同時進行，達 到動態(tài)平衡。電子空穴到動態(tài)平衡。電子空穴 對的濃度一定。對的濃度一定。 常溫常溫300K時：時： 電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度 硅：硅： 3 10 cm 104 . 1 鍺：鍺： 3 13 cm 105 . 2 自由電子自由電子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空穴 電子空穴對電子空穴對 自由電子自由電子 帶負電荷帶負電荷 電子流電子流 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4

17、+4 自由電子自由電子 E 總電流總電流載流子載流子 空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流 本征半導體的導電性取決于外加能量：本征半導體的導電性取決于外加能量： 溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。 導電機制導電機制 二二. . 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的 半導體稱為半導體稱為雜質半導體雜質半導體。 1.1. N型半導體型半導體 在本征半導體中摻入五價雜質元素，例在本征半導體中摻入五價雜質元素，例 如磷，砷等，稱為如磷，砷等，稱為N型半導體型半導體。 N型半導體型半導

18、體 多余電子多余電子 磷原子磷原子 硅原子硅原子 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +5 多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子 少數(shù)載流子少數(shù)載流子 空穴空穴 + + + + + + + + + + + + N型半導體 施主離子施主離子 自由電子自由電子電子空穴對電子空穴對 在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。 空穴空穴 硼原子硼原子 硅原子硅原子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴空穴 少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子 P型半導體 受主離子受主離子 空穴空穴 電子空穴對電子空穴對

19、 2.2. P型半導體型半導體 雜質半導體的示意圖雜質半導體的示意圖 + + + + + + + + + + + + N型半導體 多子多子電子電子 少子少子空穴空穴 P型半導體 多子多子空穴空穴 少子少子電子電子 少子濃度少子濃度與溫度有關與溫度有關 多子濃度多子濃度與溫度無關與溫度無關 內電場E 因多子濃度差因多子濃度差 形成內電場形成內電場 多子的擴散多子的擴散 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 阻止多子擴散，促使少子漂移。阻止多子擴散，促使少子漂移。 PNPN結合結合 + + + + + + + P型半導體 + + N型半導體 + + 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 多子擴散電流多子擴散電流 少子漂移電流少子

20、漂移電流 耗盡層耗盡層 三三. . PN結及其單向導電性結及其單向導電性 1 . PN結的形成結的形成 PN結的形成結的形成.swf - 動畫演示 少子飄移少子飄移 補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E 多子擴散多子擴散 又失去多子，耗盡層寬，又失去多子，耗盡層寬，E P型半導體 + + N型半導體 + + + + + + + 內電場E 多子擴散電流多子擴散電流 少子漂移電流少子漂移電流 耗盡層耗盡層 動態(tài)平衡：動態(tài)平衡： 擴散電流擴散電流 漂移電流漂移電流總電流總電流0 勢壘勢壘 UO 硅硅 0.7V 鍺鍺 0.3V 2. PN結的單向導電性結的單向導電性 (1

21、) 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏）電源正極接電源正極接P區(qū)，負極接區(qū)，負極接N區(qū)區(qū) 外電場的方向與內電場方向相反。外電場的方向與內電場方向相反。 外電場削弱內電場外電場削弱內電場 耗盡層變窄耗盡層變窄 擴散運動漂移運動擴散運動漂移運動 多子多子擴散形成正向電流擴散形成正向電流I I F F + + + + + + + P型半導體 + + N型半導體 + + W E R 空間電荷區(qū) 內電場E 正向電流正向電流 (2) 加反向電壓加反向電壓電源正極接電源正極接N區(qū)，負極接區(qū)，負極接P區(qū)區(qū) 外電場的方向與內電場方向相同。外電場的方向與內電場方向相同。 外電場加強內電場外電場加強內電場 耗盡層變

22、寬耗盡層變寬 漂移運動擴散運動漂移運動擴散運動 少子漂移形成反向電流少子漂移形成反向電流I I R R + + 內電場 + + + + E + EW + 空 間 電 荷 區(qū) + R + + I R PN 在一定的溫度下，由本在一定的溫度下，由本 征激發(fā)產生的少子濃度是征激發(fā)產生的少子濃度是 一定的，故一定的，故IR基本上與外基本上與外 加反壓的大小無關加反壓的大小無關，所以所以 稱為稱為反向飽和電流反向飽和電流。但。但IR 與溫度有關。與溫度有關。 PN結加正向電壓時，具有較大的正向結加正向電壓時，具有較大的正向 擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，擴散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結導通；結導通； PN結加反向

23、電壓時，具有很小的反向結加反向電壓時，具有很小的反向 漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結截止。結截止。 由此可以得出結論：由此可以得出結論：PN結具有單向導結具有單向導 電性。電性。 動畫演示動畫演示 3. PN結結的伏安特性曲線及表達式的伏安特性曲線及表達式 根據(jù)理論推導，根據(jù)理論推導，PNPN結的伏安特性曲線如圖結的伏安特性曲線如圖 正偏正偏 IF（多子擴散）（多子擴散） IR（少子漂移）（少子漂移） 反偏反偏 反向飽和電流反向飽和電流 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 反向擊穿反向擊穿 熱擊穿熱擊穿燒壞燒壞PN結結 電擊穿電擊穿可逆可逆 4. PN結的電容效應結的電容效應 當外

24、加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應 地隨之改變，即地隨之改變，即PN結中存儲的電荷量要隨之變化，結中存儲的電荷量要隨之變化， 就像電容充放電一樣。就像電容充放電一樣。 (1) 勢壘電容勢壘電容CB 空空間間電電荷荷區(qū)區(qū) W + + + R + E + + P N (2) 擴散電容擴散電容CD 當外加正向電壓當外加正向電壓 不同時，不同時，PN結兩結兩 側堆積的少子的側堆積的少子的 數(shù)量及濃度梯度數(shù)量及濃度梯度 也不同，這就相也不同，這就相 當電容的充放電當電容的充放電 過程過程。 + N P pL x 濃濃度度分分布布 耗耗盡盡層層NP 區(qū)區(qū) 區(qū)區(qū)中中

25、空空穴穴 區(qū)區(qū)中中電電子子 區(qū)區(qū) 濃濃度度分分布布 nL 電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來 極間電容（結電容）極間電容（結電容） 問題 為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制 成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜， 改善導電性能？改善導電性能？ 為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還 是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？ 為什么半導體器件有最高工作頻率？為什么半導體器件有最高工作頻率？ 1.

26、 在雜質半導體中多子的數(shù)量與在雜質半導體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、摻雜濃度、b.溫度）有關。溫度）有關。 2. 在雜質半導體中少子的數(shù)量與在雜質半導體中少子的數(shù)量與 。 （a. 摻雜濃度、摻雜濃度、b.溫度）有關。溫度）有關。 3. 當溫度升高時，少子的數(shù)量當溫度升高時，少子的數(shù)量 。 （a. 減少、減少、b. 不變、不變、c. 增多）增多） a b c 4. 在外加電壓的作用下，在外加電壓的作用下，P 型半導體中的型半導體中的 電流主要是電流主要是 ，N 型半導體中的電流主要型半導體中的電流主要 是是 。 （a. 電子電流、電子電流、b.空穴電流）空穴電流） b a 思考題：思考題：

27、 2 半導體二極管 一、二極管結構一、二極管結構 二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程 三、二極管的主要參數(shù)三、二極管的主要參數(shù) 四、二極模型和二極管電路分析方法四、二極模型和二極管電路分析方法 五、穩(wěn)壓二極管五、穩(wěn)壓二極管 一、一、 半導體二極管的結構類型半導體二極管的結構類型 在在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極結上加上引線和封裝，就成為一個二極 管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面 型三大類。它們的結構示意圖如圖型三大類。它們的結構示意圖如圖9所示。所示。 (1) 點接觸型二極管點接觸型二極管 PN結面積小

28、，結電容小，結面積小，結電容小， 用于檢波和變頻等高頻電路。用于檢波和變頻等高頻電路。 (a)(a)點接觸型點接觸型 9二極管的結構示意圖二極管的結構示意圖 (3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造工往往用于集成電路制造工 藝中。藝中。PN 結面積可大可小，結面積可大可小， 用于高頻整流和開關電路中。用于高頻整流和開關電路中。 (2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結面積大，用結面積大，用 于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。 (b)面接觸型 二極管符號二極管符號 圖圖 9 二極管的結構示意圖二極管的結構示意圖 (c)(c)平面型平面型 二、二、 半導體二極管的伏安特

29、性曲線半導體二極管的伏安特性曲線 式中式中IS 為反向飽和電流，為反向飽和電流，V 為二極管兩端的電為二極管兩端的電 壓降，壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當量，稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲為玻耳茲 曼常數(shù)，曼常數(shù)，q 為電子電荷量，為電子電荷量，T 為熱力學溫度。對于為熱力學溫度。對于 室溫（相當室溫（相當T=300 K），則有），則有VT=26 mV。 ) 1(e T S V V II 半導體二極管的伏安特性曲線如圖半導體二極管的伏安特性曲線如圖 1010所示所示 。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第 三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)

30、理論推導，三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導， 二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的伏安特性曲線可用下式表示: : (1.1) 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線 圖示 (1) 正向特性正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右，左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。左右。 當當0VVth時，正向電流為零，時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)稱為死區(qū) 電壓或開啟電壓。電壓或開啟電壓。 當當V0即處于正向特性區(qū)域。即處于正向特性區(qū)域。 正向區(qū)又分為兩段：正向區(qū)又分為兩段： 當當VVth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)時，開始出現(xiàn)

31、正向電流，并按指數(shù)規(guī) 律增長。律增長。 (2) 反向特性反向特性 當當V0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域： 當當VBRV0時，反向電流很小，且基時，反向電流很小，且基 本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向 電流也稱反向飽和電流電流也稱反向飽和電流I IS S 。 當當VVBR時，反向電流急劇增加，時，反向電流急劇增加，VBR稱稱 為反向擊穿電壓為反向擊穿電壓 。 。 在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所 不同。不同。 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，硅二

32、極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡， 反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性反向飽和電流也很??；鍺二極管的反向擊穿特性 比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 從擊穿的機理上看，硅二極管若從擊穿的機理上看，硅二極管若|VBR|7V時時, 主要是雪崩擊穿；若主要是雪崩擊穿；若|VBR|4V時時, 則主要是齊納擊則主要是齊納擊 穿。當在穿。當在4V7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得之間兩種擊穿都有，有可能獲得 零溫度系數(shù)點。零溫度系數(shù)點。 三、半導體二極管的參數(shù) 半導體二極管的參數(shù)包括最大整流電流半導體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、 反向擊穿電壓反向擊

33、穿電壓VBR、 、最大反向工作電壓 最大反向工作電壓VRM、 、反向 反向 電流電流IR、 、最高工作頻率 最高工作頻率fmax和結電容和結電容Cj等。幾個主等。幾個主 要的參數(shù)介紹如下：要的參數(shù)介紹如下： (1) 最大整流電流最大整流電流IF 二極管長期連續(xù)工二極管長期連續(xù)工 作時，允許通過二作時，允許通過二 極管的最大整流極管的最大整流 電流的平均值。電流的平均值。 (2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBR 和最大反向工作電壓和最大反向工作電壓VRM 二極管反向電流二極管反向電流 急劇增加時對應的反向急劇增加時對應的反向 電壓值稱為反向擊穿電壓值稱為反向擊穿 電壓電壓VBR。 為安全計，在實

34、際為安全計，在實際 工作時，最大反向工作電壓工作時，最大反向工作電壓 VRM一般只按反向擊穿電壓一般只按反向擊穿電壓 VBR的一半計算。的一半計算。 (3) 反向電流反向電流I IR R (4) 正向壓降正向壓降VF (5) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rd 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大 反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電 流一般在納安流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安級；鍺二極管在微安( A)級。級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。 小電流硅二極

35、管的正向壓降在中等電流水平下，約小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約 0.60.8V；鍺二極管約；鍺二極管約0.20.3V。 反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然， rd與工作電流的大小有關，即與工作電流的大小有關，即 rd = VF / IF 四、二極管的模型及近似分析計算 例：例： I R 10V E 1k ) 1(e T S U u Ii D非線性器件非線性器件 i u 0 i u RLC線性器件線性器件 Riu 二極管的模型二極管的模型 i u D U + - u i D U D U 串聯(lián)電壓源模型串聯(lián)電壓源模型 D Uu D Uu

36、 U D 二極管的導通壓降。硅管二極管的導通壓降。硅管 0.7V；鍺管；鍺管 0.3V。 理想二極管模型理想二極管模型 u i 正偏正偏反偏反偏 - + iu 導通壓降導通壓降 二極管的二極管的VA特性特性 - + iu i u 0 二極管的近似分析計算二極管的近似分析計算 I R 10V E 1k I R 10V E 1k 例：例：串聯(lián)電壓源模型串聯(lián)電壓源模型 mA3 . 9 K1 V)7 . 010( I 測量值測量值 9.32mA 相對誤差相對誤差 0 0 0 0 2 . 0100 32. 9 9.332. 9 理想二極管模型理想二極管模型 R I 10V E 1k mA10 K1 V1

37、0 I 相對誤差相對誤差 0 0 0 0 7100 32. 9 32. 910 0.7V 二極管電路分析舉例二極管電路分析舉例 定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài) 導通導通 截止截止 否則，正向管壓降否則，正向管壓降 硅硅0 0.60.7V 鍺鍺0.20.3V 分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓的高低或所加電壓UD的正負。的正負。 若若 V陽 陽 V陰陰或 或 UD為正，二極管導通（正向偏置）為正，二極管導通（正向偏置） 若若 V陽 陽 V陰陰 ，二 二 極管導通，若忽略管壓降，二極管可看作短極管導通

38、，若忽略管壓降，二極管可看作短 路，路，UAB = 6V。 實際上實際上， UAB低于低于6V一個管壓降，為一個管壓降，為 6.3或或6.7V 例例1 1： 取取B 點作為參考點作為參考 點，斷開二極管，分點，斷開二極管，分 析二極管陽極和陰極析二極管陽極和陰極 的電位。的電位。 例例2: 2: 電路如圖，求：電路如圖，求：UAB 若忽略二極管正向若忽略二極管正向 壓降，二極管壓降，二極管VD2可看作可看作 短路，短路，UAB = 0 V ，VD1 截止。截止。 VD 6V 12V 3k B A VD2 取取 B 點作點作參考點參考點，V1 陽 陽 = 6 V，V2 陽 陽 =0 V ， ，

39、V1 陰 陰 = V2 陰陰 ，由于 ，由于V2 陽 陽電壓高，因此 電壓高，因此VD2導通。導通。 例例3：二極管構成的限幅電路如圖所示，二極管構成的限幅電路如圖所示，R1k， UREF=2V，輸入信號為，輸入信號為ui。 (1)若若 ui為為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、的直流信號，分別采用理想二極管模型、 理想二極管串聯(lián)電壓源模型計算電流理想二極管串聯(lián)電壓源模型計算電流I和輸出電壓和輸出電壓uo + - - + U I u REF R i uO 解：解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。 mA2 k

40、1 2VV4 REFi R Uu I V2 REFo Uu mA31 k1 V702VV4 DREFi . . R UUu I 2.7V0.7VV2 DREFo UUu （2）如果）如果ui為幅度為幅度4V的交流三角波，波形如圖（的交流三角波，波形如圖（b）所）所 示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模 型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。 + - - + U I u REF R i uO 解：解：采用理想二極管采用理想二極管 模型分析。波形如圖所示。模型分析。波形如圖所示。 0 -4V 4V u

41、i t 2V 2V uo t 0 2.7V uo t 0 -4V 4V ui t 2.7V 采用理想二極管串聯(lián)采用理想二極管串聯(lián) 電壓源模型分析，波形電壓源模型分析，波形 如圖所示。如圖所示。 + - - + U I u REF R i uO 討論：解決兩個問題解決兩個問題 如何判斷二極管的工作狀態(tài)？如何判斷二極管的工作狀態(tài)？ 什么情況下應選用二極管的什么等效電路？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？ uD=ViR Q ID UD R uV i D D V與與uD可比，則需圖解：可比，則需圖解： 實測特性實測特性 對對V和和Ui二極管二極管的模的模 型有什么不同？型有什么不同？ 四、穩(wěn)壓二極

42、管 1. 伏安特性 進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流 不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結組結組 成，反向擊穿后成，反向擊穿后 在一定的電流范在一定的電流范 圍內端電壓基本圍內端電壓基本 不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電 壓。壓。 2. 主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流、穩(wěn)定電流IZ 最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動態(tài)電阻動態(tài)電阻rzUZ /IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會 因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電

43、流的限流電阻！流的限流電阻！ 限流電阻限流電阻 斜率？斜率？ 1.3 1.3 雙極型雙極型晶體三極管 一、晶體管的結構和符號一、晶體管的結構和符號 二、晶體管的放大原理二、晶體管的放大原理 三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性 四、主要參數(shù)四、主要參數(shù) 五、溫度對晶體管參數(shù)影響五、溫度對晶體管參數(shù)影響 雙極型晶體管的幾種常見外形 （a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管 雙極型晶體管又稱三極管。電路表示符號： BJTBJT。根據(jù)功率的不同具有不同的外形結構。 一. 基本結構 B E C N N P 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 NP

44、N型型 P N P 集電極集電極 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 B C E PNP型型 由兩個摻雜濃度不同且背靠背排列的由兩個摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結組成，結組成， 根據(jù)排列方式的不同可分為根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和型和PNP型兩種型兩種,每個每個 PN結所對應區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。結所對應區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。 B E C IB IE IC NPN型三極管型三極管 B E C IB IE IC PNP型三極管型三極管 制成晶體管的材料可以為制成晶體管的材料可以為Si或或Ge。 符號符號: B E C N N P 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 基區(qū)：較

45、薄，摻基區(qū)：較薄，摻 雜濃度低雜濃度低 集電區(qū)：集電區(qū)： 面積較大面積較大 發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度較高雜濃度較高 B E C N N P 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 發(fā)射結發(fā)射結 集電結集電結 BJT BJT是非線性元是非線性元 件，其工作特性與其件，其工作特性與其 工作模式有關：工作模式有關： 當當EBEB結和結和CBCB結均加正偏時結均加正偏時,BJT,BJT處于飽和模式處于飽和模式; ; 當當EBEB結結加零偏或反偏、加零偏或反偏、CBCB結加反偏時結加反偏時,BJT,BJT處于截止處于截止 模式。模式。 當當EBEB結加正偏結加正偏, CB, CB結結 加反偏時加反偏時

46、,BJT,BJT處于放處于放 大模式大模式; ; BJTBJT主要用途是對變化的電流、電壓信號進行放主要用途是對變化的電流、電壓信號進行放 大，飽和模式和截止模式主要用于數(shù)字電路中。大，飽和模式和截止模式主要用于數(shù)字電路中。 二、晶體管的放大原理 （集電結反偏），即 （發(fā)射結正偏） 放大的條件 BECECB onBE 0uuu Uu 擴散運動形成發(fā)射極電流擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復合運動形成基極電，復合運動形成基極電 流流IB，漂移運動形成集電極電流，漂移運動形成集電極電流IC。 少數(shù)載流少數(shù)載流 子的運動子的運動 因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量 電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)電

47、子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū) 因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少 數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合 因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大 部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū) 基區(qū)空穴基區(qū)空穴 的擴散的擴散 動畫 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴散運動形成的電流擴散運動形成的電流 I IB B復合運動形成的電流復合運動形成的電流 I IC C漂移運動形成的電流漂移運動形成的電流 CBOCEO B C B C )(1 II i i I I 穿透電流穿透電流 集電

48、結反向電流集電結反向電流 直流電流直流電流 放大系數(shù)放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù) 三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性 CE )( BEBU ufi 為什么為什么UCE增大曲線右移？增大曲線右移？ 對于小功率晶體管，對于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線的一條輸入特性曲線 可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。 為什么像為什么像PN結的伏安特性？結的伏安特性？ 為什么為什么UCE增大到一定值曲線增大到一定值曲線 右移就不明顯了？右移就不明顯了？ 1. 輸入特性 2. 輸出特性 B )( CECI ufi 是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管

49、？什么情況下是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ? 對應于一個對應于一個IB就有一條就有一條iC隨隨uCE變化的曲線。變化的曲線。 為什么為什么uCE較小時較小時iC隨隨uCE變變 化很大？為什么進入放大狀態(tài)化很大？為什么進入放大狀態(tài) 曲線幾乎是橫軸的平行線？曲線幾乎是橫軸的平行線？ 飽和區(qū)飽和區(qū) 放大區(qū)放大區(qū) 截止區(qū)截止區(qū) B i C i 常量 CE B C U i i 動畫 晶體管的三個工作區(qū)域 晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅幾乎僅僅 決定于輸入回路的電流決定于輸入回路的電流 iB，即可將輸出回路等效為電流，即可將輸出回路等效為電流 iB