模擬電子電路及技術基礎第四章

1、第四章 常用半導體器件原理 4.1 基本要求及重點、 難點4.2 習題類型分析及例題精解4.3 習題解答 第四章第四章 常用半導體器件原理常用半導體器件原理 第四章 常用半導體器件原理 1. 基本要求基本要求(1) 理解本征半導體、 P型和N型半導體以及漂移電流和擴散電流等基本概念。 (2) 掌握PN結的工作原理、 單向導電性、 擊穿特性和電容特性等基本知識。 (3) 掌握晶體二極管的伏安特性、 常用參數(shù)、 溫度特性， 能夠應用簡化模型對二極管基本應用電路(包括整流、 限幅、 電平選擇和峰值檢波電路)進行分析和計算。 4.1 基本要求及重點、基本要求及重點、 難點難點 第四章 常用半導體器件原

2、理 (4) 掌握穩(wěn)壓二極管特性及其應用電路的分析、 計算， 掌握包含二極管、 穩(wěn)壓管和運放的電路(包括精密整流電路、 輸出限幅比較器、 輸出限幅且占空比可調的弛張振蕩器等電路)的分析和計算。 (5) 掌握雙極型晶體三極管的工作原理、 共射輸出特性和輸入特性曲線及主要參數(shù)， 熟練掌握直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析、 計算以及各種晶體管應用電路(包括對數(shù)、 反對數(shù)、 值測量、 恒流源電路)的分析和計算。 (6) 掌握JFET和MOSFET的工作原理、 輸出特性和轉移特性曲線及主要參數(shù)， 熟練掌握直流偏置下FET的工作狀態(tài)分析、 計算以及各種FET應用電路(包括方波、 鋸齒波發(fā)生器， 取樣/保持電路

3、， 相敏檢波電路)的分析和計算。(7) 了解雙極型晶體管和場效應管的性能及參數(shù)比較。 第四章 常用半導體器件原理 2. 重點、重點、 難點難點重點： PN結工作原理， 晶體二極管應用電路及晶體三極管和場效應管的工作原理、 特性曲線、 主要參數(shù)及其應用電路的分析和計算。難點： 本章概念較多， 晶體三極管尤其是場效應管的工作原理、 特性曲線及其應用電路的分析和計算較難掌握， 教學中應密切聯(lián)系應用背景， 引起學生的學習興趣。 第四章 常用半導體器件原理 1.半導體物理基礎和半導體物理基礎和PN結結作為原理基礎篇的開始， 本章涉及到許多新的概念， 原理描述較多， 引入了不少專有名詞。 應用時應該注意概

4、念準確， 原理描述簡潔， 專有名詞拼寫正確。 同時， 本章相對和相似的內容較多， 如N型半導體和P型半導體， NPN型晶體管和PNP型晶體管， 三種N溝道場效應管和三種P溝道場效應管， 等等， 學習時應該注意區(qū)分， 避免混淆。 4.2 習題類型分析及例題精解習題類型分析及例題精解 第四章 常用半導體器件原理 【例4-1】 半導體中載流子通過什么物理過程產(chǎn)生？ 半導體電流與哪些因素有關？答 本征半導體中的載流子通過本征激發(fā)產(chǎn)生。 雜質半導體中， 多子的絕大部分由摻雜產(chǎn)生， 極少部分由本征激發(fā)產(chǎn)生； 少子則單純由本征激發(fā)產(chǎn)生。半導體電流分為漂移電流和擴散電流。 漂移電流與電場強度、 載流子的濃度和

5、遷移率有關， 擴散電流與載流子沿電流方向單位距離的濃度差即濃度梯度有關。 第四章 常用半導體器件原理 2. 二極管和穩(wěn)壓二極管二極管和穩(wěn)壓二極管1) 二極管的直流電阻和交流電阻二極管的直流電阻利用其兩端的直流電壓和其中的直流電流直接計算， 也可以利用伏安特性曲線通過圖解法得到。 圖解法求交流電阻誤差很大， 一般利用熱電壓和直流電流計算， 不加說明時， 熱電壓取26 mV。 【例4-2】 二極管的伏安特性如圖4-1所示， 計算直流靜態(tài)工作點Q處的直流電阻RD和交流電阻rD。第四章 常用半導體器件原理 圖4-1 例4-2特性曲線第四章 常用半導體器件原理 解 Q處直流電壓UDQ=0.7 V, 直流

6、電流IDQ=2.5 mA， 則直流電阻交流電阻2802.5mA0.7VDDDQQIUR4 .102.5mA26mVDTDQIUr第四章 常用半導體器件原理 2) 二極管的管壓降和電流二極管中的電流即其所在支路的電流， 如果電流已知， 則可以利用外電路的電壓分布間接計算管壓降， 反之， 可以利用已知的管壓降從外電路計算二極管中的電流。 如果可以精確測量二極管兩端的電壓， 其變化不大時， 可以利用二極管的交流電阻線性外推二極管中的電流。 【例4-3】 二極管電流測量電路如圖4-2所示。 當電源電壓E=10 V時， 電流表讀數(shù)ID1=9.7 mA， 則當E=20 V時， 估計電流表讀數(shù)ID2。第四章

7、 常用半導體器件原理 圖4-2 例4-3電路圖第四章 常用半導體器件原理 解 二極管VD的管壓降UD(on)=EID1R=10 V9.7 mA1 k=0.3 V 當E=20 V時， 電流表讀數(shù)19.7mA1k0.3V20VD(on)D2RUEI第四章 常用半導體器件原理 【例4-4】 二極管電壓測量電路如圖4-3所示。 當電源電壓E=13.6 V時， 電壓表讀數(shù)UD1=0.6 V； E增大后， 電壓表讀數(shù)UD2=0.63 V, 估計此時二極管VD中的電流ID2。圖4-3 例4-4電路圖第四章 常用半導體器件原理 解 當E=13.6 V時， VD中的電流VD的交流電阻 E增大后， VD兩端的電壓

8、變化不大， 即U=UD2UD1=0.63 V-0.6 V=0.03 V1.7 V時， VD導通， uo=uiUD(on)=ui0.7 V; 當ui0.3 V時， VD導通， uo=E+UD(on)=0.3 V； 當ui1.3 V時， VD截止，當ui1.4 V時， VD截止，當ui0時， A輸出負電壓， 二極管VD1導通， VD2截止， A存在負反饋， 用作放大器， 電阻R2右端懸空， 其上沒有電流， 輸出電壓uo=u=u+=0； 當ui0時， A2輸出正電壓， VD截止， A2不存在負反饋， 用作電壓比較器， 電阻R1上沒有電流， u1=u1+=ui, uo=2u1ui=ui; 當uiUB，

9、 所以集電結反偏， 假設成立， 晶體管處于放大狀態(tài)， 以上結果正確， UCE=UC=2.55 V。在圖4-9(b)中標出PNP型晶體管極電流的實際流向。 發(fā)射極經(jīng)過電阻RE接地， 所以假設晶體管處于放大狀態(tài)， 則 UCC+IBRBUBE(on)+IERE=UCC+IBRBUBE(on)+(1+)IBRE=12 V+IB100 k(0.7 V)+(1+50)IB2 k=0第四章 常用半導體器件原理 計算出IB=55.9 A0， 確定發(fā)射結正偏， 晶體管處于導通狀態(tài)。 假設晶體管處于放大狀態(tài)， 則集電極電壓UC=UCC+ICRC=UCC+IBRC=12 V+5055.9 A4 k=0.81 V基極

10、電壓UB=UCC+IBRB =12 V+55.9 A100 k=6.4 V因為UCUB， 所以集電結正偏， 晶體管處于飽和狀態(tài)， UCE=UCE(sat)。第四章 常用半導體器件原理 【例4-11】 場效應管直流偏置電路和有關參數(shù)如圖4-10所示， 判斷場效應管的工作狀態(tài)并計算極間電壓UDS。圖4-10 例4-11電路圖第四章 常用半導體器件原理 解 圖4-10(a)中， UGS=0UGS(off)=5 V， 所以場效應管工作在導通區(qū)， ID=IDSS=3 mA， UDG=UDSUGS=UDS=UDDIDRD=12 V3 mA1 k=9 VUGS(off)=5 V，所以場效應管工作在恒流區(qū)，

11、UDS=UDG=9 V。圖4-10(b)中， UGS=UGG=2 VUGS(th)=3 V， 所以場效應管工作在截止區(qū)， ID=0， UDS=UDD+IDRD=UDD=12 V。 第四章 常用半導體器件原理 2) 對數(shù)和反對數(shù)運算電路基本的對數(shù)和反對數(shù)運算電路可以構成較復雜的模擬運算電路。 對數(shù)運算電路中， 輸出電壓和晶體管發(fā)射結電壓有關， 輸入電壓則和集電極電流有關， 電流方程聯(lián)系了發(fā)射結電壓和集電極電流， 從而確定了輸出電壓與輸入電壓的關系； 反對數(shù)運算電路中， 輸出電壓和輸入電壓分別與集電極電流和發(fā)射結電壓有關， 并且通過電流方程關聯(lián)。 【例4-12】 由對數(shù)運算電路構成的模擬運算電路如

12、圖4-11所示， 推導輸出電壓uo的表達式。第四章 常用半導體器件原理 圖4-11 例4-12電路圖第四章 常用半導體器件原理 解 由得由得1i1sC1TBE1eRuIiUu1si1TBE1lnRIuUu2i2sC2TBE2eRuIiUu2si2TBE2lnRIuUu第四章 常用半導體器件原理 所以i12i21T1si1T2si2TBE1BE2olnlnlnuRuRURIuURIuUuuu第四章 常用半導體器件原理 3) 恒流源電路處于放大狀態(tài)的晶體管可以實現(xiàn)恒流輸出。 如果負載電阻變化， 其上的電壓會相應改變， 繼而引起晶體管輸出電壓的變化， 于是工作點會沿輸出特性曲線運動。 應該保證工作點

13、不超出放大區(qū)， 即不進入飽和區(qū)或擊穿區(qū)， 這樣就限制了負載電阻的取值范圍。 場效應管的工作點位于恒流區(qū)時， 也可以實現(xiàn)輸出電流為恒流， 與場效應管輸出電壓的變化無關。 第四章 常用半導體器件原理 【例4-13】 晶體管恒流源電路和相關的晶體管輸出特性曲線分別如圖4-12(a)和(b)所示， 在負載電阻變化時， 電路為其提供恒定電流。 穩(wěn)壓二極管VDZ的穩(wěn)定電壓UZ=6 V， 計算負載電阻RL上的輸出電流IO， 并確定允許接入的RL的取值范圍。第四章 常用半導體器件原理 圖4-12 例4-13電路圖及輸出特性曲線第四章 常用半導體器件原理 解由輸出特性曲線可知， 為了保證處于放大狀態(tài)， 晶體管的

14、輸出電壓應滿足UCE(sat)uCE=UCC-IO(RL+R2)UBR(CEO)即0.1 V36 V20 mA(RL+300 )25 V計算出RL的取值范圍為550 RL0時， 二極管VD1導通， VD2截止， 第一級放大器的輸出電壓uo1=u1=u1+=ui， 集成運放A2的輸入電壓u2=u2+=ui， 所以電阻R2和Rf2中無電流， 輸出電壓uo= u2=ui。第四章 常用半導體器件原理 當ui1.3 V時， VD截止， uo=E=2 V； 當ui2.7 V 時， VD截止， uo=ui； 當ui3.7 V時， VD導通， uo=uiEUD(on)=ui3.7 V； 當ui2.3 V時，

15、VD導通， uo=ui+E=ui+3 V； 當ui1.7 V時， VD導通， uo=ui-UD(on)=ui0.7 V； 當ui3.4 V時， VD導通， uo=UD(on)+E=0.7 V+1 V=1.7 V； 當ui0時， 二極管VD導通， 集成運放的輸入電壓u=u+=ui， 則當ui0時， 二極管VD導通， uo=u=u+=0； 當uiUZ1+UZ2=6 V+4 V=10 V時， VDZ1和VDZ2都擊穿， uo=UZ1+ UZ2=10 V； 當ui2UD(on)=20.7 V=1.4 V時， VDZ1和VDZ2都導通， uo=2UD(on) =1.4 V； 而當2UD(on)=1.4

16、VuiUZ1+UD(on)=6 V+0.7 V=6.7 V時， VDZ1擊穿， VDZ2導通， uo=UZ1+UD(on)=6.7 V； 當ui(UZ2+UD(on)=(4 V+0.7 V) =4.7 V時， VDZ1導通， VDZ2擊穿， uo=(UZ2+UD(on)=4.7 V； 而當(UZ2+UD(on)=4.7Vui2UD(on)=20.7 V=1.4 V時， VDZ1和VDZ2都導通， uo=2UD(on) =1.4 V； 當ui(UZ1+UZ2)=(6 V+4 V)=10 V時， VDZ1和VDZ2都擊穿， uo=(UZ1+UZ2)=10 V； 而當(UZ1+UZ2)=10 Vui

17、2UD(on)=1.4 V時， VDZ1和VDZ2都截止， uo=ui。 根據(jù)以上分析， 該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11(c)所示。 第四章 常用半導體器件原理 4-12 求圖P4-12所示電路的輸出電壓UO, 已知穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為UZ1=6 V, UZ2=7 V, 導通電壓UD(on)均為0.7 V。圖 P4-12第四章 常用半導體器件原理 解 圖P4-12(a)中， 因為UZ10時， 二極管VD截止， 集成運放A1的輸入電壓u1=u1+=ui， 輸出電壓V5V4V51V26V1VV8iiiiouuuuui121i1ouuRRuuu第四章 常用半導體器件原理

18、當ui0時， VD導通， A1構成反相比例放大器， 有 根據(jù)以上分析， 在任意時刻， uo =|ui |。ii12ouuRRu第四章 常用半導體器件原理 4-14 電路如圖P4-14所示。 設電容C的初始電壓為零。 (1) 說明集成運放A1、 A2和A3的功能； (2) 當輸入電壓ui=8 sint(V)時， 畫出各級輸出電壓uo1、 uo2和uo的波形。 第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-14第四章 常用半導體器件原理 解 (1) A1構成反相比例放大器， A2構成反相過零簡單比較器， A3構成反相積分器。 (2) 當uo10時， uo2 =6 V。 uo2 =6 V時， 電容C充電，

19、uo 隨時間線性下降； uo2 =6 V時， C放電， uo 隨時間線性上升。 根據(jù)以上分析， uo1、 uo2 和uo 的波形如圖P4-14所示。 ii12o1uuRRu第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-14第四章 常用半導體器件原理 4-15 定性畫出圖P4-15中弛張振蕩器的輸出電壓uo和電容電壓uC的波形。 解 圖P4-15(a)中， 當uo =UoH=6 V時， 二極管VD截止， uo通過電阻R5對電容C充電； 當uo=UoL=-6 V 時， VD導通， C通過R4R5放電。 根據(jù)以上分析， 該電路的充電速度慢， 放電速度快， uo和uC的波形如圖P4-15(a)所示， 其中設t

20、=0時， C上的電量為零。 圖P4-15(b)中， 當uo=UoH=6 V時， 二極管VD導通， uo通過電阻R4對電容C充電； 當uo=UoL=-6 V時， VD截止， C通過R4+R5放電。 根據(jù)以上分析， 該電路的充電速度大于放電速度， uo和uC的波形如圖P4-15(b)所示， 其中設t=0時， C上的電量為零。 第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-15第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-15第四章 常用半導體器件原理 4-16 電路如圖P4-16所示， 畫出輸出電壓uo和電容電壓uC的波形。 圖 P4-16第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-16第四章 常用半導體器件原理 解

21、集成運放A1構成反相積分器， A2構成同相遲滯比較器。 當uo=UoH=6 V時， 電容C恒流充電， uC隨時間線性下降， 當時， uo=UoL=6 V， C恒流放電， uC隨時間線性上升。 根據(jù)以上分析， uo和uC的波形如圖P4-16所示， 其中設t=0時， C上的電量為零。 V6V6k10k10OH21TLURRUuC第四章 常用半導體器件原理 4-17 判斷圖P4-17中晶體管和場效應管的工作狀態(tài)。 解 圖P4-17(a)中， 可以確定發(fā)射結正偏， 所以晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。 假設其處于放大狀態(tài)， 則IBRB + UBE(on) + (1 + b)IBRE = UCC，即IB

22、370 k + 0.6 V + (1 + 100)IB 2 k = 12 V，計算出IB = 20 A，則IC = bIB = 100 20 A = 2 mA。所以集電結反偏， 假設成立， 晶體管處于放大狀態(tài)。 04.4Vk5 . 1mA2k370A20)()(CCBBBBCCCCCCBCCBRIRIRIURIUUUU第四章 常用半導體器件原理 圖P4-17(b)中， UGS=0 UGS(off)， 所以場效應管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)， 且ID=IDSS=4 mA。所以場效應管工作在恒流區(qū)。 DDDDDSDGRIUUUGS(off)V8k1mA)4(V12U第四章 常用半導體器件原理 圖 P

23、4-17第四章 常用半導體器件原理 4-18 實驗測得圖P4-18中兩個放大狀態(tài)下的晶體管三極的電位分別為(1) U1=3 V， U2=6 V， U3=3.7 V； (2) U4=2.7 V， U5=2 V， U6=5 V。 判斷每個晶體管的類型， 標出其基極、 發(fā)射極和集電極。 解 (1) NPN型晶體管， U1為發(fā)射極， U2為集電極， U3為基極；(2) PNP型晶體管， U4為基極， U5為發(fā)射極， U6為集電極。 第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-18第四章 常用半導體器件原理 4-19 實驗測得圖P4-19中兩個放大狀態(tài)下的晶體管的極電流分別為(1) I1=5 mA， I2=0

24、.04 mA， I3=5.04 mA； (2) I4=1.93 mA， I5=1.9 mA， I6=0.03 mA。 判斷每個晶體管的類型， 標出其基極、 發(fā)射極和集電極， 并計算直流電流放大倍數(shù)和。 解 (1) NPN型晶體管， I1為集電極， I2為基極， I3為發(fā)射極， =125 ， =0.992; (2) PNP型晶體管， I4為發(fā)射極， I5為集電極， I6為基極， =63.3， =0.984。 第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-19第四章 常用半導體器件原理 4-20 推導圖P4-20中對數(shù)運算電路的輸出電壓uo的表達式。 解 其中所以SCBEolnIiUuuT2i21i1i2

25、i1CRuRuiii2Si21Si1olnRIuRIuUuT第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-20第四章 常用半導體器件原理 4-21 由對數(shù)和反對數(shù)運算電路構成的模擬運算電路如圖P4-21所示。 求輸出電壓uo的表達式。 解 電路中電阻R5起調零作用， 所以有uBE1+Ube3uBE4uBE2=0由晶體管的電流方程得 1S1BE1lnRIuUuT2S2BE3lnRIuUuT3S3BE2lnRIuUuT4SoBE4lnRIuUuT第四章 常用半導體器件原理 所以有即1o321uuuu321ouuuu 第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-21第四章 常用半導體器件原理 4-22 對數(shù)運算電

26、路如圖P4-22所示。 (1) 說明晶體管V1和V2的功能；(2) 說明熱敏電阻R4的功能；(3) 證明輸出電壓uo的表達式為 證明 節(jié)點A的電壓 BE1BE2AuUuRi12T43oln1UuRRURRuC1C2SC1SC2lnlnlniIUIiUIIUTTT第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-22第四章 常用半導體器件原理 其中， ， ， 所以又2RC2RUI1iC2RuiiR21Ti12RTAlnlnuURRUuRRUUuo434AuRRRu第四章 常用半導體器件原理 所以 從以上證明過程中可以看出， 晶體管V1和V2的反相飽和電流彼此相約， 從而抵消了其對溫度變化敏感帶來的影響。 R

27、4應該具有正溫度系數(shù)， 可以在一定程度上減弱隨溫度變化的UT帶來的影響。 Ri1243iR2143A43oln1ln11UuRRURRuURRURRuRRuTT第四章 常用半導體器件原理 4-23 圖P4-23所示電路中， 穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為UZ。 推導輸出電壓UO的表達式。 解 3ZE1C1RUIIZ32CC2C1CC22URRURIUUUZ43242CCE2C2URRRRUUIIZ43525C23URRRRRIUZ435233OURRRRUUU第四章 常用半導體器件原理 圖 P4-23第四章 常用半導體器件原理 4-24 圖P4-24(a)、 (b)分別給出了兩個場效應管的輸出特性和轉移特性。判斷它們的類型， 確定其UGS(off)或U