模擬電子技術 2020年版

·1·總序根據(jù)《國家職業(yè)教育改革實施方案》中對職業(yè)教育改革提出的服務1+X的有機銜接，按照職業(yè)崗位（群）的能力要求，重構(gòu)基于職業(yè)工作過程的課程體系，及時將新技術、新工藝、新規(guī)范納入課程標準和教學內(nèi)容，將職業(yè)技能等級標準等有關內(nèi)容融入專業(yè)課程教學，遵循育訓結(jié)合、長短結(jié)合、內(nèi)外結(jié)合的要求，提供滿足于服務全體社會學習者的技術技能培訓要求，我們編寫了這套系列教材。將理論和實訓合二為一，以“必需”與“夠用”為度，將知識點作了較為精密的整合，內(nèi)容深入淺出，通俗易懂。既有利于教學，也有利于自學。在結(jié)構(gòu)的組織方面大膽打破常規(guī)，以工作過程為教學主線，通過設計不同的工程項目，將知識點和技能訓練融于各個項目之中，各個項目按照知識點與技能要求循序漸進編排，突出技能的提高，符合職業(yè)教育的工學結(jié)合，真正突出了職業(yè)教育的特色。本系列教材可作為高職高專學校電氣自動化、供用電技術，應用電子技術、電子信息工程技術、機電一體化等相關專業(yè)的教材和短期培訓的教材，也可供廣大工程技術人員學習和參考。任務二任務二OTL互補對稱功率放大電路（87）項目一半導體器件 任務一半導體二極管 任務二半導體三極管 任務三場效應管 【習題一】 項目二放大電路基礎 任務一單管放大電路的研究 任務二多級放大電路及負反饋放大電路的研究 任務三場效應管的應用 【習題二】 項目三功率放大電路 任務一OCL互補對稱功率放大電路 項目四集成運算放大器的線性應用 任務一集成運算放大器基本電路 、任務二積分微分電路、任務三有源濾波電路 【習題四】 ·1·項目六直流穩(wěn)壓電源項目六直流穩(wěn)壓電源 【習題五】項目五集成運算放大器的非線性應用 任務一RC正弦波振蕩電路 任務二LC正弦波振蕩電路 任務三電壓比較器 任務四非正弦波產(chǎn)生與變換電路（163） 任務一整流、濾波及穩(wěn)壓電路的研究 任務二濾波電路 任務三穩(wěn)壓電路 【習題六】【習題六】·2··1·項目一半導體器件項目一半導體器件任務一半導體二極管【任務描述】（1）理解半導體的基本知識。（2）理解二極管的單向?qū)щ娦?。?）熟悉二極管的實際應用。（4）了解其他類型的二極管?！局R學習】一、本征半導體物質(zhì)按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質(zhì)的導電性能取決于原子結(jié)構(gòu)。導體一般為低價元素，絕緣體一般為高價元素和高分子物質(zhì)，半導體一般為4價元素的物質(zhì)，其導電性能介于導體和絕緣體之間，所以稱為半導體。本征半導體：純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。常用的半導體材料是硅和鍺，它們都是4價元素，在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有4個價電子。在晶體中，每個原子都和周圍的4個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來。共價鍵中的價電子由于熱運動而獲得一定的能量，其中少數(shù)能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子，同時必然在共價鍵中留下空位，稱為空穴，這種由于熱運動而激發(fā)自由電荷的過程稱為本征激發(fā)?？昭◣д姡娮訋ж撾?。如圖1.1.1所示?！?·模擬電子技術半導體的導電性：在外電場作用下，半導體中的自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流；另一方面，自由電子也按一定方向依次填補空穴，即空穴產(chǎn)生了定向移動，形成所謂的空穴電流。由此可見，半導體中存在著兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。本征激發(fā)中自由電子與空穴是同時成對產(chǎn)生的，因此，它們的濃度是相等的。價電子在熱運動中獲得能量擺脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對。同時自由電子在運動過程中失去能量，與空穴相遇，使電子-空穴對消失，這種現(xiàn)象稱為復合。在一定的溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合過程是相對平衡的，即載流的濃度是一定的。本征半導體中的載流子濃度，除了與半導體材料本身的性質(zhì)有關以外，還與溫度有關，而且隨著溫度的升高，基本上按指數(shù)規(guī)律增加。所以半導體載流子的濃度對溫度十分敏感。半導體的導電性能與載流子的濃度有關，但因本征載流子在常溫下的濃度很低，所以它們的導電能力很差。二、雜質(zhì)半導體在本征半導體中雖然存在兩種載流子，但因本征載流子的濃度很低，所以它們的導電能力很差。當我們?nèi)藶榈?、有控制地摻入少量的特定雜質(zhì)時，其導電性將產(chǎn)生質(zhì)的變化。摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。在本征半導體中摻入微量5價元素，如磷、銻、砷等，原來晶格中的某些硅（鍺）原子會被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有5個價電子，因此它與周圍4個硅（鍺）原子組成共價鍵時，還多余1個價電子。它不受共價鍵的束縛，而只受自身原子核的束縛，因此，它只要得到較少的能量就能成為自由電子，并留下帶正電的雜質(zhì)離子，雜質(zhì)離子不能參與導電。由于雜質(zhì)原子可以提供自由電子，故稱為施主原子（雜質(zhì)這種雜質(zhì)半導體中電子濃度比同一溫度下的本征半導體中的電子濃度大好多倍，這就大大加強了半導體的導電能力，我們把這種摻雜的半導體稱為N型半導體。在N型半導體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度，主要靠電子導電，所以稱自由電子為多數(shù)在本征半導體中，摻入微量3價元素，如硼、鋁、鎵、銦等，則原來晶格中的某些硅（鍺）原子被雜質(zhì)代替。雜質(zhì)原子的3個價電子與周圍的硅原子形成共價鍵時，會出現(xiàn)空穴，在室溫下，這些空穴能吸引鄰近的電子來填充，使雜質(zhì)原子變成帶負電荷的離子。這種雜質(zhì)因能夠吸收電子被稱為受主原子（雜質(zhì)我們稱這種摻雜的半導體為P型半導體。P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，而自由電子是少數(shù)載流子。3.雜質(zhì)半導體的導電性能在雜質(zhì)半導體中，多子是由雜質(zhì)原子提供的，而本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度則因與多子復合機會增多而大為減少。雜質(zhì)半導體中多子越多，則少子越少。微量的摻雜可以使半導體的導電能力大大加強。另外，雜質(zhì)半導體中少子雖然濃度很低，但它卻對溫度非常敏感，會影響半導體器件的性能。至于多子，因其濃度基本上等于雜質(zhì)原子的濃度，所以受溫度影響不大?！?·項目一半導體器件在一塊本征半導體上，用工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，則在兩種半導體的交界處形成了PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成半導體器件的基礎。耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)平衡時阻擋層形成多次截流子的擴散運動NNPP（1）擴散運動：多子由于濃度不同產(chǎn)生的運動，稱為擴散運動。隨著擴散的進行就在P、N的交界面處產(chǎn)生了空間電荷區(qū)，稱耗盡層或者阻擋層，同時也會產(chǎn)生電場（自（2）漂移運動：在自建電場的作用下，少子在電場力作用下的運動稱為漂移運動。（3）動態(tài)平衡：當擴散運動和漂移運動的速度相同時，就達到了動態(tài)平衡，此時空間電荷區(qū)不再擴大，寬度穩(wěn)定下來，就形成了PN結(jié)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦栽赑N結(jié)外加不同方向的電壓，就可以破壞原來的平衡，從而呈現(xiàn)出單向?qū)щ娞匦?。若將電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，則稱此為正向接法或正向偏置。此時外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場與自建電場方向相反，削弱了自建電場，使阻擋層變窄，此時擴散作用大于漂移作用，在電源的作用下，多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散形成電流，其方向由電源正極通過P區(qū)、N區(qū)到達電源負極。由于正向電流很大，此時，PN結(jié)處于導通狀態(tài)，它所呈現(xiàn)出的電阻為正向電阻，其阻值很小，正向電壓愈大，正向電流就愈大。其電壓和電流呈指數(shù)關系。若將電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，則稱此為反向接法或反向偏置。此時外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場與自建電場方向相同，增強了自建電場，使阻擋層變寬。此時漂移作用大于擴散作用，少數(shù)載流子在電場作用下作漂移運動，由于電流方向與加正向電壓時相反，故稱為反向電流。由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的，故反向電流很小，而且當外加電壓超過零點幾伏時，少數(shù)載流子基本全被電場拉過去形成漂移電流，此時反向電壓再增加，載流子數(shù)也不會增加，因此反向電流也不會增加，·4·模擬電子技術故稱為反向飽和電流，即ID=-IS由于反向電流很小，此時，PN結(jié)處于截止狀態(tài)，呈現(xiàn)出的電阻稱為反向電阻，其阻值很大，高達幾百千歐以上。可見，PN結(jié)加正向電壓，處于導通狀態(tài)；加反向電壓，處于截止狀態(tài)，即PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴N結(jié)的電壓與電流的關系為UIDID—通過PN結(jié)的電流。U—PN結(jié)兩端的電壓。=EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up5(kT),q———)稱為溫度電壓當量，K為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；q為電子電Is—反向飽和電流。此方程稱為PN結(jié)的伏安特性方程，用曲線表示此方程，稱為伏安特性曲線。PN結(jié)處于反向偏置時，在一定電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流是很小的反向飽和電流。但是當反向電壓超過某一數(shù)值（UB）后，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，UB稱為擊穿電壓。PN結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。當反向電壓足夠高時，阻擋層內(nèi)電場很強，少數(shù)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)受強烈電場的加速作用，獲得很大的能量，在運動中與其他原子發(fā)生碰撞時，有可能將價電子打出共價鍵，形成新的電子-空穴對。這些新的載流子與原先的載流子一起，在強電場作用下碰撞其他原子打出更多的電子-空穴對，如此鏈鎖反應，使反向電流迅速增大，這種擊穿稱為雪崩擊穿。所謂齊納擊穿，是指當PN結(jié)兩邊摻入高濃度雜質(zhì)時，其阻擋層寬度很小，即使外加不太高的反向電壓（一般為幾伏在PN結(jié)內(nèi)部就可形成很強的電場（可達到2×106V/cm將共價鍵的價電子直接拉出來，產(chǎn)生電-空穴對，使反向電流急劇增加，出對于硅材料的PN結(jié)，擊穿電壓UB大于7V時通常是雪崩擊穿，UB小于4V時通常是齊納擊穿；UB在4～7V時兩種擊穿均有。由于擊穿破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，因此在一般使用時應避免出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。需要指出的是，發(fā)生擊穿并不意味著PN結(jié)被損壞。當PN結(jié)反向擊穿時，只要注意控制反向電流的數(shù)值（一般通過串接電阻R實現(xiàn)不使其過大，以免因過熱而燒壞PN結(jié)，當反向電壓降低時，PN結(jié)的性能就可以恢復正常。但是發(fā)生雪崩擊穿后，一般PN結(jié)就會損壞。穩(wěn)壓二極管正是利用了PN結(jié)的反向擊穿特性來實現(xiàn)的，當流過PN結(jié)的電流發(fā)生變化時，結(jié)電壓UB保持基本不變。·5·項目一半導體器件勢壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電荷區(qū)是由不能移動的正負雜質(zhì)離子所形成的，均具有一定的電荷量，所以在PN結(jié)儲存了一定的電荷。當外加電壓使阻擋層變寬時，電荷量增加，反之，外加電壓使阻擋層變窄時，電荷量減少。在阻擋層中的電荷量隨外加電壓變化而改變，形成了電容效應，稱為勢壘電容，用CT表示。勢壘電容CT不是一個常數(shù)，隨電壓變化而變化。一般CT為幾皮法～200pF，我們可以利用此電容效應做成變?nèi)荻O管，作為壓控可變電容器。多子在擴散過程中越過PN結(jié)成為另一方的少子，這種少子的積累也會形成電容效應。外加電壓改變時，引起擴散區(qū)內(nèi)積累的電荷量變化就形成了電容效應，其所對應的電容稱為擴散電容，用CD表示。擴散電容正比于正向電流。PN結(jié)的電容包括兩部分：TD一般來說，PN結(jié)正偏時，擴散電容起主要作用，Cj=CD；當PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用，Cj=CT。5.半導體二極管半導體二極管由PN結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成。按材料分：硅二極管和鍺二極管點接觸二極管的特點是結(jié)面積小，因而結(jié)電容小，適用于在高頻小電流下工作，主要應用于小電流的整流和檢波、混頻等。面接觸二極管的特點是結(jié)面積大，因而能通過較大的電流，但結(jié)電容也大，只能工作在較低頻率下，可用于整流。金屬蝕絲金屬蝕絲N型鉗片陽極引段陰極引段圖1.1.3點接觸二極管和面接觸二極管二極管的符號如圖1.1.4所示?！?·模擬電子技術陽極陰極陽極二極管本質(zhì)是就是一個PN結(jié)，但是對于真實的二極管器件，考慮到引線電阻和半導體的體電阻及表面漏電等因素，二極管的特性與PN結(jié)略有差別。二極管的伏安特性①正向特性。正向電壓低于某一數(shù)值Uth時，正向電流很小，只有當正向電壓高于某一值Uth后，才有明顯的正向電流。圖1.1.5中Uth稱為死區(qū)電壓，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1②反向特性。二極管加反向電壓，反向電流數(shù)值很小，且基本不變，稱為反向飽和電流。硅管的反向飽和電流為納安（nA）數(shù)量級，鍺管為微安數(shù)量級。當反電壓加到一定值UBR時，反向電流急劇增加，產(chǎn)生擊穿。UBR稱為反向擊穿電壓，普通二極管的反向擊穿電壓一般在幾十伏以上（高反壓管可達幾千伏）。③溫度特性。二極管的特性對溫度很敏感，溫度升高，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。其規(guī)律是：在室溫附近，在同一電流下，溫度每升高1℃,正向電壓減小2～2.5mV；溫度每升高10℃,反向電流增大約1倍。（3）二極管的主要參數(shù)。描述器件的物理量，稱為器件的參數(shù)。它是器件特性的定量描述，也是選擇器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)可從手冊查得。二極管的主要參數(shù)有：·7·項目一半導體器件①最大整流電流IF。它是二極管允許通過的最大正向平均電流。工作時應使平均工作電流小于IF，如超過IF，二極管將因過熱而燒毀。此值取決于PN結(jié)的面積、材料和散熱情況。②最大反向工作電壓UR。這是二極管允許的最大反向工作電壓，當反向電壓超過此值時，二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常取擊穿電壓的一半作為UR。③反向電流IR。反向電流IR指二極管未擊穿時的反向電流值。此值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶茫捎诜聪螂娏魇怯缮贁?shù)載流子形成的，所以IR受溫度的影響很大。④最高工作頻率fM。fM的值主要取決于PN結(jié)的結(jié)電容，結(jié)電容越大，則二極管允許的最高頻率越低。⑤二極管的直流電阻RD。加到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比，稱為二極管的直流電阻且由圖1.1.5可看出，RD隨工作電流加大而減小，故RD呈非線性。用萬用表測量出的電阻值為RD，用不同指測量出的RD值顯然是不同的。二極管加正、反向電壓所呈現(xiàn)的電流也不同。加正向電壓時，RD為幾十至幾百歐，加反向電壓時RD為幾百千歐至幾兆歐。一般正反向電阻值相差越大，二極管的性能越好。⑥二極管的交流電阻rd。在二極管工作點Q附近，電壓的微變值ΔU與相應的微變電流值ΔI之比，稱為該點的交流電阻rd，即ΔUΔIΔI從其幾何意義上講，當ΔU→0時，dUdIdIrd就是工作點Q處的切線斜率倒數(shù)（斜率為dI/dU即曲線在Q點的導數(shù)）。顯然，rd也是非線的，即工作電流越大，rd越小。6.穩(wěn)壓二極管（1）穩(wěn)壓二極管的原理。穩(wěn)壓二極管的工作原理是利用PN結(jié)的反向擊穿特性，穩(wěn)壓二極管除具有普通二極管的特性外，還具有反向擊穿后在一定范圍內(nèi)不會損壞而能正常工作的特性。由二極管的特性曲線可知，如果穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，則當反向電流在較大范圍內(nèi)變化ΔI時，管子兩端電壓相應的變化ΔU卻很小，這說明它具有很好的穩(wěn)壓特性。電路中的符號為圖1.1.6中的VDZ所示?！?·模擬電子技術（2）用穩(wěn)壓二極管組成穩(wěn)壓電路。IR＋＋＋＋R所示。I注意以下幾個問題：UVZUO①穩(wěn)壓二極管正常工作是在反向擊穿狀態(tài)下，IzRL外加電源正極接穩(wěn)壓二極管的N區(qū)（負極電源--②穩(wěn)壓管應與負載并聯(lián)。③必須限制流過穩(wěn)壓管的電流Iz，即電路中必須串聯(lián)限流電阻R，使Iz不超過規(guī)定值。④還應保證流過穩(wěn)壓管的電流Iz大于某一數(shù)值（穩(wěn)定電流以確保穩(wěn)壓管有良好的穩(wěn)壓特性。⑤使用穩(wěn)壓管時限流電阻不可少，它確保③、④項內(nèi)容。選好限流電阻是保證穩(wěn)壓電路正常工作的前題。（3）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)。①穩(wěn)定電壓Uz。穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿時的穩(wěn)定工作電壓。由于穩(wěn)定電壓隨工作電流的不同而略有變化，因而測試Uz時應使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。穩(wěn)定電壓Uz是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。不同型號的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓的值不同。同一型號的穩(wěn)壓管，由于制造工藝的分散性，各個穩(wěn)壓管的Uz值也有小的差別。②穩(wěn)定電流Iz。穩(wěn)定電流是指使穩(wěn)壓管正常工作時的最小電流，低于此值時穩(wěn)壓效果較差。工作時應使流過穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是，工作電流較大時，穩(wěn)壓性能較好，但電流要受二極管的功耗限制，即Izmax=Pz/Uz。工作時Iz應小于Izmax。③電壓溫度系數(shù)“。電壓溫度系數(shù)“指穩(wěn)壓管溫度變化1℃時，所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般情況下，穩(wěn)定電壓大于7V的穩(wěn)壓管，“為正值。而穩(wěn)定電壓小于4V的穩(wěn)壓管，“為負值。穩(wěn)定電壓在4～7V的穩(wěn)壓管，其“較小，即穩(wěn)定電壓值受溫度影響較小，性能比較穩(wěn)定。④動態(tài)電阻rz。r=ΔU/ΔIzz越小，則穩(wěn)壓性能越好。⑤額定功耗Pz。I·9·輸入VD項目一半導體器件輸入VD7.二極管的應用二極管的應用基礎，就是二極管的單向?qū)щ娞匦?，因此，在應用電路中，關鍵是判斷二極管的導通或截止。二極管（硅管）導0.3V）代替，或近似用短路線代替。截止時，一般將二極管斷開，即認為二極管反向電阻為無窮大。二極管可用于整流電路、限幅電路等，二極管還可組成門電路，可實現(xiàn)一定的邏輯運算。8.其他二極管件，由化合物半導體制成。它也是由一個PN結(jié)組成，當加正向電壓時，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子擴散至對方與少子復合，復合過程中產(chǎn)生光輻射而使二極管發(fā)光。發(fā)光二關于發(fā)光二極管作以下說明：①發(fā)光二極管常用作顯示器件，如指示燈等。②發(fā)光二極管伏安特性與普通二極管特性相似，發(fā)光工作時加正向電壓。③要加限流電阻，工作電流一般為幾毫安至幾十毫安，典型電流為10mA左右，高亮度的50mA即可。電流越大，發(fā)光越強。④發(fā)光二極管導通時管壓降為1.7V～3.5V。光電二極管是將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導體器件。光電二極管被光照射時，產(chǎn)生大量的電子-空穴，從而提高了少子的濃度，在反向偏置下，產(chǎn)生漂移電流，從而使反向電流增加。這時外電路的電流隨光照的強弱而改變。需要說明一點的是，光電二極管應用時要反向偏置。光電二極管電路符號將光電二極管和發(fā)光二極管組合起來可構(gòu)成二極管光電耦合器。它以光為媒介傳利用PN結(jié)的勢壘電容隨外加反向電壓的變化特性可制成變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管主要用于高頻電子線路，如電子調(diào)諧器等。應用是它也是加反向電壓。VDVD輸出·10·模擬電子技術【任務實施】實訓1.1.1常用二極管的性能測試及應用一、實訓目的（1）會使用指針式萬用表測定并判斷二極管和三極管的管腳與管子的好壞。（2）學會測定常用二極管（整流二極管、穩(wěn)壓管和發(fā)光二極管）的工作特性。二、實訓電路和工作原理1.二極管好壞的判斷用萬用表測二極管時，通常將電阻擋撥到R×100或R×1k擋。一般二極管的正很小，表明二極管內(nèi)部已短路。若正反向電阻都很大，則表明二極管內(nèi)部已斷路。2.二極管性能的測定圖1.1.9二極管性能測試電路·11·項目一半導體器件（1）二極管的伏安特性如圖1.1.10所示。這里主要測定它的正向伏安特性iD=f此處僅測量反向漏電流IR（又稱反向飽和電流）。（2）對穩(wěn)壓管（單向擊穿二極管則主要測定它的轉(zhuǎn)折特性，理解它的工作區(qū)域。穩(wěn)壓管的伏安特性如圖1.1.11所示。圖中IZ為工作電流，UZ為穩(wěn)壓值。ΔUZ為工作區(qū)域。（3）對發(fā)光二極管，則主要看限流電阻的選擇。圖1.1.11穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線·12·模擬電子技術三、實訓設備四、實訓內(nèi)容與實訓步驟（1）由VD1單元選整流二極管1N400值，記下Rd正=Ω,Rd反=kΩ,并由此判斷此二極管是否正常。將電源電壓調(diào)至10V左右，然用電位器RP調(diào)節(jié)輸出電壓ud。將測量結(jié)果填入表d/V0id/A（3）在上述實訓中，將二極管反接，以微安表代替毫安表，將電壓ud調(diào)至10V，測定二極管的反向飽合電流IR=μA。（4）在圖1.1.9中，以穩(wěn)壓管取代二極管，測定其穩(wěn)壓特性（伏安特性）。在單元電壓，測定并記錄下穩(wěn)壓管工作電流IZ。將測量結(jié)果填入表1.1.2中。u/Vzi/Az5kΩ)與限流電阻（200Ω)串聯(lián)，用電壓表測量電源電壓，由于發(fā)光二極管工作電流通常過低，發(fā)光二極管不會亮，過高又會燒壞發(fā)光二極管，因此施加電壓通常在3.0V以上，并串接一阻值適當?shù)碾娮?，使發(fā)光二極管電流為3～5mA（正常工作）。下面請根據(jù)不同電源電壓，選擇適當?shù)南蘖麟娮鑂′（R′為200Ω電阻與電位器電阻阻值之和）R′應選規(guī)范值。將測量數(shù)據(jù)填入表1.1.3中。電源電壓U/V電位器阻值RP/Ω限流電阻阻值R′/Ω（規(guī)范值）·13·集電結(jié)b基極。發(fā)射結(jié) 集電區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū)項目一半導體器件集電結(jié)b基極。發(fā)射結(jié) 集電區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū)五、實訓注意事項（1）二極管及發(fā)光二極管正向電阻較小，要注意加限流電阻，以免電流過大，燒壞二極管。（2）電源電壓調(diào)節(jié)電位器在開始時要調(diào)至電壓最低點，以免出現(xiàn)過高電壓。六、實訓報告要求（1）說明判斷實訓二極管完好的依據(jù)。（4）根據(jù)表1.1.3中的數(shù)據(jù)，說明在不同電壓下，發(fā)光二極管限流電阻的選取值。任務二半導體三極管【任務描述】（1）了解三極管的種類、作用及標識方法。（2）掌握三極管的主要參數(shù)。（3）理解三極管的主要用途。【知識學習】一、三極管的結(jié)構(gòu)及類型半導體三極管又稱為晶體管、雙極性三極管。它是組成各種電子電路的核心器件。三極管有三個電極：發(fā)射極（e）、基極（b）和集電極（c）。晶體管集電極CNPN○發(fā)射極CbCPNPCb如圖1.2.1所示三極管由兩個PN結(jié)組成，按PN結(jié)的組成方式，三極管有PNP型·14·模擬電子技術和NPN型兩種類型。從結(jié)構(gòu)上看，三極管內(nèi)部有三個區(qū)域，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并相應稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。常用的半導體材料有硅和鍺，因此三極管有四種類型。它們對應的系列為：3A（鍺由于硅NPN三極管用得最廣，在無說明時，三極管即為硅NPN三極管。二、三極管的三種連接方式放大器一般為4端口網(wǎng)絡，而三極管只有3個電極，所以組成放大電路時，勢必要有一個電極作為輸入與輸出信號的公共端。根據(jù)所選公共端電極的不同，有三種連CeCbbebbC圖1.2.2三極管的三種連接方式三、三極管的放大作用1.三極管實現(xiàn)放大的結(jié)構(gòu)要求和外部條件①發(fā)射區(qū)重摻雜，多數(shù)載流子電子濃度遠大于基區(qū)多數(shù)載流子空穴濃度。②基區(qū)做的很薄，通常只有幾微米到幾十微米，而且是低摻雜。③集電極面積大，以保證盡可能收集到發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子。外加電源的極性應使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。2.載流子的傳輸過程載流子的傳輸過程如圖1.2.3所示。由于發(fā)射結(jié)正向偏置，因此發(fā)射區(qū)的電子大量地擴散注入到基區(qū)，與此同時，基·15·項目一半導體器件區(qū)的空穴也向發(fā)射區(qū)擴散。用電流表示為IEn、IEp，可見IE=IEn+IEp；由于發(fā)射區(qū)是重摻雜，因而注入到基區(qū)的電子數(shù)遠大于基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散的空穴數(shù)，可以將這部分空穴的作用忽略不計。由于電子的注入使基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)處的電子濃度很高而靠近集電結(jié)處的電子濃度很低（近似為0因此在基區(qū)形成電子濃度差。而集電結(jié)反向應用，使電子靠擴散作用向集電區(qū)運動。此外，在基區(qū)，發(fā)射區(qū)擴散過來的電子將與空穴相遇產(chǎn)生復合，復合形成的基極電流表示為IBn。由于基區(qū)空穴濃度比較低，且基區(qū)做的很薄，因此復合的電子是極少數(shù)，絕大多數(shù)電子均能擴散到集電結(jié)處。由于集電結(jié)的反向偏置，在結(jié)電場的作用下，通過擴散到達集電結(jié)的電子將漂移運動到達集電區(qū)。因為集電結(jié)的面積大，所以擴散過來的電子基本上全部被集電區(qū)收集，形成ICn。此外，因為集電結(jié)的反向偏置，所以集電區(qū)的空穴和基區(qū)的電子（均為少數(shù)載流子）在結(jié)電場的作用下作漂移運動（相當于反向飽和電流）形成ICBO3.直流電流分配載流子運動即形成電流，相應的各極電流如圖1.2.3和下面各式。其中，集電極電流為IC發(fā)射極電流為IEEnEp=IEn=ICn+IBn基極電流為IBBn-ICBO定義共基極直流電流放大系數(shù)“為 IC-ICBOIC“== EEI EE定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β為則β=一般三極管的β為幾十至幾百。β太小，管子的放大能力就差，β過大，則三極管不夠穩(wěn)定。從實測數(shù)據(jù)，我們可以看出IB＜IC＜IE計算中，常取IC=IE4.交流電流的放大系數(shù)“和β從實測數(shù)據(jù)中，我們還可以看出，當三極管的基極電流IB有一個微小的變化時，·16·模擬電子技術例如由0.02mA變?yōu)?.04mA(ΔIB=0.02mA相應的集電極電流產(chǎn)生了較大的變C=1.19mA這就說明了三極管的電流放大作用。我們定義這兩個變化電流之比為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β。同理，定義ΔIC與ΔIE電流之比“為共基極交流電流放大系數(shù)。β=ΔLCΔIBβ=“=ΔLCΔIE“=ΔIBΔIE-ΔIC1-ΔIBΔIE-ΔIC1-ΔIC/ΔIE1-“β“= 1+β 顯然，β和β的含義是不同的，但目前的多數(shù)應用中，兩者基本相等且為常數(shù)，因此在四、三極管的特性曲線三極管外部各極電壓電流的相互關系，當用圖形描述時稱為三極管的特性曲線。它即簡單又直觀，全面地反映了各極電流與電壓之間的關系。特性曲線與參數(shù)是選用三極管的主要依據(jù)。所以要很好地理解三極管特性曲線。如圖1.2.4三極管輸入特性曲線所示，當UCE不變時，輸入回路中的電流與IB與電壓UBE之間的關系曲線稱為輸入特性，即IBUCE=OVUCE=2VUBE圖1.2.4三極管輸入特性曲線·17·項目一半導體器件圖1.2.5三極管輸出特性曲線UCE≥1V，b、e間加正電壓，此時集電極電位比基極高，集電結(jié)為反向偏置，阻擋層變寬，基區(qū)變窄，基區(qū)電子復合減少，故基極電流IB下降。與UCE=0V時相比，在相同條件下，IB要小得多，結(jié)果輸入特性曲線將右移，三極管處于放大狀態(tài)。2.輸出特性如圖1.2.5三極管輸出特性曲線所示，當IB不變時，輸出回路中的電流IC與電壓UCE之間的關系曲線稱為輸出特性。ICCE）IB=常數(shù)固定一個IB值，得到一條輸出特性曲線，改變IB值，可提一簇輸出特性曲線。在輸出特性曲線上可以劃分為三個區(qū)域。IB=0的區(qū)域稱為截止區(qū)。在截止區(qū)，集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均處于反向偏置。即UBE＜0、UBC＜0發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。對于硅NPN型三極管，UBE≥0.7，UBC＜0，ΔIC=βΔIB或者ic=βib在靠近縱軸附近，各條輸出曲線的上升部分屬于飽和區(qū)，在這個區(qū)域，不同IB值的各條曲線幾乎重疊在一起。IC不再隨IB變化，此時三極管失去了放大作用。發(fā)射結(jié)和過飽和：UCE＜UBE?！?8·模擬電子技術在深度飽和時，小功率管的管壓降為UCES通常小于等于0.3V五、三極管的主要參數(shù)（1）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β。β=Δβ=ΔIC II IC-ICEOIIβ==（3）共基極交流電流放大系數(shù)“。ΔIC“= ΔIE（4）共基極直流電流放大系數(shù)“。 IC“=IE2.極間反向電流（1）集電極-基極反向飽和電流ICBO。（2）集電極-發(fā)射極穿透電流ICEO。這兩項越小，三極管質(zhì)量越高。3.極限參數(shù)由于三極管的電流放大系數(shù)β與工作電流有關，工作電流太大，β就下降，使三極管的性能下降，也使放大的信號產(chǎn)生嚴重失真。一般定義當β值下降為正常值的1/3~2/3時的IC值為ICM。（2）集電極最大允許功率損耗PCM。PCPC＜PCM為安全區(qū)，PC＞PCM為過耗區(qū)。4.反向擊穿電壓BUCBO—發(fā)射極開路時，集電極-基極間的反向擊穿電壓。BUCEO—基極開路時，集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。BUCER—基射極間接有電阻R時，集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。BUCES—基射極間短路時，集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。BUEBO—集電極開路時，發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓。此電壓一般較小，僅有幾伏左右。上述電壓一般存在如下關系：BUCBO＞BUCES＞BUCER＞BUCEO＞BUEBO·19·V9013RP 200E項目一半導體器件V9013RP 200E三極管應工作在安全工作區(qū)，即UCE＜BUCEO。六、溫度對三極管參數(shù)的影響由于半導體的載流子濃度受溫度影響，因而三極管的參數(shù)也會受溫度的影響。這將嚴重影響到三極管電路的熱穩(wěn)定性。通常三極管的如下參數(shù)受溫度影響比較明顯。輸入特性曲線隨溫度升高向左移動。即IB不變時，UBE將下降，其變化規(guī)律是溫度2.溫度對ICBO的影響ICBO是由少數(shù)載流子形成的。當溫度上升時，少數(shù)載流子增加，故ICBO也上升。其變化規(guī)律是，溫度每上升10℃,ICBO約上升1倍。ICEO隨溫度的變化規(guī)律大致與ICBO相同。在輸出特性曲線上，溫度上升，曲線上移。3.溫度對β的影響β隨溫度的升高而增大，變化的規(guī)律是：溫度每升高1℃,β值增大0.5%～1%。在輸出特性曲線上，曲線間的距離隨溫度升高而增大。綜上所述，溫度對UBE、ICBO、β的影響，均使IC隨溫度上升而增加，這將嚴重影響三極管的工作狀態(tài)。【任務實施】實訓二雙極晶體管輸出特性的測定一、實訓目的測定雙極晶體管的輸出特性。二、實訓電路和工作原理二極管正向特性相似，所以本項目不再測試。本項目主要測定雙極晶體管的輸出特性。雙極晶體管的輸出特性是指在基極電流iB一定的條件下，iC=f（uCE）。其測試電路mAC-B1kC-B圖1.2.6雙極晶體管輸入輸出特性測試電路·20·模擬電子技術雙極晶體管的輸出特性曲線如圖1.2.7所示。圖1.2.7三極管輸出特性曲線在此簇曲線中有三個特征區(qū)域：圖1.2.7三極管輸出特性曲線C=ICEO，三極管此時相當于開路。（2）飽和區(qū)：其特征是UCE=UBE，此時集電極與發(fā)射極間的電壓稱為飽和電壓UCES基本與UCE無關；②受控性，iC僅受iB控制，iC=βiB，呈現(xiàn)放大。三、實訓設備（1）裝置中的直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、直流電源、電壓表、毫安表、微安表、萬用表。四、實訓內(nèi)容與實訓步驟按圖1.2.6完成接線。其中Eb為直流3V電源，EC為直流可調(diào)穩(wěn)壓電源。微安表也可用萬用表代替。CE/ViC/mAiB/μA00五、實訓注意事項電源電壓調(diào)節(jié)電位器在開始時要調(diào)至電壓最低點，以免出現(xiàn)過高電壓。·21·項目一半導體器件六、實訓報告要求由表格所列數(shù)據(jù)，畫出9013雙極晶體管一簇輸出特性，并在曲線圖上注明各特征區(qū)域（截止區(qū)、飽和區(qū)和放大區(qū)）并求出它的放大倍數(shù)β=。任務三場效應管【任務描述】（1）了解場效應管的種類、特點與標識方法。（2）了解場效應管的主要參數(shù)。（3）了解場效應管的主要用途?！局R學習】由于半導體三極管工作在放大狀態(tài)時，必須保證發(fā)射結(jié)正偏，故輸入端始終存在輸入電流。改變輸入電流就可改變輸出電流，所以三極管是電流控制器件，因而由三極管組成的放大器，其輸入電阻不高。場效應管是通過改變輸入電壓（即利用電場效應）來控制輸出電流的，屬于電壓控制器件，它不吸收信號源電流，不消耗信號源功率，因此輸入電阻十分高，可高達上百兆歐。除此之外，場效應管還具有溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點，所以得到廣泛的應用。由于半導體三極管參與導電的兩種極性的載流子：電子和空穴，所以又稱半導體三極管為雙極性三極管。場效應管僅依靠一種載流子導電，所以又稱為單極性三極管。一、結(jié)型場效應管如圖1.3.1所示，結(jié)型場效應管有兩種結(jié)構(gòu)形式，N型溝道結(jié)型場效應管和P型溝道結(jié)型場效應管。以N型溝道為例。在一塊N型硅半導體材料的兩邊，利用合金法、擴散法或其他工藝做成高濃度的P+型區(qū)，使之形成兩個PN結(jié)，然后將兩邊的P+型區(qū)連在一起，引出一個電極，稱為柵極G。在N型半導體兩端各引出一個電極，分別作為源極S和漏極D。夾在兩個PN結(jié)中間的N型區(qū)是源極與漏極之間的電流通道，稱為導電溝道。由于N型半導體多數(shù)載流子是電子，故此溝道稱為N型溝道。同理，P型溝道結(jié)型場效應管中，溝道是P型區(qū)，稱為P型溝道，柵極與N型區(qū)相連。電路符號·22·模擬電子技術圖1.3.1結(jié)型場效應管結(jié)構(gòu)與符號2.工作原理從結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)可看出，我們在D、S間加上電壓UDS，則在源極和漏極之間形成電流ID。我們通過改變柵極和源極的反向電壓UGS，則可以改變兩個PN結(jié)阻擋層如|UGS|上升，則溝道變窄，電阻增加，ID下降。反之亦然。所以改變UGS的大小，可以控制漏極電流。這是場效應管工作的基本原理，也是核心部分。下面我們將詳細討論。（1）UGS對導電溝道的影響。PN結(jié)的阻擋層最薄，溝道寬，電阻小，在之間形成電流ID。若UGS的負值再進一步增大，當UGS=-Up時，兩個PN結(jié)的阻擋層相遇，溝道消P圖1.3.2UGS對導電溝道的影響·23·項目一半導體器件D與UDS、UGS之間的關系。當UDS=2V時，溝道中將有電流ID通過。此電流將沿著溝道方向產(chǎn)生一個電壓降，這樣溝道上各點的電位就不同，因而溝道內(nèi)各點的電位就不同，溝道內(nèi)各點與柵極的電位差也就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，如UDG=UDS-UGS=2-（-1）層將出現(xiàn)楔形，使得靠近源極端溝道較寬，而靠近漏極端的溝道較窄。如圖1.3.3（a）所示。此時再增大UDS，由于溝道電阻增長較慢，所以ID隨之增加。②預夾斷p如果繼續(xù)升高UDS，就會使夾斷區(qū)向源極端方向發(fā)展，溝道電阻增加。由于溝道電阻的增長速率與UDS的增加速率基本相同，故這一期間ID此時，漏極電流的大小僅取決于UGS的大小。注意：預夾斷后還能有電流。不要認為預夾斷后就沒有電流。由于結(jié)型場效應管工作時，我們總是要柵源之間加一個反向偏置電壓，使得PN結(jié)始終處于反向接法，故ID=0，所以，場效應管的輸入電阻rgs很高。圖1.3.3UDG對導電溝道的影響3.輸出特性曲線GS為參變量時，漏極電流ID與與漏、源電壓UDS之間的關系，稱為輸出特性，即ID根據(jù)工作情況，輸出特性可劃分為四個區(qū)域?！?4·模擬電子技術（a）N溝道結(jié)型場效應管輸出特性（b）N溝道結(jié)型場效應管轉(zhuǎn)移特性圖1.3.4溝道結(jié)型場效應管輸出與轉(zhuǎn)移特性（1）可變電阻區(qū)。可變電阻區(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，此區(qū)的特點是：固定UGS時，ID隨UDS增大而呈線性上升，相當于線性電阻；改變UGS時，特性曲線的斜率變化，相當于電阻的阻值不同，UGS增大，相應的電阻也增大。（2）恒流區(qū)。該區(qū)的特點是：ID基本不隨UDS的變化而變化，僅取決于UGS的值，輸出特性曲線趨于水平，故稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)。（3）擊穿區(qū)。位于特性曲線的最右部分，當UDS升高到一定程度時，反向偏置的PN結(jié)被擊穿，ID將突然增大。當UGS愈負時，達到雪崩擊穿所需的UDS電壓愈小。當UGS=0時，其擊穿電壓用BUDSS表示。（4）截止區(qū)。當|UGS|=|UP|時，場效應管的導電溝道處于完全夾斷狀態(tài)，ID4.轉(zhuǎn)移特性曲線當漏極、源極之間電壓UDS保持不變時，漏極電流ID與柵極、源極之間電壓UGS的關系稱為轉(zhuǎn)移特性。即ID它描述了柵極、源極之間的電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。由圖1.3.4（b）可見：GSDSS漏極電流最大，稱為飽合漏極電流IDSS。結(jié)型場效應管的轉(zhuǎn)移特性在UGS=0～Up內(nèi)可用下面近似公式表示：ID2根據(jù)輸出特性曲線可以做出轉(zhuǎn)移特性曲線。二、絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管通常由金屬、氧化物和半導體制成，所以又稱為金屬-氧化物-·25·項目一半導體器件半導體場效應管，簡稱為MOS場效應管。由于這種場效應管的柵極被絕緣層（SiO2）隔離（所以稱為絕緣柵）。因此其輸入電阻更高，可達109Ω以上。絕緣柵場效應管有N溝道、P型溝道、增強型、耗盡型四種類型。N溝道增強型MOS場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.3.5所示。把一塊摻雜濃度較低的P型半導體作為襯底，然后在其表面上覆蓋一層SiO2的絕緣層，再在SiO2層上刻出表面各自噴上一層金屬鋁，分別引出源極、漏極和控制柵極。襯底上也引出一根引線，通常情況下將它和源極在內(nèi)部相連。結(jié)型場效應管是通過改變UGS來控制PN結(jié)的阻擋層寬窄，從而改變導電溝道的寬度，以達到控制漏極電流ID的目的。而絕緣柵場效應管則是利用UGS來控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流ID的目的。之間是P型襯底，因此漏極、源極之間相當于兩個背靠背的PN結(jié)。所以無論漏極、源極之間加上何種極性的電壓，總是不導通的，ID=0。2的絕緣層中，產(chǎn)生了一個垂直半導體表面，由柵極指向P型襯底的電場。這個電場排斥空穴吸引電子，當UGS＞UT時，在絕緣柵下的P型區(qū)中形成了一層以電子為主的N型層。由于源極和漏極均為N+型，故此N型層在漏極、源極間形成電子導電的溝道，稱為N型溝道。UT稱為開啟電壓，此時在漏極、源極間加UDS，則形成電流ID。顯然，此時改變UGS則可改變溝道的寬窄，即改變溝道電阻大小，從而控制了漏極電流ID的大小。由于這類場效應管在UGS=0時，ID·26·可變電阻區(qū)恒流區(qū)模擬電子技術可變電阻區(qū)恒流區(qū)N溝道增強型場效應管，也用轉(zhuǎn)移特性、輸出特性表示ID、UGS、UDS之間的關系，對應的UGS定義為開啟電壓UT。輸出特性：也可分為4個區(qū)，即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。iD/mAUTU/V轉(zhuǎn)移特性．擊穿區(qū)imAUSUGS-UT軌跡．擊穿區(qū)UDS/VUGS=UDS/V輸出特性圖1.3.7N溝道增強型MOS場效應管轉(zhuǎn)移特性和輸出特性耗盡型MOS場效應管，是在制造過程中，預先在SiQ2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時，這些正離子產(chǎn)生的電場也能在P溝道，如圖1.3.8所示。襯底通常在內(nèi)部與源極相連。當UDS＞0時，將產(chǎn)生較大的漏極電流ID。如果使UGS＜0，它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。當UGS更負時，摻雜在絕緣層摻雜在絕緣層SG中的正離子DN＋N＋N型溝道P型襯底襯底引線效應結(jié)構(gòu)示意圖達到某一數(shù)值時溝道消失，此時ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UPN溝道MOS耗盡型場效應管的特性曲線如圖1.3.9所示，也分為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。其中：IDSS—UGS=0時的漏極電流；·27·項目一半導體器件UP—夾斷電壓，使ID=0對應的UGS的值。圖1.3.9N溝道耗盡型MOS場效應管特性曲線P溝道場效應管的工作原理與N溝道類似。我們不再討論。下面我們看一下各類三、場效應管的主要參數(shù)場效應管主要參數(shù)包括直流參數(shù)、交流參數(shù)、極限參數(shù)三部分。·28·模擬電子技術IDSS是耗盡型和結(jié)型場效應管的一個重要參數(shù)。定義：當柵、源極之間的電壓UGS=0，而漏、源極之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時對應的漏極電流。UP也是耗盡型和結(jié)型場效應管的重要參數(shù)。定義：當UDS一定時，使ID減小到某一個微小電流（UGS值。UT是增強型場效應管的重要參數(shù)。GS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比，由于柵極幾乎不索取電流，因此輸入電阻很高，結(jié)型為106Ω以上，MOS管可達1010Ω以上。2.交流參數(shù)gm是描述柵極、源極電壓UGS對漏極電流的控制作用，它的定義是當UDS一定時， ?ID ?ID跨導gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。在轉(zhuǎn)移特性上工作點Q外切線的斜率即gm?；蛴奢敵鎏匦钥?，在工作點處作一條垂直橫坐標的直線（表示UDS=常數(shù)在Q點上下取一個較小的柵極、源極電壓變化量ΔUGS，然后從縱坐標上找到相應的漏極電流的變化量ΔID/ΔUGS，則gm=ΔID/ΔUGS。對于N溝道耗盡型場效應管工作于放大區(qū)時，有ID=IDSS1-2m==-1-只要將工作點處的UGS值代入就可求得gm。對于N溝道增強型場效應管工作于放大區(qū)時，有ID=IDOEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up8(UGS),UT)-1mEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up9(2ID),UG)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up7(O),S)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up8(UGS),UT)-1)其中，IDO是UGS=2UT時的ID值。場效應管三個極間的電容，包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好，一般為幾個皮法?！?9·項目一半導體器件3.極限參數(shù)（1）漏極最大允許耗散功率PDm。在場效應管輸出特性曲線上，當漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。工作時，外加在漏極、源極之間的電壓不得超過此值。結(jié)型場效應管正常工作時，柵極、源極之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，若UGS過高，PN結(jié)將被擊穿。對于MOS管，柵源極擊穿后不能恢復，因為柵極與溝道間的SiQ2被擊穿屬破壞性擊穿。4.場效應管的特點場效應管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性三極管相比，具有以下幾個特點：（1）場效應管是一種電壓控制器件。通過UGS來控制ID，而雙極性三極管是電流控制器件，通過IB來控制IC。（2）場效應管輸入端幾乎沒有電流。場效應管工作時，柵、源極之間的PN結(jié)處于高阻狀態(tài)，輸入端幾乎沒有電流。所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。而雙極性三極管，發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，故b、e極間的輸入電阻較小。（3）場效應管利用多子導電。由于場效應管是利用多數(shù)載流子導電的，只有一種載流子參與導電，是單極性器件，而雙極性三極管有兩種載流子參與導電，因此，與雙極性三極管相比，具有噪聲小、受幅射影響小、熱穩(wěn)定性好而且存在零溫度系數(shù)工作點等特性。（4）場效應管的源漏極有時可以互換使用。由于場效應管的結(jié)構(gòu)對稱，有時漏極和源極可以互換使用，而各項指標基本上不受影響。因此使用時比較方便、靈活。對于有些絕緣柵場效應管，制造時源極已和襯底連在一起，則源極和漏極不能互換。（5）場效應管的制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成。每個MOS場效應管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管的5%，因此集成度更高。（6）MOS管輸入電阻高，柵源極容易被靜電擊穿。MOS場效應管的輸入電阻可高達1015Ω,因此，由外界靜電感應所產(chǎn)生的電荷不易泄漏。而柵極上的SiO2絕緣層很薄，這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強度，以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。（7）場效應管的跨導較小。組成放大電路時，在相同負載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管小。·30·模擬電子技術【任務實施】實訓1.3.1場效管輸出特性的測定一、實訓電路和工作測定場效應管的輸出特性。二、實訓電路和工作原理場效應管有多種類型，現(xiàn)以N溝道增強型場效應管為例來測定場效應管的輸出特性，場效應管輸出特性電路如圖1.3.11所示。圖1.3.11場效應管輸出特性測試電路最大耗散功率PD=80WN溝道增強型場效應管的輸出特性如圖1.3.12所示，它有四個特征區(qū)域。圖1.3.12N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線·31·項目一半導體器件著場效應管相當一個電阻，這個區(qū)域被稱為可變電阻區(qū)，其邊緣線稱為預夾斷軌跡。要取決于柵源電壓uGS。當uGS改變時，iD將產(chǎn)生顯著變化，其工作原理與雙極晶體管放大區(qū)一樣，形成放大作用，所以又稱為放大區(qū)。DS≥uDS（BR）DS（BR）稱為漏源擊穿電壓iD將迅速增大，場效應管被燒壞。三、實訓設備（1）裝置中的直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、直流電源、電壓表、毫安表、微安表、萬用表。四、實訓內(nèi)容與實訓步驟DS/ViD/mAuGS/V03694567四、注意事項電源電壓調(diào)節(jié)電位器在開始時要調(diào)至電壓最低點，以免出現(xiàn)過高電壓現(xiàn)象。五、實訓報告由表1.3.1所列數(shù)據(jù)，畫出IRF630場效應管一簇輸出特性，并在曲線圖上注明各特征區(qū)域（夾斷區(qū)、可變電阻區(qū)和放大區(qū)并求出它的跨導gm=。一、填空題1.在PN結(jié)形成過程中，載流子擴散運動是在作用下產(chǎn)生的，漂移運動·32·模擬電子技術是在作用下產(chǎn)生的。2.在本征半導體中摻入價元素得到N型半導體，摻入價元素則得到P型半導體。3.半導體中有和兩種載流子參與導電，其中帶正電，而帶負電。4.本征半導體摻入微量的5價元素，則形成型半導體，其多子為，少子為。5.PN結(jié)正偏是指P區(qū)電位N區(qū)電位。6.PN結(jié)在時導通，時截止，這種特性稱為。7.二極管按PN結(jié)面積大小的不同分為點接觸型和面接觸型，型二極管適用于高頻、小電流的場合，型二極管適用于低頻、大電流的場合。8.半導體穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓功能是利用PN結(jié)的特性來實現(xiàn)的。9.發(fā)光二極管能將信號轉(zhuǎn)換為信號，它工作時需加偏置電壓11.三極管工作在放大區(qū)時，發(fā)射結(jié)為偏置，集電結(jié)為偏置12.三極管電流放大系數(shù)β反映了放大電路中極電流對極電流的控制能力。13.場效應管是利用電壓來控制電流大小的半導體器件14.場效應管是利用效應來控制漏極電流大小的半導體器件。15.場效應管具有輸入電阻很、抗干擾能力等特點二、選擇題1.雜質(zhì)半導體中多數(shù)載流子的濃度主要取決于。A.溫度B.摻雜工藝C.摻雜濃度D.晶體缺陷2.在PN結(jié)外加正向電壓時，擴散電流漂移電流，當PN結(jié)外加反向電壓時，擴散電流漂移電流。()A.小于，大于3.PN結(jié)形成后，空間電荷區(qū)由構(gòu)成。A.電子和空穴B.施主離子和受主離子C.施主離子和電子D.受主離子和空穴4.從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管兩端壓降大于時處于正偏導通狀態(tài)。A.0C.反向擊穿電壓D.正向壓降5.硅管正偏導通時，其管壓降約為?！?3·項目一半導體器件6.穩(wěn)壓二極管工作于正常穩(wěn)壓狀態(tài)時，其反向電流應滿足。A.ID=0B.ID＜IZ且ID＞IZMC.IZ＞ID＞IZMD.IZ＜ID＜IZM7.下列符號中表示發(fā)光二極管的為。8.三極管當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏時工作于狀態(tài)。A.放大B.截止C.飽和D.無法確定9.硅三極管放大電路中，靜態(tài)時測得集-射極之間直流電壓UCE=0.3V，則此時三極管工作于狀態(tài)。A.飽和B.截止C.放大D.無法確定10.下面的電路符號代表管。11.場效應管本質(zhì)上是一個。A.電流控制電流源器件B.電流控制電壓源器件C.電壓控制電流源器件D.電壓控制電壓源器件12.情況下，可以用H參數(shù)小信號模型分析放大電路。A.正弦小信號B.低頻大信號C.低頻小信號D.高頻小信號三、計算題1.電路如圖1.2所示，設二極管的導通電壓UD（·34·模擬電子技術2.電路如圖1.3所示，設二極管為理想的，試判斷下列情況下電路中的二極管是V=-12V。3.二極管電路如圖1.4所示，二極管的導通電壓UD（on）=0.71kΩ、5kΩ時，電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO。電流I1、I2、IO和輸出電壓UO。30mA，試求1）穩(wěn)壓管的工作電流IDZ和耗散功率2）限流電阻R所消耗的功率?！?5·5V項目一半導體器件5VRΩRLΩΩU Uo6.電路如圖1.7所示，已知發(fā)光二極管的導通電壓為1.6V，正向電流=5mA即可發(fā)光，最大正向電流為20mA。為使發(fā)光二極管發(fā)光，試求電路中R的取值范圍。RVDDUD7.放大電路中某三極管三個管腳①②③測得對地電位-8V，-3V，-3.2V和3是鍺管？8.對圖1.8所示各三極管，試判別其三個電極，并說明它是NPN管還是PNP管，估算其β值。1.01mA1.1.01mA1.96mA0.01mA①②①②③1mA2mA·36·模擬電子技術項目二放大電路基礎任務一單管放大電路的研究【任務描述】（1）認識共發(fā)射極放大電路和共集電極放大電路，明確各組成元件的作用。（2）能繪制直流通路，估算靜態(tài)工作點，判斷三極管工作狀態(tài)。（3）能繪制交流通路，畫微變等效電路，進行三極管動態(tài)分析。（4）認識放大電路中的負反饋?！局R學習】一、放大電路工作原理在實際中常常需要把一些微弱信號放大到便于測量和利用的程度。例如，從收音機天線接收到的無線電信號或者從傳感器得到的信號，有時只有微伏或毫伏的數(shù)量級，必須經(jīng)過放大才能驅(qū)動揚聲器或者進行觀察、記錄和控制。所謂放大，表面上是將信號的幅度由小增大，但是放大的實質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)換，即由一個較小的輸入信號控制直流電源，使之轉(zhuǎn)換成交流能量輸出，驅(qū)動負載。1.放大電路的組成原理以共發(fā)射極放大電路為例，放大電路的組成的原則是：（1）為保證三極管工作在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置。b、Rc分別叫基極、集電極偏置電阻，其作用是為發(fā)射結(jié)提供正向偏置，集電結(jié)提供反向偏置。C1、C2是耦合電容（隔直電容其作用是使交流信號順利通過，而無直流聯(lián)系。耦合電容容量較大，一般采用電解電容器，而電解電容分正負極，接反就會損壞。電源Ucc、UBB為放大電路提供能量。圖2.1.1是NPN型三極管組成的放大電路，若用PNP型，則電源和電解電容極性反接就可以了。在實際應用中，為了方便，常采用單電源，習慣畫法如圖2.1.2所示?！?7·項目二放大電路基礎圖2.1.1共發(fā)射極基本放大電路圖2.1.2單電源共發(fā)射極放大電路放大電路中，為了便于區(qū)分各電壓、電流量，通常對其符號做如下規(guī)定：以發(fā)射結(jié)電壓和基極電流為例，直流量用UBE、IB表示，靜態(tài)量用UBEQ、IBQ表示，交流量瞬時值用ube、ib表示，交流量幅值用Ubem、Ibm表示，信號總量用uBE、iB表示。2.直流通路和交流通路當輸入信號為零時，電路只有直流電流；當考慮信號的放大時，我們應考慮電路的交流通路。所以在分析、計算具體放大電路前，應分清放大電路的交、直流通路。直流通路：電容視為開路，電感視為短路。交流通路：電容和電感作為電抗元件處理，一般電容按短路處理，電感按開路處理。圖2.1.3共發(fā)射極放大電路的直流、交流通路同樣，放大電路的分析也包含兩部分：直流分析：又稱為靜態(tài)分析，用于求出電路的直流工作狀態(tài)，即基極直流電流IB；集電極直流電流IC；集電極與發(fā)射極間的直流電壓UCE。交流分析：又稱為動態(tài)分析，用來求出電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。二、放大電路的直流分析放大電路核心器件是具有放大能力的三極管，而三極管要保證在放大區(qū)，其發(fā)射結(jié)應正向偏置，集電結(jié)應反向偏置，即要求對三極管設置正常的直流工作狀態(tài)。直流工作點，又稱靜態(tài)工作點，簡稱Q點，它可通過公式求出，也可以通過作圖的方法求出?！?8·模擬電子技術1.解析法確定靜態(tài)工作點根據(jù)放大電路的直流通路，可以估算出該放大電路的靜態(tài)工作點。UCC-UBEBQRb由于三極管導通時，UBE變化很小，可視為常數(shù)。一般情況，硅管UBE=0.6～0.8b已知，可求出IBQ。ICQCC-ICRC2.圖解法確定靜態(tài)工作點三極管電流與電壓關系可用其輸入特性曲線和輸出特性曲線表示。我們可以在特性曲線上，直接用作圖的方法來確定靜態(tài)工作點。圖解法求Q點的步驟：（1）在輸出特性曲線所在坐標中，按直流負載線方程uCE=UCC-iC-RC，作出直流負載線。BBQ這一條輸出特性曲線與直流負載線的交點即為Q點。讀出Q點的電流、電壓即為所求。bc解：首先寫出直流負載方程，并做出直流負載線。CC-iCRciCCECEC圖2.1.4靜態(tài)工作的圖解法·39·項目二放大電路基礎EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(-),Rb)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up6(1),2)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up6(2),80)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up6(.7),103)直流負載線與iB=IBQ=40μA這一條特性曲線的交點，即為Q點，從圖上可得ICQ3.電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響在后面