模拟电子技术,模拟电子技术,吴恒玉 唐民丽 主编,第1章 半导体器件,1.1 本章任务的导入 1.2 相关的理论知识 1.3 相关的基本技能 本 章 小 结,1.1 本章任务的导入,图1-1 某实用电子线路板,1.2 相关的理论知识,1.2.1 半导体的基础知识 1.2.1.1 半导体及其导电特性 1.半导体 1)热敏特性：半导体的电阻率随温度的升高明显地降低，导电能力加强，利用半导体的这一特性，可以制作热敏电阻或其他对温度敏感的传感器。 2)光敏特性：对半导体施加光照时，光照越强，电阻率越低，导电能力越强。 3)掺杂特性：通常纯净的半导体的导电能力很差，掺入微量的杂质就能使其导电性能大幅度地改变。 2.本征半导体,1.2 相关的理论知识,图1-2 硅原子结构图,纯净的、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。单晶硅、单晶锗均为本征半导体，两者晶体结构相同，下面以单晶硅为例来进行讨论。,硅原子是由原子核和14个外层电子组成的中性原子，原子的最外层有四个价电子，因此又称为四价元素。如图1-2所示,硅原子的每一个价电子分别与相邻硅原子的1个价电子组成1个价电子对，这个价电子对为相邻的2个原子所共有。价电子对中的每一个价电子，同时受到两个原子核的吸引作用，使两个价电子被紧紧地束缚在一起，组成了共价键结构。并用套住两个相邻原子的共价电子的虚线环表示共价键，如图1-3所示。,1.2 相关的理论知识,图1-3 本征半导体的结构图,当温度升高或受到光照后，少数的价电子可以从外界获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，而成为可移动的自由电子，自由电子是一种可以参与导电的粒子，称为载流子。价电子挣脱共价键束缚成为自由电子的同时，会在共价键上留下一个空位，这个空位称为空穴。由于存在这样的空穴，附近共价键中的电子就比较容易进来填补，而同时又留下一个新的空位，其它地方的电子又有可能来填补后一个空位，从效果上来看，相当于带正电的空穴在运动一样。称这种运动为空穴运动，并将空穴看成带正电的载流子。,金属导体中只有一种载流子：自由电子；本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。把由于共价键破烈而形成的自由电子和空穴称为电子—空穴对，并且把这种由于光照、辐射、温度的影响而产生电子—空穴对的现象称为本征激发。,1.2 相关的理论知识,3.杂质半导体 (1)N型半导体 在本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷(P)、砷(AS)等，在半导体内产生的自由电子的数量远多于空穴数量，这种半导体称为N型半导体。,当自由电子在运动中，可能与空穴相遇，使电子—空穴对消失，称为复合。在一定温度下尽管本征激发和复合在不断地进行，但电子（空穴）的浓度不变，保持一种动态平衡状态。当温度升高或光照时，本征激发将加强，复合也随着增加，最后达到一种新的动态平衡。,在N型半导体中，也同时存在着本征激发的现象，有电子—空穴对的产生，但产生的自由电子的数量远少于掺入的数量，自由电子是多数载流子，简称为“多子”?？昭ㄎ偈亓髯?，简称为“少子”，但整个N半导体呈现电中性。N型半导体在外电场作用下，电子电流远大于空穴电流，其导电是以电子导电为主的，所以它又称为电子型半导体。 N型半导体中“多子”的浓度取决于掺入杂质的多少，少子的浓度与温度有关。,1.2 相关的理论知识,图1-5 P型半导体晶体结构,图1-4 N型半导体晶体结构,(2)P型半导体 在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼(B)、铟(IN)等，在半导体内产生的空穴的数量远多于自由电子数量，这种半导体称为P型半导体。,在P型半导体中，也同时存在着本征激发的现象，有电子—空穴对的产生，但产生的空穴的数量远少于掺入的数量，空穴是多数载流子，简称为“多子”。 自由电子为少数载流子，简称为“少子”，但整个P型半导体呈现电中性。P型半导体在外电场作用下，空穴电流远大于电子电流，其导电是以空穴导电为主的，所以它又称为空穴型半导体。 P型半导体中“多子”的浓度取决于掺入杂质的多少，少子的浓度与温度有关。,1.2 相关的理论知识,1.2.1.2 PN结的形成及单向导电特性 1. PN结的形成,图1-6 PN结的形成过程,1)扩散的进行和空间电荷区的形成。 2)内建电场的形成和漂移运动的形成。 3)扩散运动与漂移运动相平衡。,1.2 相关的理论知识,图1-7 PN结正向偏置导通工作原理,2. PN结的单向导电性 (1)PN结正向偏置 加在PN结上的电压称为偏置电压。P区接电源正级、N区接电源负极，称PN结正向偏置，简称正偏，此时外部电场的方向与内建电场方向相反，外电场的方向是从P区指向N区，内电场的方向是从N区指向P区，,这时外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，结果使空间电荷区变窄，内场被削弱，多数载流子的扩散运动得以加强，形成较大的扩散电流，此时扩散电流远大于漂移电流，漂移电流几乎为零，总电流就等于扩散电流。PN结呈现很小的电阻，称为PN结导通。,1.2 相关的理论知识,图1-8 PN结反向偏置的工作原理,(2)PN结反向偏置 N区接电源正极、P区接电源负极，称为PN结反向偏置，简称反偏。PN结反向偏置时，外加电场与内建电场方向一致，同样会导致扩散与漂移运动平衡状态的破坏。外加电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移动，使空间电荷区变宽，内电场增强，阻碍了扩散运动，,同时加强了少数载流子的漂移运动，导致，漂移电流大于扩散电流，扩散电流几乎为零，总电流就等于漂移电流。但常温下少数载流子的数目恒定且数量很少，所以反向电流极小。PN结呈现很大的电阻，通?？梢匀衔聪蚱玃N结不导电，称为截止状态。,1.2 相关的理论知识,图1-9 PN结的伏安特性,3. PN结的击穿特性,(1)热击穿 当PN结发生反向击穿(电击穿)时，流过PN结的反向电流很大，反向电压又很高，因而消耗在PN结上的功率很大，容易使PN结发热超过它的耗散功率，从而过渡到热击穿。,(2) 雪崩击穿 当PN结反向电压增大到一定数值时，PN结的内建电场强度变得很大，在强电场的作用下，少子漂移速度加快，动能很大，这些具有很大动能的载流子在PN结内运动时与周围的中性原子相碰撞，使更多的价电子脱离共价键的束缚形成新的电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。,1.2 相关的理论知识,(3) 齐纳击穿 当PN结两边的掺杂浓度很高时，空间电荷区很薄，即使所加反向电压不大，也会产生强大的电场，这个电场足以把阻挡层内的中性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子—空穴对，载流子数目剧增，使反向电流剧增，出现反向击穿现象，这种击穿现象称为齐纳击穿。 思 考 题 1.半导体具有哪些特征？在导电机理上，半导体与金属导体有何区别？ 2.N型半导体与P型半导体有何不同？各有什么特点？ 3.PN结的形成过程如何？PN结具有什么特性？ 4.电击穿和热击穿有何不同？,1.2 相关的理论知识,1.2.2 二极管 1.2.2.1 二极管的结构及类型,图1-10 二极管的结构,图1-11 二极管的符号,1.2 相关的理论知识,图1-12 二极管的结构类型,1.2 相关的理论知识,图1-13 二极管导电性仿真实验,1.2.2.2 二极管的伏安特性 1.观察二极管的导电性,综述：二极管具有单向导电的特性。,1.2 相关的理论知识,图1-14 二极管的伏安特性曲线,(1)正向特性 当二极管两端的正向电压较小时，正向电流非常小，近似为零，对应于特性曲线OA段,这个区域内二极管实际上还没有导通，二极管呈现的电阻很大，该区域常称为“死区”。,2.分析二极管的伏安特性,1.2 相关的理论知识,(2)反向特性 在反向电压下，反向电流很小，且几乎不随电压的增加而增大，此电流值称为反向饱和电流，此时二极管呈现很高的电阻，近似处于截止状态，这个区域称为反向截止区，对应于特性曲线OD段。 1.2.2.3 二极管的主要参数 1.最大整流电流IF 2.最高反向工作电压URM 3.最大反向电流IR 4.最高工作频率fM,1.2 相关的理论知识,1.2.2.4 二极管的应用 1.整流 所谓的整流，就是将交流电变成脉动直流电。利用二极管的单向导电性可组成单向和三相整流电路，再经过滤波和稳压，就可得到平稳的直流。,图1-15 二极管钳位电路,2.钳位 利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，如图1-15所示。在图中若A点的电位为零时，则二极管D导通，按理想二极管来分析，即二极管正向导通时压降为零，则输出的电位被钳制在零伏，。若点电位较高，不能使二极管导通时，电阻上无电流通过，输出F的电位就被钳制在。,1.2 相关的理论知识,3.限幅 利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性（硅管为0.7V，锗管为0.3V），将输出电压幅度限制在某一电压值内。利用这个特点，还可以组成各种限幅电路。 例1.1 图1-17所示为一个双向限幅电路，设输入电压ui=1.41sinωtV，VD1、VD2均为二极管，导通管压降UD=0.7V，试画出输出电压uo的波形。,图1-17 二极管双向限幅电路,1.2 相关的理论知识,解：由图可知，当uiUD时，二极管VD1导通、VD2截止，输出uo=UD=0.7V；当UD时，二极管VD2导通、VD1截止，输出uo=-UD=-0.7V；若输入电压在±0.7V之间时，两个二极管都不能导通，因此，电阻上无电流流过，uo=ui。,1.2 相关的理论知识,4.?；?图1-19 二极管?；さ缏?1.2 相关的理论知识,分析二极管时应注意的问题： 1)分析二极管电路，首先要判断二极管在电路中的工作状态，是导通还是截止。 2)由于二极管伏安特性的非线性，一般不通过列方程求解电流、电压来判断二极管是否导通，而是通过比较二极管两个电极的电位高低，确定它的工作电压。 3)判断二极管是否导通，不能单纯看加于阴极、阳极的电压是正还是负，主要看阳极与阴极间的电位差。 4)二极管电路中出现多个二极管时，如果它们并联，那么正向偏压较大者先导通，导通后二极管的电压(管压降)恒定，其他二极管被短路而截止。,1.2 相关的理论知识,图1-20 稳压二极管,(1)稳定电压UZ 稳定电压是稳压二极管正常工作时的额定电压值，指流过规定电流时稳压二极管两端的反向电压值，其值决定于稳压二极管的反向击穿电压值。,1.2.2.5 特殊二极管 1.稳压二极管,,,,,1.2 相关的理论知识,(2)稳定电流IZ 稳定电流有最大稳定电流IZmax、最小稳定电流IZmin和工作稳定电流IZ之分。 (3)耗散功率PZM 耗散功率是稳压二极管正常工作时能够耗散的最大功率。 (4)动态电阻rZ 动态电阻指稳压范围内电压变化量与对应的电流变化量之比，即ΔUZ/ΔIZ。 稳压二极管与普通二极管的区别： 1)稳压二极管与普通二极管最大不同之处在于它的反向击穿可逆，当去掉反向电压时稳压二极管也随即恢复正常，但如果反向电流超过稳压二极管的允许范围，同样会发生热击穿而损坏。 2)稳压二极管工作在反向击穿区，普通二极管工作在正向导通区。,1.2 相关的理论知识,2.发光二极管 3.光敏二极管,图1-21 发光二极管的符号,图1-22 光敏二极管的符号,1.2 相关的理论知识,检测光敏二极管的方法： 1)电阻测量法：用万用表R×100或R×1k档测量。 2)电压测量法：把指针式万用表接在直流1V左右的档位。 3)电流测量法：把指针式万用表接在直流50μA或500μA挡，红表笔接光敏二极管正极，黑表笔接负极，在阳光或白炽灯照射下，短路电流应可达数十微安到数百微安。,1.2 相关的理论知识,思 考 题 1.二极管的伏安特性曲线分为几个区？试述各工作区中电压和电流的关系。 2.选用二极管时主要考虑哪些参数？ 3.二极管电路如图1-23所示，试判断图中的二极管是导通还是截止，并求出AO两端的电压UAO。,图1-23 二极管电路,1.2 相关的理论知识,1.2.3 单相整流电路 将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流，利用二极管的单向导电性实现整流是最简单的办法。整流电路有以下几种：按电源相线数可分为单相整流电路和三相整流电路；按输出波形可分为半波整流电路和全波整流电路；按所用器件可分为二极管整流电路和晶闸管整流电路；按电路结构可分为桥式整流电路和倍压整流电路。 1.2.3.1 单相半波整流电路 1.电路的组成和工作原理,图1-24 单相半波整流电路,单相半波整流电路如图1-24所示，由变压器、整流二极管D和负载电阻组成。变压器将电网的正弦交流电变成，设,,,1.2 相关的理论知识,图1-25 半波整流电路中电压、电流的波形图,当变压器次级交流电压瞬时极性如图1-24中所示时，二极管导通，电流流过串联回路，在负载电阻上得到上正下负的直流电压 ；若变压器次级交流电压瞬时极性和图中所示相反，则二极管截止，回路中无电流，负载两端无电压。下一个交流电正半周来到，二极管又导通……周而复始，在负载两端就得到了如图1-25所示的电压、电流波形图。,1.2 相关的理论知识,3.二极管的选择,2.负载上直流电压和电流值的估算,负载两端的直流电压的平均值为:,负载中流过的平均电流为：,在单相半波整流电路中，二极管中流过的电流等于输出电流的值，所以在选用二极管时，二极管的最大整流电流应满足,二极管在其截止的半个周期内，承受的反向电压最大值为,所以二极管的最高反向工作电压应满足,。,1.2 相关的理论知识,图1-27 单相桥式整流电路,1.2.3.2 单相桥式整流电路 1.电路组成及工作原理 电路如图1-27所示，电路中的四只二极管可以是分立的，也可以使用内部有四个二极管的桥堆。,在电压的负半周，B点为正，A点为负，二极管、正向导通，、反向截止，导电线路为。在负载上得到的是单一方向的脉动直流电压和电流,这种直流电不能直接供给对直流电要求较高的场合。桥式整流电路中各处的电压和电流的波形如图1-28所示。,设二极管为理想二极管，在电压的正半周，A点为正，B点为负，、正向导通，、反向截止，导电线路为；,1.2 相关的理论知识,图1-28 桥式整流电路电压、电流波形图,2.负载上直流电压和电流值的估算 输出的直流电压 输出平均电流,3.二极管的选择,,管子的最大整流电流为,管子的最高反向工作电压为,,,,1.2 相关的理论知识,例1-2 有一单相桥式整流电路，要求输出40V的直流电压和2A的直流电流，交流电源电压为220V，试选择整流二极管。 解：变压器次级电压的有效值为,二极管承受的最高反向电压为,二极管的平均电流为,可选择最大整流电流大于1A，最高反向电压大于62.8V的二极管。,,,,1.2 相关的理论知识,思 考 题 1.单相半波整流电路与单相桥式整流电路有何不同点？ 2.单相桥式整流电路中整流二极管在选取时有何要求？ 1.2.4 滤波电路 整流后得到的直流电是脉动直流电，这种直流电脉动系数比较大，不能直接作为电子电路的供电电源，必须采取一些措施减小输出电压中的交流成分，使其输出电压接近理想的直流电压?？刹捎寐瞬ǖ缏吠瓿纱斯δ?。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。 1.2.4.1 电容滤波电路 1.电容滤波电路的组成及工作原理,1.2 相关的理论知识,图1-30 单相半波整流电容滤波电路,如图1-30所示为一单相半波整流电容滤波电路，由于电容C隔直流通交流，C旁路交流，直流通过负载，加之电容两端电压不能突变，于是负载上得到不会突变的平滑的直流输出电压，达到滤波的目的。,滤波电路的滤波过程及波形如图1-31所示。,1.2 相关的理论知识,图1-31 单相半波整流电容滤波电路的滤波过程及波形,(1)空载时的情况 若初始电容电压uC=0，t=0时接通电源，于是u2通过VD(正半周)给C充电。由于没有放电回路，故C很快充到u2的峰值，即， 且保持不变,无脉动。,,(2)负载时的情况 若初始电容电压uC=0，t=0时接通电源，在u2的正半周时，二极管VD导通，忽略二极管的正向电压降，则uo=u2，这个电压一方面给电容C充电，一方面产生负载电流iO，电容C上的电压与u2同步增长，当u2达到峰值后，开始下降，uCu2，二极管截止。,1.2 相关的理论知识,2.输出直流电压的估算 半波整流电容滤波电路： 桥式整流电容滤波电路： 3.负载电流及二极管的平均电流 半波整流电容滤波电路： 桥式整流电容滤波电路： 4.二极管与滤波电容的选择 (1)二极管的选择 在电容滤波电路中，二极管的导通时间变短，在导通电流平均值不变的情况下，导通电流的峰值大大增加了。 最在整流电流应满足以下条件：,,,,,,,1.2 相关的理论知识,(2)电容的选择 对于滤波电容的数值，在可能情况下，数值越大，滤波效果越好。,半波整流电容滤波电路:,桥式整流电容滤波电路：,,,最高反向工作电压应满足：,半波整流电容滤波电路:,桥式整流电容滤波电路：,,,5.电容滤波电路的特点,半波整流电容滤波电路:,桥式整流电容滤波电路：,,,1.2 相关的理论知识,图1-33 单相桥式整流电感滤波电路,1.2.4.2 电感滤波电路,1.2 相关的理论知识,图1-34 复式滤波电路,例1-3 在图1-35所示的桥式整流电容滤波电路中，已知电压U2=20V，如果在测量负载两端电压UO时，出现以下5种情况： ①UO=28V;②UO=24V;③UO=20V;④UO=18V;⑤UO=9V。,1.2.4.3 复式滤波电路,1.2 相关的理论知识,图1-35 桥式整流电容滤波电路,解：根据关系式UO=1.2U2，只有第2种情况是正常工作状态，其余都为不正常工作。,1.2 相关的理论知识,思 考 题 1.整流的作用主要是什么？主要采用什么元器件？最常用的整流电路是哪一种？ 2.滤波电路的主要作用是什么？滤波电路中最重要的元器件是什么？,1.2.5 晶体管 由于在工作时晶体管中的电子和空穴两种载流子都起作用， 因此它属于双极型器件， 也叫做BJT（Bipolar Junction Transistor， 双极型晶体管）。,1.2 相关的理论知识,图1-36 晶体管的结构示意图与电路符号,1.2.5.1 晶体管的类型、结构及符号 1.晶体管的类型 2.晶体管的结构及符号,1.2 相关的理论知识,图1-37 常见晶体管的外形图,3.晶体管制造工艺特点(晶体管具有电流放大作用的内部特点) 1)发射区掺杂浓度很高，结面积较小。 2)基区很薄且掺杂浓度很低。 3)集电区结面积很大，掺杂浓度介于发射区和基区之间。,1.2 相关的理论知识,1.2.5.2 晶体管的电流放大作用 1.晶体管具有电流放大作用的外部条件,图1-38 NPN型晶体管中载流子运动及各电极电流,2.晶体管放大时内部载流子的运动及电流的分布情况,NPN管来说三个电极的电位必须满足,,PNP管来说三个电极的电位必须满足,,1)发射区向基区注入电子， 形成发射极电流IE。 在图1-38中， 由于发射结正偏， 因此， 高掺杂浓度的发射区多子（自由电子）越过发射结向基区扩散， 并不断地从电源负极补进电子，,1.2 相关的理论知识,形成发射极电流 ， 发射极电流的方向与电子流动方向相反， 是流出三极管发射极的（与此同时， 基区多子空穴也向发射区扩散， 但因基区掺杂浓度低， 数量和发射区的电子相比很少， 可以忽略不计）。,,2)电子在基区的扩散与复合， 形成基极电流IB。,发射区来的电子注入基区后， 由于浓度差的作用继续向集电结方向扩散。 但因为基区多子为空穴， 所以在扩散过程中， 有一部分自由电子要和基区的空穴复合。 在制造三极管时， 基区被做得很薄， 只有微米数量级、 掺杂浓度又低， 因此被复合掉的只是一小部分， 大部分自由电子可以很快到达集电结。 同时基区从基极正电源补充进空穴，这些被复合的电子形成了流入基极的基极电流IB 。,3)集电区收集电子形成集电极电流IC。,1.2 相关的理论知识,3.电流的分配关系,大部分从发射区“发射”来的自由电子很快扩散到了集电结。 由于集电结反偏， 在这个较强的从N区（集电区）指向P区（基区）的内电场的作用下， 自由电子很快就被吸引、 漂移过了集电结， 到达集电区， 形成集电极电流的主要成分 。 集电极电流的方向是流入集电极的。 除此之外，少数载流子的漂移，包括集电区的空穴和基区的自由电子，构成集电极-基极的反向电流 ，但 很小。,,,,,,,,,,,1.2 相关的理论知识,1.2.5.3 晶体管的三种组态,图1-39 晶体管的三种基本组态,1.2 相关的理论知识,1.2.5.4 晶体管的特性曲线 1.输入特性曲线,图1-40 晶体管输入特性曲线,1.2 相关的理论知识,图1-42 共发射极电路输出特性曲线,(1)放大区 放大区指输出特性曲线中间平坦区域，一般uCE1V。,2.输出特性曲线,工作在放大区的条件是：外加电压要使发射结处于正偏，集电结处于反偏。,特点：① 受 的控制，与 的大小几乎无关，即， = ，因此三极管是一个受电流 控制的电流源。②发射结处于正偏，集电结处于反偏。,,,,,,,(2)截止区 习惯上把iB≤0的区域称为截止区，这是指可靠截止，实际上，当uBE0.5V时，即已进入截止状态。,1.2 相关的理论知识,习惯上把 的区域称为截止区，这是指可靠截止，实际上，当 时，即已进入截止状态。 , , ,管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。显著特点是：在截止区管子的外加电压使发射结和集电结均为反向偏置。,,,,,,(3)饱和区 饱和区指输出特性曲线中，iC上升部分拐弯点的连线与纵轴之间的区域。,指输出特性中， 上升部分拐弯点的连线与纵轴之间的区域。在饱和区 不受 的控制，管子失去放大作用，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。估算时，小功率硅管取0.3V，锗管取0.1V。工作在饱和区的三极管的显著特点是：发射结和集电结均为正向偏置。,,,,(4)击穿区 它不是晶体管的工作区域。,它不是三极管的工作区域。当大于一定的数值后，输出特性曲线上翘，若进一步增大，三极管将被击穿损坏。,1.2 相关的理论知识,1.2.5.5 晶体管的主要参数 1.电流放大系数 (1)共发射极电路直流电流放大系数 (2)共发射极电路交流电流放大系数β 2.极间反向电流 (1)集电极—基极间反向饱和电流ICBO 指在发射极断开时，基极和集电极之间的反向电流，测量电路如图1-43a所示。,,1.2 相关的理论知识,图1-43 极间反向电流参数测试电路,1.2 相关的理论知识,(2)集电极—发射极间反向电流ICEO 指基极开路时，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。 3.极限参数 (1)集电极最大允许电流ICM 当集电极电流超过某一定值时，晶体管性能变差，甚至损坏管子，β值将随IC的增加而下降。 (2)集电极最大允许耗散功率PCM 这个参数表示集电结上允许损耗功率的最大值。,图1-44 晶体管的安全工作区域,(3)基极开路时集电极与发射极之间的反向击穿电压U(BR)CEO 电源电压UCC使集电结反偏，并产生管压降uCE。,,1.2 相关的理论知识,1.2.5.6 复合晶体管,图1-45 复合晶体管,1.2 相关的理论知识,1.2.5.7 晶体管的选管原则 1)从晶体管的稳定性和安全性考虑，必须保证管子工作在安全工作区域，即iCICM,PCPCM,uCEU(BR)CEO。 2)当输入信号频率较高时，选高频管或超高频管；若用于开关电路时，则选开关管。 3)当要求反向电流小，允许结温高，且能工作在温度变化大的环境中时，就选硅管；而要求导通电压低时，可选锗管。 4)对于同一型号管子，优先选反向电流小的，而β值不宜太大。 1)当UBEUTH(UTH是晶体管发射结导通电压或死区电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.2V)时，IB=0，晶体管截止，C，E间相当于开关断开，IC=0。,1.2 相关的理论知识,2)当UBEUTH,且0IBS时，晶体管饱和，C、E间相当于开关闭合，IC=ICS。 思 考 题 1.晶体管电路有哪几种基本组态？分别画出其电路。 2.晶体管具有放大作用的内部条件和外部条件分别是什么？ 3.晶体管是由两个PN结组成，可否用两个二极管串联组成一个晶体管？ 4.叙述晶体管共发射极电路三种工作状态的条件和特点。,1.2 相关的理论知识,1.2.6 场效应晶体管 前面讨论的晶体管是一种电流控制器件，因为有两种载流子参与导电，又称为双极型三极管。当它工作在放大状态时，需要从信号源中吸取电流，这对于有一定内阻且信号又比较微弱的信号源来说，电压在内阻上的损耗太大，从器件本身来看，就是其输入电阻太小。而场效应晶体管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流大小的，是一种电压控制器件，通常又称为单极型三极管。它是一种载流子参与导电，输入电阻极高，其基本上不需要信号源提供电流，同时还具有热稳定性好、功耗小、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因此在电子电路中得到了广泛应用。 1.2.6.1 场效应晶体管的基本结构组成,1.2 相关的理论知识,图1-46 N沟道增强型MOS场效应晶体管结构与电路符号,1.2.6.2 场效应晶体管的工作原理与特性曲线 1.工作原理,1.2 相关的理论知识,1)如图1-47a所示，给NMOS场效应晶体管加漏源电压UDD，此时的栅源偏压uGS为零，漏源间无原始导电沟道，NMOS场效应晶体管相当于在N+区与P型衬底之间形成两个背靠背串联的PN结， 所以流过管子的只是一个很小的PN结反向电流， 漏极电流几乎为零。,图1-47 增强型NMOS场效应晶体管的电压控制作用,1.2 相关的理论知识,2)当uGS0且uGS较小时，则在uGS的作用下，在栅极下面的二氧化硅中产生一个由栅极指向P衬底的电场，使P衬底中的空穴向下移动到衬底下表面，留下的是不能移动的负电荷，同时少子(自由电子)向上移动到衬底上表面，由于uDS很小，吸引的电子不能形成沟道，所以iD=0。 3)若uGS继续增大，当uGS=UGS(th)时，衬底上表面电子增多，形成一个N型薄层，这个薄层称为反型层，形成了一个沟道，只要uDS0，就有电流iD产生，如图1-47b所示。 4)导电沟道形成后，在uDS作用下(uDS0)，uGD=uGS-uDS小于栅源电压uGS，uDS增大使iD线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄。 2.特性曲线 (1)转移特性曲线 图1-48a所示为某增强型NMOS场效应晶体管的转移特性曲线。,1.2 相关的理论知识,(2)输出特性曲线 N沟道增强型场效应晶体管的典型输出特性曲线如图1-48b所示。,图1-48 增强型NMOS场效应晶体管的伏安特性曲线,1.2.6.3 场效应晶体管的主要参数及使用注意事项,1.2 相关的理论知识,1.场效应晶体管的主要参数 (1)性能参数 1)开启电压UGS(th)：UGS(th)是在uDS为一常量时，使iD大于零所需的最小uGS值。 2)夹断电压uGS(off)：指iD为规定微小电流(如5μA)时的uGS，它是结型场效应晶体管和耗尽型MOS场效应晶体管的参数。 3)饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在uGS =0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSS。 4)直流输入电阻RGS(DC)：RGS(DC)等于栅-源电压与栅极电流之比。 5)低频跨导gm：gm数值的大小表示uGS对iD控制能力，即 (2)极限参数 1)最大漏极电流IDM：IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。,1.2 相关的理论知识,2)击穿电压：管子进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS称为漏-源击穿电压U(BR)DS，uDS超过此值会使管子烧坏。 3)最大栅源电压U(BR)GS：表示栅-源间开始击穿时的电压值。 4)最大漏极耗散功率PDM：PDM=uDSiD，耗散功率使管子发热，温度升高，使用时不能超过这个值。 2.场效应晶体管使用注意事项 1)在使用场效应晶体管时应注意漏源电压、漏源电流、栅源电压、耗散功率等参数不应超过最大允许值。 2)场效应晶体管在使用中要特别注意对栅极的?；?。 3)结型场效应晶体管的栅压不能接反，如使PN结正偏，将造成栅流过大，使管子损坏。,1.2 相关的理论知识,4)可以用万用表测结型场效应晶体管的PN结正、反向电阻，但绝缘栅型场效应晶体管不能用万用表直接去测三个电极。 5)场效应晶体管的漏极和源极互换时，其伏安特性没有明显的变化，但有些产品出厂时已经将源极和衬底连在一起，其漏极和源极就不能互换。 1)测试前的准备：测量前，必须做好防静电措施。 2)判定电极及类型：测试前用表笔将三个电极同时短路，使其栅极的电荷释放。,1.2 相关的理论知识,① 判定栅极。将万用表拨到R×100档，若某脚与其他脚的正、反向电阻都是无穷大，则证明此脚就是栅极G。若有一次是导通的，则这两个电极为D极及S极，若是N沟道的MOS场效应晶体管，则黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极；P沟道的则相反。余下的就是G极了。若测得有两次以上是通的，则表示该管已坏。 ② 判定管子类型及区分漏极和源极。若不知管子类型，则要判定管子的类型。测出栅极后，用万用表的R×100档两表笔接触D极和S极(并处于非导通的状态)，分别用手碰触G极与其他两极。若碰触黑表笔时管子导通，则该管为N沟道型，且黑表笔连接的为S极；若碰触红表笔时导通，则该管为P沟道型，且红表笔连接的为S极。在测试时表针摆幅越大，表示管子的跨导越大。,1.2 相关的理论知识,思 考 题 1.场效应晶体管有哪几项主要参数？ 2.使用场效应晶体管时，应注意哪些事项？ 3.为什么称晶体管为电流控制器件?MOS场效应晶体管为电压控制器件？,1.3 相关的基本技能,1.3.1 常用电子元器件的识别与检测 1.3.1.1 电阻器的识别与检测 1.电阻器的分类、型号及命名 (1)分类 常用的电阻器种类很多，一般分为固定电阻器和可变电阻器两大类。 (2)型号及命名 电阻器的型号很多，国产电阻器的型号由四个部分组成。 2.电阻器的识别方法 (1)固定电阻器的识别方法 固定电阻器阻值有三种标注方法：一是直标法，将阻值用数字加单位直接标在电阻器上，如4.7kΩ等。,1.3 相关的基本技能,表1-1 电阻色环标注的规则,(2)电位器的标识方法 电位器一般采用直标法，将材料性能、额定功率、标称值直接印在电位器的外形上。,1.3 相关的基本技能,表1-2 电位器各部分字母的意义,3.电阻器的检测方法 (1)固定电阻器的检测 1)将万用表两表笔(不分正负)分别与电阻的两端引脚相接并把万用表拨到欧姆档即可测出实际电阻值。,1.3 相关的基本技能,2)注意：测试时，特别是在测几十千欧以上阻值的电阻时，手不要触及表笔和电阻的导电部分；被检测的电阻应从电路中焊下来，至少要焊开一个头，以免电路中的其他元器件对测试产生影响，造成测量误差；色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，但在使用时最好还是用万用表测试一下其实际阻值。 (2)电位器的检测 检测电位器时，首先要转动旋柄，看看旋柄转动是否平滑，开关是否灵活，开关通、断时“喀哒”声是否清脆，并听一听电位器内部接触点和电阻体摩擦的声音，如有“沙沙”声，说明质量不好。 1)用万用表的欧姆档测两端，其读数应为电位器的标称阻值，如万用表的指针不动或阻值相差很多，则表明该电位器已损坏。 2)检测电位器的活动臂与电阻片的接触是否良好。,1.3 相关的基本技能,1.3.1.2 二极管的识别与检测 1.二极管的分类、型号及命名 (1)分类 半导体二极管种类很多，按材料分，可分为锗、硅二极管等；按结构分，可分为点触型、面触型、平面型等；按用途分，可分为检波、整流、开关、发光二极管等。 (2)型号及命名 半导体二极管型号有五个部分组成，二极管型号各部分的意义见表1-3。,1.3 相关的基本技能,表1-3 二极管型号各部分的意义,2.二极管的检测 1.3.1.3 晶体管的识别与检测 1.晶体管的分类、型号及命名,1.3 相关的基本技能,(1)分类 按所用半导体材料来分，可分为硅管和锗管；按导电极性来分，硅管和锗管均有NPN型和PNP型两种；按工作频率来分，可分为低频和高频管两种；按功率来分，可分为小功率和大功率两种。 (2)型号及命名 国产的晶体管的型号及命名通常由四个部分组成，晶体管型号各部分的意义见表1-4。,表1-4 晶体管型号各部分的意义,1.3 相关的基本技能,2.晶体管的检测 (1)判断基极和管子的类型 将指针式万用表拨在R×100或R×1k档上，先用黑表笔(红表笔)接触某一电极，再将红表笔(黑表笔)与另外两个电极接触，如果两次测得的结果均很小(大)时，表明该管为NPN型(PNP)晶体管，并且黑表笔(红表笔)接触的电极为基极。 (2)判断集电极和发射极 在判断出管子的类型和基极的基础上，任意假设一个是发射极，另一个为集电极，对于NPN型晶体管，将黑表笔接假定的集电极，红表笔接发射极，再用手同时捏住管子的基极和集电极，不要将两极直接接触，同时注意表指针摆动幅度的大小，然后使假设的发射极和集电极对调，再次进行测量，观察指针摆动的幅度大小，其中摆动幅度大的那次，说明对发射极和集电极的假设是正确的。,1.3 相关的基本技能,1.3.2 Multisim仿真软件介绍及基本使用方法 1.Multisim9.0基本界面,图1-49 Multisim9.0基本界面,1.3 相关的基本技能,2.Multisim9.0主要工具栏,图1-50 Multisim9.0主要工具栏,3.Multisim9.0常用的仿真仪器,图1-51 Multisim9.0常用的仿真测试仪器,1.3 相关的基本技能,图1-52 Multisim9.0元器件库,4.Multisim9.0元器件库,1.3 相关的基本技能,5.绘制仿真电路 (1)新建电路文件 选择File→New创建新电路文件，系统自动产生名为“circuit#”的电路文件，其中“#”代表一个连续的数字，在电路文件未保存之前，其文件名为“circuit#.ms9”，在该工作窗口内可以进行仿真电路的创建。 (2)放置元器件 用鼠标单击元器件所在库，即可打开相应的部件箱，在部件箱中找到所需的元器件，单击该元器件，系统将弹出图1-53所示的对话框，在其中选择需要的标称值后单击【OK】按钮即可放置元器件，图中放置的是1.1kΩ的电阻。 (3)元器件布局调整 对元器件进行移动、旋转和翻转等。,1.3 相关的基本技能,图1-53 放置元器件,1.3 相关的基本技能,图1-54 元器件调整快捷菜单,1.3 相关的基本技能,(4)线路连接 元器件布局调整后，进行线路连线。 (5)设置仪器仿真 虚拟仪器有仪器按钮、仪器图标和仪器面板3种表示方式。,图1-55 仪器的表示方式,(6)仿真电路运行 仿真电路创建完毕，接入虚拟仪器，执行simulate→run(仿真开关)，即可获得仿真分析结果。,1.3 相关的基本技能,1.3.3 Multisim仿真软件的应用训练 1.3.3.1 二极管整流滤波电路的仿真实验 1.实验目的 1)掌握二极管单相半波整流的工作原理。 2)熟悉常用整流、滤波电路的特点。 3)熟悉仿真软件的应用。 2.实验原理与步骤,图1-56 仿真组合测试电路,1.3 相关的基本技能,图1-57 测试波形,1.3 相关的基本技能,3.实验思考题 1)二极管在电路中工作时，什么情况下能把它看成开关？ 2)如何设计全波整流电容滤波电路，并完成仿真测试工作。 1.3.3.2 二极管限幅电路的仿真实验 1.实验目的 1)掌握二极管单相导电的特性。 2)了解二极管的基本应用。 3)熟悉仿真软件的应用。 2.实验原理与步骤 (1)二极管单向限幅电路 二极管单向限幅电路如图1-58所示，信号源给定幅值为8V的正弦波，当给二极管加正向电压时，二极管导通，输出电压被限制为4V；当给二极管加反向电压时，二极管截止，输出电压为输入信号电压。,1.3 相关的基本技能,图1-58 二极管单向限幅电路,1.3 相关的基本技能,图1-59 二极管单向限幅电路的输出波形,1.3 相关的基本技能,(2)二极管双向限幅电路 二极管双向限