常用半導(dǎo)體器件原理

常用半導(dǎo)體器件原理第1頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2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，硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表。第2頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月每個(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(guò)程稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)產(chǎn)生成對(duì)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。第3頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月價(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(guò)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(duì)載流子，這個(gè)過(guò)程稱為復(fù)合。第4頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(duì)溫度(K)；EG0為T(mén)=0K時(shí)的禁帶寬度，硅原子為1.21eV，鍺為0.78eV；k=8.63

10-5eV/K為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)，硅材料為3.87

1016cm-3K-3/2，鍺為1.76

1016cm-3K-3/2。2.1.3N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(duì)很少，這說(shuō)明本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。我們可以人為地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。

第5頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、N型半導(dǎo)體（摻磷）

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——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

自由電子濃度雜質(zhì)濃度因?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。第6頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、P型半導(dǎo)體（摻硼）

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——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為空穴濃度摻雜濃庹環(huán)境溫度也明顯影響np的取值。第7頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4漂移電流和擴(kuò)散電流半導(dǎo)體中載流子（電子與空穴）進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成半導(dǎo)體中的電流。半導(dǎo)體電流漂移電流：在電場(chǎng)的作用下，自由電子會(huì)逆著電場(chǎng)方向漂移，而空穴則順著電場(chǎng)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(chǎng)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(huì)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。電子電流與空穴電流半導(dǎo)體電流

第8頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2PN結(jié)

通過(guò)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(huì)形成一個(gè)有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為PN結(jié)。

2.2.1PN結(jié)的形成多子擴(kuò)散

空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生少子漂移動(dòng)態(tài)平衡第9頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空間電荷區(qū)又稱耗盡區(qū)或勢(shì)壘區(qū)。在摻雜濃度不對(duì)稱的PN結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一側(cè)延伸較小，在輕摻雜一側(cè)延伸較大。第10頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2

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)反向電流第11頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕篜N結(jié)只需較小的正向電壓，就可使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，且該電流隨電壓的微小變化會(huì)發(fā)生明顯改變。在反偏時(shí)，少子只能提供很小的漂移電流，且基本上不隨反向電壓變化。4.2.3PN結(jié)的擊穿特性PN結(jié)反向電壓足夠大時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿。

雪崩擊穿：PN結(jié)反偏，耗盡區(qū)中少子在漂移運(yùn)動(dòng)中被電場(chǎng)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(duì)自由電子和空穴，連鎖碰撞使盡區(qū)內(nèi)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sPN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(chǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)到能直接將價(jià)電子拉出共價(jià)鍵，發(fā)生場(chǎng)致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使反向電流急劇增大，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(guò)大，就可以保護(hù)PN結(jié)不受損壞。第12頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4PN結(jié)的電容特性PN結(jié)能存貯電荷，且電荷變化與外加電壓變化有關(guān)，說(shuō)明PN結(jié)有電容效應(yīng)。一、勢(shì)壘電容（反偏）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的絕對(duì)值增大時(shí)，CT將減?。ㄗ?nèi)莨埽?。?3頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的結(jié)電容為勢(shì)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；當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，CT遠(yuǎn)大于CD，則Cj

CT。二、擴(kuò)散電容（正偏）第14頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3晶體二極管二極管可分為硅二極管和鍺二極管，簡(jiǎn)稱為硅管和鍺管。

4.3.1二極管的伏安特性：指數(shù)特性IS為反向飽和電流，q=1.60

10-19C；UT=kT/q，稱熱電壓，300K時(shí)，UT=26mV。

1、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿當(dāng)uD>0且超過(guò)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(開(kāi)啟電壓)；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。第15頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月E變化時(shí)，負(fù)載線平移到新位置，雖然IDQ變化較大，但UDQ變化不大，仍近似等于UD(on)，所以也可認(rèn)為UD(on)是導(dǎo)通的二極管兩端固定的管壓降。直流電阻交流電阻電路的負(fù)載特性2、二極管的管壓降3、二極管的電阻第16頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月RD和rD均隨工作點(diǎn)Q的位置變化而變化；同一工作點(diǎn)Q處，RD和

rD

也不相同。4.3.2溫度對(duì)二極管伏安特性的影響實(shí)驗(yàn)表明：溫度每上升10℃，Is增大一倍。溫度每上升1℃，UD（ON）下降約2~2.5mV。可見(jiàn)，二極管的特性對(duì)溫度很敏感。另外，溫度的升高還使得二極管的雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。當(dāng)二極管兩端電壓為uD=UDQ+ΔuD時(shí)，其電流為：第17頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3二極管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化電路模型圖4.3.5二極管的近似伏安特性圖4.3.6簡(jiǎn)化電路模型第18頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[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≈0。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+UD(on)

=-5.4V，又E-UA=I1R1和0–UA=I2R2，解得I1=5.7mA，I2=5.4mA，于是ID=I1+I2=11.1mA。第19頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓二極管起穩(wěn)壓作用,工作電流IZ可在IZmin到IZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向電壓幾乎不變,為穩(wěn)定電壓UZ。4.3.4穩(wěn)壓二極管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(duì)IZ進(jìn)行限制，防止其太大使管耗過(guò)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。

第20頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型的穩(wěn)壓二極管電路輸入電壓Ui＞UZ，R為限流電阻，RL為負(fù)載電阻。Ui或RL變動(dòng)時(shí),工作電流IZ發(fā)生相應(yīng)變化,但只要不超出IZmin到IZmax的范圍，就可保證穩(wěn)壓二極管VDZ兩端的電壓是穩(wěn)定電壓UZ,電路的輸出電壓Uo=UZ。第21頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［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VDZ處于擊穿狀態(tài)當(dāng)R=11k

時(shí)，VDZ處于截止?fàn)顟B(tài)，IZ

=0第22頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.5二極管應(yīng)用電路舉例

1、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VD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。試分析輸出電壓uo的波形。

第23頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：當(dāng)ui>0.7V時(shí)，VD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)，VD處于截止?fàn)顟B(tài)，等效成開(kāi)路，所以u(píng)o=0。根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如(b)所示，傳輸特性如(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)

得到輸出波形。

第24頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［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VD1~VD4為理想二極管，輸入電壓ui的波形如圖(b)所示。試分析輸出電壓uo的波形。

第25頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：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(guò)D1相連，它們的負(fù)極通過(guò)D2相連，所以u(píng)o=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(guò)D4相連，D3則連接了uo的負(fù)極與ui的正極，所以u(píng)o=-ui。輸入輸出波形：(b)，傳輸特性：(c)。電路實(shí)現(xiàn)的是全波整流。

第26頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［例4.3.5］分析圖示電路的輸出電壓uo的波形和傳輸特性。

第27頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：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(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(c)所示，此時(shí)uo=u-=u+=0。據(jù)此可以根據(jù)ui的波形畫(huà)出uo的波形以及傳輸特性，如圖(d)所示。

第28頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[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(duì)值電路。

第29頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、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VD的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

第30頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：VD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。可根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如(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。

當(dāng)ui>2.7V時(shí)，VD導(dǎo)通，所以u(píng)o=2.7V；當(dāng)ui<2.7V時(shí)，VD截止，其支路等效為開(kāi)（斷）路，uo=ui。第31頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［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。

第32頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月綜合uo的波形如(c)所示，該電路把ui超出2.3V的部分削去后進(jìn)行輸出，是雙向限幅電路。

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(kāi)路，uo=ui。所以D2實(shí)現(xiàn)了上限幅；解：D1處于導(dǎo)通與截止的臨界狀態(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(kāi)路，uo=ui。所以D1實(shí)現(xiàn)了下限幅；第33頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖中,設(shè)二極管的交流電阻rD0,導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過(guò)允許范圍，以保護(hù)后級(jí)電路的安全工作。當(dāng)-0.7V<ui<0.7V時(shí)，二極管VD1和VD2都截止，電阻R1和R2中沒(méi)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)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，R1、VD1和R2構(gòu)成回路，對(duì)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)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，R1、VD2和R2構(gòu)成回路，對(duì)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)算放大器。第34頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖中,設(shè)二極管的交流電阻rD0,導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V當(dāng)-0.7V<ui<5.7V時(shí)，二極管VD1和VD2都截止，ui直接輸入A/D；當(dāng)ui>5.7V時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，A/D的輸入電壓被限制在5.7V；當(dāng)ui<-0.7V時(shí)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，A/D的輸入電壓被限制在-0.7V。該電路對(duì)ui的限幅范圍是-0.7V到5.7V。第35頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［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。

第36頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：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(kāi)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(guò)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。

第37頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖示電路為單運(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(guò)限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH=UZ或低電壓UOL=-UZ。第38頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、電平選擇電路［例4.3.9］(a)是二極管電平選擇電路，其中二極管VD1和VD2均為理想二極管，輸入信號(hào)ui1和ui2的幅度均小于電源電壓E，波形如(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號(hào)uo的波形。

第39頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：因?yàn)閡i1和ui2均小于E，所以VD1和VD2至少有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)。假設(shè)ui1<ui2，則VD1導(dǎo)通后，uo=ui1，結(jié)果VD2上加的是反向電壓，截止；反之，當(dāng)ui1>ui2時(shí)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，uo=ui2；只有當(dāng)ui1=ui2時(shí)，VD1和VD2才同時(shí)導(dǎo)通，uo=ui1=ui2。uo的波形如(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。

第40頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、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(duì)電容C充電，此時(shí)集成運(yùn)放A1也成為跟隨器，uo=uC

ui，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(chǎng)效應(yīng)管V用作復(fù)位開(kāi)關(guān)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)uG到來(lái)時(shí)直接對(duì)C放電，重新進(jìn)行峰值檢波。

第41頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4雙極型晶體管（BJT）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(duì)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。

原理結(jié)構(gòu)電路符號(hào)第42頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)、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

，IEN＞＞IEP4.4.1晶體管的工作原理(2)、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

(3)、集電區(qū)收集自由電子

收集電流ICN

反向飽和電流ICBO晶體管三個(gè)極電流與內(nèi)部載流子電流的關(guān)系：

第43頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關(guān)系：晶體管的極電流關(guān)系

共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：第44頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PNP型晶體管可做類似分析：與NPN型晶體管相比，自由電子和空穴互換角色，電流反向。以NPN型晶體管為例，說(shuō)明晶體管放大交流信號(hào)的基本原理：忽略空穴注入電流IEP和反向飽和電流ICBO，以簡(jiǎn)化分析。ub的振幅遠(yuǎn)小于UBB(保證e結(jié)始終正偏）晶體管電流方程第45頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2晶體管的伏安特性1、輸出特性

（3）截止區(qū)(e結(jié)反偏，c結(jié)反偏)（1）放大區(qū)(e結(jié)正偏，c結(jié)反偏)共基極交流電流放大倍數(shù)(uCB為常數(shù))：近似關(guān)系共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：恒流輸出和基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（2）飽和區(qū)(e結(jié)正偏，c結(jié)正偏)各輸出特性曲線彼此重合飽和壓降

uCE(sat)uBE=uCE，即uCB=0時(shí)，臨界狀態(tài)極電流絕對(duì)值很小模擬電路中，絕大多數(shù)情況下，應(yīng)保證晶體管工作在放大狀態(tài)。第46頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、輸入特性

當(dāng)uBE>UBE(on)時(shí)，e結(jié)正偏，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。此兩種狀態(tài)下，uBE≈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)。第47頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.3晶體管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化直流模型近似伏安特性簡(jiǎn)化直流模型I——放大區(qū)II——飽和區(qū)III——截止區(qū)第48頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.4直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析2．若uBE>uBE(on)，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷c結(jié)是正偏還是反偏。如果c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(lái)IC=bIB，IE=IB+IC。再由這三個(gè)極電流和外電路計(jì)算UCE和UCB；實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)控制e結(jié)和c結(jié)的正偏與反偏，可使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：1．判斷e結(jié)是正偏還是反偏。若uBE<UBE(on)，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IB=IC=IE=0，再由外電路計(jì)算極間電壓UBE、UCE和UCB；3．如果第2步判斷c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。第49頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［例4.4.1］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管V的UBE(on)=0.6V，

=50。當(dāng)輸入電壓UI分別為0V、3V和5V時(shí)，判斷V的工作狀態(tài)，并計(jì)算輸出電壓UO。

解：V的三個(gè)極電流的正方向如圖所示。當(dāng)UI=0時(shí)，V處于截止?fàn)顟B(tài)，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；當(dāng)UI=3V時(shí)，V處于放大或飽或狀態(tài)，假設(shè)V處于放大狀態(tài)，IB=[UI-UBE(on)]/RB=40A，IC=

IB=2mA，驗(yàn)證：因?yàn)椋琔CB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V>0，所以c結(jié)反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)UI=5V時(shí)，因?yàn)?，UCB=-3.28V<0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat)。第50頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月［例4.4.2］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管V的UBE(on)=-0.7V，

=50。判斷V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V處于放大或飽和狀態(tài)。假設(shè)處于放大狀態(tài)，則IC=bIB=-1.87mA，驗(yàn)證：因?yàn)椋琔CB=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。

第51頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.5晶體管應(yīng)用電路舉例

一、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)運(yùn)算。晶體管的電流方程圖中，UO=-UBE=-UTln(IC/IS)，又IC=UI/R，所以第52頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖中，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(duì)數(shù)(指數(shù))運(yùn)算。

第53頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、

值測(cè)量電路

圖示電路用以測(cè)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

。

第54頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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(guò)集成運(yùn)放A傳遞到電阻R2上端，于是有IO

=IC

IE

=UZ

/R2

=20mA。

第55頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.5場(chǎng)效應(yīng)管

第56頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、工作原理

為保證PN結(jié)反偏，并實(shí)現(xiàn)UGS對(duì)ID的有效控制，N溝道JFET的UGS不能大于零。三個(gè)電極的電勢(shì)：UD>US>UG柵極電流：IG0夾斷電壓：UGS(off)第57頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、輸出特性(iD-uDS)（1）恒流區(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|=|uDS-uGS|>|UGS(off)|)（2）可變電阻區(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|<|UGS(off)|)uGS和iD為平方率關(guān)系。預(yù)夾斷導(dǎo)致uDS對(duì)iD的控制能力很弱。（3）截止區(qū)(|uGS|>|UGS(off)|)uDS的變化明顯改變iD的大小。導(dǎo)電溝道全部夾斷，iD

=0。另外，若|uDS|足夠大，則PN結(jié)在靠近漏極的局部會(huì)擊穿，iD急劇增大，相應(yīng)的區(qū)域成為擊穿區(qū)。第58頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、轉(zhuǎn)移特性(iD-UGS)恒流區(qū)內(nèi)，iD與uGS的平方率關(guān)系可以描述為：第59頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)電溝道，分為增強(qiáng)型（normally-off）和耗盡型(normally-on)。

第60頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、工作原理

UGS=0→

ID＝0N溝道增強(qiáng)型MOSFETUGS>UGS(th)

→電場(chǎng)→反型層→導(dǎo)電溝道→

ID>0UGS控制ID的大小UD>UG>US=UB，IG=0第61頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在UGS=0時(shí)就存在ID=ID0。UGS增大→ID增大。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稱為夾斷電壓UGS(off)

。

N溝道耗盡型MOSFET2、輸出特性

預(yù)夾斷N溝道增強(qiáng)型MOSFET各區(qū)劃分140頁(yè)第62頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(zhǎng)度，W/L為寬長(zhǎng)比。N溝道增強(qiáng)型MOSFET3、轉(zhuǎn)移特性

恒流區(qū)內(nèi)，iD與uGS的平方率關(guān)系可以描述為：如果計(jì)入uDS對(duì)iD的微弱影響，則需要用溝道調(diào)制系數(shù)λ修正公式。第63頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N溝道耗盡型MOSFET（類似N溝道JFET）恒流區(qū)電流方程第