《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》(第四版)-第一章.ppt

教材 童詩白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 主講 蔣宏82314573 14 O 新主樓E1115Communication 緒論 一 課程的地位和主要內(nèi)容 電子技術(shù) 研究電子器件 電子電路及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù) 器件為路用 緒論 模擬信號(hào) 在時(shí)間和數(shù)值上連續(xù)的信號(hào) 計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)原理框圖 緒論 二 電子技術(shù)的典型應(yīng)用 三 如何學(xué)好模電 緒論 課程特點(diǎn) 內(nèi)容多 內(nèi)容雜 工程實(shí)踐性強(qiáng) 1 抓 重點(diǎn) 2 注重綜合分析注重工程化素質(zhì)培養(yǎng) 3 提高學(xué)習(xí)效率 培養(yǎng)自學(xué)能力 課堂 答疑 作業(yè) 自學(xué) 放大器 反饋 振蕩器 四 模電成績(jī)?nèi)绾嗡?作業(yè) 期末考試 參考課堂和答疑表現(xiàn)作業(yè) 每周交1次 全交 有參考解答 內(nèi)容提要 半導(dǎo)體器件是組成各種電子電路 包括模擬電路和數(shù)字電路 集成電路和分立元件電路的基礎(chǔ) 本章首先介紹半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 闡明PN結(jié)的單向?qū)щ娦?然后介紹半導(dǎo)體二極管 穩(wěn)壓管 半導(dǎo)體三極管及場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 工作原理 特性曲線和主要參數(shù) 第一章常用半導(dǎo)體器件 1 2半導(dǎo)體二極管 1 3穩(wěn)壓管 1 4半導(dǎo)體三極管 1 5場(chǎng)效應(yīng)管 1 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1 1 1半導(dǎo)體的特性 一 定義導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體稱半導(dǎo)體 如 硅 Si 鍺 Ge 等價(jià)電子 圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的最外層軌道的電子導(dǎo)體 低價(jià)元素絕緣體 高價(jià)元素硅 Si 鍺 Ge 個(gè)價(jià)電子 1 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 價(jià)電子 慣性核 二 半導(dǎo)體特性溫度 導(dǎo)電能力 可做成各種熱敏元件受光照 導(dǎo)電能力 可做成各種光電器件3 摻入微量雜質(zhì) 導(dǎo)電能力 幾十萬 幾百萬倍 可做成品種繁多 用途廣泛的半導(dǎo)體器件 如半導(dǎo)體二極管 三極管 場(chǎng)效應(yīng)管等 純凈的 沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體 它是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 1 1 2本征半導(dǎo)體 相鄰原子的價(jià)電子成為共用電子 即共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 自由電子 空穴 在常溫下自由電子和空穴的形成 成對(duì)出現(xiàn) 成對(duì)消失 4 4 4 4 4 4 4 4 4 外電場(chǎng)方向 在外電場(chǎng)作用下 電子和空穴均能參與導(dǎo)電 載流子 這是半導(dǎo)體導(dǎo)電與導(dǎo)體導(dǎo)電最本質(zhì)的區(qū)別 價(jià)電子填補(bǔ)空穴 本征激發(fā) 價(jià)電子受熱及光照后 掙脫共價(jià)鍵束縛成為自由電子 激勵(lì) 溫度和光照 一定時(shí) 電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)達(dá)到 動(dòng)態(tài)平衡 注意 本征半導(dǎo)體中載流子的濃度除與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)外 還與溫度密切相關(guān) 半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的這種敏感性 既可用來制造熱敏和光敏器件 又是造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因 4 4 4 4 4 4 4 1 1 3雜質(zhì)半導(dǎo)體 一 N型半導(dǎo)體 自由電子 通過擴(kuò)散工藝 在本征半導(dǎo)體中摻入微量特定元素 便可形成雜質(zhì)半導(dǎo)體 在純凈的硅或鍺晶體中摻入微量五價(jià)元素 如磷 所形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱N型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 在N型半導(dǎo)體中 自由電子是多數(shù)載流子 空穴是少數(shù)載流子 4 4 4 4 4 4 4 二 P型半導(dǎo)體 在純凈的硅或鍺的晶體中摻入微量的三價(jià)元素 如硼 所形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱P型半導(dǎo)體 4 P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 在P型半導(dǎo)體中 空穴是多數(shù)載流子 自由電子是少數(shù)載流子 對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體 多子濃度約等于所摻雜質(zhì)濃度 多子濃度受溫度影響小 少子 本征激發(fā) 濃度受溫度影響大 注意 注意 不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體 雖然它們都有一種載流子占多數(shù) 但整個(gè)晶體仍然是不帶電的 呈電中性 通過摻入雜質(zhì)來提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力不是最終目的 因?yàn)閷?dǎo)體的導(dǎo)電能力更強(qiáng) 雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于 摻入不同性質(zhì) 不同濃度的雜質(zhì) 并使P型和N型半導(dǎo)體采用不同的方式結(jié)合 可以制造出形形色色 品種繁多 用途各異的半導(dǎo)體器件 載流子的兩種運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散 載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)載流子總是從高濃度向低濃度擴(kuò)散飄移 載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)空穴順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng) P區(qū) N區(qū) 1 2 1PN結(jié)的形成 采用不同的摻雜工藝 在同一塊半導(dǎo)體單晶上形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體 在它們的交界面處就形成了一個(gè)PN結(jié) 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場(chǎng)方向 1 2PN結(jié) 多子擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū) 有利少子向?qū)Ψ狡?阻擋多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散 少子向?qū)Ψ降钠?空間電荷區(qū)變窄 有利于多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散 當(dāng)多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí) 空間電荷區(qū)的寬度一定 形成PN結(jié) 內(nèi)電場(chǎng)方向 R 1 2 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?P區(qū) N區(qū) 外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷 N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng) 形成較大的正向電流 此時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通 一 外加正向電壓 正向偏置 外電場(chǎng)加強(qiáng)擴(kuò)散 P區(qū) N區(qū) 內(nèi)電場(chǎng)方向 R 二 外加反向電壓 反向偏置 外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的多子 空穴和自由電子 移走 空間電荷區(qū)加寬 少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流 此時(shí)PN結(jié)截止 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行 外電場(chǎng)削弱擴(kuò)散 結(jié)論 綜上所述 當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí) 回路將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) 當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí) 回路中的反向電流非常小 幾乎等于零 且由于該電流是由少數(shù)載流子產(chǎn)生的 所以溫度對(duì)其影響很大 溫度愈高 反向電流愈大 此時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) 可見 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)的伏安特性 正偏 P N 正向低阻導(dǎo)通 反偏 P N 反向高阻截止i Is 反向擊穿 PN結(jié)特性之二 擊穿特性 反向擊穿i很大 P N P N 正偏和反偏 UT 26mV 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體中的載流子 自由電子空穴 載流子的產(chǎn)生 本征激發(fā)摻雜 P型 N型 載流子的運(yùn)動(dòng) 漂移擴(kuò)散 PN結(jié)的特性 正向?qū)ㄐ苑聪蚪刂固匦苑聪驌舸┨匦?多子擴(kuò)散引起 少子飄移引起 1 3 1二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 1 3半導(dǎo)體二極管 一 符號(hào) D Diode P區(qū) N區(qū) 硅管的伏安特性 1 3 2二極管的伏安特性 反向特性 死區(qū) IS 正向特性 UBR Uon iD f uD uD D U 非線性特性 反向擊穿電壓 穩(wěn)壓管 i u q u L 反向擊穿 正向和反向 開啟電壓 Uon Si管 0 5V左右Ge管 0 1V左右 正向?qū)妷篣 Si管 0 6V 0 8V Ge管 0 2V 0 3V 二極管方程 UT 溫度的電壓當(dāng)量 常溫下 即T 300K 270C 時(shí) UT 26mV Is 反向飽和電流 在反向段 當(dāng) uD UT時(shí) iD IS 一般 特性曲線上區(qū)分Uon和U 計(jì)算時(shí)不區(qū)分Uon和U 二極管的伏安特性受溫度的影響 如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí) 二極管的正向特性曲線左移 反向特性曲線下移 注意 1 3 4二極管的等效電路 能夠模擬二極管特性的電路稱二極管等效電路 也稱二極管的等效模型 I U I U iD 一 二極管的直流模型 1 理想二極管 導(dǎo)通時(shí)正向壓降為零 截止時(shí)反向電流為零 的等效模型 大信號(hào)作用下的模型 2 二極管導(dǎo)通時(shí)正向壓降為一常量U 正向?qū)妷?7V或 V 截止時(shí)反向電流為零的二極管的等效模型 Question1UDUON 3 二極管導(dǎo)通且正向壓降uD大于U 后 其電流iD與uD成線性關(guān)系 直線斜率為1 rD 截止時(shí)反向電流為零的等效模型 以上三個(gè)等效電路中1的誤差最大 3的誤差最小 一般情況下多采用2所示的等效電路 直流電阻 二極管主要用于限幅 整流 鉗位 判斷二極管是否正向?qū)?先假設(shè)二極管截止 求其陽極和陰極電位 若陽極陰極電位差 UD 則其正向?qū)?若電路有多個(gè)二極管 陽極和陰極電位差最大的二極管優(yōu)先導(dǎo)通 其導(dǎo)通后 其陽極陰極電位差被鉗制在正向?qū)妷?7V或 V 再判斷其它二極管 用直流模型2 用直流模型2 圖1 2 6例1 2 1電路圖 例1 下圖中 已知VA 3V VB 0V DA DB為鍺管 求輸出端Y的電位 并說明每個(gè)二極管的作用 解 DA優(yōu)先導(dǎo)通 則 VY 3 0 3 2 7V DA導(dǎo)通后 DB因反偏而截止 起隔離作用 DA起鉗位作用 將Y端的電位鉗制在 2 7V 例2 下圖是二極管限幅電路 D為理想二極管 E 3V ui 6sin tV 試畫出uo及uD的波形 2 ui 3時(shí) D截止 uo ui uD ui 3 ui 3時(shí) D導(dǎo)通 uo 3 uD 0 解 二 二極管的小信號(hào)交流模型 微變等效電路 二極管外加直流正向電壓時(shí) 將有一電流 則反映在其伏安特性曲線上的點(diǎn)為Q Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn) iD I U Q 若在Q點(diǎn)基礎(chǔ)上外加微小的變化量 則可用以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的直線來近似微小變化時(shí)的曲線 即可將二極管等效成一個(gè)線性器件 用動(dòng)態(tài)電阻rd來表示 且rd uD iD question2 小信號(hào)作用下的模型 即 動(dòng)態(tài)電阻與Q點(diǎn)有關(guān) 圖1 2 8直流電壓和交流信號(hào)同時(shí)作用 直流通路 交流通路 question3 作業(yè) 1 4 1 3 1 3 1 2 穩(wěn)壓管實(shí)質(zhì)上是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管 它工作于反向擊穿區(qū) 在一定的電流范圍內(nèi) 端電壓幾乎不變 所以這段特性可以用來穩(wěn)壓 因而廣泛用于穩(wěn)壓電源與限幅電路 1 4穩(wěn)壓管 i mA u V 0 反向擊穿區(qū) UZ IZmin IZmax 伏安特性 1 4 1穩(wěn)壓管的伏安特性 DZ Zener 一 穩(wěn)定電壓UZ 是在規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓 二 穩(wěn)定電流IZmin 保證管子進(jìn)入反向擊穿區(qū)的電流 若電流低于IZmin 則管子的穩(wěn)壓性不佳 甚至根本不穩(wěn)壓 要求IZ IZmin IZ UZ 1 4 2穩(wěn)壓管的主要參數(shù) i mA u V 0 UZ IZmin IZmax 三 最大允許耗散功率PZM PZM UZIZmax 通過上式可求出Izmax 穩(wěn)壓管的功耗超過PZM時(shí) 會(huì)因結(jié)溫升過高而燒壞 要求IZ IZmax 由上式可看出 rZ愈小 管子的穩(wěn)壓性能愈好 IZ UZ i mA u V 0 UZ IZmin IZmax 1 4 3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 一 電路 關(guān)于電路組成的說明 1 負(fù)載 RL 必需與DZ并聯(lián) 使Uo穩(wěn)定 2 DZ必需工作在反向擊穿區(qū) 3 為保證IZmin IZ Izmax 必需串聯(lián)一個(gè)大小合適的限流電阻R 二 穩(wěn)壓原理 Ui Uo UZ I IR UR Uo 三 限流電阻的選擇 IZmin IZ IZmax 1 當(dāng)Ui最大 而IL最小時(shí) IZ最大 2 當(dāng)Ui最小 而IL最大時(shí) IZ最小 例1 在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中 已知Ui 12V 且變化范圍 20 UZ 5V IZmin 5mA PZmax 360mw IL 0 5mA 求限流電阻R 解 由已知條件得 Uimin 9 6V Uimax 14 4V IZmin 5mA IZmax PZmax UZ 360 5 75mA 則 作業(yè) 1 9 1 6 1 11 1 5 1三極管的結(jié)構(gòu)分類和符號(hào) 1 5半導(dǎo)體三極管 雙極型晶體管 一 分類 按結(jié)構(gòu)劃分 NPN型 PNP型 按材料劃分 硅管 鍺管 按功率劃分 大功率管 小功率管 按頻率劃分 高頻管 低頻管 二 NPN型三極管 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極C 基極B 發(fā)射極E 2 符號(hào) 1 結(jié)構(gòu)示意圖 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極C 發(fā)射極E 基極B 三 PNP型三極管 1 結(jié)構(gòu)示意圖 2 符號(hào) NPN型三極管結(jié)構(gòu)圖 三極管能具有放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 基區(qū)很薄 幾 m 幾十 m 形成兩個(gè)靠得很近的PN結(jié) 且載流子濃度很低 2 發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高 3 集電結(jié)的面積很大 三極管能具有放大作用的外部條件 1 發(fā)射結(jié)正向偏置 2 集電結(jié)反向偏置 對(duì)于NPN型三極管應(yīng)滿足 UBE 0UBCVB VE 對(duì)于PNP型三極管應(yīng)滿足 UEB 0UCB 0即VC VB VE 晶體管的基本放大應(yīng)用 輸入回路 輸出回路 有源器件 b偏置電阻 集電極負(fù)載電阻 共射 CE VBBVCC偏置電源 ui要放大的小信號(hào) uO放大后的輸出 1 5 2三極管的三種接法 一 共發(fā)射極 CE 接法 二 共集電極 CC 接法 三 共基極 CB 接法 不同的接法具有不同的電路特性 但管子的工作原理都是相同的 以NPN管共發(fā)射極接法為例 來說明電流放大的概念 1 5 3三極管的電流放大 控制 作用 一 電流放大的概念 VCC VBB 調(diào)節(jié)RB 觀察IB IC及IE的變化 結(jié)論 1 IB IC IE 此結(jié)果符合KCL 2 IC IE比IB大得多 3 IB很小的變化可引起IC很大的變化 即IC受IB控制 這就是三極管的電流控制作用 PN結(jié)無外加電壓時(shí) 平衡PN結(jié) P區(qū)或N區(qū)的少子因達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡而稱為平衡少子 PN結(jié)外加正向電壓時(shí) P區(qū)或N區(qū)的多子擴(kuò)散到對(duì)方而成為對(duì)方的非平衡少子 平衡少子 非平衡少子 本區(qū)本征激發(fā)的少子 另一區(qū)的多子擴(kuò)散過來的 IE IBN ICN N P N 二 管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng) VCC RC VBB RB ICBO E B C IB IC IE ICN IBN 電流關(guān)系 定義 CE直流電流放大系數(shù) 此結(jié)果符合KCL 整理得到 IB IBN ICBO IC ICN ICBO IE IC IB 基極開路時(shí)集電極與發(fā)射極間的穿透電流 發(fā)射區(qū)的多子擴(kuò)散 記住 定義 CE交流電流放大系數(shù) 一般認(rèn)為 定義 CB直流電流放大系數(shù) 整理得到 定義 CB交流電流放大系數(shù) 一般認(rèn)為 發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)的反向飽和電流 e區(qū)的多子擴(kuò)散而導(dǎo)電 c區(qū)和b區(qū)的平衡少子飄移而導(dǎo)電 IE ICN IBN ICBO 雙極性晶體管 1 5 4三極管的特性曲線 CE 三極管的特性曲線是其各極電壓和電流之間關(guān)系的曲線 從使用三極管的角度來說 了解其特性曲線比了解其內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)顯得更為重要 iC uCE uBE iB 雙端口網(wǎng)絡(luò) 一 三極管的輸入特性 1 5 4三極管的特性曲線 CE UCE 0時(shí) UCE 0V時(shí) 曲線右移 UCE 1V后 曲線幾乎重合 一般用UCE V的任一曲線 與二極管正向特性相似 由上述分析可知 三極管輸入特性也有一段死區(qū) 在正常工作下 NPN型硅管uBE 0 0 8V PNP型硅管uBE 0 8 0 6V 飽和區(qū) 發(fā)射結(jié) 集電結(jié)均正向偏置 截止區(qū) 發(fā)射結(jié) 集電結(jié)均反向偏置 放大區(qū) 發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 iB iC Q 二 三極管的輸出特性 NPN 飽和區(qū)iC明顯隨uCE增大而增大 icUON uCE uBE uCE UCES uCE 0 截止區(qū)iB 0 iC 0的曲線下方 NPN uBE UON uCE uBE 放大區(qū)曲線平行等距iC近似平行于uCE軸CCCSic i I IBNPN uBE UON uCE uBE 1 5 5三極管的主要參數(shù) 一 直流參數(shù) 1 共射直流電流放大系數(shù) 2 共基直流電流放大系數(shù) 1 發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)的反向飽和電流 ICBO 3 極間反向電流 一般小功率硅管ICBO為nA級(jí) 而鍺管為幾 A 幾十 A 2 基極開路時(shí)集電結(jié)與發(fā)射結(jié)間的穿透電流 ICEO ICEO 1 ICBO ICBO ICEO受穩(wěn)度的影響很大 實(shí)際工作中其值愈小 性能愈穩(wěn)定 忽略ICBO 二 交流參數(shù) 2 共基交流電流放大系數(shù) 1 共射交流電流放大系數(shù) 一般可以認(rèn)為 iC等距平行于uCE軸即可以表示在加上 可以認(rèn)為 五 溫度對(duì)晶體管特性的影響 溫度增加 會(huì)導(dǎo)致ICBO IB增大 溫度對(duì)晶體管輸入特性的影響 圖1 3 9溫度對(duì)晶體管輸出特性的影響 三極管特性容易受溫度影響 溫度增加 會(huì)導(dǎo)致IC增大 溫度增加 會(huì)導(dǎo)致 增大 總結(jié) 1 4 雙極型晶體管 放大條件 結(jié)構(gòu)上E重?fù)诫s B薄且摻雜低 C面積大 外電源使Je正偏 Jc反偏 電流關(guān)系 iC iBiE iC iB 三極管 NPN 的特性曲線 Je和Jc均正偏 uCE很小 ce間近似短路 Je正偏 Jc反偏 iC iB T相當(dāng)CCCS Je和Jc均反偏 ic很小 ce間近似開路 二極管的特性曲線 二極管的直流模型 uD D 作業(yè) 1 15 1 9 1 16 1 10 1 19 1 12 2 晶體管的等效模型 1 晶體管直流模型 前提 Q點(diǎn)在放大區(qū) UD IBQ 1 晶體管直流模型 RC Rb 20V VCC VBB 直流電壓和交流信號(hào)同時(shí)作用下 三極管在小信號(hào) 微變量 情況下工作時(shí) 可以在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線 三極管就可以用線性二端口網(wǎng)絡(luò)來等效代替 2 三極管的交流 微變 等效電路 ube h11ib h12uce ic h21ib h22uce 在小信號(hào)下 H參數(shù)等效模型 ube h11ib h12uce ic h21ib h22uce h11 ube ib uce 0 rbe h21 ic ib uce 0 h12 ube uce ib 0 0 h22 ic uce ib 0 1 rce 0 Q Q rbe稱三極管的輸入電阻 rbb 稱為基區(qū)的體電阻 對(duì)于小功率管 一般為100 500 三極管的微變等效電路 ube rbeib h12uce ic ib uce 三極管簡(jiǎn)化的微變等效電路 三極管的微變等效電路只能用來分析放大電路變化量之間的關(guān)系 rce 1 線性化 如ce端所接很大 不能忽略 1 晶體管直流模型 2 三極管的交流 微變 等效電路 放大區(qū) 交流模型只能求解交流量直流模型只能求解直流量 H參數(shù)在靜態(tài)工作點(diǎn)附近定義的 只適合于交流小信號(hào) 大小和方向 從屬于 NPN和PNP具有相同的H參數(shù)交流模型 1 6場(chǎng)效應(yīng)管 單極型三極管 本節(jié)要介紹的場(chǎng)效應(yīng)管是依靠一種極性的載流子 多子 飄移參與導(dǎo)電 所以稱單極型三極管 又因?yàn)樗抢幂斎牖芈返碾妶?chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的 所以又稱場(chǎng)效應(yīng)管 它是電壓控制電流源 VCCS 器件 它的輸入阻抗高 1 6 1場(chǎng)效應(yīng)管FET FieldEffectTransistor 的類型 按其結(jié)構(gòu) 絕緣柵型 結(jié)型 按其工作狀態(tài) 增強(qiáng)型 耗盡型 N溝道 P溝道 N溝道 P溝道 1 6 2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 耗盡型 一 結(jié)構(gòu)示意圖 以N溝道為例 兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N溝道 三個(gè)電極 G 柵極GateD 漏極DrainS 源極Source 結(jié)構(gòu)和符號(hào) 以N溝道為例 二 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 1 柵源電壓對(duì)溝道的控制作用 在柵源間加負(fù)電壓VGG 0 令uDS 0 2 當(dāng) uGS 時(shí) PN結(jié)反偏 導(dǎo)電溝道變窄 溝道電阻增大 3 當(dāng) uGS 增加到一定值時(shí) 溝道完全合攏 溝道電阻無窮大 夾斷電壓UGS off 使導(dǎo)電溝道完全合攏 消失 所需要的柵源電壓uGS 1 當(dāng)uGS 0時(shí) 為平衡PN結(jié) 導(dǎo)電溝道最寬 溝道電阻最小 UGS off 0 2 漏源電壓對(duì)溝道的影響作用 1 當(dāng)VDD 0時(shí) iD 0 2 VDD iD 靠近漏極處的耗盡層加寬 溝道變窄 呈楔 xie 形分布 3 當(dāng)VDD 使uGD uGS uDS UGS off 時(shí) 在靠漏極處夾斷 預(yù)夾斷 預(yù)夾斷前 VDD iD 預(yù)夾斷后 VDD iD幾乎不變 4 VDD再 夾斷點(diǎn)下移 在漏源間加電壓VDD 0 令uGS 0由于uGS 0 所以導(dǎo)電溝道最寬 圖1 4 4UGS off 0的情況 預(yù)夾斷 預(yù)夾斷前 預(yù)夾斷后 恒流區(qū) 可變電阻區(qū) 溝道電阻受uGS控制 1 輸出特性曲線 iD f uDS UGS 常數(shù) 3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線 飽和區(qū)內(nèi) iD uGS 常數(shù) gmgm 低頻跨導(dǎo) 可變電阻區(qū) 預(yù)夾斷前 飽和區(qū) 恒流區(qū) 預(yù)夾斷后 夾斷區(qū) 截止區(qū) 即 iD gm uGS 放大原理 2 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD f uGS UDS 常數(shù) UGS off 飽和漏極電流IDSS UGS off uGS 0 N溝道 UDS 10V 只在恒流區(qū)內(nèi) 只適合于恒流區(qū)內(nèi) IDSS uGS 0時(shí)的iD 直流模型 1 6 3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 MOS管 符號(hào) 1 結(jié)構(gòu)和符號(hào) 一 增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 以N溝道為例 G Metal SiO2 鋁 結(jié)構(gòu)示意圖 耗盡層 S G D UDS iD 0 D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián) 無論D與S之間加什么極性的電壓 漏極電流均接近于零 2 工作原理 1 uGS 0時(shí) 圖1 4 8uDS 0時(shí)uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制 P型硅襯底 N B S G D 耗盡層 柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道 當(dāng)D S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流iD 2 uGS UGS th N N UGS 圖1 4 9uGS為大于UGS th 的某一值時(shí)uDS對(duì)iD的影響 預(yù)夾斷前 預(yù)夾斷 預(yù)夾斷后 可變電阻區(qū) 溝道電阻受uGS控制 恒流區(qū) 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS 5V 6V 4V 3V 2V iD mA UDS 10V 增強(qiáng)型NMOS管的特性曲線 0 1 2 3 2 4 5 uGS V 3 特性曲線 UGs th 輸出特性 轉(zhuǎn)移特性 uDS V iD mA 夾斷區(qū) IDO IDO uGS 2UGS th 時(shí)的iD uGS UGS th 0 N溝道 1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理 符號(hào) 制造時(shí) 在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子 二 耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 以N溝道為例 4 3 2 1 0 4 8 12 UGS 1V 2V 3V 輸出特性 轉(zhuǎn)移特性 耗盡型NMOS管的特性曲線 1 2 3 0V 1 0 1 1 2 3 uGS V 2 特性曲線 UGs off uDS V UDS 8V iD mA iD mA IDSS N溝道耗盡型 UGS off uGS UGS off 0N溝道耗盡型 柵源電壓與柵極電流的比值 其值很高 1 6 4場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 一 開啟電壓UGS th 在一定的uDS下 開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓 它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù) NMOSUGS th 為正 PMOSUGS th 為負(fù) 二 夾斷電壓UGS off 在一定的uDS下 使漏極電流近似等于零時(shí)所需的柵源電壓 它是耗盡型管的參數(shù) N溝道UGS off 是負(fù)值 P溝道UGS off 是正值 三 直流輸入電阻RGS DC 四 飽和漏極電流 DSS 五 D 耗盡型的參數(shù) 增強(qiáng)型的參數(shù) uGS 0時(shí)的iD uGS 2UGS th 時(shí)的iD N溝道為正 P溝道為負(fù) N溝道為正 P溝道為負(fù) 六 低頻跨導(dǎo)gm UDS為常數(shù)時(shí) 漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵源電壓的微變量之比稱為低頻跨導(dǎo) 即 低頻跨導(dǎo)是衡量場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù) 交流參數(shù) 1 6 5場(chǎng)效應(yīng)管的直流等效模型 N溝道耗盡型 N溝道增強(qiáng)型 溝道耗盡型 溝道增強(qiáng)型 iD參考方向仍是從d到s 轉(zhuǎn)移特性曲線 恒流區(qū) iD是負(fù)值 點(diǎn)是特性曲線上的一點(diǎn) N溝道耗盡型 N溝道增強(qiáng)型 條件 點(diǎn)在恒流區(qū) 溝道耗盡型 溝道增強(qiáng)型 IDQ參考方向仍是從d到s 1 6 5場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 場(chǎng)效應(yīng)管在小信號(hào) 微變量 情況下工作時(shí) 可以在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 場(chǎng)效應(yīng)管就可以用線性二端口網(wǎng)絡(luò)來等效代替 微變等效電路 簡(jiǎn)化的微變等效電路 微變等效電路 所有FET 圖2 7 7從特性曲線求gm和rds N溝道耗盡型 N溝道增強(qiáng)型 求得 求得 溝道耗盡型 溝道增強(qiáng)型 iD參考方向仍是從d到s 溝道 N溝道耗盡型 溝道 N溝道增強(qiáng)型 1 6 5雙極型和單極型三極管的比較 iD參考方向仍是從d到s 圖1 4 14例1 4 1輸出特性曲線 作業(yè) 1 21 1 13 1 23 1 15 1 24 1 16