电子基础电路

一﹑半導體二極管及其基本電路基本要求正确理解：PN结的形成及单向导电性熟练掌握：普通二极管、稳压二极管的外特性及主要参数能够查阅电子器件相关手册难点重点1．ＰＮ结的形成（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。图（1）浓度差使载流子发生扩散运动（2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。图（2）内电场形成（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。2．ＰＮ结的单向导电性（1）外加正向电压（正偏）在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。（2）外加反向电压（反偏）在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。3.二极管的基本应用电路（1）限幅电路---利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。（2）箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。注：黑色---输入信号，蓝色---输出信号，波形为用ＥＷＢ仿真结果。二﹑半導體三極管及放大電路基本要求熟练掌握：放大电路的组成原则；共射、共集和共基组态放大电路工作原理；静态工作点；用小信号模型分析法分析增益、输入电阻和输出电阻；多级放大电路的工作原理，增益的计算正确理解：图解分析法；放大电路的频率响应一般了解：频率失真难点重点1．半导体三极管内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子由于发射结外加正向电压，发射结的内电场被削弱，有利于该结两边半导体中多子的扩散。流过发射极的电流由两部分组成：一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区，成为集区中的非平衡少子而形成的电子电流ＩEN，二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区，成为发射区的非平衡少子而形成的空穴电流ＩEP。由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度，因此，与电子电流相比，空穴的电流是很小的，即ＩE=ＩEN+ＩEP（而ＩENＩEP）（2）非平衡载流子在基区内的扩散与复合由发射区注入基区的电子，使基区内少子的浓度发生了变化，即靠近发射结的区域内少子浓度最高，以后逐渐降低，因而形成了一定的浓度梯度。于是，由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。另一方面，由于基区很薄，且掺杂浓度很低，因而在扩散过程中，只有很少的一部分会与基区中的多子（空穴）相复合，大部分将到达集电结。（3）集电区收集载流子由于集电结外加反向电压，集电结的内电场被加强，有利于该结两边少子的漂移。流过集电极的电流ＩC，除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ＩCN2和集电区中的热平衡少子空穴通过集电结形成的空穴电流ＩCP所组成的反向饱和电流ＩCBO以外，还包括由发射区注入到基区的非平衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界，而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ＩCN1，因此ＩC=ＩCN1+ＩCN2+ＩCP=ＩCN1+ＩCBO式中ＩCBO＝ＩCN2+ＩCP基极电流由以下几部分组成：通过发射结的空穴电流ＩEP，通过集电结的反向饱和电流ＩCBO以及ＩEN转化为ＩCN1过程中在基区的复合电流（ＩEN-ＩCN1），即ＩB=ＩEP+（ＩEN-ＩCN1）-ＩCBO2．放大电路的动态分析（图解法）放大电路输入端接入输入信号vi后的工作状态，称为动态。在动态时，放大电路在输入信号vi和直流电源Vcc共同作用下工作，这时候，电路中既有直流分量，又有交流分量，形成了交、直流共存于同一电路之中的情况，各极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号vi作相应变化的交流分量。一般用放大电路的交流通路来分析放大电路中各个交流量的变化规律及动态性能。所谓交流通路是指交流电流流经的路径。由放大电路画交流通路的原则是：（1）由于交流通路中只考虑交流信号的作用，直流电源Vcc内阻很小，将它作短路处理；（2）由于耦合电容和旁路电容足够大，对交流量可视为短路。注意，在交流通路中的电流、电压都是交流量。对放大电路的动态分析，主要采用图解法和微变等效电路法。在这里，我们讨论图解法。图解法的思路是先根据输入信号vi的的变化规律，在输入特性曲线上画出iB的波形，然后根据iB的变化规律在输出特性曲线上画出iC和vCE的波形。1）根据vi在输入特性曲线上求iB2）画出交流负载线在动态时，放大电路输出回路的iC和vCE，既要满足三极管的伏安特性曲线，又要满足外部电路的伏安关系。交流负载线是有信号时放大电路工作点的轨迹，是交、直流共存的情况。3）由输出特性曲线和交流负载线求iC和vCE由图解分析，可得出如下几个重要结论：1）三极管各极间电压和各电极的电流都是由两个分量线性叠加而成的脉动量，其中一个是由直流电源Vcc引起的直流分量，另一个是随输入信号vi而变化的交流分量。虽然这些电流电压的瞬时值是变化的，但它们的方向是始终不变的。2）当输入信号vi是正弦波时，电路中各交流分量都是与输入信号vi同频率的正弦波，其中vbe、ib、ic与vi同相，而vce、vo与vi反相。输出电压与输入电压相位相反，这种现象称为“倒相”，是共射放大电路的一个重要特征。3）输出电压vo和输入电压vi不但是同频率的正弦波，而且vo的幅度比vi的幅度大得多，这说明，vi经过电路被线性放大了。还可以看出，只有输出信号的交流分量才是反映输入信号变化的，所以我们说的放大作用，只能是输出的交流分量和输入信号的关系，而绝对不能把直流分量也包含在内。图解分析法的特点：直观、形象，有助于建立一些重要概念，如交、直流共存，静态和动态。三﹑場效應管放大電路基本要求熟练掌握：共源、共漏组态放大电路工作原理；静态工作点；用小信号模型分析增益、输入、输出电阻难点重点1．场效应管放大电路与晶体管放大电路类比关系场效应管和晶体管放大电路工作机理不同，但两种器件之间存在电极对应关系，即栅极G对应基极，源极S对应发射极，漏极D对应集电极，但晶体三极管是电流控制器件，场效应管是电压控制器件。在分析放大电路时，均采用微变等效电路法。需注意两者不同之处是受控源的控制量。场效应管受电压控制，晶体三极管受电流控制。场效应管输入电阻很高，分析时，可认为输入端开路。在实际分析中，包含场效应管的电路比包含晶体管的电路简单。2．JFET的工作原理（以N沟道器件为例）预备知识：PN结正偏，空间电荷区变窄；PN结反偏，空间电荷区变宽。N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。结型场效应管的结构，观看动画。（1）栅源间电压ＶGS对ＩD的控制（a）（b）（c）当漏源间短路，栅源间外加负向电压ＶGS时，结型场效应管中的两个PN结均处反偏状态。随着ＶGS负向增大，加在PN结上的反向偏置电压增大，则耗尽层加宽。由于N沟道掺杂浓度较低，故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽，使得沟道变窄，沟道电阻增大，如图（b）所示。当ＶGS负向增大到某一值后，结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇，沟道被完全夹断，此时漏源间的电阻将趋于无穷大，如图（c）所示。相应于此时的漏源间电压ＶGS称为夹断电压，用ＶGS(off)（或ＶP）表示。（2）漏源电压ＶDS对沟道的影响（a）（b）（c）当ＶGSＶp且为某一定值，如果在漏源间加上正向电压ＶDS，ＶDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场，该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流ＩD。由于导电沟道存在电阻，ＩD流经沟道产生压降，使得沟道中各点的电位不再相等，于是沟道中各点与栅极间的电压不再相等，也就是加在PN结两端的反向偏置电压不再相等，近源端PN结上的反向电压最小，近漏端的反向电压最大，结果使耗尽区从漏极到源极逐渐变窄，导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布，如图（a）所示。随着ＶDS的增大，ＩD增大，沟道不等宽的现象变得明显，当ＶDS增大到某一值时，近漏端的两个耗尽区相遇，这种情况称为预夹断，如图（b）所示。继续增大ＶDS，夹断点将向源极方向延伸，近漏端出现夹断区，如图（c）所示。由于栅极到夹断点A之间的反向电压ＶGA不变，恒为ＶP，因此夹断点到源极之间的电压也就恒为ＶGS-ＶP，而ＶDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上，形成较强的电场。在这种情况下，从漏极向夹断点行进的多子自由电子，一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极，形成漏极电流。一般情况下，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此ＶDS的增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，所以可近似认为ＩD是不随ＶDS而变化的恒值。3．MOSFET的工作原理（以N沟道增强型器件为例）MOS管是指由金属（Metal）、氧化物（Oxide）、半导体（Semiconductor）三种材料构成的三层器件。具体内部结构，观看动画。（1）栅源间电压ＶGS对ＩD的控制当栅源间无外加电压时，由于漏源间不存在导电沟道，所以无论在漏源间加上何种极性的电压，都不会产生漏极电流。正常工作时，栅源间必须外加电压以使导电沟道产生，导电沟道产生过程如下：①当在栅源间外加正向电压ＶGS时，外加的正向电压在栅极和衬底之间的ＳiＯ2绝缘层中产生了由栅极指向称底的电场，由于绝缘层很薄（0.1um左右），因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近ＳiＯ2一侧P型硅中的多子（空穴）受到排斥而向体内运动，从而在表面留下不能移动的负离子，形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。②随着正向电压ＶGS的增大，耗尽层也随着加宽，但对于P型半导体中的少子（电子），此时则受到电场力的吸引。当ＶGS增大到某一值时，这些电子被吸引到P型半导体表面，使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层，鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的，故将它称为反型层。反型层与漏源间的两个N型区相连，成为漏源间的导电沟道。这时，如果在漏源间加上电压，就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的ＶGS值称为开启电压，用ＶGS(on)（或ＶT）表示。显然，栅源电压ＶGS越大，作用于半导体表面的电场越强，被吸引到反型层中的电子愈多，沟道愈厚，相应的沟道电阻就愈小。（2）漏源电压ＶDS对沟道的影响ＩD流经沟道产生压降，使得栅极与沟道中各点的电位不再相等，也就是加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道产生变化，导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布。余下情况的分析与JFET类似。观看动画谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第四版．北京：高等教育出版社，１９９９Ｐ