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戴维南等效电路

戴维南诺顿电路转换公式

$$ R_{Th} = R_{No}\\ V_{Th} = I_{No}R_{No}\\ \frac{V_{Th}}{R_{Th}} = I_{No} $$

第一章 常用半导体器件

本征半导体

杂质半导体

N型半导体

掺入了五价元素，如磷，使之取代硅原子的位置。自由电子数量大于空穴，主要靠自由电子导电，被称为施主原子

P型半导体

掺入了三价元素，如硼，使之取代硅原子的位置。从而空穴数量大于自由电子，主要靠空穴导电，被称为受主原子

PN结

扩散运动使得交界面附近多子的浓度下降，从而P区出现负离子区，N区出现正离子区，是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成电场。

PN结外加正向电压时处于导通状态（正向接法/正向偏置），同理，外加反向电压，处于截至状态（反向接法/反向偏置），此时的反向电流称为漂移电流

PN结电流方程

$$ i = I_s(e^{\frac{qu}{kT}}-1) $$

二极管

1. 二极管定义

由PN结加上管壳封装以及电极引线制成

符号：

• 阳极（PN结P区）
• 阴极（PN结N区）

单向导电性：

• 正向导通

• 反向截止

2.二极管伏安特性曲线

• $U_(BR)$：反向击穿电压
• $I_S$：反向饱和电流

• $U_on$：开启电压

特性说明：

• 正向特性：当电压超过开启电压 $U_on$ 后，电流迅速增加。
• 反向特性：在反向电压下，电流很小，接近于反向饱和电流 $I_S$。
• 死区：在开启电压之前，几乎没有电流通过。
• 击穿：当反向电压达到 $U_BR$ 时，发生击穿。

二极管正向导通后，导通电压基本不变：

材料	导通电压
硅 (Si)	0.7V
锗 (Ge)	0.2V

3. 理想二极管

• 正偏时：结电阻为0
• 反偏时：结电阻为无穷大

4. 温度对二极管伏安特性曲线的影响

• 温度升高：

  • 正向特性曲线左移 → $U_on$ 减小（开启电压减小）
  • 反向特性曲线下移 → $I_S$ 增大（反向饱和电流增大）

5. 二极管的击穿分类：齐纳击穿、雪崩击穿

稳压二极管

1. 稳压二极管符号

• 阴极和阳极标识与普通二极管类似，但专用于工作在反向击穿区。

2. 稳压二极管伏安特性曲线

稳压二极管正常工作于反向击穿区，其核心参数包括：

• 稳定电压：$U_Z$
• 最小稳定电流：$I_{Z\text{min}}$

• 最大稳定电流：$I_{Z\text{max}}$

工作状态判断：

• 当 $I_Z < I_{Z\text{min}}$ 时，稳压管未击穿，处于反向截止状态，端电压 $< U_Z$；
• 当 $I_{Z\text{min}} \leq I_Z \leq I_{Z\text{max}}$ 时，稳压管工作在击穿区，端电压 $\approx U_Z$；
• 当 $I_Z > I_{Z\text{max}}$ 时，可能因功耗过大而损坏。

特点：在击穿区内，即使电流变化较大，电压变化 $\Delta U_Z$ 极小，可视为恒压源。

三极管

三极管是一种重要的半导体器件，用于放大和开关电子信号。

1. 基本结构

三极管由三个部分组成：

• 发射极 (Emitter, $e$)
• 基极 (Base, $b$)
• 集电极 (Collector, $c$)

以及两个PN结：

• 发射结（发射极与基极之间的PN结）
• 集电结（集电极与基极之间的PN结）

2. 类型

三极管主要分为两种类型：

• NPN型
• PNP型

在电路图中，NPN型三极管的发射极箭头指向外部，而PNP型三极管的发射极箭头则指向内部。这意味着电流的方向对于NPN是从集电极流向发射极，而对于PNP则是从发射极流向集电极。

3. 三极管的三种工作状态：放大、饱和、截止

三极管可以在以下三种状态下工作：

• 截止区：当发射结反偏时，三极管处于关闭状态。
• 放大区：当发射结正偏且集电结反偏时，三极管可以放大电流。
• 饱和区：当发射结和集电结都正偏时，三极管处于导通状态，但无法有效放大信号。

例如，在放大电路中，为了使三极管工作于放大区，需要确保发射极电流 $I_e$、基极电流 $I_b$ 和集电极电流 $I_c$ 满足特定条件。

三极管的工作状态由发射结和集电结的偏置条件决定，具体如下：

工作状态	发射结	集电结
放大状态	正偏	反偏
饱和状态	正偏	正偏
截止状态	反偏	反偏

电压条件：

• 放大区：$u_{BE} > U_{on}$ 且 $u_{CE} \geq u_{BE}$
• 饱和区：$u_{BE} > U_{on}$ 且 $u_{CE} < u_{BE}$
• 截止区：$u_{BE} \leq U_{on}$ 且 $u_{CE} > u_{BE}$

其中，$U_{on}$ 为开启电压（硅管约为 0.7V，锗管约为 0.2V）。

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4. 三极管特性曲线

输出特性曲线（$i_C$ vs $u_{CE}$）：

• 横轴：集电极-发射极电压 $u_{CE}$
• 纵轴：集电极电流 $i_C$
• 曲线族由基极电流 $i_B$ 控制（如 $i_{B1}, i_{B2}, i_{B3}, i_{B4}, i_{B5}$）

区域划分：

• 截止区：$i_B = 0$，$i_C \approx 0$，三极管关闭。
• 放大区：$i_C \propto i_B$，具有电流放大作用，$i_C = \beta i_B$。
• 饱和区：$u_{CE}$ 很小（通常小于 $u_{BE}$），$i_C$ 不再随 $i_B$ 增加而显著增大。

5. 三极管工作在放大状态时的电流关系及方向

在放大区，三极管的电流满足以下关系：

$$ \begin{cases} I_C = \beta I_B \\ I_E = I_C + I_B = (1 + \beta) I_B \end{cases} $$

NPN型：

• $I_B$：流入基极（b）
• $I_C$：流出集电极（c）

• $I_E$：流出发射极（e）

电流方向规律：

• $I_E$ 与发射极箭头方向相同（向外）
• $I_B$ 和 $I_C$ 与 $I_E$ 方向相反

PNP型：

• $I_B$：流出基极（b）
• $I_C$：流入集电极（c）

• $I_E$：流入发射极（e）

电流方向规律：

• $I_E$ 与发射极箭头方向相同（向内）
• $I_B$ 和 $I_C$ 与 $I_E$ 方向相反

✅ 总结：

• NPN：$I_E$ 流出，$I_B$、$I_C$ 流入
• PNP：$I_E$ 流入，$I_B$、$I_C$ 流出

6. 三极管工作在放大状态时三个电极对地电压的大小关系

$$ \begin{cases} \text{NPN型：} & U_C > U_B > U_E \\ \text{PNP型：} & U_C < U_B < U_E \end{cases} $$

NPN型：

• 集电极电位最高（$U_C$）
• 基极电位居中（$U_B$）
• 发射极电位最低（$U_E$）

PNP型：

• 集电极电位最低（$U_C$）
• 基极电位居中（$U_B$）

• 发射极电位最高（$U_E$）

📌 记忆口诀：

• NPN：C > B > E
• PNP：C < B < E

7. 温度对三极管的影响

当温度升高时，三极管的参数会发生如下变化：

• 集电结反向饱和电流 $I_{CBO}$ 增大
• 电流放大系数 $\beta$ 增大
• 发射结压降 $U_{BE}$ 减小
• 输入特性曲线左移
• 输出特性曲线整体下移，且各曲线之间的间隔增大

✅ 总结：温度上升会导致三极管性能漂移，影响电路稳定性。

8. 反向饱和电流与稳定性

• 反向饱和电流越小，三极管的温度稳定性越好
• 尤其是 $I_{CBO}$ 的大小直接影响温度漂移程度

9. 硅与锗三极管的温度稳定性比较

• 硅三极管的温度稳定性优于锗三极管
• 原因：硅材料的反向饱和电流随温度变化较小，更适合在宽温范围内使用

10. 三极管与场效应管的控制方式对比

类型	控制方式	放大关系	控制机制
三极管	电流控制型元件	$i_C = \beta i_B$	基极电流 $i_B$ 控制集电极电流 $i_C$
场效应管	电压控制型元件	$i_D = f(u_{GS})$	栅源电压 $u_{GS}$ 控制漏极电流 $i_D$

参数意义：

• 三极管参数 $\beta$：反映基极电流对集电极电流的控制能力（电流放大倍数）
• 场效应管参数 $g_m$：反映栅-源电压对漏极电流的控制能力（跨导）

📌 对比总结：

• 三极管是“以小电流控制大电流”
• 场效应管是“以小电压控制大电流”

场效应管

1. 场效应管类型：场效应管（FET）

场效应管（Field-Effect Transistor, FET）根据结构和工作原理可分为两大类：

（1）结型场效应管（JFET）

• N沟道结型
• P沟道结型

（2）绝缘栅型场效应管（MOSFET），又称 MOS 管

• 耗尽型

  • N沟道耗尽型
  • P沟道耗尽型

• 增强型

  • N沟道增强型
  • P沟道增强型

电路符号说明

类型	符号	符号特征
N沟道结型		沟道箭头朝外，表示电子从源极流向漏极
P沟道结型		沟道箭头朝内，表示空穴从源极流向漏极
N沟道耗尽型		有初始导电沟道，栅极与衬底间有箭头指向衬底（B）
P沟道耗尽型		有初始导电沟道，栅极与衬底间箭头指向栅极（g）
N沟道增强型		无初始沟道，需加正电压形成沟道，栅极与衬底间无箭头
P沟道增强型		无初始沟道，需加负电压形成沟道，栅极与衬底间无箭头

✅ 记忆口诀：

• 结型：有箭头，箭头方向决定沟道类型（N外P内）
• 耗尽型：有沟道，有箭头
• 增强型：无沟道，无箭头

2. 场效应管的三个电极

场效应管的三个电极分别是：

• 栅极（g）
• 漏极（d）
• 源极（s）

漏极 $d$ 和源极 $s$ 之间的非耗尽层区域称为 导电沟道，是电流流通的主要通道。

3. 场效应管的 $U_{GS(th)}$ 或 $U_{GS(off)}$ 正负情况

不同类型的场效应管，其开启电压（阈值电压）$U_{GS(th)}$ 或夹断电压 $U_{GS(off)}$ 的正负取决于沟道类型和结构：

类型	$U_{GS(th)}$ 或 $U_{GS(off)}$ 符号
结型 (JFET)
- N沟道结型	负值（需加负偏压以夹断）
- P沟道结型	正值（需加正偏压以夹断）
绝缘栅型 (MOSFET)
- N沟道耗尽型	负值（可零偏压导通）
- P沟道耗尽型	正值（可零偏压导通）
- N沟道增强型	正值（需正电压开启）
- P沟道增强型	负值（需负电压开启）

✅ 总结：

• 增强型：需要一定电压才能形成沟道 → 阈值电压同极性（N+、P−）
• 耗尽型：默认有沟道，反向电压可关闭 → 阈值电压反极性（N−、P+）

4. 场效应管的工作区域

场效应管在不同偏置条件下可分为三个工作区：

• 可变电阻区（也称线性区）

  • 沟道宽度随 $u_{DS}$ 变化，等效为一个可变电阻

• 恒流区（也称饱和区或放大区）

  • $i_D$ 基本不随 $u_{DS}$ 变化，主要由 $u_{GS}$ 控制，用于放大

• 夹断区（截止区）

  • 沟道完全夹断，电流几乎为零，相当于开关断开

📌 工作状态判断依据：

• 若 $u_{GS} < U_{GS(th)}$ → 处于夹断区（截止）
• 若 $u_{DS} < u_{GS} - U_{GS(th)}$ → 可变电阻区
• 若 $u_{DS} \geq u_{GS} - U_{GS(th)}$ → 恒流区