模电笔记
绪论
模拟电路功能
基础知识回顾
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）。
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
