模电学分分析PPT课件

1、要求和目的要求和目的: : 通过本课程的学习，较全面地掌握模拟电子通过本课程的学习，较全面地掌握模拟电子电路的基本理论和概念，基本上能对一般性质的电路的基本理论和概念，基本上能对一般性质的模拟电子电路进行看图分析和设计，并为后续课模拟电子电路进行看图分析和设计，并为后续课程的学习打下基础，并在今后有关工程设计中加程的学习打下基础，并在今后有关工程设计中加以灵活应用以灵活应用 （1）抓住“四基本”基本概念、基本分析方法、基本应用、基本技能 （2）抓住“五环节”教学、习题和习题课、自学、答疑和实验五个环节第1页/共53页学习成绩学习成绩: :小测验（小测验（15%15%）期末统考（期末统考（70%

2、70%）考勤、作业（考勤、作业（15%15%）重点： 放大电路的基本原理（Ch2）、放大电路中的反馈（Ch6）、模拟信号运算电路（Ch7）对一些符号、典型公式和分析方法要理解地记忆第2页/共53页Rb+VCCRcC1C2TRL第3页/共53页等效等效三极管的三极管的微变等效电路微变等效电路ebcbecrbeic = ibib)()(26)1 (mAImVrrEbbbe 300bbr其中：第4页/共53页rbe ibibiiicuiuoRbRcRL微变等效电路微变等效电路第5页/共53页电压放大倍数的计算：电压放大倍数的计算：bebirIU LboRIU beLurRA LCLR/RR rbeR

3、bRcRLiU iI bI cI oU bI第6页/共53页_+ + RFR1R2uIuoi1iFi-i+虚地点电压放大倍数:1210uRRuuA iFu u+ +=u_ =u_ i i+ +=i_=0=i_=0虚短虚断第7页/共53页第1章 半导体器件1.1 半导体的特性半导体的特性1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 双极型三极管双极型三极管第8页/共53页1.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子1.1 半导体的特

4、性半导体的特性第9页/共53页通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。在硅和在硅和锗晶体中，锗晶体中，每个原子与每个原子与其相临的原其相临的原子之间形成子之间形成共价键共价键，共，共用一对价电用一对价电子。子。完全纯完全纯净的、结构净的、结构完整的半导完整的半导体晶体，称体晶体，称为为本征半导本征半导体体。第10页/共53页硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第11页/共53页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚

5、电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第12页/共53页1.1.2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发

6、生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体型半导体（主要载流子为电子）（主要载流子为电子）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴）（主要载流子为空穴）第13页/共53页N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个半导体原子形成共

7、价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。硅或锗硅或锗 +少量磷少量磷 N型半导型半导体体第14页/共53页N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi第15页/共53页P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，铟）

8、，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主受主原子原子。硅或锗硅或锗 +少量硼少量硼 P型半导型半导体体第16页/共53页空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且空穴被认为带一个

9、单位的正电荷，并且可以移动可以移动第17页/共53页杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体第18页/共53页1.2.1 PN 结及其单向导电结及其单向导电性性一、一、 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。1.2 半导体二极管半导体二极管第19页/共53页P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运

10、动结处载流子的运动第20页/共53页扩散的结果是使空间电荷区逐扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。第21页/共53页漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂移这所以扩散和漂移这一对相反的运动最一对相反的运动最终达到平衡，相当终达到平衡，相当于两个区之间没有于两个区之间没

11、有电荷运动，空间电电荷运动，空间电荷区的厚度固定不荷区的厚度固定不变。变。第22页/共53页二、二、 PN结的结的单向导电性单向导电性正向偏置正向偏置：PN结结加上正向电压加上正向电压, P区加区加正电压、正电压、N区加负电压。区加负电压。 PN结的结的单向导电性单向导电性是指是指PN结正向结正向偏置则偏置则PN结导通，反向偏置则结导通，反向偏置则PN结截结截止。止。反向偏置反向偏置：PN结结加上反向电压加上反向电压, P区加区加负电压、负电压、N区加正电压。区加正电压。第23页/共53页PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，

12、正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流第24页/共53页PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A级级第25页/共53页1.2.2 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结、基本结构构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极+-第26页/共53页(2)伏安特性伏安特性UI导通压降: : 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压U(BR

13、)死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小， A级）级）) 1(TUUSeII第27页/共53页判别方法判别方法: 假设二极管断开假设二极管断开,求其阳极与阴极间的电位求其阳极与阴极间的电位差差,若电位差大于死区电压若电位差大于死区电压,则二极管导通则二极管导通,其阳极其阳极阴极间的电压为其导通电压阴极间的电压为其导通电压,否则二极管截止。否则二极管截止。 若电路中有多个二极管若电路中有多个二极管,则仍假设二极管则仍假设二极管断开断开,分别求其阳极与阴极间的电位差分别求其阳极与阴极间的电位差,压差大压差大的二极管优先导通的二极管优先导通 。第28页/共

14、53页例例1：二极管：死区电压：二极管：死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 =0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流第29页/共53页例例2：试判断下图中各二极管是导通还是截止，并确：试判断下图中各二极管是导通还是截止，并确定各电路的输出电压值。设二极管导通电压定各电路的输出电压值。设二极管导通电压UD=0.7VR2VuO+-1.3VDRL10VuOD+-5V5V第30页/共53页R10VuOD2-+-9.3V15VD112VD2+-D19VR-0.7V第31页/共53页I

15、Zmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压1.2.5 稳压二极管稳压二极管第32页/共53页1.3 双极型三极管双极型三极管1.3.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型第33页/共53页BECNPN型三极管型三极管BECP

16、NP型三极管型三极管三极管符号三极管符号NPNCBEPNPCBE第34页/共53页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高三极管的特点：截止、放大、饱和导通三极管的特点：截止、放大、饱和导通三极管能放大的内因第35页/共53页发射结发射结集电结集电结BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + +

17、 + + + + + 第36页/共53页1.3.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPVBBRbVCC发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。IB第37页/共53页BECNNPVBBRbVCCIE从基区扩散从基区扩散来的电子漂来的电子漂移进入集电移进入集电结而被收集，结而被收集，形成形成IC。IC2ICIB三极管能放大的外因：要使三极管能放三极管能放大的外因：要使三极管能放大电流，必

18、须使发射结正偏，集电结反偏。大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。第38页/共53页静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 = IC / IBIC = IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB ： IB + IBIC ： IC +IC = IC / IB IC = IB一般认为：一般认为： = ，近似为一常数，近似为一常数， 值范围：值范围：20100第39页/共53页实际的电流关系实际的电流关系BCEOBCIIIICBOCEOII)1 (其中BECNNPVBBRBVCCIEICBOICIC=ICE+ICBO ICEIB第40页/共

19、53页BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管第41页/共53页1.3.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERbIBVCCVBB 实验线路实验线路(共发射极接法共发射极接法)CBERC第42页/共53页 IB 与与UBE的关系曲线（同二极管）的关系曲线（同二极管）（1）输入特性）输入特性iB( A)uBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.7V第43页/共53页（2）输出特性）输出特性(IC与与UCE的关系曲线的关系曲线)IC(mA )1234UCE(V)3691240

20、 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60 A=50第44页/共53页输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当UCE大于一定的数大于一定的数值时，值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB , 且且 IC = IB 。此区域此区域称为称为线性放大区。线性放大区。此区域中此区域中UCE UBE,集集电结正偏，电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。此区域中此区域中 : I

21、B=0 , IC=ICEO , UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区截止区 UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 第46页/共53页判别三极管的工作状态方法判别三极管的工作状态方法: 假设三极管的基极和射极间断开假设三极管的基极和射极间断开,求基极与求基极与射极间的电位差射极间的电位差,若电位差大于死区电压若电位差大于死区电压,则三则三极管导通极管导通,UBE 近似为近似为0.7V或或0.3V。否则三极管。否则三极管截止。截止。 若若I IB BIIIBSBS，则三极管处于饱和导通状态。，则三极管处于饱和导通状态。此时，集电极电位必定处于基极和射极之间。此时，

22、集电极电位必定处于基极和射极之间。 U UCESCES 0.3V0.3V或或0.1V0.1V。 I IBSBS为三极管临界饱和时的电流，三极管为三极管临界饱和时的电流，三极管临界饱和状态定义为临界饱和状态定义为U UCECE=U=UBE BE 第47页/共53页例例3： =50， VCC =12V， Rb=70k ， Rc =6k 当当VBB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？VBB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止区位于截止区 VBB =2V， IB= (VBB -UBE)/ Rb =(2-0.7)/70=0.019 mA IBS