《模拟电子技术基础》

1、编辑ppt模拟电子技术基础模拟电子技术基础主讲主讲 ：xxxxxx第一讲第一讲编辑ppt绪绪 论论1.1.电子技术的现状与发展趋势电子技术的现状与发展趋势2.电子技术的应用范围3.3.本课程与其它专业课的关系本课程与其它专业课的关系4.4.电子技术基础学习特点电子技术基础学习特点编辑ppt参考书：模拟电子技术基础模拟电子技术基础（第四版）：（第四版）： 清华大学童诗白、华成英主编清华大学童诗白、华成英主编2. 电子技术基础电子技术基础（模拟部分第四版）：（模拟部分第四版）： 华中理工大学康华光主编华中理工大学康华光主编编辑ppt1.1 半导体的基本知识1.2 PN结1.3 半导体二极管第一章第

2、一章 晶体二极管晶体二极管编辑ppt1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 本征半导体及其导电性1.1.2 杂质半导体1.1.3 半导体的温度特性 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半。典型的半导体有硅导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。编辑ppt1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 本征半导体本征半导体化学成分纯净化学成分纯净的半导体晶体。的半导体晶体

3、。 制造半导体器件的半导体材料制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到的纯度要达到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶。它在物理结构上呈单晶体形态。体形态。编辑ppt (1）本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的

4、立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图01.01。 图图01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意共价键结构平面示意图图(c)编辑ppt （2）电子空穴对）电子空穴对 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以能量增高，有的价电子可以挣脱挣脱原子核的束缚，原子核的束缚，而参与导电，成为而参与导电，成为自由电子自由电子。 自由电子产生

5、的同时，在其原来的共价键中自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 这一现象称为这一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发。编辑ppt 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图可能回到空穴中去，

6、称为复合，如图01.02所示。所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 图图01.02 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程（动画动画1-1）编辑ppt (3) (3) 空穴的移动空穴的移动 自由电子的定向运动形自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力的，因此，空穴的导电能力不如自由电子不如自由电子（见

7、图（见图01.0301.03的的动画演示）动画演示）。（动画1-2）图图01.03 空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动编辑ppt1.1.2 杂质半导体(1) (1) N型半导体型半导体(2) (2) P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。编辑ppt (1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂

8、质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供；杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由电子脱离而

9、脱离而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子，因此，五价杂质原子也被称为，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。施主杂质。N型半导体的结构示意图如图型半导体的结构示意图如图01.04所示。所示。 图01.04 N型半导体结构示意图编辑ppt(2) P型半导体型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成铟等形成 P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中型半导体中空穴

10、是多数载流子，空穴是多数载流子，主要由掺杂形主要由掺杂形成；成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示型半导体的结构示意图如图意图如图01.05所示。所示。图01.05 P型半导体的结构示意图 图01.05 P型半导体的结构示意图编辑ppt1.1.3 1.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影

11、响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3编辑ppt杂质半导体简化模型杂质半导体简化模型编辑ppt1.2 PN结结1.2.1 PN结的形成1.2.2 PN结的单向导电性1.2.3 PN结的电容效应编辑ppt1.2.1 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本

12、征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半导体和导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区形成空间电荷区 空间电荷区空间电荷区形成形成 内电场内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散编辑ppt 最后多子最后多子扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对。对于于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的型半导体结合

13、面，离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为 P N 结结 , 在空间在空间电荷区，由于缺电荷区，由于缺少多子，所以也少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 图图01.06 PN结的形成过程结的形成过程 （动画动画1-3） PN 结形成结形成的 过 程 可 参 阅的 过 程 可 参 阅图图01.06。编辑ppt1.2.2 PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于 N 区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压，正向电压，简称简称正偏；正偏； PN结具有单向导电性，结具有单向导电性，若外加电压使电流若外加电压使电流从从 P 区流到区流到 N 区，区，

14、PN结呈低阻性，所以电流结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。大；反之是高阻性，电流小。 P 区的电位低于区的电位低于 N 区的电位，称为加区的电位，称为加反向电反向电压，压，简称简称反偏。反偏。 编辑ppt (1) PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部外加的正向电压有一部分降落在分降落在 PN 结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的移电流，可忽略漂

15、移电流的影响影响, , PN 结呈现低阻性结呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图01.07 （动画动画1-4）图01.07 PN结加正向电压时的导电情况编辑ppt (2) PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结结区的少子在内电场的作用区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩下

16、形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很，由于漂移电流本身就很小，小，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定温度条件下，在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 PN结加反向电压时的导电情况如图结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。所示。图图 01.08 PN 结加反向电压时的结加反向电压时的导电情况导电情况编辑ppt P

17、N结外加正向电压结外加正向电压时，呈现低电阻，具有时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的现高电阻，具有很小的反向漂移电流。反向漂移电流。由此可由此可以得出结论：以得出结论：PN结具有结具有单向导电性。单向导电性。 （动画动画1-5）图图 01.08 PN结加反向电压结加反向电压时的导电情况时的导电情况 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）有关。温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 。 （a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.

18、温度）有关。温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 。 （a. 减少、减少、b. 不变、不变、c. 增多）增多）abc 4. 在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P 型半导体中的型半导体中的电流主要是电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要型半导体中的电流主要是是 。 （a. 电子电流、电子电流、b.空穴电流）空穴电流） ba思考题：思考题：编辑ppt1.2.3 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。面的因素决定。 一是势垒电容一是势垒电容CB 二是扩散电容二是扩散电容CD编辑ppt (1) 势垒电容势垒

19、电容CB 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。图 01.09 势垒电容示意图编辑ppt 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面结的另一侧面积累而形成的。因积累而形成的。因 PN 结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到 P 区区的电子，

20、与外电源提供的空穴相复合，形成正向的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电电流流。刚扩散过来的电子就堆积在。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2) 扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。所示。编辑ppt 图图 01.10 01.10 扩散电容示意图扩散电容示意图 当外加正向电压不同当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电时

21、，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。均是非线性电容。编辑ppt半导体元件及其特性半导体元件及其特性编辑ppt1-1 半导体二极管半导体二极管1PN结的结的形成形成 在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要依靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而

22、自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。PN结的形成与特性结的形成与特性编辑ppt 当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P 区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散, 如图 1.1.1(a)所示。由于扩散运动， 在P 区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。 在结的区一侧带负电，区一侧带正电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用， 电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区。 编辑

23、ppt编辑ppt2.PN结的特性结的特性 1）正向导通 给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置。 这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。 外加电场越强，正向电流越大， 这意味着PN结的正向电阻变小。 编辑ppt正向导通反向截止编辑ppt 2）反向截止 给PN结加反向电压，称PN结反向偏置，如图所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强, PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结

24、反向电阻很大。编辑ppt 综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流IR很小，是少数载流子运动形成的。编辑ppt 接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。 二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型； 按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。 二极管的结构和类型二极管的结构和类型编辑ppt编辑ppt1 二极管伏安特性二极管伏安特性 理论分析指出， 半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为 I=IS( -1) 此式称为理想二极

25、管电流方程。式中，IS称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT26 mV。实际的二极管伏安特性曲线如图所示。图中，实线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。TUUe二极管的特性及参数二极管的特性及参数编辑ppt编辑ppt 1） 正向特性 当二极管承受正向电压小于某一数值时， 还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电压约为0.2V。 当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大

26、，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。 编辑ppt 2） 反向特性 当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致， 只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。 当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。 编辑ppt2 二极管的主要参数二极管的主要参数 二极

27、管参数是反映二极管性能质量的指标。必须根据二极管的参数来合理选用二极管。二极管的主要参数有4项。 1）最大整流电流IFM IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。 编辑ppt 2）最高反向工作电压URM URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常为反向击穿电压的1/22/3，以确保二极管安全工作。 3）最大反向电流IRM IRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。 当温度升高时，IRM显著增大。编辑ppt4）最

28、高工作频率fM fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小， 工作频率越高。 编辑ppt 二极管是电子电路中最常用的半导体器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来进行整流、检波、 钳位、 限幅、 开关以及元件保护等各项工作。 1 整流整流 所谓整流, 就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路。 2 钳位钳位 利用二极管正向导通时压降很小的特性， 可组成钳位电路。 半导体二极管的应用半导体二极管的应用编辑ppt 若A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小，

29、 故F点的电位也被钳制在0V左右， 即UF0。编辑ppt3 限幅限幅 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性， 可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。编辑ppt编辑ppt 设输入电压ui=10sint(V), Us1=Us2=5V。 当-Us2uiUs1时，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。 当uiICM时，可导致三极管损坏。 反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时， 集电极、 发射极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）CEO，当UCEU（BR）CEO时，三极管的IC、IE剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取 CEOBRCEUU)()3

30、221(编辑ppt编辑ppt 复合三极管是把两个三极管的管脚适当的连接起来使之等效为一个三极管， 典型结构如图所示。 ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2 =1ib1+2(1+1) ib1 1ib1 + 21 ib1 = 1ib1 （1+ 2 ） 12 i b1 复合三极管复合三极管编辑ppt编辑ppt 即 = 说明复合管的电流放大系数近似等于两个管子电流放大系数的乘积。同时有 ICEO=ICEO2+ 2ICEO1表明复合管具有穿透电流大的缺点。 1bcii编辑ppt第二章第二章 基本放大电路基本放大电路2.1 概述概述2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理2.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定编辑ppt设置设置Q点的原因点的原因前一节知识的回顾前一节知识的回顾Q点设置的合理性点设置的合理性晶体管工作在放大区晶体管工作在放大区晶体管实现线性放大晶体管实现线性放大编辑ppt基本共射放大电路的基本共射放大电路的Q点分析点分析静态静态Q点通过晶体管的动态电阻点通过晶体管的动态电阻rb