模电A1-2章_zzj

1、张智娟张智娟 课课 程程 简简 介介l课程目的：课程目的： 掌握电子技术领域中的基本理论、基本电路、基本分析掌握电子技术领域中的基本理论、基本电路、基本分析方法和基本实验技能；方法和基本实验技能； 具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力，具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力，为下一步的学习以及今后从事的专业工作打下必要的基础。为下一步的学习以及今后从事的专业工作打下必要的基础。 l 教学内容：教学内容： 常用半导体器件原理；基本放大电路；功率放大电路；常用半导体器件原理；基本放大电路；功率放大电路；模拟集成电路；反馈放大电路；信号运算、处理、产生电模拟集成电路；反馈放大电路；

2、信号运算、处理、产生电路；直流稳压电源电路。路；直流稳压电源电路。 l 考核方式：考核方式： 原则上期末考试占原则上期末考试占7070，平时成绩占，平时成绩占3030，考试改革，考试改革时可适当调整。时可适当调整。 ?1.1 信号及分类信号及分类1.3 如何学习模拟电子技术基础如何学习模拟电子技术基础1.2 模拟电路与数字电路模拟电路与数字电路微音器输出的某一段信号的波形微音器输出的某一段信号的波形 1.1 信号及分类信号及分类 播音员播音时，微音器（话筒）将声转换为电信号播音员播音时，微音器（话筒）将声转换为电信号（如图），然后经过电子系统中的放大、滤波等电路，去（如图），然后经过电子系统中

3、的放大、滤波等电路，去驱动扬声器，从而复制播音员的声音，听众收听。驱动扬声器，从而复制播音员的声音，听众收听。电信号电信号都是时间的函数，称为模拟信号都是时间的函数，称为模拟信号. .1.1.1 1.1.1 信号：信号： 信息的载体。通常信息需要通过某些物理量信息的载体。通常信息需要通过某些物理量的变化来表示和传递。的变化来表示和传递。电信号和非电信号；确定信号和电信号和非电信号；确定信号和非确定信号。非确定信号。1.1.2 1.1.2 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号模拟信号：在时间和数：在时间和数值上均具有连续性。值上均具有连续性。数字信号数字信号：指在时间上：指在时间上和幅值

4、上均离散的信号。和幅值上均离散的信号。模拟信号波形模拟信号波形数字信号波形数字信号波形1.2.1 1.2.1 模拟电路模拟电路 1.2 模拟电路与数字电路模拟电路与数字电路处理模拟信号的电子电路称为处理模拟信号的电子电路称为模拟模拟电路。电路。常见的模拟电路：常见的模拟电路： 放大电路放大电路 、滤波电路、运算电路、信号变换电路、信号、滤波电路、运算电路、信号变换电路、信号发生电路、直流电源电路等。发生电路、直流电源电路等。1.2.2 1.2.2 数字电路数字电路处理数字信号的电子电路称为处理数字信号的电子电路称为数字数字电路。电路。常见的数字电路：常见的数字电路： 门电路、组合逻辑电路、触发

5、器、时序逻辑电路、半导门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、可编程逻辑器件、模数与数模转换电路等。体存储器、可编程逻辑器件、模数与数模转换电路等。1.3.1课程的特点课程的特点一、工程性一、工程性 1、分析计算采用、分析计算采用“工程估算工程估算”方法方法. 1.3 如何学习模拟电子技术基础如何学习模拟电子技术基础 2、更加强调定性分析、更加强调定性分析.二、实践性二、实践性1.3.2如何学好该课程如何学好该课程一、一、重点掌握重点掌握“基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念、基本电路和基本分析方法”.二、灵活运用电路理论的基本定理、定律二、灵活运用电路理论的基本定理、定

6、律.三、学会用全面、辩证的观点分析模拟电子电路三、学会用全面、辩证的观点分析模拟电子电路.五、至少学会一种电子电路仿真与设计软件五、至少学会一种电子电路仿真与设计软件。四、勤于实践并善于实践四、勤于实践并善于实践。2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2.3 半导体二极管半导体二极管2.2 PN结的形成及其结的形成及其单向导电性单向导电性2.4 稳压二极管稳压二极管2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管2.1 2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2.1.1 半导体材料及其导电特性半导体材料及其导电特性1. 1. 从导电性能上看，通常可将物质分为从导电性能上看，通常可将物质分为3 3类：

7、类：2. 2. 半导体的导电特性：半导体的导电特性：导导 体体 如：金、银、铜、铝绝缘体绝缘体 如：云母、陶瓷半导体半导体 介于导体与绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性掺杂特性掺杂特性3.3.根据半导体中是否掺入杂质根据半导体中是否掺入杂质元素可分为元素可分为: :杂质半导体杂质半导体本征半导体本征半导体N型半导体型半导体P型半导体型半导体2.1.2 本征半导体本征半导体l本征半导体：本征半导体：完全纯净的，具有晶体结构的半导体称为本征半完全纯净的，具有晶体结构的半导体称为本征半导体导体.（用的最多的是锗和硅）l原子结构图原子结构图SiGe14 32 4 4 价价电

8、电子子 Si(14)和和Ge(32)的最外的最外层轨道上都有层轨道上都有4个电子，个电子，由于外层电子受原子核由于外层电子受原子核的束缚力最弱，称为的束缚力最弱，称为价价电子电子。价电子价电子原子核原子核l晶体结构（共价键结构）晶体结构（共价键结构）共价键共价键 每相邻两个每相邻两个原子都共用原子都共用一对价电子。一对价电子。形成形成共价键共价键结构。结构。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 绝对温度（绝对温度（-273）T=0K时，时， 共价键结构非常稳定，所有的价电子都共价键结构非常稳定，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，这时半导体不能

9、导电，相当于绝缘体被共价键紧紧束缚在共价键中，这时半导体不能导电，相当于绝缘体。 44 4 4共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。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。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。l本征激发本征激发温度升高或受到光的照射时：温度升高或受到光的照射时：u价电子挣脱原子核的束缚，成为价电子挣脱原子核的束缚，成为自由电子自由电子。u 原来的共价键中就出现了一个空位，称为原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴空穴。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与

10、本征激发相反的现象与本征激发相反的现象复合复合温度一定时：温度一定时：自由电子数自由电子数=空穴数空穴数注意：注意：1.由于自由电子和空穴总是成对出现，整个半导体对外仍处于由于自由电子和空穴总是成对出现，整个半导体对外仍处于中性。中性。 2.温度越高，载流子数目越多，导电性能越好。所以温度越高，载流子数目越多，导电性能越好。所以温度对半温度对半导体器件性能影响很大。导体器件性能影响很大。 本本 征征 激激 发发 演演 示示l导电过程导电过程在外电场的作用下半导体是靠在外电场的作用下半导体是靠自由电子自由电子和和空穴空穴的移动来导电的。的移动来导电的。（1）自由电子定向移动形成电流。）自由电子定

11、向移动形成电流。（2）空穴定向移动形成电流。）空穴定向移动形成电流。 在外电场作用下，电子、电子、空穴空穴运动方向相反运动方向相反，对电流的贡献是迭加迭加的。载流子：运载电荷的粒子。载流子：运载电荷的粒子。自由电子自由电子载流子：带单位负电载流子：带单位负电空穴空穴载流子载流子 ：带单位正电：带单位正电本征半导体内有两种载流子。本征半导体内有两种载流子。 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子带负电的自由电子和带正电带负电的自由电子和带正电的空穴，的空穴， 它们均参与导电。这是它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电半导体导电区别与导体导电的一个重要特点的一个重要特点。1. N1

12、. N型半导体型半导体( (电子型电子型):):在本征半导体中掺入五价杂质元素（如磷），在本征半导体中掺入五价杂质元素（如磷），形成形成 N型半导体。型半导体。 N N型半导体型半导体因为自由电子数目的大因为自由电子数目的大量增加而提高导电性能。量增加而提高导电性能。44445多多余余电电子子磷原子，磷原子，施主原子施主原子2.1.3 杂质半导体杂质半导体 根据掺入杂质种类的不同，可以分为两大类：N型半导体型半导体和P型半导体型半导体。 N型半导体中：型半导体中：多数载流子（多数载流子（多子多子）为）为自由电子自由电子,主要由掺杂原子提供。主要由掺杂原子提供。少数载流子（少数载流子（少子少子）

13、为）为空穴空穴 ，由热激发形成。由热激发形成。2. P2. P型半导体型半导体( (空穴型空穴型) ) 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价三价杂质元素（如杂质元素（如硼），形成硼），形成 P型半导体。型半导体。 P P型半导体：型半导体：以空穴导电作为主要导以空穴导电作为主要导电方式，又称电方式，又称空穴空穴型半导体。型半导体。 注意：注意：无论无论P型、型、N型半导体，整体仍然是型半导体，整体仍然是电中性，不带电的。电中性，不带电的。 444 43硼原子硼原子,受受主原子主原子空穴空穴P型半导体中：型半导体中：多数载流子（多数载流子（多子多子）为）为空穴空穴,主要由掺杂原子提供。主要由

14、掺杂原子提供。少数载流子（少数载流子（少子少子）为）为自由电子自由电子 ，由热激发形成。，由热激发形成。N型半导体型半导体P型半导体型半导体+杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图多子多子电子电子少子少子空穴空穴多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关，与掺杂无关与温度有关，与掺杂无关多子浓度多子浓度与温度无关，与掺杂有关与温度无关，与掺杂有关在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法.2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性2.2.1 PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在

15、一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成P型半型半导体导体和和N型半导体型半导体。 P型半导体和型半导体和N型半导体的交界面形成一型半导体的交界面形成一个特殊的薄层，个特殊的薄层，称为称为PN结，又称耗尽层、空间电荷区。结，又称耗尽层、空间电荷区。NP+-NP+-PN结结 1. PN 1. PN结形成的物理过程结形成的物理过程交界面两侧载流子存在浓度差交界面两侧载流子存在浓度差空穴和电子在交界面产生复合空穴和电子在交界面产生复合多子浓度骤然下降多子浓度骤然下降,留下不能移动带电离子，留下不能移动带电离子，形成空间电荷区形成空间电荷区, 耗尽层、耗尽层、 PN结结多子的扩散运动多

16、子的扩散运动N区的电子（区的电子（多子）向多子）向P区区扩散扩散P区的区的空穴（空穴（多子）多子） N区区PN结内：结内： N区失去电子区失去电子显显正正电性电性P区得到电子区得到电子显显负负电性电性 在空间电荷区内形成了在空间电荷区内形成了N区区 P区的区的电场，称为电场，称为内电场。内电场。空间电荷区（PN结）结）PN耗尽层Uho内电场 扩散的结果扩散的结果使空间电荷区使空间电荷区变宽。变宽。2 PN2 PN结内存在两种载流子的运动结内存在两种载流子的运动空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动促进少子漂移运动阻止多子扩散运动阻止多子扩散运动形成形成PN结结，宽度相，宽度相

17、对稳定。对稳定。少子的漂移运动：少子的漂移运动：N区的空穴区的空穴 P区区P区的区的电子电子 N区区空间电荷区空间电荷区变窄变窄空间电荷区空间电荷区加宽加宽多子的扩散运动：多子的扩散运动：N区的电子区的电子 P区区P区的区的空穴空穴 N区区扩散和漂移达扩散和漂移达到到动态平衡动态平衡PNPN结的形成过程动画演示结的形成过程动画演示NP+-E多子的扩散运动浓度差少子的漂移运动2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1 PN1 PN结加正向电压（正偏）：结加正向电压（正偏）： P区接正电源，区接正电源，N区接负。区接负。 外电场与内电场方向外电场与内电场方向相反相反外电场外电场削弱削弱内电场

18、内电场耗尽层耗尽层变窄变窄破坏破坏PN结动态平衡结动态平衡扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子扩散形成较大多子扩散形成较大的的正向电流正向电流PNPN结结正向偏置时正向偏置时，呈现低阻特性，此时呈现低阻特性，此时称称PN结导通结导通。NP+-RVViRNP+-+_ 2 PN2 PN结加反向电压（反偏）结加反向电压（反偏）： P区接负电源，区接负电源，N区接正。区接正。 外电场与内电场方向外电场与内电场方向相同相同外电场外电场加强加强内电场内电场耗尽层耗尽层变宽变宽破坏破坏PN结动态平衡结动态平衡漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成极小的电流少子漂移形成极小的电流PNPN结反向偏置时，呈

19、现高阻特性，此时称结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称PNPN结结截止截止。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，现低电阻， PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，现高电阻， PN结截止。结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结结 论论PNPN结单向导电性演示结单向导电性演示2.2.3 PN结的伏安特性结的伏安特性0uDiD反向击穿（反向击穿（雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿）正偏正偏反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流IS反向击穿电压反向击穿电

20、压UBRIR（少子漂移）（少子漂移）IF（多子扩散）（多子扩散）电击穿电击穿热击穿热击穿雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿反向击穿反向击穿其中：其中：D/DS(e1)TUiIuI IS S 反向饱和电流反向饱和电流U UT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）0.026VTkTUq26 m V1.PN1.PN结的电流方程结的电流方程2. PN2. PN结的伏结的伏- -安特性曲线安特性曲线2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应1. 1. 势垒电容势垒电容C Cb b由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效的电容称为由空间电荷区的宽度随外加电压变化所

21、等效的电容称为势垒电容。势垒电容。2. 2. 扩散电容扩散电容C Cd d非平衡少子的浓度随外非平衡少子的浓度随外加正向电压的变化所等效的加正向电压的变化所等效的电容效应电容效应称为称为扩散电容扩散电容。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL电容效应在电容效应在高频交流信号高频交流信号作用下才会明显表现出来！作用下才会明显表现出来！ 极间电容（结电容）极间电容（结电容）CdCjCbCd3. 3. 极间电容极间电容C Cj j2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管将将PN结上加入相应的电极引线和管壳，就成为二极管。结上加入相应的

22、电极引线和管壳，就成为二极管。2.3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构点接触型二极管点接触型二极管1. 1. 常见的三种基本结构常见的三种基本结构 面接触型二极管面接触型二极管 硅平面型二极管硅平面型二极管N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝PN结面积小，结面积小，结电容小，用于结电容小，用于检波和变频等高检波和变频等高频电路。频电路。负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座PN结面积大，结面积大，用于工频大电流用于工频大电流整流电路。整流电路。SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅用于集成电路制造工用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可结面积

23、可大可小，用于高频整大可小，用于高频整流和开关电路中。流和开关电路中。2. 2. 二极管的表示符号：二极管的表示符号：PN曾用符号：3. 3. 二极管常见外形图二极管常见外形图D阳极阴极反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性VIPN+PN+ 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性伏安特性：描绘二极管两端电流与端电压之间的关系或曲线。伏安特性：描绘二极管两端电流与端电压之间的关系或曲线。锗锗说明：说明：1. 二极管与二极管与PN结伏安特性的区别结伏安特性的区别二者均具有单向导电性，但由于二极管存在半导体体电阻二者均具有单向导电性，但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，正向偏置

24、在电流相同的情况下，二极管端电压大和引线电阻，正向偏置在电流相同的情况下，二极管端电压大于于PNPN结的端电压，或者说在相同正向偏置下，二极管电流小于结的端电压，或者说在相同正向偏置下，二极管电流小于PNPN结电流；另外，二极管表面存在漏电流，其反相电流增大。结电流；另外，二极管表面存在漏电流，其反相电流增大。2. 2. 温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响二极管的特性对温度很敏二极管的特性对温度很敏感，环境温度升高时，二极管感，环境温度升高时，二极管正向特性曲线左移，反向特性正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。曲线下移。2.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. 1.

25、最大整流电流最大整流电流IF二极管允许通过的最大正向平均电流。二极管允许通过的最大正向平均电流。2. 2. 最大反向工作电压最大反向工作电压URM二极管安全工作时所能承受的最大反向电压二极管安全工作时所能承受的最大反向电压，为反向击穿电压，为反向击穿电压 U U(BR) (BR) 的的1/21/2。3. 3. 反向电流反向电流IR (越小单向导电性越好越小单向导电性越好)二极管未击穿时的反向电流。二极管未击穿时的反向电流。 4.4. 最高工作频率最高工作频率fM二极管工作的上限频率二极管工作的上限频率。 2.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路1. 1. 理想模型理想模型 将指数模型将指数

26、模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。分段线性化，得到二极管特性的等效模型。DDS(e1)TViIv适用于电源电压远大于二极管的管压降时适用于电源电压远大于二极管的管压降时 （a a）V V- -I I特性特性（b b）代表符号）代表符号（c c）正向偏置时的）正向偏置时的 电路模型电路模型（d d）反向偏置时的）反向偏置时的 电路模型电路模型（a a）V V- -I I特性特性（b b）代表符号）代表符号（c c）正向偏置时的）正向偏置时的 电路模型电路模型（a a）V V- -I I特性特性（b b）代表符号）代表符号2. 2. 恒压降模型恒压降模型3. 3. 折线模型折线模型说明：

27、理想模型误差最大；分段线性模型误差最小；一般情说明：理想模型误差最大；分段线性模型误差最小；一般情况下多采用恒压降模型。况下多采用恒压降模型。4. 4. 小信号模型小信号模型us =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvvVRRius =Umsin t 时（时（UmUT 。 RsdsRdRuuRruiRr 根据二极管的小信号模型画出电路的交流通根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并求出电阻路，并求出电阻R R两端的电压和电流的表达式。两端的电压和电流的表达式。电路的交流通路电路的交流通路1. 1. 二极管整流电

28、路二极管整流电路2.3.5 二极管基本应用电路及分析方法二极管基本应用电路及分析方法（a）半波整流电路）半波整流电路 （b）输入、输出输入、输出波形波形2. 2. 限幅电路限幅电路例例：二极管构成的限幅电路如图所示二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，(1) 若若 ui为为4 4V的直流信号，试计算电路的电流的直流信号，试计算电路的电流I和输出电压和输出电压uo,(2) 如果如果ui为幅度为为幅度为4V的交流三角波，试分析电路并画出相应的输的交流三角波，试分析电路并画出相应的输出电压波形。出电压波形。+-+UREFIuiRuo3. 3. 二极管开关电路二极管开关电路例例1: 图

29、示电路，输入端图示电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求，求输出端输出端Y的电位的电位VY。-12VVAVB+3V0VDBDAVY4. 4. 小信号工作情况分析小信号工作情况分析例：图示电路中，例：图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波的波形。形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。4.3 0.

30、0994sin( )OOovVvt V2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管2.4.1 稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性稳压二极管：又称齐纳二极管或稳压管，是工作在稳压二极管：又称齐纳二极管或稳压管，是工作在反向击穿区反向击穿区的一种硅材的一种硅材料制成的面接触型晶体二极管。料制成的面接触型晶体二极管。1.1.符号及等效电路符号及等效电路2.2.伏安特性伏安特性iuUZIUIzminIzmax正向同二正向同二极管极管稳定电压稳定电压注意：反偏电压注意：反偏电压UZ；反向击穿。；反向击穿。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。2.4.2 稳压二极管的主

31、要参数稳压二极管的主要参数1. 1. 稳定电压稳定电压U UZ Z4. 4. 动态电阻动态电阻r rZ Z 在规定的工作电流在规定的工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ = UZ / IZ3. 3. 额定功耗额定功耗 P PZmaxZmax2. 2. 稳定电流稳定电流I IZmaxZmax 和和I IZminZmin5. 5. 温度系数温度系数 ZmaxZ ZmaxPU I2.4.3 稳压二极管基本应用电路稳压二极管基本应用电路1. 1. 稳压原理稳压原理输入电压变化时：输入电压变化时：负载变化时：负载变化时：例：有如下一稳压管，例：有如下一稳压管，当负载电阻当负载电阻RL600，求限流，求限流电阻电阻R取值范围。取值范围。+UZ-IZDZRILIR+Ui-RL15V2.2.稳压管应用举例稳压管应用举例maxmin6V, 20mA, 5mAzzzVII例例2 2：现有两个稳压二极管，稳压值为