模拟电子技术基础(第四版)课程1.1-1.2

1、一、课程特点 1、工程性工程性 强调定性分析。强调定性分析。允许有一定误差。允许有一定误差。 电子电路的定量分析称为电子电路的定量分析称为“估算估算”。 电子电路归根结底是电路。电子电路归根结底是电路。建模后，可用电路的基本理论分析模拟电路。建模后，可用电路的基本理论分析模拟电路。2. 实践性实践性 实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法：才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法： 常用电子仪器的使用方法常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法故障的判断与排除方法二、如何学习这门课程

2、 基本概念基本概念：概念是不变的概念是不变的, ,应用是灵活的应用是灵活的: “: “万变不离其宗万变不离其宗” 基本电路基本电路：构成的原则是不变的，具体电路多种多样构成的原则是不变的，具体电路多种多样 基本方法基本方法：在基本概念指导下，基本电路的基本分析步骤在基本概念指导下，基本电路的基本分析步骤重基础！重基础！3 多级放大电路多级放大电路1 常用半导体器件常用半导体器件2 基本放大电路基本放大电路4 集成运算放大电路集成运算放大电路5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应6 放大电路中的反馈放大电路中的反馈7 信号的运算与处理信号的运算与处理8 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的

3、转换9 功率放大电路功率放大电路10 直流电源直流电源第一章半导体器件第一章半导体器件1.1半导体基础知识半导体基础知识1.2半导体二极管半导体二极管1.3晶体晶体(双极型双极型)三极管三极管( (BJT) )1.4场效应管场效应管1.1半导体基础知识半导体基础知识1. 导体：导体：电阻率电阻率 109 cm 物质。如橡胶、物质。如橡胶、塑料等。塑料等。3. 半导体：半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。半导体器件所用的主要材料是硅质。半导体器件所用的主要材料是硅( (Si) )和锗和锗( (Ge) )。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是

4、由其原子结构决定的。硅原子结构硅原子结构 硅原子结构硅原子结构( (a) )硅的原子结构图硅的原子结构图最外层电子称最外层电子称价电子价电子 价电子价电子锗原子也是锗原子也是 4 价元素价元素4 价元素的原子用带有价元素的原子用带有+4电荷的电荷的正离子和周围正离子和周围 4个价电子表示个价电子表示+4( (b) )简化模型简化模型1.1.1本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为体称为本征半导体本征半导体。 通过特殊工艺，通过特殊工艺，可可使硅或锗材料形成使硅或锗材料形成晶体结构，

5、每个原子晶体结构，每个原子与周围的与周围的4个原子以个原子以共价键的形式紧密结共价键的形式紧密结合着，并排列成整齐合着，并排列成整齐的晶格结构。的晶格结构。价价电电子子共共价价键键 单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当温度当温度 T = 0 K 时，半导时，半导体不导电，如同绝缘体。体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴若若 T ，由于本征激发，由于本征激发，将有少数价电子克服共价将有少数价电子克服共价键的束缚成为键的束缚成为自由电子自由电子，在原来的共价键中留下一在原来的共价键中留下

6、一个空位个空位空穴空穴T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本征半导本征半导体具有导电能力：很微弱体具有导电能力：很微弱空穴可看成带正电的载流子空穴可看成带正电的载流子1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni = pi 。4. 自由电子和空穴不断产生、不断复合。自由电子和空穴不断产生、不断复

7、合。在一定在一定T下下,产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了5.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。载载流子浓度与流子浓度与T密切相关：密切相关：T升高，其按指数规律增加。升高，其按指数规律增加。本征半导体的特性本征半导体的特性-小结：小结：1.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体：杂质半导体：N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、 N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，如磷、杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成锑、砷等，即构成 N 型

8、半导体型半导体( (或称电子型半导体或称电子型半导体) )。 本征半导体掺入本征半导体掺入 5 价元价元素后，原来晶体中的某些硅素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有质原子最外层有 5 个价电子，个价电子，其中其中 4 个与硅构成共价键，个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子。5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子；施主原子；自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p ：电子称为多电子称为多数载流子数载流子( (简称多子简

9、称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。二、二、 P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，如杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓度大于电子浓度，空穴浓度大于电子浓度，即即 p n。空穴为多数空穴为多数载流子载流子，电子为少数载，电子为少数载流子。流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。受主受主原子原子空穴空穴 P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构说明：说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；

10、温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度定少数载流子的浓度。 3. 杂质半导体的简化表示方法：杂质半导体的简化表示方法：2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法1.1.3PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在一块半导体的一侧掺杂成为在一块半导体的一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧型半导体，另一侧掺杂成为掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成

11、了一个型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结 PN 结的形成结的形成 一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电子和空穴浓度电子和空穴浓度差形成差形成多数载流多数载流子的扩散运动。子的扩散运动。PN 结，耗尽层结，耗尽层PN3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩

12、散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场有利于少内电场有利于少子运动子运动漂移。漂移。少子的运动与多少子的运动与多子相反子相反 阻挡层阻挡层5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；扩散运动最终与漂移运动达到动态平衡。扩散运动最终与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为( (0.6 0.8) ) V,

13、锗材料约为锗材料约为( (0.2 0.3) ) V。1. 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI外电场将多子推向空间电外电场将多子推向空间电荷区荷区,使其变窄使其变窄,消弱内电消弱内电场场,破坏原平衡破坏原平衡,加剧扩散加剧扩散运动运动,产生较大正向电流产生较大正向电流PN在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，接入电阻正向电流，为防止电流过大，接入电阻 R。2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )空间电荷区

14、空间电荷区PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS 反相偏置的反相偏置的 PN 结结反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏对温度十分敏感感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。结论：结论：PN结具有单向导电性结具有单向导电性反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I ；由

15、于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。cPN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩和扩散电容散电容 Cd 两部分。两部分。高频时呈现电容效应。高频时呈现电容效应。1.21.21.2半导体二极管半导体二极管将将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。1.2.1 二极管的结构：二极管的结构：( (a) )外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。( (b) )符号符号 二极管

16、的外形和符号二极管的外形和符号二极管类型：二极管类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。按用途分：按用途分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f ( (U ) )之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0

17、.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1. 正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。只有当正向电压超过一定值时，只有当正向电压超过一定值时，电流才快速增长，相应的电压叫电流才快速增长，相应的电压叫死区死区电压电压。范围称。范围称死区。死区电压死区。死区电压与材料与材料和

18、温度有关，硅管约和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗左右，锗管约管约 0.1 V 左右左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I / mAU / V当正向电压超过死区电压后，随当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。着电压的升高，正向电流迅速增大。2. 反向特性反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性当电压超过零点几伏后，当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增反向电流不随电压增加而增大，即饱和；大，即饱和；二极管加反向电压，反二极管加反向电压，反向电流很小；向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数

19、值时，反向电如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)3. 伏安特性表达式伏安特性表达式( (二极管方程二极管方程) )1e (S- - TUUIIIS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， UT 26 mV二极管加反向电压，即二极管加反向

20、电压，即 U UT ，则，则 I - - IS二极管加正向电压，即二极管加正向电压，即 U 0，且，且 U UT ，则，则，可得，可得 ，说明电流，说明电流 I 与电压与电压 U 基本上成指数关系。基本上成指数关系。1eTUUTUUIIeS 1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2. 最高反向工作电压最高反向工作电压UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将。通常将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 U

21、R 。3. 反向电流反向电流 IR 二极管未击穿时的反向电流。二极管未击穿时的反向电流。IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高工作频率最高工作频率 fMfM 值主要决定于值主要决定于 PN 结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈大，结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。二极管允许的最高工作频率愈低。BRUU21R 使用要特别要注意不能超过使用要特别要注意不能超过IF和和UR，否则容易损坏管子。，否则容易损坏管子。 1） 理想开关模型理想开关模型1.2.4 二极管的等效模型二极管的等效模型 （电路）（电路）1、直流模型、直流模型 （由伏安特性折线化得到的等效模型）（由伏安特性折线化得到的

22、等效模型） 2） 恒压源模型恒压源模型3） 折线模型折线模型uDIDIDuDUOnIDuD例：例：电路如图示，电路如图示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用的直流信号，分别采用理想开关模型理想开关模型、恒压源恒压源模型模型计算电流计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用恒压源模型分析。采用恒压源模型分析。mA2k12VV4REFi-RUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI-2.7V0.7VV2DREFoUUu继续（2）如果）如

23、果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所示，）所示，分别采用分别采用 两种两种模型模型 分析电路并画出相应的输出电压波形。分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想模型。波形如图采用理想模型。波形如图0-4V4Vuit2V2Vuot继续02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用恒压源模型，波形如图采用恒压源模型，波形如图+-+UIuREFRiuO继续rd 即为工作点处的交流电阻即为工作点处的交流电阻 当二极管的工作点上叠加有交流当二极管的工作点上叠加有交流小信号小信号电压电压ud时，可将局时，可将局部伏安特性曲线看成直

24、线部伏安特性曲线看成直线(线性化线性化)：交流电压与电流之间的关交流电压与电流之间的关系可用一个线性电阻系可用一个线性电阻rd来近似。来近似。2、交流模型、交流模型 （微变等效电路）（微变等效电路）DiDuDUDIQdidudDDiIi dDDuUu +-didr+-DTdIUr/ 稳压一种特殊的面接触型半一种特殊的面接触型半导体硅二极管。导体硅二极管。I/mAU/VO+ - -正向正向- - +反向反向 U( (b) )稳压管符号稳压管符号( (a) )稳压管伏安特性稳压管伏安特性+ I1.2.5 稳压二极管稳压二极管正常情况下，稳压管应该工正常情况下，稳压管应该工作在作在反向电击穿反向电击穿 状态。状态。 稳压管的参数：稳压管的参数：1. 稳定电压稳定电压 UZ3. 动态电阻动态电阻 rZ2. 稳定电流稳定电流 IZ（即（即IZmin)ZZZIUr 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。 正常工作的参考电流。正常工作的参考电流。I 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0； ( (2) ) UZ 在在 4 7 V 之间，之间， U 值比较小，性能比较稳定值比较小，性能比较稳定 VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题： 稳压管电路稳压管电路UOIO+