模拟电路基础.

1、制作： 路路 勇勇( (第一、二、三、四、七章第一、二、三、四、七章) ) 李金平（第八章）李金平（第八章） 祁祁 英（第六章）英（第六章） 张玉慧（第五章）张玉慧（第五章） 1999年12月 第一章第一章第二章第二章第三章第三章第四章第四章第五章第五章第六章第六章第七章第七章第八章第八章绪绪 论论绪 论1.19041.1904年发明了真空二极管年发明了真空二极管 第一代电子器件诞生。第一代电子器件诞生。2.19482.1948年研制出晶体三极管年研制出晶体三极管 第二代电子器件出现。第二代电子器件出现。3.503.50年代末研制出集成电路年代末研制出集成电路 第三代电子器件出现。第三代电子器

2、件出现。4.4.近几十年来集成电路近几十年来集成电路发展成小规模、中规模、大规模及超发展成小规模、中规模、大规模及超大规模（几十平方毫米的片子上，可集成上百万个元件）大规模（几十平方毫米的片子上，可集成上百万个元件）5.5.电子技术学科可划分为两类：电子技术学科可划分为两类：(1).(1).模拟电子技术：可细分为高频、低频，主要研究对模拟信模拟电子技术：可细分为高频、低频，主要研究对模拟信号的处理。号的处理。(2).(2).数字电子技术：研究逻辑电路，对数字信号进行处理。数字电子技术：研究逻辑电路，对数字信号进行处理。电子技术与日常生活息息相关、其发展随器件的发展经历了电子技术与日常生活息息相

3、关、其发展随器件的发展经历了以下几个阶段：以下几个阶段：第一章 晶体二极管及其应用半导体的基础知识半导体的基础知识 PN结与晶体二极管结与晶体二极管光电二极管和发光二极光光电二极管和发光二极光二极管的应用二极管的应用第一节第一节第二节第二节第三节第三节第四节第四节一、半导体的特性：一、半导体的特性：1.1.什么是导体、绝缘体、半导体：什么是导体、绝缘体、半导体：(1).(1).导体：导电性能良好的物质。导体：导电性能良好的物质。(3).(3).半导体：导电能力介于导体和半导体之间。半导体：导电能力介于导体和半导体之间。第一节 半导体基础知识2.2.半导体的特性：半导体的特性：(1).(1).掺

4、杂特性。掺杂特性。( (掺入杂质则导电率激增掺入杂质则导电率激增) )(2).(2).热敏特性。热敏特性。( (温增则导电率显增温增则导电率显增) )(3).(3).光敏特性。光敏特性。( (光照可增加导电率光照可增加导电率、产生电动势产生电动势) )导电率为105s.cm-1量级，如：金、银、铜、铝。(2).(2).绝缘体：几乎不导电的物质。绝缘体：几乎不导电的物质。导电率导电率1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量级，如：橡胶、云母、量级，如：橡胶、云母、塑料等。塑料等。导电率为导电率为1010-9-9-10-102 2 s.cms.cm-1-1量级，如

5、：硅、锗、量级，如：硅、锗、砷化镓等。砷化镓等。二、本征半导体：( (一一) )硅和锗晶体的共价健结构硅和锗晶体的共价健结构1.1.硅和锗均为硅和锗均为4 4价元素。价元素。2.2.晶体中晶格决定原子间按一晶体中晶格决定原子间按一定规律排列得紧密。（四面定规律排列得紧密。（四面体结构体结构）3.3.外层电子成为共价键。外层电子成为共价键。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体本征半导体：完全纯净、：完全纯净、结构完整的半导体晶体。结构完整的半导体晶体。（二）两种载流子电子和空穴T=300K T=300K 时时: : 少数载流子获得能量少数载流子获得能量, ,从价带导从价带导带带自由电子

6、自由电子，( (本正激发本正激发) )自由电子自由电子导带导带禁带禁带Eg价带价带空穴空穴载流子的能带图载流子的能带图 T=0K T=0K 时时: :价电子被束缚在价带内，晶体价电子被束缚在价带内，晶体中无中无自由电子自由电子. .1.1.电子空穴对：电子空穴对：电子和空穴是成对产生的电子和空穴是成对产生的. .价电子价电子在原位置留下空位在原位置留下空位空穴空穴。两种载流子电子和空穴2.2.自由电子自由电子载流子：载流子： 在外电场作用下形成电子流（在在外电场作用下形成电子流（在导带内运动），导带内运动）， 方向与电场方向相反。方向与电场方向相反。外电场外电场E的方向的方向电子流电子流空穴流

7、空穴流E载流子的能带图载流子的能带图3.3.空穴空穴载流子：载流子：在外电场作用下形成空穴流（在价在外电场作用下形成空穴流（在价带内运动），带内运动），方向与电场方向相同方向与电场方向相同4.4.漂移运动：漂移运动：载流子载流子在电场作用下的定向运动。在电场作用下的定向运动。导带导带禁带禁带价带价带自由电子自由电子空穴空穴（三）载流子的浓度 n ni i=A=A0 0T T3/23/2e e- EG /2kT- EG /2kT(1-1) (1-1) A A0 0与材料有关的常数。与材料有关的常数。 E EG G禁带宽度。禁带宽度。 T T绝对温度。绝对温度。 K K玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。

8、 n ni i 与温度与温度T T和禁带宽度和禁带宽度E EG G有关。有关。本征半导体本征半导体中电子的浓度中电子的浓度本征半导体本征半导体中空穴的浓度中空穴的浓度p(p(空穴浓度空穴浓度):):表示单位体积的空穴数。表示单位体积的空穴数。 (p(pi i) )n(n(电子浓度电子浓度):):表示单位体积的自由电子数。（表示单位体积的自由电子数。（n ni i）当材料一定时：当材料一定时：载流子的浓度主要取决于温度；载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。温度增加使导电能力激增。且温度可人为控制且温度可人为控制 。(四)载流子的产生与复合 n ni i（电子浓度）：是动态平衡值。

9、（电子浓度）：是动态平衡值。 g(g(载流子的产生率载流子的产生率):):每秒成对产生的电子空每秒成对产生的电子空穴的浓度。穴的浓度。 R(R(载流子的复合率载流子的复合率) )：每秒复合的载流子的：每秒复合的载流子的浓度。浓度。 当当g=Rg=R时：时： R=rnR=rni ip pi i (1-2)(1-2) 其中其中r r是和材料有关的系数是和材料有关的系数杂质半导体3.3.在在P P型半导体中：型半导体中： 空穴空穴为多数载流子为多数载流子 自由电子自由电子为少数载流子为少数载流子+4+4+4+4+3+4+4+4+4（二）（二）P P型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入三价元素铟：

10、在四价元素中掺入三价元素铟：三价元素与周围四个原子形成共价三价元素与周围四个原子形成共价健，因缺少一个电子形成健，因缺少一个电子形成“空穴空穴”。2.2.铟原子在电场作用下接受一个铟原子在电场作用下接受一个电子电子受主杂质受主杂质（负离子）（负离子）三、杂质半导体3.3.在在N N型半导体中：型半导体中： 自由电子自由电子为多数载流子为多数载流子 空穴空穴为少数载流子为少数载流子+4+4+4+4+5+4+4+4+4（一）（一）N N型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入五价元在四价元素中掺入五价元素砷，素砷，五价五价元素与周围四个元素与周围四个原子形成共价健，余下一个原子形成共价健，余下一个

11、电子成为电子成为自由电子自由电子。2.2.砷原子贡献一个电子（在电场砷原子贡献一个电子（在电场作用下成为自由电子）作用下成为自由电子）施主杂质施主杂质（正离子）（正离子） 在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。例如：例如：T=300k时，锗本征半导时，锗本征半导ni=2.5*1013/cm3,锗原子密度为锗原子密度为4.4*1022/cm3,若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。 则施主杂质浓度为：则施主杂质浓度为：

12、 ND=10-4*4.4*1022=4.4*1018/cm3 （比（比ni大十万倍）大十万倍）（三）、杂质半导体的载流子浓度在杂质型半导体中：在杂质型半导体中：多子浓度比本征半导体的浓度大得多；多子浓度比本征半导体的浓度大得多；载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增故使导电能力激增 。结结 论论半导体的热敏性半导体的热敏性；半导体的半导体的掺杂特性；掺杂特性；半导体的半导体的光敏性特性；光敏性特性；是可人为控制的。是可人为控制的。结论结论第二节 PN 结与晶体二极管(1).(1).两种半导体结合后，由于浓度差产两种半导体结合后，由于浓度差产

13、生载流子的生载流子的扩散运动扩散运动 结果产生空结果产生空间电荷区间电荷区耗尽层（多子运动）。耗尽层（多子运动）。+PN载流子要从浓度大载流子要从浓度大区域向浓度小的区域区域向浓度小的区域扩散扩散,称载流子的扩散称载流子的扩散的运动的运动(2).(2).空间电荷区产生空间电荷区产生建立了内电场建立了内电场产生载流子定向运动（产生载流子定向运动（漂移运动漂移运动）(3).(3).扩散运动产生扩散电流；漂移运动扩散运动产生扩散电流；漂移运动产生漂移电流。产生漂移电流。动态平衡时：扩散电流动态平衡时：扩散电流= =漂移电流。漂移电流。 PNPN结内总电流结内总电流=0=0。 PNPN结的宽度一定结的

14、宽度一定 。把载流子在电场作把载流子在电场作用下的定向移动称用下的定向移动称为漂移运动为漂移运动一一.PN.PN结的基本原理：结的基本原理：（一）（一）.PN.PN结的形成：结的形成：当扩散运动当扩散运动内电场内电场漂移运漂移运动动扩散运动扩散运动动态平衡。动态平衡。自由电子自由电子空穴空穴+PN+(2).(2).接触电位接触电位 V V 决定于材决定于材料及掺杂浓度：料及掺杂浓度：硅：硅： V V =0.7=0.7锗：锗： V V =0.2=0.2+PNPN结的接触电位结的接触电位V V ( (二二)PN)PN结的接触电位：结的接触电位：(1).(1).内电场的建立，使内电场的建立，使PNP

15、N结结中产生电位差。从而形成接中产生电位差。从而形成接触电位触电位V V ( (又称为位垒又称为位垒) )。(3).(3).其电位差用其电位差用 表示表示+(1).U(1).Uq(Vq(V -U)-U)位垒高度位垒高度 耗尽层变薄耗尽层变薄扩散运动扩散运动( (多子多子) ) 扩散电流扩散电流1.PN1.PN结加正向电压时：结加正向电压时： ( 内电场内电场)与与U方向相反方向相反+PN+Q(V -U)扩散扩散U（三）（三）PNPN结的单向导电性结的单向导电性(2).(2).位垒高度位垒高度 漂移运动漂移运动（少子）（少子） 漂移电流漂移电流(3).(3).正向电流决定于扩散电流。正向电流决定

16、于扩散电流。此时此时PNPN结导通。结导通。I漂移漂移(1).U(1).Uq(Vq(V -U)-U)位垒高度位垒高度 耗尽层变薄耗尽层变薄扩散运扩散运动动( (多子多子) ) 扩散电扩散电流流2.PN2.PN结加反向电压时：结加反向电压时： ( 内电场内电场)与与U方向相同方向相同+PN+Q(V +U)扩散扩散U(2).(2).位垒高度位垒高度 漂移运动漂移运动（少子）（少子） 漂移电流漂移电流(3).(3).反向电流决定于反向电流决定于漂移电流漂移电流此时此时PNPN结截止。结截止。I漂移漂移I Is s 饱和电流饱和电流; U; UT T=kT/q=kT/q 为温度电压当量。为温度电压当量

17、。k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； ( (T T=300k;=300k;时时 U UT T=26mv)=26mv)二二.PN.PN结的电流方程：结的电流方程：由半导体物理可推出：由半导体物理可推出：当加正向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时： I I -I-Is s) 1(/TUUseII)( ;/TUUsUUeIIT 当加正向电压时：当加正向电压时：I随随U，呈指数，呈指数规率规率。PN符号符号结构结构IUIsPNPN结的理想特性结的理想特性三三. .二极管的结构与伏安特性：二极管的结构与伏安特性：(一一) . 二极管的结构：二极管的结构：如图所示如图所示。( (二二

18、).).理想伏安特性：理想伏安特性：二极管两端电压与流过电流之间关系：二极管两端电压与流过电流之间关系：) 1(/TUUseII当加反向电压时：当加反向电压时： I=Is ，基本不变。，基本不变。1.1.正向起始部分有门限电压：正向起始部分有门限电压： 硅：硅：Ur=0.5-0.6v; =0.5-0.6v; 锗：锗：Ur=0.1-0.2v=0.1-0.2v2.2.加反向电压时，相同温度下：加反向电压时，相同温度下： Is硅硅(nA,10-9)EEG(GeG(Ge) )3.3.当反压大时，反向击穿，击穿当反压大时，反向击穿，击穿电压为电压为U UB B ( (三三).).实测伏安特性：实测伏安特

19、性：IIsU硅管的伏安特性硅管的伏安特性0Ur与理想的伏安特性的差别：与理想的伏安特性的差别：IU锗管的伏安特性锗管的伏安特性Is0UrUB 正向电压时：正向电压时：(1).(1).OQ斜率的倒数是正向电阻斜率的倒数是正向电阻R R。(2).(2).R与与Q有关，有关，Q不同不同, ,R也不同也不同(3).(3).反向电压时：反向电压时：I很小，很小，R很大很大。IDUDD0IUQ UDID为非线性电阻：用静态电阻和动态电阻描述为非线性电阻：用静态电阻和动态电阻描述( (一一).).直流电阻：直流电阻：四四. .晶体二极管的电阻：晶体二极管的电阻：定义为：定义为：R=UD/ID; 工作点工作点

20、tg = ID/ UD=1/R二极管的正二极管的正向伏安特性向伏安特性(2).MN(2).MN的斜率的斜率: : tg = I/ U=-1/ RL0UIIDEDDRLUDE ED DME ED D/ / R RL LN(1).(1).MNMN为直流负载线。为直流负载线。UD=ED-IDRL; ID=f(UD) 两条曲线的交点为静态工作点两条曲线的交点为静态工作点Q Q：( (二二).).静态工作点：静态工作点：Q(3).(3).直流电阻直流电阻: : R=UD/IDQU UD DI ID D 作作Q Q的切线，则有的切线，则有: : r=U/I; 或或r=dU/dI 因为：因为： I=Ise

21、U/ nUT; 交流交流电导电导： g=dI/dU=I/(nUT) 交流电阻：交流电阻：r=1/g= nUT/I 若若n=1,室温下室温下：UT=26mv 交流电阻交流电阻：r=26mv/ ID(mA)UE ED DDR RL LiDIQ0UU I( (三三).).交流电阻：交流电阻： 二极管工作时既有直流，又有交流二极管工作时既有直流，又有交流。( (三三).).交流电阻：交流电阻：( (一一).).反向击穿现象反向击穿现象: : 反向反向电压超过一定值时导致二极管击穿，分为电击穿热击穿电压超过一定值时导致二极管击穿，分为电击穿热击穿1.1.电击穿电击穿: :(1).(1).雪崩击穿：当雪崩

22、击穿：当UU，载流子获得能量高速运动，产生碰撞载流子获得能量高速运动，产生碰撞电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流I。(2).(2).齐钠击穿：当齐钠击穿：当UU，强电场直接破坏共价键。将电子拉出强电场直接破坏共价键。将电子拉出来，形成大量载流子来，形成大量载流子, ,使反向电流使反向电流I。2.2.热击穿热击穿: : 当当UU，时时, ,耗散功率超过耗散功率超过PNPN结的极限值结的极限值, ,使温度升高使温度升高, ,导致导致PNPN结过热烧毁结过热烧毁. .五五.PN.PN结的反向击穿和稳压二极管：结的反向击穿和稳压二极管： 稳压管工作在反

23、向击穿状态：稳压管工作在反向击穿状态： 反压反压UUZ时时: :反向电流反向电流 I, UZ稳稳定。定。 最大工作电流最大工作电流 IZmax，取决于最大取决于最大耗散功率。耗散功率。2.2.特点：特点：(1).(1).工作在反向工作区。工作在反向工作区。 (2).(2).工作电压要超过反向击穿电压工作电压要超过反向击穿电压。UI0UZIZUZ稳压管符号稳压管符号:1.1.原理：原理：( (二二).).稳压二极管：稳压二极管： ( (一一).).势垒电容势垒电容CT: : 把把PNPN结看成平板电容器，加正向电压或反向电压时像电容的充结看成平板电容器，加正向电压或反向电压时像电容的充放电。（此

24、电容效应为放电。（此电容效应为势垒电容势垒电容） ( (二二).).扩散电容扩散电容CD: 扩散电容是由载流子在扩散过程中的积累引起的扩散电容是由载流子在扩散过程中的积累引起的电容电容。 （三）变容二极管：（三）变容二极管： 利用结势垒电容利用结势垒电容CT随外电压随外电压U的变化而变化的特点制成的二的变化而变化的特点制成的二极管。极管。符号符号六六. .晶体二极管的电容和变容二极管晶体二极管的电容和变容二极管：二二. .发光二极管：发光二极管：定义：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光。定义：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光。类型：发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫。类型

25、：发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫。用途：主要用于显示。用途：主要用于显示。第三节 光电二极管与发光二极管符号符号符号符号光电器件可分为两大类光电器件可分为两大类：1.1.光敏器件：把光能转变成电能的器件。光敏器件：把光能转变成电能的器件。2.2.发光器件：光辐射器件，把电能转变成光能的器件发光器件：光辐射器件，把电能转变成光能的器件。一一. .光电二极管：光电二极管：定义：有光照射时，就有电流产生的二极管。定义：有光照射时，就有电流产生的二极管。类型：有类型：有PNPN结型，结型，PINPIN结型，雪崩型。结型，雪崩型。用途用途: :光电池（光电二极管其光电池（光电二极管其PNPN结工作在反向

26、偏置状态）结工作在反向偏置状态）第四节 二极管的应用一一. .整流电路：整流电路： 把交流变成直流的电路。把交流变成直流的电路。 （一）半波整流（一）半波整流： 输入交流电压：输入交流电压：e e2 2=E=Em2m2sinsin t t 经整流，经整流，直流输出电压为：（平均值）直流输出电压为：（平均值）)(sin2102ttdEUmdc=E=Em2m2/ / =0.318E=0.318Em2 m2 =0.45E=0.45E2 2 E E2 2为为e e2 2的有效值的有效值优点：电路简单优点：电路简单缺点：输出直流缺点：输出直流电压低电压低（二）全波整流（二）全波整流 输入交流电压：输入交流电压：e2=Em2sin t 经整流经整流后，直流输出电压为后，直流输出电压为半波的两倍：半波的两倍：Udc=Udc(半半)=0.9E2E2为为e2的有效值的有效值优点：输出电压高优点：输出电压高缺点：变压器需要缺点：变压器需要抽头抽头（三）桥式整流：（三）桥式整流： 输入交流电压：输入交流电压：e2=Em2sin t 经整经整流直流输出电压：流直流输出电压： Udc=Udc(半半)=0.9E2 E2为为e2的有效值的有效值 与全波整流相同：与全波整流相同：优点：输出电压高，优点：输出电压高，二极管承受的反压小。二极